حلول تخزين الطاقة بالبطاريات المصممة خصيصًا لأسطول شحن الشاحنات الكهربائية

إجابة سريعة

بالنسبة لمشغلي أساطيل الشاحنات الثقيلة الذين يقومون بتحويلها إلى شاحنات كهربائية، يُعد نظام تخزين طاقة البطاريات (BESS) عاملاً حاسماً في تحديد ما إذا كان المستودع يعمل وفق الجدول الزمني المحدد أم أنه يتعطل عند البوابة. يجمع حل BESS المُصمم خصيصاً بين حزمة بطاريات ثابتة (عادةً من 200 كيلوواط ساعة إلى أكثر من 2 ميغاواط ساعة) وشواحن تيار مستمر عالية الطاقة (من 120 كيلوواط إلى أكثر من 960 كيلوواط) لتمكين الموقع من توفير جلسات شحن بقدرة ميغاواط دون انتظار تحديث الشبكة. يساهم التكوين الأمثل - الذي يُحدد بناءً على دورة تشغيل الأسطول، وتجمعات الوصول، وإمكانية الاتصال بالشبكة - في خفض رسوم الطلب، ورفع كفاءة استخدام الشواحن، وحماية فترات الإرسال الضيقة. يشرح هذا الدليل كيفية قيام مشغلي الأساطيل ومهندسي المستودعات ومطوري المشاريع بتحديد حجم وتكوين ونشر مراكز شحن مدعومة بنظام BESS للشاحنات الكهربائية.

أهم النقاط

• يعتمد تحديد حجم أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات لأسطول الشاحنات على أنماط الوصول المتجمعة وأقصى فترات الشحن، وليس على متوسط ​​الطاقة اليومية.
• يصبح الشحن بالميغاواط (فئة MCS، 1 ميغاواط فأكثر) ممكناً على اتصال شبكة متواضع عندما يقوم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات بتخزين ذروة الطلب.
• تساهم تصاميم أنظمة تخزين الطاقة المتكاملة والمُعبأة في حاويات في خفض تكلفة التركيب ووقت التشغيل ومساحة الموقع.
• يؤدي تقليل ذروة الطلب والاستجابة للطلب إلى تحويل التخزين من مركز تكلفة إلى أداة للإيرادات والتعريفات الجمركية.
• يُعد التوافق بين OCPP 2.0.1 و ISO 15118 من المتطلبات الأساسية لإدارة الطاقة الآلية على نطاق الأسطول.

معضلة شحن أساطيل المركبات: لماذا تفشل سعة الشبكة أولاً؟

تحتاج شاحنة كهربائية من الفئة 8 مزودة ببطارية تتراوح سعتها بين 500 و700 كيلوواط/ساعة عادةً إلى ما بين 300 و500 كيلوواط/ساعة لكل دورة عمل للعودة إلى الخدمة. عند وصول خمس شاحنات في نهاية نوبة العمل، يحتاج المستودع فجأةً إلى ما بين 1.5 و2.5 ميغاواط/ساعة يتم توصيلها خلال فترة تتراوح بين أربع وست ساعات. لا يستطيع محول الموقع العادي - الذي تتراوح قدرته غالبًا بين 500 كيلو فولت أمبير و1 ميغا فولت أمبير - تحمل هذا الحمل، وتستغرق ترقيات توصيلات المرافق عادةً ما بين 12 و24 شهرًا وتكلف مئات الآلاف من الدولارات في العديد من الأسواق.

هذه هي المشكلة الأساسية في كهربة أساطيل المركبات: الطاقة متوفرة من الشبكة، لكن القدرة الكهربائية غير متوفرة. يعمل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) المصمم خصيصًا على فصل هذين المصدرين. تُشحن البطارية من الشبكة بمعدل ثابت ومسموح به (على سبيل المثال، 250 كيلوواط) على مدى عدة ساعات، ثم تُفرغ بمعدل 480 كيلوواط أو 960 كيلوواط أو أكثر عند وصول الشاحنات. يبقى الحد الأقصى للطلب على الشبكة في الموقع ثابتًا، بينما تتوسع قدرة الشحن وفقًا لاحتياجات الأسطول.

بالنسبة لمديري أساطيل المركبات، فإن النتيجة العملية بسيطة: يزيل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات السبب الأكثر شيوعًا لتأخير مشاريع شحن الشاحنات، ألا وهو انتظار موافقة شركة الكهرباء. يمكن لمحطة شحن تعمل بنظام تخزين الطاقة بالبطاريات بقدرة 960 كيلوواط (2 ميغاواط/ساعة) أن توفر طاقة تصل إلى مستوى الميغاواط من وصلة أصغر بكثير، مما يجعل تزويد المستودعات بالكهرباء مشروعًا إنشائيًا بدلًا من مشروع تابع لشركة الكهرباء.

تشريح نظام دعم الطاقة المصمم خصيصًا لأسطول الشاحنات

لا يقتصر مركز شحن أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) المصمم لأسطول المركبات على البطارية والشاحن فقط، بل يشمل الأنظمة الفرعية الرئيسية التالية:

1. وحدة تخزين طاقة البطارية— خلايا فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) مرتبة في رفوف، بأحجام تتراوح بين 100 و500 كيلوواط ساعة، مع إدارة حرارية ومراقبة على مستوى الخلية. 2.شواحن التيار المستمر السريعة— وحدات بقدرة 120 كيلوواط إلى 960 كيلوواط فأكثر، باستخدام موصلات CCS1 أو CCS2 أو MCS، وغالبًا ما تكون مزودة بكابلات مبردة بالسوائل مصنفة حتى 500 أمبير وما فوق لجلسات التيار العالي المستمرة. 3.نظام تحويل الطاقة ثنائي الاتجاه— يحول التيار المتردد من الشبكة إلى تيار مستمر للبطارية ويدعم تدفق الطاقة القادر على نقل الطاقة من المركبة إلى الشبكة (V2G) حيث تسمح اللوائح بذلك. 4.نظام إدارة الطاقة في الموقع (EMS)— يحدد مواعيد الشحن، ويفرض حدود الطلب، وينسق عمليات المراجحة، وتقليل ذروة الطلب، والاستجابة للطلب. 5.نظام المعلوماتية عن بعد وواجهة OCPP 2.0.1 الخلفية— يربط أجهزة الشحن ببرنامج إدارة مستودع الأسطول ومنصة السحابة الخاصة بالمشغل.

يُعدّ العنصر المُخصّص بالغ الأهمية، لأنّ لكلٍّ من موقف سيارات الأجرة ومركز التوزيع الإقليمي وعمليات نقل البضائع في الموانئ منحنيات تحميل مختلفة تمامًا. فقد يحتاج مُشغّل الميناء إلى فترات قصيرة ومكثّفة بين وصول السفن؛ بينما يحتاج مركز التوزيع إلى شحن مستمر طوال الليل؛ وقد يستفيد أسطول البناء من محطة شحن متنقلة تعمل بنظام تخزين الطاقة بالبطاريات بقدرة 240 كيلوواط وسعة 418 كيلوواط/ساعة، والتي يُمكن نقلها بين مواقع العمل.

تحديد حجم النظام: من دورة التشغيل إلى سعة البطارية

تبدأ عملية تحديد الحجم بالبيانات، وليس بقوائم الموردين. تتكون العملية من خمس خطوات:

1. جمع بيانات القياس عن بعد— سجل مسافات المسار، والطاقة لكل ميل، وأوقات انتهاء الورديات، وملفات تعريف طاقة الشاحن لطرازات الشاحنات الفعلية. 2.قم بإنشاء منحنى الوصول— حدد عدد الشاحنات التي تحتاج إلى الطاقة في كل ساعة من ساعات اليوم. التكتل هو عدو التحميل المتساوي. 3.حدد نافذة الإرسال— عدد الساعات التي يجب أن تصل فيها كل شاحنة إلى مستوى الشحن المستهدف (عادةً 80-100% للوردية الأولى). 4.توليد ذروة الطاقة— أقصى قدرة شحن متزامنة، والتي تحدد تصنيفات قدرة الشاحن ونظام تخزين الطاقة بالبطاريات. 5.حساب الطاقة المطلوبة— معدل استهلاك الطاقة اليومي، الذي يحدد سعة البطارية، بالإضافة إلى هامش تصميم بنسبة 15-20% للتدهور وتخفيض القدرة في الطقس البارد.

يوضح الجدول أدناه نتائج تحديد الحجم التمثيلية لثلاثة أنواع شائعة من أساطيل المركبات:

قاعدة عامة مفيدة: ينبغي أن يغطي نظام تخزين الطاقة بالبطاريات ما بين 30% و50% من الطاقة اليومية للمستودع، مع تزويد الشبكة بالباقي بمعدل ثابت. هذا التوازن يقلل من تكلفة إعادة شحن البطاريات مع تحقيق أقصى قدر من التوفير في رسوم الطلب.

البنى المعتمدة على الحاويات مقابل البنى المتكاملة

يمكن لمواقع الأسطول نشر أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات في شكلين أساسيين، ويؤثر الاختيار بشكل كبير على التركيب والتشغيل.

أعمدة شحن نظام تخزين الطاقة المتكاملةيجمع هذا النظام بين البطارية والشاحن ووحدات التحكم في وحدة واحدة. تُعد محطة شحن BESS بقدرة 120 كيلوواط وسعة 200 كيلوواط، المتوافقة مع معايير CCS وNACS وCHAdeMO، مثالًا جيدًا على هذه الفئة المدمجة سهلة التركيب والتشغيل. تناسب الوحدات المتكاملة المستودعات ذات المساحة المحدودة والمواقع المؤقتة، وتتميز بمرونة توصيل متعددة، وعادةً ما يتم تشغيلها في غضون أيام بدلًا من أشهر.

محطات تخزين الطاقة المحمولة في حاوياتيتم فصل وحدة البطاريات (التي تتراوح سعتها عادةً بين 500 كيلوواط ساعة و2 ميغاواط ساعة في حاوية أو خزانة) عن أجهزة الشحن. يهيمن هذا التصميم على المستودعات الكبيرة لأنه يسمح بما يلي:

• التوسيع المستقل للطاقة (سعة البطارية) والقدرة (عدد الشواحن)،
• سهولة الوصول للصيانة واستبدال الوحدات،
• أنظمة مركزية لإخماد الحرائق والتحكم البيئي،
• انخفاض التكلفة لكل كيلوواط ساعة عند الإنتاج بكميات كبيرة.

بالنسبة للمواقع التي تعاني من قيود الشبكة، يمكن نشر محطة شحن BESS المعبأة في حاويات بسعة 500 كيلو وات في حاويات أثناء استمرار عملية ترقية المرافق، مما يمنح الأسطول ممر شحن عملي قبل أشهر.

التحكم الذكي: OCPP 2.0.1، ISO 15118، ونظام إدارة البيئة (EMS)

لا يُحقق نظام تخزين الطاقة بالبطاريات المُصمم خصيصًا قيمةً إلا إذا كان البرنامج يُديره بكفاءة. تعمل مراكز إدارة الأساطيل الحديثة بنظام إدارة طاقة يُحسّن باستمرار ثلاثة قرارات: متى يتم شحن البطارية، وكيفية توزيع الطاقة بين الشاحنات الموصولة، ومتى يتم تفريغها لتقليل ذروة استهلاك الطاقة في الموقع.

ثلاثة معايير تجعل هذه الأتمتة ممكنة:

• OCPP 2.0.1— بروتوكول الشحن إلى الواجهة الخلفية؛ تتيح وظائف الشحن الذكي وإدارة الأجهزة لنظام إدارة الطاقة تحديد حدود الطاقة لكل شاحن في الوقت الفعلي.
• ISO 15118— بروتوكول الاتصال بين المركبة والشاحن؛ يقوم نظام التوصيل والشحن بالتحقق من المركبات تلقائيًا وينقل حالة بطارية المركبة وحدود الشحن.
• IEC 61851— معيار الاتصال الأساسي للشحن الذي يحدد الإشارات بين السيارة وجهاز شحن المركبات الكهربائية.

تُمكّن هذه البروتوكولات مجتمعةً المستودع من تحديد أولويات الشاحنات حسب وقت المغادرة، وفرض حد أقصى للطاقة على مستوى الموقع، والمشاركة في برامج الاستجابة للطلب على الطاقة دون تدخل يدوي. ويرى مُشغّل أسطول النقل نفس لوحة معلومات الشحن التي يراها مدير الطاقة، مما يُحقق التوافق بين جاهزية المركبات واقتصاديات التعرفة.

الاقتصاد التشغيلي على نطاق الأسطول

تتحسن الجدوى الاقتصادية لشحن الشاحنات باستخدام أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات مع زيادة الحجم والاستخدام. بالمقارنة مع موقع ميغاواط متصل بالشبكة فقط، يوفر نظام تخزين الطاقة بالبطاريات عادةً ما يلي:

• تخفيض رسوم الطلببنسبة 30-50% على فاتورة المرافق الخاصة بالموقع، لأن ذروة استهلاك الطاقة الشهرية بالكيلوواط يتم تسطيحها؛
• زيادة استخدام الشاحن، لأن أجهزة الشحن تعمل بكامل طاقتها من البطارية بدلاً من التقييد وفقًا لحدود الشبكة؛
• موثوقية الإرسال، حيث تمتص البطارية ازدحام وردية العمل الأولى حتى تغادر الشاحنات في الوقت المحدد؛
• إيرادات اختياريةمن أحداث الاستجابة للطلب، وفي الأسواق المحررة، من المراجحة في مجال الطاقة.

عادة ما تتراوح فترة استرداد تكلفة نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) لمستودع أسطول المركبات بين ثلاث وست سنوات اعتمادًا على التعريفات والحوافز المحلية - وهي فترة أسرع بكثير من تكاليف ترقية المرافق في معظم الولايات القضائية، والتي غالبًا ما تتجاوز سعر نظام تخزين الطاقة بالبطاريات نفسه دون إضافة أي مرونة تشغيلية.

خاتمة

لا تكمن مشكلة الطاقة في أساطيل الشاحنات الكهربائية في نقص الطاقة، بل في القدرة الكهربائية. يحلّ نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) المصمم خصيصًا مشكلة الطاقة في المستودع من خلال تخزين سعة الشبكة، وتخفيف الطلب، وتمكين الشحن بقدرة ميغاواط من خلال وصلات قياسية. يبدأ الحل الأمثل بدورة التشغيل الفعلية للأسطول، ويتدرج من وحدة متكاملة بسعة 200 كيلوواط/ساعة إلى مركز حاويات بسعة 2 ميغاواط/ساعة، حيث يتم تصميم كل منهما وفقًا للشاحنات، ونظام الورديات، والتعرفة المطبقة فعليًا على الموقع. بالنسبة لمشغلي الأساطيل، لم يعد القرار هو ما إذا كان ينبغي التحول إلى الكهرباء، بل مدى سرعة تشغيل مستودع مدعوم بنظام تخزين الطاقة بالبطاريات.

التعليمات

1. ما هو حجم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) الذي أحتاجه لأسطول مكون من 20 شاحنة كهربائية؟يحتاج أسطول توصيل إقليمي مكون من 20 شاحنة متوسطة الحجم عادةً إلى سعة تخزين تتراوح بين 400 و500 كيلوواط/ساعة، مدعومة بسعة شبكة كهربائية تتراوح بين 400 و500 كيلو فولت أمبير، بافتراض الشحن الليلي وفترة شحن مدتها 8 ساعات. ويعتمد الرقم الدقيق على طاقة المسار، وتوزيع الورديات، وقدرة الشاحن.

2. هل يمكن لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) أن يدعم فعلاً شحن الشاحنات بقدرة ميغاواط؟نعم. يمكن لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات بسعة 2 ميجاوات مقترن بشواحن بقدرة 960 كيلووات أو أكثر أن يوفر دفعات من الميجاوات لجلسات متتالية لأن البطارية تفرغ بشكل أسرع من شحنها بواسطة اتصال الشبكة، ثم يتم إعادة شحنها بمعدل ثابت بين المجموعات.

3. كم من الوقت يستغرق تشغيل موقع شحن أسطول المركبات الكهربائية باستخدام نظام تخزين الطاقة بالبطاريات؟يمكن تشغيل محطات شحن أنظمة تخزين الطاقة المتكاملة في غضون أيام؛ بينما تستغرق محطات الشحن المعبأة في حاويات عادةً من أربعة إلى ثمانية أسابيع، بما في ذلك الأعمال المدنية وربط الشبكة. وكلاهما أسرع بكثير من ترقية المحولات، التي قد تستغرق من 12 إلى 24 شهرًا.

4. ما هي الموصلات التي تستخدمها شواحن BESS الخاصة بأسطول الشاحنات؟تُعدّ أنظمة الشحن CCS1 (أمريكا الشمالية)، وCCS2 (أوروبا ومعظم منطقة آسيا والمحيط الهادئ)، وMCS (معيار الشحن بالميغاواط) الخيارات السائدة للشحن الثقيل؛ بينما يغطي نظاما NACS وCHAdeMO حالات محددة للمركبات والمناطق. وتنتشر محطات الشحن متعددة المنافذ في المستودعات المختلطة.

5. هل تضيف أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات تعقيدًا تشغيليًا كبيرًا إلى المستودع؟لا، عندما يتم تكوين نظام إدارة الطاقة بشكل صحيح. يُمكّن بروتوكول OCPP 2.0.1 ومعيار ISO 15118 من الجدولة الآلية، وتحديد الطاقة القصوى، وإعداد التقارير، لذا يعمل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات كجهاز مستقل وليس كمرفق طاقة ثانوي.

6. ما هي فترة الاسترداد النموذجية لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات في مستودع الأسطول؟تتراوح المدة النموذجية بين ثلاث وست سنوات، مدفوعةً بتوفير رسوم الطلب، وانخفاض تكاليف تحديث الشبكة، وزيادة استخدام أجهزة الشحن، والحوافز المحلية. المواقع التي تطبق تعريفات طلب باهظة هي الأسرع في استرداد التكاليف.

7. هل يمكن لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات نفسه أن يدعم نمو الأسطول في المستقبل؟نعم، إذا كانت البنية معيارية. تسمح الأنظمة المعبأة في حاويات والأنظمة القائمة على الخزائن بإضافة وحدات البطاريات والشواحن تدريجياً، بحيث يتوسع الموقع مع الأسطول دون استبدال التركيب الأساسي.