Vyrovnávání špičkových zatížení pomocí akumulátoru: průmyslový akumulátor pro špičkové zatížení

Spuštění výrobní linky, současné zapnutí chladicích kompresorů nebo nabíjení flotily vysokozdvižných vozíků vygeneruje během několika minut takový špičkový odběr, který zvýší vaši celoroční fakturu za elektřinu. Z pohledu rozvodné sítě nezáleží na tom, kolik energie celkem spotřebujete, ale na tom, jak vysoké bylo vaše nejvyšší čtvrt hodinové zatížení. Právě na těchto několik minut se zaměřuje „peak shaving“: špičku pokryjete z akumulátoru, nikoli ze sítě.

V tomto článku si vysvětlíme, co znamená pojem „peak shaving“ a proč je 15minutový měřicí interval skutečným výchozím bodem pro plánování. Poté objasníme rozdíl mezi kW a kWh, ukážeme, jak vypočítat potřebný výstupní výkon, a jak parametry C-rate a DoD ovlivňují velikost akumulátoru.

Na závěr se podíváme, jak funguje snižování špičkového zatížení s akumulátorem při různých průmyslových profilech zatížení, kolik ve skutečnosti stojí překročení výkonu a kdy se investice vrátí. Na příkladu systémů FoxESS TMax a TMaxPlus vás provedeme konkrétním dimenzováním v praxi.

Co znamená „peak shaving“: tak funguje snižování špičkového odběru pomocí akumulátorů

Peak shaving v praxi znamená následující: oříznete nejvyšší špičky výkonu odebíraného ze sítě a chybějící část doplníte z akumulátoru. Vaše celková spotřeba energie se nesníží, ale maximální výkon zaznamenaný elektroměrem ano.

To se vyplatí, protože průmyslová faktura za elektřinu se skládá ze dvou samostatných složek. Poplatek za energii platíte za spotřebované kilowatthodiny, zatímco poplatek za příkon platíte za nejvyšší odebraný kilowatt. Tarif pro komerční a průmyslové odběratele je obvykle sestaven přesně takto: poplatek za energii na základě kWh a poplatek za příkon na základě kW, přičemž ten druhý je úměrný nejvyšší naměřené špičce v zúčtovacím období.

Snižování špičkového zatížení pomocí akumulátorů probíhá ve třech krocích. Akumulátor se nabíjí v době nízkého zatížení, a to buď ze sítě, nebo z výroby solárních panelů. Jakmile se spotřeba přiblíží k nastavené prahové hodnotě, systém automaticky přepne do režimu vybíjení a část spotřeby nad touto prahovou hodnotou pokryje akumulátor. Tento cyklus se opakuje každý den a systém řízení energie průběžně sleduje spotřebu, úroveň nabití a výrobu.

Je vhodné odlišit tento postup od „load shifting“, s nímž je často zaměňován. Při přesunu zátěže (load shifting) přesouváte samotnou spotřebu do jiného časového období, například přesouváte nabíjení vozového parku na noc. Peak shaving naproti tomu nezasahuje do technologického procesu: stroj běží, když má běžet, pouze z pohledu sítě se špička jeví jako neexistující. Právě proto funguje i v provozech, kde nelze změnit výrobní plán.

Proč je při plánování „peak shaving“ důležitá analýza a snižování 15minutových výkonových špiček?

U průmyslových odběratelů s časovým vyúčtováním se provozovatel sítě nezaměřuje na okamžité hodnoty. Křivka zatížení se skládá z čtvrt hodinových údajů a maximální odebraný výkon představuje nejvyšší čtvrt hodinový průměrný výkon zaznamenaný měřidlem. Tato hodnota se stává základem pro výpočet poplatku za výkon a stejná 15minutová logika platí i v evropské praxi vyúčtování.

Z toho vyplývá, že ne každý proudový špičkový výkon je drahý. Podívejme se na provozovnu se základním zatížením 400 kW. Pokud přetížení o 250 kW trvá 12 minut, čtvrt hodinový průměr činí 400 + 250 × (12/15) = 600 kW. Pokud tentýž příkon 250 kW trvá pouze 3 minuty, průměr činí již jen 450 kW. Stejný špičkový výkon, ale rozdíl 150 kW ve vyúčtování.

Proto každé seriózní projektování začíná stažením T-křivky. Potřebujete alespoň 12 měsíců čtvrthodinových dat, která získáte od provozovatele distribuční soustavy nebo od dodavatele. Z nich vyplyne, kolik špiček je v jednom měsíci, jak dlouho trvají a jakou energii představují.

Na základě tohoto souboru dat se rozhoduje o snížení špičkového výkonu. Pokud křivka vykazuje 30–40 krátkých, vzájemně vzdálených špiček, je zapotřebí systém s malou kapacitou, ale vysokým výkonem. Pokud však vidíte denně se opakující dlouhá rovná úseky, úzkým hrdlem bude kapacita. Bez dat je každé dimenzování pouhým odhadem a špatně nastavená prahová hodnota může kvůli jedinému vynechanému čtvrt hodinovému úseku zmařit celé měsíční úspory.

kW nebo kWh? Úloha výkonu a kapacity pro ukládání energie

Tyto dvě veličiny odpovídají na dvě různé otázky. Kilowatt udává, kolik energie je systém schopen dodávat najednou, zatímco kilowatthodina udává, jak dlouho vydrží. Při plánování omezování špiček potřebujete obě veličiny a jedna druhou nenahrazuje.

Odborníci rozlišují mezi systémy orientovanými na výkon a systémy orientovanými na energii; poměr těchto dvou veličin se nazývá poměr výkonu k energii (power-to-energy ratio). Systém o výkonu 1 MW a kapacitě 0,5 MWh je půlhodinový, tedy orientovaný na výkon. Také struktura nákladů se dělí na dvě části: náklady na energii (v přepočtu na kWh) tvoří solární články, regály a integrace stejnosměrného proudu, zatímco náklady na výkon (v přepočtu na kW) tvoří střídač, transformátor a vysokoproudé kabeláž. Při žádosti o nabídku je třeba uvést obě složky zvlášť, jinak nebudou nabídky srovnatelné.

Nejčastější chybou při projektování je, že se uvažuje pouze v kWh. Akumulátor o kapacitě 200 kWh se na papíře jeví jako velký, ale pokud jeho střídač dodává pouze 50 kW, nedokáže pokrýt špičku o výkonu 120 kW. Platí to i opačně: výstup 150 kW je k ničemu, pokud se kapacita za ním vyčerpá po 20 minutách a čtvrt hodinový špičkový odběr se opakuje několikrát denně.

Správný postup je tedy následující: nejprve z zatěžovací křivky určíte potřebný výkon v kW, poté k němu připočítáte kWh na základě trvání špiček. Poměr těchto dvou hodnot udává C-rate, který již určuje zatížitelnost a životnost článků.

Jak se vypočítá potřebný vybíjecí výkon pro systém peak shaving?

Vzorec je sám o sobě jednoduchý: potřebný výstupní výkon je rozdíl mezi naměřeným čtvrthodinovým špičkovým výkonem a stanovenou prahovou hodnotou. Kapacitu získáte pomocí vzorce používaného v tomto odvětví, kde je potřebná energie součinem výkonu a doby vybíjení, děleným hloubkou vybíjení a účinností cyklu. Tento pořadí neobracejte: kW je vstup, kWh je výsledek.

Podívejme se na konkrétní případ. Na zatěžovací křivce je nejvyšší čtvrt hodinový průměr 780 kW, vaším cílem je zůstat pod 600 kW. Potřebný výkon tedy činí 780 − 600 = 180 kW. Z křivky je také patrné, že nejdelší špička trvá 45 minut, tedy 0,75 hodiny.

Užitelná energie tedy činí 180 × 0,75 = 135 kWh. To však ještě není kapacita, kterou je třeba zakoupit. Pokud počítáte s hloubkou vybití 90 procent a účinností cyklu 92 procent, jmenovitá kapacita činí 135 / (0,9 × 0,92) = 163 kWh.

Ještě je třeba zohlednit dvě věci. Zaprvé 10–15 % rezervu na stárnutí článků, protože na konci záruční doby systém již dodává méně energie než v prvním roce. Zadruhé zkontrolujte, zda se nestane, že by se dvě špičky vyskytly tak blízko u sebe, že by se akumulátor mezitím nestihl dobít. Tím se dimenzování ustálí na hodnotě 180 kW a přibližně 185 kWh, což je reálné, nikoli teoretické číslo.

C-rate a DoD: jak ovlivňují dimenzování průmyslových akumulátorů?

C-rate je poměr výkonu a kapacity. Systém s 1C dodá svou jmenovitou energii za jednu hodinu, systém s 0,5C za dvě hodiny. Hodnoty 180 kW a 185 kWh z našeho předchozího příkladu odpovídají přibližně 1C.

Aplikace pro vyrovnávání špiček (peak shaving) obvykle pracují s rychlostí vybíjení kolem 1C. U ostrých, krátkých špiček může být opodstatněná i hodnota 1,5C, což poskytuje výbojové okno přibližně 40 minut. U delších, pozvolnějších špiček je vhodnou volbou 0,5C s dvouhodinovým oknem. Neexistuje jediná správná hodnota, rozhodující je délka a tvar špičky.

Objednání vyššího C-rate, než je nutné, se vyplatí dvojnásobně: investice bude dražší a životnost kratší. Články LFP při 0,5C zvládnou až 6 000–8 000 cyklů, což při 80% hloubce vybití a jednom cyklu denně znamená provozní dobu delší než 16 let.

Hodnota DoD udává, kolik procent jmenovité kapacity skutečně spotřebujete. Užitná energie je součinem jmenovité kapacity a hodnoty DoD, takže systém o kapacitě 4 000 kWh při 90 % DoD poskytne 3 600 kWh. Vzhledem k ploché napěťové křivce chemie LFP se systémy obvykle provozují s hloubkou vybití 90–95 %.

Při dimenzování průmyslového akumulátoru proto vždy vycházejte z užitečné energie, nikoli z jmenovité hodnoty uvedené v katalogu. Hlubší vybití urychluje degradaci, proto se při ořezávání špiček spíše pracuje s krátkými, cílenými výbojovými okny: akumulátor se zapojí teprve tehdy, když zátěž překročí prahovou hodnotu.

Vyrovnávání špiček pomocí akumulátoru při různých průmyslových profilech zatížení

Ne pro každý provoz je stejné řešení optimální. Tvar zatěžovací křivky určuje, zda je zapotřebí systém orientovaný na výkon, nebo na energii. Dobrou ekonomickou efektivitu předurčují tři charakteristiky: vysoký poměr špičky k průměru, předvídatelné časové rozložení a technologický proces, který nelze přeplánovat.

Prudké, krátké a opakující se špičky. Spouštění velkých motorů, svařovací linky, lisy, výrobní linky spouštěné současně. Zde je špička vysoká, ale její energetický obsah je malý. Vyrovnávání špiček pomocí akumulátoru energie v tomto případě vyžaduje systém zaměřený na výkon: vysoký výkon v kW, mírná spotřeba v kWh, rychlost vybíjení nad 1C.

Cyklické chladicí zatížení. V chladírnách a potravinářských závodech tvoří špičku kompresory a odmrazovací cykly, a to vedle trvalého základního zatížení. Časový průběh špiček lze dobře předvídat, proto má EMS čas se na ně připravit. Zde je třeba dimenzovat podle doby chodu, nikoli pouze podle výšky špičky, protože výpadek chlazení způsobuje škody na zboží.

Elektrické dobíjení vozového parku. Jedna rychlodobíjecí stanice DC o výkonu 360 kW sama o sobě generuje prudký špičkový odběr, zatímco souběžné používání více dobíjecích stanic činí špičku nepředvídatelnou. Akumulátorová vyrovnávací kapacita zde nejen snižuje poplatky za výkon, ale může také odložit nutnost rozšíření transformátoru nebo připojení. Na menších provozovnách, v dílnách a u nabíjecích stanic k tomu může stačit již kompaktní systém, například některá z variant akumulátorů EcoFlow.

Dávková výroba. U dávkových procesů v chemickém a farmaceutickém průmyslu není špička trvající jen několik minut, ale jde o delší období s konstantní spotřebou. V takovém případě je limitujícím faktorem kWh, systém se tedy zaměří na energii, s nižší hodnotou C-rate a větší kapacitou.

Jediný společný bod: ve všech případech je třeba vycházet z vlastních čtvrt hodinových datových řad. Konfigurace, která dobře funguje v jiném závodě, může být ve vašem případě zbytečným přetratěním. Volbu ovlivňují také podmínky v místě instalace, od teploty až po stupeň krytí IP.

Kolik stojí překročení výkonu a kdy se investice vrátí?

Je vhodné rozlišovat mezi dvěma samostatnými peněžními toky. Jedním z nich je roční poplatek za sjednaný výkon, který platíte i v případě, že jej nevyčerpáte. Druhým je příplatek za překročení, který se projeví náhle a výrazně.

Podle platných maďarských předpisů je v případě nepovoleného překročení sjednaného výkonu třeba za každý započatý kW překročení platit měsíčně jednu čtvrtinu ročního poplatku za sjednaný výkon. Pokud to nahlásíte předem a povolující orgán to schválí, poplatek se sníží na desetinu, můžete o to však požádat maximálně třikrát za smluvní rok, vždy na jeden kalendářní měsíc. Na jiných trzích se to nazývá jinak, ale logika je stejná: nenahlášený špičkový odběr je nejdražší kilowatt, jaký kdy koupíte.

Zde je třeba vyjasnit jedno časté nedorozumění. Příplatek spadá do oblasti poplatku za užívání systému, který je regulován úřady a je součástí smlouvy o užívání sítě, nikoli obchodní smlouvy. Z tohoto důvodu nezáleží na tom, zda jste uzavřeli smlouvu s pevnou cenou, cenovým vzorcem nebo na základě spotového trhu: příplatek je stejný. Obchodní konstrukce ovlivňuje úspory na straně poplatku za energii, kde smlouva založená na spotových cenách získává další zdroj příjmů v podobě úspor.

U spotřebitelů s inteligentními měřiči je vzorec ještě přímější: základem výkonového poplatku distribuční společnosti za inteligentní měřič je nejvyšší čtvrt hodinový průměrný výkon naměřený v daném měsíci během špičkové zóny. To znamená, že každý měsíc je na faktuře okamžitě vidět, zda úložiště snížilo špičkový výkon. Není třeba čekat celý rok, účinek se projeví již na následující faktuře.

Snížení špičkového výkonu se tak dá přímo vyjádřit v penězích. Vezmi si časovou řadu čtvrthodinových údajů za 12 měsíců, urč, o kolik kW dokážeš snížit měsíční maximum, vynásob to položkou poplatku za výkon ve své tarifě a připočti k tomu ušetřené příplatky. Pokud akumulátor dlouhodobě stabilně udržuje prahovou hodnotu, můžete při příštím smluvním období snížit i sjednaný výkon, což již představuje trvalou úsporu.

Řádově: podle zkušeností z mezinárodních projektů dobře nakonfigurované systémy snižují poplatky za výkon o 20–40 procent, typicky s návratností 3–5 let. Podle údajů amerického NREL může poplatek za výkon tvořit až 30–70 procent faktur pro komerční a průmyslové odběratele. Přesnou hodnotu vám však poskytne pouze vaše vlastní zatěžovací křivka, proto nepřijímejte žádnou nabídku na omezování špičkového odběru, která na ní není založena.

Průmyslové akumulátory FoxESS TMax a TMaxPlus pro aplikace „peak shaving“

Řady FoxESS T-MAX a T-MAX Plus mají kontejnerovou konstrukci typu „vše v jednom“: v jedné jednotce se nachází akumulátor, střídač PCS, systém řízení baterie (BMS), ochranné systémy a řízení. Tím se vám výrazně ulehčí práce spojená s návrhem systému v rámci projektu.

Model T-MAX nabízí výkon střídače 100 kW a kapacitu 215 kWh, model T-MAX Plus pak 125 kW a 241 kWh, s kapalinovým chlazením a integrovanou požární ochranou. Poměr výkonu a kapacity se u obou modelů pohybuje kolem 0,5C, což znamená, že se jedná o dvouhodinové, energeticky orientované systémy.

Použijme na to náš předchozí příklad. Jedna jednotka T-MAX nedokáže pokrýt odběr 180 kW, zatímco dvě jednotky zapojené paralelně poskytují 200 kW a 430 kWh. Výkon je právě dostačující, kapacita však výrazně převyšuje požadovaných 185 kWh. Nejedná se o chybu, ale o vědomé rozhodnutí: nadbytečná kapacita poskytuje rezervu pro stárnutí zařízení a umožňuje také ukládání přebytkové energie z fotovoltaických panelů. Pokud však chcete pouze omezit špičky, vyplatí se podívat se i na alternativu navrženou pro vyšší hodnotu C-rate.

V režimu „peak shaving“ se systém aktivuje při překročení nastavené prahové hodnoty; kromě toho lze nastavit také „load shifting“ a záložní napájení s dobou přepnutí přibližně 10 milisekund. Jednotky T-MAX a T-MAX Plus lze zapojit paralelně, takže systém lze rozšiřovat spolu s nárůstem odběru výkonu nebo výrobní kapacity. Dostupné konfigurace najdete v kategorii akumulátorů FoxESS.

Venkovní instalace je zajištěna krytím IP55 a kapalinovým chlazením, což však neznamená, že není třeba pečlivě zvážit místo instalace. Teplotní rozsah, přístup pro údržbu a protipožární vzdálenosti – to vše ovlivňuje výběr místa; podrobnosti o těchto aspektech najdete v našem článku Venkovní instalace akumulátorů energie. Životnost průmyslového akumulátoru energie je dána instalačním prostředím přinejmenším stejně jako kvalitou článků. Technický list výrobce má vždy přednost před obecně platnými pravidly pro danou kategorii.

Časté dotazy ohledně peak shavingu

Co přesně znamená „peak shaving“? 

Peak shaving znamená, že nejvyšší špičky odběru energie ze sítě pokrýváte z akumulátoru, takže elektroměr zaznamená nižší maximální hodnotu. Množství spotřebované energie se nemění, ale základ pro výpočet poplatku za výkon ano.

Jak velký akumulátor je potřeba k oříznutí špičky o výkonu 100 kW? 

K tomu jsou potřeba dva údaje: výkon, který má být oříznut, a délka nejdelší špičky. Oříznutí špičky o 100 kW při 30minutové špičce vyžaduje 50 kWh užitečné energie, což při 90 % hloubce vybití (DoD) a 92 % účinnosti odpovídá přibližně 60 kWh jmenovité kapacity.

Za jak dlouho se systém pro vyrovnávání špiček (peak shaving) zaplatí? 

Podle mezinárodních údajů z projektů se dobře nakonfigurované systémy zaplatí za 3–5 let, přičemž dojde ke snížení poplatků za výkon o 20–40 procent. Skutečná hodnota závisí na vaší konkrétní tarifní sazbě a tvaru křivky zatížení, proto je třeba návratnost vždy počítat na základě vašich naměřených údajů.

Funguje funkce „peak shaving“ i bez solárních panelů? 

Ano. Systém pro snižování špičkového zatížení s akumulátorem funguje i bez solárních panelů; v takovém případě se akumulátor nabíjí ze sítě v obdobích s nízkým zatížením. Výroba energie ze solárních panelů přináší navíc to, že zlevňuje nabíjení a přináší další úspory na poplatcích za energii.

Stačí k dimenzování údaje o spotřebě za jeden měsíc? 

Ne. Údaje za jeden měsíc zakrývají sezónní špičky, například letní zátěž při chlazení nebo zimní zátěž při vytápění. Je zapotřebí alespoň 12 měsíců čtvrt hodinových dat, jinak bude systém poddimenzován právě v tom měsíci, kdy by byla porucha nejnákladnější.