Artykuły

Wprowadzenie

Co zrobić, aby systemy fotowoltaiczne (PV) zostały w pełni zintegrowane z sieciami elektroenergetycznymi? Należy zastosować wydajne i opłacalne magazynowanie energii na wielkoskalowych farmach PV wraz z inteligentnym zarządzaniem odbiorem tej energii. Wraz ze wzrostem globalnego rynku fotowoltaiki, zwiększenie lokalnego zużycia energii generowanej przez technologię fotowoltaiczną stanie się ważne dla utrzymania stabilności sieci elektroenergetycznej w wielu krajach. Technologia PV zintegrowana z magazynowaniem energii jest niezbędna do przechowywania nadwyżki wytworzonej energii fotowoltaicznej do późniejszego wykorzystania w razie potrzeby. Magazynowanie energii może pomóc sieciom energetycznym wytrzymać szczyty zapotrzebowania, umożliwiając wydajną pracę sieci przesyłowych i dystrybucyjnych. W przypadku krótszych okresów przechowywania magazyny energii przy farmach PV mogą być skuteczne do „wygładzania” krótkich szczytów i zniekształceń napięcia [1][2][3][5][6].

W ostatnim czasie obserwujemy dynamiczny wzrost takich systemów. Jakie są wnioski najnowszego opracowania Energy Information Administration (EIA)? W samych tylko USA, ​​kiedy zsumujemy liczby za 2021 r. pojemność akumulatorów wzrosła o 4,5 GW, czyli o 300%, w kończącym się właśnie 2022 roku! EIA przewiduje, że w ciągu najbliższych dwóch lat zostanie uruchomionych 10 GW pojemności akumulatorów, z czego ponad 60% zostanie połączone z instalacjami PV [8].

Jako przykład (rys. 1) można wskazać inwestycję firmy Florida Power and Light Company, która w zeszłym roku uruchomiła Manatee Energy Storage Center o mocy 409 MW/900 MWh. Instalacja jest zasilana z sąsiedniej farmy PV o mocy 74,5 MW. Manatee Energy Storage Center składa się ze 132 kontenerowych magazynów energii położonych na powierzchni 40 hektarów. Każdy kontener zawiera około 400 modułów akumulatorowych. Jest na chwilę obecną  największa tego typu instalacja magazynowania energii współpracująca z farma PV [9].  

Wg inwestora magazyn ładuje się w godzinach poza szczytem dużą ilością energii z farmy PV. Następnie rozładowuje się do lokalnej sieci w godzinach szczytu, kiedy energia jest najdroższa i przez to najbardziej emisyjna ponieważ pochodzi ze źródeł gazowych.

Magazynowanie energii nabiera znaczenia w Europie. Jeszcze w 2010 roku zapowiadano inwestycje w magazyny energii o mocy 9 MW, a w 2020 roku było to już  5,7 GW  – informuje firma konsultingowa Clean Horizon. Spośród tych projektów większość jest w planach lub w trakcie realizacji, natomiast 1,7 GW już działa. W Polsce do inwestycji w wielkoskalowe magazyny energii ruszyli operatorzy. Na rysunku nr 2 poniżej zestawiono dane dla operatora PGE. Grupa PGE pracuje nad budową największego magazynu energii w Europie. Projekt otrzymał, jako pierwszy w Polsce, promesę koncesji na magazynowanie energii. Celem strategicznym Grupy w obszarze magazynowania energii jest posiadanie 800 MW nowych instalacji magazynowania energii w Polsce w 2030 roku [14].

Inwestycje tego typu na świecie wynikają ze stosowanego wsparcia rządowego w poszczególnych krajach, oraz przede wszystkim z tego, że spadają ich koszty.

Chociaż firma badawczo-konsultingowa BloombergNEF szacuje w tym roku, że trudności w łańcuchu dostaw i wyższe ceny materiałów, frachtu, paliwa i robocizny spowodowały, że koszt systemów PV wzrósł o 14%, a energii wiatrowej na lądzie o 7% w porównaniu z rokiem ubiegłym, to w szerszym zakresie czasu obserwujemy spadki kosztów. Wg BloombergNEF globalny uśredniony koszt energii elektrycznej (LCOE) dla fotowoltaiki (PV) na skalę przemysłową w pierwszej połowie 2022 r. wyniósł 45 USD (43 EUR) za MWh, a dla lądowej energii wiatrowej 46 USD za MWh. W porównaniu z nowymi elektrowniami opalanymi węglem i gazem, nowe lądowe projekty wiatrowe i słoneczne są teraz o około 40% tańsze. Globalne benchmarki BNEF dla nowych elektrowni węglowych i gazowych wynoszą odpowiednio 74 USD i 81 USD za MWh [8][9].

Najbardziej znaczący spadek kosztów obserwujemy jednak właśnie w zakresie magazynowania energii z ponad 300 USD do poniżej 150 USD za MWh w ostatnich kilku latach [11].

Czym tak naprawdę jest wspomniany LCOE? Jest to uśredniony koszt energii elektrycznej (Levelized Cost Of Electricity). Określa się go jako odzwierciedlenie wartości bieżącej netto kosztu wygenerowania jednostki energii elektrycznej na przestrzeni całego czasu istnienia i funkcjonowania danego układu wytwórczego jak w zapisie poniżej [12][13].

Obliczanie LCOE wymaga znajomości dwóch kluczowych zmiennych:

• Całkowity koszt systemu. Powinno to obejmować koszty finansowania (zakup oraz utrzymanie) i odjąć wszelkie otrzymane zachęty, takie jak ulgi podatkowe i amortyzacja.
• Ile mocy będzie wytwarzała np. farma PV w okresie, w którym chcemy obliczyć LCOE – np. 25 lat.

Po pojawieniu się różnych technologii magazynowania energii na rynku w celu oszacowania kosztów technologii magazynowania energii konieczne było ustalenie modelu analizy uśrednionych kosztów odpowiednio dla różnych technologii magazynowania energii. Model Levelized Cost Of Storage (LCOS) jest właśnie narzędziem do porównywania kosztów jednostkowych różnych technologii magazynowania energii. Można go opisać jako całkowity koszt eksploatacji technologii magazynowania energii. Uwzględnić w tym należy wszystkie koszty poniesione na instalację, ładowanie i rozładowywanie systemu magazynowania energii w całym okresie jego eksploatacji. Całość należy podzielić przez skumulowaną dostarczoną energię elektryczną z magazynu energii w analizowanym okresie czasu. Dla większości inwestorów oba wskaźniki: Levelized Cost Of Storage (LCOS) i Levelized Cost Of Energy (LCOE) oferują największą elastyczność w porównywaniu technologii i przypadków wdrożenia. Są najbardziej wszechstronnymi metodami i są najbliższe zrealizowanej wartości [13].

Warianty magazynowania energii z farm PV

Omawiając zagadnienie magazynowania energii z wielkoobszarowych instalacji PV warto dawać sobie sprawę że mamy kilka wariantów systemowego umiejscowienia takiego magazynu [4]:

• System magazynowania sprzężony z siecią prądu przemiennego – układ pracuje samodzielnie. Magazyn energii znajduje się w oddzielnym miejscu, niezależnie od wytwarzania energii słonecznej. Ten typ instalacji jest często umieszczany w lokalnej kieszeni ładunkowej, aby obsługiwać regiony o ograniczonej wydajności. 

• System magazynowania sprzężony z siecią prądu stałego – układ pracuje obok instalacji PV. Magazyn energii i farma PV znajdują się w tym samym miejscu i albo mają wspólny punkt połączenia z siecią, albo mają dwa oddzielne połączenia. Jednak systemy PV i magazynujące są podłączone do oddzielnych falowników, a magazyn energii znajduje się obok generatora słonecznego. Mogą pracować razem lub niezależnie.

• System magazynowania sprzężony z siecią prądu stałego – układ pracuje obok instalacji PV z tym samym falownikiem z PV. Magazyny energii słonecznej i energii znajdują się w tym samym miejscu i mają jednak to samo połączenie. Ponadto są połączone tą samą magistralą DC i korzystają z tego samego falownika. Mogą pracować razem jako jeden obiekt.

Wydaje się, że w przypadku inwestycji w farmę PV w wielu okolicznościach wspólne rozmieszczenie magazynów energii i farmy PV jak pokazano na przykładzie z USA niesie ze sobą znaczne korzyści. Dzięki wspólnemu lokalizowaniu farmy PV i magazynu energii można dzielić bilans kosztów instalacji, w tym koszty gruntu, robocizny, zarządzania projektem, pozwoleń, połączeń międzysystemowych, operacji i konserwacji [4][5][6].

W przypadku zastosowania magazynu energii w projekcie farmy fotowoltaicznej, należy uwzględnić kilka czynników. Przede wszystkim należy określić sobie cel jaki magazyn energii ma spełniać w pracy farmy PV. Możemy bowiem mówić tutaj o [2]:

• magazynowaniu energii w celu kontroli mocy przyłączeniowej;
• magazynowaniu energii z farmy PV w celu poprawiania charakterystyki prądu przyjaznego dla OSD;
• magazynowanie energii w pickach produkcyjnych OZE i sprzedaż kiedy nie ma słońca, nie wieje wiatr lub jest korzystna cena na giełdzie energii;
• magazynowaniu energii  w celu stabilizacja sieci i aukcje na magazyny energii.

Cel użycia magazynu energii determinuje dobór poszczególnych elementów oraz zespolenie magazynu energii z pracą projektowanej farmy PV. Wiodącymi rozwiązaniami na dużą skalę są kontenerowe magazyny energii, które skaluje się zgodnie z założeniami i potrzebami inwestycji. Optymalnym wyborem jest zakup magazynu energii wraz ze stacją transformatorową. Wówczas obiegi kontrola energii DC i AC są sprzężone w jeden kompleksowy system.

Z punktu widzenia ekonomii coraz częściej analizowane jest rozwiązanie oparte o cel magazynowanie energii w pickach produkcyjnych OZE i sprzedaż kiedy nie ma słońca lub nie wieje wiatr lub jest korzystna cena na giełdzie energii. Zagadnienie to przedstawiono na rysunku nr 6.

W Stanach Zjednoczonych stosunek przewymiarowania DC:AC w klasycznych farmach PV ustabilizował się na poziomie około 1,25:1 . Wg przeglądu doniesień z tego rynku niektóre projekty fotowoltaiczne wykraczają już daleko poza te wartości. Znane są przypadki zastosowania stosunku 1,7:1 DC:AC a nawet 2,2:1 DC:AC. Farma PV jest najczęściej wtedy połączona z magazynem energii. Na przedstawionym na rysunku nr 6 ukazano nadwyżkę energii elektrycznej produkowanej powyżej mocy falownika 100 MW-AC, która została wybrana w celu dostosowania do zatwierdzonej mocy przyłączeniowej. W wyróżnionym projekcie deweloper miał umowę na połączenie międzysystemowe 100 MW-AC, natomiast wystarczającą ilość gruntów do zainstalowania energii słonecznej o mocy 250 MW-DC oraz umowę zakupu energii w  określonej wartości dla całej energii elektrycznej. Powstaje pytanie, jaki jest konkretny współczynnik, który należy wybrać w projekcie, aby zmaksymalizować to, co mamy: grunt, moc przyłączeniową i ekonomikę sprzedaży energii elektrycznej [3].

Największym problem jest zwymiarowanie systemu magazynowania energii. Oczywiście chcemy aby było on zwymiarowany tak, aby większość magazynu była używana jak najdłużej. Ekonomia zakupu magazynu w układzie 100% zmagazynowania nadwyżek wydaje się być nieuzasadniona. Oznacza to, że w najbardziej słoneczne dni nadal będzie trochę energii elektrycznej, której nie można zmagazynować. Dane źródłowe wskazują w amerykańskich warunkach wartość stosunku DC:AC nieco ponad 1,9:1. Uwzględnia on amortyzację dodatkowych modułów PV, okablowania oraz systemów montażowych [3][4].

Dlaczego opłaca się magazynować energię z farm PV w polskich realiach?

Patrząc na wykres godzinowy cen Rynku Dnia Następnego w Polsce w Polsce widać, że kształtują się one inaczej niż zimą. Wtedy widać było znaczny wzrost cen w czasie szczytu przedpołudniowego i popołudniowego w stosunku do godzin nocnych. Obecnie, ceny energii w czasie największej produkcji instalacji fotowoltaicznych, czyli w godzinach 8.00-18.00 widocznie spadły. Nie odbiegają już znacząco od cen nocnych. To z kolei, wpływa na mniejsze przychody ze sprzedaży energii z farm fotowoltaicznych.

W takiej sytuacji inwestor z jednej strony nie może sprzedawać energii po tak wysokiej cenie jak zakładał. Coraz częściej również w Polsce rozwijana technologia magazynów energii współpracujących z instalacjami fotowoltaicznymi będzie pozwala na elastyczne zarządzanie energią.

Magazyny energii dedykowane do współpracy z fotowoltaiką wielkoskalową są budowane w oparciu o dużą pojemność, która jest w stanie skumulować produkowaną energię, zamiast sprzedawać ją natychmiastowo po wyprodukowaniu. 

Sprzedaż energii elektrycznej z farm fotowoltaicznych jest uzależniona od ich produkcji i najefektywniejszego czasu działania. Dlatego, wszystkie o podobnej porze osiągają szczyt produkcyjny, sprzedając energię natychmiastowo. Finalnie, obniżając jej cenę na parkiecie giełdowym. Narzędziem, które pozwala uniezależnić się od czasowego charakteru pracy instalacji fotowoltaicznych, jest magazyn energii, który daje możliwość elastycznego nią zarządzania. W godzinach pomiędzy 11 a 15, kiedy ceny są najniższe, inwestor może kumulować energię w magazynie, a następnie sprzedać ją pomiędzy 19 a 23.

Podsumowanie

Wyzwaniem dla magazynów energii przy farmach PV w Polsce mimo spadających kosztów jest kwestia znalezienia finansowania inwestycji. Według analizy Bloomberg New Energy Finance, ceny domowych baterii litowo-jonowych spadły realnie w ubiegłym roku do ok. 137 USD/kWh i za dwa lata spadną poniżej 100 USD/kWh. Duże projekty magazynów energii liczone w setkach MW mają jednak wyższe koszty, a magazyn energii taki jak planowany w Żarnowcu, będzie kosztował setki mln złotych [15]. 

Cel użycia magazynu determinuje dobór poszczególnych elementów oraz zespolenie magazynu z pracą farmy. Wiodącymi rozwiązaniami na dużą skale są kontenerowe magazyny energii, które skaluje się zgodnie z założeniami i potrzebami inwestycji [6][7][12].