Ebben a cikkben összefoglaljuk, hogy a speciális Planergy-módszertan szerint hogyan jutunk el az adott körülmények között optimális ipari napenergia-rendszer kapacitásának és vezérlésének pontos meghatározásáig.

A cikk tartalma:

1. Adatgyűjtés és előfeldolgozás
2. Hisztogram
3. Elemzés
4. Modellezés
5. Optimális kapacitáslekötés

Adatgyűjtés és előfeldolgozás

A beruházás tervezésének első fázisában összegyűjtjük a rendelkezésre álló adatokat. 

Egy ilyen projekt legfontosabb sarokköve a negyedórás historikus fogyasztási adat. Ezt a vállalati ügyfelek le tudják kérni az áramszolgáltatójuktól. 

Ez azért fontos, mert így jól látszanak a napon belüli, a heti és a havi minimumok, illetve csúcsfogyasztási periodusok. 

Ezek nagyon meghatározó jelentőségű adatok – az optimális kapacitás nagyban függ attól, hogy a fogyasztás elolszlása hogyan viszonyul a Nap járásához, illetve az áramszolgáltató által kedvezményes díjszabásban részesített időszakhoz.

Éppen ez az egyik kulcskérdés annak eldöntésében, hogy javítja -e egy telep hatékonyságát az akkumulátor, vagy sem. Amennyiben a napon belül a fogyasztási csúcs nem esik egybe a napelemes rendszer csúcstermelésével, vagy hétvégén jelentősen alacsonyabb a fogyasztás, mint hétközben, akkor nagy valószínűséggel az elemzés végén az fog kiderülni, hogy indokolt az energiatárolási kapacitás kiépítése is a napelemek mellé.

Hisztogram

Az előfeldolgozott adatokból hisztogramot készítünk, amely a vizsgált időszak fogyasztási értékeit szemlélteti.

A hisztogram mutatja a fogyasztási értékek eloszlását, segítve az elemzést és az optimális kapacitás meghatározását.

Az eljárás további célja, hogy a napon belüli fogyasztási értékek eloszlásának elemzése révén automatizáltan meghatározza az optimális kapacitáslekötést is a szolgáltatónál. 

Az optimalizáció célja a büntetések elkerülése és az éves teljesítménydíj minimalizálása, figyelembe véve az ügyfél számára leggazdaságosabb megoldást. 

A lekötött kapacitást lehet módosítani is, ezért bármikor érdemes lehet elindítani egy ilyen energetikai méretezési folyamatot, helyzetelemző céllal is.

TUDNIVALÓK A LEKÖTÖTT KAPACITÁS MÓDOSÍTÁSÁRÓL

• általában évente egyszer, meghatározott időszakban lehet módosítani a lekötött kapacitást.
• a pontos határidőket az áramszolgáltató határozza meg, de jellemzően az év vége felé van lehetőség a következő évre vonatkozó módosítási igény benyújtására.
• a cégnek írásos kérelmet kell benyújtania az áramszolgáltatóhoz
• a kérelemben meg kell jelölni a kívánt új kapacitásértéket
• az áramszolgáltató megvizsgálja a kérelmet és a hálózati lehetőségeket
• a módosítás függ a hálózat műszaki lehetőségeitől
• kapacitásnövelés esetén előfordulhat, hogy hálózatfejlesztésre van szükség, amit a cégnek kell finanszíroznia.
• kapacitáscsökkentés esetén figyelembe kell venni az esetleges szerződéses kötelezettségeket és a minimális lekötési időt
• a módosítás díjköteles lehet, különösen kapacitásbővítés esetén.
• a díjak mértéke függ a módosítás nagyságától és a szükséges műszaki beavatkozásoktól
• bizonyos szerződéstípusoknál lehet minimális lekötési idő vagy egyéb korlátozás
• nagymértékű módosításoknál az áramszolgáltató további műszaki vagy gazdasági feltételeket szabhat

Elemzés

Kifejlesztettünk egy algoritmust, amely elemzi a várható napelemes termelés és a fogyasztás kombinációját különböző rendszerméretekre. Az algoritmus figyelembe veszi a napi fogyasztási mintázatokat és a csúcsfogyasztási időszakokat. 

Minden egyes negyedórára elvégezzük a szimulációkat és meghatározzuk az energiamérleget, az alábbi paraméterek alapján:

– napelemek termelése

– fogyasztás

– a napelemeken jelentkező túltermelés leszabályozásának vesztesége

– pénzügyi mérleg (az adott negyedórában realizált megtakarítás összege)

A folyamat során nem csak 1 db teljesítményt vizsgálunk, hanem egy teljes tartományt modellezünk, ennek köszönhetően találjuk meg az optimumot.

Az akkumulátor modellezése

Az akkumulátor-cellák villamos modellezése a rendszer egyenleteinek matematikai leírásán keresztül valósul meg, szemben az akkumulátorok tervezésekor az iparágban hagyományosan használatos végeselemes megközelítéssel.

AZ AKKUMULÁTOROK TERVEZÉSÉRE KORÁBBAN HASZNÁLT VÉGESELEMES SZIMULÁCIÓ LÉPÉSEI

1. Geometria létrehozása:
   Elkészítik az akkumulátor fizikai szerkezetének 3D modelljét, beleértve az elektródákat, szeparátorokat, elektrolit rétegeket.

2. Anyagjellemzők definiálása:
   Meghatározzák minden komponens anyagi tulajdonságait (pl. elektromos vezetőképesség, hővezetés, mechanikai tulajdonságok).

3. Fizikai egyenletek beállítása:
   Definiálják az elektrokémiai, hőtani és mechanikai egyenleteket, amelyek leírják az akkumulátor működését.

4. Hálózás (Meshing):
   A 3D modellt kisebb elemekre bontják, létrehozva a végeselemes hálót.

5. Peremfeltételek és terhelések meghatározása:
   Beállítják a működési körülményeket, például a töltési/kisütési áramot, környezeti hőmérsékletet.

6. A szimuláció lefuttatása:
   A modellt különböző működési körülmények között futtatják, elemezve a teljesítményt és a kapacitást.

7. Eredmények elemzése:
   Megvizsgálják a feszültségeloszlást, áramsűrűséget, hőmérséklet-eloszlást és más releváns paramétereket.

8. Optimalizáláss
   Az eredmények alapján módosítják a terveket.

9. Validálás:
   A szimulációs eredményeket összevetik a valós tesztadatokkal a modell pontosságának ellenőrzésére.

Ez egy hosszadalmas, bonyolult és drága folyamat. 

A Planergy megoldása valós, mérésekből meghatározott karakterisztikákat/paramétereket használ a cellákra vonatkozóan a modell felállításakor, majd azokat matematikai modellek segítségével elemzi a szimulációk során. 

Ez jóval gyorsabb megoldás. 

A piacon létező akkumulátor-modellek adatai, a negyedórás fogyasztási adatok és a körülményekről (napjárás, időjárási adatsorok, stb) elérhető pontos információkat betáplálva szó szerint néhány perc alatt megkapjuk az adott napelemes és akkumulátoros kombináció valószínűsíthető teljesítmény-adatait akár évtizedes távlatban.  

A módszerünk gyors ugyan, de a hatékonyságával kapcsolatban sem merülhet fel kétség: a Planergy megoldásának hitelességét és pontosságát a BME független kutatással igazolta.

Optimális rendszerméret

Az elemzés eredményei alapján az algoritmus kiszámítja az ideális rendszerméretet csak napelemmel, illetve napelem + akkumulátor kombinációban egyaránt.

Az optimalizáció során egy többváltozós célfüggvényt maximalizálunk, amelyet a nettó jelenérték, megtérülési fedezeti pont és a megtakarítások súlyozásával állítunk elő.

NETTÓ JELENÉRTÉK SZÁMÍTÁSA AZ AKKUMULÁTOR-KAPACITÁS TERVEZÉSÉHEZ

A nettó jelenérték (NPV) számítása az akkumulátor kapacitás-tervezésének az a lépése, amely során a tervezett akkumulátor rendszer teljes élettartama alatt várható pénzáramlásokat jelenértékre számítjuk át, figyelembe véve a kezdeti beruházási költségeket.

Képlet:

NPV = -C₀ + Σ (Cᵢ / (1 + r)ⁱ)

Ahol:

C₀: kezdeti beruházási költség

Cᵢ: i-edik év nettó pénzáramlása

r: diszkontráta

i: évek száma

Szükséges bemeneti adatok:

Tervezett akkumulátor-kapacitás (kWh)

Beruházási költség ($/kWh)

Várható élettartam (év)

Éves működési és karbantartási költségek

Becsült éves bevételek (energiatárolásból, hálózati szolgáltatásokból)

Diszkontráta

A folyamat:

1. Különböző kapacitás-opciók definiálása
2. Minden opcióra pénzáramlás-előrejelzés készítése
3. NPV számítása minden opcióra
4. Eredmények összehasonlítása és értékelése

A kapacitás optimalizációjának legfontosabb paraméterei:

– napelemes beruházás nettó jelenértéke

– az akkumulátor hozzáadott nettó jelenértéke

– villamosenergia-megtakarítás

– a megtérülés fedezeti pontja

Ezeket megfelelően súlyozva alakul ki a pénzügyileg optimális rendszerméret, és a legkisebb rendszerméret, amit még érdemes megépíteni.

A vizsgálati tartományt a bekerülési költség tartományával szűkíthetjük. Ez azt jelenti, hogy természetesen adott, meghatározott összegű rendelkezésre álló tőkével is le tudjuk futtatni a szimulációt – és akár mellé meg tudjuk mutatni azt a „valóban” optimális beruházást is, amelyet befektetési költségkorlát nélkül létre lehetne hozni az adott ipari lokáción és felhasználási mód mellett.

Szintén magától értetődik, hogy korábban már telepített napelemeket is képesek vagyunk a modellbe integrálni, és ennek megfelelően határozzuk meg a további napelem- ill. akkumulátor-telepítés gazdasági optimumát.

Az optimalizáció során a Digital Twin-modellen, valódi eszközök digitális ikerpárjain futnak le a szimulációk. 

A szimulációk során használt akkumulátor-modellek méréseken, adatlapi karakterisztikákon alapulva írják le az energiatároló viselkedését és öregedését. Ennek köszönhetően tudunk töltést/kisütést szimulálni, éves ciklusszámot számolni, élettartamot becsülni.

A degradáció modellezésével, a meghatározott fogyasztási jellemzők és az akkumulátor javasolt felhasználási módjai alapján becsülhetővé válik az energiatároló élettartama, évről évre nyomon követhető a várható degradáció és annak hatása a pénzügyi eredményekre.

Optimális kapacitáslekötés

A szimuláció során kiszámítjuk, hogy a lekötött kapacitást mikor lépi túl a fogyasztás, mennyi lesz az ezért kirótt büntetés, illetve ez hogyan viszonyul a lekötés költségeihez – ennek eredményeképpen olyan lekötést fog javasolni a megoldásunk, amelynél az összköltség a lehető legalacsonyabb. 

Az eljárás során azt is figyelembevesszük, hogy a felhasználó különböző elosztói teljesítménydíjakat fizethet a lekötött kapacitás függvényében. Ezek a díjak annál nagyobbak, minél nagyobb a lekötött kapacitás.

Az elemzés eredményei alapján az algoritmus kiszámítja napelem nélküli, napelemes és napelem+akkumulátor használata mellett, hogy hány kW kapacitást érdemes lekötni a szolgáltatónál, hogy a kívánt mértékig csökkentsük a büntetéseket és minimalizáljuk az éves teljesítménydíjat.

Az algoritmus az optimális napelem/napelem+akkumulátor méretet használja fel, amelyet korábban meghatároztunk, és ennek csökkentett fogyasztási hatását is beépíti a számításokba.

A Planergy innovatív tervezési folyamatának legfontosabb előnyei

Az automatizált elemzési módszerünk legfontosabb előnyei:

– pontos és gyors meghatározás

– minimalizálja az emberi hibázás esélyét

– kapacitásokat szabadít fel, mivel nincs szükség manuális elemzésre

– az optimalizált napelemes- és tárolási kapacitás több megtakarítást, gyorsabb megtérülést eredményez

– az optimalizált kapacitáslekötés révén az ügyfelek jelentős további költségmegtakarítást érhetnek el

Fontos elmondani még, hogy az előnyök kihasználása nem ér véget a tervezés véglegesítésével! 

A szimulációkban használt EMS-logika (vagyis az energiamenedzsmentet illető beállítások és felhasználási módok összessége) direktben alkalmazható a fizikai eszköz vezérlésére is. Ez azt jelenti, hogy a szimulációs modellben kitesztelt vezérlési mód később, a valóságban megépített rendszerben is felhasználható. 

Sőt, a szimulációkat később meg lehet ismételni, hogy a változó körülmények, a telephely fogyasztásában beálló módosulások hatásainak megfelelően módosítsuk a vezérlési logikát, illetve (amennyiben szükséges), változtassunk a kiépített napelem+akkumulátor kapacitásokon, illetve a lekötött kapacitáson.

Ennek köszönhetően az új energiarendszer optimális megtervezettségén túlmenően dinamikusan biztosítani lehet a folyamatosan optimális energiafelhasználást, az adott ipari terület teljes életciklusában.

Hasznosnak találta ezt az összefoglalót a napelemek és akkumulátorok kapacitás-tervezésének folyamatáról? A Planergy Akadémia egy olyan exkluzív technológiai hírforrás, amellyel érdemes képben maradni! Ne maradjon le a tiszta energiarendszerek tervezését és működtetését érintő innovációkról, értesüljön elsők között a Planergy új fejlesztéseiről és iparági információiról!

A Planergy által kifejlesztett szoftveres szimulációs környezet alkalmas ipari napelemes és akkumulátoros rendszerek komplex szimulációjára. Ennek köszönhetően bármilyen telephely számára könnyedén kiszámítja az oda tökéletesen illeszkedő energetikai beruházás paramétereit, vagyis azt, hogy milyen kapacitású napelemekre és akkumulátorokra van szükség. Az akkumulátorok esetében a konkrét modellre is javaslatot tesz. 

Az akkumulátorokat azonban többféleképpen fel lehet használni. Ez már a vezérlési beállítások kérdéskörébe tartozik. Szolgáltatásunk ebben is segítséget nyújt, folyamatosan fejlesztjük a szimulációs megoldásainkat annak érdekében, hogy bárki élhessen a felhasználási módokban rejlő profitmaximalizálási lehetőségekkel.

Önfogyasztás-optimalizáció

Önfogyasztás-optimalizálás esetén a napelemes rendszer által megtermelt energia minél nagyobb arányú felhasználásának elérése a cél. 

A napelemes rendszer energiatárolóval való kiegészítése révén csökkenthető a vissz-watt veszteség, ezáltal tovább csökkenthető a hálózatról vételezett energia mennyisége. 

Miért van ez és hogyan működik ez a felhasználási mód pontosan?

Amikor a napelemek többet termelnek, mint ami az aktuális fogyasztás, abban az esetben a napelemes rendszert le kell szabályozni az aktuális fogyasztási küszöbre, ugyanis a hálózatra történő visszatáplálás nem engedélyezett. Akkumulátor alkalmazásával ez az energia eltárolható és később, amikor a napelemes termelés már önmagában nem tudná fedezni a fogyasztást, akkor felhasználható. Ez a fogyasztási szokásoktól függően lehet a déli többlettermelés felhasználása az esti órákban vagy éjszaka, vagy akár a hétvégi termelés egy részének felhasználása a hétfői üzemkezdetkor. 

Ebben az esetben a beruházással elérhető megtakarítás a vételezés energiaköltségének és a forgalomarányos rendszerhasználati díj tételeinek csökkenéséből ered. Gyakorlatilag „kiterjesztjük” a napelemek kapacitását, „elmentve” az extra energiát, ami termelődik rajtuk.

A központi energiamenedzsment működése az alábbi szabályok szerint valósul meg:

1. A napelemes termelés elsősorban a fogyasztásba integrálódik. Ha a napelemes termelés kisebb, mint az aktuális fogyasztás, akkor a napelemek által megtermelt összes energiát azonnal felhasználjuk.  
2. Ha a napelemes termelés nagyobb, mint az aktuális fogyasztás és az energiatároló nincsen teljesen feltöltve, akkor a többlettermelés az akkumulátort tölti. 

3. Ha a napelemes termelés nagyobb, mint a fogyasztás, és az energiatároló teljesen fel van töltve, akkor már nincs mit tenni,  a napelemes rendszert le kell szabályozni, ez itt is veszteséget jelent. Megfelelő kapacitáskialakítással ez a veszteség minimalizálható. 
4. Ha a napelemes rendszer termelése kisebb, mint az aktuális fogyasztás és a tároló nincsen teljesen lemerülve, akkor az aktuális fogyasztás szintjéig (vagy a tároló által kiadható maximum teljesítményig) az akkumulátorból is vételezi a rendszer az eltárolt energiát.
5. Minden egyéb esetben, amikor a fogyasztás nem fedezhető teljes egészében a napelemes és akkumulátoros rendszerrel, a szükséges energiát a hálózatról vételezzük.

Csúcslevágás, avagy peak-shaving

A ‘peak shaving’ alapvetően egy olyan stratégiát jelent, amelyet az energiafelhasználók alkalmaznak annak érdekében, hogy csökkentsék az energiafogyasztásuk csúcsértékeit (angolul: peak demand). 

A ‘peak demand’ azon időszakokat jelöli, amikor az energiafelhasználás a legmagasabb az adott időszakban vagy az adott napon. A hazai szolgáltatási környezetben, az ipari felhasználók Elosztói Engedélyessel való szerződésében a lekötött teljesítmény értékét is rögzítik. Ez az a teljesítmény-érték, amelynek a rendelkezésre állását minden időpontban biztosítani kell a csatlakozási ponton. 

Az ipari telephely számára fontos gazdasági előnyt nyújthat az, ha az előre meghatározott vételezési szintet minél ritkábban lépi át. Mivel ezek a túllépések jelentős extra költségeket jelenthetnek az energiafelhasználás terén, ezért érdemes lehet az akkumulátorokban tárolt extra energiát az ilyen csúcsfogyasztási esetekre tartogatni, és így „levágni” a hálózat felé jelentkező, kiugró fogyasztási esetek „csúcsát”.

Akkumulátoros és napelemes rendszer esetén a központi energiamenedzsment működése az alábbi szabályok szerint valósul meg: 

1. Az akkumulátor elsődleges feladata a fogyasztási csúcsoknál a lekötött teljesítményszint feletti fogyasztás biztosítása annak érdekében, hogy a hálózati fogyasztás a lekötött mennyiséget ne lépje át. 
2. Az akkumulátornak a várható fogyasztási csúcsok előtt feltöltött állapotban kell lennie, amely megvalósítható a napelemes rendszerről, illetve a hálózatról is, az aktuális fogyasztás felett a lekötött teljesítményszint mértékéig. 

A hatékony működéshez elengedhetetlen a fogyasztás minél pontosabb tervezése, ezáltal sokkal könnyebben optimalizálható a működés. Illetve, ha előre tudjuk, hogy milyen időszakokban nem kell majd az akkumulátort peak-shavingre használni, akkor tovább optimalizálható a rendszer működtetése azáltal, hogy például az önfogyasztás-optimalizálási felhasználási módban is alkalmazható az akkumulátor.

A szimulációs környezet komponensei és központi logikája

A szimulációs környezet az akkumulátor-modellek részletes modelljein túl tartalmaz egy központi logikát is, amely a teljesítménymenedzsmentet valósítja meg a kívánt működés szerint. 

A szimulációk során meghatározott optimális működést a telephelyen, a valóságban is ugyanúgy meg lehet valósítani, mert a központi logika legenerál egy kódot C programnyelven, amely alkalmas a terepi eszközökön való futtatásra. 

Így jöhet létre az a központi energiamenedzsment a valós felhasználásban is, mint amit a szimuláció során optimálisként azonosítottunk be az ipari fogyasztó számára.

A szimulációs környezet az alábbi komponensek részletes modelljeit tartalmazza:

• napelemes rendszer
• lítium-ion alapú akkumulátoros rendszer
• inverter
• energiamenedzsment/teljesítménymenedzsment logika

Az energiamenedzsment/teljesítménymenedzsment logika határozza meg a mindenkori működést. Figyeli az egyes komponensek aktuális állapotát és a beállított céloknak megfelelően aktívan szabályozza a teljesítményt.

A szimulációs környezet tehát így segít beállítani az önfogyasztásra vagy a peak-shavingre optimalizált működést, vagy akár ezek hibridjét is, ahogyan az az adott ipari-vállalati energiafogyasztó egység számára optimális és tökéletesen testreszabott.