Analiza efektywności ekonomicznej instalacji magazynu energii elektrycznej u prosumenta

Magazyny energii pozwalają na przechowywanie nadwyżek energii wyprodukowanej przez instalacje odnawialne, takie jak panele fotowoltaiczne czy turbiny wiatrowe, i wykorzystanie jej w momentach, gdy produkcja jest niewystarczająca. Tym samym mogą one znacząco wpłynąć na zmniejszenie kosztów zakupu energii z sieci oraz zwiększenie autokonsumpcji.

W dobie transformacji energetycznej zrozumienie ekonomicznych aspektów związanych z magazynowaniem energii jest kluczowe dla podejmowania świadomych decyzji inwestycyjnych [3].

Wady i zalety magazynów energii

Magazyny energii mają liczne zalety, które przyczyniają się do ich rosnącej popularności wśród prosumentów. Przede wszystkim umożliwiają one zwiększenie autokonsumpcji energii, co przekłada się bezpośrednio na zysk ekonomiczny. Dzięki magazynowaniu nadwyżek energii wyprodukowanej przez instalacje oparte na źródłach odnawialnych, takie jak panele fotowoltaiczne, prosumenci mogą korzystać z własnej, zgromadzonej wcześniej energii w momencie, gdy aktualna produkcja jest niewystarczająca [4]. Zwiększa to niezależność energetyczną, zmniejszając zależność od zewnętrznych dostawców prądu i zapewniając stabilne źródło energii w sytuacjach awaryjnych, takich jak przerwy w dostawie prądu [5, 6].

Magazyny energii przyczyniają się także do optymalizacji kosztów. Umożliwiają przechowywanie energii w okresach, gdy jest ona tańsza (na przykład w godzinach niskiego obciążenia) i wykorzystywanie jej w godzinach szczytowego zapotrzebowania, gdy ceny energii są wyższe. Dodatkowo, systemy te stabilizują lokalne sieci energetyczne, dostarczając energię w momencie nagłego wzrostu zapotrzebowania lub spadku produkcji z odnawialnych źródeł energii, co pomaga utrzymać równowagę między produkcją a konsumpcją [7]. Ważnym aspektem jest również redukcja emisji CO2. Dzięki zwiększeniu wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych i zmniejszeniu zależności od paliw kopalnych, magazyny energii wspierają cele związane z ochroną środowiska [8, 9].

Magazyny energii mają również swoje wady. Jednym z głównych wyzwań są wysokie koszty początkowe związane z ich instalacją. Nowoczesne technologie, takie jak baterie litowo-jonowe, mogą być kosztowne, co stanowi barierę dla wielu prosumentów. Ponadto magazyny energii mają ograniczoną żywotność, a ich efektywność może spadać z czasem, co wiąże się z koniecznością wymiany lub regeneracji systemów magazynowania [10]. Dodatkowe koszty generują również regularna konserwacja i serwisowanie magazynów energii. W przypadku awarii, koszty napraw mogą być znaczne [11].

Kolejnym problemem jest utylizacja zużytych magazynów energii, zwłaszcza baterii, co stanowi wyzwanie ekologiczne ze względu na zawartość substancji chemicznych i metali ciężkich. Niewłaściwa utylizacja może prowadzić do zanieczyszczenia środowiska. Warto również wspomnieć o stratach energetycznych związanych z magazynowaniem energii. Proces ładowania i rozładowywania magazynów nie jest w 100% efektywny, co oznacza, że część energii jest tracona w postaci ciepła [12].

Magazyny energii oferują wiele korzyści, które mogą znacznie poprawić efektywność i stabilność energetyczną u prosumentów. Jednak decyzja o ich instalacji powinna być dobrze przemyślana, oparta na analizie kosztów i korzyści w kontekście specyficznych warunków i potrzeb użytkownika [13].

Porównanie systemów rozliczeń net-metering i net-billing

Systemy rozliczeń energii odnawialnej, takie jak net-metering i net-billing, odgrywają kluczową rolę w zachęcaniu prosumentów do inwestowania w odnawialne źródła energii. Choć oba systemy mają na celu wsparcie integracji energii odnawialnej z siecią elektroenergetyczną, różnią się pod względem sposobu rozliczania nadwyżek energii produkowanej przez prosumentów.

Net-metering to system opustów, w którym nadwyżki energii wyprodukowanej przez prosumenta są przekazywane do sieci elektroenergetycznej i „magazynowane” w postaci kredytów energetycznych. Prosument ma możliwość odbioru 80% (dla instalacji fotowoltaicznych o mocy do 10 kWp) lub 70% (dla instalacji o mocy od 10 kWp do 50 kWp) energii wcześniej wprowadzonej do sieci. W okresach, gdy produkcja energii jest mniejsza niż jej zużycie, prosument może wykorzystać te kredyty do zbilansowania swojego rachunku za energię. Główną zaletą net-meteringu jest jego prostota i możliwość wykorzystania sieci elektroenergetycznej jak magazynu energii, co czyni inwestycje w OZE bardziej opłacalnymi. Jednak net-metering może prowadzić do strat finansowych dla operatorów sieci elektroenergetycznych, którzy muszą utrzymywać infrastrukturę, mimo mniejszych wpływów z opłat za energię. Wysokie przepływy energii w obie strony mogą również prowadzić do problemów z zarządzaniem siecią i jej stabilnością [14]. System net-metering obowiązywał od 2015 roku do kwietnia 2022. Zgodnie z ustawą o odnawialnych źródłach energii (OZE) [15], prosumenci mogą korzystać z systemu opustów przez 15 lat, licząc od 2022 roku. Obecnie nowi prosumenci – inwestujący w instalację fotowoltaiczną od kwietnia 2022 roku – są zobligowani do rozliczania się w systemie net-billing.

Net-billing różni się od net-meteringu tym, że nadwyżki energii wyprodukowanej przez prosumenta są sprzedawane do sieci po określonej cenie, często niższej niż cena zakupu energii, a energia pobierana z sieci jest kupowana po standardowej taryfie. Nadwyżka energii wyprodukowanej jest sprzedawana po cenie rynkowej według średniej miesięcznej ceny energii, opublikowanej na Towarowej Giełdzie Energii. Pobrana energia jest rozliczana na podstawie wybranej taryfy energii. W efekcie prosument otrzymuje wynagrodzenie za dostarczoną do sieci energię, które jest następnie odliczane od jego rachunku za energię. System ten jest bardziej korzystny dla operatorów sieci, ponieważ prosument płaci za energię zgodnie z taryfami rynkowymi i jednocześnie jest wynagradzany za nadwyżki. System net-billing umożliwia bardziej przejrzyste i precyzyjne rozliczanie rzeczywistej wartości dostarczonej i pobranej energii oraz sprzyja bardziej efektywnej integracji odnawialnych źródeł energii z rynkiem energii elektrycznej. Jednak cena zakupu energii z sieci jest zazwyczaj wyższa niż cena sprzedaży nadwyżek, co sprawia, że prosumenci mogą odczuwać mniejszą bezpośrednią korzyść finansową. System ten może być również bardziej skomplikowany do zrozumienia i zarządzania dla części prosumentów.

Okres rozliczeniowy w przypadku obu systemów wynosi 12 miesięcy. W systemie net-metering niewykorzystane nadwyżki energii przepadają po upływie okresu rozliczeniowego. Po upływie okresu rozliczeniowego w systemie net-billing prosument otrzymuje zwrot 20% wartości energii niewykorzystanej.

Założenia przyjęte do analizy

Analizę efektywności ekonomicznej instalacji magazynu energii elektrycznej u prosumenta wykonano dla instalacji fotowoltaicznej o mocy 5 kWp, zainstalowanej w domu jednorodzinnym w okolicach Wrocławia. Przeanalizowano dane godzinowe z licznika energii oraz dane z inwertera fotowoltaicznego z 2023 roku. Sprawność magazynu energii przyjęto na poziomie 90% (wzięto pod uwagę straty związane z przekształcaniem oraz magazynowaniem energii oraz starzenie się magazynu energii). Przyjęto cenę zakupu i instalacji magazynu energii równą 1400 zł za kilowatogodzinę. Cenę sprzedaży energii elektrycznej przyjęto na podstawie RCEm (rynkowa miesięczna cena energii elektrycznej), publikowanej przez PSE (Państwowe Sieci Elektroenergetyczne). Średnia cena sprzedaży energii elektrycznej w 2023 roku wyniosła około 448 zł/MWh. Cena zakupu energii elektrycznej w taryfie G11 w 2023 roku wyniosła 1,27 zł/kWh.

W tabeli 1. przedstawiono podstawowe dane na temat analizowanej instalacji.

Całkowita energia wyprodukowana wyniosła 5260 kWh, co stanowi łączną ilość energii wyprodukowanej przez instalację w danym okresie. Całkowita energia pobrana z sieci elektrycznej wyniosła 3628 kWh, natomiast całkowita energia oddana do sieci osiągnęła poziom 4090 kWh. Różnica pomiędzy energią oddaną a pobraną wynosi 462 kWh, co oznacza, że więcej energii oddano do sieci niż pobrano. Całkowite zużycie energii w tym okresie wyniosło 4798 kWh, uwzględniając zarówno energię pobraną z sieci, jak i autokonsumpcję.

Obecny poziom autokonsumpcji wyniósł 24%, co oznacza, że 24% energii wyprodukowanej zostało zużyte na miejscu, bez oddawania do sieci. Przy założeniu nieskończenie dużego magazynu energii, w pierwszym roku możliwa jest maksymalna autokonsumpcja na poziomie 73%. Dane te wskazują na znaczną nadwyżkę wyprodukowanej energii, która jest oddawana do sieci.

Na rysunku 1. zaprezentowano ilość energii pobranej (kolor niebieski), jak i oddanej (kolor pomarańczowy) (w kWh) w różnych miesiącach roku.

Na podstawie tych danych można zauważyć, że wiosną i latem (od maja do września) ilość energii oddanej jest znacznie wyższa niż pobranej, co może wskazywać na okres największej produkcji energii. Jesienią i zimą (od października do marca) ilość energii pobranej przewyższa energię oddaną, co jest spowodowane mniejszą produkcją energii i większym zapotrzebowaniem na energię. Szczyt produkcji energii przypada na miesiące maj, czerwiec i lipiec (co jest charakterystyczne dla strefy geograficznej, w której znajduje się badana instalacja), osiągając wartość około 650 kWh. Największe zapotrzebowanie na energię przypada na miesiące październik, listopad i grudzień, osiągając wartość około 45 kWh.

Algorytm wykonania obliczeń

W celu dokonania analizy ekonomicznej magazynu energii posłużono się algorytmem przedstawionym na rysunku 2. 

Algorytm składa się z sześciu następujących kroków:

1. Pozyskanie danych godzinowych z licznika energii oraz inwertera fotowoltaicznego: pierwszym krokiem jest zebranie danych dotyczących produkcji i zużycia energii. Dane te są pozyskiwane z licznika energii elektrycznej oraz inwertera fotowoltaicznego, które rejestrują ilość energii wyprodukowanej przez system fotowoltaiczny oraz energii zużytej przez gospodarstwo domowe w różnych godzinach;
2. Obliczenie różnicy pomiędzy energią pobraną a oddaną do sieci: w kolejnym kroku oblicza się różnicę między energią pobraną z sieci a energią oddaną do sieci. Pozwala to na określenie, ile energii zużyto bezpośrednio z produkcji fotowoltaicznej, a ile zostało oddane do sieci lub pobrane z sieci w okresach niedoboru;
3. Obliczenie energii zmagazynowanej w magazynie energii: w kolejnym kroku oblicza się ilość energii, która została zmagazynowana w magazynie energii. Jest to istotne, aby zrozumieć, ile nadwyżek energii wyprodukowanej przez system fotowoltaiczny zostało przechowane do późniejszego wykorzystania;
4. Obliczenie energii pobranej z magazynu energii: następnie oblicza się ilość energii pobranej z magazynu energii. To pozwala określić, w jakim stopniu zmagazynowana energia jest wykorzystywana do pokrycia zapotrzebowania energetycznego gospodarstwa domowego w okresach, gdy produkcja fotowoltaiczna jest niewystarczająca;
5. Obliczenie autokonsumpcji: kolejnym krokiem jest obliczenie poziomu autokonsumpcji, czyli proporcji energii wyprodukowanej przez system fotowoltaiczny, która została zużyta bezpośrednio przez gospodarstwo domowe lub pobrana z magazynu energii, w stosunku do całkowitej wyprodukowanej energii;
6. Oszacowanie oszczędności i czasu zwrotu inwestycji: na końcu dokonuje się oszacowania oszczędności finansowych wynikających z korzystania z magazynu energii oraz określenia czasu zwrotu inwestycji. Analiza ta obejmuje porównanie kosztów zakupu i instalacji magazynu energii z korzyściami wynikającymi z redukcji rachunków za energię oraz możliwymi dotacjami lub ulgami podatkowymi.

Wyniki analizy

Na rysunku 3. przedstawiono porównanie okresu zwrotu inwestycji w magazyny energii o różnej pojemności w dwóch różnych systemach: net-metering i net-billing.

W systemie net-metering okres zwrotu inwestycji znacząco rośnie wraz ze wzrostem pojemności magazynu energii. Dla magazynu o pojemności 1 kWh okres zwrotu wynosi 32,8 lat, natomiast dla największego rozpatrywanego magazynu o pojemności 22 kWh wzrasta do 137,2 lat. Im większa pojemność magazynu energii, tym dłuższy okres zwrotu inwestycji, co może wynikać z wyższych kosztów inwestycji w większe magazyny oraz ograniczeń systemu net-meteringu.

W przypadku systemu net-billing okres zwrotu inwestycji jest znacznie krótszy niż w systemie net-meteringu. Dla magazynu o pojemności 1 kWh okres zwrotu wynosi niewiele ponad 6 lat, a dla największego rozpatrywanego magazynu o pojemności 22 kWh wynosi ponad 25 lat. Chociaż okres zwrotu również rośnie wraz ze wzrostem pojemności magazynu, wzrost ten jest mniej drastyczny niż w przypadku net-metering, co sugeruje, że system net-billing jest bardziej opłacalny przy większych magazynach energii.

Na rysunku 4. przedstawiono autokonsumpcję energii w zależności od pojemności magazynu energii, wyrażoną w procentach. 

Autokonsumpcja wzrasta wraz ze zwiększaniem pojemności magazynu energii, co oznacza, że większe magazyny pozwalają na większe wykorzystanie wyprodukowanej energii na miejscu.

Dla magazynu o pojemności 0 kWh autokonsumpcja wynosi 22%. Przy pojemności magazynu 1 kWh autokonsumpcja wzrasta do 27%, a dla 2 kWh wynosi aż 31%. Wzrost autokonsumpcji jest widoczny przy kolejnych pojemnościach magazynów: 4 kWh – 35%, 6 kWh – 38%, 8 kWh – 40%, 10 kWh – 45%, 14 kWh – 46%, 18 kWh i 22 kWh – 47 %. 

Zwiększenie pojemności magazynu energii prowadzi do wyraźnego wzrostu autokonsumpcji energii, co może przyczynić się do bardziej efektywnego wykorzystania wyprodukowanej energii. Przy pojemnościach magazynu powyżej 10 kWh wzrost autokonsumpcji zaczyna się stabilizować, osiągając około 47% dla najwyższych przyjętych wartości pojemności magazynu energii.

Perspektywa rozwoju magazynów energii w instalacjach prosumenckich w kontekście taryf dynamicznych

Magazyny energii mają kluczowy potencjał dla prosumentów, zwłaszcza w kontekście taryf dynamicznych. Taryfy dynamiczne, które zmieniają się w zależności od pory dnia i obciążenia sieci, mogą znacząco wpłynąć na koszty energii. Magazyny energii umożliwiają prosumentom przechowywanie nadwyżek wyprodukowanej energii, co pozwala na jej wykorzystanie w okresach wyższych cen energii, tym samym optymalizując koszty.

Dzięki magazynom energii prosumenci mogą lepiej integrować z siecią odnawialne źródła energii, takie jak panele fotowoltaiczne czy małe turbiny wiatrowe. Wytwarzanie energii z tych źródeł często nie pokrywa się z aktualnym zapotrzebowaniem na energię, co prowadzi do konieczności oddawania nadwyżek do sieci lub ich utraty [16]. Magazyny energii pozwalają na przechowywanie wyprodukowanej energii i jej wykorzystanie w momencie, gdy produkcja z OZE jest niska, co zwiększa niezależność energetyczną prosumentów i efektywność wykorzystania odnawialnych źródeł energii.

Kolejnym istotnym aspektem jest redukcja szczytowego obciążenia sieci energetycznej. Magazyny energii mogą być ładowane w okresach niskiego zapotrzebowania na energię i rozładowywane podczas szczytów, co zmniejsza obciążenie sieci i stabilizuje system energetyczny. To nie tylko pomaga w unikaniu kosztownych modernizacji infrastruktury sieciowej, ale również zwiększa niezawodność dostaw energii [17].

W kontekście taryf dynamicznych magazyny energii umożliwiają prosumentom aktywne zarządzanie zużyciem energii w odpowiedzi na zmieniające się ceny. Mogą one automatycznie ładować się, gdy ceny energii są niskie i dostarczać energię, gdy ceny są wysokie, maksymalizując oszczędności finansowe. Dla prosumentów oznacza to nie tylko niższe rachunki za energię, ale także większą elastyczność i kontrolę nad własnym zużyciem energii. [18]

Wnioski

Magazyny energii stanowią kluczowy element systemu energetycznego, zwłaszcza dla prosumentów, którzy produkują własną energię z odnawialnych źródeł. Analiza wykresów pokazuje, że większa pojemność magazynów energii prowadzi do znacznego zwiększenia autokonsumpcji, co pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie wyprodukowanej energii na miejscu. Okres zwrotu inwestycji w systemie net-metering jest kilkakrotnie większy w porównaniu z systemem net-billing. W systemie net-metering użytkownicy mogą zbilansować energię wytworzoną z energią pobraną z sieci, co zmniejsza motywację do instalowania magazynów energii. Energia oddana do sieci jest kredytowana, a użytkownicy mogą wykorzystać ten kredyt. W systemie net-metering prosumenci mogą traktować sieć jako magazyn energii, którego sprawność może wynosić nawet 80%. System net-billing zachęca do instalowania magazynów energii, ponieważ nadwyżki energii są sprzedawane po cenie rynkowej, która może być niższa niż cena zakupu energii z sieci. Magazynowanie energii na własne potrzeby może więc przynieść większe oszczędności.

Magazyny energii mają również potencjał do znacznego zwiększenia efektywności i stabilności systemów energetycznych w kontekście taryf dynamicznych. Dzięki możliwości gromadzenia energii w okresach niskiego zapotrzebowania i wysokiej produkcji, a następnie jej wykorzystania, gdy ceny energii są wyższe, prosumenci mogą optymalizować koszty. Ponadto magazyny energii wspierają integrację odnawialnych źródeł energii, które charakteryzują się zmiennością produkcji, co przyczynia się do stabilizacji całego systemu energetycznego [19].

Montaż magazynu energii w instalacjach, w których następuje częste wyłączanie inwerterów z powodu zbyt wysokiego napięcia w sieci, przynosi dodatkowe korzyści. W takich przypadkach prosument ponosi straty, ponieważ instalacja fotowoltaiczna nie może pracować efektywnie w okresach dużego nasłonecznienia, co prowadzi do utraty potencjalnej produkcji energii. Magazyn energii pomaga w stabilizacji napięcia, co zapobiega wyłączaniu się inwerterów i umożliwia nieprzerwaną pracę instalacji fotowoltaicznej. W takich warunkach zwrot z inwestycji w magazyn energii następuje znacznie szybciej, ponieważ prosument nie tylko oszczędza na rachunkach za energię, ale również unika strat związanych z niepracującą instalacją fotowoltaiczną.

Warto również wspomnieć, że w sieciach, w których często dochodzi do awarii, magazyn energii wraz z inwerterem off-grid pozwalają na poprawne użytkowanie urządzeń elektrycznych. W takich przypadkach zapewnienie niezawodnego źródła energii staje się priorytetem, a koszty instalacji magazynu energii często stanowią drugorzędną sprawę.

* * *
Artykuł został wygłoszony w formie referatu podczas ­XXVIII Sympozjum Naukowo-Technicznego SEMAG 2024.

Literatura 

1. Ferreira H. L., Garde R., Fulli G., Kling W., Lopes J. P., Characterisation of electrical energy storage technologies, Energy 2013
2. Sang H., Liu C., Moradiamani A., Gu M., Jalili M., Meegahapola L.G., Yu X., Dikeson G., Smart optimization in battery energy storage systems: An overview, Energy and AI 2024
3. Choudhury S., Review of energy storage system technologies integration to microgrid: types, control strategies, issues, and future prospects, Journal of Energy Storage 2022
4. Rana M. M., Uddin M., Sarkar M. R., Meraj S. T., Shafiullah G. M., Muyeen S. M., Islam M. A., Jamal T., Applications of energy storage systems in power grids with and without renewable energy integration — A comprehensive review, Journal of Energy Storage 2023
5. Saldarini A., Longo M., Brenna M., Zaninelli D., Battery Electric Storage Systems: Advances, Challenges, and Market Trends, Energies 2023
6. Khan M. K., Raza M., Shahbaz M., Farooq U., Akram M. U., Recent advancement in energy storage technologies and their applications, Journal of Energy Storage 2024
7. Alsharif H., Jalili M., Hasan K.N., Power system frequency stability using optimal sizing and placement of battery energy storage system under uncertainty, Journal of Energy Storage 2022
8. Hannan M.A., Al-Shetwi A.Q., Begum R.A., Ker P.J., Rahman S.A., Mansor M., Mia M.S., Muttaqi K.M., Dong Z.Y., Impact assessment of battery energy storage systems towards achieving sustainable development goals, Journal of Energy Storage 2021
9. Jafari M., Botterud A., Sakti A., Decarbonizing power systems: A critical review of the role of energy storage, Renewable and Sustainable Energy Reviews 2022
10. Bettke B., Schmidt T. S., Grosspietsch D., Hoffmann V.H., A review and probabilistic model of lifecycle costs of stationary batteries in multiple applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews 2013
11. Hoppmann J., Volland J., Schmidt T.S., Hoffmann V.H., The economic viability of battery storage for residential solar photovoltaic systems–a review and a simulation model, Renewable and Sustainable Energy Reviews 2014
12. Worku M.Y., Recent Advances in Energy Storage Systems for Renewable Source Grid Integration: A Comprehensive Review Sustainability 2022
13. Hannan M., Wali S., Ker P., Abd Rahman M., Mansor M., Ramachandaramurthy V., Muttaqi K. Mahlia T., Dong Z., Battery energy-storage system: a review of technologies, optimization objectives, constraints, approaches, and outstanding issues, Journal of Energy Storage 2021
14. Al-Foraih R., Sreekanth K.J., Al-Mulla A., A techno-economic analysis of the integration of energy storage technologies in electric power systems Journal of Renewable and Sustainable Energy 2018
15. Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii
16. Ahmed M., Ganeshan A., Amani A.M., AlKhafaf N., Nutkani I.U., Vahidnia A., Jalili M., Hasan K., Datta M., Razzaghi R., et al., Effects of household battery systems on LV residential feeder voltage management, IEEE Transactions on Power Delivery 2022
17. Joubert J. C., Chokani N., Abhari R. S., Impact of Large Scale Battery Energy Storage on the 2030 Central European Transmission Grid, 15th International Conference on the European Energy Market (EEM) 2018
18. Bloch L., Holweger J., Ballif C., Wyrsch N., Impact of advanced electricity tariff structures on the optimal design, operation and profitability of a grid-connected PV system with energy storage, Energy Informatics 2019
19. Pietzcker R. C., Stetter D., Mange S., Luderer G., Using the sun to decarbonize the power sector: The economic potential of photovoltaics and concentrating solar power, Applied Energy 2014