فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی برای شارژ خودروهای برقی: یک بررسی فنی جامع
با فراگیر شدن خودروهای برقی (EV)، تقاضا برای زیرساخت‌های شارژ سریع، قابل اعتماد و پایدار به شدت افزایش یافته است.سیستم‌های ذخیره انرژی (ESS)به عنوان یک فناوری حیاتی برای پشتیبانی از شارژ خودروهای برقی در حال ظهور هستند و چالش‌هایی مانند فشار شبکه، تقاضای بالای برق و ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر را برطرف می‌کنند. با ذخیره انرژی و تحویل کارآمد آن به ایستگاه‌های شارژ، ESS عملکرد شارژ را بهبود می‌بخشد، هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و از یک شبکه سبزتر پشتیبانی می‌کند. این مقاله به جزئیات فنی فناوری‌های ذخیره انرژی برای شارژ خودروهای برقی می‌پردازد و انواع، مکانیسم‌ها، مزایا، چالش‌ها و روندهای آینده آنها را بررسی می‌کند.
ذخیره انرژی برای شارژ خودروهای برقی چیست؟
سیستم‌های ذخیره انرژی برای شارژ خودروهای برقی، فناوری‌هایی هستند که انرژی الکتریکی را ذخیره کرده و آن را به ایستگاه‌های شارژ، به‌ویژه در زمان اوج تقاضا یا زمانی که عرضه شبکه محدود است، آزاد می‌کنند. این سیستم‌ها به عنوان یک بافر بین شبکه و شارژرها عمل می‌کنند و امکان شارژ سریع‌تر، تثبیت شبکه و ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی را فراهم می‌کنند. ESS را می‌توان در ایستگاه‌های شارژ، انبارها یا حتی درون خودروها مستقر کرد و انعطاف‌پذیری و کارایی را ارائه داد.
اهداف اصلی ESS در شارژ خودروهای برقی عبارتند از:
● پایداری شبکه:کاهش استرس بار در ساعات اوج مصرف و جلوگیری از خاموشی.
● پشتیبانی از شارژ سریع:ارائه قدرت بالا برای شارژرهای فوق سریع بدون نیاز به ارتقاء پرهزینه شبکه.
● بهره‌وری هزینه:از برق کم‌هزینه (مثلاً خارج از ساعات اوج مصرف یا تجدیدپذیر) برای شارژ استفاده کنید.
● پایداری:استفاده از انرژی پاک را به حداکثر رسانده و انتشار کربن را کاهش دهیم.
فناوری‌های اصلی ذخیره‌سازی انرژی برای شارژ خودروهای برقی
چندین فناوری ذخیره‌سازی انرژی برای شارژ خودروهای برقی استفاده می‌شود که هر کدام ویژگی‌های منحصر به فردی دارند و برای کاربردهای خاص مناسب هستند. در زیر نگاهی دقیق به برجسته‌ترین گزینه‌ها می‌اندازیم:
۱. باتری‌های لیتیوم-یون
● نمای کلی:باتری‌های لیتیوم-یون (Li-ion) به دلیل چگالی انرژی بالا، راندمان و مقیاس‌پذیری، در میان باتری‌های ذخیره انرژی پایدار (ESS) برای شارژ خودروهای برقی حرف اول را می‌زنند. آنها انرژی را به شکل شیمیایی ذخیره کرده و از طریق واکنش‌های الکتروشیمیایی آن را به صورت الکتریسیته آزاد می‌کنند.
● مشخصات فنی:
● شیمی: انواع رایج شامل فسفات آهن لیتیوم (LFP) برای ایمنی و طول عمر و کبالت منگنز نیکل (NMC) برای چگالی انرژی بالاتر است.
● چگالی انرژی: ۱۵۰-۲۵۰ وات ساعت بر کیلوگرم، که امکان استفاده از سیستم‌های فشرده برای ایستگاه‌های شارژ را فراهم می‌کند.
● عمر چرخه: ۲۰۰۰ تا ۵۰۰۰ چرخه (LFP) یا ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ چرخه (NMC)، بسته به نوع استفاده.
● راندمان: ۸۵-۹۵٪ راندمان رفت و برگشت (انرژی حفظ شده پس از شارژ/دشارژ).
● کاربردها:
● تامین انرژی شارژرهای سریع DC (100-350 کیلووات) در زمان اوج مصرف.
● ذخیره انرژی تجدیدپذیر (مثلاً خورشیدی) برای شارژ خارج از شبکه یا در طول شب.
● پشتیبانی از شارژ ناوگان برای اتوبوس‌ها و وسایل نقلیه تحویل کالا.
● مثال‌ها:
● مگاپک تسلا، یک باتری لیتیوم-یونی بزرگ، در ایستگاه‌های سوپرشارژر مستقر شده است تا انرژی خورشیدی را ذخیره کرده و وابستگی به شبکه برق را کاهش دهد.
● شارژر Boost شرکت FreeWire باتری‌های لیتیوم-یونی را در خود جای داده تا بدون نیاز به ارتقاء عمده شبکه، شارژ ۲۰۰ کیلوواتی را ارائه دهد.
باتری‌های جریانی
● مرور کلی: باتری‌های جریانی انرژی را در الکترولیت‌های مایع ذخیره می‌کنند که از طریق سلول‌های الکتروشیمیایی برای تولید برق پمپ می‌شوند. آنها به خاطر طول عمر بالا و مقیاس‌پذیری‌شان شناخته شده‌اند.
● مشخصات فنی:
● انواع:باتری‌های جریان ردوکس وانادیوم (VRFB)رایج‌ترین آنها هستند و روی-برم به عنوان جایگزین آنها مطرح است.
● چگالی انرژی: کمتر از لیتیوم-یون (20-70 وات ساعت بر کیلوگرم)، که به فضای بیشتری نیاز دارد.
● عمر چرخهای: ۱۰،۰۰۰ تا ۲۰،۰۰۰ چرخه، ایده‌آل برای چرخه‌های مکرر شارژ-دشارژ.
● راندمان: ۶۵-۸۵٪، به دلیل تلفات پمپاژ، کمی کمتر است.
● کاربردها:
● مراکز شارژ در مقیاس بزرگ با توان عملیاتی روزانه بالا (مثلاً ایستگاه‌های کامیون).
● ذخیره انرژی برای متعادل‌سازی شبکه و ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر
● مثال‌ها:
● شرکت Invinity Energy Systems از VRFBها برای هاب‌های شارژ خودروهای برقی در اروپا استفاده می‌کند و از تحویل برق مداوم برای شارژرهای فوق سریع پشتیبانی می‌کند.
۳. ابرخازن‌ها
● مرور کلی: ابرخازن‌ها انرژی را به صورت الکترواستاتیکی ذخیره می‌کنند و قابلیت‌های شارژ-دشارژ سریع و دوام استثنایی اما چگالی انرژی پایین‌تری را ارائه می‌دهند.
● مشخصات فنی:
● چگالی انرژی: ۵-۲۰ وات ساعت بر کیلوگرم، بسیار کمتر از باتری‌ها. ۵-۲۰ وات ساعت بر کیلوگرم.
● چگالی توان: ۱۰-۱۰۰ کیلووات بر کیلوگرم، که امکان شارژ سریع با قدرت بالا را فراهم می‌کند.
● عمر چرخه: بیش از ۱۰۰۰۰۰ چرخه، ایده‌آل برای استفاده مکرر و کوتاه‌مدت.
● راندمان: ۹۵-۹۸٪، با حداقل اتلاف انرژی.
● کاربردها:
● تأمین برق کوتاه مدت برای شارژرهای فوق سریع (مثلاً ۳۵۰ کیلووات به بالا).
● هموارسازی تحویل توان در سیستم‌های هیبریدی با باتری
● مثال‌ها:
● ابرخازن‌های شرکت Skeleton Technologies در سیستم‌های ذخیره انرژی هیبریدی (ESS) برای پشتیبانی از شارژ پرقدرت خودروهای برقی در ایستگاه‌های شهری استفاده می‌شوند.
۴. چرخ طیارها
● مرور کلی:
●چرخ طیارها با چرخاندن روتور با سرعت بالا، انرژی را به صورت جنبشی ذخیره می‌کنند و آن را از طریق یک ژنراتور به برق تبدیل می‌کنند.
● مشخصات فنی:
● چگالی انرژی: 20-100 وات ساعت بر کیلوگرم، در مقایسه با لیتیوم-یون متوسط.
● چگالی توان: بالا، مناسب برای انتقال سریع توان.
● عمر چرخهای: بیش از ۱۰۰۰۰۰ چرخه، با حداقل تخریب.
● راندمان: ۸۵-۹۵٪، هرچند به دلیل اصطکاک، تلفات انرژی به مرور زمان رخ می‌دهد.
● کاربردها:
● پشتیبانی از شارژرهای سریع در مناطقی با زیرساخت شبکه ضعیف.
● تامین برق پشتیبان در زمان قطعی شبکه
● مثال‌ها:
● سیستم‌های چرخ طیار شرکت بیکن پاور (Beacon Power) به صورت آزمایشی در ایستگاه‌های شارژ خودروهای برقی به کار گرفته می‌شوند تا تحویل برق را تثبیت کنند.
۵. باتری‌های خودروهای برقی دست دوم
● مرور کلی:
●باتری‌های از رده خارج شده خودروهای برقی، با ۷۰ تا ۸۰ درصد ظرفیت اولیه، برای سیستم‌های ذخیره انرژی ثابت (ESS) مورد استفاده مجدد قرار می‌گیرند که یک راه‌حل مقرون‌به‌صرفه و پایدار ارائه می‌دهد.
● مشخصات فنی:
●شیمی: معمولاً NMC یا LFP، بسته به EV اصلی.
●عمر چرخهای: ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ چرخه اضافی در کاربردهای ثابت.
●راندمان: ۸۰-۹۰٪، کمی کمتر از باتری‌های نو.
● کاربردها:
●ایستگاه‌های شارژ مقرون‌به‌صرفه در مناطق روستایی یا در حال توسعه.
●پشتیبانی از ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر برای شارژ خارج از ساعات اوج مصرف.
● مثال‌ها:
●نیسان و رنو باتری‌های لیف را برای ایستگاه‌های شارژ در اروپا به کار می‌گیرند و بدین ترتیب ضایعات و هزینه‌ها را کاهش می‌دهند.
چگونه ذخیره‌سازی انرژی از شارژ خودروهای برقی پشتیبانی می‌کند: مکانیسم‌ها
ESS از طریق چندین مکانیسم با زیرساخت شارژ خودروهای برقی ادغام می‌شود:
●اوج اصلاح:
●ESS انرژی را در ساعات غیر اوج مصرف (زمانی که برق ارزان‌تر است) ذخیره می‌کند و در ساعات اوج مصرف آن را آزاد می‌کند و فشار بر شبکه و هزینه‌های تقاضا را کاهش می‌دهد.
●مثال: یک باتری لیتیوم-یونی ۱ مگاوات ساعت می‌تواند یک شارژر ۳۵۰ کیلوواتی را در ساعات اوج مصرف، بدون نیاز به برق شبکه، تغذیه کند.
●بافرینگ قدرت:
●شارژرهای پرقدرت (مثلاً ۳۵۰ کیلووات) به ظرفیت شبکه قابل توجهی نیاز دارند. ESS برق فوری را فراهم می‌کند و از ارتقاء پرهزینه شبکه جلوگیری می‌کند.
●مثال: ابرخازن‌ها می‌توانند برای جلسات شارژ فوق‌العاده سریع ۱-۲ دقیقه‌ای، انرژی زیادی را ارائه دهند.
●ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر:
●ESS انرژی را از منابع متناوب (خورشیدی، بادی) برای شارژ مداوم ذخیره می‌کند و وابستگی به شبکه‌های مبتنی بر سوخت فسیلی را کاهش می‌دهد.
●مثال: سوپرشارژرهای خورشیدی تسلا از مگاپک‌ها برای ذخیره انرژی خورشیدی در طول روز برای استفاده در شب استفاده می‌کنند.
●خدمات شبکه:
●ESS از ارتباط خودرو با شبکه (V2G) و پاسخگویی به تقاضا پشتیبانی می‌کند و به شارژرها اجازه می‌دهد در مواقع کمبود، انرژی ذخیره شده را به شبکه بازگردانند.
●مثال: باتری‌های جریانی در هاب‌های شارژ در تنظیم فرکانس مشارکت می‌کنند و برای اپراتورها درآمد کسب می‌کنند.
●شارژ موبایل:
●واحدهای ESS قابل حمل (مثلاً تریلرهای باتری‌دار) شارژ را در مناطق دورافتاده یا در مواقع اضطراری ارائه می‌دهند.
●مثال: شارژر Mobi شرکت FreeWire از باتری‌های لیتیوم-یون برای شارژ خودروهای برقی خارج از شبکه برق استفاده می‌کند.
مزایای ذخیره انرژی برای شارژ خودروهای برقی
●ESS توان بالایی (۳۵۰ کیلووات+) را برای شارژرها فراهم می‌کند و زمان شارژ را به ۱۰ تا ۲۰ دقیقه برای برد ۲۰۰ تا ۳۰۰ کیلومتر کاهش می‌دهد.
●با کاهش بارهای اوج و استفاده از برق خارج از ساعات اوج، ESS هزینه‌های تقاضا و هزینه‌های ارتقاء زیرساخت را کاهش می‌دهد.
●ادغام با انرژی‌های تجدیدپذیر، ردپای کربن ناشی از شارژ خودروهای برقی را کاهش می‌دهد و با اهداف انتشار صفر خالص همسو می‌شود.
●ESS در هنگام قطعی برق، برق پشتیبان را فراهم می‌کند و ولتاژ را برای شارژ مداوم تثبیت می‌کند.
● مقیاس‌پذیری:
●طرح‌های ماژولار ESS (مثلاً باتری‌های لیتیوم-یونی کانتینری) امکان گسترش آسان را با افزایش تقاضای شارژ فراهم می‌کنند.
چالش‌های ذخیره‌سازی انرژی برای شارژ خودروهای برقی
● هزینه‌های اولیه بالا:
●سیستم‌های لیتیوم-یونی ۳۰۰ تا ۵۰۰ دلار به ازای هر کیلووات ساعت هزینه دارند و ESS در مقیاس بزرگ برای شارژرهای سریع می‌تواند بیش از ۱ میلیون دلار در هر سایت هزینه داشته باشد.
●باتری‌های جریانی و چرخهای طیار به دلیل طراحی‌های پیچیده، هزینه‌های اولیه بالاتری دارند.
● محدودیت‌های فضایی:
●فناوری‌های با چگالی انرژی پایین مانند باتری‌های جریانی به فضای زیادی نیاز دارند که برای ایستگاه‌های شارژ شهری چالش‌برانگیز است.
● طول عمر و تخریب:
●باتری‌های لیتیوم-یونی به مرور زمان، به خصوص تحت چرخه‌های مکرر با توان بالا، دچار افت کیفیت می‌شوند و هر ۵ تا ۱۰ سال نیاز به تعویض دارند.
●باتری‌های دست دوم طول عمر کوتاه‌تری دارند و قابلیت اطمینان بلندمدت آنها را محدود می‌کنند.
● موانع نظارتی:
●قوانین اتصال شبکه و مشوق‌های مربوط به ESS بر اساس منطقه متفاوت است و استقرار آن را پیچیده می‌کند.
●سرویس‌های V2G و شبکه در بسیاری از بازارها با موانع نظارتی روبرو هستند.
● ریسک‌های زنجیره تأمین:
●کمبود لیتیوم، کبالت و وانادیوم می‌تواند هزینه‌ها را افزایش داده و تولید سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی را به تأخیر بیندازد.
وضعیت فعلی و مثال‌های دنیای واقعی
۱. پذیرش جهانی
●اروپا:آلمان و هلند در زمینه شارژ یکپارچه با ESS پیشرو هستند، و پروژه‌هایی مانند ایستگاه‌های خورشیدی Fastned با استفاده از باتری‌های لیتیوم-یونی در آنها اجرا می‌شود.
●آمریکای شمالیتسلا و Electrify America برای مدیریت بارهای اوج، باتری‌های لیتیوم-یونی ذخیره انرژی را در سایت‌های شارژ سریع DC با ترافیک بالا مستقر می‌کنند.
●چینBYD و CATL ESS مبتنی بر LFP را برای هاب‌های شارژ شهری تأمین می‌کنند و از ناوگان عظیم خودروهای برقی کشور پشتیبانی می‌کنند.
۲. پیاده‌سازی‌های قابل توجه
۲. پیاده‌سازی‌های قابل توجه
● سوپرشارژرهای تسلا:ایستگاه‌های خورشیدی-پلاس-مگاپک تسلا در کالیفرنیا ۱ تا ۲ مگاوات ساعت انرژی ذخیره می‌کنند و بیش از ۲۰ شارژر سریع را به طور پایدار تغذیه می‌کنند.
● شارژر تقویت‌شده‌ی FreeWire:یک شارژر سیار ۲۰۰ کیلوواتی با باتری‌های لیتیوم-یونی یکپارچه، که در فروشگاه‌های خرده‌فروشی مانند والمارت بدون نیاز به ارتقاء شبکه برق مستقر می‌شود.
● باتری‌های Invinity Flow:در هاب‌های شارژ بریتانیا برای ذخیره انرژی باد استفاده می‌شود و برق قابل اعتمادی را برای شارژرهای ۱۵۰ کیلوواتی فراهم می‌کند.
● سیستم‌های هیبریدی ABB:باتری‌های لیتیوم-یون و ابرخازن‌ها را برای شارژرهای ۳۵۰ کیلوواتی در نروژ ترکیب می‌کند و نیازهای انرژی و برق را متعادل می‌سازد.
روندهای آینده در ذخیره‌سازی انرژی برای شارژ خودروهای برقی
●باتری‌های نسل بعدی:
●باتری‌های حالت جامد: انتظار می‌رود تا سال‌های ۲۰۲۷-۲۰۳۰ عرضه شوند، چگالی انرژی دو برابر و شارژ سریع‌تری ارائه می‌دهند و اندازه و هزینه ESS را کاهش می‌دهند.
●باتری‌های سدیم-یون: ارزان‌تر و فراوان‌تر از لیتیوم-یون، ایده‌آل برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ساکن تا سال ۲۰۳۰.
●سیستم‌های هیبریدی:
●ترکیب باتری‌ها، ابرخازن‌ها و چرخ طیارها برای بهینه‌سازی تحویل انرژی و توان، مثلاً لیتیوم-یون برای ذخیره‌سازی و ابرخازن‌ها برای انفجارها.
●بهینه‌سازی مبتنی بر هوش مصنوعی:
●هوش مصنوعی تقاضای شارژ را پیش‌بینی می‌کند، چرخه‌های شارژ-دشارژ ESS را بهینه می‌کند و برای صرفه‌جویی در هزینه‌ها با قیمت‌گذاری پویای شبکه ادغام می‌شود.
●اقتصاد چرخشی:
●باتری‌های دست دوم و برنامه‌های بازیافت، هزینه‌ها و تأثیرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهند و شرکت‌هایی مانند ردوود متریالز در این زمینه پیشرو هستند.
●ESS غیرمتمرکز و موبایل:
●واحدهای ذخیره‌سازی انرژی قابل حمل و ذخیره‌سازی یکپارچه در خودرو (مثلاً خودروهای برقی مجهز به V2G) راهکارهای شارژ انعطاف‌پذیر و خارج از شبکه را امکان‌پذیر می‌کنند.
●سیاست‌ها و مشوق‌ها:
●دولت‌ها برای استقرار ESS یارانه ارائه می‌دهند (مثلاً توافق سبز اتحادیه اروپا، قانون کاهش تورم ایالات متحده) و این امر باعث تسریع در پذیرش آن می‌شود.
نتیجه‌گیری
زمان ارسال: ۲۵ آوریل ۲۰۲۵