Józef PASKA, Mariusz KŁOS, Karol PAWLAK Politechika Warszawska METODYKA OCENY EKONOMICZNEJ MAGAZYNOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Magazyowaie eergii w ostatich latach cieszy się coraz większym zaiteresowaiem, zarówo ze stroy operatorów sieci elektroeergetyczych, ak i samych wytwórców eergii. Od dłuższego czasu trwaą wytężoe prace ad rozwiązaiem problemu gromadzeia zaczych ilości eergii, i późieszego e wykorzystaia w celu usprawieia procesów zarządzaia systemem elektroeergetyczym w uęciu techiczym i ekoomiczym (uelastyczieia fukcoowaia ryku eergii). Jak dotąd awiększymi zasobikami eergii, które są wykorzystywae a potrzeby systemów elektroeergetyczych są elektrowie szczytowo pompowe, ale ich liczba est ograiczoa ze względu a dostępość dogodych lokalizaci umożliwiaących magazyowaie odpowiedie ilości wody (w górym zbioriku). Dodatkowo ależy zwrócić uwagę, że są to duże edostki, które bezpośredio współpracuą z siecią przesyłową. Ie techologie, bazuące a bateriach akumulatorów, superkodesatorach, sprężoym powietrzu i masach wiruących umożliwiaą budowę mieszych edostek dedykowaych do współpracy z sieciami dystrybucyymi i pracy w mikrosystemach odbiorcy końcowego - prosumeta. Korzyści akie płyą z zastosowaia zasobików eergii w systemie są astępuące [2-3, 6]: 1. Wsparcie odawialych źródeł eergii - przechowywaie eergii może ograiczyć wahaia wprowadzaia do systemu eergii elektrycze ze źródeł wiatrowych i fotowoltaiczych (PV) i umożliwia sprzedaż eergii ze źródeł odawialych w okresach kiedy eergia elektrycza est adroższa. 2. Poprawa parametrów akościowych i iezawodościowych (pewości zasilaia) eergii elektrycze w KSE. Magazyowaie pozwoli rówież a utrzymaie zasilaia w sytuaci braku dostępu do eergii z tradycyych źródeł. 3. Wsparcie w procesach regulaci mocy czye a w szczególości mocy biere w KSE, korekca współczyika mocy i sterowaie poziomem apięcia. Poprzez zastosowaie zaawasowaych przekształtików eergoelektroiczych (sprzęgów systemowych) układy zasobików daą możliwość szybkie zmiay mocy biere oraz mocy czye.
Metodyka ocey ekoomicze magazyowaia eergii elektrycze 123 4. Możliwość (przy zaczym rozproszeiu istalaci) wyrówywaia obciążeia w KSE. Eergia elektrycza est pobieraa przez zasobik w okresach doliy obciążeia (zakup może być dokoyway z elektrowi pracuących w podstawie) i wprowadzaa do sieci w okresach szczytów obciążeia. Korzyści polegaą a poprawie współczyika obciążeia, przesuięciu w czasie wprowadzaia geeraci, oraz zmieszoym zakupie eergii w godziach szczytu z edostek regulacyych. 5. Możliwość iicaci szybkie zmiay obciążeia w czasie rzeczywistym. Zasobiki eergii umożliwiaą szybką reakcę a zmiay obciążeia w systemie, zmieszaąc tym samym w pewym zakresie potrzebę śledzeia tych zmia i reagowaia a ie przez regulacye edostki wytwórcze. 6. Możliwość zarządzaia mocą i eergią wprowadzaą do sieci. Duże przepływy mocy ze źródeł iestabilych mogą być opóźiae poprzez magazyowaie produkowae w tych źródłach eergii elektrycze, aż do mometu wystąpieia zwiększoego zapotrzebowaia w systemie. 7. Możliwość rezerwowaia dostaw. Ze względu a zdolość do szybkiego weścia do pracy zasobiki eergii mogą działać ako gorąca rezerwa dla systemu zmieszaąc stopień wykorzystaia iych bardzie kosztowych źródeł eergii. 8. Odroczeie koieczości budowy owych zdolości przesyłowych. Prawidłowo rozmieszczoe w KSE zasobiki eergii mogą być ładowae poza godziami szczytu, powoduąc zmieszeie szczytowego obciążeia liii przesyłowych i skutecze zwiększeie zdolości przesyłowych. 9. Odroczeie koieczości budowy owych szczytowych źródeł wytwórczych - mie edostek est potrzebych do pokrycia zapotrzebowaia szczytowego. 10. Wsparcie geeraci rozproszoe. Magazyowaie eergii pozwala a lepsze wykorzystaie geeraci rozproszoe, takie ak mikroturbiy i ogiwa paliwowe, które mogą być eksploatowae przy stałe mocy w swoe awyższe wydaości, co ozacza zmieszeie zużycia paliwa i emisi spali. 11. Zdolość do użycia w przypadku black-startu. Zasobiki eergii mogą zostać użyte do uruchomieia bloków eergetyczych bez dostawy eergii od stroy sieci (praca ako wzorzec apięcia). 12. Redukca zużycia paliwa - użycie zasobików zmiesza wykorzystaie szczytowych bloków eergetyczych. 13. Korzyści dla środowiska - redukca zużycia paliwa wpływa a zmieszeie emisi do atmosfery szkodliwych związków, będących produktami spalaia paliw kowecoalych.
124 J. Paska, M. Kłos, K. Pawlak Pomimo powyższych zalet techiczych magazyowaie eergii elektrycze est obecie uważae za zbyt kosztowe by stosować e a dużą skalę. Należy edak zauważyć, że koszty techologii magazyowaia spadaą i ich zastosowaie stae się coraz bardzie prawdopodobe [2-3, 6]. W artykule przedstawioo metodykę prostego modelowaia kosztów budowy i fukcoowaia iewielkich magazyów eergii, które mogłyby być zastosowae ako elemet uzupełiaący dla źródeł odawialych (usprawiaący ich pracę). 1. Metodyka szacowaia kosztów budowy i fukcoowaia zasobików eergii Stosowaie zasobików eergii elektrycze wiąże się z dodatkowymi kosztami wyikaącymi z akładów iwestycyych iezbędych do wybudowaia magazyu eergii oraz kosztów związaych z pracą zasobików obemuących koszty eergii elektrycze potrzebe do aładowaia zasobika i kosztów potrzeb własych. Aby określić akłady iwestycye ależy w pierwsze koleości określić poemość zasobika, który ma współpracować z siecią elektroeergetyczą [2, 8]. Dobór poemości zasobika zależy od przezaczeia i waruków współpracy z KSE (wymagań systemowych). Musi być oa dokładie określoa z uwzględieiem czasów rozładowaia, głębokości rozładowaia oraz sprawości cyklu kowersi eergii dla wybrae techologii [8]. Poemość zasobika moża wyzaczyć z zależości: Eload 1 1 E do (1) 8760 DoD gdzie: E - poemość zasobika; do - czas rozładowaia; E load - rocza ilość eergii dostarczoa przez zasobik do sieci; - sprawość cyklu kowersi eergii dla dae techologii; DoDL - głębokość rozładowaia. Roczą ilość eergii dostarczoe do sieci z układu zasobika wyzacza się z zależości: E 365d N (2) load gdzie: do - dobowa liczba godzi pracy geeracye zasobika; Nload - moc omiala a wyściu zasobika przezaczoa do wprowadzeia do sieci. Moc omialą zasobika wyzacza się z zależości: Nload N (3) o p load L
Metodyka ocey ekoomicze magazyowaia eergii elektrycze 125 gdzie: N - moc omiala zasobika; p - sprawość całkowita układu uwzględiaąca potrzeby włase i straty sieciowe. Koleym krokiem est określeie akładów iwestycyych, które mogą być wyrażoe w fukci zdolości do magazyowaia eergii przez zasobik i omiale mocy wyściowe zasobika [8]. Rówaie opisuą dwa współczyiki defiiowae dla każde techologii, przy czym pierwszy c e wyrażoy est w zł/kwh i związay est z poemością a drugi c p, wyrażoy w zł/kw est związay z mocą zasobika. Fiale rówaie przedstawia przyszłą wartość akładów iwestycyych po latach życia proektu iwestycyego. Dodatkowym elemetem, który został wprowadzoy do formuły est potecale wsparcie ze stroy istytuci rządowych związae z rozwoem OZE. IC IC 1 1 i c E c N 1 1 i e Eload N load IC 1 1 (4) cedo c p i 1 1 DoD 8760 L p gdzie: IC - przyszła wartość akładów iwestycyych; IC - omiala wartość akładów iwestycyych; - udział wsparcia istytuci rządowych; i - oczekiwaa miimala stopa zwrotu z iwestyci (stopa dyskota). Koleym składikiem kosztów, akie zostaą poiesioe przez operatora magazyu eergii, est koszt zakupu eergii do aładowaia zasobika. Eload w EC i ci 1 i (5) 1 1 i gdzie: EC i - wartość eergii wykorzystae do ładowaia zasobika; c i - cea eergii elektrycze do ładowaia zasobika; w - średioroczy wzrost ce eergii elektrycze. Ostatim składikiem kosztów związaych z eksploatacą zasobików w zakładaym okresie życia istalaci est koszt obsługi i serwisu. Koszt te moża podzielić a koszty stałe i zmiee. Koszty stałe są związae z plaowaymi przeglądami i plaowymi remotami zasobika. Koszty zmiee są związae ze zużywaiem się zasobika wraz z liczbą cykli pracy i ewetualymi potrzebami wymiaami kluczowych elemetów [8]. 1 i g 1 ef FC ICm 1 i c f Eload i i 1 (6) 1 1 1 1 gdzie: FC - koszty stałe obsługi i serwisu; m - współczyik kosztów stałych obsługi i serwisu; g - wzrost kosztów stałych obsługi i serwisu; c f edostkowy koszt paliwa wykorzystywaego w istalaci CAES; e f wzrost edostkowego kosztu paliwa. 1 p
126 J. Paska, M. Kłos, K. Pawlak Drugi czło zależości (6) występue edyie dla zasobików CAES. Reasumuąc, przyszły koszt związay z magazyowaiem eergii w zasobiku (wyłączaąc zmiee koszty obsługi i serwisu) w ciągu lat wyiesie: C IC 1 m 1 1 1 g 1 i 1 i ci w 1 e f E load c f i i i 1 1 1 1 1 gdzie: C - całkowity przyszły koszt iwestyci. Ostateczie, aby uzyskać edostkowy koszt eergii w zł/kwh z zasobika ależy całkowity koszt związay z budową i fukcoowaiem istalaci podzielić przez całkowitą ilość oddawae przez zasobik eergii elektrycze. c 1 w Eload 1 i 1 1 i gdzie: c - edostkowy koszt produkci eergii elektrycze; w - wskaźik wzrostu ce eergii elektrycze. 2. Metodyka uproszczoa ocey kosztów budowy i fukcoowaia zasobików eergii Iym sposobem szybkie ocey kosztów budowy i fukcoowaia zasobików est aaliza zapropoowaa przez autorkę raportu Eergy Storage Systems Cost Update, A Study for the DOE Eergy Storage Systems Program [7]. Na rysuku 1 została przedstawioa idea obliczeia składików kosztu zasobików eergii. C (7) (8) SEE Układ do kowersi eergii Zasobik eergii Rys. 1. Główe elemety układu wytwórczego z zasobikiem eergii [7] W te metodzie akłady iwestycye oblicza się ako sumę akładu a urządzeie do kowersi eergii (C pcs ) i akładu a budowę zasobika (C storage ): C zł C zł C zł (9) total pcs storage
Metodyka ocey ekoomicze magazyowaia eergii elektrycze 127 Nakład związay z budową układu do kowersi (przetworika) eergii zależy od mocy zasobika. C zł c zł kw N kw pcs / (10) pcs Nakład a budowę zasobika eergii est proporcoaly do ego poemości. C zł c zł / kwh E kwh (11) storage storage W aprostszym przypadku możemy przyąć, że E est to iloczy mocy N i czasu t rozładowaia zasobika. W związku z tym, że w każdym układzie techologiczym występuą straty wzór (11) przymue postać: C zł c zł / kwh E kwh / (12) storage storage gdzie: - ozacza sprawość układu zasobika. Maąc obliczoe a podstawie (9) całkowite akłady iwestycye i zaąc moc zasobika w kw możemy określić edostkowe akłady iwestycye: c zł / kw C zł N kw (13) system total / Koleym elemetem aalizy est określeie kosztu cyklu życia zasobika, który zawiera: akłady kapitałowe, koszty obsługi i serwisu, koszty zakupu eergii a potrzeby ładowaia zasobika i koszty utylizaci [7]. Ostatim elemetem est obliczeie wskaźika wartości bieżące akładów dla okresu eksploataci (p. 10-letiego) zasobika eergii. 10 1 e PW factor (14) 1 1 d gdzie: e stopa iflaci; d stopa dyskota; rok. W tabeli 1 przedstawioo akłady i koszty związae z fukcoowaiem wybraych typów zasobików eergii. Tabela 1 Koszty wybraych techologii zasobików [7] Techologia Koszty układu zasobika Sprawość Liczba c pcs, zł/kw c storage, zł/kwh układu, % cykli Baterie kwasowo-ołowiowe 1520 1254 80 2000 Baterie sodowo-siarkowe 1330 1330 75 3000 Baterie kasowo-ołowiowe z elektrodami węglowymi 1520 1254 75 20000 Baterie cykowo-bromowe 1520 1520 70 3000 Baterie przepływowe typu REDOX 1520 2280 65 5000 Baterie litowo-oowe 1520 2280 85 4000 Peumatycze ZE (CAES) 2660 19 70 25000 Elektrowie szczytowo-pompowe 4560 285 85 25000 Kietycze ZE 2280 6080 95 25000 Superkodesatory 1900 38000 95 25000
128 J. Paska, M. Kłos, K. Pawlak 3. Wybrae aspekty ekoomicze zasobików eergii dla odawialych źródeł eergii i bilasowaia systemu Oceiaąc efektywość ekoomiczą komercyego zastosowaia zasobików eergii ależy brać pod uwagę szereg aspektów, które z puktu widzeia iwestora mogą mieć wpływ a podęcie decyzi o wyposażeiu w zasobiki plaowae iwestyci. Podstawowymi zagadieiami, które ależy rozważyć są: 1. Możliwość uzyskaia waruków przyłączeia w zakładae lokalizaci; 2. Sytuaca sieciowa determiuąca stabilość wyprowadzeia mocy z plaowae elektrowi. 3. Możliwości ekoomicze umieszczeia wyprodukowae eergii a ryku przy zakładae stopie zwrotu z iwestyci. 4. Dodatkowe przychody z tytułu realizaci usług systemowych. Pierwsze z zagadień est związae z samym początkiem realizaci procesu iwestycyego. Jest to abardzie wrażliwa część proektu i ak wskazuą dotychczasowe doświadczeia iwestorów reprezetuących brażę elektrowi wiatrowych, w wielu przypadkach a tym etapie fiaskiem kończy się wiele iwestyci. W dużym stopiu wyika to z wirtualego asyceia Kraowego Systemu Elektroeergetyczego farmami wiatrowymi, z których a fizyczą realizacę ma szasę tylko iewielka część plaowaych i posiadaących waruki przyłączeia proektów. Stosuąc dla proektowae farmy wiatrowe zasobik eergii o odpowiedie mocy i poemości, iwestor zmieia charakter źródła eergii z iestabilego, uzależioego od stochastyczego charakteru dostępości eergii pierwote w sterowale, w pełi dyspozycye źródło. Zmieia to diametralie założeia dla wykoywae ekspertyzy wpływu a sieć tak fukcouącego źródła. Z puktu widzeia Operatora Systemu Przesyłowego, czy Dystrybucyego poawia się możliwość ograiczeia wyprowadzeia mocy z pracuące farmy bez ryzyka roszczeń odszkodowawczych ze stroy właściciela elektrowi, czy też ograiczeia skutków agłych zmia pogodowych. Pozwala utrzymać produkcę farmy w trybie a magazy w sytuaci utrudioego wyprowadzeia mocy, p. w doliie zapotrzebowaia, czy też prześć a pracę z magazyu w przypadku zwiększoego zapotrzebowaia, czy też chwilowego braku dostępości eergii pierwote. Drugim aspektem związaym z pracą zasobików w systemie elektroeergetyczym i ich współpracy z odawialymi źródłami eergii elektrycze est sytuaca sieciowa w lokalizacach z mieszym zagęszczeiem elektroeergetycze ifrastruktury dystrybucye i przesyłowe, która w dużym stopiu może powodować w staach awaryych trudości w wyprowadzeiu pełe mocy do systemu. W tym przypadku zasobik współpracuący ze źródłem może pełić rolę regulatora, za pomocą którego lokaly Operator Sytemu Dystrybucyego est w staie zapewić właściwe parametry eergii elektrycze w podsystemie dystrybucyym, przy edoczese pracy źródła. Miimalizue
Metodyka ocey ekoomicze magazyowaia eergii elektrycze 129 się w te sposób skutki ewetualych awarii sieciowych i ich wpływ a poziom kosztów, zarówo po stroie wytwórcy, ak i operatora, a w efekcie odbiorców eergii elektrycze. Koleym zagadieiem, które ma wpływ a fukcoowaie odawialych źródeł eergii elektrycze est zmiaa zasad i możliwości hadlu eergią elektryczą wyprodukowaą w farmach wiatrowych i fotowoltaiczych. W dotychczas zawieraych kotraktach stroy posługiwały się racze stałą ceą pomieszaą o koszty związae z błędami progoz produkci eergii elektrycze. Współpraca zasobików eergii z odawialymi źródłami eergii dae możliwość zmieszeia kosztów wyikaących z uczestictwa w ryku bilasuącym, ale dae także możliwość zarządzaia sprzedażą eergii elektrycze poprzez profilowaie produkci i dyspoowaia paletą produktów dostosowaych do sytuaci rykowe. Korzystaie ze wzrostu ce w trakcie zapotrzebowaia szczytowego est aważieszym aspektem fukcoowaia owoczesego źródła OZE. Przykład takie sprzedaży przedstawioo a rysuku 2. Rys. 2. Cey eergii elektrycze a TGE z zazaczoym obszarem profilu sprzedaży Koleym aspektem, który est wart omówieia z puktu widzeia zastosowaia zasobików eergii est wykorzystaie a potrzeby bilasowaia systemu. Dotychczas w procesie bilasowaia systemu po stroie podażowe są wykorzystywae edostki JWCD (Jedostki Wytwórcze Cetralie Dyspoowae). Obszarem ryku bilasuącego est część systemu elektroeergetyczego, gdzie prowadzoy est hurtowy obrót eergią elektryczą oraz gdzie Operator Systemu Przesyłowego (obowiązki OSP pełi w tym momecie firma PSE S.A.) dokoue bieżącego bilasowaia zapotrzebowaia a eergię elektryczą z e dostawami w Kraowym Systemie Elektroeergetyczym. Do obowiązków OSP ależy rówież zarządzaie ograiczeiami systemowymi i prowadzeie wyikaących z ich rozliczeń z podmiotami uczesticzącymi w ryku bilasuącym.
130 J. Paska, M. Kłos, K. Pawlak Podstawowym obszarem ryku bilasuącego są [4-5]: sieć przesyłowa; miesca w sieci dystrybucye o apięciu 110 kv, do których są przyłączoe edostki wytwórcze cetralie dyspoowae (JWCD); pukty poad siecią, przez które w ryku bilasuącym uczesticzą podmioty ieprzyłączoe do sieci przesyłowe oraz ieposiadaące miesc wymieioych w powyższym pukcie; miesca w sieci dystrybucye, w których są reprezetowae sterowae odbiory eergii elektrycze. Ryek bilasuący est rodzaem ryku ofertowego, którego stroami są z ede stroy OSP, atomiast z drugie wytwórcy eergii elektrycze, którzy składaą oferty wzrostu lub redukci produkci eergii. Cea eergii a ryku bilasuącym wyika ze złożoych ofert. Uczesticy ryku, których oferty zostały zaakceptowae otrzymaą zapłatę zgodą ze zgłoszoą ofertą, atomiast cea dla odbiorców eergii est ustalaa ako średia ważoa z zaakceptowaych ofert. Dla tak sformułowaego obszaru ryku bilasuącego zasobiki eergii mogą staowić elemet związay ze składaiem ofert ako wytwórcy. Możliwość regulaci wielkości eergii elektrycze wprowadzae do Kraowego Systemu Elektroeergetyczego staowi zakomite uzupełieie dotychczasowe praktyki wykorzystywaia do tego celu elektrowi systemowych. Cey a ryku bilasuącym są ściśle skorelowae z możliwością bieżącego pokrycia zapotrzebowaia a eergię elektryczą i dyspoet rezerw mocy w zasobikach mógłby aktywie uczesticzyć w procesie bilasowaia systemu odosząc z tego zacze korzyści fiasowe. Wysokość ce a ryku bilasuącym została przedstawioa a rysuku 3. Rys. 3. Cey eergii elektrycze a Ryku Bilasuącym w 2014 roku [1]
Metodyka ocey ekoomicze magazyowaia eergii elektrycze 131 Obserwowaa a wykresie zmieość ce pozwala oceić ak duży obszar est do zagospodarowaia w zakresie wykorzystaia, także w tym aspekcie zasobików eergii. Korzystaąc z regulaci w zakresie mocy i eergii wprowadzae do systemu elektroeergetyczego uczestik ryku dyspouący odpowiedią ifrastrukturą est potecalym beeficetem przychodów w tym zakresie. 4. Wioski 1. Zasobiki eergii maą wiele zalet techiczych, ale a obecą chwilę stosukowo wysokie akłady iwestycye powoduą ich ograiczoy zakres stosowaia. 2. Magazyowaie eergii w ostatich latach cieszy się coraz większym zaiteresowaiem, zarówo ze stroy operatorów sieci elektroeergetyczych, ak i samych wytwórców eergii. Od dłuższego czasu trwaą wytężoe prace ad rozwiązaiem problemu gromadzeia zaczych ilości eergii, które mogłyby zmieić sposób zarządzaia systemem elektroeergetyczym, fukcoowaia ryku eergii oraz sterowaia pracą tzw. iestabilych odawialych źródeł eergii. 3. Metodyka ocey ekoomicze stosowaia zasobików polega a określeiu wysokości akładów iwestycyych i kosztów fukcoowaia układów zasobikowych. 4. Oceiaąc efektywość ekoomiczą zastosowaia komercyego zasobików eergii ależy brać pod uwagę szereg aspektów, które z puktu widzeia iwestora mogą mieć wpływ a podęcie decyzi o wyposażeiu w zasobiki plaowae iwestyci, t. możliwość uzyskaia waruków przyłączeia w zakładae lokalizaci, sytuacę sieciową determiuącą stabilość wyprowadzeia mocy z plaowae elektrowi, możliwości ekoomicze umieszczeia wyprodukowae eergii a ryku przy zakładae stopie zwrotu z iwestyci, dodatkowe przychody z tytułu realizaci usług bilasuących, regulacyych i systemowych. Literatura [1] Cetrum Iformaci Ryku Eergii: Cey a ryku bilasuącym. www.cire.pl. [2] Kłos M., Paska J.: Kryteria ocey i wyboru urządzeń i układów do magazyowaia eergii elektrycze. XV Międzyarodowa Kofereca Naukowa Aktuale problemy w elektroeergetyce - APE 11. Jurata, 8-10 czerwca 2011.
132 J. Paska, M. Kłos, K. Pawlak [3] Paska J.: Zasobiki eergii elektrycze w systemie elektroeergetyczym - zastosowaia i rozwiązaia. Przegląd Elektrotechiczy (Electrical Review). Nr 9a, 2012. [4] Polskie Sieci Elektroeergetycze S.A. Iformace o systemie. www.pseoperator.pl. [5] Polskie Sieci Elektroeergetycze S.A. Istrukca Ruchu i Eksploataci Sieci Przesyłowe. www.pse-operator.pl. [6] Poopu P., Jewell W. T.: Aalysis of the Cost per Kilowatt Hour to Store Electricity. IEEE Trasactios o Eergy Coversio. Vol. 23, No. 2, Jue 2008. [7] Schoeug S.: Eergy Storage Systems Cost Update a Study for the DOE Eergy Storage Systems Program. Sadia Report, SAND2011-2730, Ulimited Release, Prited April 2011. [8] Zafirakis D., Chalvatzis K. J., Baiocchi G., Daskalakis G.: Modelig of fiacial icetives for ivestmets i eergy storage systems that promote the large-scale itegratio of wid eergy. Applied Eergy 105 (2013) 138 154.