Uravnoteženje vršnih opterećenja s pohranom energije: industrijske baterije za vršna opterećenja

Pokretanje proizvodne linije, istovremeno uključivanje svih rashladnih kompresora ili punjenje voznog parka viličara može u roku od nekoliko minuta uzrokovati vršni porast potrošnje energije koji čini vaš cjelogodišnji račun za struju skupljim. Iz perspektive mreže nije bitna ukupna količina energije koju koristite, već vaša najveća četvrtina satna potrošnja. Ublažavanje vršne potrošnje usmjereno je upravo na tih nekoliko minuta: vršnu potrošnju pokrivate energijom iz baterije, a ne iz mreže.

U ovom članku objasnit ćemo što zapravo znači smanjenje vršne potrošnje i zašto je 15-minutni interval mjerenja stvarna polazna točka za planiranje. Zatim ćemo pojasniti razliku između kW i kWh, pokazati vam kako izračunati potrebnu snagu pražnjenja i objasniti kako C-stopa i dubina pražnjenja (DoD) određuju veličinu baterije.

Na kraju ćemo pogledati kako smanjenje vršne opterećenosti funkcionira s pohranom energije na različitim industrijskim profilima opterećenja, koliko zapravo košta prekoračenje snage i kada se ulaganje isplati. Koristeći sustave FoxESS TMax i TMaxPlus, također ćemo vas provesti kroz konkretnu vježbu određivanja veličine u praksi.

Što je smanjenje vršne potrošnje: kako radi smanjenje vršne potrošnje pomoću baterija

U praksi, smanjenje vršne potrošnje znači sljedeće: režete najviše vrhove snage uzete iz mreže i nadoknađujete manjak pomoću baterije. Vaša ukupna potrošnja energije neće se smanjiti, ali će se smanjiti vršna snaga koju mjerni uređaj zabilježi.

To vam štedi novac jer se industrijski računi za struju temelje na dvije odvojene naknade. Plaćate naknadu za energiju za potrošene kilovat-sate, dok se naknada za snagu temelji na najvišoj potrošeni snazi. Mrežna tarifa za komercijalne i industrijske potrošače obično je strukturirana upravo ovako: naknada za energiju temeljena na kWh i naknada za snagu temeljena na kW, pri čemu je potonja proporcionalna najvišem vršnom opterećenju izmjerenom tijekom obračunskog razdoblja.

Smanjenje vršnog opterećenja pomoću baterije odvija se u tri faze. Sustav za pohranu energije puni se tijekom razdoblja niskog opterećenja, bilo iz mreže ili iz solarne proizvodnje. Kada se potrošnja približi postavljenom pragu, sustav se automatski prebacuje u način pražnjenja, a baterija pokriva dio koji prelazi prag. Ciklusi se ponavljaju svakodnevno, dok sustav za upravljanje energijom kontinuirano nadzire potrošnju, razinu punjenja i proizvodnju.

Vrijedi to razlikovati od pomicanja opterećenja, s čime se često brka. Kod pomicanja opterećenja jednostavno se potrošnja prebacuje na drugi vremenski period – na primjer, prebacivanjem punjenja voznog parka na noćno razdoblje. Za razliku od toga, smanjenje vršne potrošnje ne ometa tehnološki proces: strojevi rade kada je potrebno; vršna potrošnja jednostavno nestaje iz perspektive mreže. Upravo zato to funkcionira čak i u postrojenjima u kojima se raspored proizvodnje ne može prilagoditi.

Zašto je važno analizirati i smanjiti 15-minutne vršne opterećenja pri planiranju smanjenja vršnog opterećenja?

Za industrijske korisnike kojima se obračunava prema vremenskoj seriji, mrežni operater ne gleda trenutačne vrijednosti. Krivulja opterećenja sastoji se od podataka za četvrt sata, a maksimalna potrošnja snage je najviša četvrt-satna prosječna snaga zabilježena na brojilu. Ovaj podatak čini osnovu za naplatu snage, a ista 15-minutna logika primjenjuje se i u europskoj praksi naplate.

Posljedica je da svaki skok snage nije skup. Uzmimo postrojenje s osnovnim opterećenjem od 400 kW. Ako dodatno opterećenje od 250 kW traje 12 minuta, četvrtinašni prosjek iznosi 400 + 250 × (12/15) = 600 kW. Ako isto to 250 kW traje samo 3 minute, prosjek iznosi samo 450 kW. Ista vršna snaga, ali razlika od 150 kW u naplati.

Zato svako ozbiljno planiranje započinje preuzimanjem T-krivulje. Trebat će vam podaci za četvrt sata za najmanje 12 mjeseci, koje možete dobiti od mrežnog operatera ili vašeg opskrbljivača električnom energijom. To otkriva koliko vršnih opterećenja ima u mjesecu, koliko dugo traju i koliko energije sadrže.

Smanjenje vršne potražnje za snagom ovisi o ovom skupu podataka. Ako krivulja pokazuje 30–40 kratkih vrhova koji su rijetko raspoređeni, potreban je sustav s malom kapacitetom, ali velikom isporučenom snagom. S druge strane, ako vidite duga razdoblja ravne potrošnje koja se ponavljaju svakodnevno, kapacitet će biti usko grlo. Bez podataka, sve dimenzioniranje je nagađanje, a loše postavljena prag-vrijednost može poništiti cjelomjesečnu uštedu zbog samo jednog propuštenog četvrt sata.

kW ili kWh? Uloga snage i kapaciteta skladištenja energije

Ove dvije brojke odgovaraju na dva različita pitanja. Kilovat vam govori koliko snage sustav može isporučiti u bilo kojem trenutku, dok kilovat-sat govori koliko dugo može održavati taj izlaz. Prilikom planiranja smanjenja vršne potrošnje trebate oboje, i ta se dva pojma ne mogu međusobno zamijeniti.

Industrija razlikuje sustave usmjerene na snagu i sustave usmjerene na energiju; omjer između njih poznat je kao omjer snage i energije. Sustav od 1 MW / 0.5 MWh radi na polusatnoj osnovi i stoga je usmjeren na snagu. Struktura troškova također je podijeljena na dva dijela: trošak energije (po kWh) određuju ćelije, rackovi i DC integracija, dok trošak snage (po kW) određuju inverter, transformator i ožičenje za visoku struju. Prilikom zatražene ponude morate ih navesti odvojeno; inače ponude neće biti usporedive.

Najčešća dizajnerska pogreška je razmišljati isključivo u kWh. Sustav za pohranu energije od 200 kWh na papiru izgleda kao puno, ali ako njegov inverter može isporučiti samo 50 kW, neće moći podnijeti vršnu snagu od 120 kW. Suprotno također vrijedi: izlazna snaga od 150 kW nema koristi ako se temeljni kapacitet iscrpi nakon 20 minuta, dok se četvrtinska vršna snaga ponavlja nekoliko puta dnevno.

Stoga je ispravan postupak sljedeći: prvo odredite potrebnu snagu u kW iz krivulje opterećenja, a zatim izračunajte potrošnju u kWh na temelju trajanja vršnih opterećenja. Omjer tih dviju vrijednosti daje C-stopu, koja pak određuje kapacitet opterećenja i vijek trajanja ćelija.

Kako se može izračunati potrebna snaga pražnjenja za sustav za ravnanje vršnih opterećenja?

Samoj je formula jednostavna: potrebna snaga pražnjenja razlika je između izmjerenog četvrtinskog vršnog opterećenja i zadane pragovne vrijednosti. Kapacitet možete izvesti pomoću jednadžbe koja se često koristi u ovoj industriji, gdje je potrebna energija proizvod snage i trajanja pražnjenja, podijeljeno s dubinom pražnjenja i cikličkom učinkovitošću. Nemojte mijenjati ovaj redoslijed: kW je ulaz, kWh je rezultat.

Pogledajmo konkretan primjer. Na krivulji opterećenja, najviša četvrtina satna prosječna vrijednost iznosi 780 kW; vaš je cilj ostati ispod 600 kW. Potrebna snaga stoga iznosi 780 − 600 = 180 kW. Krivulja također pokazuje da najduži vršni događaj traje 45 minuta, odnosno 0,75 sata.

Korisna energija je stoga 180 × 0,75 = 135 kWh. Međutim, to još nije kapacitet koji treba kupiti. Ako izračunate koristeći dubinu pražnjenja od 90 posto i učinkovitost ciklusa od 92 posto, nominalni kapacitet je 135 / (0,9 × 0,92) = 163 kWh.

Postoje još dvije stvari koje treba uzeti u obzir. Prvo, predvidite rezervu od 10–15 posto za starenje ćelija, jer će sustav do kraja jamstvenog roka isporučivati manje energije nego u prvoj godini. Drugo, provjerite događaju li se dva vršna događaja toliko blizu da se sustav za pohranu ne može napuniti između njih. To dovodi do dimenzioniranja od oko 180 kW i otprilike 185 kWh, što je stvarna, a ne teorijska vrijednost.

C-stopa i DoD: kako utječu na dimenzioniranje industrijskih sustava za pohranu energije?

C-stopa je omjer snage i kapaciteta. Sustav od 1C isprazni svoju nazivnu energiju u jednom satu, dok to sustav od 0,5C učini u dva sata. 180 kW i 185 kWh iz našeg ranijeg primjera otprilike odgovaraju 1C.

Primjene za izravnavanje vršnih opterećenja obično rade pri brzini pražnjenja od oko 1C. Za oštre, kratke vrhunce može biti opravdana stopa od 1,5C, što daje prozor za pražnjenje od otprilike 40 minuta. Za duže, ravnije vrhunce, 0,5C je pravi izbor, s dvosatnim prozorom. Ne postoji jedna ispravna vrijednost; odlučujući čimbenici su duljina i oblik događaja vrhunca.

Naručivanje veće C-stope od potrebne ima dvije mane: ulaganje će biti skuplje, a vijek trajanja kraći. LFP ćelije mogu postići 6.000–8.000 ciklusa pri 0,5C, što, uz 80 posto dubine pražnjenja i jedan ciklus dnevno, odgovara vijeku trajanja od preko 16 godina.

DoD označava koji postotak nominalnog kapaciteta zapravo koristite. Upotrebljiva energija je proizvod nominalne kapacitivnosti i DoD-a; stoga sustav od 4.000 kWh isporučuje 3.600 kWh pri 90-postotnom DoD-u. Zbog ravne krivulje napona karakteristične za LFP kemiju, obično radi na dubini pražnjenja od 90–95 posto.

Stoga, pri odabiru veličine industrijskog sustava za pohranu energije, uvijek polazite od korisne energije, a ne od nominalne vrijednosti navedene u katalogu. Dublje pražnjenje ubrzava degradaciju, zbog čega se za izravnavanje vršnih opterećenja obično koriste kratki, ciljani prozori za pražnjenje: sustav za pohranu energije uključuje se samo kada opterećenje premaši prag.

Izravnavanje vršnih opterećenja s pohranom energije za različite industrijske profile opterećenja

Isto rješenje nije pogodno za svaku tvornicu. Oblik krivulje opterećenja određuje je li potreban sustav orijentiran na snagu ili na energiju. Tri su karakteristike koje ukazuju na dobru isplativost: visok omjer vršne i prosječne vrijednosti, predvidljivo vrijeme i tehnološki proces koji se ne može odgoditi.

Izraženi, kratki, ponavljajući vrhunci. Pokretanje velikih motora, zavarivačkih linija, preša, proizvodnih linija koje se pokreću istovremeno. Ovdje je vrhunac visok, ali njegov energetski sadržaj je nizak. Uklanjanje vršnih opterećenja s energetskim skladištenjem u ovom slučaju zahtijeva sustav orijentiran na snagu: visoki kW, umjereni kWh, brzina pražnjenja iznad 1C.

Cikličko rashladno opterećenje. U hladnjačama i pogonima za preradu hrane, kompresori i ciklusi odmrzavanja generiraju vršni opterećenje, uz kontinuirano osnovno opterećenje. Vremenski raspored vršnih opterećenja lako je predvidljiv, pa EMS ima vremena za pripremu. U ovom slučaju sustav se mora dimenzionirati za trajanje opterećenja, a ne samo za vršnu razinu, jer bi gubitak hlađenja doveo do oštećenja robe.

Punjenje električne flote. Jedan brzi punjač istosmjerne struje od 360 kW samostalno stvara strm vršni opterećenje, dok istovremena upotreba više punionica čini opterećenje nepredvidivim. Baterijski akumulator ovdje ne samo da smanjuje snagu punjenja, već može i odgoditi potrebu za nadogradnjom transformatora ili priključka. Na manjim lokacijama, u radionicama i na tokovima punjenja, kompaktan sustav – poput jedne od varijanti sustava za pohranu energije tvrtke EcoFlow – možda je već dovoljan.

Serijska proizvodnja. U kemijskim i farmaceutskim serijskim procesima vrhunac nije pitanje od nekoliko minuta, već duži plato. U takvim slučajevima kWh postaje usko grlo, a sustav postaje energetski optimiziran, s nižom stopom C i većim kapacitetom.

Jedini zajednički čimbenik: u svakom slučaju svoju odluku morate temeljiti na vlastitoj seriji četvrtinsatskih podataka. Konfiguracija koja dobro funkcionira na drugoj lokaciji mogla bi čak dovesti do nepotrebnog prekomjernog trošenja na vašoj lokaciji. Uvjeti na mjestu instalacije također utječu na odabir, od temperature do IP oznake.

Koliko košta prekoračenje ugovorene snage i kada će se ulaganje isplatiti?

Vrijedi razlikovati dva odvojena novčana toka. Jedan je godišnja naknada za kapacitet koja se plaća za ugovoreni kapacitet, a koju plaćate čak i ako ga ne koristite u potpunosti. Drugi je dodatna naknada za prekoračenje kapaciteta, koja vas pogađa iznenada i snažno.

Prema važećim mađarskim propisima, u slučaju neovlaštenog prekoračenja ugovorene snage, morate platiti četvrtinu godišnje naknade za ugovorenu snagu za svaki kW prekoračenja započetog u pojedinom mjesecu. Ako date prethodnu obavijest i nositelj licence to odobri, naknada se smanjuje na jednu desetinu; međutim, to možete zatražiti najviše tri puta po ugovornoj godini, za jedan kalendarski mjesec odjednom. Na drugim tržištima terminologija se može razlikovati, ali logika je ista: neprijavljeni vršni opterećenje je najskuplji kilovat koji ćete ikada kupiti.

Vrijedi ovdje razjasniti čest nesporazum. Nadoplata je dio naknade za korištenje sustava, koju reguliraju nadležna tijela i koja je dio ugovora o korištenju mreže, a ne komercijalnog ugovora. Iz tog razloga nije važno jeste li ugovorili naknadu za energiju po fiksnoj cijeni, formuli ili spot-cijeni: nadoplata ostaje ista. Ugovor o opskrbi utječe na uštede na strani troškova energije, gdje ugovor na spot-cijeni također pruža dodatni izvor prihoda uz komponentu skladištenja.

Za potrošače s pametnim brojilima formula je još jednostavnija: naknada operatera distribucijskog sustava za kapacitet pametnog brojila temelji se na najvišoj četvrtinskoj prosječnoj snazi izmjerenoj tijekom vršnih razdoblja u danom mjesecu. Drugim riječima, na mjesečnom računu odmah je vidljivo je li jedinica za pohranu snizila vršnu potrošnju. Ne postoji godišnje razdoblje čekanja; učinak se pojavljuje već na sljedećem računu.

Smanjenje vršne snage stoga se može izraziti izravno u novčanim iznosima. Uzmite skup 12-mjesečnih podataka u četvrtinskim intervalima, izračunajte za koliko kW možete smanjiti mjesečni maksimum, pomnožite taj iznos s cijenom snage u vašoj tarifi i dodajte izbjegnute nadoplatu. Ako sustav za pohranu dosljedno održava prag na duži rok, možete smanjiti i svoju ugovorenu snagu pri sljedećem obnavljanju ugovora, što predstavlja trajnu uštedu.

Što se tiče razmjera: prema međunarodnom iskustvu s projektima, dobro konfigurirani sustavi smanjuju naknade temeljene na kapacitetu za 20–40 posto, obično s razdobljem povrata ulaganja od 3 do 5 godina. Prema podacima američkog NREL-a, naknade za kapacitet mogu činiti i do 30–70 posto računa za komercijalne i industrijske korisnike. Međutim, samo će vam vlastita krivulja opterećenja dati točan podatak, stoga ne prihvaćajte nijednu ponudu za smanjenje vršnog opterećenja koja se na to ne temelji.

FoxESS TMax i TMaxPlus industrijski sustavi za pohranu energije za primjenu ravnoteženja vršne potrošnje

Serije FoxESS T-MAX i T-MAX Plus odlikuje kontejnerizirani, sve-u-jednom dizajn: baterija, PCS inverter, BMS, zaštitni sustavi i upravljačka jedinica smješteni su u jednoj jedinici. Time vam se znatno olakšava projektiranje sustava.

T-MAX nudi 100 kW snage invertera i 215 kWh kapaciteta, dok T-MAX Plus nudi 125 kW i 241 kWh, s tekućim hlađenjem i ugrađenom zaštitom od požara. Omjer snage i kapaciteta za oba iznosi oko 0,5C, što znači da su to dvosatni, na energiju orijentirani sustavi.

Primijenimo to na naš prethodni primjer. Jedan T-MAX ne može ispuniti zahtjev za ispuštanje od 180 kW, ali dva uređaja spojena paralelno pružaju 200 kW i 430 kWh. Iznos snage je taman dovoljan, ali kapacitet je znatno veći od potrebnih 185 kWh. To nije greška, već stvar svjesnog izbora: višak kapaciteta služi kao zaštita od starenja i omogućuje pohranu viška solarne energije. Međutim, ako želite samo smanjiti vršnu potrošnju, vrijedi razmotriti alternative dizajnirane za višu C-stopu.

U načinu za smanjenje vršne potrošnje sustav se aktivira kada se prekorači postavljeni prag; moguće je konfigurirati i pomicanje opterećenja i rezervno napajanje, s vremenom prebacivanja od približno 10 milisekundi. Uređaji T-MAX i T-MAX Plus mogu raditi paralelno, što omogućuje proširenje sustava u skladu s povećanjem ugovorene snage ili kapaciteta proizvodnje. Dostupne konfiguracije pronaći ćete u kategoriji energetskog pohranjivanja tvrtke FoxESS.

Vanjsku instalaciju omogućuju zaštita IP55 i tekuće hlađenje; to, međutim, ne znači da lokacija instalacije ne zahtijeva pažljivo razmatranje. Temperaturni raspon, servisni pristup i protupožarne udaljenosti utječu na odabir lokacije; o tome možete detaljno pročitati u našem članku o vanjskoj instalaciji sustava za pohranu energije. Rok trajanja industrijskog sustava za pohranu energije u najmanju je mjeri određen okolinom u kojoj se instalira, kao i kvalitetom ćelija. Podaci proizvođača uvijek imaju prednost nad generalizacijama na razini kategorije.

Često postavljana pitanja o izravnavajućem uređaju

Što točno znači "izravnavanje vršnih opterećenja"? 

Izravnavanje vršnih opterećenja znači pokrivanje najviših vrhova potrošnje snage iz mreže pomoću baterije, tako da mjerač bilježi niži maksimum. Količina potrošene energije ostaje ista, ali se mijenja osnova za naplatu snage.

Koliki energetski sustav za pohranu je potreban za smanjenje vršne snage od 100 kW? 

Potrebne su dvije brojke: snaga koja se treba smanjiti i trajanje najdužeg vršnog opterećenja. Smanjenje vršnog opterećenja od 100 kW tijekom 30-minutnog događaja zahtijeva 50 kWh korisne energije, što, uz dubinu pražnjenja (DoD) od 90 posto i učinkovitost od 92 posto, odgovara nominalnom kapacitetu od otprilike 60 kWh.

Koliko je vremena potrebno da se sustav za smanjenje vršne potrošnje isplati? 

Prema podacima iz međunarodnih projekata, dobro konfigurirani sustavi isplate se u roku od 3–5 godina, uz smanjenje troškova za električnu energiju za 20–40 posto. Stvarna brojka ovisi o vašoj specifičnoj tarifi i obliku vaše krivulje opterećenja, stoga se razdoblje povrata uvijek mora izračunati na temelju vaših vlastitih izmjerenih podataka.

Radi li smanjenje vršne potrošnje bez solarnih panela? 

Da. Ublažavanje vršnih opterećenja s baterijom funkcionira i bez solarnih panela; u tom slučaju se baterija puni iz mreže tijekom razdoblja niske potražnje. Generacija iz solarnih panela tome doprinosi tako što punjenje čini jeftinijim i donosi dodatne uštede na računima za energiju.

Jesu li podaci o potrošnji za jedan mjesec dovoljni za određivanje veličine? 

Ne. Podaci od jednog mjeseca prikrivaju sezonske vrhove, kao što su ljetno hlađenje ili zimske potrebe za grijanjem. Potrebno je najmanje 12 mjeseci četvrt-satnih podataka; u suprotnom će sustav biti premali upravo u mjesecu kada bi kvar bio najskuplji.