Reducerea vârfurilor de consum cu ajutorul unui sistem de stocare a energiei: baterie industrială pentru sarcini de vârf

Pornirea liniei de producție, activarea simultană a compresoarelor de răcire sau încărcarea unei flote de stivuitoare generează, în doar câteva minute, un vârf de consum care va majora factura anuală de energie electrică. Din perspectiva rețelei, nu contează câtă energie consumați în total, ci care a fost cea mai mare sarcină pe un sfert de oră. „Peak shaving” vizează exact aceste câteva minute: acoperiți vârful de consum din baterie, nu din rețea.

În acest articol vom analiza ce înseamnă „peak shaving” și de ce intervalul de măsurare de 15 minute reprezintă adevăratul punct de plecare al proiectării. Apoi vom clarifica diferența dintre kW și kWh, vom arăta cum se calculează puterea de descărcare necesară și cum C-rate și DoD determină dimensiunea bateriei.

În final, vom analiza modul în care funcționează reducerea vârfurilor de consum cu ajutorul unui sistem de stocare a energiei în cazul unor profiluri de sarcină industriale diferite, cât costă de fapt o depășire a puterii și când se amortizează investiția. De asemenea, pe baza sistemelor FoxESS TMax și TMaxPlus, vă vom ghida pas cu pas printr-un proces concret de dimensionare.

Ce înseamnă „peak shaving”: așa funcționează reducerea vârfurilor de sarcină cu ajutorul bateriilor

În practică, „peak shaving” înseamnă următorul lucru: reduceți vârfurile cele mai înalte ale puterii preluate din rețea și compensați partea lipsă cu ajutorul bateriei. Consumul total de energie nu va fi mai mic, dar valoarea maximă a puterii înregistrată de contor va fi mai mică.

Acest lucru este avantajos din punct de vedere financiar, deoarece factura de energie electrică industrială se bazează pe două elemente distincte. Taxa de energie se plătește pentru kilowați-oră consumați, iar taxa de putere se plătește pentru puterea maximă preluată. Tariful de rețea pentru consumatorii comerciali și industriali este, de obicei, structurat exact astfel: taxa de energie pe baza kWh și taxa de putere pe baza kW, aceasta din urmă fiind proporțională cu cel mai mare vârf măsurat în perioada de facturare.

Reducerea consumului de vârf cu ajutorul bateriilor se desfășoară în trei etape. Dispozitivul de stocare a energiei se încarcă în perioadele de consum redus, fie de la rețea, fie din producția de energie solară. Când consumul se apropie de pragul setat, sistemul trece automat în modul de descărcare, iar partea care depășește pragul este acoperită de baterie. Ciclul se repetă zilnic, iar sistemul de gestionare a energiei monitorizează continuu consumul, nivelul de încărcare și producția.

Merită să facem distincția față de „load shifting”, cu care este adesea confundat. În cazul „load shifting”, consumul în sine este transferat într-o altă perioadă, de exemplu, încărcarea flotei este mutată pe timpul nopții. Pe de altă parte, „peak shaving” nu intervine în procesul tehnologic: utilajul funcționează atunci când trebuie să funcționeze, doar că, din perspectiva rețelei, vârful de consum dispare. Tocmai de aceea funcționează chiar și în unitățile în care programul de producție nu poate fi modificat.

De ce este importantă analiza și reducerea vârfurilor de putere de 15 minute în planificarea „peak shaving”?

În cazul consumatorilor industriali cu facturare pe serie temporală, operatorul de rețea nu ia în considerare valorile instantanee. Curba de sarcină este alcătuită din date pe sfert de oră, iar puterea maximă consumată este puterea medie maximă pe sfert de oră înregistrată de contor. Această valoare va sta la baza tarifului de putere, iar aceeași logică de 15 minute se aplică și în practica europeană de facturare.

Consecința este că nu orice vârf de consum este costisitor. Să luăm ca exemplu o instalație cu o sarcină de bază de 400 kW. Dacă o sarcină suplimentară de 250 kW se menține timp de 12 minute, media pe sfert de oră este 400 + 250 × (12/15) = 600 kW. Dacă aceeași suprasarcină de 250 kW durează doar 3 minute, media este de numai 450 kW. Aceeași putere de vârf, o diferență de 150 kW în facturare.

De aceea, orice proiectare serioasă începe cu descărcarea curbei T. Sunt necesare date pe sfert de oră pentru cel puțin 12 luni, pe care le obțineți de la operatorul de rețea sau de la furnizor. Din acestea reiese câte vârfuri de consum există într-o lună, cât durează fiecare și ce cantitate de energie reprezintă.

Reducerea vârfurilor de putere se bazează pe acest set de date. Dacă curba prezintă 30-40 de vârfuri scurte, distanțate între ele, este necesar un sistem cu capacitate redusă, dar cu putere mare. Dacă, în schimb, observați platouri lungi care se repetă zilnic, capacitatea va fi punctul de blocaj. Fără date, orice dimensionare este o presupunere, iar un prag de alertă setat incorect poate anula întreaga economie lunară din cauza unui singur sfert de oră omis.

kW sau kWh? Rolul puterii și al capacității de stocare a energiei

Cele două valori răspund la două întrebări diferite. Kilowattul indică câtă energie poate livra sistemul simultan, iar kilowattora indică cât timp poate susține această livrare. La proiectarea sistemelor de reducere a vârfurilor de consum (peak shaving), ai nevoie de ambele valori, iar cele două nu se pot înlocui reciproc.

În domeniu se face distincția între sistemele orientate către putere și cele orientate către energie, iar raportul dintre cele două este reprezentat de raportul putere-energie (power-to-energy ratio). Un sistem de 1 MW / 0,5 MWh este orientat către putere, adică pe o durată de jumătate de oră. Structura costurilor se împarte, de asemenea, în două: costul energiei (calculat pe kWh) este dat de celule, rafturi și integrarea DC, iar costul puterii (calculat pe kW) este dat de invertor, transformator și cablajul de curent puternic. Atunci când soliciți o ofertă, trebuie să le specifici pe amândouă separat, altfel ofertele nu vor fi comparabile.

Cea mai frecventă greșeală de proiectare este aceea de a gândi doar în termeni de kWh. Un sistem de stocare de 200 kWh pare mult pe hârtie, dar dacă invertorul său furnizează doar 50 kW, atunci nu va putea acoperi un vârf de 120 kW. Este valabil și invers: o putere de ieșire de 150 kW nu are niciun rost dacă capacitatea din spate se epuizează după 20 de minute, iar vârful de un sfert de oră se repetă de mai multe ori pe zi.

Ordinea corectă este, așadar, următoarea: mai întâi se determină puterea necesară (kW) pe baza curbei de sarcină, apoi se calculează kWh-ul în funcție de durata vârfurilor. Raportul dintre cele două valori dă C-rate-ul, care determină la rândul său capacitatea de încărcare și durata de viață a celulelor.

Cum se calculează puterea de descărcare necesară pentru un sistem de reducere a vârfurilor de consum?

Formula în sine este simplă: puterea de descărcare necesară este diferența dintre vârful măsurat pe sfert de oră și pragul stabilit. Capacitatea se obține folosind relația utilizată în acest sector, în care energia necesară este produsul dintre putere și durata de descărcare, împărțit la adâncimea de descărcare și la randamentul ciclului. Nu inversa această ordine: kW este intrarea, iar kWh este rezultatul.

Să analizăm un caz concret. Pe curba de sarcină, media pe sfert de oră cea mai ridicată este de 780 kW, iar obiectivul tău este să rămâi sub 600 kW. Prin urmare, puterea necesară este de 780 − 600 = 180 kW. Din curbă reiese, de asemenea, că cel mai lung eveniment de vârf durează 45 de minute, adică 0,75 ore.

Astfel, energia utilă este de 180 × 0,75 = 135 kWh. Totuși, aceasta nu reprezintă încă capacitatea care trebuie achiziționată. Dacă iei în calcul o adâncime de descărcare de 90% și un randament al ciclului de încărcare-descărcare de 92%, capacitatea nominală este de 135 / (0,9 × 0,92) = 163 kWh.

Mai trebuie să iei în calcul două aspecte. Pe de o parte, o rezervă de 10-15% pentru îmbătrânirea celulelor, deoarece la sfârșitul perioadei de garanție sistemul va furniza mai puțină energie decât în primul an. Pe de altă parte, verifică dacă se întâmplă ca două evenimente de vârf să fie atât de apropiate unul de celălalt încât sistemul de stocare să nu se poată reîncărca între ele. Astfel, dimensionarea se stabilește la aproximativ 180 kW și 185 kWh, ceea ce reprezintă o valoare reală, nu teoretică.

C-rate și DoD: cum influențează dimensionarea sistemelor industriale de stocare a energiei?

C-rate este raportul dintre putere și capacitate. Un sistem de 1C eliberează energia nominală într-o oră, iar unul de 0,5C în două ore. Valoarea de 180 kW și 185 kWh din exemplul anterior reprezintă aproximativ 1C.

Aplicațiile de reducere a vârfurilor de consum funcționează de obicei cu o viteză de descărcare de aproximativ 1C. În cazul vârfurilor ascuțite și scurte, poate fi justificată și o rată de 1,5C, ceea ce oferă o fereastră de descărcare de aproximativ 40 de minute. Pentru vârfuri mai lungi și mai plate, 0,5C este alegerea potrivită, cu o fereastră de două ore. Nu există o singură valoare corectă; durata și forma evenimentului de vârf sunt decisive.

Comandarea unui C-rate mai mare decât este necesar are două dezavantaje: investiția va fi mai scumpă, iar durata de viață va fi mai scurtă. Celulele LFP ating 6000–8000 de cicluri la 0,5C, ceea ce, la o adâncime de descărcare de 80%, înseamnă o durată de funcționare de peste 16 ani, la un ciclu pe zi.

DoD indică procentul din capacitatea nominală pe care îl utilizezi efectiv. Energia utilă este produsul dintre capacitatea nominală și DoD; astfel, un sistem de 4000 kWh oferă 3600 kWh la un DoD de 90%. Datorită curbei de tensiune plate a chimiei LFP, acesta funcționează de obicei la o adâncime de descărcare de 90-95%.

Prin urmare, la dimensionarea unui sistem industrial de stocare a energiei, porniți întotdeauna de la energia utilă, nu de la valoarea nominală din catalog. O descărcare mai profundă accelerează degradarea, de aceea sistemul de reducere a vârfurilor de consum (peak shaving) funcționează mai degrabă cu intervale de descărcare scurte și țintite: sistemul de stocare intervine doar atunci când sarcina depășește pragul stabilit.

Reducerea vârfurilor de consum cu ajutorul unui sistem de stocare a energiei în cazul diferitelor profiluri de sarcină industrială

Nu există o soluție universală valabilă pentru toate instalațiile. Forma curbei de sarcină determină dacă este necesar un sistem orientat către putere sau unul orientat către energie. Trei caracteristici indică o rentabilitate bună: un raport ridicat vârf-medie, o sincronizare previzibilă și un proces tehnologic care nu poate fi reprogramat.

Vârfuri accentuate, scurte și repetitive. Pornirea motoarelor mari, liniile de sudură, presele, liniile de producție care pornesc simultan. În acest caz, vârful este ridicat, dar conținutul energetic este redus. Reducerea vârfurilor cu ajutorul unui acumulator de energie necesită, în acest caz, un sistem orientat către putere: kW mare, kWh moderat, viteză de descărcare peste 1C.

Sarcină ciclică de răcire. În depozitele frigorifice și în fabricile din industria alimentară, compresoarele și ciclurile de dezghețare generează vârfurile de consum, pe lângă sarcina de bază continuă. Momentul apariției vârfurilor este ușor de prevăzut, astfel încât sistemul EMS are timp să se pregătească. În acest caz, dimensionarea trebuie să țină cont de durata de funcționare, nu doar de amploarea vârfului, deoarece întreruperea răcirii provoacă pierderi de marfă.

Încărcarea electrică a flotei. Un încărcător rapid de curent continuu (DC) de 360 kW generează, în sine, un vârf abrupt, iar utilizarea simultană a mai multor puncte de încărcare face ca situația să devină imprevizibilă. În acest caz, acumulatorul tampon nu numai că reduce costurile legate de putere, dar poate amâna și extinderea transformatorului sau a rețelei de racordare. În cazul amplasamentelor mai mici, al atelierelor și al punctelor de încărcare, un sistem compact, cum ar fi una dintre variantele de acumulatori de energie EcoFlow, poate fi suficient.

Producție discontinuă. În cazul proceselor discontinue din industria chimică și farmaceutică, vârful de consum nu durează câteva minute, ci reprezintă o perioadă mai lungă de consum constant. În acest caz, kWh-ul reprezintă punctul de strangulare, iar sistemul devine orientat către energie, cu un C-rate mai mic și o capacitate mai mare.

Singurul punct comun: în fiecare caz, trebuie să porniți de la propriul set de date pe sfert de oră. O configurație care funcționează bine la o altă unitate de producție ar putea reprezenta chiar o cheltuială inutilă în cazul dumneavoastră. Caracteristicile locului de instalare influențează, de asemenea, alegerea, de la temperatură până la gradul de protecție IP.

Cât costă depășirea puterii și când se amortizează investiția?

Merită să se facă distincția între două fluxuri de numerar distincte. Unul este taxa anuală de putere plătită pentru puterea contractată, pe care o plătești chiar dacă nu o utilizezi în totalitate. Celălalt este suprataxa pentru depășire, care se aplică brusc și are un impact semnificativ.

Conform reglementărilor maghiare în vigoare, în cazul depășirii neautorizate a puterii contractate, pentru fiecare kW început trebuie plătit lunar un sfert din taxa anuală de putere contractată. Dacă anunți acest lucru în avans și autoritatea competentă îl aprobă, taxa se reduce la o zecime, însă poți solicita acest lucru de cel mult trei ori pe an contractual, de fiecare dată pentru o lună calendaristică. Pe alte piețe denumirea este diferită, dar logica este aceeași: vârful de consum neanunțat reprezintă cel mai scump kilowatt pe care îl vei cumpăra vreodată.

Merită să clarificăm aici o neînțelegere frecventă. Suprataxa se încadrează în categoria tarifului de utilizare a rețelei, care este reglementat de autorități și face parte din contractul de utilizare a rețelei, nu din contractul comercial. Din acest motiv, nu contează dacă ai încheiat un contract cu tarif fix, pe bază de formulă de preț sau pe bază de preț spot: suprataxa este aceeași. Structura comercială influențează economiile realizate la nivelul tarifului pentru energie; în acest caz, contractul bazat pe piața spot beneficiază de o sursă suplimentară de venituri.

În cazul consumatorilor cu contoare inteligente, formula este și mai directă: baza taxei de putere a distribuitorului pentru contoarele inteligente este puterea medie pe sfert de oră cea mai mare măsurată în luna respectivă, în intervalul orar de vârf. Adică, în fiecare lună se vede imediat pe factură dacă sistemul de stocare a redus vârful de consum. Nu este nevoie să aștepți un an, efectul apare pe factura următoare.

Reducerea vârfului de putere se poate exprima astfel direct în bani. Ia seria de date pe sfert de oră din ultimele 12 luni, determină cu câți kW poți reduce maximul lunar, înmulțește cu componenta de putere din tariful tău și adaugă penalizările evitate. Dacă sistemul de stocare menține pragul la un nivel stabil pe termen lung, la următoarea reînnoire a contractului poți reduce și puterea angajată, ceea ce reprezintă deja o economie permanentă.

În termeni de ordine de mărime: conform experiențelor din proiecte internaționale, sistemele bine configurate reduc taxele bazate pe putere cu 20-40%, cu o perioadă de recuperare a investiției de obicei între 3 și 5 ani. Conform datelor NREL din SUA, taxa de putere poate reprezenta chiar și 30-70% din facturile comerciale și industriale. Cu toate acestea, doar propria curba de sarcină vă poate oferi cifra exactă, de aceea nu acceptați o ofertă de reducere a vârfurilor de consum care nu se bazează pe aceasta.

Sistemele industriale de stocare a energiei FoxESS TMax și TMaxPlus pentru aplicații de reducere a vârfurilor de consum

Seriile FoxESS T-MAX și T-MAX Plus au o structură de tip container, „all-in-one”: într-o singură unitate se află bateria, invertorul PCS, sistemul de management al bateriei (BMS), sistemele de protecție și sistemul de control. Acest lucru vă scutește de o parte semnificativă a muncii de proiectare a sistemului.

Modelul T-MAX oferă o putere a invertorului de 100 kW și o capacitate de 215 kWh, iar modelul T-MAX Plus oferă 125 kW și 241 kWh, cu răcire cu lichid și protecție împotriva incendiilor integrată. Raportul dintre putere și capacitate este de aproximativ 0,5C pentru ambele modele, ceea ce înseamnă că vorbim despre sisteme orientate către stocarea energiei pe o durată de două ore.

Să aplicăm acest lucru la exemplul nostru anterior. Un singur T-MAX nu acoperă cerința de descărcare de 180 kW, însă două unități conectate în paralel furnizează 200 kW și 430 kWh. Puterea este exact suficientă, însă capacitatea este cu mult mai mare decât cei 185 kWh necesari. Aceasta nu este o eroare, ci o chestiune de decizie conștientă: capacitatea suplimentară oferă o rezervă pentru uzura în timp și permite, de asemenea, stocarea surplusului de energie produs de panourile solare. Dacă, însă, doriți doar să reduceți vârful de consum, merită să luați în considerare și o alternativă proiectată pentru un C-rate mai ridicat.

În modul „Peak shaving”, sistemul se activează la depășirea pragului setat; în plus, se pot configura funcțiile de „load shifting” și de alimentare de rezervă, cu un timp de comutare de aproximativ 10 milisecunde. Unitățile T-MAX și T-MAX Plus pot fi conectate în paralel, astfel încât sistemul poate fi extins odată cu creșterea puterii contractate sau a capacității de producție. Configurațiile disponibile le găsești în categoria acumulatorilor de energie FoxESS.

Instalarea în exterior este asigurată prin gradul de protecție IP55 și răcirea cu lichid, însă acest lucru nu înseamnă că nu trebuie să se acorde atenție locului de instalare. Intervalul de temperatură, accesul pentru întreținere și distanțele de siguranță împotriva incendiilor influențează toate alegerea locației; poți citi detalii despre acestea în articolul nostru „Instalarea în exterior a sistemelor de stocare a energiei”. Durata de viață a unui sistem industrial de stocare a energiei este determinată de mediul de instalare cel puțin la fel de mult ca și de calitatea celulelor. Fișa tehnică a producătorului prevalează întotdeauna asupra generalizărilor la nivel de categorie.

Întrebări frecvente despre reducerea vârfurilor de consum

Ce înseamnă exact „peak shaving”? 

Reducerea vârfurilor de consum (peak shaving) înseamnă că acoperiți vârfurile cele mai ridicate ale puterii preluate din rețea cu ajutorul bateriei, astfel încât contorul să înregistreze un maxim mai scăzut. Cantitatea de energie consumată nu se modifică, însă baza de calcul a tarifului de putere da.

Ce capacitate de stocare a energiei este necesară pentru reducerea unui vârf de 100 kW? 

Sunt necesare două date: puterea care trebuie redusă și durata celui mai lung eveniment de vârf. Reducerea unui vârf de 100 kW pe durata unui eveniment de 30 de minute necesită 50 kWh de energie utilă, ceea ce corespunde, la un DoD de 90% și un randament de 92%, unei capacități nominale de aproximativ 60 kWh.

În cât timp se amortizează un sistem de reducere a vârfurilor de consum? 

Conform datelor din proiecte internaționale, sistemele bine configurate se amortizează în 3-5 ani, cu o reducere a costurilor de energie de 20-40%. Cifra reală depinde de tariful dvs. și de forma curbei de sarcină, de aceea amortizarea trebuie calculată întotdeauna pe baza datelor dvs. măsurate.

Funcționează sistemul de reducere a consumului de vârf și fără panouri solare? 

Da. Sistemul de reducere a consumului de vârf cu baterie funcționează și fără panouri solare; în acest caz, bateria se încarcă de la rețea în perioadele cu consum redus. Producția de energie solară are avantajul că face încărcarea mai ieftină și generează economii suplimentare la factura de energie.

Sunt suficiente datele de consum dintr-o singură lună pentru dimensionare? 

Nu. Datele dintr-o singură lună ascund vârfurile sezoniere, cum ar fi sarcina de răcire din vară sau cea de încălzire din iarnă. Este nevoie de o serie de date pe sfert de oră pentru cel puțin 12 luni; în caz contrar, sistemul va fi subdimensionat în luna în care o defecțiune ar fi cea mai costisitoare.