كيفية تحديد سعة نظام تخزين طاقة البطاريات التجاري

عندما تبدأ إحدى الشركات في النظر إلى تخزين الطاقة بالبطاريات، يكون أحد الأسئلة الأولى عادةً: ما الحجم الذي ينبغي أن يكون عليه النظام؟

لا توجد إجابة واحدة تعتمد فقط على حجم المبنى أو فاتورة الكهرباء الشهرية. قد يحتاج مصنع ذو استهلاك ثابت للطاقة إلى نظام بطاريات مختلف جدًا عن مصنع آخر لديه الاستهلاك الشهري نفسه لكنه يشهد ذروات طلب قصيرة ومكلفة.

بالنسبة لمعظم المشاريع التجارية، يتلخص تحديد حجم البطارية في سؤالين:

• ما مقدار القدرة التي يحتاج النظام إلى تقديمها في وقت واحد؟
• ولكم من الوقت يحتاج إلى الاستمرار في تقديم تلك القدرة؟

يحدد السؤال الأول قدرة النظام بوحدة kW. ويحدد السؤال الثاني سعة البطارية بوحدة kWh.

معادلة أولية بسيطة

سعة البطارية المطلوبة = الحمل × وقت التشغيل ÷ DoD القابل للاستخدام ÷ كفاءة النظام

توفر هذه المعادلة نقطة بداية مفيدة، لكن الحجم النهائي للنظام ينبغي أن يعكس أيضًا ملف الحمل الفعلي، وذروة الطلب، والأحمال الحرجة، وتقادم البطارية المتوقع.

ابدأ بتحديد الغرض من البطارية

قبل إجراء أي حساب، حدد ما يُتوقع من البطارية القيام به بشكل أساسي.

لا يتم تحديد حجم النظام المصمم لتقليص الذروة بالطريقة نفسها التي يتم بها تحديد حجم نظام مصمم للنسخ الاحتياطي الطارئ. قد تحتاج البطارية المستخدمة لتخزين الطاقة الشمسية نهارًا إلى تكوين مختلف أيضًا.

تقليص الذروة

يعني تقليص الذروة استخدام البطارية عندما يتجاوز طلب المنشأة على الطاقة حدًا مختارًا.

على سبيل المثال، قد يعمل المصنع عادةً عند حوالي 500kW لكنه قد يرتفع أحيانًا إلى 750kW.. إذا كان الهدف هو إبقاء الطلب على الشبكة أقل من 600kW، فقد تحتاج البطارية إلى توفير ما يصل إلى 150kW خلال فترة الذروة.

في هذه الحالة، تكون الأسئلة الرئيسية هي:

• كم عدد الكيلوواط التي يجب تقليلها؟
• كم تستمر الذروة عادةً؟
• وما مدى تكرار حدوثها؟

طاقة احتياطية

بالنسبة للطاقة الاحتياطية، يبدأ الحساب بالمعدات التي يجب أن تستمر في العمل أثناء انقطاع الشبكة.

لا يعني هذا دائمًا دعم المنشأة بأكملها. في العديد من المشاريع، تحتاج البطارية فقط إلى تزويد أحمال حرجة محددة مثل:

• أنظمة التحكم في الإنتاج
• الإضاءة والاتصالات
• معدات التبريد
• مضخات المياه
• أنظمة الأمان
• آلات إنتاج مختارة

غالبًا ما يجعل فصل الأحمال الحرجة عن الأحمال غير الأساسية المشروع أكثر عملية وملاءمة من حيث التكلفة بكثير.

تخزين الطاقة الشمسية

في مشروع الطاقة الشمسية مع التخزين، قد تشحن البطارية عندما يكون إنتاج الطاقة الشمسية أعلى من حمل المنشأة، ثم تفرغ لاحقًا خلال اليوم.

يتطلب هذا النوع من المشاريع بيانات كل ساعة عن توليد الطاقة الشمسية واستهلاك الكهرباء. لا تكفي الإجماليات الشهرية وحدها لأنها لا تُظهر متى تُنتج الطاقة أو تُستهلك.

للمشاريع التي تركز بشكل أساسي على مطابقة سعة البطارية مع إنتاج الطاقة الكهروضوئية، راجع دليل تحجيم تخزين بطاريات الطاقة الشمسية.

kW وkWh ليسا الشيء نفسه

تُعد هذه إحدى أهم النقاط في تحجيم البطاريات التجارية.

kW يوضح لك مقدار القدرة التي يمكن للنظام توفيرها

تُقاس قدرة BESS بوحدة kW. وهي تُظهر مقدار القدرة التي يمكن للنظام شحنها أو تفريغها في وقت واحد.

في معظم الأنظمة التجارية، تُحدَّد هذه القدرة بشكل أساسي بواسطة PCS، أو نظام تحويل الطاقة.

يمكن لـ 100kW PCS عادةً توفير حوالي 100kW من القدرة المستمرة في ظل الظروف المقدرة. حتى إذا كان متصلًا ببطارية 500kWh، فإنه لا يزال غير قادر على دعم حمل 150kW بشكل مستمر ما لم يكن لدى النظام سعة PCS كافية.

kWh يوضح لك كم من الوقت يمكن أن تعمل البطارية

تُقاس سعة البطارية بوحدة kWh.

إحدى الطرق البسيطة لفهم العلاقة هي:

• تتمتع بطارية 100kWh التي تدعم حملًا قدره 50kW بمدة تشغيل نظرية تبلغ ساعتين.
• تتمتع بطارية 200kWh التي تدعم حملًا قدره 50kW بمدة تشغيل نظرية تبلغ أربع ساعات.
• تتمتع بطارية 500kWh التي تدعم حملًا قدره 250kW بمدة تشغيل نظرية تبلغ ساعتين.

هذه قيم نظرية. ستكون مدة التشغيل الفعلية أقل لأن جزءًا من سعة البطارية يكون محجوزًا عادةً، كما تُفقد الطاقة أيضًا أثناء الشحن والتفريغ.

يوضح لك kW مقدار الحمل الذي يمكن أن يحمله BESS.

يوضح لك kWh كم من الوقت يمكنه حمل ذلك الحمل.

استخدم بيانات الحمل الفعلية كلما أمكن ذلك

تُعد فواتير الكهرباء الشهرية مفيدة، لكنها نادرًا ما توفر تفاصيل كافية لتحديد سعة BESS بدقة.

عادةً ما تكون المعلومات الأكثر فائدة هي منحنى حمل 15-minute أو 30-minute. ويوضح هذا كيف يتغير الطلب على الطاقة على مدار اليوم.

عند مراجعة بيانات الحمل، انتبه إلى:

• الطلب الأقصى
• متوسط حمل التشغيل
• استهلاك الكهرباء اليومي
• وقت ذروة الطلب
• مدة فترة الذروة
• الفروق بين أيام العمل وعطلات نهاية الأسبوع
• التغيرات الموسمية
• الحمل الحرج أثناء انقطاع الكهرباء

لنفترض مصنعين يستهلك كل منهما 300,000kWh شهريًا.

قد يعمل أحد المصنعين بحمل ثابت طوال اليوم. وقد يشهد المصنع الآخر ذروة حادة لمدة ساعتين بسبب بدء عدة خطوط إنتاج في الوقت نفسه. ورغم أن استهلاكهما الشهري متشابه، فإن متطلبات البطارية لديهما ستكون مختلفة جدًا.

كيفية حساب قدرة PCS المطلوبة

يجب أن تكون PCS كبيرة بما يكفي للتعامل مع الحد الأقصى للقدرة المتوقعة من البطارية.

للطاقة الاحتياطية

اجمع الأحمال الحرجة التي قد تعمل في الوقت نفسه.

لنفترض أن الحمل الحرج هو 80kW.. وإضافة هامش قدره 20% تعطي:

80kW × 1.2 = 96kW

قد يكون 100kW PCS خيارًا معقولًا.

يمكن أن يساعد الهامش الإضافي في تغطية تغيرات الحمل المؤقتة، وإضافات المعدات المستقبلية، وتيار البدء للمحركات أو الضواغط.

لتقليص الذروة

يجب أن تتوافق قدرة PCS عمومًا مع أكبر مقدار من القدرة التي يلزم إزالتها من ذروة الشبكة.

على سبيل المثال:

• الحد الأقصى لطلب المنشأة: 800kW
• طلب الشبكة المستهدف: 600kW
• التخفيض المطلوب: 200kW

يجب أن تكون BESS قادرة على توفير نحو 200kW خلال فترة الذروة.

من الناحية العملية، قد يكون تصنيف PCS النهائي أعلى قليلًا لترك بعض هامش التشغيل.

كيفية حساب سعة البطارية

بمجرد معرفة القدرة المطلوبة، تكون الخطوة التالية هي حساب مقدار الطاقة التي يجب أن تخزنها البطارية.

سعة البطارية = الحمل × وقت التشغيل ÷ DoD ÷ كفاءة النظام

في هذه المعادلة:

• الحمل هو خرج البطارية المطلوب بوحدة kW.
• وقت التشغيل هو المدة المطلوبة بالساعات.
• DoD هو عمق التفريغ القابل للاستخدام.
• كفاءة النظام تراعي الطاقة المفقودة في البطارية وPCS.

مثال على الطاقة الاحتياطية

يرغب مصنع في دعم حمل حرج بقدرة 100kW لمدة ساعتين.

• الحمل الحرج: 100kW
• وقت النسخ الاحتياطي: 2 ساعات
• عمق التفريغ القابل للاستخدام (DoD): 90%
• كفاءة النظام: 92%

يكون الحساب كالتالي:

100kW × 2 ÷ 0.90 ÷ 0.92 = 241.5kWh

قد يكون نظام قياسي بنحو 250kWh أو 261kWh مناسبًا، اعتمادًا على التكوين المتاح والاحتياطي المطلوب.

إذا كان الحمل نفسه يحتاج إلى أربع ساعات من النسخ الاحتياطي:

100kW × 4 ÷ 0.90 ÷ 0.92 = 483.1kWh

في هذه الحالة، يمكن النظر في نظام بنحو 500kWh.

مثال على حساب تقليص ذروة الأحمال

بالنسبة لتقليص ذروة الأحمال، تعتمد سعة البطارية على كل من هدف التخفيض ومدة الذروة.

افترض أن مصنعًا يريد خفض الطلب على الشبكة بمقدار 200kW لمدة ساعتين.

متطلبات الطاقة النظرية هي:

200kW × 2 ساعة = 400kWh

بعد تضمين 90% من عمق التفريغ (DoD) وكفاءة النظام 92%:

400kWh ÷ 0.90 ÷ 0.92 = 483.1kWh

قد يكون التكوين المحتمل كما يلي:

• قدرة تبلغ نحو 200kW PCS
• سعة بطارية تبلغ نحو 500kWh

ومع ذلك، قد يُظهر منحنى الحمل الفعلي أن البطارية لا تحتاج إلى توفير 200kW الكامل طوال الساعتين. في هذه الحالة، قد تكون سعة البطارية النهائية أقل.

هذا هو سبب كون بيانات الحمل على فترات أكثر فائدة بكثير من مجرد ضرب أعلى طلب في عدد الساعات.

لفهم الغرض المالي من هذا التطبيق، اقرأ المزيد حول كيف يمكن لتخزين البطاريات أن يقلل رسوم الطلب.

لا تستخدم السعة الاسمية الكاملة

عادةً لا توفر بطارية مصنفة عند 500kWh كامل 500kWh إلى الحمل.

يجب مراعاة ثلاثة عوامل.

عمق التفريغ

يوضح عمق التفريغ مقدار السعة الاسمية للبطارية المتاحة للاستخدام العادي.

عند 90% من عمق التفريغ (DoD)، توفر بطارية 500kWh نحو 450kWh قبل تضمين الخسائر الأخرى.

خسائر النظام

تُفقد بعض الطاقة عبر PCS والبطارية والمحول والكابلات والمعدات المساعدة.

قد تستهلك أنظمة التبريد ومعدات التحكم وأنظمة الحماية من الحرائق أيضًا كمية صغيرة من الطاقة.

تقادم البطارية

تنخفض سعة البطارية تدريجيًا بمرور الوقت.

إذا كان يجب على مشروع ما أن يوفر مدة احتياطية معينة بعد عدة سنوات، فقد يلزم أن يكون حجم البطارية الأولي أكبر من متطلبات السنة الأولى.

على سبيل المثال، إذا كان المشروع يحتاج إلى 500kWh في نهاية فترة التشغيل المخطط لها وكانت السعة المتبقية المتوقعة 80%:

500kWh ÷ 0.80 = 625kWh

لا يعني ذلك أن كل مشروع يجب أن يكون مفرط السعة بالمقدار نفسه. ينبغي أن يعتمد الاحتياطي على ضمان البطارية، والعدد المتوقع للدورات، وظروف التشغيل.

الأخطاء الشائعة في تحديد سعة BESS التجاري

النظر فقط إلى استهلاك الكهرباء الشهري

لا يوضح الاستهلاك الشهري موعد حدوث قمم الطلب ولا مدة استمرارها.

اختيار سعة البطارية دون التحقق من قدرة PCS

لا يمكن لبطارية كبيرة أن تحمل حِملاً كبيراً إذا كانت PCS صغيرة جداً.

اعتبار السعة الاسمية سعة قابلة للاستخدام

يقلل كل من DoD وخسائر الكفاءة وإعدادات الاحتياطي من كمية الطاقة المتاحة للحمل.

محاولة توفير طاقة احتياطية لكل حمل

قد يؤدي دعم المنشأة بأكملها إلى جعل النظام أكبر بكثير مما هو ضروري. غالباً ما يكون من الأفضل تحديد المعدات التي تحتاج فعلاً إلى طاقة غير متقطعة.

تجاهل قدرة إقلاع المحركات

يمكن للمضخات والضواغط والمحركات الصناعية أن تسحب قدرة أكبر بكثير أثناء بدء التشغيل مقارنة بالتشغيل العادي.

اختيار أكبر نظام ممكن

ليست البطارية الأكبر تلقائياً استثماراً أفضل. إذا كانت البطارية نادراً ما تُستخدم بالكامل، فقد تزيد السعة الإضافية ببساطة من تكلفة المشروع.

ما المعلومات التي ينبغي إعدادها قبل تحديد سعة BESS؟

يمكن للمورد عادةً إعداد توصية أكثر دقة عندما تتوفر المعلومات التالية:

• موقع المشروع
• جهد الشبكة وترددها
• فواتير الكهرباء الأخيرة
• بيانات الحمل 15-minute أو 30-minute
• الطلب الأقصى
• الحمل الحرج
• وقت الاحتياط المطلوب
• سعة الطاقة الشمسية القائمة أو المخطط لها
• سعة المحول
• مساحة التركيب المتاحة
• الغرض الرئيسي من نظام البطارية

حتى إذا لم تكن جميع البيانات متاحة، فإن أهم المعلومات هي الحمل الأقصى، والحمل الحرج، ومدة التشغيل المتوقعة، وهدف المشروع.

الأسئلة الشائعة

ما حجم البطارية المطلوب لحمل 100kW؟

لمدة ساعتين من النسخ الاحتياطي، قد يتطلب حمل 100kW حوالي 240kWh أو أكثر بعد مراعاة DoD وكفاءة النظام. ولمدة أربع ساعات، قد تكون المتطلبات حوالي 480kWh أو أكثر.

هل يحتاج 100kW PCS إلى بطارية 100kWh؟

ليس بالضرورة. إن 100kW PCS مع بطارية 100kWh يمثل تقريبًا نظامًا لمدة ساعة واحدة. ويمكن أيضًا اقتران نفس PCS بـ 200kWh أو 400kWh أو أكثر، وفقًا لمدة التشغيل المطلوبة ومعدل تفريغ البطارية.

ما مقدار سعة تخزين البطارية التي يحتاجها المصنع؟

يعتمد ذلك على المهمة المتوقعة من البطارية. قد يحتاج مشروع تقليص ذروة صغير إلى بضع مئات من kWh فقط، بينما قد يتطلب النسخ الاحتياطي الصناعي طويل المدة عدة MWh.

هل يمكن لنفس BESS توفير النسخ الاحتياطي وتقليص الذروة معًا؟

نعم، لكن يجب أن تحتفظ استراتيجية التشغيل بسعة بطارية كافية للنسخ الاحتياطي. وإذا تم تفريغ البطارية بشكل كبير لتقليص الذروة، فقد لا تتوفر لديها طاقة كافية عند حدوث انقطاع.

هل من الأفضل تركيب سعة بطارية إضافية؟

قد يكون الاحتياطي المعقول مفيدًا لتقادم البطارية ونمو الحمل المستقبلي. ومع ذلك، فإن إضافة سعة دون حاجة تشغيلية واضحة قد تزيد تكلفة النظام وتقلل العائد المالي.

اختيار حجم نظام عملي

لا يبدأ تصميم BESS المفيد بطراز منتج. بل يبدأ بالاستهلاك الفعلي للكهرباء في المنشأة.

حدد أولاً المهمة التي يجب أن تؤديها البطارية. ثم احسب القدرة المطلوبة، ومدة التشغيل، وسعة البطارية القابلة للاستخدام. بعد ذلك، يمكن إضافة عوامل فنية مثل DoD والكفاءة وقدرة بدء تشغيل المحرك وتقادم البطارية إلى الحساب.

بالنسبة لمشروع نسخ احتياطي بسيط، قد يكون الحساب مباشرًا. أما بالنسبة لتقليص الذروة أو إدارة الطاقة الشمسية، فعادةً ما يكون منحنى الحمل أهم معلومة.

الهدف ليس اختيار أكبر بطارية. بل اختيار نظام يمكنه أداء المهمة المطلوبة دون ترك كمية كبيرة من السعة المكلفة غير مستخدمة.

يمكنك أيضًا استكشاف أنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية لمقارنة تكوينات BESS المختلفة للخزائن والحاويات.