تعظيم عائد الاستثمار: تقليل التكلفة الإجمالية للملكية باستخدام بنية تخزين الطاقة بالبطاريات

إجابة سريعة

يُحسّن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) العائد على الاستثمار لمحطات الشحن السريع بالتيار المستمر من خلال معالجة العوامل الثلاثة الرئيسية المؤثرة في التكلفة الإجمالية للملكية (TCO): رسوم الطلب، وشراء الطاقة، ورسوم ربط الشبكة. بالنسبة لمحطة شحن سريع نموذجية بقدرة 480 كيلوواط، قد تُمثل رسوم الطلب وحدها ما بين 30% و70% من فاتورة الكهرباء الشهرية؛ ويُساهم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات المُصمم بشكل صحيح في تقليل هذه الرسوم، ونقل عمليات شراء الطاقة إلى ساعات خارج أوقات الذروة، ويُمكّن المحطة من تأجيل أو تقليص حجم ترقيات المحولات التي تُكلّف عادةً ما بين 50,000 و200,000 دولار أمريكي. تتراوح فترات استرداد التكاليف الناتجة للبنية التحتية للشحن المُجهزة بنظام تخزين الطاقة بالبطاريات عادةً بين 4 و7 سنوات، مقابل 8 إلى 12 سنة للمنشآت التي تعتمد على الشبكة فقط، وذلك قبل احتساب فوائد المرونة ووقت التشغيل. لذا، يبدأ تعظيم العائد على الاستثمار من مرحلة التصميم: تحديد حجم التخزين بناءً على منحنى الحمل الفعلي، وليس بناءً على قدرة الشاحن المُثبتة.

أهم النقاط

• رسوم الطلب، وليس حجم الطاقة، هي التي تهيمن على تكلفة تشغيل الشحن السريع بالتيار المستمر - إن تقليل ذروة استهلاك الطاقة باستخدام أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات هو أعلى رافعة لتكلفة الملكية الإجمالية.
• غالباً ما تكون عمليات ربط الشبكة وتحديثات المحولات هي أكبر بند منفرد في النفقات الرأسمالية؛ بينما تعمل أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات على تقليلها أو تأجيلها.
• تُضيف عمليات المراجحة في مجال الطاقة والاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية طبقة ثانية من الإيرادات/التكاليف إلى جانب تقليل ذروة الطلب.
• قرارات الإنفاق التشغيلي - الإدارة الحرارية، وتدهور البطارية، وإدارة OCPP، وعقود الصيانة - تحدد بهدوء إجمالي تكلفة الملكية لمدة 10 سنوات.
• ينبغي أن تقارن نماذج العائد على الاستثمار الموقع بخط الأساس الخاص به الذي يعتمد على الشبكة فقط، وأن تقيس العائد على رأس المال الإضافي، وليس على المشروع بأكمله.

هيكل التكلفة الذي يخطئ فيه معظم المشغلين

نادراً ما تستهلك محطة شحن سريع بالتيار المستمر بقدرة 480 كيلوواط هذه القدرة فعلياً. فأحمال الشحن في أساطيل المركبات والشحن العام متقلبة: قد يصل متوسط ​​استخدام محطة شحن على طريق سريع إلى 30-40%، لكنها تستهلك الطاقة الكاملة لمدة 15-30 دقيقة عند شحن ست مركبات في وقت واحد. وتقوم شركات الكهرباء بتحصيل رسوم ذروة الطلب، وليس المتوسط، والتي تتراوح عادةً بين 5 و20 دولاراً أمريكياً لكل كيلوواط شهرياً، بالإضافة إلى أسعار الطاقة الحجمية. وتكلف ذروة الطلب البالغة 480 كيلوواط، والتي كان من الممكن خفضها إلى 240 كيلوواط، المشغل ما بين 1400 و5800 دولار أمريكي شهرياً كرسوم يمكن تجنبها، أي ما يعادل 17000 إلى 70000 دولار أمريكي سنوياً لعداد واحد.

لهذا السبب تنهار اقتصاديات الشحن عبر الشبكة الكهربائية فقط عند التوسع: فبمجرد تركيب عدة شواحن عالية الطاقة، يزداد منحنى الطلب على الشحن حدةً بوتيرة أسرع من نمو الإيرادات. أما تخزين الطاقة بالبطاريات فيكسر هذا المنحنى. إذ يقوم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات بشحن البطارية ليلاً بأسعار الطاقة خارج أوقات الذروة، ثم يفرغها خلال فترة ذروة استهلاك الموقع، مما يحد من الطلب المقاس عند مستوى متفق عليه. الحسابات الرياضية حتمية - فهي لا تعتمد على تقلبات أسعار الطاقة أو الدعم الحكومي - مما يجعلها أساس أي نموذج موثوق لتكلفة الملكية الإجمالية.

تشريح التكلفة الإجمالية للملكية: أين تذهب الأموال على مدى 10 سنوات

تنقسم التكلفة الإجمالية لامتلاك محطة شحن إلى أربعة أقسام. وعادةً ما يركز المشغلون على تحسين القسم الأصغر (سعر الأجهزة) متجاهلين الأقسام الثلاثة الأكثر أهمية.

قد تكون هذه الفكرة غير مريحة، لكنها مُحرِّرة: فمعدات الشحن ليست هي التكلفة الرئيسية. إذ أن مُشغِّل الموقع الذي يتفاوض على خصم 10% على سعر الشاحن يوفر أقل مما يوفره من يخفض رسوم الطلب بنسبة 40%. وتُعد بنية أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) المكوّن الوحيد الذي يُقلِّل في آنٍ واحد من تكاليف الطاقة والشبكة والنفقات التشغيلية.

أين تكمن تكلفة هجمات BESS: ثلاث آليات

1. تخفيض رسوم الطلب (الركيزة الأساسية)

يقوم نظام إدارة الطاقة (EMS) بالتنبؤ المستمر بحمل الموقع وتفريغ البطارية خلال فترات الذروة المتوقعة، مما يحافظ على استهلاك الطاقة المقاس بالكيلوواط أقل من الحد الأقصى المتفق عليه. ويتضاعف هذا التأثير لأن كل كيلوواط يتم توفيره يقلل أيضًا من مُضاعِف الطلب على الفواتير الخاص بشركة الكهرباء، والذي يُستخدم لحساب رسوم النقل والتوزيع في العديد من التعريفات.

2. المراجحة في مجال الطاقة والاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية

تُستخدم نفس البطارية لتخفيض تكاليف الطاقة خلال فترات الذروة عندما تكون أسعارها منخفضة - مثل أسعار الليل، أو فائض الطاقة الشمسية في منتصف النهار عند وجود ألواح شمسية على السطح أو مظلة. كل كيلوواط/ساعة يتم نقله من أسعار الذروة إلى أسعار خارج الذروة يُحقق فرق التعرفة، والذي يتراوح عادةً بين 0.05 و0.20 دولار أمريكي/كيلوواط/ساعة. مع أكثر من 300 دورة شحن وتفريغ سنويًا لبطارية سعتها 625 كيلوواط/ساعة، يمكن أن تُساهم طبقة المراجحة وحدها بمبلغ يتراوح بين 9000 و37000 دولار أمريكي سنويًا، وذلك حسب السوق.

3. تأجيل ترقية الشبكة

غالبًا ما تُشير دراسات ربط المرافق للمواقع الجديدة ذات القدرة العالية إلى أن تكلفة ترقية المحولات تتراوح بين 50,000 و200,000 دولار أمريكي، مع فترات انتظار تتراوح بين 12 و18 شهرًا. يُحوّل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) الذي يضمن عدم سحب الموقع أكثر من 300 كيلوواط من الشبكة، وصلة 1000 كيلو فولت أمبير إلى وصلة 400 كيلو فولت أمبير، مما يُلغي الحاجة إلى الترقية تمامًا في كثير من الأحيان، ويُقلّص مدة المشروع بأكثر من عام. يُعدّ هذا بمثابة ضغط على التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) من الناحية الرأسمالية، وغالبًا ما يكون العامل الحاسم في المواقع القائمة على خطوط تغذية محدودة.

سيناريو العائد على الاستثمار: محطة مركزية بقدرة 480 كيلوواط مزودة بنظام تخزين طاقة بالبطاريات بقدرة 625 كيلوواط ساعة

لنُجرِ مقارنة عملية. الموقع (أ) عبارة عن مركز نقل سريع يعمل بالشبكة فقط بقدرة 480 كيلوواط (يحتوي على أربعة شواحن بقدرة 120 كيلوواط لكل منها). الموقع (ب) هو نفس المركز بالإضافة إلى محطة شحن متكاملة مع نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) بسعة 625 كيلوواط/ساعة، مع وصلة شبكة بقدرة 300 كيلوواط. يخدم كلا الموقعين نفس حجم حركة المرور: 150 جلسة يوميًا، بمتوسط ​​استهلاك 30 كيلوواط/ساعة للجلسة الواحدة.

تُعدّ هذه الأرقام توضيحية، لكنها قوية في جميع هياكل التعريفات الجمركية في الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي: إذ يُخفّض موقع نظام تخزين الطاقة بالبطاريات النفقات التشغيلية السنوية المتعلقة بالطاقة بنسبة تتراوح بين 20 و30% تقريبًا، ويتجنّب تكاليف الربط الباهظة، ويسترد نفقاته الرأسمالية الإضافية في غضون 4 إلى 6 سنوات تقريبًا. وكل ما بعد ذلك يُعتبر هامش ربح، كما أن المركز مُصمّمٌ ليقاوم انقطاعات التيار الكهربائي، مما يحمي الإيرادات خلال أعطال الشبكة التي قد تُؤدي إلى توقف منافس يعتمد على الشبكة فقط.

تكاليف التشغيل التي تقضي بهدوء على عائد الاستثمار

سعر الشراء هو الفخ، أما النفقات التشغيلية فهي الخدعة. خمسة قرارات تشغيلية تحدد ما إذا كان موقع تخزين الطاقة بالبطاريات سيحقق فترة الاسترداد المتوقعة أم لا.

1. إدارة الحرارة.تنخفض كفاءة بطاريات الليثيوم عند درجات حرارة أعلى من 35 درجة مئوية وأقل من 0 درجة مئوية. تحافظ أنظمة التبريد السائل على الطاقة المقدرة في ظروف محيطة تصل درجة حرارتها إلى 50 درجة مئوية؛ بينما تفقد أنظمة التبريد الهوائي ما بين 10 و25% من إنتاجيتها خلال ذروة فصل الصيف - أي عندما تكون رسوم الطلب في أعلى مستوياتها. حدد وحدات الطاقة المبردة بالسوائل ونظام إدارة حرارة البطارية المناسب لمناخك. 2.الانضباط في إعادة شحن البطارية.تستهلك كل دورة شحن كاملة جزءًا صغيرًا من عمر البطارية. يجب على نظام إدارة الطاقة الحد من عمق التفريغ إلى المستوى الذي يفترضه النموذج المالي (عادةً 80-90% من عمق التفريغ، وأكثر من 6000 دورة). الالتزام بنطاق الحماية يوفر المال. 3.رسوم البرامج والإدارة.تفرض منصات إدارة أنظمة تخزين الطاقة المتوافقة مع بروتوكول OCPP رسومًا شهرية على كل شاحن. اختر المنصات التي تجمع أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات والشواحن والعدادات في واجهة واحدة، حيث أن تشتت المنصات يضيف تكلفة تتراوح بين 100 و500 دولار أمريكي لكل منفذ سنويًا. 4.الصيانة الوقائية مقابل صيانة الأعطال.تحتاج حلقات التبريد السائل، والموصلات، ومرحلات الحماية إلى صيانة دورية. قد يكلف انقطاع واحد غير مخطط له في موزع بقدرة 480 كيلوواط أكثر من عقد الصيانة السنوي من حيث إيرادات الجلسات المفقودة ورسوم غرامات المرافق. 5.ضمان التوافق.تُحدد مدة ضمان البطارية بالدورات أو السنوات، أيهما أقرب. يجب أن تتناسب مدة الضمان مع ميزانية دورات التشغيل/تقليل ذروة الاستهلاك، وإلا ستنتهي صلاحية البطارية قبل سنوات من انتهاء صلاحية الشاحن.

خيارات الشراء والتصميم التي تحمي عائد الاستثمار

القرارات التي تزيد من عائد الاستثمار تُتخذ قبل طلب الشراء، وليس بعده:

• حدد حجم التخزين وفقًا لمنحنى الحمل، وليس وفقًا للوحة اسم الشاحن.قم بنمذجة منحنى الطلب الفعلي للموقع لمدة 12 شهرًا من التشغيل. يمكن لبطارية سعة 625 كيلوواط/ساعة تخفيف ذروة الطلب في مركز طاقة بقدرة 480 كيلوواط؛ بينما تناسب وحدة سعة 261 كيلوواط/ساعة موقعًا بقدرة 120-200 كيلوواط. يؤدي اختيار سعة أكبر من اللازم إلى إهدار رأس المال، بينما يؤدي اختيار سعة أقل من اللازم إلى ضياع رسوم الطلب.
• يفضل استخدام الأنظمة المتكاملة.يُقلل شاحن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات المتكامل (BESS) - الذي يجمع بين البطارية ونظام إدارة الطاقة وتحويل الطاقة وشواحن التيار المستمر في بنية واحدة - من مخاطر الهندسة والتشغيل والتكامل مقارنةً بتجميع مكونات من أربعة موردين. كما أن قلة نقاط التوصيل تعني تقليل نقاط الأعطال وضمانًا من جهة واحدة.
• قم ببناء وحدات قابلة للتعديل.تسمح أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) المعبأة في حاويات والمثبتة في خزائن بتوسيع القدرة مع نمو حركة المرور، مما يحمي من الإفراط في البناء اليوم ومن الأصول العالقة غدًا.
• قم بنمذجة اتصال الشبكة أولاً.اطلب دراسة ربط الشبكة الكهربائية قبل تحديد عدد الشواحن النهائي. قد يتجاوز الفرق بين "عدم الحاجة إلى ترقية" و"ترقية بقدرة 1000 كيلو فولت أمبير" ميزانية نظام تخزين الطاقة بالكامل.
• تحقق من الالتزام بقواعد الشبكة.تُحدد شهادة العاكس (CE أو UL أو قوانين الشبكة المحلية) وحماية العزل ما إذا كان الموقع مؤهلاً قانونياً للتشغيل والتصدير. وقد يؤدي عدم مطابقة الأجهزة للمواصفات إلى تأخير بدء التشغيل لعدة أشهر.

التعليمات

1. ما هي فترة استرداد تكلفة نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) في موقع الشحن؟بالنسبة للمواقع ذات رسوم الطلب المرتفعة (8 دولارات أمريكية أو أكثر لكل كيلوواط شهريًا)، عادةً ما يتم استرداد رأس المال الإضافي لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات في غضون 4-7 سنوات من خلال خفض ذروة الطلب، والاستفادة من فروق أسعار الطاقة، وتوفير رسوم الشبكة. أما المواقع ذات التعريفات الثابتة أو التي لا تفرض رسومًا على الطلب، فتحتاج إلى الاستفادة من فروق أسعار الطاقة أو تعزيز مرونة الشبكة لتبرير استخدام أنظمة التخزين.

2. ما مقدار خفض رسوم الطلب الذي يمكن أن تحققه أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات؟يُقلل النظام المُصمم بشكل مناسب عادةً من ذروة الطلب المُقاسة بنسبة تتراوح بين 30 و60%، وهو ما يُترجم مباشرةً إلى توفير في رسوم الطلب. ويعتمد هذا التخفيض على نسبة طاقة البطارية إلى ذروة الحمل وفترة تفريغ الموقع.

3. هل يقلل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات من حجم وصلة الشبكة المطلوبة؟نعم. يسمح التخزين للموقع بسحب تيار كهربائي ثابت ومستقر من الشبكة. يلجأ العديد من المشغلين إلى تقليص حجم التوصيلات من 1000 كيلو فولت أمبير إلى 400-500 كيلو فولت أمبير، مما يلغي الحاجة إلى ترقيات المحولات التي تتراوح قيمتها بين 50,000 و200,000 دولار أمريكي، ويختصر المدة الزمنية للمشاريع.

4. ما هي نسبة رسوم الطلب من إجمالي تكلفة الملكية؟بالنسبة لمواقع الشحن السريع بالتيار المستمر، تمثل رسوم الطلب والشبكة عادةً ما بين 30% و70% من فاتورة الكهرباء الشهرية، وما بين 40% و60% من إجمالي تكلفة الملكية على مدى 10 سنوات عند دمجها مع تكاليف الطاقة. وهذا يمثل أكبر بند من بنود التكلفة التي يمكن معالجتها.

5. كيف يؤثر تدهور البطارية على نموذج عائد الاستثمار؟يُحدد التدهور عدد دورات الشحن والتفريغ التي توفرها البطارية طوال عمرها. ينبغي أن تفترض النماذج المالية أكثر من 6000 دورة شحن وتفريغ بنسبة 80-90% مع نظام إدارة حرارية سائلة؛ أما الأنظمة المبردة بالهواء في المناخات الحارة فقد توفر دورات شحن وتفريغ أقل بنسبة 20-30%، مما يُطيل فترة استرداد التكلفة بشكل متناسب.

6. هل يستحق التبريد السائل التكلفة الإضافية لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات؟في معظم البيئات التجارية، نعم. يحافظ التبريد السائل على معدل التدفق المُصنّف في درجات الحرارة المحيطة المرتفعة، ويُطيل عمر النظام، ويُقلل من الأعطال المرتبطة بالحرارة. بالنسبة للمواقع التي تتجاوز فيها درجات الحرارة ذروتها الصيفية 30 درجة مئوية، عادةً ما تتجاوز مكاسب معدل التدفق وطول العمر تكلفة رأس المال المُستثمَر خلال ثلاث سنوات.

7. هل يمكن إضافة بنية تحتية لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات إلى موقع شحن موجود؟نعم. تتكامل وحدات تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) المعبأة في حاويات أو خزائن مع البنية التحتية الحالية لحافلات التيار المتردد أو التيار المستمر، ويمكن إضافة منصات إدارة الطاقة المتوافقة مع معيار OCPP فوق أجهزة الشحن القديمة. وتُعدّ عمليات التحديث شائعة عندما تحدّ سعة الشبكة أو رسوم الطلب من ربحية الموقع الحالي.