О методике расчета экономической эффективности применения систем накопления энергии

В настоящее время в мире все шире применяются системы накопления электрической энергии (СНЭ). Это связано с развитием электротранспорта, ростом «зеленой» энергетики, а также с необходимостью регулирования нагрузки крупных энергосистем. Рост рынка аккумуляторных батарей (АКБ) в последнее десятилетие составлял 20-30 %.

Авторы: К. В. Добрего1), С. А. Фурсов1), С. С. Дубновицкий2), В. Л. Червинский3)
1) 1АК -GROUP ООО «Актив ОМЗ» (Минск, Республика Беларусь)
2) 1АК -GROUP ООО «Зубр Энерджи» (Пинск, Республика Беларусь)
3) Белорусский национальный технический университет (Минск, Республика Беларусь),

Согласно данным BlumbergNEF [1], мощность и ёмкость систем накопления электроэнергии в мире выросла за 2022 год на 16ГВт/35ГВт. ч.
В Беларуси в 2022 году разработана Концепция применения систем накопления энергии на базе литий ионных аккумуляторов в Белорусской энергосистеме [2]. Документ указывает на необходимость модернизации нормативно- правовой базы применения СНЭ, создание центров компетенций и реализации пилотных проектов.
Важнейшим условием для практического применения СНЭ в промышленности и коммунальном хозяйстве является наличие научно обоснованных методик расчета экономической эффективности их применения.

В работах [3,4,5] рассмотрен базовый аспект использования СНЭ в энергосистеме — выравнивание графика нагрузки. В [6] проводится сравнительный анализ экономической эффективности конкурирующих проектов: внедрения СНЭ и использования электрокотлов для выравнивания графика нагрузки энергосистемы в условиях работы БелАЭС. В более современной работе [7] выполнен функциональный и экономический анализ использования СНЭ на тепловых электрических станциях. Прежде всего оценивалась экономия на расходах на собственные нужды ТЭС при условии рыночной стоимости расходуемой на эти цели электроэнергии.

В отчете о научно-исследовательской работе «Концепция применения систем накопления энергии на базе литий ионных аккумуляторов в Белорусской энергосистеме» [2] содержаться разделы посвященные обобщенному анализу экономической целесообразности использования СНЭ в различных системах: на тепловых электрических станциях; подстанциях электрических сетей; в распределительных сетях промышленных предприятий; в системе с возобновляемыми источниками энергии; в зарядной инфраструктуре для электрического транспорта. Методика основана на оценке экономии ТЭР и не содержит указаний по расчету эффекта для конкретных предприятий.

Специалистами 1AK-GROUP впервые в республике разработана методическая основа для расчета экономической эффективности применения СНЭ на промышленных предприятиях. Краткое изложение методического подхода приводится ниже.

Исходные данные для расчета эффективности использования СНЭ можно разделить на блоки: 1) конфигурация системы потребителя, 2) экономические условия электроснабжения, 3) данные о нормальных режимах нагрузки (генерации) и статистике нарушений электроснабжения, 4) технические и экономические параметры СНЭ, условия и ограничения ее работы, 5) прочие существенные условия.

Если говорить о промышленном предприятии, то конфигурация системы — это схема электроснабжения, сведения о количестве блоков однородных потребителей (с одинаковыми требованиями по качеству электроснабжения, сходными графиками нагрузки), о наличии и типе собственных источников генерации и т. п. Экономические условия электроснабжения — прежде всего тарифы и другие условия, оговоренные договором об электроснабжении. Данные о режиме нагрузки (генерации) включают в себя графики нагрузки и иную статистику по каждому блоку однородных потребителей (зимний рабочий и выходной день, летний рабочий и выходной день) и каждому генератору (при наличии). Данные о статистике перерывов электроснабжения используются для расчета экономического эффекта, связанного с обеспечением надежности и бесперебойности электроснабжения предприятия.

В качестве примера рассмотрим типичное предприятие машиностроительной отрасли, характеризующееся простой конфигурацией, — предприятие работает по одному графику нагрузки и с одинаковыми требованиями по качеству электроснабжения, не имеет собственных источников генерации.

Предприятие снабжается электроэнергией как энергоемкое предприятие при потреблении электрической энергии до 25 млн. кВт∙ч включительно. Основная плата (за мощность) — Сmax = 31,43 [руб/кВт]. Понижающий коэффициент на основную плату Км=0.5 устанавливается если в течение учетного месяца вечерний пик не превышает утреннего и при отсутствии случаев превышения максимальной выделенной мощности. Дифференцированный тариф за электроэнергию по двум временным периодам: Сд = 0.19478 руб/кВт·ч (с 6.00 до 23.00) и Сн= 0.16936 руб/кВт·ч (с 23.00 до 6.00). Иные существенные условия отсутствуют.

Функции СНЭ в системе
Важнейшим элементом методики расчета экономической эффективности применения СНЭ является определение функций СНЭ имеющих экономически значимый эффект. Для рассматриваемого Предприятия актуальны четыре функции, перечисленные в Таблица 1.

Таблица 1. Функции СНЭ, имеющие экономически значимый эффект.

Будем называть функции имеющие бинарный характер (выполнение/не выполнение) жесткими или качественными, а функции которые всегда выполняющиеся в большей или меньшей мере — мягкими или количественными.

Важным методическим моментом рассматриваемой проблемы является статистический характер как графиков нагрузки промышленных предприятий, так и ожидаемого экономического эффекта от реализации функций СНЭ. В связи с этим величины экономического эффекта от выполнения каждой из функций (Cт1, Ст2, Ст3 и Ст4) должны трактоваться как ожидаемые статистические величины. Оценка среднеквадратичных отклонений этих и других расчетных величин необходима для оценки запаса емкости СНЭ, требуемого для выполнения установленных функций в условиях статистических флуктуациях параметров энергопотребления.
Целесообразно ранжировать функций СНЭ по приоритету. Это может быть сделано на основании оценок их экономического эффекта.

Расчет экономического эффекта
Расчет экономического эффекта проводится в несколько этапов.
1. На основании исходных данных (рис.1 и других) производятся расчеты типичных, усредненных характеристик потребления, другие предварительные расчеты.
2. Последовательно оценивается экономический эффект каждой из рассматриваемых функций СНЭ в зависимости от энергетической емкости, выделенной для ее выполнения.
3. Определяется соответствие выделенных для каждой функции емкостей и общей емкости СНЭ. Ннеобходимо иметь в виду, что в силу совместности выполнения некоторых функций и особенностей графиков нагрузки общая емкость СНЭ меньше суммы емкостей, выделенных для реализации каждой из функции.
4. Расчет экономических показателей использования СНЭ. Так, простой срок окупаемости без учета эксплуатационных расходов находится как частное от инвестиционной стоимости и суммарного экономического эффекта.
Дополнительно может быть выполнена оценка среднеквадратичного отклонения величины экономического эффекта от ожидаемого значения. На основании сделанных оценок может быть принято обоснованное решение о целесообразности или нецелесообразности внедрения СНЭ на предприятии.

Рис.1. Характерный график нагрузки предприятия в зимние рабочий (слева) и выходной (справа) дни. Синие столбцы- время минимального тарифа, красные — утренний и вечерний пики нагрузки

Потребительское тарифное маневрирование.
Месячный экономический эффект от тарифного маневрирования в общем виде рассчитывается с учетом использованной для этой функции энергетической емкости 〖Q1〗_i

Ст1=∑_i▒〖〖Q1〗_i (Кэфф∙Сдень-Сночь)〗, руб/месяц, (1)

где i — нумерация дней месяца. То же для среднемесячных значений величин

Ст1=30∙〖Q1〗_ (Кэфф∙Сдень-Сночь), руб/месяц.

Среднее значение Q1 должно учитывать недельный график работы предприятия и базироваться на фактических графиках нагрузки.

Для рассматриваемого Предприятия при незначительном (~ 13%) относительном размахе дифференцированного тарифа функция потребительского тарифного маневрирования малосущественна. Оценочно, при энергетической эффективности (КПД) СНЭ 95% (для литий-ионных АКБ) и емкости 1000 кВт·ч месячный экономический эффект составит Ст1= 1000*0.0156*30 = 468 рублей, а годовой — и в предположении 11 полноценных рабочих месяцев — 5.148 рублей в год.

Снижение пиков потребления.
Маневренное использовани СНЭ для компенсации кратковреенных пиков позволяет эффективно снизить максимальную пиковую мощность потребления электроэнергии Предприятием. Конкретная величина снижения пиковой сощности рассчитывается с учетом реального графика нагрузки предприятия. Графики рис.2 показывают, что при наличии резерва энергетической емкости 500 кВт. ч пиковая нагрузка потребления электроэнергии предприятием в зимний рабочий день может быть уменьшена более чем на 150 кВт.

Рис. 2. Снижения пиковой нагрузки ΔPmax в зависимости от энергии компенсации пикового потребления Q2. а) — зимний рабочий день — б) —зимний выходной день,

Схожим образом рассчитывается экономический эффект от других функций СНЭ, а
общий годовой экономический эффект применения СНЭ получаем суммированием эффектов от всех учтенных функций
Ст = Ст1+Ст2+Ст3+Ст4.
На рисунке представлены расчетные значения

Рис.3. Зависимость общего экономического эффекта [руб/год] от емкости СНЭ, [кВт. ч]. 1, 2, 3, 4 — вклад функций 1, 2, 3, 4 соответственно

Простой срок окупаемости инвестиций без учета амортизации и эксплуатационных затрат рассчитывается как частное суммарных инвестиций и суммарного годового эффекта, на рис.6. Также на рис. 4 представлены варианты расчета простого срока окупаемости при увеличенной разности дневного и ночного тарифов, а также при условии отсутствия понижающего коэффициента Км.

Рис.4. Простой срок окупаемости (лет) как функция от энергетической емкости СНЭ. 1- основной расчет для Предприятия; 2 — расчет при Км=1; 3 — расчет при условии Сден/Сноч=2

Как видно срок окупаемости инвестиций представляет собой сложную функцию от энергетической емкости СНЭ с минимумом в районе 4 лет. В случае полной стоимости тарифа за подключенную мощность (Kм=1) и сохранении прочих условий работы предприятия минимальный эффективной простой срок окупаемости инвестиций уменьшается до 3.2 года. В случае рассмотренного предприятия размах дифференцированного тарифа мал (~13%) и эффект соответствующей функции СНЭ — незначительный. При двукратном отношении максимального и минимального тарифов и прочих равных условиях минимальный эффективный срок окупаемости составит 3.5 лет.

Список использованных источников
1 Мировой рынок накопителей энергии. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://about. bnef. com/blog/1h-2023-energy-storage-market-outlook. Дата доступа: 07.04.2023.

2 Молочко А. Ф., Привалов А. С., Жученко Е. А., Ивашко Е. В. и др. «Концепция применения систем накопления энергии на базе литий ионных аккумуляторов в Белорусской энергосистеме» Отчет о НИР заключительный. ГПО «Белэнерго» РУП «БелТЭИ» Том 1,2. Минск 2022. № Б 22- 3/4

3 Гуртовцев А. А., Забелло Е. П. Выравнивание графиков электрической нагрузки энергосистемы. Энергетика и ТЭК. 2008. № 7/8. С. 13-20

4 Добрего К. В. Об обосновании экономической целесообразности использования электрохимических накопителей энергии в энергетической системе. Энергетическая стратегия, 2022, № 5 (89), c.28-32.

5 Чернецкий А. М. Оценка экономической эффективности использования накопителей электроэнергии в энергосистеме. Энергетика. Известия ВУЗов и энергетич. объединений СНГ 2013, Т..4, с. 21–28.

6 Воронов Е. О., Ковалев Д. В., Сивак А. В., Кудрявцев Д. И., Негодько А. З., Драгун А. А. К вопросу использования электрохимических накопителей энергии в условиях Белорусской энергосистемы. Энергетическая стратегия. № 4 2017, с.14-17.

7 Менделеев Д. И., Россихин Д. А., Галимзянов Л. А., Федотов А. Ю. Анализ применения систем накопления электроэнергии на тепловых электрических станциях 2022, с.73-78