دمج الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة في الشبكات الكهربائية: من التقنية إلى نماذج الأعمال
مقدمة
مع التسارع العالمي في تبنّي الطاقة الشمسية والرياح، لم يعد التحدي في توليد الكهرباء النظيفة بقدر ما أصبح في دمجها بأمان وكفاءة في الشبكة. هنا يظهر دور أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية (ESS)، وعلى رأسها أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، كأحد الأعمدة الرئيسة للتحوّل الطاقي العالمي.
قدّمت الورقة البحثية المنشورة في مجلة Energy Reports لهذا العام 2025 مراجعة شاملةً لواقع وتحديات وحلول إدارة وتحوّل الطاقة المخزّنة في الشبكات، مع تركيز خاص على:
- بطاريات الليثيوم-أيون للشبكات كبيرة السعة،
- أنظمة إدارة البطاريات BMS وتقدير حالة الشحن SoC،
- إدارة التخزين الهجين (الفوتوفولتية + البطاريات + المكثفات الفائقة)،
- أنظمة تحويل القدرة Power Conversion Systems – PCS،
- الجوانب الاقتصادية والاتجاهات المستقبلية في سوق التخزين.
لماذا التخزين أصبح شرطًا لنجاح دمج الطاقة المتجددة؟
تشير الورقة إلى أن مصادر الطاقة المتجددة (شمس، رياح، …) غير ثابتة بطبيعتها، ما يخلق مشكلات في تذبذب الجهد والتردد ويُضعف موثوقية الشبكة وجودة القدرة إذا لم تُدار بشكل صحيح.
تلعب أنظمة التخزين الأدوار التالية:
- تنعيم منحنى الحمل (Load Leveling & Peak Shaving) : تخفيض الأحمال في ساعات الذروة وتأجيل استثمارات ضخمة في البنى التحتية.
- تقديم خدمات مساندة للشبكة: مثل تنظيم التردد والجهد، توفير احتياطي دوّار، واستجابة سريعة في ثوانٍ أو أجزاء من الثانية.
- تعزيز المرونة Resilience : من خلال توفير قدرة احتياطية في حالات الطوارئ والكوارث والأحوال الجوية القاسية.
- تمكين نماذج الأعمال الجديدة: مثل المراجحة السعرية (Energy Arbitrage) ودمج الإنتاج اللامركزي على مستوى العملاء والمجتمعات.
أبرزت الورقة أن قيمة التخزين ووظيفته تتغيّران تبعًا لموضعه داخل منظومة الكهرباء، ويمكن تلخيص ذلك كما يلي:
• على مستوى النقل Transmission (GW) : يلعب التخزين دورًا محوريًا في تحقيق توازن النظام عبر دعم استقرار التردد والقدرة على استيعاب تقلبات مصادر الطاقة المتجددة على نطاق واسع.
• على مستوى التوزيع Distribution (MW) : يساهم التخزين في تأجيل أو تقليل الحاجة لتوسعات الشبكة، وتحسين مستويات الجهد، وتعزيز قدرة شبكات التوزيع على استيعاب نسب أعلى من الطاقة المتجددة.
• على مستوى المستهلك النهائي Behind-the-Meter (kW) : يمكّن التخزين المستخدمين من خفض فواتير الطاقة عبر إدارة الطلب والأحمال، وتحسين جودة القدرة (Power Quality)، وضمان تغذية مستمرة للأحمال الحرجة في حالات الانقطاع.
خريطة تقنيات تخزين الطاقة: لا توجد تقنية واحدة تكفي للجميع
تُقسِّم الورقة تقنيات تخزين الطاقة إلى خمس عائلات رئيسة:
- الميكانيكية: مثل الضخّ المائي (Pumped Hydro) والهواء المضغوط (CAES) والعجلات الدوّارة (Flywheel)
- الكيميائية: مثل الهيدروجين وأنظمة الوقود.
- الكهربية: المكثفات الفائقة (Supercapacitors)، والمغناطيسية فائقة التوصيل (SMES)، والمكثفات الغشائية (Film Capacitors)
- الحرارية: تخزين الحرارة أو البرودة في خزانات أو مواد متغيّرة الطور.
- الكهروكيميائية: البطاريات بمختلف أنواعها (الرصاص-حمضية، الليثيوم، التدفّقية، …).
وضحت المقارنة التي قدّمتها الورقة أن:
- الضخّ المائي: الأنسب للتخزين طويل الأمد وبقدرات ضخمة لكنّه مقيّد جغرافيًا.
- الهواء المضغوط: بديل ميكانيكي واعد لكن بكفاءة دورية أقل وتعقيد أعلى.
- العجلات الدوّارة والمكثفات الفائقة: ممتازة للخدمات السريعة (ثوانٍ/ملّي ثانية) وليس للتخزين الطويل.
- بطاريات الليثيوم-أيون: توازن جيد بين كثافة الطاقة، الاستجابة السريعة، والكفاءة العالية، مع مرونة في التركيب على جميع مستويات الشبكة.
بطاريات الليثيوم-أيون للشبكات: الفرصة والتحدي
تؤكد الورقة أن بطاريات الليثيوم-أيون أصبحت الخيار المهيمن في مشاريع BESS الشبكية، للأسباب التالية:
- كثافة طاقة عالية حتى 300 Wh/kg و >600 Wh/L لبعض الكيميائيات.
- استجابة زمنية سريعة جدًا (ملّي ثانية).
- كفاءة شحن/تفريغ دورية تتجاوز 95%
- انخفاض كبير في التكلفة من ~1100 دولار/ك.و.س عام 2010 إلى أقل من 150 دولار/ك.و.س عام 2020، مع اتجاه لمزيد من الانخفاض.
مقارنة بين كيميائيات الليثيوم الرئيسة لتطبيق الشبكات
تستعرض الورقة أربعة من أبرز كيميائيات بطاريات الليثيوم المستخدمـة على مستوى الشبكات، موضِّحة الفروقات الجوهرية بينها من حيث الأداء، الأمان، والكلفة:
- NMC (Nickel Manganese Cobalt) : تقدّم توازنًا ممتازًا بين كثافة الطاقة، العمر التشغيلي، وعدد دورات الشحن، ما يجعلها خيارًا شائعًا لتطبيقات تتطلب أداءً قويًا في مساحة محدودة.
- LFP (Lithium Iron Phosphate) : تتميز بأعلى مستويات الأمان والاستقرار الحراري، إلى جانب عمر تشغيلي طويل، رغم انخفاض كثافة الطاقة مقارنة بأنواع أخرى؛ وهي الخيار الأفضل لمعظم تطبيقات الشبكة نظرًا لموثوقيتها العالية.
- NCA (Nickel Cobalt Aluminum) : توفر أعلى كثافة طاقة بين الكيميائيات الشائعة، لكنها تأتي بعمر أقصر وتكلفة أعلى، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الحساسة للمساحة والتي تحتاج إلى تخزين أكبر في حجم أصغر.
- LTO (Lithium Titanate) : تمتلك أقل كثافة طاقة، لكنها تتفوق بشكل لافت في عدد الدورات (أكثر من 10,000 دورة) وفي مستويات الأمان والاستجابة السريعة، مما يجعلها مثالية لتطبيقات القدرة العالية والشحن السريع.
وتشير الورقة إلى مشاريع كبرى مثل Hornsdale Power Reserve في أستراليا (100 ميغاواط / 129 ميغاواط.ساعة)، كنموذج بارز على نضج وانتشار استخدام أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات على مستوى المرافق، مؤكدّةً جاهزية هذه التقنيات للانتشار العالمي الواسع.
أنظمة إدارة البطاريات BMS وتقدير حالة الشحن SoC العقل المدبّر لـ BESS
تؤكد الدراسة أن نجاح أي مشروع BESS لا يعتمد فقط على نوع البطارية، بل على منظومة إدارة البطارية BMS التي تقوم بـ:
- مراقبة الجهد، التيار، ودرجة حرارة كل خلية أو مجموعة خلايا.
- تقدير حالة الشحن State of Charge – SoC بدقة، وحالة الصحة State of Health – SoH
- إدارة الشحن/التفريغ ضمن الحدود الآمنة (C-rate، الجهد، الحرارة)
- اكتشاف الأعطال والتعامل معها مبكرًا.
- موازنة الخلايا لضمان استغلال السعة الكاملة ومنع التدهور المبكر للمنظومة.
تحديات تقدير SoC
توضح الورقة أن تقدير حالة الشحن SoC بدقة يُعدّ من أكثر الجوانب حساسية في تشغيل أنظمة تخزين الطاقة، نظرًا لتأثيره المباشر على سلامة البطارية، عمرها التشغيلي، وكفاءة التشغيل. وتستعرض الدراسة خمس فئات رئيسة لأساليب التقدير، لكل منها مزايا وحدود:
- عدّ الكولوم (Coulomb Counting) أسلوب بسيط ومنخفض التكلفة يعتمد على دمج التيار الداخل والخارج، إلا أنه شديد الحساسية لأخطاء قياس التيار وتغيّر السعة الفعّالة مع تقدم عمر البطارية، مما يؤدي إلى تراكم الأخطاء بمرور الوقت.
- العلاقة بين الجهد وحالة الشحن OCV–SoC تُعد هذه الطريقة دقيقة نسبيًا، لكنها تتطلب فترات استقرار طويلة للبطارية دون تحميل للوصول لجهد الحالة الثابتة، وهو ما يصعب تحقيقه في أنظمة BESS العاملة باستمرار على الشبكة.
- الطرق المعتمدة على الممانعة (Impedance-based) تعتمد على تحليل مقاومة وممانعة الخلية، وهي حساسة للتغيرات في حالة الشحن، لكنها معقّدة في التطبيق العملي وتتطلب تجهيزات خاصة وتعديلات مستمرة لضمان عملها في الزمن الحقيقي.
- النماذج المكافئة مع مرشحات كالمان (Model-based / Kalman Filtering) توفر دقة عالية عبر دمج نماذج كهربائية للبطارية مع خوارزميات تقدير متقدمة، إلا أنها تحتاج قدرة حسابية أكبر ومعايرة دقيقة، مما يزيد من تعقيد تصميم BMS
- خوارزميات التعلّم والذكاء الاصطناعي (Neural Networks / Fuzzy Logic) تمتاز بقدرتها على تمثيل السلوك اللاخطي للبطارية والتكيف مع ظروف التشغيل المختلفة، لكنها تعتمد على توفر بيانات تدريب واسعة وقدرات معالجة مرتفعة لضمان دقة وموثوقية التقدير.
موازنة حالة الشحن بين الخلايا Passive vs Active Balancing
لأن أي حزمة بطاريات تتكوّن من آلاف الخلايا المتصلة على التوالي والتوازي، فإن اختلافات بسيطة في السعة والمقاومة الداخلية ودرجة الحرارة تؤدي إلى:
- استغلال غير متساوٍ للخلايا،
- انخفاض السعة المتاحة إلى مستوى أضعف خلية،
- تعرّض بعض الخلايا للشحن الزائد أو التفريغ العميق،
- تسارع تدهور المنظومة بالكامل.
لذلك ركزت الورقة على استراتيجيات موازنة SoC:
الموازنة السلبية Passive Balancing
- تعتمد على حرق الطاقة الزائدة في الخلايا الأعلى SoC عبر مقاومات.
- بسيطة ورخيصة، لكنها تهدر الطاقة وتولّد حرارة وتزيد من خسائر النظام.
الموازنة النشطة Active Balancing
- تنقل الطاقة من الخلايا الأعلى شحنًا إلى الخلايا الأقل (بالمكثفات أو الحثّيات أو المحولات).
- تحسّن كفاءة النظام وتزيد السعة المستغلة، لكنها أكثر تعقيدًا وتكلفة وتتطلب دوائر ومتحكمات إضافية.
إدارة التخزين الهجين: PV + بطاريات + Supercapacitors
تستعرض الورقة نموذجًا متقدّمًا لإدارة الطاقة في نظام كهروضوئي مستقل عن الشبكة (Off-grid PV) يعتمد على ثلاث وحدات رئيسة:
- الألواح الكهروضوئية كمصدر أساسي لتوليد الطاقة.
- بطارية رئيسة للتخزين الطاقي متوسط وطويل الأمد.
- مكثف فائق (Supercapacitor) للتعامل مع قمم القدرة السريعة والتذبذبات اللحظية في الحمل.
ويعرّف النموذج أربعة أوضاع تشغيل رئيسة لضمان تشغيل مرن ومستقر للنظام:
- نقص إنتاج الطاقة الشمسية – (Ppv < PL) في حالة عدم كفاية القدرة المولَّدة من الألواح لتغطية الأحمال، تتكفّل كلٌّ من البطارية والمكثف الفائق بسدّ العجز، بحيث تغطي البطارية الجزء الأساسي من الطاقة بينما يتولى المكثف الاستجابة السريعة للتغيرات المفاجئة في الحمل.
- فائض معتدل في إنتاج PV –Ppv > PL و Ib < Ib,max عند وجود فائض طاقي ضمن حدود تيار شحن البطارية المسموح به، يتم شحن كلٍّ من البطارية والمكثف الفائق بكثافة تيار آمنة، بما يضمن الاستفادة القصوى من الطاقة المتاحة دون الإضرار بعمر البطارية.
- فائض كبير في إنتاج PV –Ppv >> PL و Ib > Ib,max عندما يتجاوز الفائض حدّ تيار شحن البطارية المسموح به، يقوم نظام الإدارة بتقييد تيار البطارية وتحويل الجزء الأكبر من الفائض إلى المكثف الفائق، نظرًا لقدرته الأعلى على تحمّل تيارات الشحن الكبيرة دون تأثير كبير على عمره.
- هبوط مفاجئ في الإشعاع الشمسي أو ارتفاع حاد في الحمل: في هذه الحالة يعمل النظام في وضع Boost؛ حيث يُقيَّد تيار البطارية لتجنّب الإجهاد الحراري، بينما يتولى المكثف الفائق تغطية الزيادة السريعة في القدرة المطلوبة إلى أن يستقر النظام.
يمثّل هذا النموذج الهجين حلًّا عمليًا وواعدًا للأنظمة الكهروضوئية المعزولة في المناطق الريفية والنائية في العالم العربي، إذ يساهم في:
- تقليل حجم وسعة البطارية المطلوبة،
- إطالة العمر التشغيلي لمنظومة التخزين،
- وضمان تلبية الأحمال الحرجة (مثل الإنارة، الاتصالات، والمرافق الصحية) بدرجة أعلى من الاعتمادية والمرونة.
الأبعاد الاقتصادية: من CAPEX إلى تعظيم الإيرادات
أبرزت الورقة أن الجدوى الاقتصادية لـ ESS لا تتعلق فقط بتكلفة الاستثمار الأولية، بل بقدرة النظام على تجميع عدة مصادر دخل (Revenue Stacking)، مثل:
- المراجحة بين الأسعار (Charge Low – Discharge High)،
- خدمات تنظيم التردد والجهد،
- تأجيل توسعات الشبكة (Deferred Investments)،
- تحسين عامل الحمل لمحطات التوليد التقليدية،
- تقديم قدرة احتياطية للشبكات الصغيرة والمصانع الحساسة.
مع استمرار انخفاض أسعار بطاريات الليثيوم-أيون وتحسين كفاءة أنظمة القدرة، تتوقّع الدراسة أن يصبح التخزين جزءًا مدمجًا في أي مشروع متجدد متوسط أو كبير الحجم، خاصة في سياق تحقيق أهداف الحياد الكربوني بحلول 2050.
التحديات والاتجاهات المستقبلية
ترصد الورقة عددًا من التحديات المفتوحة، مع ملامح اتجاهات مستقبلية واضحة:
التحديات
- دقة تقدير SoC و SoH في أنظمة ضخمة تحتوي على عشرات آلاف الخلايا.
- موازنة فعّالة للخلايا بتكلفة معقولة وبخسائر محدودة.
- إدارة الحرارة ومنع هروب حراري Thermal Runaway في أنظمة كبيرة.
- غياب أطر تنظيمية واضحة في بعض الدول لاعتبار التخزين أصلًا شبكيًا مستقلًا يمكن تعويضه ماليًا.
- قضايا نهاية العمر وإعادة التدوير للبطاريات، وتأثيرها البيئي.
الاتجاهات المستقبلية
- تخزين هجين يجمع بين بطاريات مختلفة + Supercapacitors + Film Capacitors لتحسين الأداء الكلي.
- بطاريات الحالة الصلبة Solid-State Batteries خاصة في التطبيقات المحمولة (PESS) مع إمكانية انتقال جزئي إلى التطبيقات الشبكية في المستقبل.
- استخدام الذكاء الاصطناعي وتعلّم الآلة في:
- تقدير SoC/SoH،
- الكشف المبكر عن الأعطال،
- تحسين تشغيل أنظمة EMS وPCS في الزمن الحقيقي.
- توسّع استخدام Portable Energy Storage Systems (PESS) في الصناعات، الطوارئ، والرعاية الصحية، مع ربطها بموارد متجددة متنقلة أو صغيرة الحجم.
توصيات لصانعي القرار والباحثين في المنطقة العربية
استنادًا إلى ما طرحته الورقة، يمكن صياغة حزمة توصيات عملية لمتخذي القرار، والمطوّرين، والباحثين في المنطقة العربية:
- تبنّي التخزين كجزء أساسي من مشاريع المتجددة وليس كخيار إضافي، خاصة في مشاريع الطاقة الشمسية والرياح على مستوى المرافق.
- تصميم BESS من البداية مع BMS متقدّم واستراتيجية موازنة نشطة تتناسب مع نوع البطارية ونموذج التشغيل الاقتصادي.
- اعتماد مزيج تقنيات تخزين:
- حلول طاقة (Energy) طويلة الأمد مثل الضخ المائي أو التخزين الحراري حيثما أمكن،
- مع BESS وSupercapacitors لخدمات القدرة السريعة والجودة.
- تشجيع النماذج الهجينة لـ PV + بطاريات + Supercapacitors في أنظمة الريف والمجتمعات المعزولة والمخيمات، بما في ذلك الاستخدام الإنساني في مناطق الصراع.
- تطوير أطر تنظيمية وسياسات تعرفة تعترف بالتخزين كخدمة مستقلة وتسمح بنماذج أعمال مثل:
- مشغّل تخزين مستقل،
- تخزين مجتمعي Community Storage،
- عقود خدمات مرونة للشبكة.
- دعم البحث والتطوير في:
- خوارزميات تقدير SoC/SoH القائمة على الذكاء الاصطناعي،
- معماريات موازنة جديدة تقلل عدد المكوّنات والخسائر،
- خطط إعادة استخدام وإعادة تدوير بطاريات الليثيوم على مستوى الدولة/الإقليم.
- بناء قدرات بشرية في مجالات تصميم BESS، BMS، PCS، وتحليل الجدوى الاقتصادية، كمسار مهني جديد لمهندسي الكهرباء والطاقة في المنطقة.
📚 المصدر:
Ahmad, A. B., Ooi, C. A., Ali, O., Charin, C., Maharum, S. M. M., Swadi, M., & Salem, M. (2025). Renewable integration and energy storage management and conversion in grid systems: A comprehensive review. Energy Reports, 13, 2583–2602. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2025.02.008
