Dobór magazynu energii do farmy fotowoltaicznej cz.1 – moc przyłączeniowa

Widmo krąży po Europie – widmo ujemnych cen energii. W Polsce razem z nim straszy zmora ograniczonych mocy przyłączeniowych. Oba te zjawiska zagrażają inwestycjom w OZE. Oba te straszydła ma przegnać bohater tego artykułu, czyli przemysłowy magazyn energii. Czy rzeczywiście? Może lepsze pytanie brzmi – jak skutecznie i jakim kosztem?

Odpowiedzi udzielimy w dwuczęściowej serii artykułów. W pierwszej części omówimy funkcje magazynów energii oraz ich rolę w zapewnianiu nieprzekraczania mocy przyłączeniowej. W drugiej części zabawimy się w proroka i ekonomistę w jednym, próbując określić zwrot z inwestycji w zależności od doboru magazynu energii i cen.

(W artykule posłużymy się zrzutami ekranu z narzędzia Cable Pooling Symulator 2023, w którego powstawaniu uczestniczyłem).

Funkcje magazynu

Magazyn energii w instalacji OZE może spełniać trzy zasadnicze funkcje:

• Peak shaving
• Przesunięcie sprzedaży
• Arbitraż cenowy

Omówmy je po kolei:

Peak shaving

Peak shaving to z angielskiego „przycinanie szczytu”. W kontekście instalacji fotowoltaicznych chodzi o szczyt produkcji z fotowoltaiki, przypadający na najbardziej słoneczne godziny dnia i roku. Fotowoltaika, jako generator niezwykle zależny od kaprysów pogody, nieczęsto działa w sposób „umiarkowany” – zwykle działa z pełną mocą, albo nie działa w ogóle.

Stwarza to problemy przy ograniczonej mocy przyłączeniowej. Jeśli inwestor chciałby postawić 3 MWp instalacji fotowoltaicznej, mając wydane warunki przyłączeniowe z 1,5 MW mocy przyłączeniowej, to przez 250-300 godzin w roku moc fotowoltaiki będzie przekraczać moc przyłączeniową.

Zgodnie z ustawą ta energia musi być blokowana, czyli tracona. W najgorszym wypadku cała instalacja musi być wyłączona. Magazyn energii w trybie peak-shavingu odbiera nadmiarową energię i sprzedaje są wieczorem, w godzinach najwyższych cen energii. Widać to na poniższym wykresie.

Wykres pokazuje działanie instalacji OZE składającej się z farmy fotowoltaicznej i magazynu energii w słoneczny dzień z okazjonalnym zachmurzeniem. Czerwona linia pokazuje moc przyłączeniową na poziomie 1,5 MW. Żółta linia to moc instalacji PV z systemem nadążnym o mocy 3 MWp. Gdy moc instalacji PV przekracza 1,5 MW, magazyn energii o pojemności 2 MWh (niebieska linia) zaczyna odbierać nadmiarową energię, dzięki czemu moc eksportowa całej instalacji (linia z zielonych kropek) nie przekracza mocy przyłączeniowej. Zysk ze sprzedaży każdej MWh to w tym przypadku wieczorna rynkowa cena energii, czyli jakieś 420 zł.

Przesunięcie sprzedaży

W trybie przesunięcia sprzedaży magazyn energii jest ładowany w godzinach niskich cen sprzedaży energii, celem późniejszego sprzedania energii wieczorem, gdy cena sprzedaży energii jest najwyższa. Jest to szczególnie przydatne, gdy ceny zbliżają się do zera lub wręcz „przebijają dno” i zyskują znak minusa. Poniży wykres pokazuje sposób działania tej funkcji.

Instalacja z systemem nadążnym 2-osiowym 3 MWp generuje najwięcej energii w godzinach ujemnych cen energii. W momencie osiągnięcia cen ujemnych instalacja OZE się rozłącza i eksport wynosi 0. Duży magazyn energii o pojemności 8 MWh przez 4-5 godzin odbiera nadmiarową energię, aż do zapełnienia. Wieczorem, gdy rynkowa cena energii jest najwyższa, magazyn energii eksportuje zgromadzoną energię. Zysk ze sprzedaży każdej MWh to w tym przypadku wieczorna rynkowa cena energii, czyli jakieś 400 zł.

Magazyn energii może przynosić zyski z przesunięcia sprzedaży nawet gdy ceny nie sięgają wartości minusowych. Pokazuje to poniższy przypadek.

Instalacja o identycznej konfiguracji w dzień z przelotnym zachmurzeniem. W środku dnia, w godzinach niskich rynkowych cen, instalacja PV ładuje magazyn energii i nie eksportuje energii. Zmienia się to ok. godziny 14, gdy ceny stają się wyższe. Wieczorem magazyn energii sprzedaje energię po wyższej cenie. Zysk z każdej sprzedanej MWh to w tym wypadku wieczorna rynkowa cena energii minus rynkowa cena energii z środka dnia.

Arbitraż cenowy

W trybie arbitrażu cenowego magazyn energii importuje energię z sieci w godzinach niskich cen energii (np. w nocy) i sprzedaje ją w godzinach wyższych cen sprzedaży energii (np. nad ranem). Niestety importując energię z sieci inwestor ponosi opłaty dystrybucyjne i przesyłowe. Żeby operacja przyniosła zysk, różnica w cenach musi być więc znaczna – jak na poniższym przykładzie.

Dane instalacji jak wyżej, lecz c-rate magazynu energii 2h. Zysk ze sprzedaży każdej MWh to w tym przypadku wieczorna rynkowa cena energii minus cena zakupu energii, włączając koszty dystrybucyjne.

Gdy różnica w cenach jest nieznaczna, arbitraż cenowy nie powinien nastąpić, jak to przedstawiono poniżej.

Ważne przypomnienie

Należy pamiętać, że każde ładowanie magazynu energii to:

• Straty. Około 15% energii włożonej do magazynu energii jest tracone.
• Degradacja. Każdy cykl ładowania magazynu zmniejsza jego żywotność.

Stąd magazyn energii należy ładować tylko wtedy, gdy może przynieść wyraźne zyski.

Jak to zostało udowodnione, magazyn energii może spełniać wiele różnych funkcji. Dla wielu inwestorów najważniejszą jest peak-shaving. Przynosi najwyższe zyski i pozwala na zmaksymalizowanie zysków przy ograniczonych warunkach przyłączeniowych. Omówmy zatem dobór magazynu energii do farmy fotowoltaicznej w takiej sytuacji.

Dobór magazynu energii do farmy fotowoltaicznej, gdy warunki przyłączeniowe są ograniczeniem

Poniższa tabela zawiera wynik dziesiątek przeprowadzonych przez nas symulacji. Pozwala odczytać polecany dobór magazynu energii w zależności od rodzaju i mocy instalacji PV rodzaju instalacji, akceptowalnego poziomu strat i mocy przyłączeniowej.

Minimalna pojemność magazynu energii na 1 MW mocy przyłączeniowej dla osiągnięcia akceptowalnego poziomu strat
Rodzaj instalacji	Roczna produkcja	Akceptowalny poziom strat	Moc instalacji PV [MWp] na 1 MW mocy przyłączeniowej
			1,5	1,75	2	2,25	2,5
Instalacja stacjonarna	1062	5% strat	0 MWh	0,25 MWh	1 MWh	2 MWh	3 MWh
		2% strat	0,25 MWh	1 MWh	2 MWh	3,25 MWh	4,5 MWh
		0% strat	1 MWh	2 MWh	3,5 MWh	5 MWh	6,5 MWh
Instalacja tracker 1-oś	1253	5% strat	0 MWh	0,25 MWh	1,75 MWh	3,25 MWh	4,75 MWh
		2% strat	0 MWh	1,25 MWh	3 MWh	4,75 MWh	6,5 MWh
		0% strat	1,25 MWh	2,75 MWh	5 MWh	7 MWh	9,25 MWh
Instalacja tracker 2-oś	1443	5% strat	0,25 MWh	1,5 MWh	3 MWh	4,75 MWh	6,5 MWh
		2% strat	1 MWh	2,75 MWh	4,5 MWh	6,5 MWh	8,5 MWh
		0% strat	2,75 MWh	4,75 MWh	7 MWh	9 MWh	11,5 MWh

Jak odczytać dane z tabeli?

1. Najpierw należy ustalić Moc instalacji PV [MWp] na 1 MW mocy przyłączeniowej. W tym celu należy podzielić moc fotowoltaiki [MWp] przez moc przyłączeniową.
2. Teraz trzeba wybrać rodzaj instalacji fotowoltaicznej, mając do wyboru instalację stacjonarną, instalację z 1-osiowym systemem nadążnym i z 2-osiowym systemem nadążnym.
3. Teraz określ akceptowalny poziom strat – 5% produkcji rocznej, 2% lub 0%. 
4. Odczytany z tabeli wynik [w MWh] pomnóż przez moc przyłączeniową. Wynik mnożenia to wymagana pojemność magazynu energii.

Przykład: Przy danej mocy przyłączeniowej 15 MW i mocy zainstalowanej instalacji fotowoltaicznej 26 MWp, Moc instalacji PV [MWp] na 1 MW mocy przyłączeniowej wynosi ~1,75. Rodzaj instalacji fotowoltaicznej to instalacja z 1-osiowym trackerem, a akceptowalny poziom strat to 2% produkcji rocznej. Odczytany wynik 1,25 MWh należy pomnożyć przez 15 – ostateczny wynik to 18,75 MWh.

Zauważ, że chęć osiągnięcia poziomu 0% strat wymaga bardzo dużych nakładów inwestycyjnych. Zaakceptowanie 2% strat wydaje się być dobrym kompromisem.

Dla uzupełnienia informacji dodajmy, że te wyliczenia powstały w oparciu o dane z roku 2020. Był to rok o przeciętnym nasłonecznieniu, stąd jest odpowiedni do wysuwania ogólnych tez.

Przykładowe roczne różnice w nasłonecznieniu
Rok	Produkcja roczna z PV [MWh/MWp]	Zmiany względem roku 2020
2020	1253	0,00%
2019	1289	+2,87%
2018	1327	+5,91%
2017	1096	-12,53%
2016	1189	-5,11%
2015	1271	+1,44%
2014	1229	-1,92%
2013	1085	-13,41%
2012	1218	-2,79%
2011	1235	-1,44%
2010	1145	-8,62%

Analiza konkretnego przypadku

Dla naszych klientów tworzymy bardziej szczegółowe analizy i symulacje. 

Właściciel farmy fotowoltaicznej o mocy 7 MWp otrzymał informację o ograniczeniu jego mocy przyłączeniowej do 4,2 MW. Zwrócił się do nas z pytaniem o pomoc w doborze magazynu energii. Spytaliśmy o kąt nachylenia modułów fotowoltaicznych w farmie i region Polski, w którym instalacja działa (różnice w nasłonecznieniu w Polsce nie są duże, ale jednak występują), następnie wykonaliśmy kilka symulacji i przesłaliśmy mu poniższy wykres:

W tym przypadku inwestycja w magazyn energii o pojemności od 2 do 4 MWh wydaje się rozsądna. Większy magazyn pozwoli na dodatkowe zyski z przesunięcia sprzedaży i arbitrażu cenowego.

Podobną ekspertyzę możemy przeprowadzić również dla Ciebie. Zapraszamy do kontaktu!

W następnym artykule z tej serii omówimy dobór magazynu energii do farmy fotowoltaicznej w sytuacji, gdy warunki przyłączeniowe nie są ograniczeniem. Czy magazyn energii może na siebie zarobić? Zapraszamy!

Wróć do listy aktualności