CC BY
97
©В.Д. Мельников, Г.Б. Нестеренко, Д.Е. Лебедев, Ю.В. Мокроусова, А.В. Удовиченко УДК 621. 311
ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА НОРМИРОВАННОЙ СТОИМОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ
В.Д. Мельников1, Г.Б. Нестеренко1'2, Д.Е. Лебедев2, Ю.В.Мокроусова1,
А. В. Удовиченко1'
Новосибирский государственный технический университет, 2ООО «Системы накопления энергии», г. Новосибирск, Россия
melnikov. vikentiy@gmail. com
Резюме: Рассматриваются вопросы экономического сопоставления различных систем накопления электрической энергии на основании показателя нормированной стоимости накопления энергии (LCOS). Авторами предложены дополнения к формуле расчета LCOS, которые включают инфляцию и изменение стоимости электроэнергии. Представлен анализ основных принципов и параметров, необходимых для определения этого показателя, приведено формульное выражение, по которому выполнен расчет для системы накопления электрической энергии, основной функцией которой является компенсация резких изменений мощности нагрузки. Обоснованы границы возможного применения рассматриваемого формульного выражения, определены ограничения, которые необходимо преодолеть для более широкого ее применения.
Ключевые слова: системы накопления электрической энергии, нормированная стоимость накопления энергии, LCOS, накопители, распределенная генерация, газопоршневая электростанция.
PROBLEMS, ASPECTSOFAPPLICATIONANDTHEMETHODOFCALCULATINGTHE
LEVELIZED COST OF STORAGE
VD Melnikov1, GB Nesterenko1,2,DE Lebedev2, JV Mokroussova1, AV Udovichenko1
Novosibirsk State Technical University 2Energy storage systemsLLC, Novosibirsk, Russia
melnikov. vikentiy@gmail. com
Abstract: This paper considers the issues of electrical energy storage systems economic comparison based on the levelizedcost of storage (LCOS). The authors proposed additions to the LCOS equation, which include inflation and changes in the cost of electricity. One of the proposed formulas for LCOS calculation has been given, the parameters to be considered and the basic principles of their calculation have been examined in detail. The LCOS has been calculated for an electrical energy storage system. Whose main function is to compensate for rapid changes in load power. The potential application scope of the formula under consideration has been specified. And the limitations preventing its wider use have been indicated.
Keywords: electrical energy storage systems, levelizedcost of storage, LCOS, electrical energy storage, distributed generation, gas piston generator.
Введение
Рост мирового интереса к малой и распределенной генерации, в том числе с применением возобновляемых источников энергии диктует повышенный спрос на системы накопления электрической энергии (СНЭЭ), в составе которых применяются разнообразные накопители: электрохимические аккумуляторы (в настоящей статье рассматривается СНЭЭ на их основе), суперконденсаторы, гравитационные накопители и др. Тем не менее на
сегодняшний момент отсутствует общепринятый экономический показатель, которой позволил бы проводить сравнение различных систем накопления энергии и альтернативных решений, например, как это осуществляется при планировании строительства электростанций, для которых принят показатель «нормированной стоимости электроэнергии» ^СОЕ - LevelizedCostofElectricity). В работах [1, 2] рассматриваются вопросы адаптации формульного выражения для расчета LCOE для систем накопления электрической энергии. Соответствующий показатель назван «нормированной стоимостью накопления энергии» (LCOS - LevelizedCostofStorage). Рассматриваемому показателю посвящен также ряд других зарубежных трудов [3-5].
Несмотря на то, что в настоящий момент отсутствует утвержденная международными и национальными стандартами методика расчета LCOS, этот показатель активно используется производителями, аналитическими агентствами [6], государственными органами [7] и другими работающими в области накопления энергии сторонами.
Методы
В общем случае, нормированная стоимость накопления энергии - это внутренняя стоимость продажи 1 кВт ч электроэнергии, выдаваемой СНЭЭ, с нулевой чистой приведенной стоимостью (NPV).
LCOS определяется как сумма всех вложений за период срока службы СНЭЭ, деленная на кумулятивную генерируемую энергию СНЭЭ.
Авторами был выполнен расчет LCOS СНЭЭ для применения в системе электроснабжения автономного промышленного объекта, источником электроэнергии для которого является газопоршневая электростанция. Мощность, потребляемая электроприемниками объекта, характеризуется резкопеременным характером. По уточненной по сравнению с [1] формуле:
L (о&Mt(i + i + Fuelt(i + e) ) Capital + -f-
" (i + r)
LCOS =---Ь-'--(1)
L (MWht •(i + e) )
2t=1 л \t (i + r)
где Capital - суммарные капитальные затраты;
0 & Mt - зтраты на эксплуатацию и техническое обслуживание за время t;
Fuelt - стоимость запасенной электроэнергии за время t;
MWht - количество электроэнергии, которую выдала СНЭЭ за время t; r - ставка дисконтирования, о.е;
e - ежегодный коэффициент коррекции стоимости электроэнергии, о.е.;
1 - ежегодная инфляция, о.е.;
t - время от старта проекта, год;
L - срок, за который рассчитывается LCOS (в общем случае равен сроку службы СНЭЭ), год.
В отличие от формулы, предложенной в [1], выражение (1) предполагает, что капиталовложения выполняются из собственных средств заказчика, а также учитывает инфляцию и ежегодный рост тарифов.
Ниже рассмотрим некоторые переменные, определяющие LCOS, более подробно. Системы накопления электрической энергии с электрохимическими накопителями вследствие отсутствия в своем составе вращающихся частей являются малообслуживаемыми и имеют низкие ежегодные затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание (O&M), менее 1% в год от стоимости установки. Структурный состав рассматриваемой в настоящей работе СНЭЭ представлен в [8, 9]. Необходимое техническое обслуживание включает проведение периодического контрольного разряда накопителей (для рассматриваемого случая - раз в год, но, в частном случае, периодичность зависит от интенсивности и условий использования СНЭЭ) для определения остаточной энергоемкости системы с целью контроля ее мощности и энергоемкости как основных показателей. При этом осуществлять контрольный разряд возможно как удаленно, так и в автоматическом режиме, если это предусмотрено конструкцией и алгоритмами работы подсистемы управления. Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание включают затраты на покупку электроэнергии, необходимую
31
для питания подсистемы управления и связи, а также вспомогательной подсистемы, в состав которой входят: системы кондиционирования, обогрева, вентиляции, пожаротушения и пр. Это особенно важно с учетом того, что величина потребляемой вспомогательной подсистемой электроэнергии может достигать существенных значений, что обусловлено необходимостью поддержания микроклимата внутри оболочки (контейнера или блочно-модульного здания), требующегося для нормального функционирования оборудования.
В стоимости запасенной электроэнергии (Fuel) учитываются затраты на заряд накопителей. Необходимо отметить, что эти затраты не всегда возможно оценить на этапе проектирования, как например, в случае совместной работы СНЭЭ с генераторными установками на традиционном топливе в режиме поддержания частоты, компенсации резких изменений мощности нагрузки и других кратковременных режимах, т.е. для случаев применения СНЭЭ класса А1 по классификации [10]. Учет запасенной электроэнергии актуален, например, когда СНЭЭ используется для ценового арбитража2: накапливает энергию из сети при низком тарифе, и выдаёт энергию в сеть, когда тариф высокий. В настоящей статье рассматривается расчёт применения СНЭЭ в автономной энергосистеме, где СНЭЭ компенсирует резкие сбросы и набросы мощности на ГПУ. Во время резкого сброса мощности нагрузки по топливному тракту ГПУ поступает такое же количество топлива, что и до этого момента (из-за инерционности тракта). СНЭЭ при этом потребляет излишнюю энергию, которая в случае отсутствия СНЭЭ расходовалась бы на дополнительное раскручивание роторов генераторов (что привело бы к повышению частоты вэнергосистеме). Повышения расхода топлива не происходит. Таким образом, стоимость накапливаемой энергии можно принять: Fuelt = 0.
Расчет количества электроэнергии, которую выдала СНЭЭ (или накопила, с учетом КПД) за время t обычно ведется на протяжении всего срока службы СНЭЭ, но возможны и другие варианты, определяемые внешними условиями, например, максимальным сроком окупаемости. На этапе проектирования количество выданной электроэнергии системой накопления может быть рассчитано различными способами. В случае если известны данные по графику нагрузки (заранее снятому на объекте), то расчет может вестись по этим графикам с учетом выполняемых функций и режимов работы СНЭЭ. В случае отсутствия уточненных данных об объекте, искомое количество энергии может быть рассчитано на основании оценки срока службы накопителей, который определяется количеством полных циклов заряда-разряда (с учетом режима работы накопителей) или режимом работы. Учет срока службы в годах для СНЭЭ характерен в случаях, когда накопитель применяется в качестве резервного источника питания. Снижение эксплуатационных характеристик накопителей при этом будет происходить в следствии естественной деградации.
В рассматриваемом примере СНЭЭ используется для компенсации резких набросов и сбросов мощности нагрузки. Для ограничения скорости наброса мощности нагрузки на газопоршневые установки (ГПУ) мощность СНЭЭ скачкообразно изменяется с 0 до 1000 кВт (временем отклика системы в данном случае можно пренебречь), а затем снижается до 0 в течение 100 секунд. Характер изменения мощности СНЭЭ - апериодический, но для упрощения расчёта он принят линейным, что не вносит существенной погрешности. Во время сброса мощности нагрузки процесс аналогичен, но с обратным знаком мощности. Электроэнергию, которую во время одного наброса выдаёт СНЭЭ, можно определить как площадь треугольника в координатах «мощность-время» (см. рис. 1): 0,5 • 1000 кВт • 100 с = 50 000 кВт-с = 13,889 кВт-ч. В течение суток расчетное количество срабатываний СНЭЭ составляет 30 раз (обусловлено количеством сбросов и набросов мощности нагрузки). Таким образом, за год работы СНЭЭ будет выдавать: 13,889 кВт-ч • 30 • 365 = 152 083 кВт-ч. То есть MWht = 152,083 МВт-ч.
1 Класс А - кратковременный режим работы СНЭЭ, при котором длительность рабочего цикла (заряд-разряда) составляет не более 1 ч [10].
2 Ценовой арбитраж - запасание электроэнергии во время действия низких тарифов на электроэнергию и последующая выдача во время высоких тарифов.
32
Рснэ, КВТ
и 100
Рис. 1 График выдачи мощности СНЭЭ при набросе мощности нагрузки 1000 кВт в момент
времени г=0
Результаты
При расчете LCOS рассматривалась СНЭЭ для применения в системе электроснабжения автономного промышленного объекта, характеризующегося резкопеременным характером нагрузки. В качестве основного источника электроэнергии на объекте используется газопоршневая электрическая станция. Система накопления электрической энергии предназначена для компенсации сбросов и набросов мощности нагрузки, недопустимых для газопоршневых установок (ГПУ).
В таблицах 1, 2 приведены исходные данные необходимые для расчета LCOS.
Таблица 1
Параметры СНЭЭ_
№ Показатель Единица измерения Значение
1 Суммарные капитальные затраты( Сс^ис1) тыс. руб. 46 600
1.1 Стоимость СНЭЭ (включая стоимость транспортирования до объекта) тыс. руб. 43 800
1.2 Проведение монтажных, пусконаладочных работ и испытаний тыс. руб. 2 800
2 Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, (О&М) тыс. руб./год 726
2.1 Техническое обслуживание и ремонт тыс. руб./год 200
2.2 Стоимость электроэнергии для вспомогательной подсистемы тыс. руб./год 526
3 Количество электроэнергии, которую выдала СНЭЭ за расчетный срок эксплуатации, (МЖИ) МВтч 1 824
3.1 Количество циклов в день ед. 1,28
3.2 КПД СНЭЭ % 94
3.3 Расчетный срок эксплуатации лет 12
Показатель «Количество циклов в день» в таблице 1 показывает эквивалентное количество полных циклов заряда-разряда за сутки и определяется как отношение суммарного объёма обменной электроэнергии за все срабатывания СНЭЭ в течение суток (13,889 кВт-ч х 30 раз) к энергоёмкости СНЭЭ.
Расчетный срок эксплуатации в таблице 1 определен исходя из теоретического срока службы аккумуляторных батарей, работающих в режиме, предусмотренных проектом (кратковременный заряд и разряд большими токами).
Таблица2
Значения основных индексов_
№ Показатель Единица измерения Значение
1 Ставка дисконтирования(г) о.е. 0,08
2 Ежегодный коэффициент коррекции стоимости электроэнергии (е) о.е. 0,06 [11]
3 Ежегодная инфляция (г) о.е. 0,0773
При расчете значения показателя нормированной стоимости накопления энергии использовались базисные цены, представленные в таблицах 1 и 2. Подстановкой исходных значений в предложенную формулу (1) было получено значение параметра LCOS 32,7
3В качестве допущения значение инфляция принимается средним за последние 10 лет, по данным Росстат [12].
руб./кВтч, что ниже целевого показателя в 36 руб./кВтч, определенного [7]. В данном случае можно отметить, что себестоимость отдачи 1 кВт-ч электроэнергии системой накопления энергии составляет порядка 33 рубля.
В зависимости от назначения системы накопления, выбранной технологии, объекта, условий окружающей среды и т.п. параметр LCOS меняется. Очевидно, что в настоящее время внутренняя стоимость продажи 1 кВт-ч электроэнергии, выдаваемой СНЭЭ, в несколько раз выше стоимости 1 кВт-ч электроэнергии на розничном рынке, что говорит о том, что ряд применений систем накопления электрической энергии является экономически нецелесообразными, например, осуществление ценового арбитража [13].
Заключение
В формульном выражении (1) для расчета LCOS по сравнению с [1] выполнено уточнение: учтены инфляция и рост тарифов.
Выполнен расчет LCOS системы накопления электрической энергии, применяемой для компенсации воздействия быстрых изменений мощности нагрузки на ГПУ в автономной энергосистеме.
Нормированная стоимость накопления энергии для рассмотренного случая составила 32,7 руб./кВтч - на 10% ниже прогнозного значения на 2018 год, указанного в [7].
Необходимо отметить ряд недостатков используемого формульного выражения для расчета LCOS:
• не учитываются прочие (помимо накопления и выдачи электроэнергии) выполняемые системой накопления электрической энергии функции и достигаемый за счет них экономический и технический эффект, например: регулирование сетевых параметров, обеспечение бесперебойного питания, снижение резервов мощности и другие эффекты;
• высокая погрешность расчета, связанная, главным образом, с определением количества электроэнергии MWht, так как на этапе проектирования невозможно достоверно оценить количество энергии, которая будет накоплена и отдана СНЭЭ.
При всех обозначенных недостатках показателя, LCOS является удобным инструментом, позволяющим быстро представить оценочную экономическую целесообразность проекта в том числе в сравнении с альтернативными решениями (например, использование дизель-генератора для обеспечения горячего и холодного резерва).
Литература
1. Belderbos, A., Delarue, E., Kessels, K., D'haeseleer, W. Levelised cost of storage. Introducing novel metrics // Energy Economics. 2017. pp. 287-299.
2. Manasseh O., Jensen, S., Ferris, J., Bass, R. Calculation of levelised costs of electricity for various electrical energy storage systems // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. № 67. pp. 908-920.
3. Lotfi H., Majzoobi A., Khodaei A., et al. Cost of Energy Calculation for Energy Storage Systems // 2016 Grid of the Future Symposium. Paris. October 2016.
4. Lai. C., McCulloch, M. Levelized Cost of Energy for PV and Grid Scale Energy Storage Systems // Systems and Controls. 2017. №1. С. 1-1.
5. Electrical energy storage (EES) systems Pt 1: Vocabulary, International standard IEC 62933-1., 2018, p. 37.
6. Lazard's Levelized Cost of Storage Analysis - Version 3.0 // LAZARD. 2017. p. 39.
7. Концепция развития рынка систем хранения электроэнергии в Российской Федерации // Министерство энергетики РФ. 2017. 43 с.
8. Electrical Energy Storage (EES) systems - Part 3-1: Planning and installation - General specifications. DraftInternationalstandardIEC 62933-3-1 (draft). 2018, p. 48.
9. Мельников В.Д., Потапенко А.М. Системы накопления энергии в системах электроснабжения промышленных предприятий // Промышленная эффективность в эпоху умного производства. 2017. № 8. С. 43.
10. Electrical energy storage (EES) systems Pt 2-1: Unit parameters and testing methods - General specification. International standard IEC 62933-2-1. 2017, p. 45.
11. Егоренко С.Н., Кобринская Л.Н. Цены в России 2016. Статистический сборник // Федеральная служба государственной статистики. М. 2016, с. 153.
12. Индекс потребительских цен (ИПЦ) // Росстат [Электронный ресурс] /Доступно по::http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rosstat/ru/rates/ Ссылка активна на : 25 мая .2018.
13. Чаусов И.С., Бурдин И.А., Ряпин И.Ю., и др. Рынок систем накопления электроэнергии в России: потенциал развития. Экспертно-аналитический доклад; под ред. Ю.А. Удальцова, Д.В. Холкина // Центр стратегических разработок. М. 2018. с. 70.
Авторы публикации
Мельников Викентий Дмитриевич - аспирант 2-го года обучения, кафедра Автоматизированных электроэнергетических систем факультета Энергетики (ФЭН), Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), г. Новосибирск.
Нестеренко Глеб Борисович - инженер технической поддержки, Технологическая инжиниринговая компания ООО «Системы накопления энергии», аспирант 1-го года обучения, кафедра Автоматизированных электроэнергетических систем факультета Энергетики (ФЭН), Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), г. Новосибирск.
Лебедев Дмитрий Евгеньевич - инженер технической поддержки, Технологическая инжиниринговая компания ООО «Системы накопления энергии», г. Новосибирск.
Мокроусова Юлия Валерьевна - бакалавр 4-го года обучения, кафедра Автоматизированных электроэнергетических систем факультета Энергетики (ФЭН), Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), г. Новосибирск.
Удовиченко Алексей Вячеславович - к.т.н., доцент кафедры Электроники и электротехники, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), Новосибирск.
References
1. Belderbos A, Delarue E, Kessels K, et al. Levelised cost of storage . Introducing novel metrics. Energy Economics. 2017. pp. 287-299. doi: 10.1016/j/eneco.2017.08.022
2. Manasseh O, Jensen S, Ferris J, et al. Calculation of levelised costs of electricity for various electrical energy storage systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. № 67. pp. 908-920. doi: 10.1016/).рсер.2016.09.043.
3. Lotfi H, Majzoobi A, Khodaei A, et al. Levelised Cost of Energy Calculation for Energy Storage Systems . 2016 Grid of the Future Symposium. Paris: October 2016.
4. Lai. C., McCulloch, M. Levelized Cost of Energy for PV and Grid Scale Energy Storage System. Systems and Controls. 2017;1-10. doi: 10.1016/j.apenergy.2016.12.153.
5. Electrical energy storage (EES) systems. Pt 1: Vocabulary, International standard IEC 62933-1. 2018, p. 37.
6. Lazard's Levelized Cost of Storage Analysis. Version 3.0. LAZARD. 2017. p. 39.
7. The concept of the electricity storage systems market development in the Russian Federation. Ministry of Energy of the Russian Federation. 2017.p. 43.
8. Electrical Energy Storage (EES) systems. Pt 3-1: Planning and installation General specifications. DraftlnternationalstandardlEC 62933-3-1 (draft). 2018. p. 48.
9. Melnikov VD, Potapenko AM. Energy storage systems in industrial enterprises power supply systems. Industrial efficiency in the era of smart production. 2017;8:43.
10. Electrical energy storage (EES) systems. Pt 2-1: Unit parameters and testing methods .General specification. International standard IEC 62933-2-1. 2017. p. 45.
11. Egorenko SN, Kobrinkaya LN. Prices in Russia 2016. Statistical compilation. Federal State Statistics Service. Moscow:2016. p. 153.
12.Consumer price index (CPI) Rosstat [Electronic resource] Available at: URL: http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rosstat/ru/rates. Accessed to:25.05.2018.
13. Chausov IS, Burdin IA, Ryapin IY., et al. Russian Energy Storage Systems Market: development potential. Expert Analytical Report. Moscow: Center for Strategic Research, 2018. p. 70.
Authors of the publication Vikentiy D. Melnikov - Novosibirsk State Technical Universit.
Gleb B. Nesterenko - Novosibirsk State Technical University. Energy storage systems LLC.
Dmitry E. Lebedev - Energy storage systemsLLC.
Juliya V. Mokroussova - Novosibirsk State Technical Universit.
Aleksey V. Udovichenko - Novosibirsk State Technical Universit.
Поступила в редакцию 28 июня 2019г.
