Оптимальный размер системы «солнечная энергия плюс накопитель» для предприятий тяжелой промышленности

Аккумулятор FIAMM 12FGH36

Австралийские исследователи разработали систему энергетического моделирования с высоким разрешением, чтобы оценить, как фотоэлектрические системы и аккумуляторы могут обеспечивать круглосуточное электроснабжение предприятий тяжёлой промышленности с учётом стоимости, взаимодействия с сетью и гибкости нагрузки. Они обнаружили, что, несмотря на снижение стоимости технологий, интеграция в интеллектуальную сеть и гибкие производственные процессы гораздо эффективнее снижают затраты на электроэнергию и позволяют полностью перейти на возобновляемые источники энергии.

Исследователи из Австралийского национального университета изучили технико-экономические аспекты интеграции фотоэлектрических систем и аккумуляторов в тяжёлую промышленность с помощью энергетического моделирования и новой системы энергетического моделирования с высоким разрешением, которая учитывает ухудшение характеристик в течение жизненного цикла и перебои в производстве.

«Наше исследование посвящено ключевому вопросу: могут ли фотоэлектрические системы и аккумуляторы обеспечить круглосуточное электроснабжение энергоемких отраслей, таких как сталелитейная, алюминиевая и цементная промышленность?» — рассказал автор исследования Бин Лу. «Используя интегрированную систему моделирования, мы сравниваем три стратегии: снижение стоимости технологий, взаимодействие с энергосистемой и гибкость промышленной нагрузки. Эта сравнительная оценка позволяет по-новому взглянуть на то, как каждая стратегия влияет на рентабельность электроснабжения тяжелой промышленности с помощью фотоэлектрических систем».

Ключевой особенностью новой методологии является возможность совместной оптимизации производства, хранения и использования электроэнергии с почасовым временным разрешением в течение 25 лет. Кроме того, в ней учитывается прерывистость фотоэлектрических систем в различных временных масштабах, что позволяет удовлетворять операционные потребности предприятий тяжелой промышленности в различных погодных условиях, а также учитывать снижение мощностей по производству и хранению электроэнергии с течением времени. Вычислительные ограничения устраняются с помощью нелинейного метода чистой нагрузки в рамках моделирования энергетического баланса.

Система моделирования

При моделировании предполагается, что непрерывная промышленная деятельность в режиме 24/7 обеспечивается за счёт фотоэлектрических систем и аккумуляторов, а в качестве резервного источника используются газовые турбины. В качестве примера рассматривается крупное промышленное предприятие в Западной Австралии, где в качестве базового сценария смоделирована непрерывная промышленная нагрузка в 100 МВт. И фотоэлектрические системы, и аккумуляторы являются модульными и могут быть легко масштабированы в соответствии с размером любого промышленного предприятия в зависимости от сценария.

Команда исследовала три стратегии. В рамках стратегии снижения затрат на технологии были изучены различные сценарии снижения цен на фотоэлектрические батареи; в рамках стратегии интеграции в энергосистему промышленному объекту было разрешено импортировать и экспортировать электроэнергию в энергосистему и из неё; в рамках стратегии гибкости промышленной нагрузки объект мог переносить производство некоторых промышленных процессов на время, когда солнце наиболее активно. Эффективность фотоэлектрических систем оставалась неизменной и составляла 21 % для литий-ионных аккумуляторов, 85 % и 50 % для газовой турбины.

Годовое потребление электроэнергии

Скорость деградации фотоэлектрической установки составляла 0,6 % в год, а накопителей — 1,8 %, при этом ставка дисконтирования составляла 6 % в течение 25 лет. Расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание фотоэлектрической установки составляли 12 австралийских долларов ($7,9) / кВт / год, а аккумуляторов — 1 % от капитальных затрат / год. Капитальные затраты на фотоэлектрические системы в различных сценариях варьировались от 300 австралийских долларов за кВт до 1500 австралийских долларов за кВт, а стоимость аккумуляторов — от 100 австралийских долларов за кВт + 100 австралийских долларов за кВт·ч до 500 австралийских долларов за кВт + 500 австралийских долларов за кВт·ч.

«Самый удивительный результат заключается в том, что даже если стоимость фотоэлектрических панелей и аккумуляторов снизится на 80 %, затраты на электроэнергию для тяжёлой промышленности сократятся всего примерно на 40 %. Причина в нерациональном использовании энергии. Когда выработка солнечной энергии превышает возможности промышленности по её потреблению или накоплению, избыток энергии приходится ограничивать, — сказал Лу. — Наше исследование показывает эффективные способы преодоления этого ограничения. Взаимодействие с интеллектуальными сетями и гибкая организация промышленного производства существенно повышают эффективность использования солнечной энергии, снижая затраты более эффективно, чем за счёт снижения стоимости технологий». Эти стратегии позволяют отраслям получать больше прибыли от использования солнечной энергии и добиваться более глубокой декарбонизации при меньших затратах.

Исследовательская группа также выяснила, что взаимодействие с энергосистемой снижает зависимость от резервного газового оборудования и может снизить затраты на электроэнергию на 42 % при условии 100 %-ной интеграции возобновляемых источников энергии. Гибкость нагрузки, достигаемая за счёт адаптации промышленных операций к колебаниям возобновляемых источников энергии, может снизить затраты на электроэнергию на 80 % при условии 100 %-ной интеграции возобновляемых источников энергии.

«Наш следующий шаг — сотрудничество со сталелитейными, алюминиевыми и цементными компаниями, чтобы внедрить эти разработки в промышленное производство, — заключил Лу. — Будущие демонстрационные проекты помогут оптимизировать гибкие операционные стратегии в реальных промышленных условиях и станут основой для масштабного внедрения в различных отраслях».

Результаты исследования были представлены в статье «Декарбонизация предприятий тяжелой промышленности с помощью недорогих фотоэлектрических систем и аккумуляторных батарей», опубликованной в Solar Energy.