Минимизация затрат на закупку электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии

МИНИМИЗАЦИЯ ЗАТРАТ НА ЗАКУПКУ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Александров Андрей Александрович

аспирант, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана,

РФ, г. Москва

MINIMIZATION OF COSTS ON ENERGY SUPPLY BY USING OF RENEWABLE ENERGY SOURCES

Andrey Alexandrov

Postgraduate, Moscow State Technical University named after N.E. Bauman,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Использованием предприятием возобновляемых источников энергии, помимо пользы для экологии, позволяет уменьшить расходы предприятия на энергоснабжение. Данная работа посвящена разработке подхода по снижению расходов предприятия на энергоснабжения путем использования солнечных панелей, заключающийся в поиске оптимального объема солнечных панелей, при котором достигается наибольший экономический эффект. Поиск оптимального количества солнечных панелей осуществляется путем однокритериальной минимизации. В результате получены зависимости операционных расходов предприятия на энергоснабжение от количества используемых панелей, а также определена максимальная стоимость панелей, при которой их использование является эффективным.

ABSTRACT

As well as bringing benefit to nature, usage of renewable energy sources is able to decrease operational costs on electricity supply. This paper is dedicated to the development of an approach to decreasing of enterprise’s operational costs by usage of solar battery consists in search of optimal panel amount, that provides most savings. The search for the optimal amount of solar batteries is performed by one-criterion minimization. As the result, the relation between the operational costs of the enterprise’s power supply and amount of solar panels, and the maximum cost of the panels, which provides efficient usage of solar batteries.

Ключевые слова: минимизация затрат, возобновляемые источники энергии, организация производства.

Keywords: costs minimization, renewable energy sources, organization of production.

Введение

Современная экологическая обстановка вынуждает все больше промышленных компаний переводить свое энергоснабжение на источники безопасные для окружающей среды [1,2]. В 2014 году на ежегодной неделе климата в Нью-Йорке была учреждена инициатива RE100 (Renewable Electricity 100%), целью которой является объединение ведущих мировых корпораций для перехода на полностью возобновляемую энергетику не позднее 2050 года [3]. На момент 2021 года инициативу поддерживают более 280 компаний, среди которых такие как Adobe, Danone, Apple, Autodesk, BMW Group и др. Однако в виду не постоянного уровня вырабатываемой мощности, простой переход на возобновляемые источники энергии (ВИЭ) невозможен, так как требуется источник электроэнергии в те периоды, когда генерация энергии снижается или полностью отсутствует [4,5]. Тем не менее, допустимо частичное покрытие потребностей в энергоснабжении за счет ВИЭ с целью минимизации операционных затрат на энергоснабжение. Кроме того, даже такой частичный перевод энергообеспечения предприятия на возобновляемые источники энергии способствует повышению репутационного образа предприятия в глазах общественности, принося тем самым дополнительные дивиденды.

Таким образом, целью данной работы является разработка подхода по снижению расходов предприятия на энергоснабжение за счет применения ВИЭ.

Задача оптимизация графика закупки электроэнергии при использовании солнечных батарей

Традиционно для управления спросом операторами энергосети устанавливается переменный тариф на электроэнергию (см. Рисунок 1), повторяющий региональный график спроса [6]. В результате потребитель вынужден платить максимальную стоимость в период максимального, или близкого к максимальному, потребления.

а)                                                                                                б)

Рисунок 1. Графики суточной стоимости электроэнергии при зонной (а) и непрерывной тарификации (б).

Включение в сеть энергообеспечения предприятия солнечных панелей способно уменьшить уровень потребляемой энергии в дневной период, когда нагрузка максимальна или близка к таковой. Однако, приобретение солнечных панелей несет дополнительные операционных расходы, которые состоят из амортизационных отчислений и текущих затрат на обслуживание панелей. Таким образом, оптимальное количество солнечных панелей в общем случае не известно, но может быть определено в результате решения оптимизационной задачи.

Постановка задачи и алгоритм оптимизации

Для предприятия известны:

• суточная кривая потребления электроэнергии (см. Рисунок 2), описываемая зависимостью ;
• график изменения тарифа на электроэнергию (в общем случае - почасовой), описываемый зависимостью ;
• удельные суточные расходы на солнечные панели, из расчета на кВт, характеризующиеся величиной ,

Рисунок 2. Суточная кривая потребления электроэнергии

Критерием оптимизации является минимум суммарных затрат, которые складываются из затрат на закупку электроэнергии в сети  и затрат на эксплуатацию и амортизацию солнечных батарей :

Затраты на закупку электроэнергии за период  могут быть вычислены как

Затраты на эксплуатацию и амортизацию солнечных батарей прямо пропорциональны их количеству:

,

где  – суммарная максимальная мощность находящихся в эксплуатации солнечных панелей, кВт.

Характерной особенностью ВИЭ является переменная величина генерируемой мощности в течение дня, поскольку принцип их работы основан на природных явлениях. В данной работе будем в качестве альтернативного источника энергии будем использовать солнечные панели. В данной работе используется модельный график вырабатываемой мощности , построенный на основе кривых Безье [7]. При этом максимальный уровень генерации (масштаб графика) определяется суммарной максимальной мощностью солнечных панелей , т. е.

Модельный график вырабатываемой солнечными панелями мощности при различном их количестве представлен на Рисунке Рисунок 3Рисунок 3Рисунок 3–a.

График закупки, в таком случае, формируется как разница между графиком потребляемой энергии и этим графиком, однако, при этом, не может быть опускаться ниже нуля (условие отсутствия «продажи» электроэнергии):

где  – разница между графиком потребляемой электроэнергии и графиком вырабатываемой мощности солнечными панелями.

Результаты численного моделирования

На Рисунке 3–б показаны различные варианты графика закупки в зависимости от суммарной максимальной мощности солнечных панелей.

а)                                                                                                б)

Рисунок 3. Влияние суммарной максимальной мощности (a) солнечных панелей на график закупки (б): график потребления  (1); график вырабатываемой мощности СП при Pmax = 80 кВт (2), 160 кВт (3), 240 кВт (4); график закупки при Pmax = 80 кВт (5), 160 кВт (6), 240 кВт (7)

Суммарные затраты, определяемые по зависимости (1), при фиксированных эксплуатационных расходах, будут изменяться согласно графику на Рисунке 4.

Рисунок 4. Зависимость суммарных затрат от максимальной мощности солнечных панелей

Таким образом, оптимальное количество солнечных батарей может быть найдено в результате минимизации функции суммарных затрат:

В данном случае задача является однокритериальной и, в таком случае, оптимальное количество солнечных панелей, может быть найдено в результате одномерной оптимизации по методом касательной [8].

При найденном оптимальном количестве солнечных панелей может быть вычислен экономический эффект солнечных панелей, под которым следует понимать процентный выигрыш в затратах от их использования. Данный экономический эффект может служить критерием целесообразности использования солнечных панелей – очевидно, что он будет уменьшатся при росте стоимости солнечных панелей и при некотором значении достигнет нуля, так как использование дорогих панелей принесет лишь дополнительные убытки, но не экономию. Так, для выбранного модельного случая максимальной допустимой величиной удельных суточных расходов на солнечный панели является .

Выводы

В работе представлен подход операционных затрат на закупку электроэнергии, осуществляемый за счет возобновляемых источников энергии. Подход продемонстрирован на решении модельной задачи минимизации затрат предприятия с известным графиком суточного потребления электроэнергии. Для модельной задачи определена максимальная величина накладных расходов на содержание солнечных панелей, при которых их использование является целесообразным

Список литературы:

1. Захаров М.Н., Омельченко И.Н., Саркисов А.С. Ситуации инженерно-экономического анализа. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. 430 p.
2. Беккер Н.А., Захаров М.Н., Саркисов А.С. Комплексная оценка экономической эффективности проектов развития возобновляемых источников энергии // Нефть, газ и бизнес. 2007. № 10. P. 17–24.
3. RE100. 2021. [Electronic resource] // About us|RE100.
4. Denholm P. et al. Overgeneration from solar energy in california. a field guide to the duck chart. 2015.
5. Удалов С.Н., Васюткина И.А. Возобновляемая энергетика. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2016. 607 p.
6. Васильев А.А. et al. Электрическая часть станций и подстанцый. 2nd ed. / ed. Васильев А.А. М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 p.
7. Sokolov A.P. et al. Prediction of the Effective Stress-Strain Curves of Ductile Polymer 1D-Reinforced Composites Filled with Hollow Fibers Using Parameterized Model Based on Bezier Curves // Key Eng. Mater. 2020. Vol. 833. P. 93–100.
8. Захаров М.Н. Контроль и минимизация затрат предприятия в системе логистики / ed. Колобов А.А. М.: Экзамен, 2006. 158 p.