Instalacje PV – na co przeznaczyć swój prąd?

Instalacja fotowoltaiczna produkuje prąd tylko wtedy, kiedy świeci słońce – orientacyjnie w polskich warunkach panel 1 kWp skierowany na południe wytwarza w ciągu roku ok. 900–1100 kWh energii elektrycznej. Jeśli inwestor chce zasilać z instalacji fotowoltaicznej urządzenia grzewcze (np. ogrzewanie podłogowe elektryczne, kocioł elektryczny, pompa ciepła wymagająca energii do zasilania sprężarek), konieczne jest rozwiązanie problemu rozbieżności popytu i podaży prądu solarnego. Zwykle największe zapotrzebowanie na prąd do zasilania tych urządzeń występuje wtedy, kiedy instalacja PV nie pracuje lub pracuje w ograniczonym zakresie – głównie zimowymi popołudniami. Trudno wówczas mówić o wykorzystaniu energii solarnej na bieżące potrzeby i trzeba rozważyć przesyłanie jej do sieci elektroenergetycznej lub magazynowanie do wykorzystania w innym czasie.

Najbardziej efektywne pod tym kątem urządzenia grzewcze i wentylacyjne, dla których najdłużej trwa tzw. autokonsumpcja (bezpośrednie zużycie produkowanego prądu), to pompa ciepła do przygotowania c.w.u., instalacja wentylacji mechanicznej oraz pompa ciepła w trybie chłodzenia. W dwóch pierwszych przypadkach urządzenia pracują przez cały rok. Pokrycie zapotrzebowania na prąd do zasilania sprężarki pompy ciepła do c.w.u. może wynieść nawet do 80% (zależnie od czynników zewnętrznych i rozwiązania instalacji). W przypadku zastosowania rewersyjnej pompy ciepła, która zapewnia chłodzenie i pracuje najbardziej intensywnie w gorące, słoneczne letnie dni, podaż niemal idealnie pokrywa się z popytem. Warto tu zwrócić uwagę, że planując chłodzenie pompą ciepła, należy przewidzieć w instalacji PV dodatkowy zapas mocy na zasilanie pompy ciepła pracującej w tym trybie.

Czytaj także: Suszarka bębnowa z pompą ciepła >>

Jak jednak wskazuje organizacja PORT PC, roczny udział energii zużywanej przez pompę ciepła pochodzącej bezpośrednio z instalacji PV może wynieść 20–30%. Warunkami są zarówno odpowiedni dobór instalacji PV i pompy ciepła, jak i zastosowanie odpowiedniego systemu automatyki i sterowania.

Uciekająca energia?

Różnica między podażą a popytem energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej może zostać zniwelowana dzięki jej rozsądnemu zagospodarowaniu. Inwestor ma obecnie trzy możliwości:

• użycie prądu słonecznego do obsługi energochłonnych urządzeń przez zmianę lub podwyższenie ich parametrów, np. zasilanie pompy ciepła, by produkowała chłód (funkcja „klimatyzatora”), albo zwiększenie temperatury c.w.u.;
• przekazanie nadwyżki energii produkowanej latem do sieci elektroenergetycznej i „odebranie” jej w postaci niższych rachunków za energię zimą;
• magazynowanie powstającej energii w formie energii chemicznej w specjalnych akumulatorach (zasobnikach) i pobieranie jej z akumulatorów w momencie zapotrzebowania na nią.

Prąd do ogrzewania może być tani i czysty?

Dla inwestorów możliwość wykorzystania prądu z zasobnika (akumulatora) energii w dowolnym momencie lub odebranie „prądu letniego” zimą (a więc obniżenie rachunków za energię z sieci), kiedy urządzenia grzewcze zużywają najwięcej energii, jest coraz bardziej interesująca. Chcą oni łączyć instalację PV z pompą ciepła do ogrzewania centralnego czy przygotowania c.w.u., a nawet z płaszczyznowym ogrzewaniem elektrycznym.

Ogrzewanie elektryczne (np. podłogowe) zasilane prądem sieciowym o niskiej sprawności jest stosunkowo kosztowne i obciążające dla środowiska. Jednak z punktu widzenia inwestora ma wiele zalet – można je dodać do wybranych pomieszczeń także w ramach remontu, zapewnia komfortowy rozkład temperatury w pomieszczeniach oraz jest bardziej sterowalne i cechuje się mniejszą bezwładnością niż jego wodny odpowiednik. Odpowiednio zaprojektowana moc instalacji fotowoltaicznej – uwzględniająca zimowe zapotrzebowanie na energię elektryczną do zasilania ogrzewania podłogowego w domu niskoenergetycznym – może zapewnić latem na tyle wysoką produkcję energii z PV, by wystarczyło jej zimą do zasilania podłogówki. Z dotychczasowej praktyki wynika, że instalacja fotowoltaiczna powinna wytwarzać 1,2–1,3 rocznego wymaganego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Rzeczywisty bilans produkcji – zużycia energii – zależy m.in. od warunków pogodowych, czyli liczby słonecznych dni latem oraz temperatury zewnętrznej zimą, czy sprawności samej instalacji (np. ekspozycji paneli słonecznych i wskaźnika jej zacienienia). Instalacja PV mająca zasilać elektryczną podłogówkę musi być też wyposażona w odpowiedni system sterowania i regulacji, tak by optymalnie wykorzystać produkowaną energię (np. „decydować” o tym, czy energia solarna pojawiająca się zimą ma być kierowana bezpośrednio do zasilania podłogówki, czy bardziej opłacalny jest odbiór nadwyżki wytworzonej latem).

Największe korzyści i możliwości oszczędności na wydatkach energetycznych daje współpraca instalacji PV z pompami ciepła – pobierają one energię niezbędną do zasilania silników sprężarek. Dzięki wykorzystaniu energii z instalacji fotowoltaicznej można jeszcze poprawić efektywność pracy pomp ciepła. Jest to widoczne szczególnie podczas eksploatacji pomp powietrznych zimą, przy dużych mrozach, kiedy muszą być one wspomagane dodatkowym źródłem ciepła. Zasilanie np. nagrzewnic elektrycznych czystą i darmową energią elektryczną znacznie zmniejszyłoby koszty eksploatacji pompy powietrze/woda. Jeden z producentów pomp ciepła i modułów fotowoltaicznych oszacował zwrot z inwestycji w system pompa ciepła + instalacja fotowoltaiczna on-grid dla domu o powierzchni 120 m2. Obliczono, że zwrot kosztów instalacji PV nastąpi po ok. 7,5 roku. Po tym czasie instalacja będzie już na siebie pracować, przynosząc korzyści dzięki wykorzystaniu energii elektrycznej pochodzącej bezpośrednio z instalacji PV bądź odebranej z sieci dzięki wcześniejszemu odprowadzeniu nadwyżek.

Pompa ciepła i instalacja PV gotowe do współpracy

Pompy ciepła, które mają pracować z instalacją fotowoltaiczną, muszą być do tego odpowiednio przygotowane pod względem możliwości regulacji. Chodzi o integrację urządzenia z inteligentną siecią energetyczną (Smart Grid). Producenci nowoczesnych pomp ciepła coraz częściej wyposażają swoje urządzenia w złącze SG Ready – styk uwalniający (np. jako wyposażenie opcjonalne).

Żeby urządzenie elektryczne (w tym grzewcze) mogło być w pełni efektywnie zasilane energią elektryczną z instalacji fotowoltaicznej, potrzebny jest odpowiedni system sterowania. System ten, otrzymując sygnał z falownika (inwertera) instalacji PV o osiągnięciu odpowiedniego progu mocy, uruchamia urządzenie. W przypadku pomp ciepła ważne jest jednak, żeby – ze względu na konieczność ochrony sprężarki – pracowała ona po załączeniu przez minimalny okres wskazany przez jej producenta. Dlatego producenci pomp ciepła często wyposażają swoje urządzenia nie tylko w przełącznik SG Ready, ale także w specjalne złącze PV przeznaczone do instalacji fotowoltaicznej.

Jak wspomniano, najbardziej ekonomiczna wydaje się współpraca instalacji PV z pompą ciepła do przygotowania c.w.u. Wymaga to jednak przygotowania komponentów systemu c.w.u. Pierwszym warunkiem jest odpowiednie zwymiarowanie zasobnika – musi on zapewnić pobieranie c.w.u. przez co najmniej jeden dzień bez zasilania energią z instalacji fotowoltaicznej. Po drugie, konieczna jest odpowiednia moc instalacji fotowoltaicznej – co najmniej 5–6-krotnie większa niż moc potrzebna do zasilania sprężarki pompy produkującej c.w.u. Biorąc pod uwagę pobór energii przez sprężarkę pompy ciepła do c.w.u. (poniżej 1 kW), instalacja PV o mocy szczytowej ok. 4 kWp mogłaby zapewnić zasilanie tej pompy ciepła w co najmniej 80%. Rzeczywiste wartości są oczywiście zależne od warunków produkcji energii elektrycznej (liczba dni słonecznych, efektywność instalacji PV), warunków pracy układu przygotowania c.w.u. (np. strat ciepła na zasobniku lub przewodzie cyrkulacyjnym) czy wielkości zasobnika.

Przygotowanie pomp ciepła i instalacji c.w.u. do korzystania z energii elektrycznej z PV musi iść w parze z odpowiednim zarządzaniem jej produkcją.

Smart Grid – nadwyżka do sieci

Znakomita większość inwestorów wciąż jeszcze nie decyduje się na pełną samodzielność, jeśli chodzi o dostawę energii elektrycznej, i ma podpisaną umowę z zakładem elektroenergetycznym. Można wówczas bieżącą nadwyżkę energii nad zużyciem własnym przekazać w tzw. systemie on-grid do zakładu energetycznego. Jest to zgodne z zapisem art. 4. ustawy o OZE, który obejmuje pojęcie bilansowania energii. Zgodnie z ustawą, nadmiar wyprodukowanej energii można oddać do sieci energetycznej, a w momentach niedoboru produkcji (noc, zła pogoda) odebrać część. Można również zimą odebrać nadprodukcję letnią.

Wymaga to odpowiedniego zapisu w umowie z zakładem oraz zainstalowania licznika dwustronnego (dwudrożnego, dwukierunkowego, inteligentnego). Rejestruje on tę część energii, która dostarczana jest do sieci elektrycznej – na tej podstawie obniżane są rachunki wystawiane prosumentowi za energię. Biorąc pod uwagę koszty przesyłu energii, do obniżki rachunku uwzględnia się 70–80% ilości energii przekazanej z instalacji PV do sieci. Dokładna wartość zależy od mocy instalacji PV i jest zapisana w ustawie o OZE. Dla instalacji o mocy poniżej 10 kW można odbierać 80% dostarczonej energii, dla instalacji większej – 70%. Warunki odbioru energii powinny zostać określone w umowie z zakładem energetycznym, jednak co do zasady trzeba ją odebrać w ciągu roku, w okresach słabszego funkcjonowania instalacji PV.

Dzielenie się nadwyżką wyprodukowanej energii z siecią elektroenergetyczną (czyli podejście prosumenckie) wspiera także rząd. Zainstalowanie licznika dwustronnego i odpowiednia umowa z dostawcą jest bowiem jednym z warunków uzyskania dotacji w rozpoczętym we wrześniu 2019 roku programie dla inwestorów indywidualnych „Mój Prąd”. Dofinansowanie w wysokości do 5 tys. zł może przysługiwać na nowe mikroinstalacje fotowoltaiczne o mocy zainstalowanej od 2 do 10 kW.

Magazynowanie energii w domach – pieśń przyszłości?

Zasobniki (akumulatory) energii wydają się przyszłościowym rozwiązaniem dla tych inwestorów, którzy stawiają na jak największą niezależność od energii z sieci. Systemy samowystarczalne, oparte na akumulatorach, noszą nazwę off-grid. Ich największą zaletą jest duża sprawność – użytkownik odbiera niemal tyle energii, ile wyprodukował – nie tak jak w przypadku bilansowania energii, gdzie prosument traci 20–30% energii przekazanej do sieci.

Jednak oferowane obecnie rozwiązania są dość kosztowne – jeden z producentów podaje, że ceny baterii zaczynają się od 10 tys. zł, a szacunki wskazują, że w przypadku inwestycji w instalację PV off-grid zasobniki energii stanowią około połowy kosztów całej instalacji. Drugim problemem jest ograniczona żywotność zasobników – wystarczają zwykle na ok. 10 tys. cykli ładowania i rozładowywania, a więc 5–8 lat.

Zastosowanie akumulatorów w sieci wymaga odpowiedniego sterowania. Stosuje się albo odrębny falownik (inwerter) przeznaczony tylko do obsługi akumulatorów, albo falownik integrujący pracę całej instalacji, tj. paneli słonecznych i akumulatorów. W przypadku inwertera (sterownika) akumulatorowego regulowane jest ładowanie i rozładowywanie akumulatora zależnie od tego, czy instalacja PV produkuje energię w ilości wystarczającej na pokrycie aktualnych potrzeb, czy też jej brakuje.

Jednocześnie producenci wciąż pracują nad doskonaleniem technologii i inżynierii produkcji, by zasobniki stawały się coraz bardziej ekonomiczne dla odbiorców, zarówno pod względem kosztów zakupu, jak i późniejszej trwałości. Prace takie są także obszarem zainteresowania instytucji państwowych – np. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju sfinansowało niedawno projekt badawczy urządzenia, które ma umożliwić uzupełnienie istniejącej instalacji fotowoltaicznej o zasobnik energii (akumulator). Jego zadaniem ma być zapewnienie optymalnego przepływu energii we wszystkich kierunkach.

Jeśli inwestor zdecyduje się na wybór zasobnika energii do swojej instalacji, powinien zwrócić uwagę na następujące cechy:

• przystosowanie do pracy ciągłej (stopniowe ładowanie i rozładowywanie),
• szeroki zakres temperatury pracy,
• liczba cykli ładowania/rozładowywania,
• możliwie wysoka sprawność gromadzenia mocy (80%),
• wysoka gęstość energii oraz mocy.

Na rynku dostępnych jest obecnie kilka rodzajów zasobników (akumulatorów, baterii), m.in.:

• akumulatory litowo-jonowe: najbardziej intensywnie rozwijana technologia o sprawności gromadzenia mocy ok. 80% oraz o wysokiej gęstości przechowywanej energii i wysokiej gęstości mocy. Dzięki temu są lżejsze, a jednocześnie urządzenie mające nawet małą pojemność może być ładowane i rozładowywane dużymi prądami. Ta ostatnia cecha jest ważna w zastosowaniach domowych, w których w czasie sezonu grzewczego występuje zapotrzebowanie na duży, ale krótki pobór mocy;
• akumulatory żelowe: ze względu na żelową konsystencję elektrolitu dobrze przystosowane do wolnego ładowania, charakterystycznego dla instalacji fotowoltaicznych. Dobrze znoszą dłuższe naładowanie do połowy, ale źle rozładowanie głębokie (pełne) dłuższe niż 24 h;
• akumulatory AGM (Absorbed Glass Mat): elektrolit umieszczony jest w specjalnych separatorach z włókna szklanego, co zabezpiecza urządzenie przed wyciekiem elektrolitu podczas mechanicznego uszkodzenia. Charakteryzują się wysoką sprawnością i dowolnością montażu. Ceną jest jednak krótka żywotność i mała liczba cykli ładowania-rozładowania.

Decydując się na instalację off-grid albo instalację mieszaną (czyli podłączoną do sieci, ale też wyposażoną w zasobniki), inwestor musi zwrócić uwagę na dwa dodatkowe czynniki. Po pierwsze, niezbędne jest prawidłowe sterowanie – najlepiej szyte na miarę dla danej instalacji, z zastosowaniem odpowiedniej jednostki centralnej (zwanej menedżerem energii czy sterownikiem głównym), by pracowała ona optymalnie. Po drugie, gwarancja producenta (często nawet 20 lat) obowiązuje tylko wtedy, gdy regularnie przeprowadzane są przeglądy konserwacyjne (gwarancyjne), dokonywane przez instalatora certyfikowanego przez producenta.