Иновация на Фраунхофер: Как компаниите могат да сложат край на капана на скъпата енергия с мрежовите такси

Хаби ли се собствената ви електроенергия? Как новият ESiP анализатор перфектно изчислява капацитета на батерията

Премахване на скъпите пикови натоварвания: Как фабриките могат значително да спестят от разходите за електроенергия с този нов инструмент

Енергийният преход поставя огромни предизвикателства пред германската индустрия: Докато високодинамичните производствени процеси причиняват екстремни и скъпи пикови натоварвания на електропреносната мрежа, ценната енергия често се губи. В същото време евтино произведената слънчева енергия от собствените покриви на компанията трудно може да се използва ефективно без подходящи батерии. За да се спре това скъпоструващо разделяне на производството и потреблението, изследователски консорциум, ръководен от Fraunhofer IWU, разработи „ESiP Analyzer“. Този иновативен, технологично неутрален инструмент за симулация елиминира догадките, свързани с планирането на батериите. Той позволява на компаниите прецизно да оразмеряват системи за съхранение на енергия – от отделни машини до цели фабрични халета. Научете как интелигентните системи за съхранение могат не само драстично да намалят таксите за мрежата и да удвоят нивата на собствено потребление, но и да се превърнат в решаващо конкурентно предимство по пътя към климатично неутрално производство.

ESiP Analyzer – Интелигентно планиране на съхранението на енергия за индустрията

Фабриките като енергийни играчи: Защо енергийният преход ще се провали без съхранение

Индустриалният сектор представлява приблизително една трета от общото потребление на електроенергия в Германия. Това структурно натоварване не е разпределено равномерно: Силно динамичните производствени процеси генерират екстремни пикове на мощност в кратки интервали, натоварвайки електрическата мрежа, претоварвайки местната инфраструктура и понасяйки значителни икономически разходи под формата на такси за мрежата. В същото време нарастващият дял на възобновяемите енергийни източници – фотоволтаични или вятърни – променя фундаментално характеристиките на наличната електроенергия: Производството и потреблението е все по-малко вероятно да съвпадат. Компаниите, които инвестират във фотоволтаична система на покривите на фабриките си, но нямат подходящо съхранение, подават излишната електроенергия в мрежата на ниски преференциални тарифи през слънчевите обедни часове, докато вечер черпят скъпа електроенергия от мрежата. Това разделяне на производството и потреблението е не само икономически незадоволително – то е стратегически несъстоятелно в светлината на декларираната цел за климатично неутрална индустрия.

Освен това, в Германия съществува уникалната структура на разходите за тарифите за индустриалната мрежа. Таксата за мрежата за индустриални клиенти обикновено се състои от такса за енергия за консумиран киловатчас и такса за капацитет за максимално използваната мощност. В годишната система за ценообразуване на капацитета, тази такса за капацитет се изчислява въз основа на най-високата измерена средна стойност за четвърт час за цялата отчетна година. С други думи, едно изключително пиково натоварване – причинено например от едновременното стартиране на няколко преси или обработващи центрове – определя таксата за капацитет за цялата година. За индустриални клиенти в мрежата със средно напрежение могат да бъдат начислени такси за капацитет над 186 евро за киловат годишно. Следователно икономическата обосновка на управлението на пиковите товари е очевидна.

Изследователският проект „Съхранение на енергия в производството“ (ESiP), финансиран от Федералното министерство на икономиката и климатичните действия, се занимаваше именно с този проблем. Координиран от Института Фраунхофер за машинни инструменти и технология на формоване IWU в Кемниц, между март 2022 г. и февруари 2025 г. беше сформиран интердисциплинарен консорциум с ясната задача да разработи практичен, технологично неутрален инструмент за планиране и симулация за промишлени системи за съхранение на енергия. Резултатът се нарича ESiP Analyzer – инструмент, предназначен да позволи на фабриките да проектират системи за съхранение на енергия не с „щедро закръглени електронни таблици“, а въз основа на надеждни, специфични за производството симулации.

Как една фабрика хаби собствената си електроенергия - и защо предишното планиране се е провалило

За да се разберат концептуалните възможности на ESiP анализатора, е полезно да се разгледа практическата отправна точка. Типично производствено предприятие, работещо с фрезови и формовъчни машини, преживява безброй цикли на ускорение и забавяне по време на работа. Високодинамичните задвижвания – като серво мотори на преси или CNC оси – консумират мощност за милисекунди, която е многократно по-голяма, отколкото по време на работа в стационарен режим. Тези пикове се натрупват на фабрично ниво, което води до силно колебаеща се характеристика на натоварване. За да се предпазят от неочаквани пикове, компаниите традиционно предоразмеряват електрическите си връзки, което води до високи фиксирани разходи и ниска ефективност при условия на частично натоварване.

Същевременно по време на описаните процеси на спиране се губи ценна енергия. Следвайки принципа на рекуперация, познат от електромобилността, много индустриални задвижвания имат така наречените междинни вериги за постоянен ток, в които кинетичната енергия се преобразува обратно в електрическа по време на спиране. В конвенционалните системи тази спирачна енергия се разсейва като топлина чрез спирачни резистори – чиста загуба. Система за съхранение на енергия, интегрирана директно в тази междинна верига за постоянен ток, би могла да улови тази енергия, да я съхрани временно и да я направи отново достъпна по време на следващия процес на ускорение. Това не само намалява консумацията на енергия от мрежата, но и подобрява ефективността на самото задвижване – печеливша ситуация за всички.

Истинското предизвикателство при планирането се крие в прехода от това концептуално разбиране към конкретното дизайнерско решение. Коя технология за съхранение е подходяща за кой профил на машината? Изисква ли един производствен процес с интензивно пресоване суперкондензатор за бързи, кратки енергийни импулси или литиево-йонна батерия за по-дългосрочно междинно съхранение? Колко голяма трябва да бъде системата за съхранение, за да се справи ефективно със съответното пиково натоварване, без да се прибягва до икономически нерентабилно предоразмеряване? Досега липсваше стандартизирана, ориентирана към производството методология за решаване на тези въпроси. Проучване сред производителите на машини и инсталации изрично потвърди тази необходимост от изследвания. Именно тук се намесва ESiP анализаторът.

Функционалност и симулационна архитектура на ESiP анализатора

ESiP Analyzer е проектиран като инструмент за проектиране и симулация, който оценява системи за съхранение на енергия в различни технологии за машини и инсталации в промишленото производство. Неговата методологична основа се крие в интеграцията на три области на знанието: технология за съхранение на енергия, силова електроника и производствена технология – отразявайки експертния профил на консорциума по проекта, който освен Fraunhofer IWU включваше Технологичния институт Карлсруе (KIT) и компаниите LioVolt, Skeleton Technologies, EA-Systems Dresden и Power Innovation Stromversorgungstechnik.

Симулацията в ESiP Analyzer картографира различни нива на интеграция – от отделни машинни компоненти до самата машина и до целия производствен цех. Тази многостепенна перспектива е от решаващо значение, тъй като мерките за оптимизация на машинно ниво и на ниво завод изискват различни технологии за съхранение, различни оперативни стратегии и различни икономически рамки. Суперкондензатор, който абсорбира спирачната енергия от задвижването на пресата в милисекундния диапазон, е коренно различен, както технологично, така и икономически, от голяма стационарна литиево-йонна батерия, която съхранява излишната слънчева енергия, генерирана по обяд, за употреба вечер.

Работната стратегия е основна характеристика на симулацията. В допълнение към чисто енергийните параметри, инструментът взема предвид и фактори, свързани с производството, като производствени поръчки, технологични параметри и ограничения на натоварването, както и фактори, свързани със системата, като ефективност на съхранението, термично поведение и процеси на стареене на батерийните клетки. Тази интеграция е от решаващо значение, защото оптималната работна стратегия за система за съхранение не може да бъде изведена единствено от текущия профил на потока: Система за съхранение, която трябва да е налична за аварийно захранване вечер, не трябва да бъде напълно разредена през деня, дори ако това би увеличило максимално собственото потребление в краткосрочен план. Такива гранични условия могат да бъдат изрично моделирани в ESiP Analyzer.

Симулациите директно определят съответните ключови показатели за ефективност: постижимото намаляване на пиковото натоварване, необходимия капацитет за съхранение, очаквания период на амортизация и потенциалните икономии от таксите за мрежата. Тези показатели могат да се използват директно за инвестиционни решения и позволяват прозрачен анализ на разходите и ползите още преди закупуването на първия батериен блок.

Работа с непълни данни — подценявано практическо предимство

Често срещана пречка при планирането на промишлени системи за съхранение на енергия е наличието на данни: смислените профили на натоварване обикновено изискват пълен запис на тенденциите в потреблението за поне една година, в идеалния случай през 15-минутни интервали. На практика такива данни често липсват – защото системата за управление на енергията все още не е внедрена, защото колебанията в производството изкривяват определени периоди или защото дадена компания в момента планира нов обект, за който все още няма данни от исторически измервания.

ESiP анализаторът е специално проектиран да обработва такива пропуски в данните. Липсващите стойности в профилите на натоварване или данните за добива се допълват чрез подходящо мащабиране и симулации, което гарантира, че смислените анализи остават възможни дори при непълна информация за планиране. Тази устойчивост срещу непълни данни е значително практическо предимство, което позволява инструментът да се използва дори в ранните фази на планиране – преди самото инвестиционно решение.

Методологичният подход, който стои зад тази компенсация на данните, се основава на статистически подходи за мащабиране, които разпознават специфични за типа характеристики на натоварване за категориите машини и производствените процеси. Вместо просто да се използват стандартни профили, съществуващите измерени точки от данни се използват като опорни точки за генериране на синтетични допълнения, които отговарят на специфичния оперативен модел на компанията. Този подход значително увеличава предсказващата сила на симулацията в сравнение с общите средни стойности за индустрията.

От пиково натоварване до енергийния пазар — разнообразието от сценарии на приложение

Това, което отличава ESiP Analyzer от по-простите калкулатори за намаляване на пиковите натоварвания, е широтата на приложните сценарии, които може да моделира. Класическото управление на пиковите натоварвания – целенасоченото използване на съхранение за намаляване на пиковите натоварвания и по този начин намаляване на цената на електроенергията – наистина е най-икономически ефективният случай на употреба, но в никакъв случай не е единственият.

Анализаторът също така подпомага оценката на сценарии, в които системата за съхранение участва на енергийния пазар. Индустриалните клиенти с подходящо оразмерени системи за съхранение могат да предложат първичен или вторичен резерв за управление и по този начин да генерират приходи, които надхвърлят простото оптимизиране на собственото им потребление. Според Федералната мрежова агенция, системите за съхранение на батерии вече осигуряват значителна част от първичния резерв за управление в германската електроенергийна мрежа, с 630 мегавата предварително квалифициран капацитет. За индустриалните компании с достатъчен капацитет за съхранение това открива атрактивен допълнителен източник на доходи.

Освен това, инструментът позволява симулация на интегрирането на непрекъсваемо захранване (UPS) за критични производствени процеси. За производствени линии, където прекъсването на захранването би причинило значителни щети – например в производството на полупроводници или непрекъснати химични процеси – това приложение е от голямо икономическо значение. Цената на конвенционален дизелов генератор може да се сравни с цената на система за съхранение, която изпълнява тази функция, като вторична полза.

Накрая, инструментът картографира и подобренията в ефективността, постигнати чрез регенерирана енергия на машинно ниво – гореспоменатото рекупериране на спирачната енергия в DC връзката. Този случай на употреба е особено важен за производствени среди с голямо количество машинни инструменти, където силно динамичните движения на осите представляват значителна част от общото потребление на енергия.

Повече информация тук:

• Фотоволтаично решение за намаляване на усилията и разходите

Нива на собствено потребление и рентабилност — какво разкриват данните

Основното икономическо послание на ESiP анализатора може да бъде подкрепено с конкретни резултати: Целенасочените симулации и оптимизираните оперативни стратегии позволяват използването на близо половината от самостоятелно генерираната електроенергия от възобновяеми източници в някои сценарии. Тази цифра – приблизително 50 процента собствено потребление – може първоначално да звучи скромна, но трябва да се разбира в контекста на типичните характеристики на генериране на фотоволтаични системи в промишлени обекти.

Без съхранение, директният процент на собствено потребление на фотоволтаична система във фабрична сграда често е значително под 30%, тъй като пиковото производство по обяд съвпада с производствените часове, когато товарът вече е добре покрит, докато рано сутрин и късно следобед търсенето е високо, но производството е ниско. Правилно оразмерена и стратегически оптимизирана система за съхранение може да увеличи този процент до описаното ниво от близо 50% и по този начин драстично да подобри предимството на собственото потребление.

Икономическото значение на това увеличение произтича от разликата в цената между електроенергията от мрежата и самостоятелно генерираната слънчева енергия. За малките до средни промишлени компании средната цена на електроенергията за нови договори през 2026 г. е 16,7 цента за киловатчас. Слънчевата енергия от самостоятелно генерирана система се предлага за доста под 5 цента на киловатчас за инсталации, които вече са напълно амортизирани. Всеки киловатчас самостоятелно генерирана енергия, консумиран вместо подаден в мрежата, генерира марж от над 10 цента – устойчиво икономическо предимство, което се натрупва през целия жизнен цикъл на системата.

Според проекта Fraunhofer ESiP, фабриките, които стратегически планират внедряването на системи за съхранение на енергия, могат реалистично да постигнат икономии до 15% в потреблението на електроенергия чрез интелигентно съхранение на енергия. Тази цифра е значителна за компании с високи разходи за енергия: За средно голямо промишлено предприятие с годишна консумация от 24 гигаватчаса и стандартизирани мрежови такси в цяла Германия, годишните разходи само на ниво мрежови такси възлизат на над 750 000 евро – намаление от 15% би съответствало на годишни икономии от над 100 000 евро, в допълнение към икономиите при снабдяването с енергия.

Стабилността на мрежата като колективна полза — макроикономическият ефект от промишленото съхранение

Ползите от ESiP анализатора и интеграцията на съхранението, която той позволява, не се ограничават само до отделни компании. Индустриалните системи за съхранение имат измерим принос за стабилността на мрежата. „Изгладеното“ потребление – т.е. стабилизирането на преди това силно колебаещ се профил на натоварване – облекчава разпределителната мрежа, намалява необходимостта от балансиращи енергийни интервенции и смекчава проблемите с качеството на електроенергията, които могат да възникнат от импулсивни натоварвания.

От икономическа гледна точка този ефект е значителен. Неизползваният потенциал за намаляване на натоварването на индустриалните обекти в Германия възлиза на 5,2 до 5,6 гигавата – капацитет, който може да се активира чрез подходяща интеграция на съхранението и би намалил значително необходимостта от разширяване на мрежата. Разширяването на мрежата е скъпо: разходите в крайна сметка се прехвърлят върху всички потребители чрез мрежови такси. Всеки киловатчас, който не е необходимо да се транспортира през мрежата като пиков товар благодарение на индустриалното съхранение, следователно намалява разходите за всички в средносрочен план.

Политическата рамка все повече признава тази връзка. През 2026 г. германското федерално правителство предостави държавна субсидия от 6,5 милиарда евро на операторите на преносни системи за стабилизиране на таксите за мрежата. Същевременно Законът за възобновяемите енергийни източници (EEG) от 2024 г. изясни насоките за финансиране на съхранението на енергия и увеличи процента на субсидията до 30 процента за дългосрочни системи за съхранение с продължителност на разреждане от поне 10 часа. Тези политически сигнали показват, че законодателите вече не разглеждат съхранението на енергия като нишов продукт, а по-скоро като критична за системата инфраструктура.

Пазарът реагира на тези тенденции: Германският пазар за съхранение на енергия започна 2026 г. с гръм и трясък – през първото тримесечие бяха инсталирани над два гигаватчаса новоинсталиран капацитет за съхранение, което представлява 67% увеличение в сравнение със същия период на предходната година. В индустриалния сегмент приходите са се увеличили от 1,3 милиарда евро на 1,6 милиарда евро през 2024 г., което е ръст от 23%, а пазарният анализатор Blaurock описа индустрията като „спящ гигант, който всички чакат да заработи“. Прогнозира се, че световният пазар на индустриални системи за съхранение на енергия ще расте с годишен темп на растеж от 21,2%, увеличавайки се от приблизително 9,9 милиарда щатски долара през 2026 г. до близо 56 милиарда щатски долара до 2035 г.

Модел на лицензиране и начини на използване — как компаниите могат да използват анализатора

Fraunhofer IWU е проектирал ESiP Analyzer за различни случаи на употреба и предлага гъвкави опции за достъп. За компании, които се нуждаят от еднократен, задълбочен анализ на енергийното си състояние и търсят препоръки за специфични инвестиционни решения, се предлагат индивидуални проектни споразумения, които включват експертния опит на изследователите от Fraunhofer IWU. Този подход е особено препоръчителен за сложни обекти с множество производствени линии, разнообразни енергийни източници и взискателни оперативни профили.

За компании, които искат трайно да интегрират анализатора в своята система за управление на енергията, са налични лицензионни споразумения за непрекъсната употреба. Доставчиците на енергия и промишлените компании вече са тествали ESiP анализатора на практика и според Fraunhofer IWU, полевият тест е „преминал с отличие“. Това практическо валидиране е от решаващо значение: инструментите за симулация, разработени изключително в лабораторни условия, често се провалят в промишлени приложения поради хетерогенността на реалните производствени среди.

За доставчиците на енергия инструментът предлага уникално измерение: те могат да го използват, за да предоставят на своите индустриални клиенти конкретни, основани на данни препоръки за решения за съхранение, като по този начин разширят консултантските си услуги. Предвид конкурентния натиск на пазара на енергийни доставки и нарастващото индустриално търсене на интегрирани енергийни решения, това е стратегически ценен подход.

Вторият живот на батериите — заводът за демонтиране като логично продължение

В контекста на изследванията на ESiP, не е случайно, че Fraunhofer IWU работи едновременно по друга тема, насочена към кръговата икономика на индустриалното съхранение на енергия: автоматизираното демонтиране на тягови батерии. Съвместно с EDAG Production Solutions в Кемниц се изгражда пилотен завод, който може автоматично да демонтира високоволтови батерии от електрически превозни средства до ниво клетка. Планирано е да се започне работа през август 2026 г.

Концептуалната връзка между ESiP анализатора и това съоръжение за демонтаж се крие в логиката на ресурсите: нарастващият запас от стационарни промишлени системи за съхранение на енергия изисква решения за рециклиране в дългосрочен план. В същото време, използваните тягови батерии от електрически превозни средства, които вече не са подходящи за автомобилна употреба, могат да намерят втори живот като стационарни междинни складове във фабрики - при условие че тяхното състояние и оставащ капацитет могат да бъдат надеждно оценени. Именно това прави модулът за анализ с изкуствен интелект, интегриран в съоръжението в Кемниц: Той оценява състоянието на отделните батерийни клетки и автоматично взема решение за по-нататъшното им използване, регенериране или рециклиране на материали.

Заводът работи и съгласно принципите на „Проектиране за рециклиране“ – принцип, който изисква новите батерийни системи да бъдат проектирани от самото начало така, че да могат да бъдат икономически ефективно демонтирани в края на експлоатационния им живот. Такава система е демонстрирана с батериен модул, който може да бъде демонтиран без повреди. Това е икономически значимо, тъй като рентабилността на рециклирането на батерии зависи до голяма степен от сложността на демонтажа. Системите, изградени с лепила, постоянни връзки или недостъпни модули, водят до толкова високи разходи за демонтаж, че рециклирането остава икономически неефективно въпреки ценните суровини, които съдържат.

Суперкондензатори, литиево-йонни батерии и биполярни батерии — технологичното измерение

Ключова качествена характеристика на ESiP Analyzer се крие в неговата технологична неутралност. Инструментът взема предвид всички често срещани технологии за съхранение на енергия и ги оценява в зависимост от конкретния сценарий на приложение. Тази неутралност не е даденост на пазара: Много инструменти за търговско планиране са разработени от доставчици на определена технология за съхранение и естествено са склонни да предпочитат собствената си продуктова категория.

Диапазонът от подходящи технологии е значителен. Суперкондензаторите (ултракондензаторите) — представени в проектния консорциум от Skeleton Technologies — са идеални за приложения с много висока плътност на мощността и кратки цикли: рекуперация на спирачна енергия в милисекундния диапазон, изглаждане на високочестотни пикове на мощност или краткосрочно преодоляване на напрежението по време на стартиране на големи задвижвания. Тяхната слабост се състои в ниската им енергийна плътност — те не са подходящи за междинно съхранение на слънчева енергия в продължение на часове.

Литиево-йонните батерии в различни химични формули, от друга страна, предлагат висока енергийна плътност с умерена плътност на мощността. LioVolt, друг партньор в проекта ESiP, е специализиран в литиево-йонни биполярни батерии – технология, която, чрез елиминиране на конвенционалните проводими фолиа, позволява по-компактен дизайн и намалява вътрешното съпротивление на клетъчния стек. За стационарно съхранение в почасов до дневен диапазон, такива батерии в момента са най-икономично привлекателният вариант.

Интелигентната комбинация от различни технологии за съхранение в така наречените хибридни системи за съхранение – обикновено батерия за съхранение на енергия и суперкондензатор за пикови енергийни нужди – е друг случай на употреба, който ESiP Analyzer може да моделира. Такива хибридни архитектури защитават батерията от екстремните натоварвания на високочестотните цикли на зареждане, значително удължавайки живота ѝ и подобрявайки цялостната икономическа ефективност на системата за съхранение.

Точността на дизайна като стратегическо конкурентно предимство

Може би най-подценяваното предимство на ESiP анализатора не се крие в максималното увеличаване на капацитета за съхранение, а в прецизността на неговия дизайн. Прекомерно оразмерените системи за съхранение на енергия са не само скъпи за закупуване, но и генерират ненужни текущи разходи чрез поддръжка, експлоатация и увеличаване на капитала. Недоразмерените системи, от друга страна, не могат да постигнат поставените цели – намаляване на пиковите натоварвания, собствена консумация, аварийно захранване – и разочароват инвестиционните очаквания.

Триетапният процес на проектиране – анализ на данни за извличане на параметри, оптимизационни процедури за определяне на данни за съхранение и симулация на получените профили на натоварване – следва научно обоснована логика, специално разработена, за да се вземат предвид характерните параметри на съответния профил на натоварване, а не общите средни стойности за индустрията. С размери на батериите от 60 до 100 киловатчаса, в пилотни инсталации вече е постигнато намаление на пиковото натоварване от десет до 16 процента, с периоди на възвръщаемост под пет години при благоприятни сценарии.

Това ниво на точност на проектиране има стратегически последици, които се простират отвъд отделните проекти за съхранение. Компаниите, които планират прецизно своята енергийна инфраструктура, създават основата за гъвкава, дългосрочна енергийна стратегия: Те могат постепенно да разширяват съхранението, да тестват различни бизнес модели – балансиране на мощността, оптимизиране на собственото потребление, арбитраж – и да реагират на променящите се условия. Енергийният преход в индустрията не е еднократно инвестиционно събитие, а непрекъснат процес на адаптиране към променящата се енергийна инфраструктура. Инструменти като ESiP Analyzer осигуряват аналитичната основа за този процес – и по този начин истинско стратегическо конкурентно предимство за компаниите, които ги използват.

Xpert.Digital е индустриален център за B2B, базиран на данни, ръководен от Konrad Wolfenstein . Компанията действа като външно, квази-вътрешно решение за индустриални партньори, запълвайки оперативните пропуски в маркетинга, съдържанието и продажбите – без да се изискват допълнителни ресурси от страна на клиента.

Повече информация тук:

• Квази-вътрешно решение: Как Xpert.Digital запълва оперативните пропуски в B2B маркетинга и продажбите – Smart Content-Driven Business

☑️ Нашият бизнес език е английски или немски

☑️ НОВО: Кореспонденция на родния ви език!

 

Аз и моят екип с удоволствие ще бъдем на ваше разположение като ваш личен съветник.

Можете да се свържете с мен, като попълните формата за контакт тук wolfenstein@xpert.digital:или просто ми се обадите на +49 7348 4088 965. Моят имейл адрес е

Очаквам с нетърпение нашия съвместен проект.

 

 

☑️ Подкрепа за МСП в стратегията, консултирането, планирането и внедряването

☑️ Създаване или пренасочване на дигиталната стратегия и дигитализация

☑️ Разширяване и оптимизиране на международните процеси на продажби

☑️ Глобални и дигитални B2B търговски платформи

☑️ Pioneer Развитие на бизнеса / Маркетинг / PR / Търговски панаири