Сонячні симулятори – нові можливості для PV-бізнесу

Розвиток сонячної енергетики, що останнім часом потужно стимульований падінням вартості PV-компонентів, стикається з новим викликом. В тих районах, де є гарантовано висока сонячна іррадіація, потреба у нових електрогенеруючих потужностях поки є не настільки високою, отже з’являються або вже існують інфраструктурні та інші обмеження в побудові нових PV-станцій. В той же час там, де на мапі сонячної генерації ще містяться білі плями, важко достеменно оцінити привабливість розташування бізнес-проекту з PV-енергетики та обрати перспективну бізнес-модель для нього. Вирішити цю проблему покликані сонячні симулятори.

Фото: Розміщення сонячних панелей у міській забудові потребує прискіпливого розрахунку можливого затінення від сусідніх будівель протягом всього року.
Фото: Розміщення сонячних панелей у міській забудові потребує прискіпливого розрахунку можливого затінення від сусідніх будівель протягом всього року.

Незадоволена потреба

В умовах, коли економічна складова для втілення PV-проектів стає дедалі привабливішою та широко втілюються інноваційні технології оперативного вимірювання та задоволення попиту на енергію, вдосконалюються мікромережі та здешевлюються автономні рішення,  справді з’являються нові виклики для інвестування у PV-сектор. Водночас діють протинаправлені тенденції. Великі корпорації першими опановують привабливі з точки зору віддачі сонце/енергія/прибуток великі місцини і будують там масштабні проекти, які можуть не мати в ближчому часі додаткових споживачів енергії, або абонують всі наявні місцеві інфраструктурні (мережеві) можливості, тобто штучно обмежується доступ нових учасників до PV-бізнесу. З іншого боку, там, де є потреба у додатковій генерації, проникнення PV-установок викликає певні заперечення з огляду на фактичну ефективність (енергетичну та фінансову), досяжну на розгляданій локації, що також обмежує привабливість інвестування.

Наприклад, міська електрична інфраструктура найбільше потребує нейтралізації пікових перенавантажень у літній час, коли існує потреба вмикати побутові та промислові кондиціонери та охолоджувачі. З огляду на те, що муніципальні витрати енергії саме на це співпадають з піком генерації від сонячних установок, привабливість використання PV-панелей, розташованих на дахах або стінах міських будинків (BIPV), виглядає логічною. Проте на яких саме поверхнях, яких будівлях, як саме і скільки потужностей можна встановити, аби в результаті отримати ефективний та прибутковий інвестиційний проект – відповідь на це питання потребує ретельних розрахунків, які насамперед враховують складний рельєф та взаємовплив оточуючих об’єктів.

Глобальну актуальність PV-підтримки для сталості енергопостачання там, де відбуваються тимчасові відключення через перенавантаження мережі підтвердила агенція IRENA. В своєму дослідженні «Solar simulators: Application to developing cities», датованому за січень 2019 р., наводяться цифри прямих збитків для місцевого бізнесу від вимкнень електрики через мережеві перевантаження: – 8 % в африканських країнах, ближній Схід – до 5,9 %, в країнах Східної Азії та в тихоокеанському регіоні (з Австралією включно) – 3 %. В середньому для країн що розвиваються: – 4,7 %. В той же час у країнах ЄС, де інфраструктура вирізняється більшою сталістю, прямі витрати від нерегулярних відключень електрики не перевищують 1 %.

Подібна проблема впливає й на розвиток нового PV-бізнесу у позаміських або у промислових локаціях. У гірській та лісовій місцевості потрібно вишукувати схили, розташовані найбільш оптимально, та навіть враховувати висоту дерев. Для нового індивідуального будівництва при енергетичній реновації існуючого житла також постають подібні проблеми (вплив тіней від дерев та спрямування й кут нахилу дахів тощо). Для вирішення та розрахунків найбільш вдалої локації для PV-проектів, що до того ж враховують інші місцеві чинники (потребу і можливості продажу PV-енергії в зовнішню мережу, спроможності мережевої інфраструктури аж до особливостей місцевих умов фінансування чи пільг тощо) наразі існують спеціалізовані програмні комплекси – так звані сонячні симулятори.

Різновиди та призначення

В агенції IRENA наголошують, що наразі це найліпший час для значного поступу в розвитку міської PV-структури. Проте муніципальні планувальники та бізнес-структури мають спиратися на надійні дані з геолокації та місцевої економіки, що дозволять обѓруновано розробити оптимальний інвестпроект.

Звичайно, обрахунки починаються із оцінки сонячного потенціалу на поверхнях, що можуть бути використані для вбудованих в дім (BIPV) або дахових PV-панелей. Існують три методики для цього:

  • Методологія вибірки: на базі обраної ділянки невеликої площі проводяться детальні обрахунки,де ці дані апроксимуються на всю міську забудову.
  • Методологія багатовимірного заліку проб: досяжна площа пробної ділянки співвідноситься із щільністю населення, що проживає у домах певного типу та апроксимується на загальну кількість міського населення.
  • Методологія суцільного перепису: повністю провадиться статистика досяжних площ, кількості населення, пропорції поміж житлом, комерційною та промисловою забудовою, потребою та характером енергоспоживання, що супроводжується складанням повної 3D-моделі міста.

Окрім обраної методології суттєво варіюється рівень складності сонячних стимуляторів. Приблизно половина з них налаштована на оцінювання потенціалу сонячного освітлення, інша половина – на оцінку технічного потенціалу та графіку генерації. Складність також розрізняється за повнотою розрахунків: одні здатні обраховувати лише статистичні карти, інші – оцінювати технічний потенціал за фіксованими показниками, найбільш розвинуті системи можуть інтерактивно моделювати різні ситуації при зміні вхідних даних щодо рельєфу, потреби у споживанні чи фінансової складової.

За дослідженням IRENA рівні складності сонячних кадастрів розрізнюються від базового (за рівнями іррадіації), середнього (вказує найбільш технічно придатні для PV-проектів ділянки) до просунутого (додатково враховує фінансові чинники та оцінку прибутковості інвестування).

Рис. 1. Усунення в симуляторі невизначеності від стереозображення для генерації DEM: а) супутникові знімки місцини щонайменше з двох позицій; b) цифрове підвищення контрасту; c) накладання фактичних меж даху; d) програмне усунення артефактів від накладання зображень. Джерело: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», січень 2019.
Рис. 1. Усунення в симуляторі невизначеності від стереозображення для генерації DEM: а) супутникові знімки місцини щонайменше з двох позицій; b) цифрове підвищення контрасту; c) накладання фактичних меж даху; d) програмне усунення артефактів від накладання зображень. Джерело: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», січень 2019.

Нові хмарні онлайн-продукти забезпечують нові можливості:

  • Обрахунки із певними цільовими показниками.
  • Розробка бізнес-політик: метою є розробка достовірних техніко-економічних обґрунтувань.
  • Розвиток ринку: підтримка населення, фінансових інструментів та компаній-інсталяторів щодо розширеного інвестування у PV-сектор.

Моделювання за цільовими показниками важливо на етапі первинних розрахунків. Коли бізнес чи муніципальні органи впевняться в локальному сонячному потенціалі, далі оцінюються варіанти бізнес-політик та відповідні тарифні сценарії, складається змістовний сонячний кадастр у якості бази знань. Такі міста можуть отримати підтримку своїх задумів завдяки Пілотній програмі по інтегрованому підходу (SCIAPP) за підтримки Глобального екологічного фонду (GEF); Глобальній платформі Всесвітнього банку для сталих міст (WBGPSC); Міжнародній раді місцевих природоохоронних ініціатив (ICLEI, 1500 членів); Світовій Угоді Мерів міст (Covenant of Mayors, 7700 міст) тощо. Розвиток ринку завдяки просунутим Інтернет-платформам відбувається завдяки відбору найбільш придатних до втілення проектів, а також виходячи із можливостей впливу на пікову потребу, тобто на балансування місцевих мереж.

Насамперед сонячні симулятори мають врахувати особливості рельєфу на базі складання детальної 3D-моделі кожного окремого будинку та цифрової моделі рельєфу (Digital Elevation Model, DEM), див. рис. 1. Реалізація таких моделей головно базується на дуже коштовних розрахунках за технологією LIDAR (Light Identification Detection and Ranging – виявлення, ідентифікація та визначення дальності за допомогою світла) та даних щодо різких перепадів висот на місцевих об’єктах. Наприклад, складання DEM методом LIDAR для міста площею від 20 до 30 км2 може коштувати декілька мільйонів доларів США. Технологія базується на комплексному оптичному аналізі вертикального відбиття від дахів (DNI), дифузного затінення по горизонталі (DHI) і віддзеркаленої від землі іррадіації за супутниковими знімками.

Проте за дослідженнями IRENA існує менш дороговартісна альтернатива, базована на стереоскопії (фотограмметричні методи, див. рис. 2), до того ж для складання сонячних кадастрів навіть високого рівня достатньо супутникових знімків із розподільчою здатністю, що не перевищує 50 см, а це критично знижує вартість окремих 3D-моделей та врешті DEM.

Рис. 2. Послідовна обробка супутникових зображень для побудови достовірної DEM. Джерело: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», січень 2019.
Рис. 2. Послідовна обробка супутникових зображень для побудови достовірної DEM. Джерело: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», січень 2019.

Вибір оптимального рішення

Звичайно, існуючі рішення сонячних симуляторів та вартість складання сонячного кадастру відповідає рівню задач, що постає перед муніципальними органами та / або бізнес-структурою, що складає проект чи провадить комплексну оцінку локальних бізнес-можливостей використання PV-енергії. Типовий алгоритм складання сонячного кадастру наведений на рис. 3. На рис. 4 пояснюється, яким чином вираховується затінення протягом доби та за рік в цілому, що впливає на загальний технічний потенціал генерації.

Рис. 3. Алгоритм формування сонячного кадастру. Джерело: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», січень 2019.
Рис. 3. Алгоритм формування сонячного кадастру. Джерело: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», січень 2019.

Сценарії, на основі яких можна обрати придатний варіант симулятора, поділяються на 4 випадки:

  • Базовий сценарій – попередня оцінка застосування дахових PV-установок в даній місцині.
  • Обмежений сценарій – головною проблемою є усунення локальних пікових відключень найменш вартісним чином.
  • Розширений сценарій – для усунення пікових відключень найменш вартісним чином з урахуванням побудови нової мережевої інфраструктури та з підключенням до нових електростанцій.
  • Сталий сценарій – винайдення нових можливостей для сучасних енергопослуг, балансування енергомереж, для розвитку нового бізнесу, місцевої промисловості та реалізації проектів із накопичення регенерованої енергії, забезпечення відновлюваною енергією опалення / охолодження, покриття потреб зростаючої кількості електротранспорту, відмови від споживання вуглеводневих енергоресурсів, транзиції на ВДЕ тощо.
Рис. 4. Схема для розрахунків впливу від затінення. Джерело: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», січень 2019.
Рис. 4. Схема для розрахунків впливу від затінення. Джерело: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», січень 2019.

За базовим сценарієм очікується, що PV-електрика покриє, хоча б частково, зростаючі потреби в електроенергії. Ці симулятори можуть враховувати деякі фінансові чинники, наприклад, пільги, тарифи чи стимулюючі податки. Обмежений сценарій налаштований насамперед на усунення проблем з відімкненнями порівняно із використанням та вартості резервних генераторів (LCOE PV-рішень порівняно з використанням традиційних джерел: дизпаливо, газ, керосин) та доцільність накопичувачів енергії (ESS). Розширений сценарій має враховувати перспективні плани розвитку територій та її енергоструктури. Сталий сценарій головним чином моделює ситуацію на середню і довгострокову перспективу, і разом з актуальними фінансовими чинниками має враховувати перспективи змін законодавства, світові тренди тощо – наприклад зміну локального попиту на електроенергію, пов’язану із розповсюдженням електротранспорту.

Спрощені симулятори використовують погодинні усереднені моделі сонячної іррадіації на кожен день, див. рис. 5, більш просунуті (але суттєво більш дорогі) симулятори мають змогу моделювати рівень надходження сонячної енергії в погодинному режимі з урахуванням даних прогнозів та статистики погоди у даній місцевості за відповідний період (див. публікацію «Інструменти для моделювання сонячних електростанцій»

Рис. 5. Приклад фрагменту мапи із середньодобовим надходженням сонячного світла за розрахунками сонячного симулятора. IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», січень 2019.
Рис. 5. Приклад фрагменту мапи із середньодобовим надходженням сонячного світла за розрахунками сонячного симулятора. IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», січень 2019.

Звертаємо увагу, що симулятори можна використовувати як аутсорсінгову послугу для великих проектів (територіальна спільнота та муніципальний рівень) й для малих рішень – рівень підприємства, домогосподарства та навіть окремого житлового помешкання (див. онлайн-проект IRENA Project Navigator, 2018 р.), тобто у компаній, що пропонують послуги розрахунків на симуляторах, з’являється нове й широке поле для нової бізнес-діяльності. Зважаючи на можливості українських програмістів, невдовзі можна очікувати появу сонячних симуляторів національного походження, що сповна будуть враховувати регіональні особливості України.