Згладжування пікових навантажень за допомогою накопичувача енергії: промисловий акумулятор для пікових навантажень
Запуск виробничої лінії, одночасне ввімкнення холодильних компресорів або заряджання парку навантажувачів за кілька хвилин створює пік споживання, що робить ваш річний рахунок за електроенергію дорожчим. З точки зору енергомережі важливо не те, скільки енергії ви споживаєте загалом, а те, яким було ваше максимальне навантаження за чверть години. «Згладжування пікових навантажень» (peak shaving) спрямовано саме на ці кілька хвилин: ви покриваєте пікове навантаження за рахунок акумулятора, а не з мережі.
У цій статті ми розглянемо, що означає «пікове згладжування» і чому 15-хвилинний інтервал вимірювання є справжньою відправною точкою для проектування. Далі ми роз’яснимо різницю між кВт і кВт·год, покажемо, як розрахувати необхідну розрядну потужність, а також як показники C-rate та DoD впливають на розмір акумулятора.
Насамкінець ми розглянемо, як працює згладжування пікових навантажень за допомогою енергоакумулятора при різних промислових профілях навантаження, скільки насправді коштує перевищення потужності та коли окупиться інвестиція. А на прикладі систем FoxESS TMax та TMaxPlus ми продемонструємо конкретний розрахунок розмірів на практиці.
Що таке «пікове згладжування»: так працює система згладжування пікових навантажень з використанням акумуляторів
На практиці «peak shaving» означає наступне: ви зрізаєте найвищі піки потужності, що споживаються з мережі, а відсутню частину компенсуєте за рахунок акумулятора. Загальний обсяг спожитої енергії не зменшиться, натомість максимальна потужність, зафіксована лічильником, — так.
Це вигідно, оскільки рахунок за електроенергію для промислових споживачів складається з двох окремих складових. Плата за енергію сплачується за спожиті кіловат-години, а плата за потужність — за найбільшу спожиту потужність у кіловатах. Тариф для комерційних та промислових споживачів, як правило, побудований саме так: плата за енергію розраховується на основі кВт·год, а плата за потужність — на основі кВт, причому остання пропорційна найвищому піку, зафіксованому протягом розрахункового періоду.
Зниження пікового навантаження за допомогою акумулятора відбувається у три етапи. Акумулятор заряджається під час низького навантаження — від мережі або за рахунок сонячної енергії. Коли споживання наближається до встановленого порогового значення, система автоматично переходить у режим розряджання, і частина споживання, що перевищує поріг, покривається за рахунок акумулятора. Цикл повторюється щодня, а система управління енергією постійно відстежує споживання, рівень заряду та виробництво.
Варто відмежувати цей процес від «перенесення навантаження» (load shifting), з яким його часто плутають. При перенесенні навантаження саме споживання переноситься на інший період, наприклад, зарядку автопарку переносять на ніч. Натомість «пікове згладжування» не впливає на технологічний процес: обладнання працює тоді, коли має працювати, просто з точки зору мережі пік зникає. Саме тому це працює навіть на підприємствах, де графік виробництва не можна змінити.
Чому аналіз та зменшення 15-хвилинного піку потужності є важливим при плануванні «пікового згладжування»?
У випадку промислових споживачів з розрахунком за часовими рядами оператор мережі не враховує миттєві значення. Крива навантаження складається з даних за чвертьгодини, а найбільша спожита потужність — це найбільша середня потужність за чвертьгодини, зафіксована лічильником. Саме це число стане основою для розрахунку плати за потужність, і та сама 15-хвилинна логіка діє також у європейській практиці розрахунків.
Звідси випливає, що не кожен стрибок потужності є дорогим. Розглянемо підприємство з базовим навантаженням 400 кВт. Якщо додаткове навантаження в 250 кВт триває 12 хвилин, середнє значення за чверть години становитиме 400 + 250 × (12/15) = 600 кВт. Якщо це саме 250 кВт триває лише 3 хвилини, середнє значення становитиме вже лише 450 кВт. Та сама пікова потужність, але різниця в розрахунках становить 150 кВт.
Тому будь-яке серйозне проектування починається із завантаження кривої T. Потрібні дані за щонайменше 12 місяців із розбивкою на чвертьгодини, які можна отримати від оператора мережі або енергопостачальника. З них випливає, скільки пікових навантажень буває за місяць, скільки часу вони тривають і скільки енергії в них міститься.
Саме на основі цього масиву даних вирішується питання про зменшення пікових навантажень. Якщо крива показує 30–40 коротких піків, віддалених один від одного, потрібна система з невеликою потужністю, але високою продуктивністю. Якщо ж ви бачите довгі плато, що повторюються щодня, вузьким місцем стане ємність. Без даних будь-яке проектування — це лише здогадки, а неправильно встановлений пороговий рівень може звести нанівець усі місячні заощадження через єдині пропущені чвертьгодини.
кВт чи кВт·год? Роль потужності та ємності накопичення енергії
Ці два показники дають відповідь на два різних питання. Кіловат вказує, скільки система здатна видавати одночасно, а кіловат-година — скільки часу вона може це робити. При плануванні пікового згладжування потрібні обидва показники, і вони не замінюють один одного.
У галузі розрізняють системи, орієнтовані на потужність, та системи, орієнтовані на енергію; співвідношення між ними називається коефіцієнтом «потужність до енергії» (power-to-energy ratio). Система потужністю 1 МВт / 0,5 МВт·год є півгодинною, тобто орієнтованою на потужність. Структура витрат також поділяється на дві частини: вартість енергії (у перерахунку на кВт·год) визначається сонячними елементами, стійками та інтеграцією постійного струму, а вартість потужності (у перерахунку на кВт) — інвертором, трансформатором та кабельною мережею для великих струмів. При запиті на пропозицію обидва види витрат потрібно вказувати окремо, інакше пропозиції не можна буде порівняти.
Найпоширеніша помилка при проектуванні полягає в тому, що думають лише в кВт·год. Акумуляторна батарея на 200 кВт·год на папері здається великою, але якщо інвертор видає лише 50 кВт, то він не зможе покрити піковий навантаження в 120 кВт. І навпаки: наявність вихідної потужності 150 кВт нічого не варта, якщо ємність, що стоїть за нею, вичерпується через 20 хвилин, а чвертьгодинний пік повторюється кілька разів на день.
Отже, правильна послідовність така: спочатку за кривою навантаження визначаєте необхідну потужність у кВт, а потім додаєте до неї кількість кВт·год, виходячи з тривалості пікових навантажень. Дільник цих двох значень дає C-rate, який, у свою чергу, визначає навантажуваність та термін експлуатації елементів.
Як розрахувати необхідну потужність розряду для системи пікового згладжування?
Сама формула проста: необхідна потужність розряду — це різниця між виміряним чвертьгодинним піком та встановленим пороговим значенням. Ємність можна отримати за допомогою формули, що використовується в цій галузі, де необхідна енергія дорівнює добутку потужності та тривалості розряду, поділеному на глибину розряду та ККД циклу. Не слід міняти місцями ці величини: кВт — це вхідні дані, а кВт·год — результат.
Розглянемо конкретний випадок. На кривій навантаження найвище середнє значення за чверть години становить 780 кВт, а ваша мета — не перевищувати 600 кВт. Отже, необхідна потужність становить 780 − 600 = 180 кВт. З кривої також видно, що найтриваліший піковий період триває 45 хвилин, тобто 0,75 години.
Отже, корисна енергія становить 180 × 0,75 = 135 кВт·год. Однак це ще не є ємністю, яку потрібно придбати. Якщо вираховувати з урахуванням 90-відсоткової глибини розряду та 92-відсоткової ефективності циклу, номінальна ємність становитиме 135 / (0,9 × 0,92) = 163 кВт·год.
Слід врахувати ще дві речі. По-перше, 10–15-відсотковий запас на старіння елементів, оскільки наприкінці гарантійного терміну система вже видає менше енергії, ніж у перший рік. По-друге, перевірте, чи не трапляються два пікові навантаження настільки близько одне до одного, що акумулятор не встигне за цей час перезарядитися. Таким чином, розрахункова потужність становитиме 180 кВт, а ємність — приблизно 185 кВт·год, що є реальним, а не теоретичним значенням.
C-rate та DoD: як вони впливають на розрахунок потужності промислового накопичувача енергії?
C-rate — це відношення потужності до ємності. Система з коефіцієнтом 1C віддає свою номінальну енергію за одну годину, а система з коефіцієнтом 0,5C — за дві. 180 кВт і 185 кВт·год з нашого попереднього прикладу приблизно відповідають коефіцієнту 1C.
Системи для згладжування пікових навантажень зазвичай працюють зі швидкістю розряду близько 1C. У разі різких, коротких піків може бути виправданим навіть 1,5C, що дає приблизно 40-хвилинне вікно розряду. Для довших, більш плавних піків хорошим вибором є 0,5C з двогодинним вікном. Немає єдиного правильного значення — все залежить від тривалості та форми пікового навантаження.
Замовлення C-rate, вищого за необхідне, має подвійні негативні наслідки: інвестиція буде дорожчою, а термін експлуатації — коротшим. LFP-елементи при 0,5C витримують 6000–8000 циклів, що при 80-відсотковій глибині розряду та одному циклу на день означає термін експлуатації, що перевищує 16 років.
Показник DoD вказує, скільки відсотків від номінальної ємності ви фактично використовуєте. Корисна енергія дорівнює добутку номінальної ємності на DoD, отже, система на 4000 кВт·год при глибині розряду 90 % видає 3600 кВт·год. Через плоску криву напруги, характерну для хімічного складу LFP, система зазвичай працює з глибиною розряду 90–95 %.
Отже, при розрахунку розмірів промислового накопичувача енергії завжди слід виходити з корисної енергії, а не з номінальних значень, наведених у каталозі. Більш глибокий розряд прискорює деградацію, тому для згладжування пікових навантажень краще використовувати короткі, цілеспрямовані вікна розряду: накопичувач вмикається лише тоді, коли навантаження перевищує поріг.
Згладжування пікових навантажень за допомогою накопичувача енергії для різних профілів промислового навантаження
Не для кожного підприємства підходить одне й те саме рішення. Форма кривої навантаження визначає, чи потрібна система, орієнтована на потужність, чи на енергію. Три характеристики вказують на високу економічну ефективність: високе співвідношення пікового значення до середнього, передбачуваний час та технологічний процес, який неможливо перепланувати.
Різкі, короткі, повторювані піки. Запуск великих двигунів, зварювальні лінії, преси, виробничі лінії, що запускаються одночасно. У цьому випадку пік високий, але його енергетична цінність невелика. Зниження пікових навантажень за допомогою накопичувача енергії в цьому випадку вимагає системи, орієнтованої на потужність: велика потужність у кВт, помірна кількість електроенергії в кВт·год, швидкість розряджання понад 1C.
Циклічне охолоджувальне навантаження. У холодильних камерах та на підприємствах харчової промисловості пікові навантаження створюють компресори та цикли розморожування на тлі постійного базового навантаження. Час настання пікових навантажень можна добре передбачити, тому система EMS має час підготуватися. У цьому випадку розрахунок повинен враховувати час роботи, а не лише величину пікового навантаження, оскільки перебої в охолодженні призводять до псування продукції.
Електрична зарядка автопарку. Один швидкісний зарядний пристрій постійного струму потужністю 360 кВт сам по собі генерує різкий пік, а одночасне використання декількох зарядних точок робить ситуацію непередбачуваною. Акумуляторний буфер тут не тільки знижує плату за потужність, але й може відтермінувати розширення трансформатора або підключення. На невеликих об’єктах, у майстернях та на зарядних станціях для цього може бути достатньо навіть компактної системи, наприклад, однієї з моделей акумуляторів EcoFlow.
Періодичне виробництво. У хімічних та фармацевтичних процесах, що здійснюються партіями, пік триває не кілька хвилин, а є більш тривалим періодом стабільної потужності. У таких випадках ключовим фактором є кВт·год, система стає енергоорієнтованою, з нижчим коефіцієнтом розряду (C-rate) та більшою ємністю.
Єдиний спільний момент: у кожному випадку слід виходити з власного набору даних за чвертьгодини. Конфігурація, яка добре працює на іншому підприємстві, для вас може виявитися навіть безглуздим перевитратою коштів. На вибір також впливають особливості місця встановлення — від температури до ступеня захисту за стандартом IP.
Скільки коштує перевищення потужності та коли окупиться інвестиція?
Варто розділити два окремі грошові потоки. Один — це щорічна плата за зарезервовану потужність, яку ви сплачуєте навіть тоді, коли не використовуєте її повністю. Інший — штраф за перевищення, який раптово і суттєво вдарить по кишені.
Згідно з чинним угорським законодавством, у разі недозволеного перевищення зарезервованої потужності за кожен розпочатий кВт перевищення щомісяця слід сплачувати чверть річної плати за зарезервовану потужність. Якщо ви заздалегідь повідомите про це, і ліцензіар дасть згоду, плата зменшиться до десятої частини, однак ви можете просити про це не більше трьох разів на договірний рік, щоразу на один календарний місяць. На інших ринках назва інша, але логіка та сама: незадекларований пік — це найдорожчий кіловат, який ви коли-небудь купували.
Тут варто роз’яснити одне поширене непорозуміння. Додаткова плата відноситься до плати за користування системою, яка регулюється державними органами та є частиною договору про користування мережею, а не комерційного договору. Тому не має значення, чи уклали ви договір на фіксовану ціну, за формулою розрахунку або на основі спотової ціни: додаткова плата залишається однаковою. Комерційна схема впливає на економію з боку плати за електроенергію, де при спотовому контракті резервне сховище отримує додаткове джерело доходу.
Для споживачів з «розумними» лічильниками формула ще більш пряма: основою для розрахунку плати за потужність, що стягується розподільчою компанією за «розумними» лічильниками, є найбільша середня потужність за чверть години, виміряна в піковий час у даному місяці. Тобто щомісяця на рахунку одразу видно, чи знизив накопичувач пікову потужність. Немає необхідності чекати цілий рік — ефект відображається вже в наступному рахунку.
Таким чином, зниження пікової потужності можна безпосередньо виразити у грошовому еквіваленті. Візьміть ряд даних за 12 місяців з інтервалом у чверть години, визначте, на скільки кВт ви можете знизити місячний максимум, помножте це значення на ставку за потужність за вашим тарифом і додайте до цього суму уникнутих штрафних надбавок. Якщо система накопичення стабільно утримує поріг, під час наступного перегляду договору ви зможете зменшити зарезервовану потужність, а це вже буде постійною економією.
Щодо масштабів: згідно з міжнародним досвідом реалізації проектів, правильно налаштовані системи зменшують плату за потужність на 20–40 відсотків, зазвичай з окупністю 3–5 років. За даними американського NREL, плата за потужність може становити 30–70 відсотків від рахунків комерційних та промислових споживачів. Однак точні цифри можна отримати лише на основі вашої власної кривої навантаження, тому не погоджуйтеся на пропозиції щодо згладжування пікових навантажень, які не базуються на цьому.
Промислові системи накопичення енергії FoxESS TMax та TMaxPlus для застосувань з «пікового згладжування»
Серії FoxESS T-MAX та T-MAX Plus мають контейнерну конструкцію типу «все в одному»: в одному блоці розміщені акумулятор, інвертор PCS, система управління батареєю (BMS), системи захисту та система керування. Це значно полегшує вам роботу з проектування системи.
Модель T-MAX забезпечує потужність інвертора 100 кВт та ємність 215 кВт·год, а T-MAX Plus — 125 кВт та 241 кВт·год, з рідинним охолодженням та вбудованою системою протипожежного захисту. Коефіцієнт потужності до ємності в обох моделях становить близько 0,5C, тобто мова йде про двогодинні, енергетично-орієнтовані системи.
Застосуємо це до нашого попереднього прикладу. Потребу у розвантаженні в 180 кВт не покриває жоден T-MAX, натомість два блоки, з’єднані паралельно, забезпечують 200 кВт та 430 кВт·год. Потужності якраз вистачає, а ємність значно перевищує необхідні 185 кВт·год. Це не помилка, а питання свідомого вибору: надлишкова ємність забезпечує запас на випадок зносу та дозволяє також зберігати надлишкову енергію, вироблену сонячними панелями. Якщо ж ви хочете лише згладити піки навантаження, варто розглянути альтернативу, розраховану на вищий коефіцієнт розряду (C-rate).
У режимі «Peak shaving» система вмикається при перевищенні заданого порогу; крім того, можна налаштувати функції «load shifting» та резервного живлення з часом перемикання приблизно 10 мілісекунд. Блоки T-MAX і T-MAX Plus можна підключати паралельно, завдяки чому систему можна розширювати у міру зростання задіяної потужності або виробничих потужностей. Доступні конфігурації можна знайти в категорії накопичувачів енергії FoxESS.
Встановлення на відкритому повітрі забезпечується завдяки класу захисту IP55 та рідинному охолодженню, однак це не означає, що не потрібно ретельно продумати місце встановлення. Діапазон температур, доступ для технічного обслуговування та протипожежні відстані — все це впливає на вибір місця; детальніше про це ви можете прочитати в нашій статті «Встановлення накопичувача енергії на відкритому повітрі ». Термін експлуатації промислового накопичувача енергії залежить від умов установки не менше, ніж від якості елементів. Технічні характеристики виробника завжди мають пріоритет над узагальненнями на рівні категорії.
Поширені запитання щодо «пікового згладжування»
Що саме означає «пікове згладжування»?
«Згладжування пікових навантажень» означає, що найвищі піки потужності, що споживаються з мережі, покриваються за рахунок акумулятора, завдяки чому лічильник фіксує нижчий максимальний показник. Кількість спожитої енергії не змінюється, натомість основа для розрахунку плати за потужність — так.
Який акумулятор потрібен для зрізання піку потужності 100 кВт?
Для цього потрібні два параметри: потужність, яку потрібно зрізати, та тривалість найдовшого пікового навантаження. Зрізання пікового навантаження в 100 кВт під час 30-хвилинного навантаження вимагає 50 кВт·год корисної енергії, що при 90-відсотковому глибині розряду (DoD) та 92-відсотковому ККД відповідає номінальній ємності приблизно 60 кВт·год.
За який час окупається система «пікового згладжування»?
Згідно з даними міжнародних проєктів, правильно налаштовані системи окупаються за 3–5 років при зниженні плати за потужність на 20–40 відсотків. Фактична цифра залежить від вашого тарифу та форми кривої навантаження, тому окупність завжди слід розраховувати на основі ваших вимірювальних даних.
Чи працює система «пік-шевінг» навіть без сонячних панелей?
Так. Система згладжування пікових навантажень з акумулятором працює і без сонячних панелей: у цьому випадку акумулятор заряджається від мережі в періоди низького навантаження. Виробництво сонячної енергії додає лише те, що робить зарядку дешевшою та забезпечує додаткову економію на оплаті електроенергії.
Чи достатньо даних про споживання за один місяць для розрахунку потужності?
Ні. Дані за один місяць приховують сезонні піки, наприклад, літнє навантаження на охолодження або зимове навантаження на опалення. Потрібна серія даних з інтервалом у чверть години щонайменше за 12 місяців, інакше система буде недорозрахована саме в тому місяці, коли помилка обійдеться найдорожче.
