Kiedy dołożenie magazynu energii do farmy PV zaczyna się opłacać?

Magazyn energii przy farmie fotowoltaicznej jeszcze kilka lat temu był postrzegany przede wszystkim jako sposób na przesunięcie części produkcji ze środka dnia na godziny wieczorne. Dziś jego rola jest znacznie szersza. Rosnąca zmienność cen energii, okresy bardzo niskich lub ujemnych cen hurtowych, ograniczenia generacji, problemy z dostępnością mocy przyłączeniowej oraz rozwój usług elastyczności powodują, że bateria może stać się osobnym aktywem generującym przychody.

Nie oznacza to jednak, że magazyn automatycznie poprawia rentowność każdej farmy PV. W części projektów będzie bardzo dobrym uzupełnieniem instalacji, w innych nie odzyska kosztu kapitału nawet przez cały okres eksploatacji. Granica opłacalności pojawia się wtedy, gdy wartość energii odzyskanej dzięki magazynowaniu oraz dodatkowych usług świadczonych przez baterię przewyższa całkowity koszt jej zakupu, finansowania, eksploatacji i degradacji.

Sprawdź ➡ Farmy fotowoltaiczne z magazynami energii!

Dlaczego sama farma PV coraz częściej potrzebuje elastyczności?

Fotowoltaika produkuje energię zgodnie z dostępnością promieniowania słonecznego, a nie zgodnie z chwilowym zapotrzebowaniem rynku. Im więcej elektrowni PV pracuje w danym systemie elektroenergetycznym, tym silniejsze staje się zjawisko koncentracji produkcji w podobnych godzinach.

W słoneczny dzień duża część farm zaczyna generować energię niemal jednocześnie. Podaż rośnie, a cena energii w godzinach południowych może spadać. Po zachodzie słońca produkcja PV gwałtownie maleje, podczas gdy zapotrzebowanie nadal pozostaje wysokie. Powstaje więc różnica pomiędzy wartością jednej megawatogodziny wyprodukowanej w południe a wartością tej samej ilości energii dostępnej kilka godzin później.

Magazyn energii pozwala oddzielić moment produkcji energii od momentu jej sprzedaży. Z punktu widzenia właściciela farmy PV jest to podstawowe źródło jego wartości ekonomicznej.

Znaczenie ma również tzw. capture price, czyli rzeczywista średnia cena uzyskiwana przez konkretną technologię w godzinach jej produkcji. Wysokie średnie ceny energii na rynku nie muszą oznaczać wysokich przychodów farmy PV, jeśli najniższe ceny występują właśnie wtedy, gdy instalacja produkuje najwięcej.

Kiedy magazyn energii przy farmie PV zaczyna generować wartość?

Opłacalność BESS, czyli Battery Energy Storage System, powinna być analizowana na podstawie całego zestawu potencjalnych korzyści. Ograniczenie analizy jedynie do kupowania taniej i sprzedawania drogiej energii zazwyczaj prowadzi do błędnych wniosków.

Najważniejsze źródła wartości magazynu obejmują:

• arbitraż cenowy, czyli ładowanie baterii w godzinach niskiej wartości energii i jej rozładowywanie przy wyższych cenach;
• odzyskiwanie energii, która bez magazynu zostałaby ograniczona lub niesprzedana, np. z powodu limitu mocy oddawanej do sieci;
• zmniejszenie ekspozycji farmy na godziny bardzo niskich albo ujemnych cen energii;
• lepsze wykorzystanie istniejącego przyłącza, szczególnie gdy moc instalacji PV przewyższa możliwość eksportu energii do sieci;
• świadczenie usług systemowych i usług elastyczności, jeżeli parametry techniczne magazynu oraz zasady rynku na to pozwalają;
• ograniczanie odchyleń pomiędzy prognozowaną a rzeczywistą generacją, co w określonych modelach sprzedaży może zmniejszać koszty bilansowania;
• zwiększenie przewidywalności profilu sprzedaży, co może mieć wartość przy kontraktach PPA oraz innych długoterminowych umowach odbioru energii.

Najbardziej atrakcyjne projekty zwykle nie opierają się na jednym zastosowaniu baterii. W praktyce znacznie większe znaczenie ma tzw. revenue stacking, czyli łączenie kilku strumieni przychodów w ramach tego samego aktywa.

Arbitraż cenowy – kiedy przesuwanie energii rzeczywiście się opłaca?

Najbardziej intuicyjnym zastosowaniem magazynu jest przesunięcie sprzedaży energii z godzin tanich do drogich. Sama różnica cen nie jest jednak jeszcze zyskiem.

Jeżeli farma może sprzedać energię w południe za 150 zł/MWh albo wykorzystać ją do naładowania baterii, która następnie odda energię w godzinach wieczornych, decyzja o ładowaniu oznacza rezygnację z bieżącego przychodu. Cena 150 zł/MWh staje się więc ekonomicznym kosztem energii dostarczanej do magazynu.

Do tego dochodzą straty konwersji.

Jeżeli sprawność pełnego cyklu magazynu wynosi przykładowo 88%, to po wprowadzeniu 1 MWh do baterii nie można sprzedać ponownie całej 1 MWh. Część energii zostaje utracona podczas ładowania, przechowywania i rozładowania.

Opłacalny spread cenowy musi pokryć nie tylko różnicę pomiędzy ceną zakupu i sprzedaży energii, lecz również straty, degradację baterii, koszty operacyjne oraz koszt zaangażowanego kapitału.

Dlaczego ujemne ceny mogą radykalnie zmienić ekonomikę magazynu?

Sytuacja staje się szczególnie interesująca wtedy, gdy energia produkowana przez farmę ma w niektórych godzinach bardzo małą lub ujemną wartość.

Jeżeli alternatywą dla ładowania baterii jest sprzedaż energii po bardzo niskiej cenie, koszt alternatywny naładowania magazynu gwałtownie maleje. Energia zachowana w baterii może następnie zostać sprzedana wtedy, gdy cena wróci do wyższego poziomu.

Właśnie dlatego przy ocenie BESS bardziej użyteczna od średniej rocznej ceny energii jest analiza godzinowa lub nawet bardziej szczegółowa. Dwie farmy o identycznej produkcji rocznej mogą mieć zupełnie inną ekonomikę magazynu, jeżeli funkcjonują w innych warunkach handlowych, mają inne ograniczenia przyłączeniowe albo realizują odmienne strategie sprzedaży energii.

Magazyn energii a ograniczenia mocy przyłączeniowej

Jednym z najbardziej interesujących zastosowań magazynu jest zwiększenie wykorzystania istniejącej infrastruktury przyłączeniowej.

Załóżmy, że instalacja fotowoltaiczna może chwilowo produkować 12 MW, lecz warunki przyłączenia umożliwiają oddawanie do sieci maksymalnie 10 MW. W momentach najwyższej produkcji nadwyżka 2 MW nie może zostać wyeksportowana.

Bez magazynu konieczne jest ograniczenie mocy falowników lub zastosowanie innego sposobu redukcji generacji. Po dodaniu baterii nadwyżka może natomiast zostać wykorzystana do jej ładowania.

W takim układzie magazyn nie tylko przesuwa energię w czasie, ale pozwala odzyskać produkcję, która w przeciwnym przypadku zostałaby utracona.

Ekonomicznie jest to szczególnie atrakcyjne, ponieważ bateria może wykorzystywać istniejące przyłącze dwukrotnie: w dzień do magazynowania nadmiarowej produkcji, a w późniejszych godzinach do eksportowania zgromadzonej energii, kiedy generacja PV spada.

Takie rozwiązanie może także umożliwić budowę źródła o mocy zainstalowanej wyższej od maksymalnej mocy eksportowej przyłącza. Każdy przypadek wymaga jednak indywidualnej analizy technicznej oraz sprawdzenia aktualnych warunków przyłączenia i zasad operatora sieci.

Czy magazyn chroni farmę PV przed ograniczaniem generacji?

Tak, ale tylko w określonym zakresie. Należy przede wszystkim rozróżnić ograniczenie wynikające z własnej infrastruktury projektu od redukcji generacji wynikającej z warunków pracy całego systemu elektroenergetycznego.

Jeżeli problemem jest lokalny limit eksportu energii do sieci, prawidłowo zaprojektowany magazyn może przejąć nadwyżkę produkcji.

Jeżeli jednak ograniczenie generacji wynika z polecenia operatora systemu, możliwość ładowania magazynu z energii, która w przeciwnym przypadku podlegałaby redukcji, zależy od konfiguracji instalacji, sposobu opomiarowania, zasad rynku oraz aktualnych regulacji.

Dlatego w modelu finansowym nie należy automatycznie przyjmować, że każda megawatogodzina potencjalnie ograniczonej produkcji zostanie odzyskana dzięki baterii. Konieczne jest ustalenie, czy w konkretnym projekcie istnieje techniczna i formalna możliwość jej magazynowania.

Jak policzyć próg opłacalności magazynu energii?

Najlepszym narzędziem nie jest prosty okres zwrotu, lecz model przepływów pieniężnych obejmujący cały okres eksploatacji BESS.

Podstawową zależność można przedstawić jako:

wartość magazynu = dodatkowe przychody + uniknięte koszty − koszty operacyjne − koszt degradacji − koszt kapitału

Dodatnia wartość w pojedynczym roku nadal nie przesądza jednak o rentowności inwestycji. Nakłady ponoszone są przede wszystkim na początku projektu, natomiast korzyści pojawiają się przez wiele kolejnych lat.

Właściwa analiza powinna zatem uwzględniać NPV, czyli wartość bieżącą netto, oraz IRR, czyli wewnętrzną stopę zwrotu.

Jak wykorzystać LCOS?

Pomocnym wskaźnikiem jest LCOS – Levelized Cost of Storage. Określa on uśredniony koszt magazynowania jednostki energii w całym cyklu życia aktywa.

W uproszczeniu:

LCOS = zdyskontowane koszty inwestycyjne i operacyjne magazynu / zdyskontowana ilość energii oddanej przez magazyn.

W praktyce obliczenia powinny obejmować m.in. CAPEX, finansowanie, serwis, zużycie energii pomocniczej, spadek pojemności, sprawność, liczbę cykli oraz ewentualną wymianę części modułów lub innych elementów systemu.

Jeżeli ekonomiczna wartość jednej MWh oddanej z baterii jest długoterminowo niższa od jej rzeczywistego kosztu magazynowania, sam arbitraż energetyczny nie uzasadni inwestycji.

Dlaczego liczba cykli ma tak duże znaczenie?

Magazyn może być tani w przeliczeniu na pojemność i jednocześnie nieopłacalny, jeśli jest wykorzystywany zbyt rzadko.

Koszt inwestycji ponoszony jest niezależnie od tego, czy bateria wykonuje 50, 200 czy 300 pełnych cykli rocznie. Im większy produktywny throughput, czyli ilość energii rzeczywiście przechodzącej przez magazyn, tym na większą liczbę MWh można rozłożyć koszty stałe.

Nie oznacza to jednak, że baterię należy cyklować przy każdej możliwej okazji. Każdy cykl powoduje określone zużycie ogniw.

Bateria powinna być uruchamiana wtedy, gdy oczekiwana marża z danego cyklu jest większa od jego kosztu krańcowego, w tym ekonomicznego kosztu degradacji.

Nowoczesny system EMS powinien więc optymalizować nie liczbę cykli, lecz ich wartość.

1 MWh, 2 MWh czy 4 MWh na każdy MW mocy?

W magazynach energii trzeba rozróżniać moc od pojemności.

System 5 MW/10 MWh może oddawać maksymalnie 5 MW i teoretycznie pracować z pełną mocą przez około dwie godziny. Jest więc magazynem dwugodzinnym.

Nie istnieje jedna optymalna proporcja mocy do pojemności dla każdej farmy PV.

Magazyn o krótkim czasie pracy może być atrakcyjny tam, gdzie kluczowe jest szybkie reagowanie, obsługa krótkich skoków cenowych lub świadczenie określonych usług systemowych. Większa pojemność ma natomiast większą wartość, gdy bateria ma absorbować wielogodzinne nadwyżki generacji PV i przesuwać je na wieczorny szczyt.

Dominujące zastosowanie	Parametr szczególnie istotny	Typowa logika doboru
Krótkotrwałe usługi elastyczności	Moc MW	duża moc względem pojemności
Arbitraż intraday	MW oraz MWh	pojemność odpowiadająca długości atrakcyjnego spreadu
Ograniczanie clippingu PV	MWh	pojemność dopasowana do profilu nadwyżek
Ograniczenie eksportu do sieci	MW i MWh	moc ładowania musi przejąć chwilową nadwyżkę
Przesunięcie produkcji PV na wieczór	MWh	zwykle większy nacisk na czas rozładowania
Łączenie kilku usług	MW, MWh i EMS	konfiguracja wynikająca z optymalizacji wielu strumieni przychodów

Przewymiarowanie magazynu jest jednym z najczęstszych błędów inwestycyjnych. Dodatkowa pojemność ma sens tylko wtedy, gdy istnieje energia, którą można regularnie i ekonomicznie zmagazynować, oraz odpowiednio wartościowe godziny, w których można ją później sprzedać.

Przykładowy próg opłacalności BESS przy farmie PV

Rozważmy hipotetyczny magazyn 5 MW/10 MWh współpracujący z większą farmą PV. Przyjmijmy, że analiza finansowa wykazała, iż po uwzględnieniu kosztu inwestycji, serwisu, finansowania i degradacji projekt musi generować średnio 2 mln zł dodatkowego wyniku ekonomicznego rocznie, aby osiągnąć wymaganą przez inwestora stopę zwrotu.

Jeżeli magazyn ma przynosić tę wartość wyłącznie poprzez arbitraż, próg jest stosunkowo wysoki.

Jeżeli natomiast 900 tys. zł rocznej wartości pochodzi z arbitrażu, 500 tys. zł z odzyskiwania ograniczanej produkcji, 400 tys. zł z usług elastyczności, a kolejne 300 tys. zł z ograniczenia kosztów bilansowania i poprawy warunków handlowych, inwestycja przekracza wymagany próg.

Przykład jest celowo uproszczony i nie stanowi prognozy dla konkretnego rynku. Pokazuje natomiast najważniejszą zasadę: o opłacalności magazynu często decyduje suma kilku relatywnie niewielkich korzyści, a nie jeden wyjątkowo wysoki przychód.

Revenue stacking może przesądzić o rentowności inwestycji

Revenue stacking oznacza wykorzystywanie tego samego magazynu do kilku zastosowań w różnych momentach.

Bateria może przykładowo magazynować nadwyżkę produkcji PV w godzinach południowych, sprzedać część energii wieczorem, a pozostającą dostępną moc wykorzystywać do innych usług, o ile regulacje rynku, kontrakty i parametry techniczne na to pozwalają.

Nie można jednak mechanicznie zsumować maksymalnych przychodów ze wszystkich rynków.

Jeśli bateria została całkowicie naładowana, nie może jednocześnie przyjąć kolejnej nadwyżki energii. Jeżeli jej pełna moc jest zakontraktowana do określonej usługi, może nie być dostępna dla arbitrażu. Poszczególne zastosowania konkurują więc o trzy ograniczone zasoby: moc, pojemność oraz pozostałą żywotność ogniw.

Dlatego przy analizie wielostrumieniowego modelu przychodów potrzebna jest symulacja chronologiczna, a nie arkusz sumujący niezależnie policzone maksymalne przychody.

Kiedy magazyn przy farmie PV zwykle nie będzie się opłacał?

Niskie ceny baterii nie wystarczą do stworzenia dobrego projektu. Magazyn może mieć słabą ekonomikę przede wszystkim wtedy, gdy farma nie doświadcza istotnych ograniczeń produkcji, sprzedaje energię na korzystnych warunkach niezależnych od godzinowych zmian rynku, a spread cenowy jest zbyt mały w stosunku do kosztów cyklu.

Problemem jest również zbyt mała liczba godzin, w których można ekonomicznie ładować i rozładowywać urządzenie.

Niekorzystny może być również projekt przewymiarowany. Jeżeli farma generuje tylko 5 MWh nadwyżki w typowy słoneczny dzień, zakup bardzo dużego magazynu wyłącznie w celu zagospodarowania tego zjawiska pozostawi znaczną część jego pojemności niewykorzystaną.

Niebezpieczne są też modele biznesowe zakładające utrzymanie wyjątkowo wysokich spreadów lub przychodów z usług systemowych przez kilkanaście lat bez scenariusza ich normalizacji. Wraz ze wzrostem liczby magazynów konkurencja o najbardziej dochodowe godziny i usługi może się zwiększać.

Jak degradacja zmienia wynik finansowy baterii?

Pojemność magazynu nie pozostaje stała przez cały okres eksploatacji. Ogniwa starzeją się zarówno wraz z upływem czasu, jak i wskutek kolejnych cykli.

Na tempo degradacji wpływają między innymi temperatura, głębokość rozładowania, poziom naładowania, moc ładowania i rozładowania oraz zastosowana chemia ogniw.

W modelu finansowym nie powinno się zatem zakładać, że system 10 MWh przez kilkanaście lat będzie codziennie oddawał dokładnie taką samą ilość energii.

Wartość biznesową należy obliczać na podstawie użytecznej pojemności dostępnej w poszczególnych latach, a nie wyłącznie pojemności nominalnej w dniu uruchomienia.

Znaczenie mają przy tym warunki gwarancji producenta. Gwarancja może określać dopuszczalny throughput, liczbę cykli, minimalny poziom pojemności pod koniec określonego okresu albo kombinację tych parametrów.

Czy lepiej zbudować magazyn razem z farmą, czy dołożyć go później?

Dodanie BESS do istniejącej farmy ma tę zaletę, że inwestor dysponuje rzeczywistymi danymi operacyjnymi. Można dokładnie przeanalizować generację, ceny osiągane przez instalację, ograniczenia eksportu i koszty bilansowania.

Pozwala to ograniczyć ryzyko związane z modelowaniem.

Z drugiej strony zaprojektowanie farmy i magazynu jako jednego układu od początku może umożliwić lepszą optymalizację transformatorów, falowników, sterowania, zabezpieczeń, infrastruktury przyłączeniowej i systemu EMS.

Istotny jest również wybór pomiędzy architekturą AC-coupled i DC-coupled.

W układzie AC-coupled magazyn i instalacja PV mają zasadniczo osobne tory konwersji do wspólnej sieci AC. Rozwiązanie jest elastyczne i często stosowane przy dobudowie BESS do istniejącego źródła.

W konfiguracji DC-coupled bateria może zostać zintegrowana po stronie DC instalacji fotowoltaicznej. W określonych projektach ułatwia to przechwytywanie energii, która inaczej zostałaby utracona w wyniku ograniczenia mocy falownika. O wyborze architektury powinny jednak decydować całkowite koszty systemu i przewidywany sposób eksploatacji, a nie pojedynczy parametr sprawności.

Jak policzyć opłacalność magazynu przed decyzją inwestycyjną?

Rzetelna analiza powinna być wykonana przynajmniej na danych godzinowych, a w zastosowaniach wymagających większej dokładności – z jeszcze krótszym krokiem czasowym. Model musi jednocześnie odwzorowywać ograniczenia techniczne baterii i rzeczywiste zasady sprzedaży energii.

Przed podjęciem decyzji inwestycyjnej należy zweryfikować przede wszystkim:

• historyczny profil produkcji farmy PV i prognozę jej generacji;
• rzeczywisty profil cen osiąganych przez farmę zamiast samej średniej ceny rynkowej;
• liczbę oraz skalę godzin z ograniczeniem eksportu lub redukcją generacji;
• możliwą moc ładowania i rozładowania w punkcie przyłączenia;
• sprawność pełnego cyklu i zużycie energii pomocniczej;
• degradację kalendarzową i cykliczną oraz warunki gwarancji;
• CAPEX, OPEX, koszt finansowania, ubezpieczenie i ewentualne koszty wymiany komponentów;
• wartość możliwych usług dodatkowych wraz z ograniczeniami ich jednoczesnego świadczenia;
• podatki, strukturę umów sprzedażowych oraz aktualne wymagania regulacyjne i przyłączeniowe;
• scenariusze spadku spreadów cenowych i przychodów z usług elastyczności.

Kluczowym wynikiem takiej analizy powinien być nie jeden oczekiwany okres zwrotu, lecz zestaw scenariuszy.

Scenariusz bazowy pokazuje najbardziej prawdopodobny wynik projektu. Scenariusz konserwatywny powinien zakładać mniej korzystne ceny, słabszą dostępność magazynu, szybszą degradację lub niższe przychody z usług dodatkowych. Scenariusz optymistyczny pozwala z kolei ocenić potencjał wzrostowy.

NPV i IRR są ważniejsze niż prosty okres zwrotu

Prosty okres zwrotu odpowiada jedynie na pytanie, po ilu latach nominalne wpływy z inwestycji zrównają się z początkowym wydatkiem. Nie uwzględnia jednak wartości pieniądza w czasie ani pełnego przebiegu przepływów pieniężnych.

W przypadku magazynów ma to szczególne znaczenie. BESS jest aktywem kapitałochłonnym, którego parametry techniczne zmieniają się w czasie, a przychody zależą od zmiennego otoczenia rynkowego.

Inwestycja zaczyna być ekonomicznie uzasadniona wtedy, gdy NPV przy stopie dyskontowej odpowiadającej oczekiwanemu kosztowi kapitału jest dodatnie, a IRR przekracza minimalną stopę zwrotu wymaganą przez inwestora.

Dopiero spełnienie tych warunków oznacza, że magazyn nie tylko „zwróci się” nominalnie, ale tworzy wartość po uwzględnieniu alternatywnego kosztu kapitału.

Co najmocniej wpływa na próg opłacalności?

Wbrew pozorom cena baterii nie zawsze znajduje się na pierwszym miejscu. W projektach współpracujących z dużymi źródłami PV bardzo duże znaczenie może mieć wartość energii, której farma bez magazynu nie jest w stanie efektywnie sprzedać.

Jeżeli projekt regularnie produkuje energię w najmniej wartościowych godzinach doby, doświadcza ograniczeń eksportu i jednocześnie ma dostęp do atrakcyjnych możliwości sprzedaży elastyczności, magazyn może osiągnąć dobry wynik nawet przy relatywnie wysokim CAPEX.

Jeżeli natomiast farma posiada korzystną umowę sprzedaży, niemal cała generacja jest odbierana bez ograniczeń, a różnice cen w ciągu doby są niewielkie, nawet znaczny spadek kosztu baterii może nie stworzyć wystarczająco dobrego uzasadnienia inwestycyjnego.

Dlatego właściwym pytaniem nie jest: „ile kosztuje 1 MWh magazynu?”, lecz: „ile dodatkowej wartości 1 MWh pojemności może wygenerować w konkretnym miejscu, przy konkretnym profilu farmy i konkretnej strategii handlowej?”

W jakim momencie dołożenie magazynu do farmy PV ma sens?

Magazyn energii zaczyna się opłacać wtedy, gdy jego zdyskontowana wartość ekonomiczna przewyższa całkowite koszty w całym cyklu życia projektu. Najczęściej dzieje się to nie za sprawą jednego zastosowania, lecz kombinacji arbitrażu cenowego, odzyskiwania ograniczanej produkcji, lepszego wykorzystania przyłącza, zmniejszenia kosztów bilansowania i sprzedaży usług elastyczności.

Największy potencjał mają farmy, których produkcja jest silnie skoncentrowana w godzinach niskich cen albo regularnie przekracza możliwość eksportu energii do sieci. W takich przypadkach bateria zamienia część niskowartościowej lub utraconej produkcji w energię możliwą do wykorzystania w bardziej wartościowym momencie.

Ostatecznej decyzji nie powinno się jednak podejmować na podstawie średnich cen energii, katalogowego kosztu magazynu ani prostego okresu zwrotu. Potrzebna jest chronologiczna symulacja pracy farmy i BESS, uwzględniająca ceny energii, ograniczenia sieciowe, sprawność, degradację, koszt kapitału oraz realną możliwość łączenia różnych źródeł przychodów. Dopiero taki model pokazuje, czy magazyn energii jest dla konkretnej farmy PV kosztem, zabezpieczeniem przed ryzykiem czy nowym, rentownym aktywem energetycznym.