ذخیره ‌سازهای انرژی

انرژی الکتریکی در یک سیستم جریان متناوب نمی‌تواند به صورت الکتریکی ذخیره شود و باید در زمانی که به آن نیاز است تولید گردد. با این وجود، برای ذخیره‌ سازی این انرژی می‌توان آن را به صورت‌های دیگر انرژی تبدیل نمود که البته هر نوع سیستم برای کارایی مناسب نیاز به وجود یک مبدل خوب دارد. گسترش فناوری برای ذخیره سازی انرژی الکتریکی جهت آماده بودن توان ضروری در صورت نیاز، در سیستم قدرت کنونی جایگاه ویژه‌ای دارد. همچنین از آنجاییکه بخش الکتریسیته در حال تغییرات عمده است، ذخیره سازی انرژی یک انتخاب بسیار مهم برای تحت پوش قرار دادن مسائلی از قبیل تجدید ساختار در بازار برق، وارد شدن منابع تجدید پذیر و کمک رسانی به افزایش تولیدات پراکنده، بهبود کیفیت توان و کمک به عملکرد شبکه تحت قوانین مربوط به حفاظت از محیط زیست است. بنابراین استفاده از منابع ذخیره ساز انرژی الکتریکی، ESS ، برای ذخیره سازی توان و استفاده در صورت نیاز شبکه یکی از راه‌کارهایی هست که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است

بنا بر تعریف "یک سیستم فیزیکی با قابلیت اخذ انرژی برای دیسپاچ و جایگزینی الکتریسیته در زمان‌های بعد" را یک منبع ذخیره ساز انرژی الکتریکی، ESS می‌نامند. در این قسمت با توجه به اهمیت منابع ذخیره‌ساز در شبکه هوشمند به بررسی انواع تکنولوژی‌‌های ذخیره‌سازی می‌پردازیم.

سیستم‌های ذخیره انرژی باتری

باتری‌ها انرژی الکتریکی را از طریق واکنش‌های شیمیایی ذخیره می‌کنند. به عبارت دیگر شارژ کردن یک باتری سبب واکنش‌های الکتروشیمیایی اجزاء آن می‌گردد و به این ترتیب انرژی را به شکل شیمیایی ذخیره می‌کنند. بر اساس نیاز، واکنش معکوس شیمیایی موجب شارش جریان الکتریکی از باتری به سمت شبکه می‌گردد. یکی از ویژگی‌های مهم باتری‌ها زمان پاسخ سریع آنها می‌باشد؛ برخی از باتری‌ها قادرند در کمتر از 20 میلی‌ثانیه به تغییرات بار پاسخ دهند. بازده باتری‌ها بین 70% تا 80% می‌باشد که بستگی به نوع باتری و نیز سیکل استفاده از آن دارد. تلفات ذخیره انرژی باتری‌ها کم است و در عین حال چگالی ذخیره انرژی الکتریکی بالایی دارند. شاید بتوان ایراد اصلی باتری‌ها را طول عمر آنها دانست. معمولاً طول عمر باتری‌ها نسبت به سایر سیستم‌های ذخیره انرژی کوتاه‌تر است و باید به صورت دوره‌ای آنها را جایگزین نمود. باتری‌ها به دلیل تبادلات انرژی از طریق واکنش‌های الکتروشیمیایی، بسیار به شرایط محیطی همچون دما و حرارت حساس هستند و این عوامل موجب کم شدن عمر مفید آنها خواهد شد. با این وجود گسترش روزافزون تولیدات پراکنده و استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر جهت تأمین انرژی الکتریکی موجب استفاده بیش از پیش از باتری‌ها در سیستم‌های قدرت گردیده است. ساختار سلولی باتری‌ها موجب می‌شود که بتوان از طریق اتصال تعداد مختلف سلول‌های باتری، به ظرفیت، توان و ولتاژ دلخواه سیستم ذخیره باتری دست یافت.

سیستم ذخیره انرژی مغناطیس ابررسانا

ایده اصلی این سیستم این است که در صورت تزریق جریان مستقیم به یک مدار ابررسانا، این جریان بدون تلفات تا بینهایت در حلقه بسته این مدار گردش خواهد کرد؛ و زمانی که نیاز به انرژی داشته باشیم، می‌توان انرژی ذخیره شده در این مدار را به شبکه تزریق کنیم. سیستم ذخیره انرژی مغناطیس ابررسانا انرژی را در میدان مغناطیسی حاصل از شارش جریان در یک سیم‌پیچ ابررسانا ذخیره می‌کند. بخش اصلی این سیستم، سیم‌پیچ ابررسانای آن است که برای حفظ حالت ابررسانایی آن، باید سیم‌پیچ را به وسیله یک سیستم خنک‌کننده در دماهای بسیار پایین نگه داشت تا خاصیت ابررسانایی خود را حفظ نماید؛ به عنوان مثال می‌توان آن را در یک محفظه خلاء یا هلیم مایع قرار داد، بنابراین مقاومت الکتریکی آن به صفر می‌رسد. از آنجایی که در سیستم ذخیره انرژی مغناطیس ابررسانا انرژی الکتریکی را به صورت دیگری از انرژی، همچون انرژی جنبشی یا شیمیایی تبدیل نمی‌کنیم، بازده آن بسیار بالا می‌باشد. هیچ جزء متحرکی در این سیستم وجود ندارد و بنابراین طول عمر آن بسیار زیاد است و به تعمیرات و نگهداری اندکی نیاز دارد. همچنین زمان پاسخ آن بسیار اندک است و در حدود چند میلی ثانیه می‌باشد.

سیستم ذخیره انرژی ابرخازن

 یکی دیگر از روش‌های ذخیره مستقیم انرژی الکتریکی استفاده از ابرخازن‌ها است. ابرخازن‌ها انرژی الکتریکی را در میدان الکتریکی خازن که بین هر الکترود و الکترولیت تشکیل می‌شود، ذخیره می‌کنند. با پیشرفت تکنولوژی و کاربرد الکترولیت‌های با ثابت دی‌الکتریک بالا امکان افزایش ذخیره انرژی در ابرخازن‌ها میسر می‌شود. ظرفیت و چگالی انرژی ابرخازن‌ها هزار برابر بزرگتر از خازن‌های الکترولیتی است. در مقایسه با باتری‌ها، ابرخازن‌ها چگالی انرژی پایین‌تری دارند؛ اما ابرخازن‌ها می‌توانند دهها هزار بار شارژ و دشارژ شوند و نسبت به باتری‌ها نرخ شارژ و دشارژ بسیار سریع‌تری دارند. مهم‌ترین ایراد ابرخازن‌ها هزینه بالا و لزوم استفاده از مبدل DC به AC در آنهاست که این امر نیز به خودی خود موجب کاهش بازده و افزایش هزینه می‌گردد. با پیشرفت بیشتر تکنولوژی ابرخازن‌ها، جایگزینی آنها به جای باتری‌ها یا کاربردهای کیفیت توان، تأمین بارهای پیک لحظه‌ای و گسترش کاربردهای ولتاژ بالا می‌باشد. امروزه استفاده همزمان از ابرخازن‌ها و باتری‌ها برای ذخیره انرژی الکتریکی مطرح گردیده است؛ در این صورت سیکل‌های شارژ و دشارژ باتری کاهش یافته و طول عمر آن افزایش می‌یابد.