Peak shaving czyli jak operatorzy stacji ładowania ograniczają koszty mocy zamówionej?
Najdroższa energia na stacji ładowania nie zawsze jest tą, którą samochód pobiera najdłużej. Czasem o ekonomice całego miesiąca decyduje kilka wyjątkowo intensywnych minut.
Wyobraźmy sobie stację szybkiego ładowania przy ruchliwej trasie. Przez większą część dnia urządzenia pracują spokojnie. Pojedyncze samochody podjeżdżają, ładują akumulatory i odjeżdżają. Potem przychodzi popołudniowy szczyt. Zjeżdża kilka aut, kierowcy podłączają przewody niemal jednocześnie, a pobór mocy gwałtownie rośnie.
Dla użytkownika to dobry moment. Stacja jest dostępna, ładowanie przebiega sprawnie, a podróż można kontynuować bez zbędnego postoju. Dla operatora taki moment oznacza jednak coś więcej niż sprzedaż kolejnych kilowatogodzin. To również sprawdzian tego, jak zaprojektowano zasilanie obiektu, jak skonstruowano umowę energetyczną i czy każda kilowatogodzina sprzedana klientowi rzeczywiście pomaga budować rentowność biznesu.
Właśnie w tym miejscu pojawia się peak shaving, czyli ograniczanie szczytowego poboru mocy. Technika znana od lat w zarządzaniu energią staje się coraz istotniejsza także dla operatorów infrastruktury ładowania samochodów elektrycznych.
Kilka minut, które zmieniają rachunek
W elektromobilności łatwo skupić się na cenie jednej kilowatogodziny. To zrozumiałe, bo właśnie tę wartość widzi kierowca w cenniku stacji. Operator musi jednak patrzeć na energię szerzej. Znaczenie mają nie tylko liczba sprzedanych kilowatogodzin i koszt ich zakupu, lecz także opłaty dystrybucyjne, warunki przyłączenia, moc dostępna w obiekcie i sposób rozliczania poboru energii.
W zależności od kraju, grupy taryfowej i zawartej umowy część kosztów może być powiązana z mocą umowną, innymi parametrami dystrybucyjnymi albo przekroczeniem określonych limitów. Nie wszędzie obowiązuje identyczny mechanizm rozliczeń, dlatego nie można przenosić jednego modelu taryfowego na wszystkie stacje.
Istota problemu pozostaje jednak podobna: instalacja musi być przygotowana na określone obciążenie, nawet jeśli przez większość czasu nie wykorzystuje pełni swoich możliwości.
Stacja o dużej mocy może przez wiele godzin sprzedawać energię w umiarkowanym tempie, a następnie w krótkim okresie obsłużyć kilka intensywnych sesji. Jeżeli akurat wtedy zapotrzebowanie osiągnie bardzo wysoki poziom, pojawia się pytanie, czy warto projektować i utrzymywać cały układ zasilania tak, aby bez ograniczeń obsługiwał każdy możliwy szczyt.
Peak shaving jest próbą znalezienia rozsądnej odpowiedzi na to pytanie.
Czym właściwie jest peak shaving?
Najprościej mówiąc, peak shaving polega na zmniejszaniu najwyższych wartości poboru mocy z sieci. Zamiast pozwalać, aby wszystkie urządzenia jednocześnie pobierały tyle energii, ile mogą, operator steruje ich pracą tak, by nie przekraczać założonego poziomu obciążenia.
Nie chodzi o to, aby przez cały dzień ładować samochody wolniej. Celem jest ograniczenie krótkotrwałych szczytów, które mogą być kosztowne albo stanowić problem dla dostępnej infrastruktury.
Wyobraźmy sobie hub wyposażony w kilka szybkich ładowarek. Ich łączna moc znamionowa wynosi więcej niż moc, którą obiekt może w danej chwili pobierać z sieci. Bez odpowiedniego sterowania jednoczesne uruchomienie wszystkich punktów z wysoką mocą mogłoby doprowadzić do przekroczenia przyjętego limitu.
System zarządzania energią monitoruje wtedy obciążenie i odpowiednio przydziela moc pomiędzy samochody. Jeden pojazd może chwilowo ładować się z pełną dostępną mocą, podczas gdy inny otrzyma jej mniej. Kiedy część sesji dobiegnie końca albo zapotrzebowanie któregoś samochodu spadnie, uwolniona moc może trafić do pozostałych punktów.
W bardziej rozbudowanych instalacjach, podobną funkcję może wspierać magazyn energii. Gdy zapotrzebowanie na ładowanie gwałtownie rośnie, magazyn dostarcza część potrzebnej mocy, dzięki czemu pobór z sieci pozostaje na niższym poziomie.
To dwa różne mechanizmy, które mogą się uzupełniać. Samo sterowanie ładowarkami rozdziela dostępny zasób. Magazyn pozwala dodatkowo wykorzystać energię zgromadzoną wcześniej.
W obu przypadkach chodzi o lepsze dopasowanie pracy stacji do ograniczeń technicznych i ekonomicznych, a nie o wytwarzanie dodatkowej energii.
Moc zamówiona nie jest tym samym co rzeczywisty pobór
W rozmowach o peak shaving często pojawiają się pojęcia, które brzmią podobnie, ale oznaczają różne rzeczy.
Moc znamionowa ładowarki informuje o jej parametrach technicznych. Moc przyłączeniowa określa warunki przyłączenia obiektu, zgodnie z właściwymi dokumentami. Moc umowna wynika z odpowiednich uzgodnień i umowy z dostawcą lub operatorem sieci, zależnie od tego, którego dokumentu i elementu rozliczenia dotyczy analiza. Rzeczywisty pobór mocy pokazuje natomiast, ile instalacja pobiera w danej chwili.
Te wartości nie muszą być identyczne.
Jeżeli suma mocy znamionowych ładowarek wynosi kilkaset kilowatów, nie oznacza to automatycznie, że obiekt przez cały czas pobiera taką moc. Samochody przyjeżdżają o różnych porach, ich akumulatory przyjmują energię z różną szybkością, a maksymalna moc ładowania zależy między innymi od stanu naładowania i temperatury baterii.
Operator może więc dysponować urządzeniami o dużej mocy, a jednocześnie ograniczać sumaryczny pobór z sieci. Kluczowe jest jednak to, czy taki model zapewni oczekiwaną jakość usługi.
Jeżeli stacja znajduje się przy autostradzie, kierowcy przyjeżdżają często z konkretnym celem: szybko uzupełnić energię i ruszyć dalej. Zbyt agresywne ograniczanie mocy może wydłużyć sesje i pogorszyć doświadczenie użytkownika. Na parkingu, gdzie samochody pozostają podłączone dłużej, ten sam limit może być znacznie łatwiejszy do zaakceptowania.
Dlatego peak shaving nie powinien zaczynać się od ustawienia jednej liczby w systemie sterowania. Powinien zaczynać się od zrozumienia, jak stacja rzeczywiście pracuje i czego oczekują jej klienci.
Magazyn energii jako bufor dla szybkiego ładowania
Magazyn energii jest jednym z najbardziej interesujących narzędzi ograniczania szczytowego poboru mocy. Jego zadanie można porównać do zbiornika, który gromadzi energię wtedy, gdy nie jest ona potrzebna w dużej ilości, i oddaje ją w chwili zwiększonego zapotrzebowania.
W przypadku stacji ładowania, pozwala to rozdzielić dwa zjawiska: moc pobieraną z sieci oraz moc chwilowo dostarczaną samochodom.
Załóżmy, że stacja potrzebuje w danym momencie 500 kW, ale operator chce utrzymać pobór z sieci na poziomie 350 kW. Przy spełnieniu odpowiednich warunków technicznych różnicę może pokryć magazyn, dostarczając około 150 kW. To przykład poglądowy, a nie opis konkretnej instalacji. W rzeczywistym układzie, trzeba uwzględnić również straty, potrzeby własne urządzeń, stan naładowania magazynu i ograniczenia jego mocy.
W tym przykładzie znaczenie mają dwa parametry. Pierwszy to moc magazynu, wyrażana w kilowatach lub megawatach. Drugi to pojemność energetyczna, podawana w kilowatogodzinach lub megawatogodzinach.
Duża moc pozwala obsłużyć intensywny szczyt, ale nie gwarantuje, że magazyn będzie w stanie wspierać stację przez długi czas. O tym decyduje również ilość zgromadzonej energii.
Jeżeli magazyn oddaje 150 kW przez godzinę, dostarcza w tym czasie 150 kWh energii, pomijając straty i inne ograniczenia. Przy wielokrotnie powtarzających się szczytach musi być również możliwość jego ponownego naładowania.
To właśnie dlatego nie wystarczy kupić magazynu o odpowiedniej pojemności i uznać problem za rozwiązany. Trzeba sprawdzić, kiedy pojawiają się szczyty, jak długo trwają, jak często się powtarzają i czy między nimi pozostaje wystarczająco dużo czasu na uzupełnienie energii.
Dochodzi do tego koszt samego urządzenia, jego instalacji, sterowania, serwisowania oraz stopniowej degradacji ogniw. Magazyn może poprawić ekonomię inwestycji, ale może również zwiększyć jej koszt bardziej, niż wyniosą uzyskane oszczędności.
Ostateczny wynik zależy od konkretnej lokalizacji i sposobu rozliczania energii.
Inteligentne sterowanie bez magazynu też ma sens
Nie każda stacja potrzebuje baterii stacjonarnej, aby ograniczać szczytowy pobór mocy. Czasem pierwszym krokiem powinno być lepsze wykorzystanie infrastruktury, którą operator już posiada.
System zarządzania energią może na bieżąco kontrolować pobór całego obiektu i ustalać, ile mocy można przydzielić poszczególnym ładowarkom. Jeżeli stacja dzieli przyłącze z innymi odbiornikami, sterowanie może uwzględniać również ich zapotrzebowanie.
Przykładowo, gdy część punktów ładowania pracuje z niewielkim obciążeniem, pozostałe mogą otrzymać większą część dostępnej mocy. Gdy do stacji podjeżdża kolejny samochód, system ponownie rozdziela zasób, pilnując ustalonego limitu.
Takie podejście może ograniczyć ryzyko przekroczenia mocy, poprawić wykorzystanie przyłącza i zmniejszyć potrzebę jego przewymiarowania. Nie oznacza jednak, że zawsze uda się uniknąć dodatkowych inwestycji. Jeśli ruch jest duży, sesje nakładają się na siebie, a klienci oczekują wysokiej mocy przez dłuższy czas, samo sterowanie może nie wystarczyć.
Wtedy operator musi zdecydować, co jest dla niego ważniejsze: maksymalna moc dostępna dla pojedynczego samochodu, liczba jednocześnie obsługiwanych pojazdów czy ograniczenie kosztów infrastruktury. W praktyce liczy się rozsądny kompromis między tymi wartościami.
Czy peak shaving rzeczywiście się opłaca?
To pytanie powinno paść przed zakupem magazynu energii, a nie dopiero po jego uruchomieniu.
Oszczędności zależą od tego, jakie składniki rachunku za energię można rzeczywiście ograniczyć. Jeżeli koszty są powiązane z określonym poziomem mocy, ograniczeniem przekroczeń albo innymi parametrami poboru, zmniejszenie szczytów może przynieść wymierne korzyści. Jeśli natomiast dany składnik rachunku nie reaguje na obniżenie chwilowego poboru, sama redukcja szczytu nie musi go zmniejszyć.
Trzeba też pamiętać, że mniejszy pobór mocy nie oznacza automatycznie mniejszego zużycia energii. Jeżeli samochody otrzymają tę samą ilość energii, tylko w dłuższym czasie, całkowita liczba kilowatogodzin może pozostać podobna. W przypadku magazynu trzeba dodatkowo uwzględnić straty podczas ładowania i rozładowania.
Rzetelna analiza powinna zatem porównać kilka wariantów: pracę stacji bez dodatkowego sterowania, zarządzanie mocą bez magazynu oraz rozwiązanie z magazynem energii. W każdym przypadku należy uwzględnić profil rzeczywistego poboru, strukturę taryfy, koszty inwestycyjne i eksploatacyjne oraz wpływ ograniczeń na czas ładowania.
Warto również przeanalizować różne okresy pracy. Stacja przy trasie turystycznej może doświadczać wyraźnych szczytów w weekendy i podczas wakacji, a przez resztę tygodnia pracować spokojniej. Hub obsługujący flotę może mieć zupełnie inny rytm, związany z godzinami powrotu pojazdów i harmonogramem ich kolejnych zadań.
Nie ma jednego rozwiązania, które będzie najlepsze dla każdej lokalizacji. Magazyn, który sprawdza się w jednym miejscu, w innym może okazać się niepotrzebnym kosztem. Podobnie system zarządzania mocą, który świetnie działa przy przewidywalnym ruchu, może wymagać innej konfiguracji na stacji o bardzo zmiennym obciążeniu.
W elektromobilności liczy się nie tylko moc, ale sposób jej wykorzystania
Rynek szybkiego ładowania rozwija się w kierunku coraz większych mocy. Widać to zarówno w infrastrukturze dla samochodów osobowych, jak i w planach dotyczących elektrycznych ciężarówek. Im większe moce pojawiają się w jednym miejscu, tym ważniejsze staje się odpowiednie zaplanowanie zasilania.
Nie oznacza to jednak, że każda stacja powinna bezwarunkowo dążyć do jak największej mocy przyłączeniowej. W wielu lokalizacjach bardziej racjonalne może być połączenie dobrze dobranego przyłącza, inteligentnego sterowania i tam, gdzie uzasadniają to liczby magazynu energii.
Osobiście byłem na odbiorze niesamowitej instalacji, składającej się z bardzo dużej ilości paneli fotowoltaicznych, na dachu budynku, do tego postawiono wielki bank energii w rozmiarze XXL, czyli 2 MWh. Odbiornikami były dwie stacje ładowania (4xCCS) o mocy 300 kW każda. A to wszystko podpięte do przyłącza o mocy… zaledwie 150 kW! Działało idealnie. Z każdym rokiem jesteśmy coraz mądrzejsi w kwestiach związanych z optymalnym wykorzystaniem infrastruktury ładowania EV. I nie mówię tu o kliencie końcowym, który ładuje swojego elektryka a właśnie o operatorze, którego zadaniem jest wykorzystanie wszystkich dostępnych środków w celu zoptymalizowania kosztów całego przedsięwzięcia.
Dla operatora to zmiana sposobu myślenia. Zamiast pytać wyłącznie o to, ile kilowatów można dostarczyć do każdego stanowiska, warto zapytać, jaką usługę można zapewnić przy określonym poziomie mocy i jakim kosztem.
Peak shaving nie jest więc sztuczką, która rozwiązuje wszystkie problemy infrastruktury ładowania. Nie zastąpi odpowiedniej sieci, nie usunie ograniczeń energetycznych i nie zagwarantuje oszczędności w każdej taryfie. Może jednak pomóc lepiej wykorzystać dostępne zasoby, ograniczyć wybrane koszty i uniknąć sytuacji, w której krótkotrwały szczyt zapotrzebowania determinuje koszt całej inwestycji.
W biznesie ładowania samochodów elektrycznych sama moc robi wrażenie. Ale dopiero umiejętność zarządzania nią pokazuje, czy infrastruktura została zaprojektowana z myślą o rzeczywistej pracy, a nie tylko o parametrach zapisanych w katalogu.