كيف توفر الكثير من الكهرباء؟

لقد انتهت الأوقات التي كانت فيها الرتب النحيلة من العمال تذهب إلى الآلات في السابعة صباحًا ، وفي الثامنة مساءً غادروا المصانع بنفس الترتيب ثم ناموا أمام التلفزيون في وقت واحد تقريبًا. الآن المدن الكبرى لا تغفو أبدًا ، ومعهم 24/7 وجميع البشرية التقدمية ، "البوم" ، صناعة الترفيه وشركات الشبكات العالمية. كلهم بحاجة إلى الكهرباء ، وفي أي وقت ، دون تقلبات دورية واضحة. في غضون ذلك ، يتحول العالم إلى مصادر الطاقة المتجددة ، التي يعتمد إنتاجها على الظروف الطبيعية التي لا يتحكم فيها البشر. كيف في هذا العالم لتخزين الكهرباء ثم تقاسمها ، وتجنب انقطاع التيار الكهربائي؟ دعنا نتحدث عن مثال تقنيات Toshiba.

بالإضافة إلى كهربة الكوكب بأكمله

سوف يزيد استهلاك الكهرباء. تتمثل الاتجاهات الرئيسية لهذه العملية في كهربة المركبات ، ونقل بعض العمليات الصناعية من الطاقة الحرارية إلى مصدر الطاقة ، فضلاً عن نمو الاستهلاك المنزلي للتيار الكهربائي. على وجه الخصوص ، وفقًا لتوقعات وكالة الطاقة الدولية ، ستقود 130 مليون سيارة كهربائية على كوكبنا بحلول عام 2040 ، على الرغم من وجود 5.1 مليون وحدة في عام 2018. في المجموع ، يقدر عدد السيارات الآن بمليار وحدة ، وبحلول عام 2035 قد يرتفع إلى ملياري وحدة. في الصناعات الغذائية والأدوية والمنسوجات والورق وغيرها من الصناعات ، ستحل الكهرباء محل الفحم والغاز في إنتاج حرارة متوسطة ومنخفضة الحرارة. ستستمر كهربة البلدان الفقيرة ، حيث سيتم استخدام الكهرباء على نطاق أوسع في الحياة اليومية.وسترتفع حصة الكهرباء في إجمالي استهلاك الطاقة من 19٪ في 2018 إلى 24٪ في 2040.



وفقًا لذلك ، ستزداد مخاطر انقطاع التيار الكهربائي - انقطاع التيار الكهربائي على نطاق واسع يؤثر على مجموعة واسعة من المستهلكين. وفقًا للبنك الدولي ، في عام 2019 ، في المتوسط ​​في جميع دول العالم ، شهدت المنظمات المختلفة 6.8 انقطاع التيار الكهربائي شهريًا. صحيح أن هذا الرقم في دول منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية كان 0.4 انقطاعًا للتيار الكهربائي ، وفي روسيا - 0.2 انقطاع التيار الكهربائي شهريًا.





كارثة شبكة الكهرباء الأمريكية والكندية لعام 2003 - منظر من الفضاء. في 14 أغسطس 2003 ، تم ترك 10 ملايين شخص في كندا و 40 مليون شخص في الولايات المتحدة بدون كهرباء. المصدر: الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي ، برنامج الدفاع الساتلي للأرصاد الجوية / ويكيميديا ​​كومنز



في الوقت نفسه ، فإن إدخال تقنيات مثل الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء (بما في ذلك إنترنت الأشياء الصناعي) في الإنتاج والحياة اليومية يتطلب التقليل من انقطاع التيار الكهربائي الذي يمكن أن يعطل بشكل خطير تشغيل الأنظمة الذكية المعقدة.



بالإضافة إلى ذلك ، سيتغير نهج استهلاك الطاقة بعد إدخال مصادر الطاقة المتجددة ، والتي تعطي مخرجات مختلفة حسب الوقت من اليوم والطقس. في النهار أو الطقس العاصف ، تولد الألواح الشمسية ومزارع الرياح تيارًا أكثر من الليل وفي الطقس الهادئ. وفقًا لذلك ، من الأفضل توفير الطاقة الزائدة فقط في حالة. ولكن كيف؟

تحول الطاقة

الحفاظ على الطاقة ، خاصة على المستوى الصناعي ، ليس بالأمر السهل. على الرغم من حقيقة أن طبيعة الكهرباء مفهومة جيدًا ، إلا أن الحفاظ عليها يتطلب حلولًا تقنية مرهقة أو باهظة الثمن (أو كليهما في نفس الوقت). إذن ما الذي سيحمي عالم المستقبل المجهز بالكهرباء العالية من انقطاع التيار الكهربائي؟



باختصار ، الكيمياء والميكانيكا. يتم تقليل جميع طرق تجميع الكهرباء تقريبًا إلى تحويلها باستخدام التفاعلات الكيميائية أو الحركة الميكانيكية.



الفكرة الأولى التي يمتلكها كل مستخدم للهواتف الذكية أو مالك السيارة الكهربائية هي: لماذا لا تستخدم بطاريات الليثيوم أيون الضخمة على نطاق صناعي؟ كانت هناك بالفعل محاولات لإنشاء محركات أقراص كبيرة من هذا النوع. على سبيل المثال ، تعمل Tesla الآن على زيادة السعة (من 100 إلى 150 ميجاوات) لأكبر تخزين للكهرباء في العالم من الليثيوم أيون ، تم جمعه في عام 2017 في ولاية جنوب أستراليا في القارة الخضراء. وهي تتكون من بطاريات الليثيوم أيون Tesla Powerpack المصممة للاستخدام في المرافق والمستخدمين الصناعيين. يوجد في الداخل 16 حزمة بطارية منفصلة ، تحتوي كل منها على محول DC / DC معزول.



تصل طاقة كل منهما إلى 130 كيلو واط ، ويبلغ استهلاك الطاقة 232 كيلو واط ساعة. تساعد منشأة تخزين Tesla Powerpack في جنوب أستراليا في الحفاظ على الطاقة من مزرعة رياح قريبة. عندما تكون مشحونة بالكامل ، يمكن لهذه "البطارية" بسعة 129 ميغاواط ساعة توفير الكهرباء لـ 30 ألف منزل.





التوقيع: كل Powerpack يشبه لبنة يتم من خلالها بناء مخزن للطاقة. يمكن توصيل عاكس واحد من واحد إلى 20 حزمة طاقة. يمكن استخدام حزم البطاريات والمحولات لإنشاء منشأة تخزين ذات كثافة طاقة هائلة. المصدر: تسلا



ومع ذلك ، بالإضافة إلى عيوب هذه البطاريات المعروفة، هناك أيضًا ما يلي: من خلال زيادة بطاريات الليثيوم أيون إلى نطاق صناعي ، فإننا نزيد بنفس القدر من مشكلة التخلص منها. لذلك ، في حين تظل البطاريات الضخمة صديقة للبيئة أثناء التشغيل ، فإن البطاريات الضخمة في المستقبل ستشكل تهديدًا للبيئة ومتاعب عند شطبها.



طريقة أخرى لتحويل الطاقة هي التحليل الكهربائي.



دعنا نشرح باستخدام مثال تثبيت H2One ، والذي تحدثنا عنه بالفعل .: توفر الألواح الشمسية عملية التحليل الكهربائي للماء ، مما يؤدي إلى إطلاق الهيدروجين ؛ يتم تخزين الهيدروجين أو توفيره للمستهلك ، ويمكن للهيدروجين توفير الحرارة أو الطاقة الميكانيكية أو الكهرباء على الفور عند أكسدة في خلية وقود. المشكلة الوحيدة حتى الآن هي أنه في حين أن طاقة محطة H2One واحدة كافية فقط للأشياء الصغيرة ، على سبيل المثال ، محطة السكك الحديدية في مدينة كاواساكي (اليابان). النطاق الصناعي في المستقبل.



أبسط من حيث المبدأ ، ولكنه معقد في التنفيذ ، الخيارات ميكانيكية. المخطط العام هو كما يلي: خلال فترة ذروة الإنتاج ، يتم تخزين الكهرباء عن طريق ضخ الغاز أو الماء في خزانات خاصة ، ورفع الأحمال إلى ارتفاع أو ضغط الزنبرك. خلال فترة نقص الطاقة ، يتم إطلاق الطاقة ميكانيكيًا عن طريق إعادة تغذية المادة أو الوزن أو عن طريق تخفيف الزنبرك. المبدأ بسيط وصديق للبيئة وقابل للتطوير الصناعي ودائم للغاية. لهذا السبب ، وفقًا لشركة Vygon Consulting ، 95٪ من أنظمة تخزين الطاقة في العالم عبارة عن محطات تخزين بالضخ (PSPPs) تستخدم فقط ما قدمته لنا الطبيعة - المياه والمناظر الطبيعية الجبلية لتخزين الطاقة.

أنا ألتف ، برم ، أريد أن أمغنط

لأول مرة ، تم اختراع استخدام المياه والمناظر الطبيعية الجبلية لتخزين الطاقة في سويسرا. في عام 1909 ، بالقرب من مدينة شافهاوزن ، في كانتون يحمل نفس الاسم ، تم بناء أول محطة تخزين بالضخ في العالم Engeweiher بسعة 1.5 ميجاوات. تم الحفاظ على مبدأ تشغيل PSPP ، المتجسد في ذلك التثبيت ، ككل حتى يومنا هذا.



تتكون المحطة من مضخة وخزانين يقعان على ارتفاعات مختلفة وتوربينات. عندما يكون هناك فائض من الكهرباء ، تضخ المضخة المياه في الخزان العلوي. في حالة عدم وجود كهرباء كافية في الشبكة ، يتم تحويل المياه إلى الخزان السفلي من خلال التوربينات التي توفر الكهرباء. لقد تم إثبات بساطة هذا المبدأ وموثوقيته بمرور الوقت ، وكذلك من خلال تاريخ محطة Engeweiher نفسها ، والتي لا تزال تعمل - وقد تبين أن قدراتها مفيدة للغاية على خلفية تطوير مصادر الطاقة المتجددة في سويسرا.





تعتبر محطة تخزين الطاقة الكهرومائية من أقدم مصادر الطاقة المتجددة في العالم. المصدر: شركة Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation



تم اتخاذ الخطوة التالية في تطوير التكنولوجيا في الثلاثينيات. كان من المفهوم أن التوربينات المائية المقترنة بالمولدات يمكن أن تعمل بكفاءة أعلى إذا تم التحكم في سرعتها الدورانية. لذلك ، في عام 1930 ، طورت توشيبا محرك هيدروجين غير متزامن بقدرة 750 كيلو فولت أمبير ، والذي تم تركيبه في محطة يوشينو في مدينة كانازاوا (محافظة إيشيكاوا ، اليابان). يمكن تغيير سرعة دوران التوربين فيه لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة.



ومع ذلك ، لم تجد هذه التقنية تطبيقًا واسعًا في ذلك الوقت ، وبالتالي ، تم استخدام محركات الهيدروجين المتزامنة بشكل أساسي ، والتي تعمل بسرعة دوران ثابتة (متزامنة) ، ولهذا السبب لا يمكن تغيير طاقة الإدخال. هذا يعني أنه لم يكن من السهل ضبط تشغيل المحطة حسب الطلب المتغير (على سبيل المثال ، في الليل ، عندما تكون هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة لإنفاقها على ضخ المياه وإعطاء أقل للشبكة) - انخفضت كفاءة الحقن أو الإنتاج.



في عام 1990 ، تحولت Toshiba مرة أخرى إلى تقنية محرك الهيدروجين غير المتزامن: بالتعاون مع شركة Tokyo Electric Power Company (TEPCO) ، تم تطوير أول وحدة ضخ متغيرة السرعة في العالم وتركيبها في محطة الضخ Yagasawa باستخدام مولد محرك AC الإثارة الثانوية تردد منخفض. يتم التحكم فيه بواسطة وحدة تحكم رقمية عالية السرعة وعالية الأداء يمكنها تغيير طاقة الإدخال والإخراج بشكل أسرع بكثير من الوحدات الهيدروليكية التقليدية ، مما يسمح بالاستقرار الأسرع لتقلبات الطاقة في الشبكة ، على سبيل المثال ، في حالات الطوارئ. منذ ذلك الحين ، بدأ استخدام محركات المولدات غير المتزامنة في محطات طاقة التخزين التي يتم ضخها في كثير من الأحيان ، وهي الآن أكثر النماذج الواعدة للتخزين بالضخ.





في يونيو 2014 ، بدأت أكبر وحدة ضخ متغيرة السرعة في العالم بسعة 475 ميجا فولت أمبير في تشغيل الكتلة الرابعة من Kazunogawa PSPP (محافظة ياماناشي ، اليابان) ، والتي تضم أيضًا أكبر رأس مضخة في العالم (785 مترًا) لتوربينات مضخة أحادية الطور. يتم تشغيل هذه المحطة أيضًا بواسطة TEPCO. المصدر: شركة Toshiba Energy Systems Co.، Ltd / YouTube



تعمل الوحدة الهيدروليكية متغيرة السرعة على زيادة كفاءة وضعي الضخ والتوربينات ، وبالتالي زيادة كفاءة الدورة الكاملة لمحطة طاقة التخزين التي يتم ضخها ، بالإضافة إلى تقليل الاهتزاز والتآكل الميكانيكي للنظام. علاوة على ذلك ، يمكن لمثل هذه الآلة الاستجابة على الفور للتغيرات المفاجئة في الطلب على الكهرباء ، المرتبطة ، على سبيل المثال ، باستخدام مصادر الطاقة المتجددة غير المستقرة أو انقطاع التيار الكهربائي.





وقلنا: "محطات توليد الطاقة التي يتم ضخها بواسطة محرك غير متزامن ، تكون مثمرة وتضاعف!" المصدر: Abubakirov Sh. I. تجربة وآفاق استخدام الهيدروجين غير المتزامن في مشاريع JSC "Institute Hydroproject" // Hydroenergetics. - 2010. - رقم 2 (19).

إيجاد التوازن

الحلول الموصوفة ، كما ترى ، لها نطاق صناعي كبير. ولكن ما مدى معقولية هذه المركزية؟ أليس من الأفضل تنفيذ الحلول الموزعة التي يمكن أن تحل مشاكل تسوية الاختلالات في نظام الإمداد بالطاقة؟ لا شيء يمنع من الجمع بين هذين النهجين ، والجمع بين أنظمة تخزين الطاقة الكبيرة والأنظمة المحلية ، مثل تلك المبنية على أساس البطاريات الفردية المثبتة في كائنات محددة وحتى في المباني السكنية ، ضمن نظام إمداد طاقة واحد.





تعد البطاريات القابلة لإعادة الشحن ، وخاصة SCiBTM من Toshiba ، أكثر ملاءمة لحل مثل هذه المشكلات. يعتمد أنودها على أكسيد التيتانيوم والليثيوم (LTO) ، والذي يسمح بقدرة فعالة أكبر ، كما يوفر عمرًا طويلًا ، وتشغيلًا في درجات حرارة منخفضة ، وشحنًا سريعًا ، وإدخال وإخراج طاقة عالية. يمكن استخدام Toshiba SCiBTM في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بدءًا من التخزين الثابت الصغير (كيلوواط) للتطبيقات السكنية إلى السيارات والحافلات وعربات السكك الحديدية والمصاعد ومحطات الطاقة وتخزين الطاقة على نطاق واسع (MW) لشبكات الطاقة والشبكات الذكية ومحطات الطاقة الشمسية. المصدر: توشيبا



علاوة على ذلك ، يمكن أيضًا دمج مرافق التخزين المحلية الفردية للكهرباء في هياكل كبيرة - محطات طاقة افتراضيةالتي تحدثنا عنها بالفعل في هذه المدونة. ويتم بالفعل تنفيذ هذه الحلول.



على سبيل المثال ، في ألمانيا ، أعلنت TenneT ، أكبر شركة توزيع ، جنبًا إلى جنب مع الشركة المصنعة لأنظمة التخزين المنزلية ، Sonnen ، عن إنشاء نوع من blockchain للطاقة: يخططون لربط أجهزة تخزين الطاقة المنزلية بشبكة لموازنة الاختلالات في نظام الطاقة على المستوى القطري. ومع ذلك ، فإن عدد مالكي أجهزة التخزين المناسبة لذلك أقل بكثير حتى الآن من أصحاب المحطات المنزلية التي تستخدم مصادر الطاقة المتجددة.



سيساعد الجمع بين مرافق تخزين الطاقة الضخمة والمرافق المحلية الصغيرة ، المتصلة ببعضها البعض ، في التخفيف من الاختلالات في الاستهلاك والتوليد ، والتي تحدثنا عنها في البداية ، وتقليل احتمالية انقطاع التيار الكهربائي.