En solenergianläggning kan av uppenbara skäl endast producera el när solen skiner. Detta gör att nästan oavsett applikation och användningsområde av solel så kommer inte produktionen matchas av konsumtionen, då den sker vid olika tillfällen. Energilagring i allmänhet och batterier i synnerhet har beskrivits som energisystemets hemliga graal och kan ses som en schweizisk armékniv.
Figur 1. Energilager är närmast att betrakta som en schweizisk armékniv.
Applikationsområdena för batterier är många och det finns dessutom många olika batterityper och batterikemier som är fördelaktiga i olika applikationer och användningsområden. Dock är bilden av energilager generellt ofta ensidig och det generaliseras ofta för mycket för att kunna dra specifika slutsatser kring batterisystemens olika för- och nackdelar samt de olika applikationsområdena för batterier. För slutkundsanvändare av ett energilager så är det viktigt att trots att ett batteri kan användas till många olika ting, så kan inte alla batterier göra allt. Det måste till en noggrann projektering och systemdesign för att batterisystemet skall uppfylla förväntningarna. Det är också viktigt att förstå att batteristyrningsmetoder är ömsesidigt uteslutande. Det innebär att man inte kan styra på två sätt samtidigt. Man måste välja. Det innebär att applikationen och användningsområdet också påverkas starkt av hur man kan styra batteriet.
Hur kan ett batteri användas?
Ett batteri kan användas på många olika sätt och styras mot olika parametrar. Inställningarna görs i styrsystemet till batteriet (oftast växelriktaren) men externa styrsystem så kallade EMS (energy management system) förekommer. Flera växelriktartillverkare erbjuder också styrning via egen kod, antingen via ett API eller öppna protokoll. Det möjliggör för framtida applikationer och mjukvarustyrningar exempelvis Google Home Assistant.
Egenanvändning solel
En av de vanligaste applikationerna, framför allt i länder med höga energikostnader (dvs högt pris per kWh) så finns det ekonomiska initiativ att ladda i batteriet med billiga egenproducerade kilowattimmar och sedan ladda ur dessa när solen gått ner. Beroende på årstid och energibehov kan batteriet täcka allt ifrån någon timma till ända till nästföljande dag. Styrningen i detta fall bygger på att export som registreras triggar att batteriet att börja ladda. När batteriet är fullt så exporteras el ut och säljs på nätet.
Figur 2. Solladdning för ökad egenanvändning av solel.
Detta sätt att styra batteriet innebär i Sverige att batteriet laddas upp av solen ca 200 gånger per år och laddar ur så fort solelen inte täcker behovet.
Figur 3. Elprofil vid solladdning av energilager. Bild: solcellskollen.se
Exempel 1) Lönsamhet vid solladdning
Beroende på vilket år som antas så blir lönsamhetskalkylen något annorlunda men för ett batteri á 10kWh så är lönsamheten allt mellan att spara någon hundralapp per år till att förlora några hundralappar per år. Varför lönsamheten kan vara negativ är för att priset är högre mitt på dagen då batteriet laddas upp. Man kan då få negativ lönsamhet om priset är lägre på kvällen när man säljer elen.
Spotprisarbitrage
Priset på nordiska elbörsen Nordpool sätts kl 14:00 för efterföljande dags handel. Dvs priset på el är känt ett antal timmar på förhand. Detta kan man utnyttja för att ladda i ett batteri när priset är lågt (vanligtvis under natten) för att sedan ladda ur under de höga timmarna. Detta styrsätt kallas spotprisoptimering eller spotprisarbitrage.
Figur 4. Tillgång och efterfrågan på el varierar över dygnet.
Figur 5. Spotpriser över dygnet. Bild: Solcellskollen.se
Exempel 2) Lönsamhet vid spotprisoptimering
Vid spotprisoptimering av ett energilager (exempelvis ett á 10kWh) så är lönsamheten starkt beroende av variationen i elpris mellan natt och dag. Jämför man de senaste åren och tar exempelvis lågprisåret 2021 där lönsamheten var 500kr/år jämfört mot 2023 då energipriserna var skyhöga och lönsamheten då var 3700kr/år så ser man att det är en väldigt volatil marknad och att lönsamheten på batteriet är helt beroende av energimarknaden.
Tabell 1. Tabell över lönsamhet vid spotprisoptimering.
| År | Lönsamhet |
|---|---|
|
2021 |
500kr/år |
|
2022 |
1400kr/år |
|
2023 |
3700kr/år |
Då nattladdning tillämpas laddas batteriet upp under ett antal timmar efter kl 00:00 för att sedan vara fulladdat till frukost för att då ladda ur. Under dagen tar solcellerna hand om eventuella laster och laddar batteriet. Framåt kvällen kan en urladdning ske för att undvika timmarna med de högsta priserna på kvällen.
Figur 6. Elprofil vid nattladdning. Bild: Solcellskollen.se
Tidsstyrning
Tidsstyrning innebär att batteriets uppladdning och urladdning styrs via tid. Detta är ett mer statiskt sätt att styra ett energilager men är ofta det sätt som finns inbyggt i programvaran från fabrik. Detta kort och gott för att det är många energimarknader att integrera mot om man vore tillverkare av batteriväxelriktare. Detta skall således inte förväxlas med spotprisoptimering som görs baserat på elpriset medan tidsstyrning endast går på tiden. Visst går det att dra slutsatser om när priserna brukar vara höga respektive låga. Men det är ingen garanti för att lyckas.
Figur 7. Tidsstyrning av batteri
Kapa effekttoppar
Senast 2027 skall effekttariffer vara implementerat hos svenska elnätsägare enligt Energimyndigheten. Exakt hur tariffen kommer utformas kommer variera mellan olika elnätsägare, men generellt så kommer höga genomsnittseffekter bestraffas. Effekttariffen syftar till att minska höga effektuttag och jämna ut belastningen på elnätet. Ur en samhällsekonomisk synvinkel så är det betydligt mer kostnadseffektivt att utforma ett elsystem som tar emot en lägre effekttopp. Det är viktigt att betona att man både betalar för effekten och energin. Idag finns redan effekttariffer, framför allt på de som har högre huvudsäkringar. Vanligtvis 63-125AEffekttariffen gör således att hushåll som kan minska sina effekttoppar inte straffas med höga effektkostnader. Exempelvis Göteborg har redan infört effekttariff för samtliga sina abonnemang, från lilla villan till stora industrin.
För en villaägare innebär detta att det finns både incitament och pengar att spara genom att sprida ut sina laster. Om exempelvis ett spabad drar 3kW, en elbil 5kW och en tvättmaskin 1kW så genererar dessa en effekttopp om 9kW om de körs samtidigt. Om man i stället sprider ut lasterna så kommer den högsta timman endast bestå av elbilsladdningen (som är den högsta effekten) och således blir toppen då 5kW. Skillnaden mellan dessa två effekttoppar är 4kW och i pengar ex i Göteborg Energis nät (där priset är 36,25kr/kW) sparar man 145kr den månaden.
Figur 8. Två olika driftsfall för effekttoppar. Bild: Göteborg Energi
Hur effekttoppen beräknas kommer variera från nätägare till nätägare, i Göteborg beräknas som medeltalet av de tre högsta timmarna varje månad, fördelat på tre olika dygn. Det man tydligt kan konstatera är att fastighetsägare som kan anpassa sig och använda sin el på ett smartare sätt kommer vara vinnare!
Figur 9. Exempelmånad med genomsnittseffekt mätt i kWh/h. Bild: Göteborg Energi
Effekttariffer knyter an till energilagring och att kapa effekttoppar genom att batteriet kan ställas in att ha hand om effektuttaget ökar över en satt nivå. Det innebär att batteriet tar hand om effekttoppen och elnätet endast utnyttjas till en satt nivå. Det blir då en direkt vinst av att undvika effekttoppen från elnätsägaren med hjälp av batteriet
Figur 10. Illustration av effekttoppskapning.
Ett batteri som skall dimensioneras till effekttoppskapning måste dimensioneras exakt. Misslyckas man med dimensioneringen innebär det att man inte undviker de kostnaderna samtidigt som man investerat i ett batteri. Ett batteri som används för att kapa effektkostnader prioriterar att ladda från elnätet för att alltid vara fullt om en effekttopp sker. Dvs så fort fastighetens effektuttag går under batteriets urladdningspunkt börjar det i stället ladda i sig från elnätet (eller via solel).
Då ett batteri har både en effekt och en energi, så har också effekttoppen det. Höjden på effekttoppen är effekten, dvs man måste ha ett tillräckligt kraftfullt batteri för att kunna ta hand om hela toppen.
Figur 11. Effekttoppens effekt (höjd) som batteriet tar hand om.
När toppen pågår en viss tid så kommer det tillsammans med effekten motsvara en viss mängd energi. Detta kan ses som arean av toppen. En topp som håller i gång en längre tid får således större area och kräver mer energi (kemiskt bunden energi från batteriet), utan att nödvändigtvis kräva en högre effekt.
Figur 12. Effekttoppens energiinnehåll (area) som batteriet tar hand om.
Dimensioneringen måste inte bara beakta en topp. Om exempelvis flera toppar sker efter varandra och batteriet hinner inte fylla på emellan så kan dessa behöva beaktas som en sammanhängande topp. Dessutom måste batteriets degradering beaktas plus batteriets faktiska urladdningsfönster. Detta på grund av att hela batteriets kapacitet inte används samt att batteriets kapacitet förväntas årligen försämras. Dessutom bör alltid en viss säkerhetsmarginal beaktas för att inte riskera att batteriet går tomt under en effekttopp.
Exempel 3) Lönsamhet vid att kapa effekttoppar
Lönsamheten vid att kapa effekttoppar är starkt beroende på priset per kW från elnätsägaren. Trenden har varit tydlig att priset ökar år för år. Beroende på vilket elnätsföretag så varierar kostnaden. Exempelvis EON Syd är priset 117,50kr/kW och Göteborg Energi 36,25kr/kW.
Hur mycket effekttopp som går att kapa beror helt på användningsmönstret av el i fastigheten. Men baserat på ett batteris potential kan vi uppskatta värdet. Om vi antar en Ferroampanläggning med ett Energy Storage Stack-batteri (ESS) av kapaciteteten 10kWh/6kW. Så antar vi att man kan kapa bort 5kW effekttopp (dvs inte fulla 6kW som man har kapacitet till). Besparingen per månad blir således 587-181kr per månad i minskad nätkostnad.
Ödrift/backup
En vanlig växelriktare klarar som bekant inte att driva huset om det blir strömavbrott. Men om man investerar i en växelriktare som har stöd för backup kan hela eller delar av huset drivas trots att det är strömavbrott.
Detta är en mycket vanlig fråga från personer som skall investera i en solenergianläggning. Oftast för man tror att alla växelriktare klarar detta. Men det stämmer inte. Det är endast vissa modeller av växelriktare som klarar ödrift och de gör det på olika sätt.
För ödrift och backup finns det några begrepp att ha koll på:
- Backup – växelriktaren stänger ned i några sekunder upp till en halv minut för att sedan starta upp i ödrift.
- UPS, Uninterruptable Power Supply – Växelriktaren växlar över till ödrift på några få millisekunder. Detta gör att elektronik inte ens hinner stänga av sig
- Enfas- eller trefasbackup – Även om växelriktaren är trefas är det inte säkert att den kan leverera trefasbackup. Dvs backup på samtliga tre faser för att ex kunna driva trefaslaster så som en värmepump eller en vattenpump.
Figur 13. Illustration av ett område med strömavbrott.
För att dimensionera en ödriftsanläggning (notera att vi utgår från att anläggningen i ett normalläge är ansluten till elnätet) så måste både effekt och energi beaktas. Dessutom måste designval göras om anläggningen skall ha UPS-funktionalitet, om växelriktaren skall leverera en eller tre faser i ödriftsläge samt om hela eller delar av anläggningen skall kunna köras i ödrift.
Som användare av ett ödriftsystem bör man på förhand tydligt specificera kravställningen på vilka laster som skall drivas vid ödrift samt hur många timmar skall ödriften kunna köra (utan någon solel). Precis som i fallet med effekttoppskapning måste batteriets degradering och urladdningsfönster beaktas. Dessutom måste man beakta att om batteriet ex används till något annat innan strömavbrottet är det inte helt säkert att batteriet är 100% fulladdat. Det bidrar ytterligare till osäkerhet och till att man bör viga en del av batterikapaciteten till nöd-drift vid strömavbrott, ex 30% av kapaciteten.
Om en villa använder 20 000kWh/år så motsvarar det en genomsnittlig användning på 54kWh/dag. Ett typiskt stationärt villabatteri är ca 10kWh. Detta bör sätta standarden för hur länge och vad som skall drivas. Rent tekniskt kan vad som helst drivas, i princip hur länge som helst. Det blir en kostnadsfråga och bestäms av hur mycket du vill investera.
Avvägningen då en ödriftsanläggning dimensioneras är att ju fler saker som skall drivas vid strömavbrott, ju snabbare töms batteriet. Att hitta en lämplig nivå av vad som är kritiskt under ödrift samt vad man klarar sig utan är en viktig hemläxa att göra. Belysning och router exempelvis är små laster i förhållande till värmepumpen. Glöm inte att ödriftsanläggningar kräver ett externt jordtag.
Mer info om det kan du se i Senergias tidigare webinarie med Ellevio och Elma Instuments (LÄNK HÄR)
Flexmarknader
Elsystemet måste alltid vara balanserat. I varje ögonblick måste lika mycket elektricitet produceras som det förbrukas. Balansen kan upprätthållas genom att styra såväl produktion som förbrukning. Det är Svenska Kraftnät som är ansvariga för balansen i elnätet och de köper i sin tur in möjligheten att styra förbrukning på elmarknaden. Tidigare har enbart större elförbrukare kunnat delta i handeln med frekvenstjänster (exempelvis vattenkraftverk). Mindre resurser har tidigare varit utestängda men genom att en aktör samlar flera resurser bildas ett virtuellt kraftverk av aggregerade flexibla resurser tillåts nu dessa delta. Dessa kan exempelvis vara batterier, elbilsladdare eller solceller som kan användas på dessa flexibilitetsmarknader. Med hjälp av dessa tjänster och aktörer (kallade aggregatorer) kan både villaägare och bostadsrättsföreningar som äger en flexibel resurs tillgodogöra sig intäkter från dessa marknader.
Figur 14. Balansen i elnätet är alltid i balans mellan
produktion och konsumtion.
Avslutning
Det finns flera olika sätt att använda ett batteri. Många av dessa är exklusiva. Dvs det går bara att göra en av dem i taget. Detta gör att man måste prioritera vilken aktivitet man vill att sitt energilager skall utföra. Grunden till en lyckad projektering föregås av en god förståelse av beställarens krav, samt god produktkunskap. Läs gärna vidare i Senergias Batteriguide (gratis nedladdning). Behöver du som installatör hjälp med att dimensionera ditt energilager så hjälper Senergias projektörer gärna till, fyll då i din projekteringsförfrågan via https://projektering.senergia.se/
Ps. Vi kommer i nästa inlägg av Senergias Teknikblogg dyka djupare in i aggregatorn och flexmarknaderna. Det vill ni inte missa! Signa upp på vårt nyhetsbrev så missar du inga kommande blogginlägg!