Fotowoltaika z magazynem energii – jak dopasować system do potrzeb?

Magazynowanie energii – dlaczego magazyn energii do fotowoltaiki jest istotny?

Jednym z najważniejszych obecnie zagadnień w fotowoltaice jest magazynowanie energii. Temat ten nabiera szczególnego znaczenia w strefach klimatycznych o niedużym nasłonecznieniu – takich jak nasza. W okresach zimowych produkcja prądu z paneli fotowoltaicznych znacznie spada w porównaniu do sezonu letniego. Dlatego magazynowanie energii w momentach nadwyżek i wykorzystywanie jej w okresach większego zapotrzebowania to rozwiązanie poszukiwane przez inwestorów. Pozwala ono na uniezależnienie się od sieci energetycznej i warunków dostawców, umożliwia zwiększenie autokonsumpcji oraz gwarantuje stabilność dostaw. Instalacja fotowoltaiczna bez akumulatora produkuje energię, z której jedynie ok. 20-40% wykorzystywane jest na potrzeby własne. Reszta oddawana jest odpłatnie do sieci energetycznej. Natomiast jeśli produkcja energii jest niska, a zapotrzebowanie wysokie, to konieczne jest korzystanie z płatnego prądu z sieci.

• Przeczytaj też: Fotowoltaika na balkonie - sprawdź, czy warto w nią inwestować

Magazynowanie energii pozytywnie wpływa też na wysokość rachunków za prąd, a także na wahania cen rynkowych. Dzięki posiadanej rezerwie energii wyłączenia czy zaniki prądu w sieci energetycznej (tzw. blackouty) nie są zagrożeniem. Dostępne aktualnie na rynku rozwiązania umożliwiają magazynowanie energii, ale krótkoterminowo. Sprawdzają się one w sytuacjach, gdy w słoneczny dzień wystąpi nadwyżka produkcji lub kiedy zapotrzebowanie jest niskie – wtedy w porze nocnej wykorzystywana jest zgromadzona energia. Jednak aby w pełni wykorzystywać energię z paneli fotowoltaicznych potrzebne są rozwiązania do długoterminowego przechowywania nadwyżek. Tego rodzaju technologie to wciąż obszar badań i testów, choć niektóre z nich już są wykorzystywane.

Kluczowe kryteria wyboru – jak dobrać magazyn energii do fotowoltaiki? 

Magazyn energii do fotowoltaki powinien być dostosowany przede wszystkim do wielkości instalacji i zapotrzebowania budynku na prąd. Bateria powinna zapewnić normalne użytkowanie danego obiektu w przypadku braku prądu, czy to wskutek zaniku napięcia w sieci czy braku produkcji energii przez panele PV przy pochmurnej pogodzie.

Jeśli chodzi o sam magazyn energii do fotowoltaiki, warto zwrócić uwagę na następujące parametry:

• pojemność,
• wydajność,
• zdolność gromadzenia energii (inaczej gęstość energii),
• żywotność baterii,
• czas ładowania,
• głębokość rozładowania.

Istotną cechą akumulatorów jest ich żywotność, na którą użytkownik ma wpływ poprzez właściwą lub niewłaściwą eksploatację. Żywotność baterii to czas, w którym akumulator działa w pełnym spektrum funkcjonalności. Jednak z czasem w każdej baterii następuje obniżenie sprawności, przez co pracuje ona mniej efektywnie. Wpływ na to ma ilość cykli ładowania, czyli procesu pełnego naładowania i rozładowania baterii. Maksymalna liczba cykli jest określona przez producenta – w nowych bateriach wynosi ok. 10 000, co przekłada się na ok. 10 lat użytkowania.

• Przeczytaj też: Wszystkie nowe budynki muszą być zeroemisyjne, a istniejące zmodernizowane. Oto zasady unijnej dyrektywy budynkowej

Ważnym aspektem w temacie magazynowania energii elektrycznej jest bezpieczeństwo, ponieważ akumulatory i baterie mogą wywołać zagrożenie pożarem i wybuchem. Aby tego uniknąć należy podjąć działania, które minimalizują zagrożenie. Warto wybierać certyfikowane i atestowane urządzenia, zarówno same baterie, jak i inwertery. Do tego istotne jest zapewnienie w pomieszczeniu odpowiedniej temperatury, czyli chłodzenia (szczególnie w przypadku baterii litowo-jonowych mających tendencję do przegrzewania) oraz wyposażyć je w system detekcji pożaru. Instalację elektryczną należy wyposażyć w zabezpieczenia w postaci bezpieczników i wyłączników, a także zastosować kilka odrębnych obwodów, co chroni przed przeciążeniem instalacji i zwarciem.

Systemy on-grid, off-grid i hybrydowe – jaki magazyn energii wybrać?

Wybór magazynu energii jest ściśle powiązany z architekturą całej instalacji fotowoltaicznej. Najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest system on-grid, który pracuje równolegle z publiczną siecią elektroenergetyczną. Jego głównym zadaniem jest zwiększenie autokonsumpcji – energia jest w pierwszej kolejności zużywana na bieżąco, nadwyżki mogą być kierowane do magazynu energii (jeśli instalacja go posiada), a dopiero w ostateczności oddawane do sieci lub z niej pobierane.

Z kolei systemy off-grid działają w pełni autonomicznie i znajdują zastosowanie tam, gdzie brakuje dostępu do infrastruktury energetycznej, np. w domkach letniskowych. Wymagają one jednak przewymiarowania zarówno instalacji PV, jak i pojemności magazynu energii, aby zapewnić ciągłość zasilania przez cały rok.

Największą elastyczność oferują systemy hybrydowe, które łączą zalety obu poprzednich rozwiązań. Na co dzień współpracują z siecią, podobnie jak systemy on-grid, ale w przypadku awarii lub zaniku napięcia potrafią przełączyć się w tryb pracy wyspowej, zapewniając zasilanie awaryjne dla kluczowych urządzeń w domu. Dzięki tej wszechstronności i wysokiemu poziomowi bezpieczeństwa energetycznego instalacje hybrydowe stają się obecnie jednym z najczęściej wybieranych rozwiązań w budownictwie jednorodzinnym.

Jak dobrać magazyn energii do fotowoltaiki i zintegrować go z systemem OZE?

Kluczem do odpowiedniego doboru magazynu energii do fotowoltaiki jest analiza jej zużycia. W zależności od obiektu będzie się ono znacznie różnić. W gospodarstwach jednorodzinnych zapotrzebowanie w ciągu dnia jest znikome, ale np. w budynkach biurowych są to najbardziej energochłonne godziny. W zakładach pracy czy przemyśle to zużycie może być na jednakowym poziomie przez całą dobę, a zmniejszać się dopiero w weekendy. Analizę najlepiej wykonać w oparciu o rachunki za prąd lub na podstawie odczytów z nowoczesnych, inteligentnych liczników pokazujących zużycie w czasie rzeczywistym. Warto zwrócić uwagę na szczytowe godziny zapotrzebowania. Istotną informacją jest też ilość wyprodukowanej energii z paneli PV i jej udział w całkowitym zużyciu. Kluczowa w doborze magazynu energii do fotowoltaiki jest jego pojemność. Aby ją oszacować najprościej wystarczy średnie dzienne zapotrzebowanie na energię [kWh] przemnożyć przez liczbę dni, w których magazyn energii do fotowoltaiki będzie wykorzystywany. Warto uwzględnić pewien zapas, ponieważ przy każdym rodzaju baterii występują straty – zwykle 10-20%.

Instalacja fotowoltaiczna współpracująca z pompą ciepła to dobre rozwiązanie, najlepiej działające z zastosowaniem magazynu energii do fotowoltaiki. Te dwie technologie mają wiele korzyści zarówno dla środowiska, jak i dla użytkownika, choćby w postaci oszczędności. Problem polega jednak na tym, że ich działanie nieco rozmija się w czasie, ponieważ w miesiącach letnich, gdy produkcja prądu z paneli jest największa – zapotrzebowanie na ogrzewanie pompą ciepła jest najmniejsze. Energię można wtedy wykorzystać do podgrzewania wody użytkowej. Jednak mając możliwość gromadzenia, a następnie wykorzystania energii w perspektywie kilku miesięcy – otrzymujemy system praktycznie samowystarczalny.

• Przeczytaj też: Jakie czynniki wpływają na żywotność i efektywność pomp ciepła?

Inteligentne systemy zarządzania budynkiem, a w tym przypadku energią pozwalają na jej efektywniejsze wykorzystanie. Na rynku dostępne są systemy monitorujące zużycie energii elektrycznej w czasie rzeczywistym, które umożliwiają racjonalne wykorzystanie zgromadzonej energii. obecnie użytkownicy mogą mieć dostęp do danych, takich jak wielkość produkcji energii elektrycznej z paneli fotowoltaicznych, zużycie na potrzeby własne, ilość energii przechowywanej w magazynie energii czy wielkość przesyłu do sieci energetycznej. Systemy sterowania mogą współpracować z siecią, dzięki czemu możliwa jest sprzedaż nadwyżek energii na korzystnych dla prosumenta warunkach.

Magazynowanie energii – przegląd dostępnych technologii

• Baterie litowo-jonowe – najpopularniejsze rozwiązanie; dobrze się sprawdzają przy szybkim ładowaniu, nie ma potrzeby ich do końca rozładowywać. charakteryzują się też krótkim czasem ładowania. Mają wysoką zdolność gromadzenia energii, nawet 2,5-5 razy więcej na jednostkę masy niż baterie kwasowo-ołowiowe i są od nich droższe. Ich żywotność jest dość wysoka, wynosi nawet do 15 lat. Trzeba jednak pamiętać, że utylizacja i recykling tego typu baterii nie są łatwe.
• Baterie kwasowo-ołowiowe – w porównaniu do innych mają najniższą zdolność gromadzenia energii, wymagają też częstszej wymiany, mają duże gabaryty i masę, ale są stosunkowo tanie. Jest to najbardziej sprawdzona i najstarsza technologia.
• Magazynowanie energii w postaci ciepła – alternatywa dla baterii, sprawdza się w wodnych systemach grzewczych i na cele podgrzewu c.w.u., np. przy współpracy z pompą ciepła. Z wykorzystaniem energii elektrycznej podgrzewana jest woda i w postaci ciepła przechowywana w buforze do momentu zapotrzebowania.
• Magazynowanie energii wodorowej – jest to zdecydowanie najrzadziej wykorzystywana obecnie technologia. Wykorzystuje proces elektrolizy i umożliwia przekształcanie energii elektrycznej w wodór i odwrotnie. Jednak sprawność tego procesu jest dość niska i pozwala na odzysk jedynie ok. 30% energii (gdzie w przypadku baterii litowo-jonowych ta wartość to nawet 80-90%). Ogniwa wodorowe są też dość drogie, m.in. ze względu na skalę (małe są nieopłacalne). W gospodarstwach jednorodzinnych mają nikłe szanse na wykorzystanie, jednak w przypadku większych instalacji PV w niedługim czasie mogą okazać się wartą do rozważenia alternatywą.

Tryby pracy magazynu energii – jak maksymalizować korzyści?

Nowoczesne magazyny energii to nie tylko proste akumulatory, ale inteligentne urządzenia, które można skonfigurować do pracy w różnych trybach w celu maksymalizacji korzyści. Podstawowym trybem jest zwiększenie autokonsumpcji, w którym nadwyżki energii produkowane w ciągu dnia są gromadzone i wykorzystywane wieczorem oraz w nocy, co znacząco obniża rachunki za prąd. Drugą kluczową funkcją jest zasilanie awaryjne. W razie przerwy w dostawie prądu z sieci, system automatycznie przełącza się na zasilanie z akumulatorów, podtrzymując działanie najważniejszych domowych urządzeń.

Coraz większe znaczenie zyskuje także tryb optymalizacji taryfowej. Pozwala on na inteligentne zarządzanie energią w oparciu o zmienne ceny prądu. Magazyn może być zaprogramowany tak, aby ładował się z sieci w godzinach, gdy energia jest najtańsza (np. w taryfie nocnej), a oddawał ją do instalacji, gdy stawki są najwyższe. Takie działanie pozwala w pełni wykorzystać potencjał dynamicznych taryf i dodatkowo zwiększyć oszczędności.

Systemy rozliczeń nadwyżek energii – net-billing i jego wpływ na decyzję o magazynowaniu 

Obowiązujący w Polsce system rozliczeń net-billing w znaczący sposób wpłynął na opłacalność inwestycji w magazyny energii. W tym modelu prosumenci sprzedają nadwyżki wyprodukowanej energii do sieci po aktualnych cenach rynkowych. Kiedy jednak potrzebują uzupełnić niedobory, na przykład wieczorem lub w pochmurne dni, muszą kupować prąd po wyższych stawkach detalicznych, uwzględniających dodatkowe opłaty dystrybucyjne. Ta różnica w cenach sprawia, że magazynowanie energii w sieci stało się mniej korzystne niż w poprzednim systemie rozliczeń.

W tym kontekście magazyn energii staje się kluczowym elementem instalacji fotowoltaicznej. Zamiast sprzedawać nadwyżki do sieci, prosument może je gromadzić we własnym akumulatorze i wykorzystywać w dowolnym momencie. Dzięki temu ogranicza zakup drogiej energii z sieci, co przekłada się na większą niezależność energetyczną oraz lepszą ekonomię całego systemu fotowoltaicznego.

Czy magazynowanie energii się opłaca? Jakie są koszty inwestycji?

Podobnie jak w innych branżach ceny energii na rynku kształtuje prawo popytu i podaży. W godzinach okołopołudniowych, gdy produkcja energii z paneli PV jest najwyższa – zapotrzebowanie jest najmniejsze, ponieważ użytkownicy są poza domem. Powstają wtedy nadwyżki energii, a w związku z tym jej ceny spadają. Z kolei wieczorem, gdy produkcja jest niska, zapotrzebowanie na energię rośnie. Cena wtedy spada. Magazyn energii do fotowoltaiki zapobiega sprzedawaniu jej (w ciągu dnia) do sieci energetycznej i kupowaniu (w porze wieczornej) po niekorzystnych dla prosumenta cenach.

Uwzględniając powyższe, inwestycja w magazyn energii do fotowoltaiki wydaje się obecnie bardzo uzasadniona. Jednak to, co może zniechęcać, to koszt baterii, choć widoczny jest już na rynku spadek cen wraz z rosnącą popularnością tego rozwiązania. Najtańsze są oczywiście małe magazyny energii od 3 do 5 kWh – ich ceny zaczynają się już od około kilku tysięcy złotych, jednak w przypadku kompletnych systemów do instalacji fotowoltaicznych najczęściej wynoszą około 12–20 tys. zł. Średnie magazyny od 5 do 10 kWh oscylują w granicach 20–35 tys. zł, a duże 10–15 kWh to koszt od około 30 do 50 tys. zł. Oprócz ceny samego magazynu należy uwzględnić koszty montażu oraz ewentualnej modernizacji instalacji fotowoltaicznej.

Magazynowanie energii – trendy i przyszłość rynku

Rynek magazynów energii wciąż się rozwija, a co za tym idzie pojawiają się nowe technologie. Badania w zakresie baterii tanich, a jednocześnie o wysokiej sprawności wciąż trwają. Jednym z rozwiązań, które może wkrótce zmienić rynek są baterie sodowo-jonowe. Ich zaletą jest dłuższy możliwy czas przechowywania energii oraz większa dostępność sodu jako pierwiastka w porównaniu do litu (baterie litowo-jonowe). Coraz częściej wdrażane są też akumulatory przepływowe, np. typu redox-flow. Ich zaletą jest niepalność oraz brak konieczności pozyskania do produkcji wyczerpywalnych pierwiastków.

Nowoczesne rozwiązania umożliwiają także monitorowanie sieci energetycznych – są to tzw. sieci inteligentne (smart grids). Dzięki zastosowaniu systemu opartego o czujniki i analizę danych możliwe jest dokładniejsze zbieranie informacji o zapotrzebowaniu i zużyciu energii, dostosowując do nich pracę całego systemu. Zwiększa to elastyczność produkcji i pozwala zoptymalizować działanie sieci. Smart grids da się przełożyć także na mniejszą skalę instalacji fotowoltaicznych. Taki system oparty m.in. o inteligentne liczniki pozwala na efektywniejszą pracę paneli PV oraz może wygenerować znaczne oszczędności poprzez skuteczne zarządzanie magazynem energii.

• Zobacz też: Najwyższe budynki mieszkalne w Warszawie