Izravnavanje konic z napravo za shranjevanje energije: industrijska baterija za pokrivanje koničnih obremenitev

Zagon proizvodne linije, hkratno vklopanje hladilnih kompresorjev ali polnjenje flote viličarjev v nekaj minutah povzroči takšen vrhunec porabe, da se zaradi tega poveča vaš letni račun za elektriko. Na strani omrežja ni pomembno, koliko energije skupaj porabite, ampak kakšna je bila vaša najvišja četrturna obremenitev. Zmanjševanje konic (peak shaving) je usmerjeno prav v teh nekaj minutah: konico pokrivate iz akumulatorja, ne iz omrežja.

V tem članku bomo podrobno razložili, kaj pomeni »peak shaving« in zakaj je 15-minutni merilni interval dejanska izhodiščna točka za načrtovanje. Nato bomo pojasnili razliko med kW in kWh, pokazali, kako izračunati potrebno izhodno moč, ter kako C-rate in DoD vplivata na velikost akumulatorja.

Na koncu si bomo ogledali, kako deluje zmanjševanje konic obremenitve z akumulatorjem pri različnih industrijskih profilih obremenitve, koliko dejansko stane prekoračitev moči in kdaj se naložba povrne. Prek sistemov FoxESS TMax in TMaxPlus vas bomo v praksi popeljali skozi konkretno dimenzioniranje.

Pomen »peak shaving«: tako deluje zmanjševanje koničnih obremenitev z akumulatorjem

Pomen »peak shaving« v praksi je naslednji: odrežete najvišje vrhove moči, ki jo črpate iz omrežja, manjkajoči del pa nadomestite z akumulatorjem. Vaša skupna poraba energije se ne bo zmanjšala, zmanjšala pa se bo največja moč, ki jo zabeleži merilnik.

To se splača, saj se industrijski račun za elektriko sestavlja na dveh ločenih podlagah. Strošek energije plačate za porabljene kilovatne ure, strošek moči pa za največjo porabljeno kilovatno moč. Tarifa omrežja za komercialne in industrijske odjemalce je običajno sestavljena prav na ta način: strošek energije na podlagi kWh in strošek moči na podlagi kW, pri čemer je slednji sorazmeren z najvišjo izmerjeno konico v obračunskem obdobju.

Zmanjševanje konične obremenitve z akumulatorjem poteka v treh korakih. Akumulator se polni v času nizke obremenitve, iz omrežja ali iz sončne energije. Ko se poraba približa nastavljeni mejni vrednosti, sistem samodejno preklopi v razreševanje, pri čemer akumulator pokriva del porabe, ki presega to mejno vrednost. Cikel se ponavlja vsak dan, sistem za upravljanje z energijo pa nenehno spremlja porabo, stopnjo napolnjenosti in proizvodnjo.

To je vredno ločiti od »load shiftinga«, s katerim se pogosto zamenjuje. Pri »load shiftingu« porabo preusmeriš v drug časovni obdobje, na primer polnjenje voznega parka prestaviš na noč. Peak shaving pa ne posega v tehnološki proces: stroj deluje takrat, ko mora, le da se iz vidika omrežja konica porabe zdi, da izgine. Prav zato deluje tudi v obratih, kjer proizvodnega urnika ni mogoče prilagoditi.

Zakaj je analiza in zmanjšanje 15-minutnih konic moči pomembna pri načrtovanju »peak shavinga«?

Pri industrijskih odjemalcih z obračunom po časovnih vrstah upravljavec omrežja ne upošteva trenutnih vrednosti. Krivulja obremenitve je sestavljena iz podatkov po četrturnih intervalih, največja porabljena moč pa je največja četrturna povprečna moč, ki jo zabeleži merilnik. Ta številka je podlaga za obračun moči, enaka 15-minutna logika pa velja tudi v evropski praksi obračunavanja.

Posledica tega je, da ni vsak porast porabe drag. Oglejmo si obrat z osnovno obremenitvijo 400 kW. Če dodatna obremenitev 250 kW traja 12 minut, je četrturna povprečna obremenitev 400 + 250 × (12/15) = 600 kW. Če ta isti 250 kW traja le 3 minute, je povprečje že samo 450 kW. Enaka konična moč, 150 kW razlike v obračunu.

Zato se vsako resno načrtovanje začne s prenosom T-krivulje. Potrebujete vsaj 12 mesecev podatkov po četrturnih intervalih, ki jih dobite od upravljavca omrežja ali trgovca z električno energijo. Iz tega je razvidno, koliko konic je v mesecu, kako dolgo trajajo in koliko energije vsebujejo.

Na podlagi tega niza podatkov se odloča o zmanjšanju konične moči. Če krivulja prikazuje 30–40 kratkih, med seboj oddaljenih konic, je potreben sistem z majhno zmogljivostjo, a visoko močjo. Če pa opazite dnevno ponavljajoče se, dolge ravnine, bo zmogljivost postala ozko grlo. Brez podatkov je vsako dimenzioniranje zgolj ugibanje, napačno nastavljena mejna vrednost pa lahko zaradi enega samega izpuščenega četrtura izniči celotne mesečne prihranke.

kW ali kWh? Vloga moči in zmogljivosti shranjevanja energije

Ti dve številki odgovarjata na dve različni vprašanji. Kilovat pove, koliko lahko sistem oddaja hkrati, kilovatna ura pa, koliko časa to zmore. Pri načrtovanju zmanjševanja konic potrebujete obe vrednosti, saj se med seboj ne nadomeščata.

V stroki razlikujemo med zmogljivostno usmerjenimi in energetsko usmerjenimi sistemi, razmerje med njima pa je razmerje moč-energija (power-to-energy ratio). Sistem z zmogljivostjo 1 MW in zmogljivostjo shranjevanja 0,5 MWh je polurni, torej zmogljivostno usmerjen. Tudi struktura stroškov je razdeljena na dva dela: stroške energije (preračunane na kWh) predstavljajo celice, stojala in integracija enosmernega toka, stroške moči (preračunane na kW) pa inverter, transformator in visokotokovno ožičenje. Pri zahtevi za ponudbo moraš navesti obe ločeno, sicer ponudbe ne bodo primerljive.

Najpogostejša napaka pri načrtovanju je, da razmišljajo le v kWh. 200 kWh akumulatorja se na papirju zdi veliko, vendar če inverter oddaja le 50 kW, ne more pokriti 120 kW konice. Nasprotno velja tudi: 150 kW izhodne moči je brez pomena, če se zmogljivost za njim izčrpa že po 20 minutah, četrturniški vrh pa se ponavlja večkrat na dan.

Pravilen vrstni red je torej naslednji: najprej iz obremenitvene krivulje določite potrebne kW, nato pa prištejete kWh na podlagi trajanja vrhov. Delež teh dveh vrednosti daje C-rate, ki pa določa tudi obremenljivost in življenjsko dobo celic.

Kako se izračuna potrebna izpraznitvena moč za sistem za izravnavo konic?

Formula sama po sebi je preprosta: potrebna izpraznitvena moč je razlika med izmerjenim četrturnoškim vrhom in določenim pragom. Kapaciteto dobiš s pomočjo enačbe, ki se uporablja v tej industriji, kjer je potrebna energija zmnožek moči in trajanja praznjenja, deljen z globino praznjenja in učinkovitostjo cikla. Tega vrstnega reda ne obrni: kW je vhodna vrednost, kWh pa izhodna vrednost.

Poglejmo konkreten primer. Na obremenitveni krivulji je najvišje četrturno povprečje 780 kW, tvoj cilj pa je ostati pod 600 kW. Potrebna moč je torej 780 − 600 = 180 kW. Iz krivulje je razvidno tudi, da najdaljši vrhunec traja 45 minut, torej 0,75 ure.

Koristna energija tako znaša 180 × 0,75 = 135 kWh. To pa še ni kapaciteta, ki jo je treba kupiti. Če računaš z 90-odstotno globino praznjenja in 92-odstotnim izkoristkom cikla, znaša nazivna kapaciteta 135 / (0,9 × 0,92) = 163 kWh.

Dodajte še dve stvari. Po eni strani 10–15-odstotno rezervo za staranje celic, saj sistem ob izteku garancijskega obdobja že daje manj energije kot v prvem letu. Po drugi strani pa preverite, ali se lahko zgodi, da sta dva konična dogodka tako blizu drug drugega, da se akumulator medtem ne more ponovno napolniti. S tem se dimenzioniranje ustali pri 180 kW in približno 185 kWh, kar je realna, ne teoretična vrednost.

C-rate in DoD: kako vplivata na dimenzioniranje industrijskega akumulatorja?

C-rate je razmerje med močjo in kapaciteto. Sistem z 1C svojo nazivno energijo izprazni v eni uri, sistem z 0,5C pa v dveh. 180 kW in 185 kWh iz našega prejšnjega primera pomenita približno 1C.

Aplikacije za izravnavanje konic običajno delujejo s hitrostjo praznjenja okoli 1C. Pri ostrih, kratkih konicah je lahko upravičena tudi vrednost 1,5C, kar omogoča približno 40-minutno okno praznjenja. Pri daljših, bolj položnih konicah je dobra izbira 0,5C z dvournim oknom. Ni ene same pravilne vrednosti, odločujoča sta dolžina in oblika konice.

Naročanje višje C-stopnje, kot je potrebno, se maščuje dvakrat: naložba bo dražja, življenjska doba pa krajša. LFP-celice pri 0,5C zdržijo tudi 6000–8000 ciklov, kar pri 80-odstotni globini praznjenja in enem ciklu na dan pomeni življenjsko dobo, daljšo od 16 let.

DoD kaže, kolikšen odstotek nazivne zmogljivosti dejansko porabite. Koristna energija je zmnožek nazivne kapacitete in vrednosti DoD, torej sistem z zmogljivostjo 4000 kWh pri 90-odstotnem DoD zagotavlja 3600 kWh. Zaradi ravne napetostne krivulje kemije LFP običajno deluje z globino praznjenja 90–95 odstotkov.

Pri dimenzioniranju industrijskega sistema za shranjevanje energije se torej vedno izhajajte iz koristne energije, ne iz nazivne vrednosti iz kataloga. Globlje praznjenje pospešuje degradacijo, zato se pri izravnavanju konic raje uporabljajo kratka, ciljna praznilna okna: sistem za shranjevanje energije se vključi šele takrat, ko obremenitev preseže prag.

Izravnavanje konic z akumulatorjem pri različnih industrijskih obremenitvenih profilih

Vsak obrat nima enake optimalne rešitve. Oblika obremenitvene krivulje določa, ali je potreben sistem, usmerjen v moč ali v energijo. Tri značilnosti napovedujejo dobro ekonomsko učinkovitost: visoko razmerje med konico in povprečjem, predvidljivo časovno usklajevanje ter tehnološki proces, ki ga ni mogoče prestaviti.

Ostre, kratke, ponavljajoče se konice. Zagon velikih motorjev, varilne linije, stiskalnice, proizvodne linije, ki se zagnajo hkrati. Tukaj je konica visoka, vendar je njena energijska vsebnost majhna. Izravnavanje konic z akumulatorjem v tem primeru zahteva sistem, usmerjen v moč: velika vrednost v kW, zmerna vrednost v kWh, hitrost praznjenja nad 1C.

Ciklična hladilna obremenitev. V hladilnicah in prehrambenih obratih konice obremenitve povzročajo kompresorji in cikli odmrzovanja, poleg neprekinjene osnovne obremenitve. Čas konic je mogoče dobro napovedati, zato ima sistem EMS čas, da se nanje pripravi. Tu je treba dimenzionirati glede na čas delovanja, ne le glede na višino konice, saj izpad hlajenja povzroča škodo na blagu.

Električno polnjenje voznega parka. Že en sam 360-kW enosmerni hitri polnilnik sam po sebi povzroča strm konični tok, sočasna uporaba več polnilnih točk pa ga naredi nepredvidljivega. Akumulatorski buffer tu ne le zmanjša stroške moči, ampak lahko tudi odloži razširitev transformatorja ali priključka. Na manjših lokacijah, v delavnicah in na polnilnih točkah je za to lahko zadosten že kompakten sistem, na primer ena od različic akumulatorjev EcoFlow.

Serijska proizvodnja. Pri serijskih procesih v kemijski in farmacevtski industriji vrh ne traja le nekaj minut, ampak predstavlja daljše obdobje stabilne porabe. V takih primerih je kWh ozko grlo, sistem pa postane energetsko usmerjen, z nižjo C-stopnjo in večjo zmogljivostjo.

Edina skupna točka: v vseh primerih je treba izhajati iz lastnega niza podatkov po četrturnih intervalih. Konfiguracija, ki v drugem obratu deluje dobro, je v vašem primeru morda celo nesmiselna prekomerna poraba. Na izbiro vplivajo tudi značilnosti mesta namestitve, od temperature do stopnje zaščite IP.

Koliko stane preseganje zmogljivosti in kdaj se naložba povrne?

Dva ločena denarna toka je vredno razdeliti. Eden je letna pristojbina za zmogljivost, ki jo plačate za rezervirano zmogljivost, tudi če je ne izkoristite v celoti. Drugi je doplačilo za prekoračitev, ki vas lahko nenadoma močno udari.

V skladu z veljavno madžarsko zakonodajo je v primeru nedovoljenega preseganja dogovorjene moči treba za vsak začeti kW preseganja mesečno plačati četrtino letne pristojbine za dogovorjeno moč. Če to vnaprej prijavite in izdajatelj dovoljenja odobri, se pristojbina zmanjša na desetino, vendar lahko to zahtevate največ trikrat na pogodbeno leto, vsakič za en koledarski mesec. Na drugih trgih je poimenovanje drugačno, logika pa je ista: neprijavljen vrh je najdražji kilovat, ki ga boste kdaj koli kupili.

Tu je vredno pojasniti pogosto nesporazum. Dodatna pristojbina spada na stran pristojbine za uporabo omrežja, ki je regulirana s strani pristojnih organov in je del pogodbe o uporabi omrežja, ne pa trgovinske pogodbe. Zato ni pomembno, ali ste sklenili pogodbo s fiksno ceno, ceno po formuli ali spotno ceno energije: dodatna pristojbina je enaka. Komercialna ureditev vpliva na prihranke na strani cene energije, kjer pogodba na podlagi spotnih cen omogoča dodatni vir prihodkov.

Pri odjemalcih s pametnimi števci je formula še bolj neposredna: osnova za distribucijsko pristojbino za moč, ki se meri s pametnim števcem, je največja četrturna povprečna moč, izmerjena v koničnem časovnem obdobju v danem mesecu. To pomeni, da je na računu vsak mesec takoj vidno, če je shranjevalnik zmanjšal konično obremenitev. Ni treba čakati eno leto, učinek se prikaže že na naslednjem računu.

Zmanjšanje konične moči se tako lahko neposredno izrazi v denarju. Vzemite niz podatkov po četrturnih intervalih za 12 mesecev, določite, za koliko kW lahko znižate mesečni maksimum, pomnožite s postavko pristojbine za moč iz vaše tarife in prištejte izognjene dodatne pristojbine. Če sistem za shranjevanje energije trajno in stabilno ohranja prag, lahko ob naslednjem pogodbenem obdobju zmanjšate tudi vezano moč, kar pomeni stalne prihranke.

V grobem: po izkušnjah iz mednarodnih projektov dobro konfigurirani sistemi zmanjšajo pristojbine na podlagi moči za 20–40 odstotkov, običajno z amortizacijskim obdobjem 3–5 let. Po podatkih ameriškega NREL-a lahko pristojbina za moč predstavlja kar 30–70 odstotkov komercialnih in industrijskih računov. Natančno številko pa vam lahko poda le vaša lastna krivulja obremenitve, zato ne sprejemajte ponudb za zmanjševanje konic, ki ne temeljijo na tem.

FoxESS TMax in TMaxPlus – industrijski sistemi za shranjevanje energije za zmanjševanje konic

Seriji FoxESS T-MAX in T-MAX Plus sta v obliki kontejnerja z all-in-one zasnovo: v eni enoti so združeni akumulator, inverter PCS, sistem za upravljanje baterije (BMS), zaščitni sistemi in krmiljenje. To vam znatno olajša delo pri načrtovanju sistema.

T-MAX ponuja moč inverterja 100 kW in kapaciteto 215 kWh, T-MAX Plus pa 125 kW in 241 kWh, z vodnim hlajenjem in vgrajenim protipožarnim sistemom. Razmerje med močjo in kapaciteto je pri obeh okoli 0,5C, kar pomeni, da gre za dvo-urne, energetsko usmerjene sisteme.

To prenesimo na naš prejšnji primer. Potrebo po izpustu 180 kW en sam T-MAX ne pokrije, dve vzporedno povezani enoti pa zagotavljata 200 kW in 430 kWh. Moč je ravno dovolj, zmogljivost pa je precej večja od potrebnih 185 kWh. To ni napaka, temveč vprašanje zavestne odločitve: presežna zmogljivost zagotavlja rezervo za staranje in omogoča tudi shranjevanje presežne proizvodnje sončnih celic. Če pa želite le izravnati konice, je vredno preučiti tudi alternativo, zasnovano za višjo C-stopnjo.

V načinu »peak shaving« se sistem vklopi ob preseganju nastavljenega praga, poleg tega pa je mogoče nastaviti tudi »load shifting« in rezervno oskrbo s časom preklopa približno 10 milisekund. Enote T-MAX in T-MAX Plus je mogoče vzporedno povezati, tako da se sistem lahko širi skupaj z naraščanjem vezane moči ali proizvodne zmogljivosti. Izbirne konfiguracije najdete v kategoriji akumulatorjev FoxESS.

Namestitev na prostem je omogočena s stopnjo zaščite IP55 in tekočinskim hlajenjem, kar pa ne pomeni, da ni treba premišljeno izbrati mesta namestitve. Temperaturno območje, dostop za servisiranje in protipožarne razdalje vplivajo na izbiro lokacije; o tem lahko podrobneje preberete v našem članku Namestitev akumulatorja energije na prostem. Življenjsko dobo industrijskega akumulatorja določa okolje namestitve vsaj v enaki meri kot kakovost celic. Tehnični list proizvajalca v vsakem primeru prevlada nad splošnimi navedbami na ravni kategorije.

Pogosta vprašanja o izravnavanju konic

Kaj točno pomeni »peak shaving«? 

»Peak shaving« pomeni, da najvišje konice moči, ki se črpa iz omrežja, pokrivate z akumulatorjem, tako da merilnik zabeleži nižjo najvišjo vrednost. Količina porabljene energije se ne spremeni, spremeni pa se osnova za obračun moči.

Kakšen akumulator je potreben za zmanjšanje 100 kW konice? 

Za to potrebujemo dva podatka: moč, ki jo je treba zmanjšati, in trajanje najdaljšega koničnega dogodka. Zmanjšanje konične obremenitve za 100 kW pri 30-minutnem dogodku zahteva 50 kWh koristne energije, kar pri 90-odstotnem globini praznjenja (DoD) in 92-odstotnem izkoristku ustreza približno 60 kWh nazivne zmogljivosti.

V kolikem času se sistem za izravnavo konic izplača? 

Po podatkih mednarodnih projektov se dobro konfigurirani sistemi amortizirajo v 3–5 letih, pri čemer se stroški za električno energijo zmanjšajo za 20–40 odstotkov. Dejanska številka je odvisna od vaše tarife in oblike krivulje obremenitve, zato je treba amortizacijo vedno izračunati na podlagi vaših izmerjenih podatkov.

Ali sistem za zmanjševanje konične obremenitve deluje tudi brez sončnih celic? 

Da. Sistem za zmanjševanje konične obremenitve z akumulatorjem deluje tudi brez sončnih celic; v tem primeru se akumulator polni iz omrežja v obdobjih nizke obremenitve. Proizvodnja sončne energije prispeva k cenejšemu polnjenju in dodatnim prihrankom pri stroških energije.

Ali za dimenzioniranje zadostujejo podatki o porabi za en mesec? 

Ne. Podatki za en mesec prikrivajo sezonske vrhove, na primer poletno obremenitev zaradi hlajenja ali zimsko obremenitev zaradi ogrevanja. Potrebna je vsaj 12-mesečna vrsta podatkov v četrturnih intervalih, sicer bo sistem premajhen v tistem mesecu, ko bi bila napaka najdražja.