روشهای ذخیره سازی برق در ایستگاههای قدرت

دفتر مطالعات اقتصادی و ارتقاء بازار برق شرکت مدیریت شبکه برق ایران

مهندس سیدمحمدجعفر طباطبایی- مهندس محمدحسین عسکری

ذخیره سازی انرژی برق یکی از مباحث مهم صنعت برق کشور به شمار می آید. از آن گذشته استفاده مداوم از انرژی برق

به دلیل کم باری در برخی از ساعات و درمدار قرارداشتن همه نیروگاهها امکان پذیر نیست. در مقاله پژوهشی زیر که به

وسیله دفتر مطالعات اقتصادی و ارتقاء بازار برق شرکت مدیریت شبکه برق ایران با همکاری مهندس سیدمحمدجعفر

طباطبایی و مهندس محمدحسین عسگری تهیه شده به روشهای ذخیره سازی برق در ایستگاههای قدرت اشاره شده است.

یکی از مسائلی که امروزه در سیستم های قدرت به ویژه شبکه قدرت ایران – بسیار مورد توجه برنامه ریزان و بهره برداران سیستم قرار دارد، تغییرات

زیاد و عدم یکنواخت بودن منحنی بار در ساعات مختلف شبانه روز است. این موضوع منجر شده است تا تنها در ساعات پیک بار از تمامی ظرفیت نصب

شده تولید کشور استفاده شود و در ساعات کم باری و میان باری مقدار زیادی از ظرفیت نصب شده خارج از مدار باشد که این مطلب به معنای خواب

سرمایه است. این مشکل کمابیش در شبکه های قدرت دنیا که دارای منحنی های بار با تغییرات زیاد هستند مشاهده م یشود . این موضوع محققان را

برآن داشته است تا با نگاهی به تجربیات بشر و پیش زمینه ذخیره سازی از دیرباز، در اندیشه ذخیره کردن انرژی الکتریکی باشند.

از آنجا که هزینه تولید برق و قیمت فروش آن در ساعات مختلف شبانه روز با توجه به را هافتادن بازار برق، تفاوتهای چشمگیری دارد، بنابراین ایده

ذخیره سازی برق در ساعات غیر پیک (برق ارزان) و استفاده از آن در ساعات پیک (برق گران) مطرح شد. روشهای مورد مطالعه ذخیره سازی برق به

شرح زیر هستند: ذخیره ساز هوای فشرده، ذخیره سازی چرخ طیار، ذخیره ساز حرارتی، ذخیره ساز مغناطیسی ابر رسانا و ذخیره ساز ابرخازن.

Compressed Air Energy Storage (CAES) ذخیره سازی هوای فشرده

شامل: موتور، کمپرسور، محفظه ذخیره هوا، محفظه احتراق، توربین و ژنراتور است. CAES اجزای اصلی یک سیستم

نحوه عملکرد این سیستم به این صورت است که در ساعات غیر پیک برق را از شبکه م یگیرد و به وسیله بک کمپرسور که به وسیله ی موتوری

چرخانده می شود، هوا را فشرده ساخته و در داخل محفظه ای زیرزمینی می دمد. محفظه زیرزمینی نگهداری هوا را می توان به طور مصنوعی ساخت که

هزینه بسیار زیادی دربر خواهد داشت و می توان از سفره های آب زیرزمینی و یا محفظه معادن مختلف برای این منظور بهره گرفت. هوای فشرده را می

توان با تلفات بسیار اندک در محفظه نگاهداری کرد. در مواقع لزوم، هوای فشرده از محفظه خارج شده، در یک اتاق احتراق با مقداری سوخت مخلوط

می شود و پس از احتراق وارد یک توربین گازی می شود و در نهایت با استفاده از ژنراتور ، تولید برق صورت می گیرد. این ذخیره ساز در عمل کار کمپرسور

در نیروگاه گازی را به انجام می رساند. از آنجا که بیش از نیمی از ظرفیت تولید توربین های گازی برای چرخاندن کمپرسور مورد استفاده قرار م ی گیرد،

و همچنین توجیه پذیرتر بودن استفاده از محفظه های طبیعی از نظر اقتصادی، ایده ساخت نیروگاههای گازی در CAES لذا با توجه به روش

محل هایی که امکان استفاده از محفظه های زیرزمینی وجود دارد، آشکار می شود. در این صورت می توان در ساعات غیر پیک، کار کمپرسور نیروگاه را با

انجام داد و در ساعات پیک کمپرسور نیروگاه را از مدار خارج کرده، قابلیت تولید تقریباً دوبرابر را به دست آورد. هوا پیش از تزریق CAES استفاده از

۷۵ انجام م یشود. بعد از روش تلمبه ذخیره ای، bar به داخل حفره خنک می شود تا از فضا بهترین استفاده صورت گیرد. فشرده سازی تا فشار در حدود

در حدود ۵۰ تا ۳۰۰ مگاوات است و به CAES دارای بزرگترین ظرفیت بین دخیره سازها است. ظرفیت های معمول سیستم های CAES سیستم

در حد ۱۰ دقیقه است که نسبت CAES دلیل کمی تلفات این سیستم، طول دوره ذخیره تا یک سال هم به طول می انجامد. زمان راه اندازی سیستم

۲۰ دقیقه) کمتر است. چگالی انرژی معمول هوای فشرده در حدود ۱۰۸۶ ژول بر گرم است . نمونه های – به زمان مشابه برای نیروگاههای گازی ( ۳۰

شامل یک واحد ۲۹۰ مگاواتی در کشور آلمان و یک واحد ۱۱۰ مگاواتی در کشور آمریکا است. ،CAES سیستم

Flywheel Energy Storage (FES) ذخیره ساز چرخ طیار

اجزای اصلی سیستم ذخیر هساز چرخ طیار موتور/ ژنراتور، چرخ طیار، یاتاقان ها، محفظه خلا و سیستم کنترل است.

طریقه عملکرد این سیستم به این گونه است که در ساعات غیر پیک انرژی را از شبکه گرفته و با استفاده از موتور خود، جرم چرخ طیار را به

گردش در می آورد. سرعت گردش برای روتورهای معمول فلزی در حدود ۴ هزار دور در دقیقه و برای روتورهای جدید ساخته شده از رشته های کربن –

کامپوزیت در محدوده ۲۰ هزار تا ۱۰ هزار دور در دقیقه است.

با توجه به فرمولها و محاسبات به عمل آمده هرچه ممان اینرسی و یا سرعت چرخش روتور افزایش یابد انرژی جنبشی بیشتری در چرخ طیار

ذخیره می شود. از این انرژی جنبشی می توان در ساعات پیک استفاده کرد. مطلبی که در اینجا مطرح می شود اینست که انرژی موجود پس از مدتی به

نمی شود. چاره این مشکل اینگونه پیدا شده است که با استفاده FES صورت اصطکاک تلف می شود روتور از حرکت باز می ایستد و عملاً استفاده ای از

از محفظه خلا و یاتاقان های مغناطیسی، اصطکاک به حداقل رسانده می شود و تلفات تقریباً ناچیز می شود. یاتاقانهای مغناطیسی روتور را با استفاده از

میدان مغناطیسی نگاه می دارند و لذا از تماسهای مکانیکی که در یاتاقانهای معمولی موجب تلفات زیاد می شود جلوگیری م یکنند. همچنین وجود خلا

مانع از تلفات اصطکاک با هوا می شود. سیستم مزبور برای بهبود کیفیت توان مورد استفاده قرار م یگیرد و تا حدودی قابلیت پی کزدایی را داراست. یکی

تنش زیاد وارد شده بر روتور در سرعت های زیاد و احتمال از هم پاشیدن آن به صورت انفجاری است. FES از معایب

Electric Thermal Storage (ETS) ذخیره ساز حرارتی برق

افزایش روزافزون سیستم های تهویه مطبوع جهت گرمایش و سرمایش باعث شیفت پیک بار الکتریکی به مدت چند دقیقه تا چند ساعت می شود .

ذخیره انرژی به صورت حرارت یا سرما که بتواند در ساعات اوج مصرف به عنوان سیستم تهویه مورد استفاده قرار گیرد، در جهت کاهش این شی فت

راه گشا خواهد بود. به عبارت دیگر در ساعات غیر پیک انرژی الکتریکی به فرم حرارتی ذخیره م یشود و در ساعات پیک مورد بهره برداری قرار م یگیرد .

این سیستم م یتواند برای هر دو منظور سرمایش و گرمایش مورد استفاده قرار گیرد. در ساعات غیر پیک انرژی برق از شبکه گرفته شده و با توجه به

هدف گرمایش یا سرمایش، ماده واسط گرم و یا سرد می شود و در ساعت پیک تنها با دمیدن هوا از روی ماده واسط، گرما یا سرمای مطلوب به دست

می آید.

وجود دارد. نوع اول ETS براساس نوع ماد ه ای که به عنوان واسط ذخیر ه ساز انرژی حرارتی به کار می رود، دو نوع کلی

نامیده می شوند، از آب ذخیره شده در تانک، لایه های زیرزمینی و یا فونداسیون بتنی ساختمان ها به عنوان واسط استفاده Sensible ها که ETS

ها اینست که دارای دمای ETS دارای چگالی حجمی انرژی به میزان ۲۵ کیلووات ساعت بر متر مکعب هستند. عیب این ETS می کنند. این نوع

نام دارند، از ماده واسطی استفاده می کنند که در هنگام شارژ و دشارژ قابلیت تغییر فاز Latent ها که ETS متغیر در هنگام دشارژ هستند. نوع دوم

دارد. به عنوان مثال اگر از آب به عنوان ماده واسط استفاده شود، چگالی انرژی ۱۰۰ کیلووات ساعت بر متر مکعب و اگر از پارافین استفاده شود تا

حدود ۳۰۰ کیلووات ساعت بر متر مکعب قابل دسترسی است. با توجه به اینکه در حال تغییر فاز اختلاف دمایی در ماده واسط به وجود نم یآید، لذا دمای

نوع دوم است. این سیستم برای مناطقی پیشنهاد می شود که روند تهویه مطبوع گرمایش آنها نیز مانند تهویه ETS ثابت در هنگام دشارژ از مزایای

سرمایش با استفاده از انرژی الکتریکی صورت می گیرد.

Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) ذخیره ساز مغناطیسی ابر رسانا

سیستم ذخیره ساز مغناطیسی ابررسانا از سه بخش اساسی: سیم پیچ ابررسانا، سیستم اصلاح و بهبود توان و سیستم خن ککننده تشکیل می شود .

به صورت انرژی (DC) سیم پیچ ابررسانا به صورت یک سلف به کار می رود و در ساعات غیر پیک انرژی الکتریکی از طریق یک جریان مستقیم

مغناطیسی در میدان سلف مذکور ذخیره می شود. سیستم خنک کننده وظیفه کاهش دمای ابررسانا را به منظور حفظ خاصیت ابررسانایی داراست .

ابررسانابودن سیسم پیچ منجر خواهد شد که تلفات سیستم بسیار ناچیز باشد و جریان آن تقریباً بدون تغییر باقی بماند. سیستم اصلاح توان به منظور

استفاده می شود که این تبدیلات باعث تلفاتی در حدود SMES تبدیل جریان متناوب به مستقیم و مستقیم به متناوب به ترتیب در روال شارژ و دشارژ

۲ تا ۳ درصد می شود.

ها در حال حاضر تنها برای ذخیره کوتاه مدت انرژی و SMES ، با توجه به انرژی زیاد مورد نیاز برای خنک سازی و هزینه زیاد سیم های ابررسانا

بهبود کیفیت توان مورد استفاده قرار م یگیرند.

براساس فرمول و محاسبه انجام شده انرژی ذخیر هشده به جریان عبوری از سیم پیچ ابررسانا و همچنین اندوکتانس سلف مورد نظر بستگی دارد . از

آنجا که اندوکتانس سلف تابع مشخصات ساختمانی آن است، برای ذخیره انرژی زیاد، ابعاد سلف مورد استفاده افزایش چشمگیری خواهد داشت و هزینه

آن نیز متقابلاً بسیار زیاد خواهد شد.

(Super Capacitor) ذخیره ساز ابر خازن

ابرخازن ها به عنوان باتری استفاده می شوند و در مقایسه با خازن های معمولی دارای چگالی انرژی بیشتری هستند. زمان شارژ ابرخازن ها (در حدود

چند ثانیه) نسبت به باتری های قابل شارژ سنتی (در حدود چند ساعت) بسیار کمتر است. همچنین تعداد چرخه های قابل شارژ و دشارژ ابرخازن میلیونها

بار است و نسبت به باتری های معمولی که تا ۱۰۰۰ بار قابلیت شارژ دارند، عمری طولانی تر دارند. مقاومت داخلی بسیار کم و راندمان زیاد این ابر

خازن ها از دیگر مزایای آنهاست. ابرخازن ها در مقیاس های کوچک برای ذخیره انرژی بهره برداری می شوند و در صورت پیشرفت د ر افزایش چگالی

انرژی آنها م یتوان انتظار داشت جای باتری های الکتروشیمیایی را بگیرند. در حال حاضر چگالی انرژی ابر خازن ها در حدود چند وات ساعت بر کیلوگرم

است. در پایان باید خاطرنشان کرد دلایل عمده عدم استفاده گسترده از وسایل ذخیره ساز انرژی اینست که اولاً رقیب اقتصادی تولیدکنندگان استفاده

کننده از سوخت فسیلی نیستند (به عبارت دیگر احداث نیروگاه فسیلی هزینه ای کمتر از برخی ذخیره کننده ها دربر دارد) و ثانیاً قابلیت اطمینان بالای آنها

در دوره های طولانی بهره برداری به اثبات نرسیده است.