أحدث المواضيعتسلاخبر اليوم

دراسة عن بطاريات شركة تسلا وألواحها الكهروضوئية

اقرأ في هذا المقال
  • أنواع بطاريات تسلا
  • أنواح الألواح الشمسية من تسلا
  • جدوى استخدام بطاريات تسلا للمنازل والمؤسسات
  • مقارنة بطاريات تسلا مع البطاريات الأخرى

مع انتشار السيارات الكهربائية والوعي المُتزايد حول مصادر الطاقة النظيفة، أعدّ مركز بحوث الطاقة المتجددة والبيئة في هيأة البحث والتطوير الصناعي التابعة لوزارة الصناعة والمعادن العراقية دراسةً وافيةً لتقييم بطاريات تسلا وألواح تسلا الكهروضوئية، ودراسة جدوى إدخال هذه التقنية للعراق على مستوى محدود في المنازل وعلى مستوى واسعٍ في محطات التوليد الوطنيّة.
يُمكن أن تسبغ هذه الدراسة فكرة استخدام ألواح تسلا الكهروضوئية في عديد من دول المنطقة وأن تُضيء أفق قرائنا الأعزاء، وعليه فتم نشرها كاملة للفائدة.

أعدّ الدراسة سعد عبدالواحد طعمة والدكتور عمر عبدالستار عبدالرزاق.

خلاصة الدراسة

جرى تقييم بطاريات تسلا بنوعيها الصغيرة (13.5kWh) والكبيرة (210kWh). بينت الدراسة أن هذه البطاريات تمتاز بعمرها الطويل الذي يصل الى 15 سنة مع ضمان عشر سنوات وعمق تفريغها الذي يصل الى 100% كما انها مزودة بعواكس داخلية تجعلها قادرة على تجهيز الكهربائية المتناوبة مباشرة. وبذلك يمكن لهذه البطاريات ان تكون بديلا عن مولدات الديزل للمنازل العراقية.

أظهرت بطاريات تسلا نجاحا منقطع النظير في الكثير من المشاريع الكبيرة والصغيرة التي تم بناؤها داخل وخارج الولايات المتحدة الامريكية من بينها مشروع بطارية تسلا العملاقة في جنوب أستراليا. لذلك، يمكن نقل هذه التجارب للعراق. تمتلك تيسلا ايضًا ألواحا كهروضوئية سليكونية بكفاءة عالية مقارنة بمعظم الألواح الكهروضوئية السليكونية المعروضة في الاسواق العالمية. تعمل منظومة تسلا من ألواح وبطارية بتناغم ومع الشبكة الوطنية مما يجعلها واحدة من افضل المنظومات المتوفرة عالميا. بينت الدراسة ايضا أن استبدال بطاريات وعواكس منظومة مبنى مركز بحوث الطاقة الحالية ببطاريتين من بطاريات تسلا العملاقة يوفر جدوى اقتصادية كبيرة ويرفع من قدرة المنظومة الحالية بمقدار 100 كيلوواط اضافية ويساعد على اعادة الفائض من الطاقة الكهربائية الى الشبكة الوطنية.

1. مقدمة

إن استخدام منظومات الالواح الكهروضوئية يتطلب في كثير من الاحيان اضافة بطاريات للمنظومة لتوفير الطاقة الكهربائية في اوقات غياب الشمس. ان اكثر البطاريات شيوعا في هذا المجال وعلى نطاق تجاري واسع هي بطاريات الرصاص الهلامية ذات التفريغ العميق (SLA Sealed lead-acid) والتي تعرف اختصارا بـ (SLA). ان الحاجة الى زيادة السعة الخزنية للبطاريات واطالة عمرها ادى الى تطور انواع اكثر كفاءة واشهرها بطارية ايون الليثيوم. تعتبر بطاريات ايون الليثيوم (Li-ion) والتي تعرف اختصارا بـ (LIB) الجيل الواعد لمخازن الطاقة المنزلية وحتى المشاريع الصناعية الكبيرة لما تتميز بها من مواصفات تجعلها متفوقة على بقية الانواع من البطاريات.

ان التطور الكبير الحاصل في تكنولوجيا تصنيع هذه البطاريات ادى الى امكانية استخدامها كمخازن طاقة في السيارات الكهربائية وبنجاح منقطع النظير. خير مثال على ذلك سيارات تسلا الكهربائية التي انتشر استخدامها في السنين الاخيرة لما تتميز به هذه السيارات من مواصفات عالية تجعلها تتفوق على سيارات الاحتراق الداخلي، وكل ذلك بسبب بطاريات ايون الليثيوم ذات السعة الخزنية الكبيرة. ان طموح الشركات المنتجة لهذه البطاريات تجاوز استخدامها في صناعة السيارات الى ابعد من ذلك بكثير. حيث تطمح هذه الشركات الى استخدامها في مشاريع خزن الطاقة الكبيرة التي تكفي لتغذية مدن كاملة بالكهرباء باستخدام بطاريات عملاقة من ايون الليثيوم.

تزايدت سمعة شركة تسلا في الاونة الاخيرة كشركة توفر حلولا عملية لخزن وتوليد الطاقة النظيفة، وقد انضمت هذه الشركة الى قائمة اكبر 500 شركة في العالم ضمن فهرس مؤسسة فورجن 500 (Fortune 500) عام 2017 وبذلك تكون تسلا واحدة من اسرع الشركات الناشئة التي تستطيع ان تنضم الى هذا الفهرس العالمي. إن اهم منتجات هذه الشركة هي سيارات تسلا الكهربائية وكذلك بطارية تسلا والتي تعتبر البطارية ذات السعة الاكبر والعمر الاطول عالميا.

2. مبررات الدراسة

بسبب مشاكل تلوث البيئة والاحتباس الحراري التي يعود السبب الاكبر فيها الى استخدام الوقود الاحفوري، يتجه العالم الان الى تطوير واستغلال الطاقة النظيفة واستبدال الوقود الاحفوري بالطاقة النظيفة. بالاضافة لهذا التوجه العالمي والذي يتطلب من العراق ان يواكبه، فإن نقص الطاقة الكهربائية في العراق وما يسببه هذا النقص من معاناة ومشاكل في بلد تصل فيه درجات الحرارة الى اكثر من 50° مئوية صيفا، يتطلب من الجهات المعنية ايجاد حلول عملية وكفوءة ومن دون التسبب في ضرر بيئي. لذلك كله فإن استخدام الطاقة النظيفة والمستدامة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وكذلك استخدام مخازن الطاقة مثل البطاريات العملاقة اصبح ضرورة ملحة في العراق.

3. مكونات بطارية الليثيوم أيون LIB

تتكون بطارية ايون الليثيوم من عدد من الخلايا (يعتمد العدد على مقدار الفولتية المطلوبة من البطارية)، وان كل خلية تجهز فولتية مقدارها 3.7 فولط او اكثر قليلا (اعتمادا على نوع الاقطاب المستخدمة) [1 في المصادر]. تتكون الخلية الواحدة من ثلاثة اجزاء رئيسية [2]:

  1. الانود: وهو القطب الذي تحدث عنده عملية التأكسد ويكون مصدرا للالكترونات الى الدائرة الخارجية اثناء عملية التفريغ. يُعتبر الانود القطب السالب (لانه مصدر الالكترونات اثناء التفريغ). يصنع الانود من مادة الج رافيت (الكاربون النقي).
  2. الكاثود: وهو القطب الذي تحدث عنده عملية الاختزال ويكون مستقبلا للالكترونات من الدائرة الخارجية اثناء عملية التفريغ. يُعتبر الكاثود القطب الموجب (لانه مستقبل الالكترونات اثناء التفريغ). يصنع الكاثود من مركبات مختلفة حسب جهة المنشأ مثل LiCoO2 حيث يتكون القطب اساسا من اوكسيد معدني مثل اوكسيد الكوبلت CoO2 يتغلغل فيه عنصر الليثيوم. تعتمد كفاءة الخلية وفولتيتها على نوع الكاثود المستخدم الى حد كبير. فمثلا الانواع الحديثة ذات الكفاءة العالية تستخدم المركب فوسفات حديد-ليثيوم LiFePO4.
  3. المحلول الاليكتروليتي: وهو محلول ملحي (هناك انواع كثيرة منه حسب جهة المنشأ) واشهر هذه المحاليل هو محلول سداسي فلوروفوسفات الليثيوم LiPF6 المذاب في مذيب عضوي. وظيفة المحلول الاليكتروليتي هي السماح لايونات الليثيوم الانتقال من الكاثود الى الانود اثناء الشحن ومن الانود الى الكاثود اثناء التفريغ.

هناك دائما وجود مجال لتطوير هذه البطاريات من حيث زيادة سعتها وسرعة شحنها، اذ يتم ذلك على سبيل المثال من خلال زيادة المساحة السطحية للقطب باستخدام تقنية النانوتكنولوجي. ان ترسيب طبقة من مواد ذات تركيب نانوي على سطح القطب يؤدي الى زيادة المساحة السطحية للقطب مما يؤدي الى ترسيب كمية اكبر من ذرات الليثيوم على القطب وبالتالي زيادة سعة البطارية.

وبسبب سعي الشركات الى تصغير حجم البطاريات، فإن المسافة بين الانود والكاثود تكون قريبة جدا عادة. ولتجنب حدوث تماس بينهما(نتيجة تقوسهما احيانا عند ارتفاع درجة الحرارة) مما قد يؤدي الى انفجار البطارية، يوضع عادة غشاء في منتصف المحلول الاليكتروليتي يسمى بالغشاء الفاصل. يتكون هذا الغشاء من مادة بولي اوليفين المسامية. هذه المادة عازلة فتمنع حدوث تماس بين القطبين وان مساميتها تسمح بمرور ايونات الليثيوم.

4. مبدأ عمل بطارية الليثيوم أيون LIB

عند شحن البطارية (سحب الالكترونات من قطب الكاثود)، تتأين ذرات الليثيوم متحولة الى ايونات ليثيوم متميعة (تذوب في المحلول الاليكتروليتي) وتنتقل بفعل المجال الكهربائي الذي يسلطه الشاحن الى الانود (عبر الاليكتروليت) فتترسب عليه.تستمر هذه العملية لحين نضوب كل ذرات الليثيوم الموجودة على قطب الكاثود، فيتبقى الاوكسيد المعدني فقط على الكاثود بينما تترسب ايونات الليثيوم على شكل ذرات غير متأينة على الانود بسبب معادلتها بواسطة الالكترونات التي يجهزها الشاحن. تعتبر البطارية في هذه الحالة مشحونة بشحنة كاملة [2 في المصادر].

عند تفريغ البطارية (سحب الالكترونات من قطب الانود)، تتأين ذرات الليثيوم المترسبة على الانود متحولة الى ايونات ليثيوم متميعة (تذوب في المحلول الاليكتروليتي) وتنتقل الى الكاثود بفعل المجال الكهربائي الناتج من الفرق في جهود الاختزال بين القطبين (وهو فرق جهد طبيعي مرتبط بنوع المواد المستخدمة في الاقطاب ويسمى بجهد الخلية)، بينما تنتقل الالكترونات الى الكاثود عبر الدائرة الخارجية (هذا هو التيار الكهربائي الذي تجهزه البطارية للحمل). تستمر هذه العملية لحين نفاذ كامل ذرات الليثيوم المترسبة على الانود. تعتبر البطارية في هذه الحالة مفرغة تماما [2].إن تفاعلي نصفي الخلية (تأكسد-اختزال) اثناء تفريغ بطارية LIB يمكن وصفها بالمعادلتين الآتيتين [3 في المصادر]:

Anode:      LiC6(S)→ C6(S) + Li+(aq) + e Oxidation Reaction

Cathode:      CoO2(S) + Li+(aq) + e→LiCoO2(S)  Reduction Reaction

ان كمية الشحنة المخزونة في البطارية تعتمد على كمية ذرات الليثيوم المترسبة على الكاثود والتي تتحدد مسبقا اثناء تصنيع القطب. تمتاز خلايا ايون الليثيوم أن بالامكان تفريغها بشكل كامل على عكس خلايا الرصاص SLA التي يصل عمق التفريغ فيها الى 60% كحد اقصى. كما انها لا تتأثر بما يسمى بتأثير الذاكرة او ما يدعى تأثير الكسل (Lazy Battery Effect)على عكس بطاريات نيكل-كادميوم Ni-Cd التي تتطلب التفريغ الى الصفر بين فترة واخرى لأن تفريغها بشكل جزئي لفترات طويلة يؤدي الى فقدان الشحن العميق مما يؤدي الى تناقص سعة البطارية بشكل كبير.الشكل (1) يوضح تركيب بطارية ليثيوم أيون LIB ومبدأ عملها.

شكل (1). رسم تخطيطي لمكونات خلية ايون الليثيوم ومبدأ عملها اثناء الشحن (الخط المنقط الاحمر) واثناء التفريغ (الخط المنقط الاخضر).

5. مقارنة بين بطارية ليثيوم أيون وبطارية الرصاص

تعتبر بطاريات ليثيوم أيون LIB و الرصاص SLA من البطاريات المناسبة للاستخدام في تطبيقات الخلايا الشمسية لعدة اسباب اهمها سعتها الخزنية العالية وعمرها الافتراضي الطويل. بطاريات الرصاص هي الاكثر شيوعا واستخداما في تطبيقات الخلايا الشمسية وذلك لكلفها القليلة مقارنة ببطاريات ليثيوم أيون. مع ذلك، فقد ازداد استخداد بطاريات ليثيوم أيون LIB في السنين الاخيرة بسبب امتلاكها مواصفات تتفوق على غيرها من البطاريات، وكذلك بسبب الانخفاض التدريجي بكلفتها. تتفاوت الاختلافات بين بطاريات LIB وبطاريات SLA اعتمادا على منشأ البطارية وتقنيات التحسين المضافة اليها. بشكل عام، هناك خواص عامة تميز كل نوع عن الاخر والتي يمكن اعتمادها لاغراض المقارنة.يمكن القول ان بطاريات الليثيوم تتفوق على بطاريات الرصاص بخواصها بالرغم من ان تكنولوجيا بطاريات الرصاص سبقت بطاريات الليثيوم بعقود طويلة. الجدول (1) هو مقارنة عامة بين هذين النوعين من البطاريات [4].

جدول (1). مقارنة بين بطارية LIB وبطارية SLA.

TypeSLALIB
Energy Density (Wh/L)100250
Specific Energy (Wh/kg)40150
MaintenanceNoNo
Cost ($/kWh)120600
Cycle LifeUp to 1500
1000 @ 50% DoD
Up to 5000
1900 @ 80% DoD
Temperature SensitivityDegrades above 25ºCDegrades above 45ºC
Efficiency100% @ 20-hr rate
80% @ 4-hr rate
60% @ 1-hr rate
100% @ 20-hr rate
99% @ 4-hr rate
92% @ 1-hr rate
Cell Voltage2V3.7V
TravelYesNo
Self-dischargeFastSlow

6. شركة تسلا

شركة تسلا هي شركة تأسست عام 2003 مقرها ولاية كاليفورنيا الامريكية. الشركة متخصصة في تصنيع السيارات الكهربائية ومخازن الطاقة وتصنيع الالواح الكهروضوئية. تستخدم شركة تسلا بطاريات ايون الليثيوم في منتجاتها حيث طورت الشركة نوعا من البطاريات ذات السعة الخزنية العالية اطلقت عليها اسم powerwall وكذلك تصنع الشركة منظومة بطاريات متراصة (مجموعة من بطارياتpowerwall) تسميها powerpack. بالنسبة لمنظومات الالواح الكهروضوئية فإن شركة تسلا تعرض نوعين من الالواح: الاولى هي الالواح السليكونية التقليدية والثانية هي الخلايا القرميدية المصنعة من مادة CIGS. تمتاز الخلايا القرميدية بأن لها شكل مشابه لشكل القرميد المستخدم في السطوح وتتوافر بالوان واشكال متعددة وتغطي كامل السطح لذلك فإن لها فائدة مزدوجة وهي اولا انها تجعل السطح عبارة عن مولد للكهرباء وثانيا انها تحل محل القرميد في تغليف السطوح. لا يصلح هذا النوع من الخلايا الشمسية في البيوت العراقية بسبب ثقافة البناء العراقي الذي يعتمد على السطوح الافقية وليس على السطوح المائلة. لذلك سيتم التركيز في هذه الدراسة على النوع الاول من الخلايا الشمسية (الالواح الكهروضوئية السليكونية).

بدأت تسلا بتصنيع بطاريتها نوع powerwall في بداية عام 2015 وباعداد محدودة في معملها جيجافاكتوري-1 Gigafactory في ولاية نيفادا الامريكية. في بداية عام 2017، بدأت تسلا الانتاج النمطي لهذه البطاريات في نفس المعمل. ان هذا المعمل الذي من المقرر ان ينتج اكثر من 150 جيجاواط.ساعة من البطاريات في السنة الواحدة يعمل بشكل كامل على الطاقة النظيفة اذ تم تجهيزه بمنظومة توليد طاقة نظيفة هجينة تتكون من دمج الواح كهروضوئية وتوربينات رياح ومحطة جيوحرارية واحدة.

7. مواصفات بطارية تيسلا نوع Powerwall

تعتبر بطارية تيسلا نوع powerwall ثورة تكنولوجية في عالم البطاريات وقد باشرت الشركة بتطوير هذه البطارية عام 2012 وانتجت اول جيل منها عام 2015. بطارية تسلا هي مجموعة مرصوصة من خلايا LIB نوع 21700 مطورة وبعدد 7000 خلية (لاتعطي الشركة تفاصيل تكنولوجية دقيقة عنها) ولكن الشركة تقول ان قطب الكاثود مصنوع من المركب نيكل-منغنيز-كوبلت NiMnCoO (إطلع على المصدر رقم 5) وان الخلية الواحدة سعتها بحدود 6000mA وبذلك تكون هذه الخلية هي الاكبر سعة بالعالم.

ان تصنيع البطارية بطريقة رزم خلايا صغيرة بدلا من خلية واحدة كبيرة يعد سبقا تكنولوجيا، اذ ان هذه الطريقة تساعد على تسريب الحرارة وتسهل عملية التبريد.ان بطارية تسلا هذه لها القدرة على تجهيز كمية كبيرة من الطاقة تجعلها حل عملي لتجهيز الطاقة الكهربائية للبيوت والمشاريع التجارية الصغيرة تجهيزا كاملا لمدة تصل الى عدة ساعات في حال انقطاع الكهرباء، حيث تشحن البطارية نفسها من الشبكة الوطنية عند توفر الطاقة الكهربائية ثم تجهز الحمل بالطاقة عند غياب الكهرباء الوطنية. كما يمكن ان يتم شحنها بواسطة الالواح الكهروضوئية وبذلك توفر طاقة مستدامة دون الحاجة الى كهرباء الشبكة الوطنية. تمتاز هذه البطارية ايضا بشكلها الانيق اذ يمكن تثبيتها على جدار المنزل الداخلي دون المساس بجمالية المنزل وكذلك تمتاز بوزنها الخفيف (مقارنة بمقدار الطاقة التي تجهزها) وتمتاز ايضا بسهولة نصبها. الشكل (2-a) هو صورة فوتوغرافية تبين الشكل الانيق لبطارية تيسلا نوع powerwall-2.

ان الجيل الاول من هذا البطاريات هو powerwall-1 والذي انتج عام 2015، اما الجيل الثاني فهو powerwall-2 والذي انتج نهاية عام 2016. يمتلك الجيل الثاني سعة خزنية قدرها 13.5kWh. يوجد نوعين من بطاريات powerwall-2، الاولى DC حيث تجهز فولتية مستمرة قدرها 48V يتم رفعها الى فولتية مستمرة قدرها 350V-450V باستخدام DC to DC Converter داخلي لكي تتوافق مع معظم العواكس Inverters المتوفرة في الاسواق. الموديل الثاني يدعى AC حيث تحتوي البطارية على عاكس داخلي (built-in inverter) يجعل البطارية قادرة على تجهيز الاحمال بفولتية متناوبة بشكل مباشر كما وتستلم الفولتية المتناوبة من الشبكة الوطنية وتحولها الى فولتية مستمرة لتشحن البطارية نفسها من الشبكة الوطنية.

الشكل (2-a) صورة فوتوغرافية تبين الشكل الانيق لبطارية تيسلا نوع powerwall-2

جدول (2). المواصفات الفنية لبطارية powerwall-2 نوع AC.

Nominal AC Voltage120 and 240V
Feed-In TypeSplit Phase
Frequency50 and 60Hz
Total Energy14kWh
Usable Energy113.5kWh
Continuous Power5kW
Peak Power (10s)7kW
Fault Supplied Current10kA
Fault Output Current32A
Round Trip Efficiency290%
Charge/Discharge Cycles5000 (100% Discharge Depth)
Operating Temperature-20ºC to 50ºC
Maximum Elevation3000m
Noise Level< 40dB
Warranty310 Years
Weight122kg
Dimensions1.15m × 0.75m × 0.15m
Price$5500 + GST and Installation
1Value provided for 25ºC, 3.3 kW charge/discharge rate.
2AC to Battery to AC.
3Powerwall should be Internet connected. If Internet disconnected for an extended period, warrant will be limited to 4 years.

8. مواصفات بطارية تسلا نوع Powerpack

تنتج شركة تسلا ايضا بطاريات ضخمة تسميها powerpack مخصصة للمشاريع الصناعية ومحطات التوليد ويوجد منها جيلين. الجيل الاول الذي يدعى powerpack-1 سعته الخزنية 100kWh اما الجيل الثاني powerpack-2 بسعة 215kWh. تستخدم هذه البطاريات في محطات خزن الطاقة الاحتياطية حيث تشحن المحطة نفسها خلال اليوم ببطء من الشبكة الوطنية ثم تقوم بتجهيز الشبكة بالطاقة الكهربائية في ساعات الذروة وبذلك يمكن التخلص من تشغيل مولدات الطاقة الكهربائية الاحتياطية الملوثة للهواء اثناء ساعات الذروة. كذلك يمكن ان تستخدم كمخازن طاقة في محطات التوليد بعد دمجها بمزرعة كهروضوئية او مزرعة رياح. هذه البطارية تحتوي على عاكس داخلي وتعطي فولتية ثلاثية الطور. تتكون هذه البطارية من 16 وسادة من البطاريات الصغيرة كل واحدة بسعة 13.5kWh (اي بمثابة 16 بطارية من powerwall-2)، كما تحتوي على منظومة تبريد داخلية لزيادة مقاومتها للاجواء الحارة.

الشكل (2-b) تسلا Powerpack-2

جدول (3). المواصفات الفنية لبطارية powerpack-2.

AC Voltage380to480V (3 Phases)
Energy capacity210kWh AC
Frequency50 and 60Hz
Power50kW AC
Scalable Inverter50 to 625kVA (at 480V)
Charge/Discharge Cycles5000 (100% Discharge Depth)
Operating Temperature-20ºC to 50ºC
Round Trip Efficiency88%
Dimensions1.3m × 0.8m × 2.2m
Weight1622kg
Price$145100 + GST and Installation

9. مكونات منظومة تسلا الكهروضوئية وطريقة عملها

تتكون منظومة تسلا من بطارية وعداد كهرباء خاص والواح كهروضوئية (او خلايا قرميدية) تعمل جميعها بشكل متناغم مع الشبكة الوطنية حيث تعتبر بطاريات powerwall-2 نظام تجهيز واستهلاك طاقة ذكي ومتكامل ونظيف للبيئة. يعمل النظام بالشكل الآتي:

  •  اثناء النهار وعند وجود الشمس، تقوم البطارية بتحويل الطاقة الشمسية من الالواح الى المنزل لتشغيله وتأخذ الفائض من هذه الطاقة لشحن نفسها.
  • يكتمل شحن البطارية الى 100% بحدود الساعة 11:00AM (وفق تصميم شركة تسلا) بعدها تقوم البطارية بتحويل الفائض من الطاقة الشمسية الى الشبكة الوطنية وبذلك يصبح المنزل مولدا للطاقة الكهربائية يدعم الشبكة الوطنية في ساعات الذروة في النهار.
  • اثناء تجهيز الشبكة الوطنية بالطاقة الكهربائية الفائضة يبدأ العداد بالدوران بالاتجاه المعاكس مما يؤدي الى نقصان في قيمة فاتورة الكهرباء وقد تصل قراءة العداد الى الصفر او حتى الى قيم سالبة مما يجعل الفاتورة خالية من اي مبلغ. بالنسبة للعراق فإن هذا يتطلب التنسيق مع الجهات المسؤولة لسن القوانين والتشريعات الخاصة لان المستهلك في هذه الحالة يبيع الطاقة الكهربائية للشبكة الوطنية.
  • عند غياب الشمس، تبدء البطارية بتجهيز المنزل بالطاقة الكهربائية اثناء الليل ولحين شروق الشمس في الصباح التالي.
  • اذا نفذت طاقة البطارية ليلا، تقوم بتحويل الكهرباء من الشبكة الوطنية الى المنزل باجزاء الثانية وبدون ان يشعر المستهلك بذلك. وفي نفس الوقت تقوم البطارية بشحن نفسها من الشبكة الوطنية لتصبح جاهز لاي طارئ مثل الانقطاع المفاجيء في الشبكة الوطنية (هذا الخيار يمكن تفعيله او الغائه وحسب رغبة المستهلك).
  • اذا غابت اشعة الشمس نهارا بسبب وجود غيوم مثلا تقوم البطارية بتحويل الطاقة الكهربائية من الشبكة الوطنية الى المنزل بشكل فوري اذا لم تكن مشحونة بعد، او ان تقوم بتجهيز المنزل من طاقتها المخزونة اذا كانت مشحونة (يمكن التحكم بهذه الخيارات وحسب الرغبة).
  • اذا حدث انقطاع في الشبكة الكهربائية خلال النهار وفي لحظة غياب الشمس (مثلا تواجد غيوم) فإن البطارية تقوم بتجهيز المنزل من طاقتها المخزونة فورا ومن دون ان يشعر المستهلك.
  • يمكن التحكم بعمليات توزيع وتبادل الطاقة اعلاه من خلال تطبيق تسلا الذي يمكن تنصيبه على الهاتف بنظاميه (Android & iOS) حيث يمكن للمستهلك ان يغير طريقة تبادل الطاقة وفقا لرغبته الشخصية. علما ان التطبيق يتفاعل مع البطارية من خلال شبكة Wi-Fi. المصدر [8] أدناه هو مقطع على يوتيوب يوضح كيفية عمل تطبيق تسلا على الهاتف.
  • يمكن ان تعمل المنظومة بدون مجموعة الالواح الكهروضوئية وبذلك تصبح البطارية بمثابة مولد طاقة كهربائية احتياطي يعمل عند حدوث انقطاع بالشبكة الوطنية. ان وضع بطاريتين من powerwall-2 في المنزل يوفر طاقة كهربائية لتشغيل منزل عراقي متوسط الحمل بتجهيز كامل لمدة 24 ساعة لان مجموع سعة الطاقة في البطاريتين سيكون 27kWh وهذا مايعادل تقريبا استهلاك الطاقة في بيت عراقي متوسط الحمل ليوم كامل.

10. مواصفات الواح تسلا الكهروضوئية

بالاضافة لبطارية powerwall المتميزة، تقدم تسلا ايضا خلايا شمسية من افضل الخلايا الشمسية عالميا. توفر تسلا نوعين من هذه الخلايا: الاولى هي الواح كهروضوئية سليكونية احادية البلورة متعددة المفرق نوع HIT بقدرة 325W للوح الواحد وبكفاءة تحويل قدرها 21.76% وبعمر افتراضي 25 سنة. اما الثانية فهي الواح قرميدية الشكل من نوع خلايا الاغشية الرقيقة نوع CIGS المرسبة على زجاج مصلب وبكفاءة تحويل قدرها 17% وبعمر افتراضي 30 سنة. تمتاز خلايا تسلا القرميدية بمتانتها التي تفوق متانة القرميد العادي وجماليتها حيث توفر تسلا خلايا قرميدية بالوان واشكال مختلفة. تمتاز ايضا انها تملأ كامل مساحة السطح، والمثير للاهتمام هو ان كلفتها اقل من كلفة القرميد العادي لذلك تعتبر بديلا عن القرميد العادي. بالنسبة لالواح تسلا السليكونية نوع HIT فتمتاز بلونها الاسود وان طريقة تثبيتها على السطوح هي طريقة فريدة تنفرد بها شركة تسلا، حيث تثبت الالواح مباشرة على السطح وبدون وضع اعمدة تثبيت. ان هذه الطريقة والتي تدعى طريقة Zep اصبحت ملكا لتسلا بعد ان اشترت تسلا شركة SolarCity عام 2013 والتي تمتلك حق ملكية هذه الطريقة.

بالنظر لكون البيت العراقي لا يصلح لتنصيب الخلايا القرميدية بسبب تصميم البيوت العراقية والتي يكون فيها السطح افقي، لذلك سنستبعد دراسة الخلايا القرميدية وستقتصر الدراسة على الالواح السليكونية. وبما ان طريقة Zep في تنصيب الالواح الكهروضوئية التي تعتمدها تسلا لا تصلح على اسطح البيوت العراقية لنفس السبب السابق، لذلك فإن تنصيبها يجب ان يتم باستخدام حوامل حديدية (هذا الاختلاف في التنصيب يتطلب التباحث مع ممثل شركة تسلا لغرض تحديد تكاليف التنصيب بهذه الطريقة لان الكلفة التي تقدمها تيسلا تخص التنصيب بطريقة Zep منخفضة الكلفة). ان الواح تيسلا الكهروضوئية يتم تصنيعها بالتعاون بين معمل بافالو التابع لتسلا مع شركة Panasonic اليابانية وبمواصفات عالية جدا مقارنة بالالواح التي تجهزها المناشيء العالمية الاخرى. الجدول (4) يوضح معاملات اللوح الكهروضوئي الذي تجهزه تسلا [9].

جدول (4). معاملات لوح تيسلا الكهروضوئي.

Module TypeHIT
Cells per Panel96
Rated Power325W
Vm57.6V
Im5.65A
VOC69.6V
ISC6.03A
Cell Efficiency21.76%
Module Efficiency19.4%
Fill Factor0.77
Dimensions1.5m × 1m

11. مشاريع تسلا المنجزة

بدأت شركة تسلا بداية قوية وانجزت العديد من المشاريع الريادية في سنوات قليلة. فبالإضافة الى انتاجها من سيارات تسلا الكهربائية المتميزة بموديلاتها (Model S, Model X, and Model 3) والتي حققت شهرة كبيرة ومبيعات فاقت التوقعات (مشروع السيارات الكهربائية لن يكون جزءا من هذه الدراسة)، فقد بدأت الشركة بنصب منظوماتها من الالواح الكهروضوئية والبطاريات في الاف البيوت في مختلف الولايات الامريكية. بالاضافة الى ذلك، فقد انجزت شركة تسلا العديد من المشاريع الكبيرة داخل وخارج الولايات المتحدة الامريكية مستخدمة بطاريتها نوع powerpack-2 (لاحظ شكل 4) والتي سيتم التطرق الى خمسة منها فقط وكما يأتي:

أ. مشروع بطارية تسلا العملاقة في جنوب استراليا: تعتبر هذه البطارية الاكبر في العالم من حيث السعة الخزنية للطاقة (اكبر ثلاث مرات من ثاني اكبر بطارية في العالم) وقد تم بنائها قرب احدى مزارع طاقة الرياح في جنوب استراليا. سعة هذه البطارية الخزنية هي 129MWh وهي عبارة عن مصفوفة من 600 بطارية من powerpack. تعمل هذه البطارية كمصدر احتياطي للطاقة. المشروع الذي انجز بمائة يوم فقط ودخل الخدمة نهاية عام 2017 الغرض منه معالجة مشكلة انقطاع الطاقة الكهربائية اثناء ساعات الذروة في هذه المقاطعة. حيث عانت هذه المقاطعة لسنين طويلة من انقطاعات مستمرة في الشبكة الكهربائية اثناء ساعات الذروة في النهار. تعمل بطارية تسلا على شحن نفسها من الشبكة الكهربائية (مع جزء من الشحن تستلمه من مزرعة الرياح القريبة) خلال ساعات انخفاض الطلب على الطاقة الكهربائية (عادة ساعات الليل)، ثم تقوم بارجاع هذه الطاقة المخزونة خلال ساعات الذروة في النهار لتغطي النقص في الطاقة الكهربائية وبالتالي تمنع حدوث انقطاعات في الكهرباء. تتم عملية الشحن ببطء شديد حتى لا تؤثر على الشبكة الكهربائية وتسبب نقصًا فيها. منذ اليوم الاول لعمل هذه البطارية، اثبتت نجاحا منقطع النظير حيث توقف الانقطاعات خلال ساعات الذروة وان البطارية كانت قادرة على تعويض النقص في الطاقة الكهربائية. وان اكبر اختبار للبطارية جرى عندما حدث عطلا في احدى محطات التوليد الغازية في المقاطعة بعد ايام قليلة من بدء عمل البطارية، حيث بدأت البطارية بالعمل فورا وخلال اجزاء الثانية وقامت بتجهيز الشبكة الكهربائية بالطاقة وتعويض النقص الحاصل ولم يحدث انقطاع في الكهرباء لحين اصلاح المحطة الغازية. بالاضافة لذلك فقد اظهرت حسابات انبعاث غاز ثنائي اوكسيد الكاربون في جنوب استراليا والتي اجراها المعهد الاسترالي الوطني للطاقة ان معدل انبعاث الغاز قد تناقص بعد تشغيل البطارية ووصل الى ادنى مستوى له منذ عام 2004.

ب. مشروع بطارية تسلا في محطة ميرا لوما جنوب ولاية كاليفورنيا: البطارية عبارة عن مجموعة من powerpack بعدد 400 بسعة خزنية قدرها 84MWh دخلت الخدمة عام 2014. البطارية تعمل بطريقة مشابهة لعمل بطارية تسلا في جنوب استراليا، حيث تشحن البطارية نفسها من الشبكة الوطنية خلال ساعات انخفاض الطلب على الكهرباء ثم تعيد الطاقة الكهربائية للشبكة الوطنية خلال ساعات الذروة وبذلك تقلل الاعتماد على تشغيل المولدة الغازية في المحطة مما يساهم في تقليل تلوث البيئة. بوجود بطارية تسلا و 5000 توربينة رياح في محطة ميرا لوما، فإن الاعتماد على الطاقة النظيفة وصل الى 28% في هذه المحطة.

ج. مشروع بطارية تسلا في جزيرة كواي في ولاية هاواي الامريكية: تعمل هذه الجزيرة بشكل كامل على الطاقة الشمسية 100%. توجد مزرعة كهروضوئية في الجزيرة بقدرة 13MW بالاضافة الى ان معظم السكان نصبوا الواحا كهروضوئية في بيوتهم. تم نصب بطارية تسلا بسعة 52MWh يتم شحنها من فائض الطاقة الشمسية خلال النهار ومن ثم استخدامها ليلا. تم نصب البطارية عام 2017 وهي تتكون من 272 وحدة من powerpack.

د. مشروع بطارية تسلا في منتجع مالولو في فيجي: المنتجع هو جزيرة بركانية في فيجي. ولأن المنتجع معزول بجزيرة فإن ربطه بالشبكة الكهربائية مكلف. لذلك فقد تم نصب منظومة الواح كهروضوئية بقدرة 1MW ثم تم نصب بطارية تسلا المكونة من 20 بطارية powerpack وبسعة 4.2MWh. دخلت البطارية للعمل في عام 2016. منتجع جزيرة مالولو يعمل الان 100% على الطاقة الشمسية وعلى مخزون الطاقة في بطارية تسلا وهو مفصول عن الشبكة الوطنية.

هـ . مشروع بطارية تسلا في منتجع كروكر الوطني في جنوب افريقيا: هذا المنتجع يحتوي على مزرعة خلايا شمسية بقدرة 1MW تجهز المنتجع بالكهرباء خلال ساعات النهار. تم اضافة بطارية تسلا للمنظومة الكهروضوئية لغرض خزن الطاقة الشمسية الفائضة خلال النهار ثم اعادة تجهيزها خلال الليل. البطارية عبارة عن مصفوفة من 15 بطارية Powerpack تخزن طاقة قدرها 3150kWh جميعها من الطاقة الشمسية الفائضة. دخلت البطارية للخدمة عام 2017. ان المنتجع مفصول عن الشبكة الوطنية وان وجود البطارية قلل استعمال مولدات الديزل خلال الليل بنسبة 79%، مما ادى الى تقليل انبعاث غاز ثنائي اوكسيد الكاربون بمقدار 132 طن شهريا.

12. دراسة جدوى نصب بطارية تسلا في منظومة مبنى الطاقة

لإعداد دراسة جدوى اقتصادية وفنية وبيئية متكاملة ودقيقة عن بطارية تسلا، نقترح شراء نموذج ابتدائي (Prototype) لغرض دراسته لمدة لا تقل عن سنة واحدة وتقييم اداء البطارية الفعلي. نقترح لهذا الغرض شراء بطارية تسلا نوع Powerpack-2 وبعدد 2 بطارية لمبنى مركز بحوث الطاقة المتجددة والبيئة في هيأة البحث والتطوير الصناعي وذلك لتوفر منظومة الواح كهروضوئية في المبنى بقدرة 135kW وبذلك يمكن الاكتفاء بدراسة بطارية تسلا (من دون الواحهم الكهروضوئية) لتقليل كلف التجارب الابتدائية ولعدم ضرورة دراسة الجدوى للالواح الكهروضوئية لتوفر مثل هذه الدراسات سابقا، وكذلك لتوفر الخبرة في مركزنا في تقييم البطاريات والانظمة الكهروضوئية. فيما يأتي تفاصيل دراسة هذا المقترح:

مكونات منظومة مبنى المركز

تتكون المنظومة الكهروضوئية في مركز بحوث الطاقة المتجددة والبيئة من الاجزاء الاتية:

  • الواح كهروضوئية مجهزة من مصنع المنصور عدد 540 لوحا بقدرة اجمالية مقدارها 135kW اي بمعدل 250W للوح الواحد. تنقسم الالواح الى ثلاثة مجاميع كل مجموعة عبارة عن 180 لوحا تجهز 45kW.
  • بطاريات كورية نوع Newmax عدد 360 بطارية بسعة 200A.h للبطارية الواحدة مقسمة الى ثلاث مجاميع بعدد 120 بطارية للمجموعة الواحدة. تخزن هذه البطاريات طاقة كلية قدرها 415kWh (على اعتبار ان عمق التفريغ لهذه البطاريات هو 60% وكفاءة البطارية هي 80%).
  • عواكس كورية الصنع بعدد 3 قدرة كل عاكس 40kW.
  • منظمات شحن عدد 9 وكل منظم مربوط بـ 60 لوحا شمسيا.
  • المساحة الفعالة الكلية للالواح 1000m2.

طاقة الاشعاع الشمسي في بغداد

ان المعدل اليومي للشهر الواحد لطاقة الاشعاع الشمسي المستلمة لكل متر مربع وكذلك لـ 1000 متر مربع (المساحة الفعلية للالواح الكهروضوئية في مبنى المركز) لمدينة بغداد موضحا في الجدول (5). يتضح من الجدول، ان اعلى اشعاع شمسي يكون في شهر حزيران. اما اقل اشعاع شمسي يكون في شهر كانون الاول.

جدول (5). المعدل اليومي للشهر الواحد للطاقة الشمسية الساقطة على 1m2 وعلى 1000m2 بوحدات kWh/day.

DecNovOctSepAugJulJunMayAprMarFebJan
3.964.114.966.056.476.226.565.925.335.715.424.33PSH @ 1m2
396041104960605064706220656059205330571054204330PSH @ 1000m2

الطاقة والقدرة الكلية للمنظومة

ان كفاءة التحويل للالواح الكهروضوئية المستخدمة في المركز هي 12.5% وبذلك تكون كمية الطاقة الممكن الاستفادة منها كما في الجدول (6)وتمثل الطاقة الكهربائية الفعلية التي تولدها منظومة مبنى المركز،حيث تكون قيمتها495kWh في شهر كانون الاول و 820kWh في شهر حزيران (تم إهمال مفاقيد الطاقة في منظمات الشحن والعواكس وكذلك تم إهمال تأثير درجة الحرارة). وبمقارنة المعدل اليومي للطاقة مع كمية الطاقة المطلوبة من قبل البطاريات (415kWh) يتضح ان في شهر كانون الاول تذهب معظم الطاقة الكهربائية المتولدة الى البطاريات (او يتعذر شحن البطاريات في حال استخدام هذه الطاقة لتجهيز احمال المبنى). اما في شهر حزيران فإن الطاقة الكهربائية المتولدة تتناصف بين شحن البطاريات والاستخدام المباشر. عند النظر الى قدرة المنظومة (135kW) يتبين ان هذه القدرة غير كافية لتشغيل كافة احمال المبنى حيث يتعذر تشغيل اجهزة التبريد مثلا وذلك لان المبنى يتطلب قدرة تصل الى 500kW اذا ماتم تشغيل جميع الاحمال فيه.

جدول (6). الطاقة الكهربائية المتولدة من الواح كهروضوئية بمساحة 1000m2 وكفاءة 12.5% بوحدات kWh/day.

DecNovOctSepAugJulJunMayAprMarFebJan
49551462075680977782074066671467754112.5% of PSH

الطاقة المستهلكة في مبنى المركز

ان مقدار الطاقة الكهربائية الشهرية المستهلكة من الشبكة الوطنية في مركز بحوث الطاقة يختلف من شهر لآخر. تصل ذروته في شهر تموز حيث يصل تقريبا الى 20000kWh شهريا، اي بمعدل 667kWh يوميا. في هذا الشهر تكون كمية الطاقة الكهربائية المتولدة يوميا من الالواح الكهروضوئية في المركز بمعدل 777kWh/day (كما في جدول 6). اما اقل استهلاك فهو في شهر نيسان حيث يصل تقريبا الى 11000kWh شهريا، اي بمعدل 367kWh يوميا وهذا تقريبا نصف الطاقة الكهربائية المتولدة في اليوم الواحد من شهر نيسان من الالواح الكهروضوئية في المركز والبالغة 666kW/day (كما في جدول 6).

ان فترات الاستهلاك في المركز تتمثل بفترة الدوام الرسمي البالغة سبع ساعات (من الساعة السابعة صباحا لغاية الساعة الثانية ظهرا). في هذه الفترة، تنتج الالواح الكهروضوئية ما يعادل ثلثي الطاقة اليومية والتي ستذهب للاستهلاك اليومي. اما الثلث الباقي من الطاقة المتولد بعد الساعة الثانية ظهرا يتم خزنه في البطاريات. يتضح مما سبق ان المنظومة تتطلب نظام الكتروني ذكي يسمح بنقل الطاقة المتولدة الى الحمل اثناء فترات الدوام ثم ينقل الطاقة المتولدة الى البطارية بعد الساعة الثانية ظهرا. كما يجب ان يعيد هذا النظام الطاقة الفائضة الى الشبكة الوطنية وخصوصا ان هناك الكثير من الطاقة الفائضة والمتمثلة في ايام العطل الرسمية وعطل نهاية الاسبوع وبعض الاشهر التي ينخفض فيها استهلاك الطاقة الكهربائية مثل شهر نيسان. ان مثل هذا النظام غير متوفر في المنظومات الحالية.

طريقة عمل بطارية تسلا في مبنى مركز بحوث الطاقة

طريقة عمل هذه البطارية فيما لو استخدمت اثنان منها في مبنى مركز بحوث الطاقة كما يأتي: تشحن البطارية نفسها من الالواح الكهروضوئية بعد الساعة الثانية ظهرا (يتم ضبط هذا الخيار بسهولة من خلال تطبيق تيسلا الذي يمكن تنصيبه على الهاتف). خلال فترة الدوام (من الساعة السابعة صباحا ولغاية الساعة الثانية ظهرا) تبقى البطارية في حالة خزن احتياطي ولا تشحن نفسها من الالواح الكهروضوئية ولكنها تقوم باضافة طاقة كهربائية الى الحمل لتعويض النقص الحاصل في الطاقة الكهربائية في حالة عدم تمكن الالواح الكهروضوئية من توفير القدرة الكهربائية اللازمة اثناء ذروة تشغيل الاحمال حيث تستطيع كل بطارية من تيسلا اضافة 50kW وبذلك تكون القدرة الكلية للمنظومة (بطاريات عدد 2 مع الواح كهروضوئية) 235kW مما يوفر امكانية تشغيل احمال اكثر في المبنى.كذلك تقوم البطاريات بتجهيز المبنى بدل الالواح الكهروضوئية عندما يكون الجو غائما او مغبرا وبقدرة قدرها 100kW وطاقة مقدارها 420kWh. يمكن لهذه البطاريات ايضا ان تنقل الطاقة الكهربائية المتولدة من الالواح الكهروضوئية الى الشبكة الوطنية في ايام العطل وايام نهاية الاسبوع. كما يمكنها ان تجهز الشبكة الوطنية بخزينها من الطاقة في فترات معينة من اليوم وحسب الرغبة وكل ذلك يتم من خلال جدولة عملها عبر تطبيق تيسلا الذي يعمل عبر الهواتف الذكية وبكل سهولة. اذ يمكن برمجة البطارية لتفرغ طاقتها الى الشبكة الوطنية في ايام العطل الرسمية وعطل نهاية الاسبوع. ان هذه المرونة العالية التي تعمل بها بطارية تيسلا غير متوفرة في اي نظام بطاريات اخر في الوقت الحاضر حسب علمنا.

إن بطاريتين من تيسلا نوعPowerpack-2 يمكنهما خزن طاقة اجمالية بمقدار 420kWh وهو ما يفوق قيمة الطاقة المخزونة في بطاريات Newmax الحالية والبالغ عددها 360 بطارية (415kWh). كما انها ستضيف قدرة كهربائية لمنظومة الالواح الكهروضوئية بمقدار 100kW اي ان القدرة الكلية للمنظومة ككل ستساوي 235kW على فرض ان البطارية تكون مشحونة عادة خلال فترة الدوام (يتم شحنها يوميا بعد الساعة الثانية ظهرا) وهذا الخيار المتمثل باضافة قدرة البطارية الى قدرة الالواح غير متوفر في الانظمة التقليدية.

مقارنة كلفة بطارية تيسلا مع الانظمة التقليدية

تبلغ كلفة بطارية تيسلا الواحدة 145000 دولار امريكي (عدا كلف النقل والتنصيب). اي ان مبلغ بطاريتين منها يبلغ 290000 دولار امريكي عدا كلف النقل والتنصيب (لايمكن معرفة هذه الكلف مالم يتم التفاوض مع الشركة). نفترض ان هذه الكلف تمثل 10% من كلفة البطارية (افتراض فقط) بذلك تكون الكلفة الكلية للمشروع هي 320000 دولار امريكي. تعمل هذا البطارية لمدة 15 سنة وبضمان عشر سنوات.

في حالة استخدام الانظمة التقليدية فاننا نحتاج 360 بطارية بسعة 200Ah للحصول على مخزون طاقة يقارب الطاقة المخزونة في بطاريتي تيسلا. كلفة البطارية الواحدة هي 250 دولار امريكي (عدا كلف النقل والتنصيب) اي اجمالي 90000 دولار. بما ان عمر هذه البطاريات 5 سنوات كحد اقصى، فذلك يتطلب استبدالها ثلاث مرات خلال 15 سنة اي ان الكلفة الكلية للبطاريات خلال 15 سنة هي 270000 دولار. كلفة العاكس الواحد ذو قدرة 50kW (قدرة مساوية لبطارية تيسلا) هي 7000 دولار امريكي (عدا كلف النقل والتنصيب) وبذلك تكون كلفة ثلاثة عواكس هي 21000 دولار. فترة الضمان للعاكس هي سنتان. كلفة منظم الشحن الواحد ذو قدرة 15kW هي 2000 دولار وبذلك تكون كلفة تسع منظمات شحن هي 18000 دولار. جميع التكاليف المذكورة في اعلاه هي بدون كلف النقل والتنصيب. الجدول (7) يوضح مقارنة لسعر المنظومة التقليدية مع بطارية تيسلا.

جدول (7). مقارنة باسعار المنظومة التقليدية مع بطارية Powerpack-2.

مقارنة الوزن والمساحة

المساحة التي تشغلها بطاريتي تيسلا هي 2.08 مترا مربعا (البطارية الواحدة تشغل مساحة 1.04m2) اما وزن هذه البطاريتين فهو 3244kg (وزن البطارية الواحدة هو 1622kg).

المساحة التي تشغلها 360 بطارية نوع Newmax هي 47 مترا مربعا (البطارية الواحدة تشغل مساحة قدرها 0.13m2) اما وزن هذه البطاريات فهو 23760kg (وزن البطارية الواحدة هو 66kg). مساحة العواكس هي 2 مترا مربعا، اما وزن العواكس الثلاثة فهو 200kg. وبذلك تكون المساحة الاجمالية للمنظومة التقليدية هي 50 متر مربع وبوزن كلي مقداره 24000kg.

يمكن تلخيص ما تقدم بالجدول (8) اذ نجد ان استبدال المنظومة التقليدية (المشابهة لمنظومة مبنى مركز الطاقة الحالية) ببطاريتي تيسلا يوفر مبلغا لا يقل عن 19000 دولار امريكي خلال مدة 15 سنة بالاضافة الى رفع قدرة المنظومة ورفد الشبكة الوطنية بفائض من الطاقة خلال ايام العطل الرسمية وعطل نهاية الاسبوع.

جدول (8). مقارنة بين بطارية نيوماكس نوع SG2000H وبطارية تيسلا نوع Powerpack-2.

بطارية تيسلا (عدد 2)بطارية نيوماكس (عدد 360)المواصفة
100kW (AC)43kW (DC)القدرة
420kWh415kWhالطاقة المخزونة
3244kg24000kgالوزن
2.08m250m2المساحة
5000 @ 100% DOD1100 @ 60% DODعدد دورات الشحن
15 Years5 Yearsالعمر الافتراضي
10 Years1 Yearفترة الضمان
$290000 within 15 Years$309000 within 15 Yearsالسعر

13. الجدوى الاقتصادية

ان بطاريات تيسلا بنوعيها powerwall و powerpack يمكن الاستفادة منها في العراق بعدة طرق او مشاريع نذكر ثلاثة منها وكما يأتي:

  1.  استخدام بطارية تسلا في مبنى مركز بحوث الطاقة المتجددة والبيئة وكما تم تفصيله سابقا وان الجدوى الاقتصادية يمكن تلخيصها كما يأتي: يستخدم مركز بحوث الطاقة المتجددة والبيئة مصفوفة من الالواح الكهروضوئية بعدد 540 لوحا وبقدرة كلية قدرها 135kW وبمساحة فعالة كلية قدرها 1000m2 تقريبا و 360 بطارية بسعة خزنية كلية قدرها 415kWh. ان العمر الافتراضي لهذه البطاريات هو خمس سنوات. بالنسبة للالواح الكهروضوئية فقد نصبت بحيث ان زاوية ميلانها 45° واتجاهها نحو الجنوب الجغرافي. وفقا لهذه الاتجاهية، يكون معدل الطاقة الشمسية اليومي لسنة كاملة الذي يسقط على منظومة الالواح الكهروضوئية في مدينة بغداد ذات الاحداثيات (33.3128° N, 44.3615° E) هو (5.04kWh/m2/day)[اطلع على المصادر 10]. اي ان معدل الطاقة التي تولدها الالواح باليوم الواحد هو (135 × 5.04 = 680kWh). هذا المقدار من الطاقة يكفي لشحن بطاريتين من تسلا نوع powerpack 2 شحنا كاملا في نهار مشمس واحد مع فائض من الطاقة بمقدار 260kWh (لان سعة البطارية الواحدة هي 210kWh). بما ان قدرة البطارية الواحد هي 50kW AC، فإن ربط بطاريتين منها يجهز قدرة بمقدار 100kW ومخزون من الطاقة مقداره 420kWh. وبما ان عمق التفريغ لهذه البطارية هو 100% لذلك فإن الطاقة الفعلية المخزونة هي 420kWhايضا وهذا يعادل المقدار المخزون في 360 بطاريةمن البطاريات الحالية. بالاضافة الى ذلك فإن بطارية تسلا تعمل لمدة 15 سنة ومدة ضمانها 10 سنوات ولا تتضمن عاكس او منظم شحن لان البطارية تتضمن عاكس داخلي. ان الحيز الذي تشغله هذه البطاريات صغيرا نسبيا مقارنة بالحيز الكبير الذي تشغله البطاريات الحالية، حيث ان ابعاد بطارية powerpack الواحدة هي 1.3m × 0.8m × 2.2m فقط اي ان اثنان منها يشغل حيز اقل من الذي تشغله العواكس الثلاثة الحالية فقط وبدون حيز البطاريات وحيز منظمات الشحن الحالية. وبما ان بطاريات تسلا تحتوي على منظومة تبريد داخلية فهي قادرة على العمل بالاجواء الحارة ولغاية 50°C. يتضح من الحسابات اعلاه ان نصب بطاريتين من بطاريات تسلا نوع powerpack-2 يعتبر خيارا عمليا وممتازا لمركز بحوث الطاقة مع الابقاء على مصفوفة الالواح الكهروضوئية الحالية، حيث سيوفر استخدامها قدرة كهربائية اعلى ومخزون طاقة كهربائية اكبر ومساحة تنصيب اقل وعمر افتراضي اطول. وإن مقدار التوفير لا يقل عن $19000 خلال 15 سنة وكما مفصل سابقا.
  2. استخدام بطارية تسلا في البيوت: بسبب النقص الحاصل في الطاقة الكهربائية في العراق والانقطاعات اليومية المستمرة، تلجأ البيوت العراقية الى استخدام المولدات الصغيرة او الاستعانة بمولدات ديزل اهلية منصوبة في الازقة. ان معدل سحب الكهرباء في البيت العراقي من المولدة الاهلية هو بحدود 10 أمبيرات وبكلفة معدلها 15 دولار امريكي للامبير الواحد شهريا، وهذا يعادل مصروفا شهريا قدره 150 دولار. اي ان المبلغ المصروف لمدة عشر سنوات هو 18000 دولار امريكي. ان استخدام بطارية powerwall-2 قد يكون حلا مثاليا للبيت العراقي. ان هذه البطارية تخزن طاقة قدرها 13.5kWh وهذا يكفي لسحب 10 امبيرات لمدة 6 ساعات متواصلة. هذه البطارية هي نظام تجهيز طاقة متكامل فهي تعطي كهربائية متناوبة 220V مباشرة بدون استخدام عاكس (كما مر شرحه سابقا). تشحن هذه البطارية نفسها من الشبكة الوطنية عند توفر الكهرباء (تحتاج 4 ساعات لشحنها من الصفر الى 100) ثم تجهز البيت بالكهرباء عند انقطاع الكهرباء من الشبكة الوطنية حيث تقوم بالتجهيز مباشرة بعد انقطاع الكهرباء وباجزاء الثانية. ان قدرة هذه البطارية 5kW مستمرة و 7kW قدرة عظمى لمدة 10 ثانية تساعد على تشغيل المحركات الحثية. اي ان البطارية يمكن ان تعمل بمعدل 6 ساعات بدون كهرباء (بمعدل 10 امبير) ثم اربع ساعات للشحن. ووفقا لوضع الشبكة الوطنية الحالي الذي قد يصل الى اربع ساعات اطفاء مقابل ساعتي تجهيز، فإن البطارية ستكون قادرة على جعل الكهرباء مستمرة 24 ساعة وفق هذا السيناريو. هذا يعني انه يمكن الاستغناء عن المولدة الكهربائية بشكل تام بوجود بطارية تسلا. ان كلفة البطارية مع تنصيبها يصل الى 6500 دولار وتعمل هذه البطارية لمدة تصل الى 10 سنوات مع الضمان (مع فرصة ان يصل عمرها الى 15 سنة حسب ادعاء الشركة). وبمقارنة هذا المبلغ مع تكلفة الكهرباء من المولدة الاهلية لمدة عشر سنوات، فإن الربح الصافي سيكون 11500 دولار على مدى العشر سنوات وهذا يوفر بحدود 100 دولار شهريا للبيت الواحد.
  3. تنصيب منظومات تسلا كبيرة (الواح كهروضوئية مع بطاريات) لصالح الوزارات المعنية مثل وزارة الكهرباء او بالاشتراك مع القطاع الخاص لتجهيز الشبكة الوطنية بالطاقة الكهربائية النظيفة. حيث يمكن نصب هذه المنظومات في كل محافظات العراق بالنظر لتوفر الطاقة الشمسية بالعراق. تمتاز منظومات تسلا انها تعمل ليلا ونهارا بدلا من المزارع الكهروضوئية العادية التي تعمل في النهار فقط وذلك لان منظومات تسلا تحتوي على البطاريات التي تعتبر مخازن طاقة تعمل ليلا. كما ان الواح شركة تسلا الكهروضوئية تمتاز بكفاءتها العالية مقارنة بغيرها من الالواح.
  4. نصب بطاريات عملاقة لصالح الوزارات المعنية او القطاع الخاص لتعمل على خزن الطاقة عند ساعات انخفاض الطلب واعادتها عند ساعات الذروة على غرار محطة جنوب استراليا.
  5. تشغيل الشركات الصغيرة ومباني دوائر وزارات الدولة بواسطة منظومات تسلا المتوسطة الحجم على غرار منتجع مالولو وغيره من المنشآت الصغيرة التي تعمل منفصلة عن الشبكة الوطنية بشكل تام مما يساعد على تقليل الضغط على الشبكة الوطنية.

14. الجدوى البيئية

ان استخدام الطاقة النظيفة يقلل من انبعاث الغازات الدفيئة واهمها غاز ثنائي اوكسيد الكاربون. كذلك فإن استخدام بطاريات تسلا على المستوى المنزلي مثلا يساهم ايضا في تقليل تلوث المدن بالغازات المنبعثة من مولدات الديزل ويقلل الضوضاء ويؤثر ايجابا على منظر الازقة الذي تشوهه اسلاك التوصيل الخاصة بالمولدات الاهلية. ان معدل استهلاك الطاقة الكهربائية لبيت عراقي متوسط الحمل هو بحدود 1000kWh بالشهر. بما ان ساعات اطفاء الكهرباء تفوق نصف يوم، فإن ما يتم استهلاكه بواسطة المولدات الاهلية يصل الى500kWh للبيت الواحد شهريا. فإذا علمنا ان كل 1kWhمتولد من مولدة ديزل يحرر بحدود 2.6kg من غاز CO2، فإن ذلك يعادل تحرير 1.3 طن من غاز ثنائي اوكسيد الكاربون شهريا للبيت الواحد. ان بطارية تيسلا تقلل هذا المقدار من الانبعاث لانها لا تبعث اي غاز اثناء تشغيلها كما انها تساهم في تقليل الضوضاء. اما استخدام منظومات تسلا (الواح مع بطارية) فانها ستقلل انبعاث غاز CO2 بشكل كبير وان احتسابه يعتمد على حجم المنظومة التي سيتم تنصيبها.

15. الاستنتاجات

من خلال ما تقدم، يمكن الاستنتاج ان بطاريات تسلا هي بطاريات كفوءة تمتاز بسعتها الخزنية الكبيرة وعمرها الطويل وسعرها المعقول لذلك فهي تعتبر حلا مقبولا اذا ما تم ادخالها للعراق حيث يمكن الاستفادة منها على مستوى منزلي وعلى مستوى مشاريع متوسطة الحجم وعلى مستوى ستراتيجي كبير. يمكن استخدام منظومات تسلا (الواح كهروضوئية مع بطارية) لتأسيس محطات توليد نظيفة للبيئة تدعم الشبكة الوطنية بالطاقة الكهربائية وتساعد الكثير من المشاريع الصغيرة بالاستقلال عن الشبكة الوطنية. يمكن ايضا استخدام بطاريات تسلا في منظومة مبنى الطاقة لرفع قدرتها وجعلها مصدرا للطاقة الكهربائية للشبكة الوطنية.

16. التوصيات

من خلال ما تقدم، وبسبب مواصفات بطارية تسلا نوع Powerpack-2 المتميزة حسب ادعاءات الشركة وتفوقها على المنظومات التقليدية المتمثلة ببطاريات الرصاص الهلامية، نقترح ان يتم شراء نموذج من بطارية Powerpack-2 بعدد 2 ونصبها في مبنى بحوث الطاقة المتجددة والبيئة في هيأة البحث والتطوير الصناعي لتعمل مع منظومة الالواح الكهروضوئية الموجودة اصلا. ومن ثم دراستها بشكل عملي لمدة لا تقل عن سنة لغرض اعداد دراسة علمية ودراسة جدوى اقتصادية متكاملة من قبل الاختصاصيين العاملين في مركزنا ومن ثم اتخاذ القرار بشأن الاستثمار في هذا النوع من مخازن الطاقة على مستوى أوسع يشمل ابنية الوزارات والمدارس والدوائر الحكومية والشركات الاهلية والمولات والمعامل وغيرها وكذلك امكانية استخدامها في محطات التوليد الوطنية كمخازن طاقة احتياطية.

المصادر

[1] Battery University. Available online: www.batteryuniversity.com (accessed on May 7, 2018).

[2] Office of Energy & Renewable Energy. Available online: www.energy.gov (accessed on May 7, 2018).

[3] Cynthia A. Lundgren, Kang Xu, T. Richard Jow, Jan Allen, Sheng S. Zhang, “Lithium-Ion Batteries and Materials”, Springer Handbook of Electrochemical Energy, 2017, pp 449-494.

[4] AllCell technologies LLC, Greg Albright, Jake Edie, Said Al-Hallaj. Available online: http://www.batterypoweronline.com (accessed on May 9, 2018).

[5] Elon Musk (CEO of Tesla), Clean Technica, May 7, 2015. (accessed on May 14, 2018).

[6] Tesla, Powerwall 2 AC Datasheet. Available online: www.tesla.com (accessed on May 14, 2018).

[7] Tesla, Powerpack 2 Datasheet. Available online: www.tesla.com (accessed on May 14, 2018).

[8] YouTube Video, “Tesla Powerwall 2/Fully Charged”, August 31, 2017, www.youtube.com/watch?v=nWLzlrGGuxQ&t=979s (accessed on May 15, 2018).

[9] Panasonic HIT N325, Available online: na.panasonic.com/us/ (accessed on May 15, 2018).

[10] M. Boxwell, “Solar Electricity Handbook”, Internet Link, 2017 Edition (accessed on May 20, 2018).

Facebook Comments

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

زر الذهاب إلى الأعلى
error: