Fotowoltaika i magazyny energii

Prąd to medium, bez którego w dzisiejszym świecie właściwie nie jesteśmy w stanie funkcjonować. Urządzenia elektryczne są wszędzie wokół nas, a właściwie nawet z nami, jeśli wziąć pod uwagę także smartfony, z którymi niektórzy prawie się nie rozstają. Jak bardzo uzależnieni jesteśmy od ciągłości zasilania – uświadamiamy sobie dopiero, gdy coś się zepsuje w domowej instalacji albo sieć przestanie działać. Wtedy nie tylko nie ma światła, Internetu i telewizji. Siedzimy po ciemku niekiedy też za dnia, bo nie ma jak podnieść opuszczonych na noc rolet zewnętrznych z napędem. W zimie robi się chłodno w domu, bo nawet kocioł gazowy lub węglowy nie działa przecież bez pompy obiegowej, sterownika i całej reszty osprzętu. Na dodatek trzeba sobie przypomnieć, jak i czym odblokowuje się napęd bramy garażowej i wjazdowej, a na dokładkę właśnie zaczyna irytująco pikać centrala alarmowa, w której wyczerpuje się akumulator... Jednym słowem – makabra. A w przemyśle może być jeszcze gorzej!

Nieco paradoksalnie ci, którzy zdecydowali się założyć instalację PV (fotowoltaiczną), w większości przypadków doświadczają dokładnie tego samego. Bo najczęściej są to tzw. systemy on-grid, czyli nie tylko połączone z siecią, ale i bez opcji korzystania z własnego prądu, gdy napięcie w sieci zanika. Innymi słowy – o zasilaniu czegokolwiek możemy wówczas zapomnieć, choćby na panele pięknie świeciło słońce i fizycznie korzystanie z własnej energii byłoby możliwe. Sytuacja ulega zmianie, jeśli zdecydujemy się na uzupełnienie instalacji o tzw. magazyn energii, czyli przede wszystkim baterię akumulatorów do gromadzenia prądu. Ale wymaga to nieco innego skonfigurowania także reszty instalacji, wyposażenia jej w odmienny rodzaj falownika (inwertera) itd. W tym tekście wyjaśnimy, jak funkcjonują takie układy, kiedy mogą zapewnić nie tylko zasilanie awaryjne, ale również pewne obniżenie rachunków oraz jakie są perspektywy rozwoju takich systemów wobec rosnącego udziału OZE w całej strukturze pozyskiwania energii.

Same panele fotowoltaiczne mogą być identyczne w różnych typach instalacji. Jednak zasadnicza różnica tkwi w tym, co dalej dzieje się z wytworzoną energią, w jaki sposób zagospodarowywane są jej nadwyżki oraz jak pokrywany jest jej niedobór. Nie ma przy tym jednego, idealnego rozwiązania, każde ma mocne i słabe strony, czy wręcz inny obszar uzasadnionych zastosowań. Dlatego znając ich rodzaje, powinniśmy zastanowić się, jakie są nasze priorytety, na co liczymy oraz które z naszych potrzeb faktycznie będą mogły zostać spełnione. Ostatecznie musimy też pamiętać o kosztach, bo chyba nikt nie ma nieograniczonego budżetu.

Po pierwsze: on-grid

On-grid to wariant zdecydowanie najpopularniejszy w naszym kraju. Mikroistalacja PV pracuje zawsze w połączeniu z siecią energetyczną. Zupełnie dosłownie, bo w razie odłączenia od sieci, zaniku napięcia w niej i niektórych innych zaburzeń przestaje działać w ogóle. Oczywiście, panele fizycznie nadal są w stanie wytwarzać prąd ze słońca, lecz my już z niego nie skorzystamy, bo wszystko zostaje odcięte, inwerter nie przekazuje nam do instalacji domowej ani odrobiny mocy. On-grid oznacza bowiem pełną integrację, ale i zupełną zależność od sieci. Kiedy działa ona normalnie, a my mamy akurat nadmiar energii w naszej mikroelektrowni, czyli choćby chwilowo nie zużywamy na miejscu wszystkiego co daje akurat PV, to nadwyżka wędruje do sieci za pośrednictwem przyłącza energetycznego. Na szczęście ta energia nam nie przepada, bo możemy ją potem odebrać. Na jakich dokładnie zasadach się to odbywa i ile na tym tracimy, omówimy nieco dalej. Sieć, a właściwie cały system elektroenergetyczny, pełni w tym wariancie funkcję ogromnego akumulatora. Ma się rozumieć, że w czasie, gdy pobór prądu w domu przekracza jego własną produkcję, energię czerpiemy z sieci – tak samo jak ci, którzy nie mają systemu PV. Największe zalety rozwiązania on-grid to niskie koszty inwestycyjne, brak konieczności serwisowania i fachowego nadzoru jakichkolwiek dodatkowych urządzeń oraz prostota funkcjonowania takiego układu (przynajmniej z perspektywy właściciela domu jednorodzinnego). Zasadniczą wadą jest zaś pełna zależność od działania sieci. Finansowa strata – wynikająca z tego, że możemy pobrać mniej energii, niż oddaliśmy – nie jest zaś aż tak bardzo dotkliwa. Warunki rozliczania są bowiem korzystne dla prosumentów, czyli właścicieli niewielkich instalacji domowych.

Po drugie: off-grid

Off-grid, czyli układy działające zupełnie bez połączenia z siecią, są z kolei najmniej rozpowszechnione. Przyczyn tego stanu rzeczy jest kilka. Przede wszystkim nie sprzyja temu nasz klimat. Bo nawet jeżeli w sezonie wiosenno-letnim odpowiednio duża instalacja PV jest w stanie w pełni zaspokoić zapotrzebowanie na energię i jeszcze wytworzyć jej nadmiar, to zimą uzysk energii spada drastycznie. Nawet znaczne zwiększenie liczby paneli nie rozwiąże problemu, bo to wszystko jest konsekwencją niedoboru słońca w krótkie zimowe dni. Pamiętajmy, że to przecież słońce, a nie instalacja, jest źródłem energii. A w naszej strefie klimatycznej łącznie na 3 miesiące zimowe (grudzień, styczeń, luty) przypada zaledwie ok. 6% z rocznej sumy promieniowania słonecznego. Da się wprawdzie zrobić tak dużą instalację, że nawet zimą dostarczy ona ilość energii wystarczającą na pokrycie potrzeb typowego domu jednorodzinnego, lecz musiałaby być ona wręcz absurdalnie wielka i stosownie do tego droga. Trochę na zasadzie – mały domek z ogromną farmą PV.

Pamiętajmy przy tym, że w takim systemie działającym poza siecią potrzebny byłby jeszcze magazyn energii o dużej pojemności. Ma się rozumieć, że nie naładujemy go prądem na całą zimę. Ale nawet praca w cyklu ładowanie w dzień i czerpanie z akumulatorów w nocy wymagałoby pojemności przynajmniej kilku kWh. W praktyce jednak powinno to być dużo więcej, bo co zrobić, jeżeli zdarzy się kilka pochmurnych, deszczowych albo śnieżnych dni? Przydałoby się mieć więc zapas, nie na jeden, ale np. na 3–4 dni. Co oznacza kolejne, wręcz astronomiczne koszty. Dlatego takich zupełnie niezależnych, a używanych przez cały rok systemów w praktyce się nie buduje. Zresztą nawet na słonecznych afrykańskich czy australijskich pustkowiach układów wyłącznie z panelami PV i akumulatorami też się nie tworzy.

Czymś zupełnie innym są nieduże zestawy użytkowane tylko w sezonie wiosenno-letnim w domkach letniskowych czy kamperach. Tam jest niewiele paneli, a magazyn energii ma bardzo ograniczoną pojemność. Ale i pobór energii jest ograniczony do minimum, nie sposób tego porównywać z typowym domem jednorodzinnym.

A może hybrydowo?

Hybrydy to układy które mogą pracować, wykorzystując zarówno prąd z sieci, jak i gromadzony w akumulatorach (magazynach energii). Co bardzo ważne, ewentualny nadmiar energii, przekraczający pojemność lokalnego magazynu, trafia do sieci. To upodabnia je do systemów on-grid, podobnie jak możliwość czerpania prądu sieciowego w dowolnym momencie. Ale jest i zasadnicza różnica. W razie awarii systemu elektroenergetycznego i zaniku napięcia lub też jeśli sami o tym zadecydujemy z jakiegoś powodu, system hybrydowy można przełączyć na czerpanie prądu z własnego magazynu energii.

Wbrew pozorom ustalenie, w jakich okolicznościach ma działać to niezależne zasilanie, jest kluczową kwestią. Od odpowiedzi na to pytanie będzie zależeć wymagana pojemność i moc naszego magazynu energii, a więc także jego koszt i wymagana charakterystyka. Bo motywacje kryjące się za chęcią korzystania z magazynu energii mogą być bardzo różne – od chęci zapewnienia ciągłości zasilania tylko kilku urządzeń uznanych za niezbędne (np. pompa w studni, kocioł wraz z osprzętem, lodówka, minimum oświetlenia), po swoiste przesunięcie całego cyklu poboru energii w domu. Tak może być, jeżeli korzystamy z dwutaryfowego rozliczania i prąd chcemy czerpać z sieci tylko w godzinach obowiązywania niższych stawek.

Układ hybrydowy daje więc największe możliwości, ale siłą rzeczy jest droższy od wersji on-grid. Musimy przecież kupić odpowiednio dobrany magazyn energii oraz droższy inwerter hybrydowy. Magazyn energii to zaś wciąż duży wydatek. Nawet względnie małe, o pojemności do 10 kWh, kosztują zwykle od kilkunastu do ponad 30 tysięcy zł.

 

Rys. 1. Najczęściej systemy fotowoltaiczne z akumulatorami działają jako hybrydowe. Daje to częściową niezależność od sieci

Optymalna instalacja

Nie sposób z góry powiedzieć nawet, jakiej wielkości instalacja PV będzie najwłaściwsza, jeżeli nie znamy zapotrzebowania na energię, charakterystyki domu, orientacji względem stron świata itd. Tak samo bez szczegółowych danych nikt nie jest w stanie rzetelnie ocenić, jakiej pojemności i jakiego rodzaju magazyn energii będzie dobrym wyborem. Decyzji związanych z budową instalacji PV nigdy nie należy podejmować pochopnie, bez konsultacji z fachowcem, który na miejscu sprawdzi, jakie warunki stwarza konkretna działka i dom, jakie są potrzeby i oczekiwania mieszkańców oraz ile mogą za to zapłacić. Jeżeli ktoś po 5 minutach rozmowy chce nam od razu przesyłać wycenę kompletnej instalacji, to lepiej grzecznie podziękujmy i poszukajmy prawdziwego fachowca.

Warto jednak zwrócić uwagę na kilka kwestii, które zawsze trzeba uwzględnić, dobierając parametry instalacji PV. Przede wszystkim nie można przesadzać z wielkością. Zbyt duża względem potrzeb moc zainstalowana paneli PV to podwójna strata. Obowiązujący obecnie w Polsce system rozliczania za energię skonstruowany jest tak, że właściciel domowej mikroinstalacji może oddać chwilowy nadmiar prądu do sieci, a potem go odebrać. W ten sposób jest w stanie oszczędzać, ale nie zarabiać. Bowiem niewykorzystany w danym okresie rozliczeniowym nadmiar przepada. Czyli robimy prezent dostawcy energii. Własnym niemałym kosztem, bo przecież za tę przewymiarowaną instalację musieliśmy odpowiednio więcej zapłacić. Z drugiej jednak strony, budowa bardzo małych instalacji, poniżej 3 kWp, też nie jest ekonomicznie uzasadniona, bo część kosztów jest praktycznie stała i takie maleńkie systemy są najdroższe w przeliczeniu na 1 kWp mocy zainstalowanej. Jako zgrubny wskaźnik możemy przyjąć, że w optymalnie skonfigurowanej (np. idealnie ustawionej względem stron świata) instalacji z 1 kWp mocy zainstalowanej uzyskujemy rocznie 1000 kWh energii elektrycznej. Tak więc musimy koniecznie ustalić, jakie jest/będzie zużycie energii elektrycznej w skali roku. W domu jednorodzinnym bez elektrycznych urządzeń grzewczych i kuchenki elektrycznej, typowe zużycie wynosi ok. 5000 kWh rocznie. Jednak różnice mogą być bardzo duże, dlatego najlepszym wskaźnikiem są odczyty rzeczywistego stanu licznika umieszczone na rachunkach z poprzednich lat. Właściciele nowych domów powinni oszacować zużycie z pomocą fachowca.

Drugi ważny czynnik to tzw. autokonsumpcja, czyli to, jaką część wytworzonej przez mikroinstalację energii zużywamy na miejscu, nie przekazujemy jej do sieci. Ideałem byłoby 100%, ale to mało realne nawet z pomocą magazynu energii. Wysoki poziom autokonsumpcji jest pożądany, bo to energia wykorzystywana w pełni. Jeśli zaś oddamy ją do sieci, to będziemy mogli potem odebrać nie 100%, lecz 80% z tego, co przekazaliśmy. W instalacjach powyżej 10 kWp jest to zaś 70%, ale w domach jednorodzinnych tak duże systemy to rzadkość. W praktyce wskaźnik autokonsumpcji w domach jednorodzinnych jest często bardzo niski i nawet ¾ wytworzonej energii trafia do sieci. Warto popracować nad jego poprawieniem, bo jest to strata na etapie użytkowania instalacji, ale także już w momencie jej tworzenia. Przecież przy dużym zużyciu własnym wystarczy mniejsza instalacja, a nawet 1 kWp to różnica kilku tysięcy złotych.

Dostawcy systemów PV coraz częściej oferują automatykę i aplikacje pozwalające na optymalizację pod tym względem. Przecież część domowych urządzeń – choćby pralka, zmywarka, podgrzewacz wody – może być automatycznie uruchamiana właśnie w godzinach, gdy produkcja własnego prądu jest największa. Ale chyba najlepszym przykładem jest takie sterowanie klimatyzatorami. Odpowiedni program pozwala na ich włączenie i schłodzenie budynku w godzinach, gdy słońce operuje najintensywniej, co oznacza nie tylko najwyższą temperaturę zewnętrzną, ale i najlepszą wydajność PV.

Zastosowania magazynów energii

Właśnie w kwestii optymalizacji zużycia prądu na potrzeby własne, a także czasu, kiedy czerpiemy energię, bardzo pomóc może zastosowanie magazynu energii. Przede wszystkim dlatego, że pewną jej ilość możemy zgromadzić, kiedy akurat mamy nadprodukcję, zaś wykorzystać później, zamiast czerpać prąd z sieci. Jaka będzie skala tego zjawiska, zależy od wielkości magazynu. Jeżeli wynosi ona np. 10 kWh, to teoretycznie możemy zgromadzić energię wytworzoną przez mikroinstalację o mocy 5 kWp w ciągu 2 godzin działania przy bardzo intensywnym nasłonecznieniu. A trzeba dodać, że PV faktycznie częściej pracuje z mocą bliższą połowy swoich teoretycznych możliwości. Wtedy ten czas wzrasta do 4 godzin. Jednak nie mniej ważne jest, jak duży będzie pobór prądu w czasie rozładowywania naszego magazynu. Jeżeli średnia pobierana moc wyniesie 2 kW, to magazyn o pojemności 10 kWh wystarczy na aż 5 godzin takiej pracy, zupełnie bez posiłkowania się prądem z sieci. Dla właścicieli domów jednorodzinnych, poza oczywistym poczuciem niezależności, może to być szczególnie cenne, jeśli korzystają oni z dwutaryfowego rozliczania. Bo w czasie, gdy obowiązują wyższe stawki, oni nie muszą pobierać drogiego prądu z sieci – mają własny.

Drugie, bardzo ważne zastosowanie magazynu energii to zapewnienie ciągłości zasilania na wypadek przerw w dostawie energii elektrycznej. Wspominaliśmy już o tym na początku artykułu. Trzeba jednak zaznaczyć, że w tym przypadku kryteria są specyficzne. Przede wszystkim z zasady nie zakłada się, że musi działać zasilanie wszystkich domowych urządzeń. Przeciwnie, wybiera się tylko niektóre, uznawane za niezbędne. Może to być lodówka, alarm, kocioł, pompa studzienna, komputer, podstawowe oświetlenie, wybrane gniazda. Po prostu, im mniejszy pobór prądu, tym na dłużej wystarczy jego zapas. Jednak wbrew pozorom dobre skonfigurowanie nawet najmniejszego i najprostszego systemu tego rodzaju wymaga sporej wiedzy i wcale nie jest tanie. Tym bardziej że stosowanych jest wiele rodzajów akumulatorów, różniących się ceną, pojemnością, wielkością, trwałością itd. Wyboru powinniśmy dokonywać dopiero po konsultacji ze specjalistą, bo np. droższy w zakupie magazyn energii może w dłuższej perspektywie okazać się bardziej opłacalny niż wariant tańszy, ale o niższej trwałości.

 

Fot. 1. Magazyn energii zapewnia przede wszystkim zasilanie rezerwowe dla kluczowych urządzeń. Pozwala też przesunąć godziny największego poboru mocy z sieci (eektrosłoneczni.pl)

Korzyść dla systemu

Patrząc w skali makro na działanie całego systemu elektroenergetycznego, magazynowanie energii to rozwiązanie bardzo korzystne, bo zmniejsza zapotrzebowanie na moc w czasie największego obciążenia sieci, kiedy ma to krytyczne znaczenie. A wbrew pozorom przez ostatnie lata stabilność działania sieci energetycznych pogorszyła się w Polsce, Europie i innych częściach świata. Za taki stan rzeczy odpowiada nie tylko rosnące obciążenie sieci, ale też zwiększony udział OZE. Bo przy wszystkich swoich zaletach "zielona energia" ma jedną zasadniczą wadę – jej produkcja podlega dużym wahaniom i jest nieprzewidywalna. Wzrost zachmurzenia to natychmiastowy znaczny spadek uzysku energii z PV. Za to z wiatraków nie ma pożytku zarówno przy bezwietrznej pogodzie, jak i w czasie wichury. Wciąż nie mamy satysfakcjonującego rozwiązania tego problemu. Przykładowo, ostatniej zimy w Szwecji wydawano oficjalne zalecenia, żeby ograniczyć korzystanie z pryszniców, ekspresów do kawy i innych urządzeń w czasie porannego szczytu poboru energii. Stan Kalifornia miał zaś poważne problemy ze swoim systemem energetycznym w lecie.

Dlatego należy się spodziewać, że z czasem pojawą się formy zachęty dla indywidualnych odbiorców, żeby inwestowali w domowe magazyny energii. W niektórych krajach już funkcjonują dynamiczne taryfy za energię, w których stawka zmienia się w sposób ciągły, nie tylko w z góry ustalonych godzinach. W sieci z elektronicznymi licznikami energii nie ma ku temu technicznych przeszkód. A już teraz nawet w naszym kraju magazynowanie energii może być rozwiązaniem atrakcyjnym dla przedsiębiorców. Taryfy wyznaczone dla nich są znacznie mniej korzystne niż te dla odbiorców indywidualnych. Ponadto od stycznia 2021 r. naliczana jest tzw. opłata mocowa za każdą kWh energii pobraną w godzinach największego obciążenia sieci (od 7.00 do 21.00). Możliwość przesunięcia poboru w czasie dzięki magazynom energii jest więc atrakcyjna. Dlaczego nie piszemy tu również o odbiorcach indywidualnych? Bo dla nich ustalono stawkę ryczałtową, uzależnioną od miesięcznego poboru energii, ale wynoszącą kilkanaście złotych miesięcznie. To nieporównywalnie mniej niż cena jakiegokolwiek magazynu energii. Ale trzeba się liczyć z tym, że stawki opłat będą rosły.

Kompendium wiedzy publikowane wspólnie z partnerem merytorycznym Zeneris Projekty.

Zeneris Projekty
www.zenerisprojekty.pl