Перевод текста научной статьи. Установка фотоэлектрических систем в жилых домах резко возросла в последнее десятилетие благодаря национальным политикам, таким как льготный тариф и чистый учет
 Скачать 23.92 Kb.
|
|
Аннотация Установка фотоэлектрических систем в жилых домах резко возросла в последнее десятилетие благодаря национальным политикам, таким как льготный тариф и чистый учет. Некоторые пользователи теперь нуждаются в увеличении доли самопотребления, чтобы оптимизировать прибыль от своих систем. В последние годы на рынок выходят системы хранения энергии, претендующие на интересную модернизацию существующих фотоэлектрических систем. В более широкой перспективе системы хранения энергии окажут значительное влияние на все процессы производства и преобразования энергии. Цель данной работы - представить анализ энергетических и экономических показателей системы хранения электроэнергии в сравнении со схемой нетто-метрии, которая является эффективной экономической поддержкой для жилых фотоэлектрических систем в разных странах. Данная исследовательская работа основана на итальянском рынке в качестве примера, чтобы провести детальный анализ схемы нетто-метрии. При расчете учитываются многочисленные параметры, включая местоположение, размер фотоэлектрической системы, размер накопителя и диапазон стоимости установки. Результаты подчеркивают основные проблемы, связанные с этой технологией, как с энергетической, так и с экономической точки зрения. В то время как экономическая устойчивость в настоящее время далека от достижения, потери электроэнергии, генерируемые в системе хранения, также представляются существенным недостатком. Введение В последние годы во всем мире наблюдается значительный переход к использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для производства электроэнергии. Выбор в пользу развития ВИЭ связан с множеством аспектов, таких как снижение выбросов парниковых газов (ПГ), уменьшение зависимости от ископаемого топлива, как в плане безопасности поставок, так и в плане истощения ресурсов, меньшее воздействие на вредные выбросы и т.д. В многочисленных работах анализируется роль производства электроэнергии из ВИЭ в развитии устойчивых городов и энергетических систем и сетей, с различными особенностями, связанными с доступными местными ресурсами (Lund et al., 2017, Sun et al., 2017, Vergragt et al., 2016). Различные аспекты были успешно оценены, но для полного развертывания таких технологий еще предстоит решить множество проблем. В частности, фотоэлектрическая (ФЭ) технология резко увеличила свое проникновение, наряду с экспоненциальным снижением стоимости установки (Barbose and Darghouth, 2016), в основном благодаря государственным стимулам для поддержки ВИЭ в производстве электроэнергии. Фотоэлектрические технологии используются как для крупномасштабных электростанций мощностью в сотни МВт, так и для распределенной генерации электроэнергии жилых потребителей, которые стремятся ограничить отбор электроэнергии из энергосистемы. В частности, рост малых систем распределенной генерации потребовал от электросетей повышения эксплуатационной гибкости, открыв путь для концепции интеллектуальных сетей. Важнейшим аспектом, с которым приходится сталкиваться любой фотоэлектрической системе, является управление избыточной энергией, которая не может быть потреблена на месте при ее производстве. Если первые автономные системы были оснащены аккумуляторами, то сейчас большинство фотоэлектрических станций, установленных по всему миру, поставляют в энергосистему избыточную энергию. По этой причине были разработаны схемы нетто-учета для поддержки малых потребителей в их взаимодействии с энергосистемой (Yamamoto, 2012). Однако в последнее время схема нетто-учета подвергается критике на том основании, что она обеспечивает субсидирование солнечных установок, оплачиваемых другими потребителями (Comello and Reichelstein, 2017). Последние статистические данные (ren21, 2017) показывают, что чистый учет, как и льготный тариф, представляет собой основной национальный стимул, принятый во всем мире, для продвижения фотоэлектрических технологий. Нетто-измерение, как поддержка фотоэлектрической генерации, в настоящее время применяется в Европе (Италия, Дания, Нидерланды.), США (принято в 41 штате), Южной Америке и других странах мира. Более того, некоторые страны переходят от стимулирующих тарифов льготный тариф к схеме чистого тарифа (например, Австралия). Некоторые из этих стран, благодаря развитию фотоэлектрических электростанций, в настоящее время достигли немаргинальной доли производства электроэнергии с помощью солнечных фотоэлектрических установок. В настоящее время Италия и Германия занимают лидирующие позиции с 8,4% и 6,4% соответственно, но и другие страны, такие как Греция, Испания, Бельгия и Австралия, превышают квоту в 2% (расчеты авторов на основе данных IEA, 2016). Такое высокое проникновение фотоэлектричества приводит к необходимости иметь дело с непрограммируемым источником энергии, как и в случае с другими ВИЭ (например, ветром, гидроэнергией). Влияние суточных и сезонных колебаний должно быть тщательно учтено, чтобы гарантировать стабильность энергосистемы. Уже используются или предлагаются различные решения, такие как резервные электростанции (обычно работающие на ископаемом топливе), хранение электроэнергии, объединение секторов и реагирование на спрос (Kia et al., 2017, Ren and Ren, 2018, Schweiger et al., 2017). Такие технологии требуют интегрированных решений в различных масштабах, поскольку интеллектуальные сети должны обеспечивать эксплуатационную гибкость как на высоковольтном, средневольтном, так и на низковольтном уровнях. В связи с большим количеством распределенных фотоэлектрических систем, в последние несколько лет на рынок выходят системы хранения электроэнергии для бытовых потребителей как решение, помогающее пользователям увеличить самопотребление (Camilo et al., 2017) и интегрировать производство фотоэлектрической энергии в рынок электроэнергии (Núñez-Reyes et al., 2017). Преимущества систем хранения электроэнергии в качестве поддержки фотоэлектрической генерации были изучены в литературе, но до сих пор существуют разногласия по поводу их эффективности. Многие исследования показывают, что распределенное хранение энергии может стать жизнеспособным вариантом для увеличения самопотребления (Castillo-Cagigal et al., 2011, Mulder et al., 2010), улучшения местного баланса спроса и предложения (Candelise and Westacott, 2017) и смягчения влияния напряжения от фотоэлектрической генерации (Babacan et al., 2017, Bullich-Massagué et al., 2017). Другие исследования подчеркивают, что хранение электроэнергии может быть не лучшим решением для смягчения высокой изменчивости производства энергии из ВИЭ: более современные подходы, включая преобразование энергии в газ, энергию в тепло и энергию в транспортные средства, могут гарантировать лучшие результаты (Lund et al., 2017, Nastasi and Lo Basso, 2017). Если рассматривать экономические аспекты, то растущая технологическая зрелость и экономия от масштаба позволяют в некоторых случаях системам хранения энергии снизить выровненную стоимость энергии для жилых фотоэлектрических установок (Lai and McCulloch, 2017). Однако другие исследования показывают, что использование накопителей электроэнергии может снизить выгоду от фотоэлектрических систем с точки зрения снижения выбросов CO2 (Grantham et al., 2017, Jones et al., 2017). Также были разработаны глобальные анализы (Cucchiella et al., 2016), оценивающие для тысяч сценариев точку безубыточности при увеличении самопотребления для обеспечения жизнеспособности рынка. Однако многие исследования ограничиваются общим сравнением варианта хранения электроэнергии со средними ценами на электроэнергию для конечных пользователей, без учета альтернативы чистого учета и без проведения моделирования с узким временным шагом. Учитывая изменчивость производства фотоэлектрической энергии, спроса пользователей и, в некоторых случаях, цен на электроэнергию, для повышения точности результатов и получения полезных выводов из такого сравнения необходимо моделирование с часовым временным шагом. В данной работе представлен анализ экономических и энергетических аспектов, связанных с установкой накопителей электроэнергии в существующих фотоэлектрических системах жилых домов. Оценка была проведена с учетом итальянского контекста, рынка, где фотоэлектрические технологии в настоящее время генерируют около 8% от общего объема производства электроэнергии в стране. Выбор одного конкретного примера был сделан для того, чтобы обеспечить более детальные расчеты путем глубокого рассмотрения реальных экономических и технических условий и предоставить точные результаты, которые были использованы в качестве основы для более широкого обсуждения. Рентабельность хранения электроэнергии оценивается в сравнении с существующей схемой нетто-метрии, чтобы подчеркнуть потенциальные преимущества для пользователей. То же сравнение было рассмотрено с энергетической точки зрения, чтобы оценить последствия широкого развития этой технологии на уровне пользователей. Наконец, было предложено обсуждение, основанное на сравнении полученных результатов с другими международными анализами, чтобы обеспечить полезные выводы для будущих политических разработок или мероприятий по энергетическому планированию. В данной работе основное внимание уделяется аккумуляторным системам, связанным с фотоэлектрическими станциями на бытовом уровне, с целью максимизации самопотребления [14-16]. Такая стратегия работы естественным образом сглаживает взаимодействие бытовой фотоэлектрической системы с сетью, и, в связи с характером производства фотоэлектрической энергии (дневной пик) и бытовой нагрузки (вечерний пик), она также приводит к косвенному общему эффекту смещения нагрузки. Что касается фотоэлектрической генерации, то поиск помощи и синергии от хранения энергии является популярной темой в академическом и коммерческом мире. Влияние накопителей на пропускную способность жилых фотоэлектрических проектов оценивалось во многих исследованиях [17] с неоднозначными результатами, хотя все они сходятся в определении некоторых условий, которые сделают общие инвестиции привлекательными. Германия и Италия, из-за высоких цен на электроэнергию в период снижения стоимости фотоэлектрических модулей, стали одними из первых стран, достигших сетевого паритета. Установка систем фотоэлектрических батарей в частных домах направлена на увеличение самопотребления фотоэлектрической энергии и, таким образом, на самообеспечение владельца дома. Теперь, когда стимулы для производства фотоэлектрической энергии постепенно отменяются, а количество энергии, которое можно подавать в сеть, ограничивается, ожидается, что через несколько лет системы фотоэлектрических батарей станут выгодными даже без стимулов из-за снижения инвестиционных затрат [18]. Итальянское исследование пришло к выводу, что накопители энергии, связанные с фотоэлектрической системой, полезны только тогда, когда соотношение между спросом и предложением позволяет им вызывать значительное увеличение самопотребления энергии [19]. В другом исследовании, посвященном итальянскому сектору электроэнергетики, делается вывод о том, что системы фотоэлектрических систем с аккумуляторами являются экономически неустойчивыми по сравнению с системами, использующими только фотоэлектрические батареи, при использовании схемы нетто-учета. Даже без этой схемы стимулирования PV, цена установки накопителей энергии должна значительно снизиться, чтобы сделать добавление накопителей удобным [20]. Аналогичным образом, португальское исследование пришло к выводу, что самопотребление уже является привлекательным, но хранение энергии не является выгодным решением, поскольку инвестиции в батареи все еще слишком высоки, несмотря на снижение стоимости, наблюдаемое в последние годы [21]. Исследование, проведенное в Германии, показало, что уже в 2013 году небольшие системы хранения фотоэлектрических батарей были экономически жизнеспособны без премиальной оплаты за фотоэлектрическую генерацию или стимулов для самопотребления, в то время как повышение розничных цен на электроэнергию и снижение оптовых цен на электроэнергию повысили рентабельность таких систем, увеличив также емкость батарей и размеры фотоэлектрических батарей оптимальной конфигурации [22]. В Великобритании система фотоэлектрических батарей-аккумуляторов в коммерческом секторе была оценена как с экономической, так и с экологической точки зрения, и был сделан вывод, что к 2020 году фотоэлектрическая энергия будет экономически привлекательной сама по себе даже без стимулов. Добавление аккумулятора улучшит общие экономические показатели только в случае достаточного снижения затрат [23]. Одно из последних британских исследований посвященное перспективности бытовых фотоэлектрических систем с батареями, критикует все предыдущие исследования за пренебрежение надлежащим эффектом деградации батарей и приходит к выводу, что, помимо того, что система не перспективна в текущих условиях, добавление учета деградации батарей значительно ухудшает результаты [24]. Все эти исследования имеют разные конечные результаты, но они явно сходятся в определении основных факторов, влияющих на перспективность системы хранения фотоэлектрических батарей, причем стоимость батарей является основной, за ней следуют тарифы на электроэнергию и стимулы. Несоответствие между нагрузкой и фотоэлектрической генерацией также считается основной причиной, по которой накопители могут оказать положительное влияние на такие системы фотоэлектрических батарей, целью которых является увеличение самопотребления. Исследуя технико-экономические показатели системы хранения фотоэлектрических батарей в условиях китайской электроэнергетики, данная работа призвана внести дополнительный вклад в спорную тему экономической эффективности системы хранения фотоэлектрических батарей в жилом секторе. В данной работе рассматривается применение аккумуляторной системы хранения энергии (BESS) в сочетании с фотоэлектрической генерацией для бытового потребителя электроэнергии, подключенного к низковольтной распределительной сети в Шанхае, Китай. 2. Результаты экспериментов и моделирования и экономический анализ. 2.1. Экспериментальные результаты в типичные летние будни. Поведение системы фотоэлектрических батарей (см. раздел "Методы") отслеживалось при различных погодных условиях и нагрузке в течение всего лета 2018 года. Все данные были собраны экспериментально инвертором, обработаны и проанализированы с целью получения представления о работе системы. Данные о мощности записывались с интервалом в одну минуту. Потребность в электроэнергии представляет собой потенциальное бытовое потребление пары или небольшой семьи. Предполагается, что члены этой семьи работают вне дома в будние дни в рабочие часы, а вечером и в выходные остаются дома. Два студента выступали в роли жильцов и каждый вечер около 18.00 переходили в квартиру, чтобы пользоваться электроприборами, как если бы там жили люди. Кондиционер и свет включали по мере необходимости, готовили еду для себя и гостей, подключали ноутбуки, заряжали телефоны, включали телевизор, а также иногда пользовались другими электроприборами. Ночью кондиционер оставался включенным или выключенным в зависимости от реальной потребности в нем. Результаты, показанные ниже, отражают поведение системы в течение 5 последовательных будних дней, скажем, с понедельника по пятницу, в летний сезон. Данные инвертора были записаны с 5 по 9 июня 2018 года при температуре от 20°C до 30°C и довольно переменчивой погоде с некоторыми дождливыми днями, ограничивающими выход фотоэлектрической энергии. Зарегистрированные погодные данные за выбранный период показаны на рисунке 1(a). Все основные потоки энергии показаны на рисунке 1(b). Пока фотоэлектрические батареи производили избыточную энергию, аккумулятор заряжался (отрицательные значения); затем, когда появилась нагрузка, аккумулятор разрядился (положительные значения). Импорт из сети представлен отрицательными значениями, и он происходил только тогда, когда ни производство фотоэлектрической энергии, ни разрядка батареи не могли удовлетворить местный спрос. Прежде чем показать фактическое поведение нашей системы с точки зрения работы батарей и притока энергии в сеть и из сети, интересно отметить, что в отсутствие накопителей энергии сеть испытывала бы приток энергии, определяемый комбинацией спроса и производства фотоэлектрических батарей. На рисунке 2(a) показано, как чередование дневных пиков производства фотоэлектрической энергии (-2 кВт) и вечерних пиков потребления (до 5 кВт) потенциально может создать нагрузку на сеть с колебанием мощности на 7 кВт за 6 часов между полуднем и 6 часами вечера. Добавление накопителей изменяет ситуацию, как и ожидалось, снижая пики как в режиме производства, так и в режиме потребления, как показано на рисунке 2(b). Количество энергии, покупаемой из сети в пиковое время с 18:00 до 22:00, также уменьшается. Это отличный пример того, как стратегия системы фотоэлектрических батарей, направленная на максимизацию самопотребления, имеет ценный побочный эффект - экономию пиковой мощности. Работа батареи показана на рисунке 3. Мощность батареи была ограничена до 2,5 кВт как в режиме зарядки, так и в режиме разрядки, чтобы ограничить старение батареи. Глубина разряда (DOD) также была ограничена 60%; следовательно, SOC (состояние заряда) колебалось между 40% и 100%. На графике SOC можно заметить, что батарея никогда не была заряжена выше 72% SOC. Это объясняется относительно большим размером батареи (14,4 кВт*ч) по сравнению с мощностью фотоэлектрической генерации (номинально 3 кВт, на практике около 2 кВт). Система не была разработана для конкретного применения, описанного в данной работе, поэтому она далека от оптимального дизайна. Тема оптимального выбора размера этой системы фотоэлектрических батарей-аккумуляторов представлена в Методах. Учитывая, что начальный и конечный SOC для выбранного периода составляют 63% и 40%, что соответствует 5,52 кВт*ч (обозначается как ΔSOC) дополнительной доступной энергии разряда, время производства. Это лишь примерные значения, полученные при работе в течение 5 летних дней, что благоприятствует хранению энергии из-за более высокого производства фотоэлектрической энергии в сочетании с вечерней нагрузкой. 2.2. Результаты моделирования системы фотоэлектрических батарей по сравнению с эталоном, использующим только фотоэлектрические батареи. В этом разделе проводится ежегодное моделирование (см. раздел "Методы") для оценки энергетических характеристик системы в зависимости от общей нагрузки и погодных условий, с использованием погодных данных типичного метеорологического года типа TMY2. Модель настроена таким образом, чтобы представлять реальную систему, установленную в лаборатории зеленой энергетики Шанхайского университета Цзяо Тун (GEL), в соответствии с результатами проверочного моделирования: 3 кВт-ч фотоэлектрической генерации и 14,4 кВт*ч полезной емкости батареи. Спрос состоит из термически смоделированной части HVAC (см. раздел "Методы"), в то время как остальная часть электрической нагрузки вменена как ежедневная рутина, предполагающая фиксированный график для некоторых наиболее часто используемых электрических нагрузок (см. таблицу 1). Предполагается, что жильцы квартиры, пара или небольшая семья, не находятся дома в рабочие часы в будние дни (с 8.00 до 18.00), в то время как в остальное время, то есть вечером в будние дни до следующего утра и в выходные дни, они находятся дома. Это позволит изменить время работы системы кондиционирования воздуха и другой электрической нагрузки, при этом система ОВКВ будет включаться каждый вечер в 18:00 в будние дни до 8:00 следующего дня, а в выходные дни она остается включенной все время. Заданное значение температуры в помещении составляет 20°C в режиме отопления и 25°C в режиме охлаждения. Для количественной оценки работы системы в обеих конфигурациях с накопителем энергии и без него, все годовые энергопотоки представлены в Таблице 2 (фактические жилые помещения). Включены некоторые показатели эффективности. Уровень самопотребления (SCR) представляет собой количество местной возобновляемой энергии, которая потребляется на месте и не продается в сеть. Коэффициент самопотребления (SSR) представляет собой количество энергии нагрузки, которое удовлетворяется за счет местной возобновляемой энергии. Современность производства и потребления играет большую роль в системах без накопителей энергии. Небольшие фотоэлектрические станции по сравнению с местным спросом, скорее всего, будут иметь более высокие показатели самопотребления, так как большая доля их производства может быть потреблена на месте. Накопители обеспечивают возможность "артистически" увеличить самопотребление за счет хранения избыточной энергии и ее использования в следующих случаях в более позднее время. Самопотребление это совсем другое понятие, чем независимость от сети. Здесь она понимается как превышение самопотребляемой энергии над общим спросом. Коэффициент самовоспроизводства больше относится к балансу чистой энергии. Это просто соотношение между энергией, произведенной на месте фотоэлектрической установкой, и общим спросом, без учета самопотребления. Добавление аккумуляторных батарей к фотоэлектрической системе увеличивает как самопотребление, так и самовоспроизводство, хотя в целом последнее в большей степени зависит от местного спроса системы. Сравнивая энергетическое поведение систем с фотоэлектрической батареей и только с фотоэлектрической батареей, можно сделать вывод, что наличие батареи снижает пиковую мощность в сеть и из сети. Для системы с реальными размерами (жилой дом SH), энергия, продаваемая в сеть, практически исключается, а количество покупаемой электроэнергии снижается на 60%. Кроме того, при доле 3,5 кВт и аккумуляторном блоке полезная емкость составит 4,75 кВт*ч, что соответствует примерно 8 кВт*ч общей емкости с учетом максимального 60% DOD при ее использовании. Проведено моделирование системы за полный год с использованием модели с различными размерами фотоэлектрических элементов и батарей. Энергетические и экономические результаты показаны в Таблице 2 (оптимальный жилой дом) для обоих случаев PV-батарей и только фотоэлектричества, для систем с фактическими и оптимальными размерами. |