هندسة أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) : مكونات معمارية ووظائف حيوية لدعم الشبكات الحديثة

تشكل أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (Battery Energy Storage Systems – BESS) حجر الزاوية في التحول الطاقي العالمي، من خلال دورها المحوري في دعم دمج مصادر الطاقة المتجددة، وتعزيز استقرار الشبكات، وتحسين كفاءة استخدام الطاقة. وتعتمد فعالية هذه الأنظمة على معمارية تقنية متكاملة تجمع بين مكونات فيزيائية وأخرى رقمية، تعمل بتناغم لضمان الأداء الأمثل والسلامة والاستجابة الذكية.

من الخلية إلى النظام: البنية المعمارية متعددة المستويات لأنظمة  BESS

تنقسم المعمارية التقنية لأنظمة تخزين الطاقة إلى عدة مستويات تبدأ من الخلايا الفردية وتنتهي بأنظمة التحكم السحابية. على المستوى الأساسي، تعتمد الأنظمة على الخلايا الكهروكيميائية، وهي الوحدات التي تخزن الطاقة وتحررها. يتم ربط هذه الخلايا في وحدات Packs من خلال ترتيبات على التوالي والتوازي لضبط الجهد والسعة وفقًا لمتطلبات النظام.

مع التوسع في التصميم، تتكامل مكونات التحكم مثل نظام إدارة البطاريات (BMS) الذي يتولى مراقبة الحالة الكهربائية والحرارية للخلية، إلى جانب أنظمة الحماية من الحرائق والعزل الكهربائي. على هذا المستوى، تبرز الحاجة إلى التحكم الحراري الفعال لتفادي مخاطر الانفجار أو تراجع الأداء.

دمج إلكترونيات القدرة والتحكم: دور العاكسات (Inverters) وأنظمة  PCS

تشكل العاكسات الكهربائية مكونًا حيويًا في أنظمة BESS، حيث تتولى تحويل التيار المستمر DC من البطارية إلى تيار متناوب AC قابل للاستخدام في الشبكة الكهربائية أو الأحمال المحلية. وتُبرمج العاكسات لتنفيذ وظائف متقدمة مثل:

• التحكم في التردد والجهد باستخدام تقنيات  droop control
• توليد مرجع للتردد والجهد لضمان توافق الشبكة.
• توفير ما يسمى بالقصور الذاتي الافتراضي لمحاكاة استجابة المولدات التقليدية.
• دعم استقرار الشبكة في حالات الاضطراب.
• تفعيل قدرات “الإقلاع الأسود” (Black Start) لإعادة تشغيل الشبكة في حال انقطاع شامل.

أما أنظمة Power Conversion Systems (PCS)  فهي تمثل بنية أشمل تضم عدة عاكسات بالإضافة إلى مكونات الحماية والتحكم والتكييف الكهربائي، وهي تعتبر مسؤولة عن تنسيق تدفق الطاقة بين البطاريات والشبكة بشكل عام، وتُستخدم في المواقع الصناعية أو المحطات الكبيرة حيث الحاجة لإدارة متعددة المصادر للطاقة.

نظام إدارة البطاريات (BMS) : العقل المدبر للأداء والسلامة

يلعب BMS دورًا محوريًا في رصد وتحليل حالة خلايا البطارية وإدارة شحنها وتفريغها. هذا النظام، الذي يجمع بين أجهزة استشعار وبرمجيات متقدمة، يتعامل مع مجموعة من المهام الحساسة تشمل:

• رصد درجة الحرارة وتفعيل أنظمة التبريد أو التسخين حسب الحاجة.
• مراقبة الفولتية وتيارات الشحن/التفريغ لتفادي التحميل الزائد أو انخفاض الشحن.
• اكتشاف الأعطال الكهربائية والعزل التلقائي للوحدات المتضررة.
• الإبلاغ الفوري عن المخاطر مثل الحرائق أو انهيار العزل.
• تفعيل أنظمة التوقف الطارئ للحفاظ على سلامة الموقع والمستخدمين.

أي خلل في وظائف BMS قد يؤدي إلى كوارث تقنية ومالية، لذلك يُعد تطويره من الأولويات في تصميم BESS

حساسات وقياسات الأداء: الركيزة المعلوماتية للتحكم الذكي

تعتمد أنظمة BESS الحديثة على شبكة من الحساسات الدقيقة التي تجمع بيانات فورية تشمل:

• حالة الشحن (State of Charge – SOC) : لتحديد مستوى الطاقة المخزنة.
• درجة حرارة البطاريات:  لضبط أنظمة التبريد والتسخين.
• الجهد والتيار:  للكشف عن أعطال أو حالات تحميل غير طبيعية.
• طاقة الإدخال والإخراج:  لضبط توقيت وأولوية الشحن/التفريغ.
• تردد وجهد الشبكة:  لدعم توازن الشبكة وتحقيق استقرار فوري في الأحمال.

هذه البيانات تُعالج في الزمن الحقيقي باستخدام خوارزميات متقدمة وتُربط مع أنظمة أعلى في سلسلة التحكم مثل BMS وEMS  و DERMS

السحابة ودمج الأنظمة: التحكم عن بُعد والقيادة الذكية للأساطيل

شهد قطاع الطاقة تحولًا جذريًا بفضل التطور السريع في تقنيات الحوسبة السحابية والاتصالات الرقمية، ليصبح الربط الخارجي عبر السحابة الإلكترونية جزءًا لا يتجزأ من هندسة أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS). تعتمد الغالبية العظمى من مواقع BESS والمُجمّعات والمصنّعين (OEMs) على تقنيات الاتصال عن بُعد والحوسبة السحابية لرصد الأداء والتشغيل الذكي وإدارة الأصول بشكل مركزي، من خلال أنظمة إدارة الموارد الموزعة للطاقة (DERMS) وأنظمة أسطول الطاقة.

تمكّن هذه الأنظمة من التحكم الجماعي في مواقع متعددة، مما يعزز فعالية الأداء عبر عدة جوانب أساسية تشمل: المراقبة والتحكم عن بعد، تنسيق الأداء الجماعي للوحدات المتوزعة، تحسين التكلفة من خلال عمليات الاستجابة للطلب، تعزيز استقرار الشبكة خصوصًا في أنظمة الطاقة ذات التشتت العالي، وتنفيذ استراتيجيات الصيانة الاستباقية التي تساهم في تقليل الأعطال وتحسين عمر المعدات.

يتطلب هذا التكامل التقني وجود بروتوكولات اتصال محمية تضمن أمن وسلامة البيانات، بالإضافة إلى واجهات استخدام ذكية مثل واجهة التفاعل بين الإنسان والآلة (Human-Machine Interface – HMI) وأنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA) ، توفر هذه الأنظمة للمشغلين إمكانية التفاعل المباشر مع النظام، وتنفيذ الأوامر الحرجة بسرعة وفعالية، مما يعزز السلامة التشغيلية ويضمن استجابة فورية لأي طارئ.

في النهاية، توضح البنية التحتية الرقمية وأدوات الاتصال الحديثة التي تربط بين تقنيات التشغيل (OT) وتكنولوجيا المعلومات (IT) أهمية الحوسبة السحابية في دعم جاهزية وكفاءة أنظمة تخزين الطاقة الحديثة، مما يسهم بشكل مباشر في استقرار الشبكة وتحقيق أهداف الطاقة المستدامة.

 المحولات الكهربائية والتكامل الشبكي

أحد المكونات الأساسية في BESS هو محول الشبكة الكهربائية، الذي يربط النظام بالشبكة العامة أو الأحمال. هذه المحولات قد تكون تقليدية أو من نوع المحولات الالكترونية الحديثة  (solid-state transformers)، وتُدمج غالبًا مع العاكسات لتحقيق اتساق في الجهد والتردد مع الشبكة.

 الخلاصة: منظومة تكاملية لدعم مستقبل الطاقة

تمثل أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات منظومة متكاملة تدمج بين الهندسة الكهروكيميائية، والإلكترونيات الصناعية، والخوارزميات الذكية، والبنى السحابية. وتُعد كل مكوناتها، من الخلية الصغيرة إلى نظام التحكم السحابي، عناصر مترابطة تسهم في بناء شبكة طاقة مرنة، مستقرة، وقابلة للتوسع.

📚  المصدر:

وزارة الطاقة الأمريكية – تقرير سلسلة الإمداد في أنظمة تخزين البطاريات  (BESSIE)، يناير 2025، رابط التقرير  من هنا