تقنيات تخزين الطاقة لشحن المركبات الكهربائية: تحليل فني شامل
مع تزايد انتشار المركبات الكهربائية، يتزايد الطلب على البنية التحتية للشحن السريع والموثوق والمستدام بشكل كبير.أنظمة تخزين الطاقة (ESS)تبرز تقنيات تخزين الطاقة (ESS) كتقنية أساسية لدعم شحن المركبات الكهربائية، ومعالجة تحديات مثل ضغط الشبكة، وارتفاع الطلب على الطاقة، وتكامل الطاقة المتجددة. من خلال تخزين الطاقة وتوصيلها بكفاءة إلى محطات الشحن، يُحسّن نظام تخزين الطاقة (ESS) أداء الشحن، ويُخفّض التكاليف، ويدعم شبكة أكثر مراعاةً للبيئة. تتناول هذه المقالة التفاصيل الفنية لتقنيات تخزين الطاقة لشحن المركبات الكهربائية، مستكشفةً أنواعها، وآلياتها، وفوائدها، وتحدياتها، واتجاهاتها المستقبلية.
ما هو تخزين الطاقة لشحن المركبات الكهربائية؟
أنظمة تخزين الطاقة لشحن المركبات الكهربائية هي تقنيات تخزن الطاقة الكهربائية وتُطلقها لتشغيل محطات الشحن، خاصةً خلال ذروة الطلب أو عندما تكون إمدادات الشبكة محدودة. تعمل هذه الأنظمة كحاجز بين الشبكة وأجهزة الشحن، مما يُمكّن من شحن أسرع، ويحافظ على استقرار الشبكة، ويدمج مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. يمكن نشر أنظمة تخزين الطاقة في محطات الشحن، أو المستودعات، أو حتى داخل المركبات، مما يوفر مرونة وكفاءة.
الأهداف الأساسية لنظام ESS في شحن المركبات الكهربائية هي:
● استقرار الشبكة:تخفيف ضغوط ذروة الحمل ومنع انقطاع التيار الكهربائي.
● دعم الشحن السريع:توفير طاقة عالية للشواحن فائقة السرعة دون الحاجة إلى ترقيات الشبكة المكلفة.
● كفاءة التكلفة:استخدم الكهرباء منخفضة التكلفة (على سبيل المثال، خارج أوقات الذروة أو الطاقة المتجددة) للشحن.
● الاستدامة:تعظيم استخدام الطاقة النظيفة وتقليل انبعاثات الكربون.
تقنيات تخزين الطاقة الأساسية لشحن المركبات الكهربائية
تُستخدم تقنيات تخزين الطاقة المتعددة لشحن المركبات الكهربائية، ولكل منها خصائص فريدة تناسب تطبيقات محددة. فيما يلي نظرة مفصلة على أبرز الخيارات:
1. بطاريات الليثيوم أيون
● ملخص:تُهيمن بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) على سوق أنظمة تخزين الطاقة (ESS) لشحن السيارات الكهربائية، بفضل كثافتها العالية من الطاقة وكفاءتها وقابليتها للتوسع. فهي تُخزّن الطاقة كيميائيًا وتُطلقها ككهرباء عبر تفاعلات كهروكيميائية.
● التفاصيل الفنية:
● الكيمياء: تشمل الأنواع الشائعة فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) للسلامة وطول العمر، ونيكل المنغنيز الكوبالت (NMC) للحصول على كثافة طاقة أعلى.
● كثافة الطاقة: 150-250 واط/كجم، مما يتيح أنظمة مدمجة لمحطات الشحن.
● عمر الدورة: 2000-5000 دورة (LFP) أو 1000-2000 دورة (NMC)، اعتمادًا على الاستخدام.
● الكفاءة: كفاءة ذهابًا وإيابًا بنسبة 85-95% (الطاقة المحتفظ بها بعد الشحن / التفريغ).
● التطبيقات:
● تشغيل شواحن التيار المستمر السريعة (100-350 كيلو وات) أثناء ذروة الطلب.
● تخزين الطاقة المتجددة (على سبيل المثال، الطاقة الشمسية) للشحن خارج الشبكة أو في الليل.
● دعم شحن الأسطول للحافلات ومركبات التوصيل.
● أمثلة:
● يتم نشر Megapack من Tesla، وهو نظام تخزين الطاقة واسع النطاق يعمل ببطارية ليثيوم أيون، في محطات Supercharger لتخزين الطاقة الشمسية وتقليل الاعتماد على الشبكة.
● يدمج شاحن Boost Charger من FreeWire بطاريات Li-ion لتوفير شحن بقوة 200 كيلو وات دون الحاجة إلى ترقيات كبيرة للشبكة.
2. بطاريات التدفق
● نظرة عامة: تخزن بطاريات التدفق الطاقة في إلكتروليتات سائلة، تُضخ عبر خلايا كهروكيميائية لتوليد الكهرباء. وتشتهر هذه البطاريات بعمرها الطويل وقابليتها للتوسع.
● التفاصيل الفنية:
● الأنواع:بطاريات تدفق الفاناديوم والاختزال (VRFB)هي الأكثر شيوعًا، مع استخدام الزنك والبروم كبديل.
● كثافة الطاقة: أقل من بطاريات أيون الليثيوم (20-70 واط/كجم)، وتتطلب مساحة أكبر.
● عمر الدورة: 10,000-20,000 دورة، مثالية لدورات الشحن والتفريغ المتكررة.
● الكفاءة: 65-85%، أقل قليلاً بسبب خسائر الضخ.
● التطبيقات:
● مراكز شحن واسعة النطاق ذات إنتاجية يومية عالية (على سبيل المثال، محطات الشاحنات).
● تخزين الطاقة لتحقيق التوازن في الشبكة والتكامل المتجدد.
● أمثلة:
● تقوم شركة Invinity Energy Systems بنشر VRFBs لمراكز شحن السيارات الكهربائية في أوروبا، مما يدعم توصيل الطاقة بشكل ثابت للشواحن فائقة السرعة.
3.المكثفات الفائقة
● نظرة عامة: تقوم المكثفات الفائقة بتخزين الطاقة بشكل إلكتروستاتيكي، مما يوفر قدرات شحن وتفريغ سريعة ومتانة استثنائية ولكن بكثافة طاقة أقل.
● التفاصيل الفنية:
● كثافة الطاقة: 5-20 واط/كجم، أقل بكثير من البطاريات.: 5-20 واط/كجم.
● كثافة الطاقة: 10-100 كيلو وات/كجم، مما يتيح دفعات من الطاقة العالية للشحن السريع.
● عمر الدورة: أكثر من 100000 دورة، مثالية للاستخدام المتكرر لمدة قصيرة.
● الكفاءة: 95-98%، مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة.
● التطبيقات:
● توفير دفعات قصيرة من الطاقة للشواحن فائقة السرعة (على سبيل المثال، 350 كيلو وات+).
● تسهيل توصيل الطاقة في الأنظمة الهجينة مع البطاريات.
● أمثلة:
● يتم استخدام المكثفات الفائقة من Skeleton Technologies في نظام ESS الهجين لدعم شحن السيارات الكهربائية عالية الطاقة في المحطات الحضرية.
4. عجلات الموازنة
● نظرة عامة:
●تقوم العجلات الطائرة بتخزين الطاقة حركيًا عن طريق تدوير الدوار بسرعات عالية، وتحويلها مرة أخرى إلى كهرباء عبر مولد.
● التفاصيل الفنية:
● كثافة الطاقة: 20-100 واط/كجم، معتدلة مقارنة ببطارية ليثيوم أيون.
● كثافة الطاقة: عالية، مناسبة لتوصيل الطاقة بسرعة.
● دورة الحياة: أكثر من 100000 دورة، مع الحد الأدنى من التدهور.
● الكفاءة: 85-95%، على الرغم من حدوث خسائر في الطاقة بمرور الوقت بسبب الاحتكاك.
● التطبيقات:
● دعم الشواحن السريعة في المناطق ذات البنية التحتية الضعيفة للشبكة.
● توفير الطاقة الاحتياطية أثناء انقطاع الشبكة.
● أمثلة:
● يتم استخدام أنظمة دولاب الموازنة الخاصة بشركة Beacon Power في محطات شحن السيارات الكهربائية لتحقيق الاستقرار في توصيل الطاقة.
5. بطاريات السيارات الكهربائية ذات العمر الثاني
● نظرة عامة:
●يتم إعادة استخدام بطاريات السيارات الكهربائية القديمة، بنسبة 70-80% من سعتها الأصلية، في أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية الثابتة، مما يوفر حلاً فعالاً من حيث التكلفة ومستدامًا.
● التفاصيل الفنية:
●الكيمياء: عادةً NMC أو LFP، اعتمادًا على EV الأصلي.
●عمر الدورة: 500-1000 دورة إضافية في التطبيقات الثابتة.
●الكفاءة: 80-90%، أقل قليلاً من البطاريات الجديدة.
● التطبيقات:
●محطات شحن حساسة للتكلفة في المناطق الريفية أو النامية.
●دعم تخزين الطاقة المتجددة للشحن خارج أوقات الذروة.
● أمثلة:
●تعمل نيسان ورينو على إعادة استخدام بطاريات Leaf لمحطات الشحن في أوروبا، مما يقلل من النفايات والتكاليف.
كيف يدعم تخزين الطاقة شحن المركبات الكهربائية: الآليات
يتكامل نظام ESS مع البنية التحتية لشحن المركبات الكهربائية من خلال عدة آليات:
●حلاقة الذروة:
●يقوم نظام ESS بتخزين الطاقة خارج ساعات الذروة (عندما تكون الكهرباء أرخص) ويطلقها أثناء ذروة الطلب، مما يقلل من الضغط على الشبكة ورسوم الطلب.
●على سبيل المثال: يمكن لبطارية ليثيوم أيون بقوة 1 ميجاوات في الساعة تشغيل شاحن بقوة 350 كيلووات خلال ساعات الذروة دون السحب من الشبكة.
●تخزين الطاقة المؤقت:
●تتطلب شواحن الطاقة العالية (مثل 350 كيلوواط) سعة كبيرة للشبكة. يوفر نظام ESS طاقة فورية، متجنبًا تكاليف تحديث الشبكة.
●على سبيل المثال: توفر المكثفات الفائقة دفعات من الطاقة لجلسات شحن فائقة السرعة لمدة تتراوح من دقيقة إلى دقيقتين.
●التكامل المتجدد:
●يقوم نظام ESS بتخزين الطاقة من مصادر متقطعة (الطاقة الشمسية وطاقة الرياح) للشحن المستمر، مما يقلل الاعتماد على شبكات الطاقة المعتمدة على الوقود الأحفوري.
●على سبيل المثال: تستخدم شواحن Tesla الفائقة التي تعمل بالطاقة الشمسية وحدات Megapacks لتخزين الطاقة الشمسية أثناء النهار لاستخدامها في الليل.
●خدمات الشبكة:
●يدعم نظام ESS تقنية المركبات إلى الشبكة (V2G) والاستجابة للطلب، مما يسمح للشواحن بإعادة الطاقة المخزنة إلى الشبكة أثناء نقص الطاقة.
●على سبيل المثال: تشارك بطاريات التدفق الموجودة في مراكز الشحن في تنظيم التردد، مما يؤدي إلى تحقيق إيرادات للمشغلين.
●شحن الهاتف المحمول:
●توفر وحدات ESS المحمولة (على سبيل المثال، المقطورات التي تعمل بالبطارية) الشحن في المناطق النائية أو أثناء حالات الطوارئ.
●على سبيل المثال: يستخدم شاحن Mobi الخاص بـ FreeWire بطاريات Li-ion لشحن السيارات الكهربائية خارج الشبكة.
فوائد تخزين الطاقة لشحن المركبات الكهربائية
●توفر تقنية ESS طاقة عالية (350 كيلو وات+) للشواحن، مما يقلل أوقات الشحن إلى 10-20 دقيقة لمسافة تتراوح بين 200-300 كيلومتر.
●من خلال تقليص الأحمال القصوى واستخدام الكهرباء خارج أوقات الذروة، تعمل خدمة الطاقة المستدامة على خفض رسوم الطلب وتكاليف ترقية البنية التحتية.
●يؤدي التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة إلى تقليل البصمة الكربونية لشحن المركبات الكهربائية، بما يتماشى مع أهداف صافي الانبعاثات الصفرية.
●يوفر ESS طاقة احتياطية أثناء انقطاع التيار الكهربائي ويثبت الجهد الكهربائي للشحن المتسق.
● قابلية التوسع:
●تسمح تصميمات ESS المعيارية (على سبيل المثال، بطاريات Li-ion المحصورة في حاويات) بالتوسع بسهولة مع نمو الطلب على الشحن.
تحديات تخزين الطاقة لشحن المركبات الكهربائية
● تكاليف أولية عالية:
●تبلغ تكلفة أنظمة ليثيوم أيون 300-500 دولار أمريكي/كيلووات ساعة، ويمكن أن تتجاوز تكلفة أنظمة تخزين الطاقة على نطاق واسع للشواحن السريعة مليون دولار أمريكي لكل موقع.
●تتمتع بطاريات التدفق والعجلات الدوارة بتكاليف أولية أعلى بسبب التصميمات المعقدة.
● قيود المساحة:
●تتطلب تقنيات كثافة الطاقة المنخفضة مثل بطاريات التدفق بصمات كبيرة، مما يشكل تحديًا لمحطات الشحن الحضرية.
● العمر الافتراضي والتدهور:
●تتدهور بطاريات الليثيوم أيون بمرور الوقت، وخاصةً في ظل دورات الطاقة العالية المتكررة، مما يتطلب استبدالها كل 5 إلى 10 سنوات.
●تتمتع البطاريات ذات العمر الثانوي بعمر افتراضي أقصر، مما يحد من موثوقيتها على المدى الطويل.
● الحواجز التنظيمية:
●تختلف قواعد ربط الشبكة والحوافز الخاصة بخدمات الطاقة المتجددة حسب المنطقة، مما يؤدي إلى تعقيد عملية النشر.
●تواجه خدمات V2G والشبكات عقبات تنظيمية في العديد من الأسواق.
● مخاطر سلسلة التوريد:
●قد يؤدي النقص في الليثيوم والكوبالت والفاناديوم إلى ارتفاع التكاليف وتأخير إنتاج أنظمة تخزين الطاقة.
الحالة الحالية وأمثلة من العالم الحقيقي
1. التبني العالمي
●أوروبا:وتتصدر ألمانيا وهولندا مجال الشحن المتكامل مع نظام ESS، من خلال مشاريع مثل محطات Fastned التي تعمل بالطاقة الشمسية باستخدام بطاريات Li-ion.
●أمريكا الشمالية:تنشر شركة Tesla وElectrify America نظام ESS لشحن بطاريات Li-ion في مواقع الشحن السريع DC ذات الحركة المرورية الكثيفة لإدارة الأحمال القصوى.
●الصين:تقدم BYD وCATL نظام ESS يعتمد على LFP لمراكز الشحن الحضرية، مما يدعم أسطول السيارات الكهربائية الضخم في البلاد.
2. التنفيذات البارزة
2. التنفيذات البارزة
● شواحن تيسلا الفائقة:تخزن محطات الطاقة الشمسية Megapack التابعة لشركة Tesla في كاليفورنيا ما بين 1 إلى 2 ميجاوات في الساعة من الطاقة، مما يوفر الطاقة لأكثر من 20 شاحنًا سريعًا بشكل مستدام.
● شاحن FreeWire Boost:شاحن متنقل بقوة 200 كيلو وات مع بطاريات ليثيوم أيون مدمجة، يتم نشره في مواقع البيع بالتجزئة مثل Walmart دون ترقيات الشبكة.
● بطاريات Invinity Flow:يتم استخدامه في مراكز الشحن في المملكة المتحدة لتخزين طاقة الرياح، وتوفير طاقة موثوقة لشواحن بقوة 150 كيلو وات.
● أنظمة ABB الهجينة:يجمع بين بطاريات ليثيوم أيون ومكثفات فائقة لشواحن بقوة 350 كيلو وات في النرويج، مما يحقق التوازن بين احتياجات الطاقة والكهرباء.
الاتجاهات المستقبلية في تخزين الطاقة لشحن المركبات الكهربائية
●بطاريات الجيل القادم:
●البطاريات ذات الحالة الصلبة: من المتوقع أن تظهر بحلول عام 2027-2030، حيث توفر كثافة طاقة مضاعفة وشحنًا أسرع، مما يقلل من حجم البطاريات ذات الحالة الصلبة وتكلفتها.
●بطاريات أيون الصوديوم: أرخص وأكثر وفرة من بطاريات أيون الليثيوم، وهي مثالية لأنظمة تخزين الطاقة الثابتة بحلول عام 2030.
●الأنظمة الهجينة:
●دمج البطاريات والمكثفات الفائقة والعجلات الدوارة لتحسين توصيل الطاقة والقوة، على سبيل المثال، بطاريات الليثيوم أيون للتخزين والمكثفات الفائقة للاندفاعات.
●التحسين المعتمد على الذكاء الاصطناعي:
●سوف يتنبأ الذكاء الاصطناعي بطلب الشحن، ويحسن دورات الشحن والتفريغ الخاصة بنظام ESS، ويتكامل مع تسعير الشبكة الديناميكية لتوفير التكاليف.
●الاقتصاد الدائري:
●ستعمل البطاريات ذات العمر الثاني وبرامج إعادة التدوير على تقليل التكاليف والتأثير البيئي، حيث تقود شركات مثل Redwood Materials هذا الطريق.
●ESS اللامركزية والمتنقلة:
●ستتيح وحدات ESS المحمولة والتخزين المتكامل في المركبات (على سبيل المثال، المركبات الكهربائية الممكّنة بتقنية V2G) حلول شحن مرنة خارج الشبكة.
●السياسة والحوافز:
●وتقدم الحكومات إعانات لنشر أنظمة الطاقة المتجددة المستدامة (على سبيل المثال، الصفقة الخضراء للاتحاد الأوروبي، وقانون خفض التضخم في الولايات المتحدة)، مما يؤدي إلى تسريع عملية التبني.
خاتمة
وقت النشر: ٢٥ أبريل ٢٠٢٥