DOI: https://doi.org/10.3389/fenrg.2025.1654615
تاريخ النشر: 2025-08-29
المؤلف: Md. Feroz Ali وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة التحديات المتعلقة بالوصول إلى الطاقة التي تواجهها المجتمعات الريفية في بنغلاديش من خلال استكشاف تصميم وتحسين أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة خارج الشبكة. تركز الأبحاث على خمسة مواقع ريفية وتقييم التكوينات التي تجمع بين أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) وتوربينات الرياح (WT) وأربعة أنواع من أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS): تدفق الزنك-برومين (ZnBr)، ليثيوم-أيون نيكل مانغنيز كوبالت (Li-Ion NMC)، الرصاص-حمض، وفوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO$_4$). باستخدام HOMER Pro لمحاكاة البيانات بناءً على ملفات الحمل الساعي الحقيقية وبيانات الموارد، تقيم الدراسة الجدوى الاقتصادية لكل تكوين، ونسبة اختراق الطاقة المتجددة، والأثر البيئي.
تشير النتائج إلى أن تكوين بطارية PV-WT-ZnBr Flow تفوق باستمرار على الآخرين عبر جميع المواقع، محققًا أقل تكلفة حالية صافية (NPC) بقيمة 171,720 دولار، وتكلفة الطاقة (COE) بقيمة 0.0688 دولار/كيلوواط ساعة، ونسبة متجددة 100% (RF) مع انبعاثات كربونية صفرية. تم تسليط الضوء على بطاريات ZnBr Flow لكفاءتها العالية، وعمرها الطويل الذي يصل إلى 30 عامًا، واحتياجاتها المنخفضة للصيانة، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للتطبيقات خارج الشبكة. بينما توفر الدراسة نموذجًا واعدًا للكهرباء المستدامة، فإنها تعترف بحدود الاعتماد فقط على بيانات المحاكاة، والتي قد لا تعكس الظروف الواقعية بالكامل. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لتنفيذ شبكات ميكرو تجريبية للتحقق من هذه النتائج ودمج العوامل الاجتماعية والاقتصادية، مما يعزز قابلية توسيع النموذج ومرونته.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على النمو الاقتصادي المستمر في بنغلاديش، والذي أدى إلى زيادة الطلب على الكهرباء، خاصة في المناطق الحضرية. على الرغم من تحقيق مستوى كهرباء وطني يزيد عن 96% بحلول عام 2023، لا تزال هناك تفاوتات كبيرة بين الوصول إلى الكهرباء المستقرة في المناطق الحضرية والريفية. تستمر المناطق الريفية، وخاصة تلك الموجودة في مناطق جغرافية صعبة، في مواجهة نقص الكهرباء، مما يدفع نحو أنظمة الطاقة المتجددة كحل قابل للتطبيق. ومع ذلك، غالبًا ما يتم تجاهل صيانة أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) الممولة من المساعدات في المناطق خارج الشبكة بسبب نقص التمويل، مما يزيد من حدة أزمة الطاقة في سياق التحضر السريع وتحديات تغير المناخ.
تؤكد الورقة على الدور الحاسم للطاقة المتجددة في تحقيق أهداف بنغلاديش المتعلقة بالحياد الكربوني، مع توقعات تشير إلى أن الطاقة المتجددة قد تمثل 60% من توليد الكهرباء بحلول عام 2030 و90% بحلول عام 2050. حاليًا، تسهم الطاقة المتجددة بحوالي 5% فقط من القدرة المركبة، تأتي أساسًا من المصادر الشمسية. تناقش المقدمة أيضًا أهمية أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة (HRES) التي تدمج مصادر الطاقة المختلفة وتقنيات البطاريات لتعزيز أمن الطاقة ومرونتها، خاصة في مجال الكهرباء الريفية. تهدف الدراسة إلى معالجة الفجوات في الأبحاث الحالية من خلال تحسين ومقارنة خيارات تخزين البطاريات المختلفة في ريف بنغلاديش باستخدام HOMER Pro، وبالتالي تقديم رؤى لصانعي السياسات لاتخاذ قرارات مستنيرة بشأن حلول الطاقة المستدامة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام إطار تحليلي منهجي لفحص سلوك التشغيل لسيناريوهات الطاقة المتجددة بشكل شامل. شملت المنهجية عدة مكونات رئيسية: اختيار منطقة الدراسة، تحليل ملفات الحمل، جمع بيانات الموارد المتجددة، تصميم الشبكات الصغيرة، وتطبيق تقنيات النمذجة الاقتصادية التقنية والتحسين. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليل للأثر البيئي لتقييم الآثار المترتبة على السيناريوهات المقترحة. سهل هذا النهج المنظم تحقيق تحقيق شامل، مما أدى إلى استنتاجات متكاملة بشأن فعالية واستدامة أنظمة الطاقة المتجددة المدروسة.
المناقشة
تهدف ورقة البحث إلى تقييم وتحسين أداء تقنيات تخزين البطاريات المختلفة في أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة خارج الشبكة عبر مواقع ريفية مختلفة في بنغلاديش باستخدام برنامج محاكاة HOMER Pro. تركز الدراسة على تحليل اقتصادي تقني لأنواع البطاريات، بما في ذلك الرصاص-حمض وليثيوم-أيون، تحت ظروف إقليمية متغيرة، مثل طلب الحمل وتغير الطاقة المتجددة. يتم تقييم مؤشرات الأداء الرئيسية، مثل التكلفة الحالية الصافية (NPC)، وتكلفة الطاقة المستوية (LCOE)، ونسبة الطاقة المتجددة (RF)، لتحديد أكثر تكوينات البطاريات فعالية من حيث التكلفة وكفاءة، مصممة لتلبية الاحتياجات الفريدة للطاقة في كل منطقة. تهدف النتائج إلى إبلاغ سياسات واستثمارات الكهرباء المستدامة في المناطق الريفية، ومعالجة التحديات الطاقية التي تواجهها هذه المجتمعات.
تساهم الدراسة بشكل كبير من خلال تقديم تحليل مقارن لأربع تقنيات بطاريات عبر خمسة مواقع ريفية متنوعة، باستخدام بيانات الحمل الساعي الحقيقية وبيانات الأرصاد الجوية لتعزيز دقة المحاكاة. ومن الجدير بالذكر أنها تحدد بطاريات تدفق الزنك-برومين (ZnBr) كحل قابل للتوسع للكهرباء خارج الشبكة. تعتبر الورقة مصدرًا لمخططي الطاقة وصانعي السياسات، حيث تربط النتائج الفنية بأهداف الوصول إلى الطاقة المستدامة في المناطق الريفية. تم تنظيم المنهجية ونتائج المحاكاة والاستنتاجات بشكل منهجي، مع مناقشات مفصلة حول الآثار المترتبة على النتائج للبحث المستقبلي وتطوير السياسات في مجال الكهرباء الريفية في بنغلاديش.
DOI: https://doi.org/10.3389/fenrg.2025.1654615
Publication Date: 2025-08-29
Author(s): Md. Feroz Ali et al.
Primary Topic: Hybrid Renewable Energy Systems
Overview
This study addresses the energy access challenges faced by rural communities in Bangladesh by exploring the design and optimization of off-grid hybrid renewable energy systems. The research focuses on five rural locations and evaluates configurations that combine solar photovoltaic (PV) systems, wind turbines (WT), and four types of battery energy storage systems (BESS): Zinc-Bromine (ZnBr) Flow, Lithium-Ion Nickel Manganese Cobalt (Li-Ion NMC), Lead-Acid, and Lithium Iron Phosphate (LiFePO$_4$). Utilizing HOMER Pro for simulations based on real hourly load profiles and resource data, the study assesses each configuration’s economic feasibility, renewable energy penetration, and environmental impact.
The findings indicate that the PV-WT-ZnBr Flow battery configuration consistently outperformed others across all sites, achieving the lowest Net Present Cost (NPC) of $171,720, a Cost of Energy (COE) of $0.0688/kWh, and a 100% Renewable Fraction (RF) with zero carbon emissions. ZnBr Flow batteries were highlighted for their high efficiency, long lifespan of 30 years, and low maintenance needs, making them particularly suitable for off-grid applications. While the study provides a promising model for sustainable electrification, it acknowledges the limitation of relying solely on simulation data, which may not fully capture real-world conditions. Future research is recommended to implement pilot microgrids to validate these findings and incorporate socio-economic factors, enhancing the model’s scalability and resilience.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the ongoing economic growth in Bangladesh, which has led to an increasing demand for electricity, particularly in urban areas. Despite achieving a national electrification level of over 96% by 2023, significant disparities remain between urban and rural access to stable electricity. Rural regions, especially those in geographically challenging areas, continue to face electricity shortages, prompting a shift towards renewable energy systems as a viable solution. However, the maintenance of aid-financed photovoltaic (PV) systems in off-grid areas is often neglected due to insufficient funding, exacerbating the energy crisis in the context of rapid urbanization and climate change challenges.
The paper emphasizes the critical role of renewable energy in achieving Bangladesh’s net-zero carbon goals, with projections indicating that renewables could account for 60% of electricity generation by 2030 and 90% by 2050. Currently, renewable energy contributes only about 5% of the installed capacity, primarily from solar sources. The introduction also discusses the importance of hybrid renewable energy systems (HRES) that integrate various energy sources and battery technologies to enhance energy security and resilience, particularly in rural electrification. The study aims to address the gaps in existing research by optimizing and comparing different battery storage options in rural Bangladesh using HOMER Pro, thereby providing insights for policymakers to make informed decisions on sustainable energy solutions.
Methods
In this research, a systematic analytical framework was utilized to comprehensively examine the operational behavior of renewable energy scenarios. The methodology encompassed several key components: the selection of the study area, analysis of load profiles, collection of renewable resource data, design of microgrids, and the application of techno-economic modeling and optimization techniques. Additionally, an environmental impact analysis was conducted to assess the implications of the proposed scenarios. This structured approach facilitated a thorough investigation, leading to well-rounded conclusions regarding the effectiveness and sustainability of the renewable energy systems studied.
Discussion
The research paper aims to evaluate and optimize the performance of various battery storage technologies in hybrid off-grid renewable energy systems across different rural locations in Bangladesh using HOMER Pro simulation software. The study focuses on a techno-economic analysis of battery types, including Lead-Acid and Lithium-Ion, under varying regional conditions, such as load demand and renewable energy variability. Key performance metrics, such as Net Present Cost (NPC), Levelized Cost of Energy (LCOE), and Renewable Fraction (RF), are assessed to identify the most cost-effective and efficient battery configurations tailored to each region’s unique energy needs. The findings intend to inform sustainable rural electrification policies and investments, addressing the energy challenges faced by these communities.
The study contributes significantly by providing a comparative analysis of four battery technologies across five diverse rural locations, utilizing real hourly load and meteorological data to enhance simulation accuracy. Notably, it identifies Zinc-Bromine (ZnBr) Flow batteries as a scalable solution for off-grid electrification. The paper serves as a resource for energy planners and policymakers, linking technical results with broader rural energy access and sustainability objectives. The methodology, simulation results, and conclusions are systematically organized, with detailed discussions on the implications of the findings for future research and policy development in rural electrification in Bangladesh.