Większość obiektów przemysłowych korzysta ze standardowych instalacji zasilania bazujących na jednym źródle energii. Dostawy prądu są realizowane przez lokalny zakład energetyczny, który często nalicza dodatkowe opłaty za maksymalny pobór mocy – niezależnie od tego, czy przedsiębiorstwo rzeczywiście go osiąga. Jak się przed tym bronić? Rozwiązaniem jest inwestycja w hybrydowy układ zasilania, bazujący na co najmniej dwóch niezależnych źródłach energii. Taka strategia nie tylko przynosi wymierne korzyści ekonomiczne, lecz także ogranicza ryzyko przerw w dostawach prądu.
Mimo coraz większej presji na dywersyfikację dostaw, polski przemysł nadal w większości zasilany jest z jednego źródła – najczęściej z lokalnego zakładu energetycznego. Strategia ta zapewnia im co prawda względne bezpieczeństwo energetyczne, ale ma kilka słabych punktów. Pierwszym z nich są wysokie koszty zasilania, drugim – ryzyko przestojów spowodowanych przerwami w dostawach prądu. Z tego względu do dobrych praktyk należy wyposażanie instalacji krytycznych w układy zasilania gwarantowanego (tzw. UPS-y). To jednak rodzi kolejne koszty. A gdyby tak podejść do problemu inaczej?
Jedno źródło nie wystarczy
W odpowiedzi na rosnące ceny prądu i prognozy znacznych podwyżek w kolejnych latach przedsiębiorstwa przemysłowe wiele uwagi poświęcają znalezieniu sposobu na kontrolowanie i redukcję kosztów zużycia energii. Na ogół jednak ich strategie zmierzają w stronę zwiększania efektywności energetycznej procesów technologicznych i samej produkcji, tak aby ograniczyć ilość energii niezbędną do ich realizacji. Temu podejściu trudno odmówić logiki, zwłaszcza że przynosi także wymierne korzyści dla środowiska naturalnego. Problem jednak w tym, że każda tego typu optymalizacja ma swoje granice: w którymś momencie zakład dochodzi do punktu, w którym dalsze zwiększanie efektywności energetycznej procesów jest niemożliwe. A koszty nadal rosną.
W tej sytuacji rozwiązaniem jest uzupełnienie stosowanych dotąd metod o strategię umożliwiającą pozyskiwanie energii w niższej cenie. A takie możliwości oferuje właśnie hybrydowy system zasilania, tj. układ bazujący na co najmniej dwóch niezależnych źródłach energii elektrycznej.
W definicji tej ważne jest słowo „niezależnych”. Układ zasilany z dwóch podstacji lokalnego zakładu energetycznego nie może być bowiem uznany za hybrydowy, ponieważ w gruncie rzeczy korzysta z tego samego źródła energii, tyle że dostarczanej za pomocą dwóch przyłączy. Hybrydowym można natomiast nazwać system bazujący zarówno na energii sieciowej, jak i np. solarnej, tj. wytwarzanej za pomocą zintegrowanych paneli fotowoltaicznych.
Kompensacja szczytowych obciążeń sieci
O ile instalacja fotowoltaiczna umożliwia ograniczenie kosztów energii dzięki wytwarzaniu jej częściowo we własnym zakresie, o tyle w połączeniu z dodatkowym magazynem energii (najczęściej akumulatorem) może stanowić dla przedsiębiorstwa istotne źródło dodatkowego zasilania w okresach maksymalnego obciążenia sieci. A to z kolei pozwala mu częściowo uniezależnić się od dostaw energii z zakładu energetycznego i obniżyć cenę stosowanej taryfy.
Przyjrzyjmy się bliżej temu zagadnieniu: oczywiste jest, że układ zasilania w fabryce musi być zaprojektowany tak, aby zapewniał odpowiednią ilość energii elektrycznej także przy maksymalnym obciążeniu. Jednak w praktyce maksymalne zapotrzebowanie na energię w większości zakładów produkcyjnych występuje jedynie okresowo, zwykle przez kilka godzin w tygodniu. A to oznacza, że transformatory zasilające fabrykę przez większość czasu pracują pod obciążeniem znacznie mniejszym od maksymalnego. Są to bowiem rozwiązania dużej mocy, mające za zadanie poradzić sobie nawet ze szczytowym obciążeniem sieci. Ich wydajność zakład przypłaca jednak ceną znacznie wyższą niż w przypadku układów o niższej mocy.
Więcej płaci także za samą energię elektryczną: wiele firm przemysłowych korzysta bowiem z taryfy określającej „maksymalny pobór mocy”. Oznacza to, że zakład energetyczny obciąża odbiorcę nie tylko za faktycznie zużytą energię, ale także za potencjalne maksymalne obciążenie sieci, nawet jeśli jest ono rzadko osiągane w praktyce. Opłata ta jest o tyle uzasadniona, że dostawca energii musi zabezpieczyć odpowiednie moce, aby móc dostarczyć energię nawet przy obciążeniu szczytowym, niezależnie od częstotliwości jego występowania.
Inwestycja we własny magazyn energii w formie akumulatorów pozwala zaoszczędzić na obu wydatkach: po pierwsze – umożliwia zastąpienie większych transformatorów mniejszymi, a po drugie – pozwala na ograniczenie maksymalnej mocy pobieranej z sieci, a tym samym na zmniejszenie opłat z tego tytułu. Zarówno transformatory, jak i taryfa są bowiem dobierane do średniej mocy pobieranej przez odbiorniki. Zaś w sytuacji szczytowego zapotrzebowania na energię jest ona dostarczana z akumulatorów.
Co więcej, akumulatory można wykorzystać także do magazynowania energii pobieranej z sieci w godzinach, w których jej cena jest niższa, i zasilania nią odbiorników w zakładzie wówczas, gdy cena energii jest wyższa. Generowany w ten sposób potencjał oszczędności zależy w gruncie rzeczy głównie od pojemności samego magazynu energii.
Poprawa wartości współczynnika mocy
Hybrydowe układy zasilania z opcją magazynowania energii mogą także znacznie poprawić bezpieczeństwo energetyczne zakładu, i to co najmniej na kilka sposobów. Pierwszym jest funkcja kompensacji mocy biernej w zależności od zapotrzebowania odbiorników. Akumulator pełni wówczas rolę baterii kondensatorowej, która w razie potrzeby zasila odbiorniki indukcyjne w moc bierną, nie generując jednocześnie strat mocy w liniach przesyłowych. Zapewnia to ich prawidłową pracę przy zachowaniu wysokiego współczynnika mocy całego zakładu: moc bierna, czyli energia oscylująca między poszczególnymi elementami obwodu, jest bowiem niezbędna do funkcjonowania indukcyjnych odbiorników elektrycznych, mimo że sama w sobie nie jest zamieniana na pracę czy ciepło.
Akumulator sprawdzi się także jako magazyn energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych (np. paneli fotowoltaicznych, generatorów wiatrowych) w okresach ich wzmożonej pracy, a także dodatkowe źródło zasilania w momentach gorszych warunków pogodowych. Dzięki temu zakład może utrzymać moc generowaną przez OZE na stałym poziomie, a tym samym w większym stopniu korzystać z energii odnawialnej jako drugiego źródła zasilania bez obaw o przerwanie ciągłości dostaw energii.
Co więcej, akumulator można wykorzystać także jako zasilacz UPS, zapewniający dostawy energii w przypadku awarii sieci energetycznej. Niekiedy układ hybrydowy może nawet całkowicie wyeliminować konieczność korzystania z UPS-ów, zastępując je w funkcji zasilaczy awaryjnych dla odbiorników krytycznych lub instalacji wrażliwych na parametry napięcia zasilającego.
Od produkcji do sprzedaży energii
Hybrydowe układy zasilania często dostarczają więcej energii, niż wynosi aktualne zapotrzebowanie zakładu. W tej sytuacji nadmiarową energię z baterii, paneli fotowoltaicznych czy innych własnych źródeł można zwrócić do sieci. Zakład energetyczny zobowiązany jest do zapłaty przedsiębiorstwu za odebraną energię. Jest to kolejny skuteczny sposób obniżenia jej kosztów.
Dobór magazynu energii
Hybrydowy układ zasilania składa się z trzech podstawowych elementów: dodatkowego źródła energii, akumulatorowego systemu magazynowania oraz falowników umożliwiających przekształcenie prądu stałego z akumulatora i/lub OZE w prąd zmienny do zasilania przemysłowej sieci energetycznej.
Przyjrzyjmy się najpierw kwestii doboru akumulatora: popularyzacja systemów magazynowania energii w ostatnich latach sprawiła, że dziś są one powszechnie dostępne zarówno w wersji dla potrzeb obiektów mieszkalnych, jak i przemysłowych. Te ostatnie, pracujące najczęściej w technologii litowo-jonowej, umożliwiają precyzyjny dobór pojemności do potrzeb danego zakładu. Przykładowo, seria modułów do magazynowania energii ESM firmy ABB obejmuje wiele produktów z możliwością niemal dowolnego zestawiania w zespoły o zadanej pojemności. Wyposażone w baterie litowo-jonowe, zapewniają stały poziom zasilania sieci przy korzystaniu z energii odnawialnej, a także ograniczają zapotrzebowanie na moc szczytową z sieci energetycznej.
Mimo że technologia litowo-jonowa zdecydowanie zdominowała segment magazynowania energii, na rynku nie brak także alternatywnych konstrukcji, takich jak modułowe akumulatory GREENROCK w technologii jonowo-sodowej (słonej wody), przeznaczone do gromadzenia energii fotowoltaicznej, także w sieciach przemysłowych. Dystrybuowane przez firmę Eco-Prius systemy zawierają wodny elektrolit, składający się z siarczanu sodu i wody. Technologia ich wytwarzania została opracowana jeszcze w latach 70. i 80. XX w., a więc mniej więcej w tym samym czasie co akumulatory litowo-jonowe. Ponieważ jednak ustępuje im gęstością energii (co przekłada się na większe rozmiary akumulatora) oraz czasem ładowania i rozładowywania, do dziś pozostała mało rozpoznawalna. A szkoda, bo jest przyjazna dla środowiska (wszystkie materiały są nietoksyczne), bezpieczna w użytkowaniu (nie może się zapalić ani eksplodować), a dodatkowo nie wymaga zabiegów konserwacyjnych.
Na jeszcze inny ciekawy pomysł związany z magazynowaniem energii wpadła firma Aggreko: od ubiegłego roku producent oferuje usługę wynajmu mobilnego, modułowego magazynu energii Y.Cube o mocy 1 MW. Moduł umieszczony jest w kontenerze o długości 6 m i składa się z systemu akumulatorów litowo-jonowych, falowników, układu HVAC oraz zabezpieczeń przeciwpożarowych. Całość jest obsługiwana przez nowoczesne oprogramowanie i dostępna w ramach umowy „przechowywanie energii jako usługa”.
Przetwornica: konwencjonalna czy specjalna?
Poza akumulatorem niezbędnym elementem hybrydowych układów zasilania są falowniki (przetwornice), które umożliwiają przetwarzanie prądu stałego wytwarzanego przez akumulator i niektóre instalacje energii odnawialnej w prąd zmienny, na którym bazuje większość sieci przemysłowych. Urządzenia te w przemyśle są też powszechnie wykorzystywane do regulacji prędkości obrotowej silników elektrycznych przez zmianę częstotliwości impulsów elektrycznych. Przetwarzają wówczas napięcie zmienne z sieci w napięcie stałe, a następnie ponownie w napięcie zmienne o regulowanej częstotliwości. Owa regulacja częstotliwości przydaje się także w przypadku zasilania energią odnawialną z OZE lub akumulatora, gdyż umożliwia dokładną synchronizację częstotliwości napięcia z częstotliwością pracy sieci elektroenergetycznej. Najważniejszą cechą inwerterów wykorzystywanych w hybrydowych układach zasilania jest dwukierunkowość: mogą one zarówno pobierać energię z akumulatora czy OZE, jak i z sieci – w celu doładowania baterii.
Mimo że pełnią inną funkcję niż w przypadku regulacji prędkości obrotowej silników, falowniki stosowane w hybrydowych systemach zasilania cechują się często niemal identyczną konstrukcją. Różnią się od silników natomiast oprogramowaniem, dostosowanym do pełnionej funkcji.
Przykładem mogą być przetwornice z serii VACON NXP firmy Danfoss, opracowane specjalnie z myślą o hybrydowych układach zasilania. Urządzenia mogą być podłączane do akumulatorów i superkondensatorów, a także do ogniw paliwowych i paneli słonecznych. Ich zaletą jest szeroki zakres napięć wejściowych, umożliwiający dostosowanie napięcia źródła do wspólnego systemu magistrali prądu przemiennego. Układ może być chłodzony powietrzem lub cieczą, a jego modułowa budowa umożliwia tworzenie rozbudowanych zestawów urządzeń, a tym samym redukcję zajmowanej przestrzeni. Modele przystosowane do pracy w trudnych warunkach zostały dodatkowo wyposażone w wytrzymałą obudowę o stopniu ochrony IP54.
Podobne rozwiązania, zwane potocznie falownikami hybrydowymi, mają w swojej ofercie także inni producenci, w tym ABB czy Fronius. Ten ostatni do zastosowań przemysłowych oferuje zestawy Power Package, składające się z trzech komponentów: falowników, urządzenia sterującego Fronius AC Combiner oraz konfekcjonowanych kabli. Rozwiązanie zostało stworzone specjalnie z myślą o obsłudze instalacji fotowoltaicznych oraz magazynowaniu pobieranej z nich energii.
Podsumowanie
Należy mieć świadomość, że fakt, iż większość komponentów stosowanych w hybrydowych układach zasilania zalicza się do standardowych produktów dostępnych na rynku, nie oznacza, że budowa efektywnego systemu hybrydowego jest prosta. Aby odpowiednio dobrać i zainstalować układ zasilania, wymagane jest posiadanie sporej wiedzy. Dlatego najlepiej skorzystać z doświadczenia zewnętrznego dostawcy technologii, który doradzi, zaprojektuje i uruchomi sieć. Hybrydowe układy zasilania radykalnie różnią się bowiem od tradycyjnych. Mogą ograniczyć koszty funkcjonowania zakładu i zmniejszyć jego wpływ na środowisko – pod warunkiem jednak, że zostały odpowiednio zaprojektowane i wdrożone.
Steve Moore jest kierownikiem sprzedaży rozwiązań w firmie Danfoss Drives. Agata Świderska jest autorką tekstów i tłumaczką języka niemieckiego, specjalizującą się w szeroko pojętej tematyce przemysłowej. Na rynku prasy specjalistycznej aktywnie działa od 2015 r.
