Vyrovnávanie špičiek pomocou akumulátora: priemyselný akumulátor na pokrytie špičkového zaťaženia

Spustenie výrobnej linky, súčasné zapnutie chladiacich kompresorov alebo nabíjanie flotily vysokozdvižných vozíkov spôsobí za pár minút taký výkonový špičkový odber, ktorý zvýši vašu celoročnú faktúru za elektrinu. Z hľadiska siete nezáleží na tom, koľko energie celkovo spotrebujete, ale na tom, aké bolo vaše najvyššie štvrťhodinové zaťaženie. Peak shaving sa zameriava práve na týchto niekoľko minút: špičku pokrývate z akumulátora, nie zo siete.

V tomto článku si vysvetlíme, čo znamená pojem „peak shaving“ a prečo je 15-minútový merací interval skutočným východiskovým bodom pre plánovanie. Následne objasníme rozdiel medzi kW a kWh, ukážeme, ako vypočítať potrebný výstupný výkon, a ako C-rate a DoD ovplyvňujú veľkosť akumulátora.

Na záver sa pozrieme na to, ako funguje znižovanie špičkového zaťaženia pomocou akumulátorového systému pri rôznych priemyselných profiloch zaťaženia, koľko v skutočnosti stojí prekročenie výkonu a kedy sa investícia vráti. Na príklade systémov FoxESS TMax a TMaxPlus vás prevedieme konkrétnym dimenzovaním v praxi.

Význam pojmu „peak shaving“: takto funguje znižovanie špičkového zaťaženia pomocou akumulátorov

Význam pojmu „peak shaving“ v praxi je nasledovný: odrežete najvyššie špičky výkonu odoberaného zo siete a chýbajúcu časť doplníte z akumulátora. Vaša celková spotreba energie sa nezníži, avšak maximálny výkon zaznamenaný elektromerom áno.

To sa oplatí, pretože faktúra za priemyselnú elektrinu sa skladá z dvoch samostatných zložiek. Poplatok za energiu platíte za spotrebované kilowatthodiny, zatiaľ čo poplatok za výkon platíte za najvyšší odobratý kilowatt. Tarifa pre komerčných a priemyselných odberateľov je zvyčajne postavená presne takto: poplatok za energiu na základe kWh a poplatok za výkon na základe kW, pričom ten druhý je úmerný najvyššej nameranej špičke v zúčtovacom období.

Znižovanie špičkového zaťaženia pomocou akumulátora prebieha v troch krokoch. Akumulátor sa nabíja v čase nízkeho zaťaženia, buď zo siete, alebo z výroby solárnych panelov. Keď sa spotreba priblíži k nastavenej prahovej hodnote, systém automaticky prejde do režimu vybíjania a časť spotreby nad touto prahovou hodnotou pokryje akumulátor. Cyklus sa opakuje každý deň a systém riadenia energie neustále monitoruje spotrebu, úroveň nabitia a výrobu.

Stojí za to odlíšiť tento proces od „load shiftingu“, s ktorým sa často zamieňa. Pri presúvaní zaťaženia presúvate samotnú spotrebu do iného časového obdobia, napríklad presúvate nabíjanie vozového parku na noc. Peak shaving naopak nezasahuje do technologického procesu: stroj beží vtedy, keď má bežať, špička sa však z pohľadu siete zdá byť eliminovaná. Práve preto funguje aj v prevádzkach, kde nie je možné upraviť výrobný harmonogram.

Prečo je pri plánovaní „peak shavingu“ dôležitá analýza a zníženie 15-minútových výkonových špičiek?

V prípade priemyselných odberateľov s časovým zúčtovaním prevádzkovateľ siete neberie do úvahy okamžité hodnoty. Krivka zaťaženia sa skladá z údajov za štvrťhodiny a najvyšší odobratý výkon je najvyšší štvrťhodinový priemerný výkon zaznamenaný meradlom. Toto číslo bude základom pre výpočet poplatku za výkon a tá istá 15-minútová logika platí aj v európskej praxi vyúčtovania.

Dôsledkom toho je, že nie každý výkyv v spotrebe je drahý. Pozrime sa na prevádzku so základným zaťažením 400 kW. Ak pretrváva dodatočné zaťaženie 250 kW po dobu 12 minút, štvrťhodinový priemer je 400 + 250 × (12/15) = 600 kW. Ak tá istá 250 kW trvá len 3 minúty, priemer je už len 450 kW. Pri rovnakom špičkovom výkone je to v zúčtovaní rozdiel 150 kW.

Preto sa každé seriózne projektovanie začína stiahnutím T-krivky. Potrebujete aspoň 12 mesiacov štvrťhodinových údajov, ktoré získate od prevádzkovateľa siete alebo od dodávateľa. Z nich zistíte, koľko špičiek je za mesiac, ako dlho trvajú a aké množstvo energie obsahujú.

Na základe tohto súboru údajov sa rozhoduje o znížení výkonového špičkového zaťaženia. Ak krivka vykazuje 30–40 krátkych, od seba vzdialených špičiek, je potrebný systém s malou kapacitou, ale vysokým výkonom. Ak však vidíte denne sa opakujúce dlhé rovné úseky, úzkym miestom bude kapacita. Bez údajov je každé dimenzovanie len odhadom a nesprávne nastavená prahová hodnota môže kvôli jedinému vynechanému štvrťhodinu zničiť celé mesačné úspory.

kW alebo kWh? Úloha výkonu a kapacity ukladania energie

Tieto dve čísla odpovedajú na dve rôzne otázky. Kilowatt udáva, koľko je systém schopný dodávať naraz, zatiaľ čo kilowatthodina udáva, ako dlho to vydrží. Pri plánovaní vyrovnávania špičiek potrebujete obidve hodnoty a jedna nenahrádza druhú.

V odbore sa rozlišujú systémy orientované na výkon a systémy orientované na energiu, pomer týchto dvoch veličín sa nazýva pomer výkonu k energii (power-to-energy ratio). Systém s parametrami 1 MW / 0,5 MWh je polhodinový, teda orientovaný na výkon. aj nákladová štruktúra sa delí na dve časti: náklady na energiu (v prepočte na kWh) tvoria solárne články, stojany a integrácia jednosmerného prúdu, zatiaľ čo náklady na výkon (v prepočte na kW) tvoria menič, transformátor a vysokoprúdové kabeláž. Pri žiadosti o cenovú ponuku je potrebné uviesť obe zložky samostatne, inak nebudú ponuky porovnateľné.

Najčastejšou chybou pri projektovaní je, že sa uvažuje iba v kWh. Akumulátor s kapacitou 200 kWh vyzerá na papieri ako veľký, ale ak jeho menič dodáva iba 50 kW, nedokáže pokryť špičku 120 kW. Platí to aj naopak: výstup 150 kW je k ničomu, ak sa kapacita za ním vyčerpá po 20 minútach, pričom štvrťhodinový špičkový výkon sa opakuje niekoľkokrát denne.

Správny postup je teda nasledovný: najskôr na základe krivky zaťaženia určíte potrebný výkon v kW, potom k nemu pripočítate kWh na základe trvania špičiek. Podiel týchto dvoch hodnôt udáva C-rate, čo už určuje zaťažiteľnosť a životnosť článkov.

Ako sa vypočíta potrebný výstupný výkon pre systém peak shaving?

Vzorec je sám o sebe jednoduchý: potrebný výstupný výkon je rozdiel medzi nameraným štvrťhodinovým špičkovým výkonom a stanovenou prahovou hodnotou. Kapacitu z toho získate pomocou vzťahu používaného v tomto odvetví, kde je potrebná energia súčinom výkonu a trvania vybíjania, vydeleným hĺbkou vybíjania a účinnosťou cyklu. Toto poradie neobracajte: kW je vstupná hodnota, kWh je výsledok.

Pozrime sa na konkrétny prípad. Na zaťažovacej krivke je najvyšší štvrťhodinový priemer 780 kW, vaším cieľom je zostať pod hranicou 600 kW. Potrebný výkon je teda 780 − 600 = 180 kW. Z krivky je tiež zrejmé, že najdlhšia špička trvá 45 minút, teda 0,75 hodiny.

Užitočná energia je teda 180 × 0,75 = 135 kWh. To však ešte nie je kapacita, ktorú treba zakúpiť. Ak počítate s hĺbkou vybitia 90 percent a účinnosťou cyklu 92 percent, menovitá kapacita je 135 / (0,9 × 0,92) = 163 kWh.

Je potrebné zohľadniť ešte dve veci. Po prvé, 10–15-percentnú rezervu na starnutie článkov, pretože na konci záručnej doby systém už poskytuje menej energie ako v prvom roku. Po druhé, skontroluj, či sa nestane, že dve špičkové udalosti budú tak blízko pri sebe, že sa akumulátor medzi nimi nestihne dobiť. Týmto spôsobom sa dimenzovanie ustáli na hodnote 180 kW a približne 185 kWh, čo je reálna, nie teoretická hodnota.

C-rate a DoD: ako ovplyvňujú dimenzovanie priemyselných akumulátorov?

C-rate je pomer výkonu a kapacity. Systém s 1C dodá svoju menovitú energiu za jednu hodinu, systém s 0,5C za dve hodiny. Hodnoty 180 kW a 185 kWh z nášho predchádzajúceho príkladu zodpovedajú približne 1C.

Aplikácie na vyrovnávanie špičiek zvyčajne pracujú s rýchlosťou vybíjania okolo 1C. Pri ostrých, krátkych špičkách môže byť opodstatnená aj hodnota 1,5C, čo poskytuje približne 40-minútové vybitie. Pri dlhších, plochejších špičkách je dobrou voľbou hodnota 0,5C s dvojhodinovým vybitím. Neexistuje jediná správna hodnota, rozhodujúca je dĺžka a tvar špičkovej udalosti.

Objednávka C-rate vyššej, než je potrebné, sa vyplatí dvojnásobne: investícia bude drahšia a životnosť kratšia. Články LFP pri 0,5 C zvládnu až 6 000 – 8 000 cyklov, čo pri 80-percentnej hĺbke vybitia a jednom cykle denne znamená prevádzkovú dobu dlhšiu ako 16 rokov.

Hodnota DoD udáva, koľko percent menovitej kapacity skutočne spotrebujete. Užitočná energia je súčinom menovitej kapacity a hodnoty DoD, takže systém s kapacitou 4000 kWh pri 90-percentnom DoD poskytuje 3600 kWh. Vďaka plochému priebehu napätia typickému pre LFP chémiu sa systém zvyčajne prevádzkuje s hĺbkou vybitia 90–95 percent.

Pri dimenzovaní priemyselného akumulátora preto vždy vychádzajte z užitočnej energie, nie z menovitých hodnôt uvedených v katalógu. Hlbšie vybitie urýchľuje degradáciu, preto sa pri vyrovnávaní špičiek skôr pracuje s krátkymi, cielenými výbojovými oknami: akumulátor sa zapne až vtedy, keď zaťaženie prekročí prahovú hodnotu.

Vyrovnávanie špičiek pomocou akumulátora pri rôznych priemyselných profiloch zaťaženia

Nie v každom závode je rovnaké riešenie optimálne. Tvar krivky zaťaženia určuje, či je potrebný systém zameraný na výkon alebo na energiu. Dobrú hospodárnosť predurčujú tri charakteristiky: vysoký pomer špičky k priemeru, predvídateľné načasovanie a technologický proces, ktorý nie je možné preplánovať.

Ostré, krátke, opakujúce sa špičky. Spúšťanie veľkých motorov, zváracie linky, lisy, výrobné linky spúšťané súčasne. V tomto prípade je špička vysoká, ale jej energetický obsah je malý. Vyrovnávanie špičiek pomocou akumulátora energie si v tomto prípade vyžaduje systém zameraný na výkon: vysoký výkon v kW, mierna spotreba v kWh, rýchlosť vybíjania nad 1C.

Cyklické chladiace zaťaženie. V chladiacich skladiskách a potravinárskych prevádzkach tvoria špičku kompresory a cykly odmrazovania popri nepretržitom základnom zaťažení. Čas výskytu špičiek je dobre predvídateľný, preto má EMS čas sa na ne pripraviť. V tomto prípade je potrebné dimenzovať na dobu prevádzky, nielen na výšku špičky, pretože výpadok chladenia spôsobuje škody na tovare.

Elektrické nabíjanie vozového parku. Jedna rýchlonabíjačka DC s výkonom 360 kW sama o sebe generuje strmý špičkový výkon, pričom súčasné používanie viacerých nabíjacích staníc situáciu robí nepredvídateľnou. Akumulátorový vyrovnávací zdroj tu nielen znižuje poplatky za výkon, ale môže aj odložiť rozšírenie transformátora alebo prípojky. Na menších prevádzkach, v dielňach a na nabíjacích staniciach na to môže stačiť už kompaktný systém, napríklad niektorá z verzií akumulátorov EcoFlow.

Dávková výroba. Pri dávkových procesoch v chemickom a farmaceutickom priemysle špička netrvá niekoľko minút, ale ide o dlhšie stabilné obdobie. V takomto prípade je kWh úzkym miestom, systém bude zameraný na energiu, s nižšou hodnotou C-rate a väčšou kapacitou.

Jediný spoločný bod: v každom prípade je potrebné vychádzať z vlastných štvrťhodinových údajov. Konfigurácia, ktorá dobre funguje v inej prevádzke, môže byť vo vašom prípade dokonca zbytočným nadmerným výdavkom. Voľbu ovplyvňujú aj podmienky miesta inštalácie, od teploty až po stupeň krytia IP.

Koľko stojí prekročenie výkonu a kedy sa investícia vráti?

Oplatí sa rozlíšiť dva samostatné peňažné toky. Jedným z nich je ročný poplatok za zmluvne viazaný výkon, ktorý platíte aj vtedy, keď ho nevyužijete. Druhým je príplatok za prekročenie, ktorý vás zasiahne náhle a výrazne.

Podľa platných maďarských predpisov sa v prípade nepovoleného prekročenia zmluvného výkonu za každý začatý kW prekročenia platí mesačne jedna štvrtina ročného poplatku za zmluvný výkon. Ak to vopred nahlásite a povolujúci orgán to schváli, poplatok sa zníži na desatinu, avšak o to môžete požiadať najviac trikrát za zmluvný rok, vždy na jeden kalendárny mesiac. Na iných trhoch sa to nazýva inak, logika je však rovnaká: nenahlásený špičkový odber je najdrahší kilowatt, aký si kedy kúpite.

Tu je potrebné vyjasniť jedno časté nedorozumenie. Prirážka patrí do oblasti poplatkov za využívanie systému, ktoré sú regulované orgánmi a tvoria súčasť zmluvy o využívaní siete, nie obchodnej zmluvy. Z tohto dôvodu je jedno, či ste uzavreli zmluvu s pevnou cenou, cenovým vzorcom alebo spotovou cenou za energiu: prirážka je rovnaká. Obchodná konštrukcia ovplyvňuje úspory na strane poplatku za energiu, kde zmluva založená na spotových cenách poskytuje dodatočný zdroj príjmov.

U spotrebiteľov s inteligentnými meradlami je vzorec ešte priamejší: základom výkonového poplatku distribútora za inteligentné meradlo je najvyšší štvrťhodinový priemerný výkon nameraný v danom mesiaci počas špičkovej zóny. To znamená, že v každom mesiaci je na faktúre okamžite vidieť, či úložisko znížilo špičkový výkon. Nie je potrebné čakať celý rok, účinok sa prejaví už na nasledujúcej faktúre.

Zníženie špičkového výkonu sa tak dá priamo vyjadriť v peniazoch. Zober si rad údajov za 12 mesiacov v štvrťhodinových intervaloch, urč, o koľko kW dokážeš znížiť mesačné maximum, vynásob to položkou za výkon vo svojej tarife a pripočítaj ušetrené príplatky. Ak akumulátor trvalo a stabilne udrží prahovú hodnotu, pri nasledujúcom zmluvnom cykle môžete znížiť aj viazaný výkon, čo už predstavuje trvalú úsporu.

Pokiaľ ide o rádové hodnoty: podľa medzinárodných skúseností z projektov dobre nakonfigurované systémy znižujú poplatky založené na výkone o 20 až 40 percent, pričom návratnosť investície je zvyčajne 3 až 5 rokov. Podľa údajov amerického NREL môže poplatok za výkon tvoriť až 30 až 70 percent faktúr za komerčné a priemyselné odbery. Presné číslo vám však poskytne len vaša vlastná krivka zaťaženia, preto neprijímajte žiadnu ponuku na vyrovnávanie špičiek, ktorá na tom nie je založená.

Priemyselné akumulátory FoxESS TMax a TMaxPlus pre aplikácie na vyrovnávanie špičiek

Séria FoxESS T-MAX a T-MAX Plus má kontajnerovú konštrukciu typu „všetko v jednom“: v jednej jednotke sa nachádza akumulátor, menič PCS, systém riadenia batérií (BMS), ochranné systémy a riadenie. Tým sa vám výrazne zníži pracovná záťaž pri projektovaní systému.

Model T-MAX ponúka výkon meniča 100 kW a kapacitu 215 kWh, model T-MAX Plus 125 kW a 241 kWh, s kvapalinovým chladením a integrovanou protipožiarnou ochranou. Pomer výkonu a kapacity je u oboch modelov okolo 0,5C, čo znamená, že ide o dvojhodinové systémy zamerané na energiu.

Použime na to náš predchádzajúci príklad. Potrebu odberu 180 kW nedokáže pokryť jeden T-MAX, avšak dve jednotky zapojené paralelne poskytujú 200 kW a 430 kWh. Výkon je práve dostatočný, kapacita je však oveľa väčšia ako potrebných 185 kWh. Nie je to chyba, ale otázka vedomého rozhodnutia: nadbytočná kapacita poskytuje rezervu na starnutie a umožňuje aj ukladanie nadbytočnej výroby zo solárnych panelov. Ak však chcete len znížiť špičku, stojí za to pozrieť sa aj na alternatívu navrhnutú pre vyššiu hodnotu C-rate.

V režime „Peak shaving“ sa systém aktivuje pri prekročení nastaveného prahu; okrem toho je možné nastaviť aj presun zaťaženia a záložné napájanie s dobou prepnutia približne 10 milisekúnd. Jednotky T-MAX a T-MAX Plus je možné zapojiť paralelne, vďaka čomu je možné systém rozširovať súbežne s nárastom odberového výkonu alebo výrobnej kapacity. Možné konfigurácie nájdete v kategórii akumulátorov FoxESS.

Vonkajšia inštalácia je riešená s krytím IP55 a kvapalinovým chladením, čo však neznamená, že nie je potrebné dôkladne zvážiť miesto inštalácie. Teplotný rozsah, prístup pre servis a protipožiarne vzdialenosti – to všetko ovplyvňuje výber miesta; podrobnosti o týchto aspektoch nájdete v našom článku Vonkajšia inštalácia akumulátora energie. Životnosť priemyselného akumulátora ovplyvňuje inštalačné prostredie minimálne rovnako ako kvalita článkov. Technický list výrobcu má vždy prednosť pred všeobecnými informáciami na úrovni kategórie.

Časté otázky o peak shavingu

Čo presne znamená „peak shaving“? 

Peak shaving znamená, že najvyššie špičky odberu energie zo siete pokrývate z akumulátora, čím merač zaznamená nižšiu maximálnu hodnotu. Množstvo spotrebovanej energie sa nemení, ale základ pre výpočet poplatku za výkon áno.

Aký veľký akumulátor je potrebný na zníženie špičkového odberu o 100 kW? 

Potrebujeme na to dva údaje: výkon, ktorý treba znížiť, a dĺžku najdlhšej špičky. Zníženie špičky o 100 kW pri 30-minútovej špičke vyžaduje 50 kWh užitočnej energie, čo pri 90-percentnom DoD a 92-percentnej účinnosti zodpovedá približne 60 kWh menovitej kapacity.

Za aký čas sa systém na vyrovnávanie špičiek oplatí? 

Podľa medzinárodných údajov z projektov sa dobre nakonfigurované systémy amortizujú za 3 až 5 rokov, pričom dochádza k zníženiu poplatkov za výkon o 20 až 40 percent. Skutočné číslo závisí od vašej tarify a tvaru krivky zaťaženia, preto je potrebné návratnosť vždy vypočítať na základe vašich nameraných údajov.

Funguje systém na znižovanie špičkového zaťaženia aj bez solárnych panelov? 

Áno. Systém na znižovanie špičkového zaťaženia s akumulátorom funguje aj bez solárnych panelov, pričom sa akumulátor v tomto prípade nabíja zo siete v obdobiach s nízkym zaťažením. Výroba energie zo solárnych panelov prispieva k zníženiu nákladov na nabíjanie a prináša ďalšie úspory na poplatkoch za energiu.

Stačia na dimenzovanie údaje o spotrebe za jeden mesiac? 

Nie. Údaje za jeden mesiac zakrývajú sezónne špičky, napríklad letné chladenie alebo zimné kúrenie. Potrebujete aspoň 12 mesiacov údajov v štvrťhodinových intervaloch, inak bude systém poddimenzovaný práve v tom mesiaci, keď by bola porucha najdrahšia.