مولدات الديزل مقابل تخزين البطاريات: كيف تتغير الأسس الاقتصادية في أسواق الشبكات الضعيفة والأسواق المنفصلة عن الشبكة

في العديد من الأسواق ذات الشبكات الكهربائية الضعيفة أو المنفصلة عن الشبكة في أفريقيا والشرق الأوسط وأمريكا اللاتينية، لا تزال مولدات الديزل مصدراً مهماً للطاقة الاحتياطية والتكميلية. فهي مألوفة وسهلة النشر وقادرة على توفير الكهرباء عند انقطاع الشبكة.

مع ذلك، تتغير الجدوى الاقتصادية للاعتماد على توليد الطاقة بالديزل. فأسعار الوقود، وتكاليف النقل، والصيانة الدورية، واستبدال المولدات، كلها عوامل تساهم في التكلفة الإجمالية للكهرباء على المدى الطويل. ومع ازدياد انتشار أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتكاملة وأنظمة تخزين البطاريات - التي تجمع بين الألواح الشمسية، والمحولات المتوافقة، وبطاريات الليثيوم - بات لدى الشركات والأسر خيارات أوسع لتقليل ساعات تشغيل مولدات الديزل، وخفض اعتمادها على الكهرباء المولدة بالديزل، حيثما تسمح ظروف النظام بذلك.

لا تقتصر المقارنة على المولد والبطارية فحسب، بل تشمل المقارنة بين التكلفة الإجمالية للكهرباء المولدة بالديزل وتكلفة دورة حياة نظام متكامل للطاقة الشمسية الكهروضوئية، والعاكس، وبطاريات الليثيوم. في بعض التطبيقات، قد يوفر النظام الهجين الذي يجمع بين الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وتخزين البطاريات، ومولد الديزل، حلاً أكثر عملية من استبدال المولد بالكامل.

1. التكلفة الحقيقية لتوليد الطاقة بالديزل: الوقود ليس سوى جزء من المعادلة

إن أكثر النفقات وضوحاً لتوليد الطاقة بالديزل هي تكلفة الوقود. ومع ذلك، فإن استهلاك الوقود ليس سوى جزء واحد من التكلفة الإجمالية.

ينبغي أن يأخذ التقييم الواقعي في الاعتبار عدة عناصر للتكلفة:

• استهلاك الوقود: تعتمد كمية الديزل المستهلكة على حجم المولد، وحمل التشغيل الفعلي، والكفاءة، وساعات التشغيل.
• سعر الوقود والنقل: في المناطق النائية، قد تكون تكلفة توصيل الديزل أعلى من سعر المضخة المحلية المعلن عنه.
• الصيانة: تشمل تكاليف التشغيل الزيت والفلاتر والصيانة والإصلاحات.
• استهلاك المعدات واستبدالها: تتمتع المولدات بعمر خدمة محدود، ويمثل استبدالها نفقات رأسمالية إضافية.
• ظروف التشغيل: يمكن أن تخلق الضوضاء وانبعاثات العادم ومتطلبات التهوية وتخزين الوقود اعتبارات عملية إضافية.

لإجراء مقارنة ذات مغزى، ينبغي حساب تكلفة توليد الطاقة بالديزل باستخدام استهلاك الوقود الفعلي في ظل حمل التشغيل المتوقع بدلاً من الحد الأقصى المقدر لإنتاج المولد.

تتمثل عملية حساب تكلفة الوقود الأساسية فيما يلي:

تكلفة وقود الديزل لكل كيلوواط ساعة = استهلاك الديزل لكل كيلوواط ساعة × سعر الديزل المُسلّم لكل لتر

على سبيل المثال، إذا استهلك مولد كهربائي 0.30 لتر من الديزل لإنتاج كيلوواط ساعة واحد من الكهرباء وكان سعر الديزل المُسلّم 1.20 دولار أمريكي للتر الواحد، فإن تكلفة الوقود وحدها تبلغ 0.36 دولار أمريكي لكل كيلوواط ساعة.

هذا حساب توضيحي، وليس معيارًا شاملاً للسوق. يختلف الاستهلاك الفعلي وأسعار الوقود باختلاف المولد ونمط الحمل والموقع. يجب إضافة تكاليف الصيانة والاستهلاك وتكاليف التشغيل الأخرى لتقدير التكلفة الكاملة للكهرباء المولدة بالديزل.

2. كيف يمكن لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية وأنظمة تخزين البطاريات المتكاملة أن تقلل من توليد الطاقة بالديزل

يجمع نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتخزين البطاريات المتكامل بين ثلاثة عناصر أساسية:

• الألواح الكهروضوئية الشمسية: تولد الكهرباء من ضوء الشمس.
• معدات العاكس: تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية وإدارة تدفق الطاقة بين مصفوفة الخلايا الكهروضوئية والبطارية والشبكة والأحمال، وذلك حسب تكوين النظام.
• بطارية الليثيوم: تخزن الطاقة الكهربائية لاستخدامها عندما يكون توليد الطاقة الشمسية غير كافٍ أو غير متوفر.

تعمل المكونات الثلاثة معًا. تولد الألواح الشمسية تيارًا كهربائيًا مستمرًا، ويتولى العاكس إدارة تحويل الطاقة وتشغيل النظام، بينما تخزن البطارية الطاقة الفائضة لاستخدامها لاحقًا. كما يزود العاكس الأحمال المتوافقة بالتيار المتردد بالكهرباء المحولة.

يعتمد تصميم النظام الدقيق على ما إذا كان التثبيت مقترنًا بالتيار المستمر أو مقترنًا بالتيار المتردد.

أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطاريات المقترنة بالتيار المستمر

في التكوين النموذجي للتيار المستمر، تتصل مجموعة الخلايا الكهروضوئية الشمسية والبطارية بمحول هجين متوافق.

ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية ↔ محول هجين متوافق ↔ بطارية ليثيوم

محول هجين → أحمال التيار المتردد

يتولى العاكس الهجين إدارة مدخلات الطاقة الشمسية، وشحن وتفريغ البطارية، وتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد للأحمال المتوافقة. وبحسب نوع الجهاز، قد يدعم أيضاً التوصيل بشبكة الكهرباء أو مولد ديزل.

تستخدم بعض التكوينات وحدة تحكم منفصلة لشحن الطاقة الشمسية بدلاً من دمج وظيفة شحن الخلايا الكهروضوئية في العاكس. وتعتمد المعدات المطلوبة على تصميم النظام.

أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطاريات المقترنة بالتيار المتردد

تُعد التكوينات المقترنة بالتيار المتردد شائعة أيضاً، لا سيما عند إضافة تخزين البطاريات إلى تركيبات الطاقة الشمسية الحالية.

في هذا الترتيب:

ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية ← محول الطاقة الكهروضوئية ← نظام توزيع التيار المتردد

بطارية الليثيوم ↔ محول البطارية ↔ نظام توزيع التيار المتردد

يقوم محول الطاقة الكهروضوئية بتحويل الكهرباء المولدة من الألواح الشمسية إلى طاقة تيار متردد. ويتولى محول بطارية متوافق منفصل إدارة شحن وتفريغ البطارية عبر جانب التيار المتردد من النظام.

يعتمد التصميم المعماري المناسب على المعدات الموجودة ومتطلبات المشروع وتصميم النظام. ولا ينبغي افتراض أن أيًا من التكوينين سيعمل مع كل طراز من البطاريات أو العاكسات.

تطبيقات يمكن فيها لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطاريات المتكاملة أن تقلل من استخدام المولدات

1. الطاقة الاحتياطية أثناء انقطاع التيار الكهربائي

في المناطق ذات الشبكة الكهربائية الضعيفة، يمكن لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطاريات المُهيأ بشكل صحيح أن يوفر الكهرباء عند انقطاع التيار الكهربائي الرئيسي. توفر البطارية الطاقة المخزنة، بينما يدير العاكس توصيل الطاقة إلى الأحمال الاحتياطية المتوافقة.

يمكن أن يقلل هذا من الحاجة إلى تشغيل مولد الديزل أثناء كل انقطاع، شريطة أن يكون النظام مهيأ بشكل صحيح للتشغيل الاحتياطي وأن يكون حجمه مناسبًا للأحمال والمدة المطلوبة.

2. الكهرباء في المساء والليل

تُنتج الألواح الشمسية الكهرباء خلال ساعات النهار. ويقوم محول كهربائي متوافق بإدارة تدفق الطاقة، مما يسمح بشحن البطارية بفائض الطاقة الشمسية المُنتجة. ويمكن بعد ذلك تفريغ الكهرباء المُخزنة بعد غروب الشمس، مما يقلل الحاجة إلى تشغيل مولد كهربائي خلال فترات الطلب المسائية.

3. الأحمال النهارية المدعومة بتوليد الطاقة الشمسية

عندما يكون إنتاج الطاقة الشمسية كافياً، يمكن للمحول توجيه الكهرباء المولدة من الألواح الكهروضوئية إلى الأحمال المتصلة مع إدارة شحن البطاريات. وهذا بدوره يقلل ساعات تشغيل المولد، وذلك تبعاً للظروف الجوية وسعة النظام ونمط استهلاك الطاقة في الموقع.

4. تطبيقات خارج الشبكة

في الأنظمة غير المتصلة بالشبكة، يمكن لألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية ومعدات العاكس وتخزين بطاريات الليثيوم أن تعمل معًا لتوفير جزء كبير من الطلب على الكهرباء.

ومع ذلك، قد يظل مولد الديزل ضروريًا خلال فترات انخفاض إنتاج الطاقة الشمسية، أو ارتفاع الطلب بشكل غير عادي، أو سوء الأحوال الجوية لفترات طويلة.

لا يكمن الاعتبار الأساسي في قدرة البطارية على استبدال جميع وظائف المولد، بل في قدرة نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطاريات المتكامل على تغطية الأحمال وفترات التشغيل التي تعتمد حاليًا على الديزل بشكل موثوق.

3. أنظمة الديزل الهجينة، والطاقة الشمسية الكهروضوئية، والبطاريات: استراتيجية انتقال عملية

بالنسبة للعديد من المواقع، يعتبر التكوين الهجين الذي يجمع بين الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتخزين البطاريات ومولد الديزل أكثر عملية من إزالة المولد تمامًا.

قد تتضمن الأنظمة النموذجية ما يلي:

• ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية
• محول هجين متوافق، أو نظام محول طاقة شمسية وبطارية مُهيأ بشكل مناسب
• تخزين بطاريات الليثيوم
• مولد ديزل
• معدات التبديل والحماية والتحكم المطلوبة

تعتمد استراتيجية التشغيل على تكوين النظام ووظائف التحكم التي يدعمها الجهاز. ويتمثل النهج الشائع في إعطاء الأولوية لتوليد الطاقة الشمسية المتاحة، واستخدامها لتزويد الأحمال وشحن البطارية بالطاقة الفائضة، ثم تفريغ البطارية عندما يكون إنتاج الطاقة الشمسية غير كافٍ.

يمكن أن يظل مولد الديزل متاحًا كمصدر طاقة إضافي في حالات مثل:

• فترات طويلة من انخفاض توليد الطاقة الشمسية
• انخفاض حالة شحن البطارية عن الحد الأدنى المحدد
• الأحمال التي تتجاوز قدرة خرج العاكس أو البطارية المتاحة
• متطلبات النسخ الاحتياطي التي تتجاوز سعة الطاقة القابلة للاستخدام للبطارية

تدعم بعض محولات التيار الهجينة وظائف إدخال المولد وبدء تشغيله تلقائيًا. مع ذلك، فإن بدء التشغيل التلقائي ليس ميزة عامة، إذ يتطلب وظائف تحكم متوافقة مع محول التيار، وواجهات مناسبة للمولد أو معدات تحكم خارجية، وتكوينًا صحيحًا للنظام.

وبالمثل، فإن شحن البطارية من مولد كهربائي لا يكون ممكناً إلا عندما يدعم العاكس أو معدات الشحن وظيفة الشحن بالتيار المتردد المطلوبة ويتم تكوين التوصيل الكهربائي بشكل صحيح.

يمكن لنظام هجين مصمم بشكل صحيح أن يقلل من استهلاك الديزل وساعات تشغيل المولد، مع الحفاظ على مصدر احتياطي للفترات التي لا يكفي فيها توليد الطاقة الشمسية وسعة البطارية. ويعتمد مقدار التخفيض الفعلي على توليد الطاقة الكهروضوئية، وسعة البطارية، والطلب على الطاقة، وكفاءة المولد، واستراتيجية التحكم في النظام.

4. كيفية مقارنة تكلفة الكيلوواط/ساعة: إطار عمل عملي

لإجراء مقارنة اقتصادية موثوقة، ينبغي تقييم كلا النظامين خلال نفس فترة التشغيل وفي مقابل نفس الطلب على الكهرباء.

الخطوة الأولى: حساب تكلفة الكهرباء المولدة بالديزل

ابدأ ببيانات المولد الفعلية:

• سعر الديزل المُسلّم للتر الواحد
• استهلاك الوقود عند الحمل التشغيلي المتوقع
• ساعات تشغيل المولد السنوية
• الكهرباء المولدة خلال تلك الساعات
• تكاليف الصيانة والإصلاح
• تكلفة شراء المولد الكهربائي والعمر التشغيلي المتوقع

يمكن حساب تكلفة الوقود لكل كيلوواط ساعة على النحو التالي:

تكلفة الوقود لكل كيلوواط ساعة = (الكمية المستهلكة باللتر × سعر لتر الديزل) ÷ كمية الكهرباء المولدة بالكيلوواط ساعة

لإجراء مقارنة أشمل لدورة حياة المنتج، أضف تكاليف الصيانة واستهلاك المعدات وتكاليف الاستبدال.

الخطوة الثانية: حساب تكلفة دورة حياة نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطاريات بالكامل

لا ينبغي أن تعتمد تكلفة نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتخزين البطاريات على سعر البطارية فقط، بل يجب أن تشمل ما يلي:

• وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية وهياكل التثبيت
• محول هجين، أو محول طاقة شمسية ومحول بطارية عند الاقتضاء
• بطارية الليثيوم
• وحدة تحكم شحن الطاقة الشمسية، إذا تطلبت بنية النظام ذلك.
• معدات الحماية والتوزيع الكهربائي
• التركيب وتكامل النظام
• الصيانة والمراقبة
• استبدال البطارية أو العاكس عند الاقتضاء

ينبغي بعد ذلك تقييم التكلفة الإجمالية مقابل كمية الكهرباء التي تم توصيلها فعلياً إلى الأحمال على مدار عمر تشغيل النظام.

تؤثر خسائر التحويل، وكفاءة العاكس، وكفاءة شحن وتفريغ البطارية، وتدهور البطارية، ووقت تعطل النظام، جميعها على كمية الكهرباء القابلة للاستخدام التي يتم توصيلها.

الحساب المبسط هو:

تكلفة دورة الحياة لكل كيلوواط ساعة مُوَصَّل = إجمالي تكلفة دورة حياة النظام ÷ إجمالي الكهرباء المُوَصَّلة للأحمال خلال فترة التقييم

ينبغي أن تكون فترة التقييم، والطلب على الكهرباء، وافتراضات التشغيل متسقة عند مقارنة نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطاريات مع توليد الطاقة بالديزل.

الخطوة 3: تقدير فترة الاسترداد

في حين أن نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطاريات الكامل يتطلب استثمارًا أوليًا أعلى ولكنه يقلل من نفقات الوقود والصيانة المستمرة، فإن تقديرًا بسيطًا لفترة الاسترداد يمكن أن يساعد في تقييم الاستثمار.

فترة الاسترداد البسيطة = الاستثمار الأولي الإضافي ÷ وفورات صافي تكاليف التشغيل السنوية

هذا مؤشر مالي مبسط. وقد يشمل تقييم الاستثمار الأكثر شمولاً أيضاً تكاليف التمويل، واستبدال المعدات، وتغيرات أسعار الوقود، وتدهور النظام، والقيمة الزمنية للنقود.

الخطوة الرابعة: جمع المعلومات الصحيحة قبل تقديم التوصية

قبل اقتراح أي نظام، احصل على المعلومات التالية:

هذه المعلومات تجعل المقارنة أكثر صلة بالموقع الفعلي وتقلل من مخاطر التوصية بنظام بناءً على افتراضات.

5. الأسئلة الشائعة

هل يمكن لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطاريات أن يحل محل مولد الديزل بشكل كامل؟

في بعض التطبيقات، نعم. ومع ذلك، يعتمد ذلك على احتياجات الموقع من الطاقة، وموارد الطاقة الشمسية، ومدة النسخ الاحتياطي المطلوبة، وسعة الألواح الكهروضوئية، ومخرج العاكس، وسعة تخزين البطاريات. بالنسبة للمواقع ذات الأحمال العالية أو فترات طويلة من ضعف توليد الطاقة الشمسية، قد يكون الاحتفاظ بمولد كهربائي كنسخة احتياطية أكثر جدوى.

هل نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطاريات المتكامل أرخص دائماً من توليد الطاقة بالديزل؟

لا. يعتمد الجدوى الاقتصادية على الاستثمار الأولي للنظام، وأسعار الوقود المحلية، وكفاءة المولد، وساعات التشغيل، وظروف الطاقة الشمسية، وعمر المعدات، وتكاليف الصيانة. وتُعدّ مقارنة تكلفة دورة الحياة أكثر جدوى من مقارنة سعر شراء البطارية بسعر المولد.

هل يمكن استخدام بطارية الليثيوم مع مولد ديزل موجود؟

من الممكن ذلك، ولكن لا يمكنك ببساطة توصيل البطارية بأي مولد كهربائي. يحتاج النظام إلى عاكس مناسب أو جهاز شحن، بالإضافة إلى تهيئة كهربائية ملائمة. يجب أن يدعم الجهاز المختار وظائف إدخال المولد وشحن البطارية والتحكم بها.

ما مقدار الديزل الذي يمكن أن يوفره النظام الهجين؟

لا توجد نسبة توفير واحدة تنطبق على جميع المشاريع. تعتمد النتائج على توليد الطاقة الشمسية، وتكوين العاكس، وسعة البطارية، ونمط الحمل، وكفاءة المولد، واستراتيجية التشغيل، والظروف الجوية المحلية. لذا، يلزم إجراء تقييم خاص بالموقع للطاقة لتقدير وفورات الوقود المحتملة.

كيف ينبغي اختيار سعة البطارية؟

تختلف سعة طاقة البطارية، المقاسة بالكيلوواط/ساعة، عن قدرة خرجها، المقاسة بالكيلوواط. يجب أن تُحدد سعة البطارية بناءً على الطاقة المطلوبة خلال فترة النسخ الاحتياطي المُرادة، بينما يجب أن تكون قدرة تفريغ البطارية المسموح بها وقدرة خرج العاكس كافية للأحمال المتصلة. كما يجب مراعاة السعة القابلة للاستخدام وحدود التشغيل وكفاءة النظام.

هل جميع بطاريات الليثيوم متوافقة مع جميع محولات التيار الهجينة؟

لا. يجب التحقق من التوافق مع طرازات البطارية والعاكس المحددة. تشمل العوامل الرئيسية نطاق جهد تشغيل البطارية، وأقصى تيار للشحن والتفريغ، وبروتوكول اتصال نظام إدارة البطارية، وأسلاك الاتصال وإعداداتها، وأي متطلبات خاصة بالطراز.

لا يكفي تطابق الجهد الاسمي أو واجهة الاتصال لضمان التوافق. استخدم مجموعات النماذج المعتمدة والوثائق الفنية الخاصة بالشركات المصنعة قبل التثبيت.

الخلاصة: قيّم نظام الطاقة بالكامل، وليس سعر المعدات فقط.

تُتيح التغيرات الاقتصادية في توليد الطاقة بالديزل فرصًا لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية وأنظمة تخزين بطاريات الليثيوم المتكاملة في الأسواق ذات الشبكات الضعيفة والأسواق المنفصلة عن الشبكة. ومع ذلك، فإن الحل الأمثل ليس بالضرورة إزالة جميع المولدات. ففي كثير من الحالات، يُعد تقليل ساعات تشغيل المولدات من خلال توليد الطاقة الشمسية، وإدارة الطاقة باستخدام العاكسات، وتخزين البطاريات، نهجًا أكثر عمليةً وجدوىً من الناحية المالية.

بالنسبة للشركات التي تُقيّم هذه الأنظمة، فإن أهم خطوة هي مقارنة تكلفة الكهرباء المُوَصَّلة على مدار فترة زمنية. وينبغي أن تُؤخذ في الاعتبار عوامل مثل استهلاك الوقود الفعلي، وأسعار الديزل المحلية، والطلب على الطاقة، وظروف الطاقة الشمسية، وحجم العاكس والبطارية، وتكاليف دورة الحياة.

تُقدّم LEMAX حلولاً لتخزين الطاقة المنزلية باستخدام بطاريات LiFePO4 بسعات متعددة. بالنسبة للمشاريع التي تُفكّر في استخدام تخزين الطاقة كجزء من نظام طاقة شمسية أو هجين، يتطلب اختيار البطارية المناسبة مراجعة جهد النظام، ومتطلبات الشحن والتفريغ، وتوافق نظام إدارة البطارية (BMS)، وتوافق العاكس. يجب التأكد من التوافق مع طرازات البطاريات والعاكس المحددة، بدلاً من افتراض التوافق بين العلامات التجارية أو نطاقات المنتجات.

اتصل بشركة LEMAX لمناقشة متطلبات البطاريات الخاصة بك وتحديد خيار تخزين الطاقة المناسب لسوقك.