Magazyn energii dla zakładu przemysłowego. Jak dobrać moc i pojemność, żeby inwestycja się opłacała?

Magazyn energii w zakładzie przemysłowym może obniżyć szczytowy pobór mocy, zwiększyć wykorzystanie energii z fotowoltaiki lub kogeneracji, umożliwić zakup energii w korzystniejszych godzinach, a także zabezpieczyć kluczowe procesy przed skutkami zakłóceń w zasilaniu. Sam zakup dużej baterii nie gwarantuje jednak oszczędności.

O efektywności inwestycji decyduje przede wszystkim prawidłowy dobór mocy, pojemności i sposobu sterowania magazynem do rzeczywistego profilu pracy przedsiębiorstwa. Zbyt mały system nie zapewni oczekiwanych efektów, a przewymiarowany może niepotrzebnie podnieść koszt inwestycji i wydłużyć okres jej zwrotu. Jak więc dobrać magazyn energii dla zakładu przemysłowego i na jakie dane zwrócić uwagę przed podjęciem decyzji?

BESS w zakładzie przemysłowym – nie tylko bateria

W obiektach przemysłowych najczęściej stosowane są bateryjne systemy magazynowania energii, czyli BESS (Battery Energy Storage System), wykorzystujące przede wszystkim baterie litowo-jonowe. Ich zaletami są wysoka sprawność, krótki czas reakcji, możliwość pracy z dużą mocą oraz stosunkowo wysoka gęstość energii.

Kompletny magazyn energii to jednak znacznie więcej niż same moduły bateryjne. Typowy system BESS obejmuje m.in.:

• moduły lub szafy bateryjne,
• BMS, czyli system zarządzania baterią,
• PCS – dwukierunkowy przekształtnik mocy,
• EMS – nadrzędny system zarządzania energią,
• układy pomiarowe, komunikacyjne i zabezpieczeniowe,
• transformator,
• rozdzielnicę,
• instalację chłodzenia i wentylacji,
• systemy detekcji oraz ochrony przeciwpożarowej,
• SCADA lub inny system nadzoru.

Dlatego przy planowaniu inwestycji nie należy patrzeć wyłącznie na cenę baterii wyrażoną w złotych za kWh. Znaczenie ma cały układ i jego integracja z infrastrukturą zakładu.

Ile godzin powinien pracować magazyn energii?

Nie istnieje jeden uniwersalny czas pracy magazynu odpowiedni dla każdego przedsiębiorstwa. Wszystko zależy od funkcji, którą BESS ma realizować. W przypadku zarządzania profilem poboru mocy często rozważa się systemy umożliwiające pracę przez około 1–4 godziny. Taki magazyn może ograniczać dłużej utrzymujące się szczyty zapotrzebowania, przesuwać zużycie energii w czasie, zwiększać wykorzystanie lokalnej generacji oraz wspierać arbitraż cenowy.

Inaczej wygląda sytuacja, gdy głównym zadaniem jest bardzo szybka reakcja na krótkotrwałe zmiany obciążenia. Do redukcji dynamicznych szczytów, stabilizacji mocy lub poprawy jakości energii wystarczający może być system zdolny do pracy przez kilka albo kilkadziesiąt minut.

To jeden z powodów, dla których pojemności magazynu nie powinno się dobierać wyłącznie na podstawie mocy instalacji PV czy rocznego zużycia energii.

Najpierw cel inwestycji. Dopiero później moc baterii

Pierwszym krokiem nie powinien być wybór producenta ani pytanie o pojemność magazynu. Najpierw trzeba odpowiedzieć na prostsze pytanie: po co zakład potrzebuje BESS?

Magazyn energii może służyć m.in. do:

• peak shavingu, czyli redukcji szczytowego poboru mocy,
• zwiększenia autokonsumpcji energii z PV lub kogeneracji,
• arbitrażu cenowego,
• ograniczania poboru z sieci w określonych godzinach,
• stabilizacji parametrów pracy sieci,
• zasilania awaryjnego,
• wsparcia zakładowej mikrosieci,
• świadczenia usług rynkowych lub systemowych.

W praktyce jeden magazyn może realizować kilka funkcji, ale nie oznacza to, że wszystkie są dostępne bez ograniczeń w każdej chwili. Ta sama bateria dysponuje określoną mocą i ilością zgromadzonej energii. Jeżeli zostanie częściowo rozładowana w ramach arbitrażu cenowego, może później zabraknąć energii do redukcji niespodziewanego szczytu poboru. Z kolei utrzymywanie dużej rezerwy na potrzeby zasilania awaryjnego ogranicza ilość energii dostępną do bieżącej optymalizacji kosztów.

Dlatego już na początku inwestycji warto wskazać funkcję główną i funkcje dodatkowe, a następnie podporządkować im strategię sterowania systemem EMS.

Chcesz dobrać magazyn? Zacznij od danych z ostatnich 12 miesięcy

Jednym z najważniejszych materiałów przy projektowaniu BESS jest profil poboru mocy w interwałach 15-minutowych, najlepiej obejmujący co najmniej 12 ostatnich miesięcy. Dlaczego akurat takie dane są tak istotne?

Pozwalają sprawdzić:

• kiedy pojawiają się najwyższe wartości poboru,
• jak często występują szczyty,
• jak duże są przekroczenia,
• ile trwają,
• czy powtarzają się według określonego schematu.

Z punktu widzenia peak shavingu szczególnie interesujące są powtarzalne i przewidywalne szczyty mocy. Im częściej pojawiają się w profilu pracy zakładu, tym większy może być potencjał wykorzystania magazynu do ograniczania kosztów. Sama historia poboru to jednak za mało.

Analiza powinna obejmować również:

• produkcję energii z fotowoltaiki i kogeneracji,
• roczne zużycie energii,
• moc umowną i przyłączeniową,
• faktury za energię oraz dystrybucję,
• grupę taryfową,
• koszty przekroczeń mocy,
• harmonogram pracy przedsiębiorstwa,
• postoje technologiczne i remontowe,
• planowane inwestycje w OZE, kogenerację lub nowe odbiorniki.

Dopiero połączenie tych informacji pozwala ocenić, jak magazyn rzeczywiście będzie pracował.

Moc i pojemność magazynu to nie to samo

To jedno z najczęstszych źródeł błędów podczas wstępnego doboru BESS.

Moc magazynu, podawana np. w MW, określa, z jaką maksymalną mocą system może pobierać lub oddawać energię.

Pojemność, podawana w MWh, mówi natomiast, ile energii można zgromadzić i wykorzystać.

Przykładowo system o dużej mocy, ale niewielkiej pojemności może bardzo szybko reagować na gwałtowny wzrost obciążenia, lecz nie będzie w stanie podtrzymywać takiego działania przez długi czas. Z kolei magazyn o dużej pojemności i zbyt małej mocy może dysponować odpowiednią ilością energii, ale nie będzie w stanie dostarczyć jej dostatecznie szybko. W przemyśle oba parametry muszą być dobierane razem.

Jak dobrać moc magazynu do peak shavingu?

Jeżeli zadaniem systemu jest redukcja szczytowego poboru, jego moc powinna pozwolić ograniczyć pobór z sieci do przyjętej wartości.

Znaczenie mają przede wszystkim:

• wysokość szczytu,
• jego charakter,
• czas trwania,
• częstotliwość występowania.

Magazyn o zbyt małej mocy nie pokryje odpowiedniej części chwilowego zapotrzebowania zakładu, przez co oczekiwana redukcja szczytu nie zostanie osiągnięta. Nie oznacza to jednak, że warto instalować możliwie największą moc.

Przewymiarowanie zwiększa nie tylko koszt samego systemu. Większa moc może wymagać zastosowania odpowiednio większych przekształtników, transformatorów, rozdzielnic, przewodów i zabezpieczeń. W efekcie koszt całej infrastruktury może wzrosnąć znacznie bardziej, niż wynikałoby to z ceny samych baterii.

Jak dobrać pojemność magazynu energii?

W przypadku peak shavingu pojemność powinna wystarczyć na pokrycie okresu, podczas którego pobór z sieci przekracza założony poziom. Tutaj pojawia się ważna zależność.

Krótki, ale bardzo wysoki szczyt wymaga przede wszystkim odpowiedniej mocy. Długi okres podwyższonego zapotrzebowania wymaga większej pojemności.

Znaczenie ma również rozmieszczenie szczytów w czasie. Dwa krótkie wzrosty zapotrzebowania rozdzielone okresem mniejszego obciążenia mogą wymagać innej konfiguracji niż jeden długi szczyt. W przerwie między nimi bateria może bowiem zostać częściowo doładowana. Ta sama zasada dotyczy magazynowania nadwyżek energii z PV lub kogeneracji.

Jeżeli pojemność jest zbyt mała, bateria szybko osiągnie maksymalny poziom naładowania, a kolejnych nadwyżek nie będzie można wykorzystać. Zbyt duży magazyn również może być problemem. Przy dużej sezonowości produkcji część dostępnej pojemności może pozostawać niewykorzystana przez znaczną część roku.

Degradacja baterii ma znaczenie już na etapie projektu

Parametry magazynu nie pozostają takie same przez cały okres eksploatacji. Wraz z upływem czasu dostępna pojemność baterii stopniowo maleje. Na tempo tego procesu wpływają m.in.:

• liczba cykli,
• głębokość cykli,
• temperatura pracy,
• średni poziom naładowania,
• moc ładowania i rozładowania.

Dlatego magazyn powinien być dobierany nie tylko do parametrów wymaganych w dniu uruchomienia, ale również z uwzględnieniem jego późniejszej eksploatacji. Ostatecznie moc i pojemność trzeba traktować jako wzajemnie powiązane parametry wynikające z rzeczywistych warunków pracy przedsiębiorstwa.

Niedowymiarowanie ogranicza skuteczność BESS. Przewymiarowanie zwiększa natomiast CAPEX bez gwarancji proporcjonalnie większych oszczędności.

Magazyn może wymagać przebudowy infrastruktury zakładu

Nawet prawidłowo dobrany BESS nie zawsze można po prostu podłączyć do istniejącej instalacji. Przed realizacją inwestycji należy sprawdzić, czy zakładowa infrastruktura elektroenergetyczna jest przygotowana na nowe wartości i kierunki przepływu mocy.

Weryfikacji powinny podlegać przede wszystkim:

• obciążalność transformatorów, kabli i szyn,
• parametry rozdzielnic,
• zabezpieczenia,
• możliwości techniczne punktu przyłączenia,
• dopuszczalny prąd ładowania,
• komunikacja z licznikami, automatyką i SCADA.

To szczególnie istotne podczas ładowania baterii. W takim momencie magazyn staje się dodatkowym odbiornikiem. Jeżeli ładowanie odbywa się równolegle z pracą najbardziej energochłonnych urządzeń, może dojść do przeciążenia transformatora albo przekroczenia dostępnej mocy przyłączeniowej.

Podczas rozładowania sytuacja jest odwrotna – zmieniają się wartości, a w niektórych konfiguracjach również kierunki przepływu mocy. W praktyce ograniczenia infrastrukturalne mogą więc wyznaczyć maksymalną możliwą moc BESS niezależnie od tego, jaki wariant najlepiej wygląda w analizie ekonomicznej.

Ile naprawdę kosztuje magazyn energii dla przemysłu?

Przy ocenie inwestycji nie wystarczy policzyć kosztu modułów bateryjnych. Całkowite nakłady związane z budową BESS mogą obejmować również:

• system PCS,
• BMS i EMS,
• transformator,
• rozdzielnice,
• okablowanie,
• zabezpieczenia,
• instalację ochrony przeciwpożarowej,
• roboty budowlane,
• dokumentację projektową,
• integrację z istniejącą automatyką,
• przyłączenie,
• uruchomienie i testy systemu.

Do tego dochodzą koszty eksploatacyjne. Należy brać pod uwagę m.in. serwis, przeglądy, ubezpieczenie, zużycie energii na potrzeby własne, utrzymanie systemów sterowania oraz ewentualną późniejszą wymianę lub rozbudowę baterii. Ocena inwestycji powinna więc wykraczać poza prostą odpowiedź na pytanie: „ile kosztuje 1 MWh magazynu?”.

W analizie finansowej warto uwzględnić m.in.:

• SPBT,
• NPV,
• IRR,
• ROI,
• analizę ryzyka.

Finansowanie może natomiast pochodzić ze środków własnych, kredytu, leasingu, programów wsparcia, modelu ESCO czy Energy as a Service.

Najczęstszy błąd? Dobór magazynu do jednego maksimum

W praktyce część błędów popełnianych na początku inwestycji powtarza się wyjątkowo często.

Do najważniejszych należą:

• dobór BESS na podstawie pojedynczego maksimum poboru zamiast pełnego profilu,
• wykorzystywanie rocznego zużycia zamiast danych 15-minutowych,
• brak jasno zdefiniowanej funkcji magazynu,
• mylenie mocy z pojemnością,
• dobieranie pojemności wyłącznie do mocy instalacji PV,
• nieuwzględnianie degradacji baterii i pojemności użytkowej,
• pomijanie strat energii oraz potrzeb własnych systemu,
• nieuwzględnianie parametrów transformatorów i rozdzielnic,
• brak integracji EMS z układami pomiarowymi,
• pomijanie kosztów projektowych, budowlanych, przyłączeniowych i rynkowych.

Wspólny mianownik jest prosty: magazynu nie należy dobierać na podstawie jednego parametru. BESS jest częścią całego systemu energetycznego zakładu i właśnie w taki sposób powinien być analizowany.

Kiedy magazyn energii może się nie opłacać?

Nie każdy zakład przemysłowy jest dobrym kandydatem do inwestycji w BESS. Magazyn może być trudny do uzasadnienia ekonomicznie przede wszystkim tam, gdzie występuje bardzo równomierny pobór energii, bez wyraźnych i powtarzalnych szczytów oraz bez istotnych nadwyżek lokalnej produkcji.

Problemem może być również silna sezonowość. Jeżeli wysokie zużycie albo duże nadwyżki energii pojawiają się tylko przez kilka miesięcy w roku, magazyn przez pozostały okres może pozostawać słabo wykorzystany. W takim przypadku oszczędności mogą być zbyt małe w stosunku do kosztów inwestycji i eksploatacji.

Nie oznacza to jednak, że brak fotowoltaiki albo jednozmianowy system pracy automatycznie wykluczają BESS. Uzasadnieniem mogą być inne zastosowania, takie jak:

• redukcja szczytowego poboru,
• zasilanie rezerwowe,
• wsparcie lokalnej infrastruktury,
• świadczenie usług rynkowych.

Zanim kupisz BESS, sprawdź prostsze rozwiązania

Analiza magazynu powinna uwzględniać również scenariusz, w którym inwestycja… w ogóle nie zostanie zrealizowana. W części zakładów podobny efekt można uzyskać poprzez:

• zmianę harmonogramu pracy urządzeń,
• lepsze zarządzanie odbiorami,
• przesunięcie części procesów poza godziny największego obciążenia,
• modernizację infrastruktury elektroenergetycznej,
• poprawę efektywności energetycznej.

Jeżeli takie działania dają zbliżony rezultat przy znacząco niższych nakładach, budowa magazynu może nie być rozwiązaniem optymalnym ekonomicznie. To ważne, ponieważ celem przedsiębiorstwa nie powinien być sam zakup BESS. Celem powinno być obniżenie kosztów, zwiększenie elastyczności lub poprawa bezpieczeństwa energetycznego w najbardziej efektywny sposób.

Dobry magazyn energii zaczyna się od dobrych danych

Prawidłowo zaprojektowany magazyn może stać się dla zakładu nie tylko dodatkowym źródłem elastyczności, ale też narzędziem realnie ograniczającym koszty energii i zwiększającym bezpieczeństwo pracy. Największy potencjał często jest już widoczny w danych przedsiębiorstwa: profilu obciążenia, charakterystyce lokalnej generacji, taryfach i sposobie rozliczania energii.

Dlatego przed wyborem konkretnego BESS warto zacząć od analizy.

Profil 15-minutowy, jasno określony cel inwestycji, symulacja pracy magazynu, ocena infrastruktury i pełna analiza ekonomiczna powinny poprzedzać decyzję o jego mocy i pojemności.

Dopiero wtedy można odpowiedzieć na najważniejsze pytanie: nie „jak duży magazyn możemy zbudować?”, ale „jaki magazyn rzeczywiście będzie pracował i zarabiał na siebie w tym konkretnym zakładzie?”

Autorka: Monika Brożyna