Magazynowanie energii elektrycznej. Analiza opłacalności wykorzystania magazynu energii w zakładzie przemysłowym

W artykule [12] autorzy dokonali przeglądu dostępnych magazynów energii elektrycznej, z naciskiem na magazyny bateryjne. Opisano w nim oferowane technologie, ich przeznaczenie oraz wykorzystanie na świecie i w Polsce. Poniżej autorzy prezentują możliwości uzyskania dodatkowych korzyści finansowych wynikających z zastosowania magazynów energii. Rozważania te są poparte obliczeniami na przykładzie rzeczywistego obiektu i analizą ekonomiczną opłacalności wykorzystania magazynów.

Analizowany obiekt

Obliczenia wielkości możliwych korzyści płynących z zastosowania magazynu energii przeprowadzono na przykładzie rzeczywistego przedsiębiorstwa z branży przemysłu drzewnego. Zakład ten jest położony we wschodniej Polsce i pełni funkcję tartaku oraz hali produkcyjnej związanej z przemysłem drzewnym. Obiekt zasilany jest w energię elektryczną z sieci, jej dystrybutorem jest PGE Dystrybucja. Rozliczenie odbywa się w oparciu o taryfę B23, sprzedaż energii następuje w oparciu o tę samą taryfę. Zastosowane w obliczeniach ceny, jak i profile zużycia energii pochodzą z 2019 roku. Moc zamówiona zakładu wynosiła wówczas 380 kW. Uporządkowany profil zapotrzebowania na energię elektryczną pokazano na rys. 1.
Na podstawie analizy profilu można stwierdzić, że moc szczytowa zużywana jest jedynie przez bardzo małą część roku. Pobór mocy kształtuje się w zakresie od 0 do 377 kW. Profil nie ma typowej podstawy zużycia, a zmienność zużycia jest bardzo duża – wynika to z charakteru pracy zakładu. Średni dobowy profil zapotrzebowania na moc ilustruje rys. 2.

Również średni dobowy profil zapotrzebowania na energię elektryczną obrazuje duże wahania poboru energii elektrycznej. Warto zaznaczyć, że maksymalne pobory odnotowywane były zawsze w okolicach godziny 8, a więc podczas rozruchu maszyn. Wstępna analiza profili pozwala sądzić, że zastosowanie w obiekcie magazynów energii może mieć uzasadnienie ekonomiczne.

Dobór magazynu energii

Ze względu na chęć przedstawienia korzyści w sposób przejrzysty i uniwersalny zdecydowano się na wykonanie obliczeń w oparciu o magazyn o pojemności jednostkowej, tj. 1 kWh. Takie podejście pozwoli uniknąć skomplikowanych obliczeń związanych z połączeniem wszystkich opisywanych strategii pracy magazynu. Do obliczeń przyjęto jednostkową cenę magazynu, tj. taką, jak przy zamówieniu magazynu o pojemności kilkuset kWh. W przypadku działań, w których istnieje minimalna wielkość magazynu (DSR), przyjęto, że została ona przekroczona. Dla każdego z działań wskazano dodatkowo zakres pojemnościowy magazynu, dla którego przeprowadzone obliczenia są prawdziwe. Dane dotyczące wybranego magazynu wraz z parametrami jednostkowymi zebrano w tabeli 1. Podane wartości dotyczą pojemności użytecznej, a nie całkowitej, takie podejście umożliwia przyjęcie większej liczby cykli pracy.

Obliczenia

1. Praca wykorzystująca zmiany cen energii

a) taryfa wielostrefowa

Opisywany zakład rozliczany jest w ramach taryfy B23. Łączny koszt zmienny (sprzedaż + dystrybucja) w poszczególnych strefach wynosi kolejno: 437,4; 488,48 i 332,87 zł/MWh netto. W takim układzie magazyn ładowany byłby przy najniższej cenie, a rozładowywany przy najwyższej. Należy zaznaczyć, że najtańsza strefa obowiązuje również przez cały dzień w soboty, niedzielę i święta, a zatem w dni te magazyn nie przyniesie oszczędności, nawet jeśli zakład pracuje.

Różnica pomiędzy najtańszą i najdroższą strefą wynosi 155,61 zł/MWh netto, a więc 191,40 zł/MWh brutto. Założono, że w ciągu roku magazyn będzie ładowany i rozładowywany raz dziennie przez 250 dni. Dla magazynu jednostkowego uzyskana oszczędność wynosić będzie 47,85 zł. Oszczędność ta będzie skalowana wielkością magazynu do momentu osiągnięcia pojemności równej minimalnej dziennej (dni pracy) ilości zużycia energii w najdroższej strefie. Dla analizowanego przypadku wielkość ta wynosi 150 kWh. Im większa będzie ta wartość, tym więcej będzie dni, w których nie zostanie on w pełni wykorzystany.

b) zakupy na TGE

Jeśli analizowany podmiot kupowałby energię w oparciu o indeksy giełdowe, oszczędnością byłaby różnica pomiędzy maksymalną i minimalną dobową ceną energii, przy czym możliwe byłoby wykonanie kilku cyklów ładowania i rozładowania w ciągu doby. W obliczeniach skorzystano z cen z RDN za cały 2019 rok. Jako dzienną oszczędność przyjęto różnicę między ceną najwyższą a najniższą. Założono, że magazyn będzie realizował jeden cykl dziennie.

Obliczenia oszczędności przeprowadzono metodą godzinową. Dla jednostkowego magazynu wynosi ona 41,85 zł brutto rocznie. W tym przypadku ograniczeniem wielkości magazynu, dla którego oszczędność jest skalowana, jest minimalne godzinowe zużycie. Ponieważ wartość ta jest bardzo niska, dokonano obliczeń dla większych magazynów, szukając wielkości, dla której oszczędność wynosi 0,9 oszczędności jednostkowej. Wielkość ta to ok. 50 kWh.

2. Redukcja mocy zamówionej

W analizowanym obiekcie najwyższe dobowe zużycia odnotowywane są zawsze w strefach „droższych”, a dzienny pik zużycia trwa maksymalnie jedną godzinę. Zakłada się zatem, że magazyn o pojemności jednostkowej jest w stanie obniżyć moc zamówioną o 1 kW. Zgodnie z taryfą dystrybucyjną koszt mocy zamówionej w taryfie B23 wynosi 15,51 zł/kW brutto miesięcznie. Roczna oszczędność z tytułu obniżenia mocy zamówionej wyniesie zatem 186,12 zł brutto. Maksymalna pojemność magazynu, dla której oszczędność będzie liniowo proporcjonalna do jego wielkości, wynosi ok. 70 kWh.

Jeśli budowa magazynu byłaby alternatywą dla rozbudowy przyłącza, jednorazowa oszczędność wynikająca z budowy magazynu, biorąc pod uwagę powyższe założenia, wyniosłaby ok. 30 zł/kW.

3. Program DSR w ramach rynku mocy

Aby obliczyć potencjalne oszczędności wynikające z zastosowania programu DSR, przeanalizowano ofertę jednego z czołowych agregatorów. Optymalna opcja dotyczyła redukcji na 4 h w ciągu doby (maksymalnie 80 h w roku). Proponowane roczne wynagrodzenie wyniosło 120 000 zł/MW redukcji. Magazyn o jednostkowej mocy jest w stanie obniżyć profil zapotrzebowania o 0,25 kWh przez 4 h. Przychód z tego tytułu wyniósłby zatem 30 zł rocznie. Najmniejsza wielkość magazynu, który sam mógłby zrealizować minimalną wymaganą przed agregatora redukcję (100 kW), wynosi 400 kWh. Przy osiągnięciu minimum redukcji za pomocą innych sposobów nawet niewielkich rozmiarów magazyn mógłby zwiększyć zdolność redukcyjną i przynieść opisane wyżej przychody.

4. Współpraca z PV

Przy obecnym systemie upustów dla mikroinstalacji OZE montaż magazynów energii jest w większości przypadków ekonomicznie nieuzasadniony. Zdecydowano się zatem rozpatrzyć przypadek małej instalacji OZE, dla której system opustów nie obowiązuje. Do obliczeń przyjęto moc instalacji PV większą niż 200 kWp. Instalacja tej mocy przez 150 dni w ciągu roku oddawałaby nadwyżki produkcji do sieci. W obliczeniach założono, że energia będzie sprzedawana do sieci po średniej kwartalnej cenie energii elektrycznej niepodlegającej obowiązkowi publicznej sprzedaży (II kw. 2020 – 239,77 zł/MWh), a kupowana po cenie szczytowej z obecnej umowy, czyli 394 zł/MWh brutto. Dodatkowo przyjęto koszty zmienne dystrybucji równe w strefie szczytowej 94,48 zł/MWh. Założono, że magazyn wykonuje jeden cykl ładowania i rozładowania na dobę przez 150 dni w ciągu roku.

Roczna oszczędność liczona dla jednostkowego magazynu wynosi 54,16 zł. W sytuacji hipotetycznej, gdyby magazyn ten ładował się i rozładowywał, współpracując z instalacją PV przez 365 dni w roku, oszczędność ta wyniosłaby prawie 132 zł. Taka sytuacja mogłaby mieć miejsce jedynie w przypadku skrajnie przewymiarowanej instalacji PV. Obliczona oszczędność w dużym stopniu zależy od wielkości tej instalacji, profilu poboru energii oraz wielkości magazynu.

Podsumowanie obliczeń

W tabeli 2 zebrano oszczędności uzyskane dla magazynu o pojemności jednostkowej przy poszczególnych metodach pracy.

Zdecydowanie największe roczne oszczędności można otrzymać, wykorzystując magazyn w celu redukcji pików poboru mocy, a tym samym zmniejszenia mocy zamówionej. Zastosowanie magazynów do tego celu jest zasadne w chwili, kiedy maksymalne pobory mocy występują przez krótki czas i są znacząco wyższe od średniego poboru. Warto zauważyć, że dla opisywanego obiektu oszczędności wynikające z poszczególnych działań, z wyłączeniem współpracy z PV, można przy pewnych założeniach łączyć. Można zatem przyjąć, że łączna roczna oszczędność wynikająca z zastosowania magazynu energii wyniesie dla magazynu jednostkowego 264 zł.

Przy założonej wartości inwestycji równej 3215 zł/kWh jej prosty czas zwrotu wyniesie 12,17 lat. W tym czasie magazyn wykona 3044 cykli pracy, a więc mniej od swojej deklarowanej żywotności. Należy zaznaczyć, że opłacalność inwestycji w magazyn energii może być bardzo różna i zależy od wielu czynników. W obecnym stanie prawnym magazynowanie nadwyżek produkcji energii ze źródeł odnawialnych jest w większości przypadków nieopłacalne.

Potencjalnych nabywców magazynów energii z pewnością zachęciłyby dodatkowe dopłaty. Szwedzki rząd już wprowadził pomoc finansową dla osób fizycznych w wysokości do 60% wartości instalacji lub maksymalnie 5400 dol. Polska również planuje wsparcie na tym polu. W czerwcu 2020 roku wiceminister rozwoju Krzysztof Mazur wspomniał pod­czas prezentacji raportu Instytutu Energetyki Odnawialnej „Rynek fotowoltaiki w Polsce 2020” o pracach nad wprowadzeniem systemu dopłat do magazynów energii. Zaznaczył, że w obliczu dużego przyrostu liczby paneli fotowoltaicznych potrzebne są magazyny energii, aby można było sobie radzić z poten­cjal­nymi trudnościami z odbiorem nadwyżek energii elektrycznej w słoneczne dni. Jednym z łatwiejszych rozwiązań w kwestii wsparcia finansowego byłoby poszerzenie zakresu programu „Mój Prąd”, wspierającego dotacjami w wysokości maksymalnie 5 tys. zł prosumentów, którzy instalują domowe magazyny energii. Pomimo że decyzje w sprawie zmiany tego rządowego programu jeszcze nie zapadły, duże zainteresowanie takim wsparciem oraz plany włączenia do niego również pomocy finansowej dla nabywców ładowarek do samochodów elektrycznych sugerują, że w przyszłości będzie można liczyć na dodatkowe dopłaty. Przyczyniłoby się to do wzrostu znaczenia prosumentów na rynku energii elektrycznej i ich wpływu na bezpieczeństwo energetyczne Polski.

Również w innych programach dofinansowujących modernizację energetyczną małych i średnich przedsiębiorstw czy jednostek samorządu terytorialnego coraz częściej pojawia się możliwość inwestycji w bateryjny magazyn energii elektrycznej, najczęściej jako uzupełnienie inwestycji w OZE. W najbliższych latach należy się spodziewać nasilenia tego trendu, a być może nawet programów wspierających inwestycje w magazyny energii elektrycznej. Aby uatrakcyjnić taką inwestycję poprzez zmniejszenie ceny magazynu, wiele firm zastanawia się nad możliwością wykorzystania „baterii drugiego życia”.

Baterie drugiego życia

Od roku 2010 obserwujemy gwałtowny wzrost sprzedaży samochodów elektrycznych na świecie (rys. 3).

Międzynarodowa Agencja Energii (International Energy Agency) przedstawia dwa scenariusze prognozujące zmiany na rynku samochodów elektrycznych. Scenariusz „Stated Policies” opiera się na ustawach i regulacjach, które już zostały wprowadzone. Natomiast scenariusz „Sustainable Development” zakłada, że w 11 wybranych krajach biorących udział w kampanii EV30@30 do roku 2030 samochody elektryczne (EV) stanowić będą 30% rynku. Do roku 2030 liczba samochodów elektrycznych ma wynosić od ok. 130 mln (w scenariuszu „Stated Policies”) do ok. 250 mln (w scenariuszu „Sustainable Development”), co przedstawia rys. 4. Główną część rynku stanowić mają osobowe samochody elektryczne (PLDV – BEV) oraz osobowe samochody hybrydowe typu plug-in (PLDV – PHEV).

Wprowadzenie na rynek takiej liczby samochodów elektrycznych wiąże się ze znaczącym wzrostem zapotrzebowania na akumulatory litowo-jonowe. Wyzwania, przed którymi stoją producenci samochodów elektrycznych, to m.in. ograniczone zasoby naturalne surowców potrzebnych do produkcji akumulatorów (m.in. lit, nikiel i kobalt) oraz utylizacja zużytych baterii. Jednym z rozwiązań jest recykling, który umożliwia odzyskanie części cennych surowców.

Pomimo dostępności dwóch głównych technologii recyklingu baterii opierających się na takich dziedzinach jak pirometalurgia i hydrometalurgia, odsetek baterii, które efektywnie przechodzą te procesy, jest bardzo mały – zaledwie ok. 3% w skali światowej. Jednym z powodów jest różnorodność konfiguracji składników baterii. Proces recyklingu musi zostać dostosowany do ich rodzaju, a zakłady utylizacji dostają najczęściej baterie wymieszane, co wymaga ich sortowania. Sam sposób zamykania ogniw i zabudowywania w urządzeniach powoduje wiele problemów przy ich demontażu. Rozebranie baterii samochodowej na części jest czasochłonne i nie da się tego obecnie wykonać za pomocą robotów. Procesy recyklingu baterii wymagają też dużych nakładów finansowych, gdyż potrzebny jest w ich przypadku specjalistyczny sprzęt i chemia oraz wysoka temperatura (powyżej 1000°C), co wiąże się z wysoką emisją gazów cieplarnianych. Wymienione powody czynią recykling baterii mało opłacalnym. Jednak dzięki postępowi technologicznemu oraz dodatkowym dopłatom udział w rynku baterii, z których odzyskuje się cenne materiały, będzie w przyszłości rósł.

Przemysł stara się reagować na rosnące ceny surowców, takich jak lit czy kobalt, modyfikując skład chemiczny baterii. W bateriach niklowo-manganowo-kobaltowych redukuje się zawartość kobaltu na rzecz niklu, aby zmniejszyć koszt materiałów potrzebnych do produkcji ogniw. Dodatkowo trwają prace nad nowymi technologiami, takimi jak baterie sodowe, przepływowe, a także magazyny energii oparte na superkondensatorach. Wszystkie te technologie są jednak w początkowej fazie rozwoju i występują głównie w pilotażowych instalacjach. Pomimo tego większość specjalistów z tej dziedziny jest zgodna, że powyższe technologie będą po pewnym czasie coraz śmielej wzmacniać swoją pozycję w zestawieniu technologii magazynowania energii stosowanych powszechnie w przemyśle, a także przez osoby prywatne.

Innym rozwiązaniem, które może wydłużyć żywotność akumulatorów z samochodów elektrycznych oraz zwiększyć ich efektywność kosztową, jest ich wykorzystanie do budowy stacjonarnych magazynów energii elektrycznej. Rozwiązanie to nosi nazwę „baterii drugiego życia” (ang. Second-Life Batteries) i zyskuje coraz większą popularność. Kiedy pierwotna pojemność akumulatora spada do 70–80%, zalecana jest jej wymiana na nową ze względu na ograniczony zasięg auta. Liczne analizy dowodzą użyteczności pozostałej pojemności głównie do zastosowań stacjonarnych, w których nie ma ścisłych ograniczeń gabarytowych.

Akumulator drugiego życia może zostać skonstruowany z wykorzystaniem całej baterii z samochodu elektrycznego, bez ingerencji w jej budowę, poszczególnych modułów znajdujących się w środku lub ogniw, które są najmniejszym i niepodzielnym elementem składowym akumulatora. Niektóre ogniwa mogą być uszkodzone lub mieć gorsze parametry i tym samym ograniczać możliwości całej baterii. Dlatego najdokładniejszym rozwiązaniem jest rozkładanie baterii do poziomu ogniw, diagnostyka, segregacja oraz łączenie ogniw o możliwe zbliżonych parametrach w nowe układy. Jest to jednak także najbardziej czasochłonna i najdroższa z metod. Fakt, że pierwotnie akumulatory te były używane do innych celów, może stanowić potencjalną wadę baterii drugiego życia. Dla budowy takich baterii kluczowe jest wnikliwe zdiagnozowanie poszczególnych elementów składowych. Jest to szczególnie ważne w kontekście niebezpieczeństwa związanego z użytkowaniem baterii litowo-jonowych. Akumulatory drugiego życia nie muszą być konstruowane wyłącznie z baterii pochodzących z samochodów. Do ich budowy można potencjalnie wykorzystać ogniwa, które pochodzą z laptopów, elektronarzędzi lub popularnych ostatnio hulajnóg elektrycznych.

Rozwiązania takie są już stosowane na świecie, przykładami mogą być:

• projekt SUNBATT sponsorowany przez producenta samochodów Seat oraz firmę Endesa Energia. Wykorzystuje on 4 baterie z pojazdów typu Plug-In Hybrid (PHEV) do stabilizacji sieci oraz wspomagania szybkich ładowarek samochodowych;
• zaanonsowany pod koniec 2018 roku magazyn energii o mocy 2,15 MW oraz pojemności 7,2 MWh. Ma on powstać w Chinach i wspierać sieć w mieście Shenzhen;
• dwie jednostki magazynujące o mocach 13 oraz 15 MW, wybudowane w Niemczech przez firmę Daimler;
• wspólny projekt firm BMW, Vattenfall i Bosch składający się z 2600 modułów baterii z samochodów elektrycznych o łącznej mocy 2 MW, również zrealizowany w Niemczech.

Rynek magazynów drugiego życia jest jeszcze bardzo młody, a co za tym idzie cena takich magazynów jest stosunkowo trudna do oszacowania i często wyznaczana indywidualnie (magazyny produkowane są na zamówienie). Analiza ofert kilku firm pozwala stwierdzić, że jednostkowe koszty inwestycyjne magazynu z baterii drugiego życia powinny być niższe o 30% w porównaniu do standardowego magazynu. Założenie to uwzględnia już spadek pojemności magazynów używanych, a więc konieczność zastosowania większej ich liczby w celu uzyskania takiej samej pojemności użytecznej.

Spadek nakładów inwestycyjnych oznacza dla analizowanego wcześniej przypadku skrócenie SPBT do 8,5 lat, czyli 2130 cykli pracy. Producenci magazynów opartych na bateriach drugiego życia deklarują, ze są one w stanie przepracować 2500–3000 cykli z niewielkim spadkiem pojemności użytecznej.

Podsumowanie

Technologia bateryjnego magazynowania energii bardzo szybko się rozwija. Z roku na rok parametry techniczne nowych akumulatorów są coraz lepsze, a ich cena jednostkowa maleje. Już teraz można wskazać przedsiębiorstwa, w których zastosowanie magazynów może być zasadne, a obliczenia ekonomiczne pokazują, że czas zwrotu inwestycji może być krótszy od żywotności magazynu.

Rozwój i wzrost popularności magazynów energii można porównać z rozwojem technologii fotowoltaicznych. Jeszcze kilka lat temu w realiach rynkowych fotowoltaika była opłacalna jedynie w nielicznych, specyficznych przypadkach, podczas gdy obecnie jest ona wykorzystywane powszechnie, zarówno w przedsiębiorstwach, jak i w gospodarstwach domowych. Aby magazyny energii przeszły podobną drogę, potrzebne są odpowiednie zapisy legislacyjne, a także wsparcie dla pionierskich instalacji.

Ciekawą możliwością zwiększenia rentowności inwestycji w magazyny energii jest wykorzystanie baterii drugiego życia. Takie rozwiązanie pomaga również rozwiązać problem recyklingu akumulatorów z samochodów elektrycznych. Kluczowe wydaje się zatem podejście systemowe oraz wdrażanie gospodarki cyklu zamkniętego.

Literatura

1. BloombergNEF, 2019, A Behind the Scenes Take on Lithium-ion Battery Prices, https://about.bnef.com/blog/behind-scenes-take-lithium-ion-battery-prices/ (dostęp: 3.08.2020).
2. BP, 2020, Statistical Review of World Energy 2020.
3. China Energy Storage Alliance (CNESA), 2020, Global Energy Storage Market Analysis – 2019.Q4 (Summary), http://en.cnesa.org/latest-news/2020/2/29/cnesa-global-energy-storage-market-analysis-2019q4-summary (dostęp: 3.08.2020).
4. European Association for Storage of Energy, 2020, European Market Monitor on Energy Storage, https://ease-storage.eu/category/publications/emmes/ (dostęp: 3.08.2020).
5. Hart D., Sarkissian A., 2016, Deployment of Grid-Scale Batteries in the United States, George Mason University, https://davidhart.gmu.edu/wp-content/uploads/2016/11/Grid-Scale-Batteries-GMU-case-study-final-9-19-16.pdf (dostęp: 3.08.2020).
6. Hesse H.C., Schimpe M., Kucevic D., Jossen A., 2017, Lithium-ion battery storage for the grid – A review of stationary battery storage system design tailored for applications in modern power grids, „Energies” 10, 2017, https://doi.org/10.3390/en10122107 (dostęp: 3.08.2020).
7. IEA, 2019, Tracking Energy Integration – Energy Storage, https://www.iea.org/ (dostęp: 3.08.2020).
8. IEA, 2020, Energy Storage – Analysis, https://www.iea.org/reports/energy-storage (dostęp: 3.08.2020).
9. IEA, 2020, Global EV Outlook 2020, https://doi.org/10.1787/d394399e-en (dostęp: 3.08.2020).
10. Office of the EU, 2020, Study on energy storage – Contribution to the security of the electricity supply in Europe.
11. U.S. Energy Information Administration, 2018, U.S. Battery Storage Market Trends, U.S. Dep. Energy.
12. Jarosiński Michał, Godlewski Wojciech, Sierakowski Mateusz, Metody magazynowania energii elektrycznej, „Rynek Instalacyjny” 9/2020, s. 39–44, rynekinstalacyjny.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!