Symulujemy cable pooling – PV i magazyn energii

Błogosławieństwo, bo cable pooling umożliwia lepsze wykorzystanie wydzierżawionej ziemi, określonej mocy przyłączeniowej, wypłaszczenie profilu produkcji i zwiększenie zysków. Wyzwanie, bo dobór magazynu energii, turbiny wiatrowej i farmy fotowoltaicznej tak, by te części optymalnie ze sobą współpracowały, wiąże się z licznymi wyborami zależnymi od wielu zmiennych - dodatkowo część z tych zmiennych nie jest możliwa do dokładnego określenia bez zdolności prorockich.

Co począć? Jedyny kierunek to mozolne porównywanie danych w poszukiwaniu ogólnych prawd, które mogą przyświecać inwestorom przy podejmowaniu decyzji. Stąd zakasałem rękawy i przeprowadziłem dziesiątki symulacji na autorskim urządzeniu. 

Symulacje wykonano w programie Cable pooling symulator 2023. Ogólne warunki każdej symulacji:

• Obejmuje rok działania instalacji i jej podstawą są dane godzinowe
• Instalacja złożona z farmy PV i magazynu energii w regionie łódzkim 
• Uwzględnia profil cen energii z cenami ujemnymi w momencie największej podaży energii z PV
• Instalacja nie eksportuje energii w godzinach ujemnych cen energii
• Instalacja blokuje energię przekraczającą moc przyłączeniową
• Magazyn energii odbiera nadmiarową energię do momentu naładowania. System ma dostęp do rynku cen dnia następnego i wykorzystuje te dane do optymalizacji pracy.

Trzy z tych punktów, dotyczące mocy przyłączeniowej, profilu cen oraz działania magazynu, wymagają dłuższych wyjaśnień.

Moc przyłączeniowa

Moc przyłączeniowa w kontekście tych symulacji to maksymalna moc, którą może przenosić przyłącze instalacji OZE. Ta wartość określana jest przez Operatora Sieci Dystrybucji.

Ustawa (Dz.U. 2023 poz. 1762 Artykuł 5, ust. 2^2) podaje, że instalacja OZE składająca się z farmy fotowoltaicznej i magazynu energii musi być wyposażona w urządzenie „służące do zabezpieczenia zdolności technicznych do nieprzekraczania mocy przyłączeniowej.” Chociaż koszt urządzenia poniesie inwestor, to za nadzór nad urządzeniem odpowiada „przedsiębiorstwo energetyczne zajmujące się przesyłaniem lub dystrybucją energii elektrycznej.” 

Nie jest jeszcze jasne, do kogo będzie należał wybór urządzenia, ani w jaki sposób te urządzenia mogą realizować swój cel. Wydaje się, że funkcjonalnie sprowadza się to do:

• blokowania nadmiarowej energii lub
• całkowitego wyłączania instalacji po przekroczeniu mocy przyłączeniowej

W naszej symulacji urządzenie blokuje energię nadmiarową, niedopuszczając do przekraczania mocy przyłączeniowej, ani do wyłączania instalacji.

Istnieją jednak warunki, w których instalacja powinna całkowicie się wyłączyć, mianowicie w przypadku wystąpienia cen ujemnych.

Scenariusz z cenami ujemnymi

Na potrzeby scenariusza stworzono profil cen godzinowych z ujemnymi cenami energii. Podstawą było godzinowe zapotrzebowanie na moc z danych PSE. Zapotrzebowanie na moc jest skorelowane z cenami energii, gdyż w godzinach wyższego zapotrzebowania ceny zwykle również są wyższe. Samo zapotrzebowanie nie uwzględnia jednak wpływu OZE, wyraźnie obniżających ceny. Stąd profil zapotrzebowania skorygowano o moc fotowoltaiki. Im większa moc fotowoltaiki, tym ceny sprzedaży odpowiednio obniżono, aż do uzyskania 243 wystąpień godzinowych cen ujemnych. Instalacja fotowoltaiczna użyta do korekty to stacjonarna farma fotowoltaiczna skierowana na południe, gdyż tego typu instalacje są najbardziej w Polsce popularne.

Skutkiem czego im większa podaż mocy PV oraz im mniejsze zapotrzebowanie, tym rynkowe ceny sprzedaży były niższe. W dniu wysokich podaży mocy PV ceny osiągały wartości ujemne.

Taka symulacja może dać wgląd w to, jak ceny rynkowe będą kształtować się w niedalekiej przyszłości.

Funkcje magazynu

W tej symulacji magazyn energii pełni następujące funkcje:

• Peak-shaving -  odbiór mocy z PV przekraczającej moc przyłączeniową
• Przesunięcie sprzedaży - odbiór mocy z PV w godzinach niskich cen rynkowych 
• Arbitraż cenowy - odbiór mocy z sieci w godzinach bardzo niskich cen

W każdym z ww. przypadków celem jest sprzedaż energii w ciągu kilku godzin, gdy rynkowe ceny energii są wysokie.

Które z tych metod przynoszą najwyższe korzyści?

• W przypadku peak shavingu, ładowanie magazynu to czysty zysk, bo nadmiarowa energia nieodebrana przez magazyn jest marnowana.
• W przypadku przesunięcia sprzedaży, zysk z ładowania magazynu pomniejszony jest o cenę sprzedaży energii w momencie ładowania magazynu. Jeśli cena jest ujemna, wówczas ładowanie magazynu w funkcji przesunięcia sprzedaży przynosi tyle samo zysków co peak-shaving.
• W przypadku arbitrażu cenowego zysk z ładowania magazynu pomniejszony jest o cenę kupna energii, co musi uwzględniać koszty dystrybucyjne.

Dodatkowo, w każdym z powyższych przypadków używanie magazynu energii wiąże się ze stratami energii. Na potrzeby tych symulacji sprawność magazynu wynosi 85%.

W naszych symulacjach magazyn pełni wszystkie te funkcje, w zależności od sytuacji. System sprzężony jest z Rynkiem Dnia Następnego, dzięki czemu podejmuje decyzje ze świadomością przyszłych cen prądu.

Na poniższym przykładzie ceny ujemne powodują wyłączenie eksportu instalacji OZE w okresie największej podaży mocy z PV. Magazyn energii odbiera energię z fotowoltaiki, dopóki się całkiem nie napełni. Następnie magazyn energii zaczyna eksportować moc w czasie, gdy rynkowe ceny energii są najwyższe.

Z tak zaprogramowanym narzędziem wykonano kilkadziesiąt symulacji działania instalacji OZE w różnych konfiguracjach. Czas na wnioski.

Wniosek 1: Systemy nadążne to opłacalne rozwiązanie

Pierwsze kilka symulacji miało za zadanie ocenić opłacalność systemów nadążnych.

Stacjonarne instalacje fotowoltaiczne stanowią ogromną większość instalacji na świecie i w Polsce. Działają z największą mocą w najbardziej słonecznych godzinach dnia, co skutkuje obniżaniem cen energii w tym czasie. Instalacje z systemami nadążnymi wcześniej rozpoczynają pracę i później ją kończą. Jaki wpływ miało to na zyski?

Zyski z inwestycji w systemy nadążne w scenariuszu „ceny ujemne”. Konfiguracje w odniesieniu do 1 MW mocy przyłączeniowej.
	Instalacja PV stacjonarna na południe	1-osiowy system nadążny	2-osiowy system nadążny
1,75 MWp / 0,5 MWh	odniesienie	<- zyski większe o 31% względem instalacji stacjonarnej	<- zyski większe o 12% względem instalacji z 1-osiowym trackerem
2 MWp / 2 MWh	odniesienie	<- zyski większe o 22%	<- zyski większe o 12%
1,75 MWp / 3 MWh	odniesienie	<- zyski większe o 20%	<- zyski większe o 13%

Zatem instalacje z 1-osiowymi trackerami przynoszą 20-30 % wyższe zyski niż instalacje stacjonarne. Instalacje z 2-osiowymi trackerami przynoszą 10-15% większe zyski niż instalacje 1-osiowe i o 35-42% wyższe zyski niż instalacje stacjonarne. Mówimy o zyskach w skali roku w tym konkretnym scenariuszu.

Należy wspomnieć, że w pochmurne zimowe dni instalacje z trackerami 2-osiowymi są wyraźnie lepsze niż instalacje stacjonarne, podczas gdy instalacje z trackerem 1-osiowym bywają nawet mniej produktywne. Ilustruje to poniższy wykres.

Wnioski: Obecnie wydaje się, że 1-osiowe trackery są najbardziej opłacalne, balansując koszty i zyski. Trackery 2-osiowe są jednak rozwiązaniem bardziej przyszłościowym, korzystnym w założeniu dalszego pogłębiania się różnic między cenami energii.

Wniosek 2: Dobór fotowoltaiki i magazynu energii i prawo malejących przychodów

Kolejne symulacje miały na celu określić opłacalność zwiększania mocy instalacji fotowoltaicznej i pojemności magazynu energii. Wyniki przedstawia poniższa tabelka. Wartości mocy PV oraz pojemności ESS (magazynu energii) są przedstawione w odniesieniu do 1 MW mocy przyłączeniowej. 

Na jasnozielono zaznaczono konfiguracje, w których zwiększenie magazynu energii o 0,25 MWh zwiększa zyski o 6-7 punktów procentowych. 

Na ciemnozielono zaznaczono konfiguracje, w których zwiększenie magazynu energii o 0,25 MWh zwiększa zyski o 5 punktów procentowych. 

Na czerwono zaznaczono konfiguracje, w których zwiększenie magazynu energii o 0,25 MWh zwiększa zyski zaledwie o 2-3%.

Wnioski? Nasycenie fotowoltaiką działki w ramach mocy przyłączeniowej aż do stosunku 2,25 MWp / 1 MW mocy przyłączeniowej jest rozsądny i opłacalny. Z takim podejściem można lepiej wykorzystać wydzierżawioną ziemię i zmaksymalizować zyski. Im bardziej moc zainstalowana fotowoltaiki w MWp przekracza moc przyłączeniową, tym magazyn energii ma większą wartość dla instalacji. Warto nadmienić, że zarówno zwiększanie mocy PV, jak i pojemności ESS w ramach ograniczonej mocy przyłączeniowej podlega prawu malejących zysków. Jest to bardziej widoczne w przypadku fotowoltaiki, zarazem jednak to fotowoltaika przynosi więcej zysków.

W kolejnych artykułach z tej serii przyjrzymy się instalacji OZE zawierającej instalację fotowoltaiczną oraz turbinę wiatrową.

Źródła

PoradniaOZE, Cable pooling symulator 2023, Inteenergia.