Hybrydowa instalacja fotowoltaiczna. Magazyny energii do fotowoltaiki

Podwyżki cen energii elektrycznej wyraźnie pokazały domowym gospodarstwom, jak ważne jest uniezależnienie od zewnętrznych dostaw prądu. Według prognoz z 2020 roku, cena prądu miała ulec podwojeniu w ciągu 10 lat, lecz wiele wskazuje na to, że moment ten może nastąpić znacznie wcześniej. Problem ten nie doskwiera tak bardzo osobom, które zdecydowały się na zakup mikroinstalacji fotowoltaicznej. Zapotrzebowanie na prąd może być zaspokojone energią wyprodukowaną ze słońca. Czas jednak na jeszcze większą autonomię, którą dają hybrydowe instalacje fotowoltaiczne. Jak działa fotowoltaika z magazynem energii i dlaczego może stać się niezbędna?

Zdecydowana większość montowanych obecnie mikroinstalacji fotowoltaicznych to instalacje on-grid. Oznacza to, że współpracują one ściśle z siecią energetyczną, gdzie kierowane są nadwyżki wyprodukowanej energii. Takie rozwiązanie ma tę zaletę, że wyprodukowany i oddany do sieci prąd może zostać wykorzystany w późniejszym czasie. Pozwala na to stosowany obecnie system opustów, według którego można wykorzystać 80 proc. wyprodukowanego prądu w ciągu roku. Pozostałe 20 proc. (lub 30 proc. w instalacjach powyżej 10 kWp) to prowizja dystrybutora energii. W instalacjach on-grid sieć energetyczna pełni więc niejako rolę wirtualnego magazynu energii.

Problemem instalacji on-grid jest uzależnienie od działania sieci elektrycznej. W odróżnieniu od fotowoltaiki off-grid, działającej niezależnie od sieci, nie może ona funkcjonować, gdy sieć energetyczna nie działa. Paradoksalnie więc, mimo posiadania własnej elektrowni słonecznej, w przypadku braku dostaw prądu właściciele fotowoltaiki również są odcięci od energii elektrycznej. W dobie zagrożenia blackoutem i częstych awarii sieci przesyłowej, coraz większą popularność zdobywają hybrydowe instalacje fotowoltaiczne, łączące zalety systemów on-grid i off-grid. Już niedługo fotowoltaika z magazynem energii może stać się dominującym typem instalacji.

Czym jest hybrydowa instalacja fotowoltaiczna?

Instalacje hybrydowe z magazynem energii są w Polsce rzadkością, dlatego nie każdy ma świadomość, jak działają takie systemy. Fotowoltaika hybrydowa łączy cechy doskonale znanego systemu on-grid, wykorzystującego sieć energetyczną, z autonomicznym systemem off-grid. Ten drugi jest w Polsce marginalny, bowiem do przechowania całej wyprodukowanej nadwyżki energii elektrycznej potrzebne są kosztowne akumulatory o ogromnej pojemności. Dodatkowo w razie długiego załamania pogody i rozładowania akumulatorów budynek może całkowicie stracić zasilanie.

Instalacje hybrydowe rozwiązują ten problem. Zastosowane w nich falowniki współpracują bowiem zarówno z siecią, jak i magazynami energii. Nadprodukcja energii, która nie zostanie zagospodarowana w domu, wędruje najpierw do magazynów energii, a dopiero później, gdy te zostaną naładowane, do sieci. Magazyny pełnią rolę pomocniczą, więc nie muszą być tak duże, jak w typowej instalacji off-grid. Po ich wyczerpaniu prosument może korzystać z energii od dystrybutora, więc w trakcie pochmurnych dni nie pozostanie bez zasilania. Jednocześnie magazyny pozwalają uzyskać inne korzyści:

• zwiększają autokonsumpcję – wykorzystanie wyprodukowanej energii na własne potrzeby ma coraz większe znaczenie,
• minimalizują zakup energii od dystrybutora – jest to istotne, bowiem ceny prądu stale rosną,
• minimalizują odprowadzanie nadwyżek energii do sieci – już teraz wiele sieci jest przeciążonych, a w przyszłości może to skutkować odłączeniem falownika,
• zabezpieczają przed awarią sieci – podczas braków w dostawie prądu klasyczne instalacje on-grid nie działają, natomiast fotowoltaika hybrydowa może pracować na energii zgromadzonej w akumulatorach.

Połączenie fotowoltaiki z magazynami energii zwiększa autokonsumpcję energii nawet do 95%, co daje niemal całkowitą niezależność od dostaw sieciowych. To duża różnica względem zwykłej instalacji, której produkcja wykorzystywana jest na bieżąco zazwyczaj tylko w 10-40%. Reszta oddawana jest do sieci, gdzie zakład energetyczny pobiera 20 lub 30 proc. prowizji. To realna strata, którą można wyeliminować, instalując fotowoltaikę hybrydową.

1. Panele fotowoltaiczne
2. Optymalizatory mocy
3. Przewody DC
4. Magazyn energii
5. Falownik
6. Odbiory
7. Licznik energii
8. Sieć
9. Aplikacja do monitoringu

Dlaczego warto zdecydować się na hybrydową fotowoltaikę?

Podstawową rolą magazynów w instalacji hybrydowej jest zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego. Własne akumulatory dostarczające prąd w chwilach niedoboru zapewnią większą niezależność energetyczną. Zmagazynowana w nich energia posłuży do zasilenia podstawowych domowych urządzeń w momencie awarii sieci. Nawet niewielkie magazyny energii wystarczą, by zachować działanie lodówki, ogrzewania (nawet kotły węglowe wymagają prądu), routerów czy komputerów. Awaryjne zasilanie jest coraz ważniejsze i to z dwóch powodów.

Po pierwsze, wywołane zmianami klimatycznymi zjawiska pogodowe są coraz bardziej gwałtowne, co skutkuje częstymi przerwami w dostawie prądu. Silne wichury, ulewne deszcze czy gradobicie w wielu regionach regularnie doprowadzają do długich awarii prądu. Takie zdarzenia będą coraz powszechniejsze, dlatego warto przygotować się na to już dziś. Awaryjny system zasilania jest szczególnie ważny na terenach wiejskich, położonych z dala od dużych miast, gdzie naprawy sieci energetycznej mają najniższy priorytet. Po drugie zaś, coraz bardziej realnym scenariuszem staje się blackout. Niedobory gazu w europejskich magazynach mogą zimą doprowadzić do niewydolności sieci energetycznych i przerw w dostawach prądu. To dlatego, że gaz pełni rolę bufora energetycznego w momentach największego zapotrzebowania, a zimą zmniejsza się uzysk z energii odnawialnej – elektrowni fotowoltaicznych i wiatrowych. Ratunkiem jest import energii z zagranicy, jednak w przypadku ogólnoeuropejskiego kryzysu energetycznego nie będzie to możliwe.

Równie dużym zagrożeniem dla klasycznych instalacji on-grid jest zmiana przepisów. Wszystko wskazuje na to, że nowelizacja zostanie wprowadzona już w roku 2022. Stosowany obecnie system opustów ma zostać zastąpiony klasycznym rozliczeniem za prąd. Oznacza to, że wyprodukowana i niespożytkowana energia będzie odsprzedawana dystrybutorowi w cenie hurtowej. W chwili zwiększonego zapotrzebowania, czyli np. nocą lub zimą, prosument będzie musiał jednak zakupić prąd po rynkowej cenie. 

Fotowoltaika w cenach z 2021 roku

Dla większości gospodarstw zmiany te będą niekorzystne. Na ostrym cięciu systemu opustów ucierpią zwłaszcza ci użytkownicy fotowoltaiki, którzy oszczędzają energię na zimę, by zasilić elektryczne źródło ogrzewania, np. pompę ciepła. Po nowelizacji przepisów opłacalność tego rozwiązania zmaleje. Stracą także użytkownicy samochodów elektrycznych, które ładuje się głównie nocą, gdy panele fotowoltaiczne nie produkują już prądu. Zastosowanie magazynów energii w tym przypadku może okazać się skutecznym rozwiązaniem.

Zwiększenie autokonsumpcji energii jest niezbędne

Zmiany w branży fotowoltaicznej i tak byłyby konieczne, bez względu na ceny prądu czy warunki atmosferyczne. Sporym ograniczeniem dla dzisiejszego modelu rozliczenia jest niewydolność przestarzałej sieci energetycznej, która nie przyjmie tak wielu nowych instalacji fotowoltaicznych, a konkretnie generowanych przez nie nadwyżek. Oddana przez prosumentów nadprodukcja prądu musi być spożytkowana przez innych odbiorców w tym samym czasie, dlatego duże zagęszczenie mikroinstalacji nie jest wskazane. Już teraz w wielu miejscach podczas słonecznych dni dochodzi do skoków napięcia, które są niebezpieczne dla wrażliwej elektroniki. W skrajnych przypadkach falowniki instalacji mogą zostać odłączone od linii przesyłowej, co oznacza, że prosument nie będzie miał możliwości wirtualnego „zmagazynowania” lub sprzedaży energii. Co gorsza, falowniki wyłączą się wówczas, gdy produkcja prądu przez panele PV jest najwyższa.

Kierunek zmian jest więc oczywisty i najkorzystniejszym wyjściem jest zwiększenie autokonsumpcji. Już teraz rządowe programy dofinansowań preferują instalacje wykorzystujące magazyny energii, zasobniki ciepła czy pompy ciepła, a trend ten będzie jedynie wzrastał. Najskuteczniejszym obejściem ograniczeń transportowych lub mocowych jest natomiast skorzystanie z fotowoltaiki hybrydowej, która nie obciąża sieci tak mocno, jak stosowane obecnie instalacje on-grid.

Czytaj także o autokonsumpcji energii z fotowoltaiki

Fotowoltaika hybrydowa – warto zdecydować się już na początku

Dlaczego jednak warto zdecydować się na system hybrydowy od razu, jeszcze przed zakupem instalacji fotowoltaicznej? Wszystko wynika z tego, że fotowoltaika z magazynem energii wymaga zastosowania innego, hybrydowego inwertera. Klasyczny falownik fotowoltaiczny jedynie przetwarza prąd stały na przemienny, dostosowując energię elektryczną do tej, która jest dostępna w sieci. Nie obsługuje jednak magazynów energii.

Modyfikacja mikroinstalacji w późniejszym czasie wymagałaby zakupu nowego falownika, co jest mniej opłacalne i wiąże się ze stratą kilku tysięcy złotych. Koszt 3-fazowego inwertera hybrydowego waha się od ok. 5 do 12 tys. zł brutto. Co więcej, zakup jednego ekosystemu złożonego z paneli, falownika, automatyki i magazynów energii zwiększa wydajność instalacji hybrydowej, a także gwarantuje większą niezawodność.

Zasada działania hybrydowego inwertera

Falownik jest kluczowym elementem instalacji fotowoltaicznej. Od jego sprawności zależy w dużej mierze to, ile prądu stałego wyprodukowanego w panelach fotowoltaicznych uda się przekształcić na prąd przemienny, dostępny w gniazdkach. Inwerter hybrydowy wyróżnia się natomiast tym, że posiada dodatkowe wyjście obsługujące magazyny prądu stałego, a także sterującą nimi automatykę. Dzięki niej falownik może przekształcać energię elektryczną płynącą z paneli PV lub zgromadzoną w akumulatorach – w zależności od potrzeb i wybranego trybu działania.

Hybrydowy inwerter pełni więc trzy role:

1. Przekształca prąd produkowany przez panele fotowoltaiczne, tak jak klasyczny falownik.
2. Ładuje akumulatory magazynujące energię.
3. Pełni rolę przetwornicy prądu z akumulatorów, przekształcając DC do AC.

Jednocześnie falownik do instalacji hybrydowej może pracować w różnych trybach, w zależności od potrzeb gospodarstwa. W priorytecie na autokonsumpcję oprogramowanie falownika dąży do jak  najmniejszego poboru energii elektrycznej z zewnątrz, wykorzystując maksymalnie zasoby magazynu jak i aktualny uzysk prądu z modułów fotowoltaicznych. W pierwszej kolejności energia trafia do urządzeń gospodarstwa domowego, następnie do magazynów energii, a gdy te zostaną naładowane do pełna – do sieci. Możliwe jest też wybranie trybu backupu, utrzymującego wysokie naładowanie magazynów na wypadek awarii. Za rozdysponowanie energii elektrycznej, a także kontrolę niesymetrycznego obciążenia faz odpowiada oprogramowanie BMS (Battery Management System).

Instalacja hybrydowa - schemat

Klasyczny scenariusz pracy hybrydowej instalacji fotowoltaicznej może wyglądać następująco:

• Rano – panele fotowoltaiczne produkują niewielką ilość energii, więc niedobory uzupełniane są energią z sieci. Akumulatory nie są ładowane.
• W południe – to moment najwyższej produkcji energii elektrycznej, więc niewykorzystane nadwyżki prądu kierowane są do akumulatorów. Cała energia konsumowana jest przez domową instalację, więc nie ma ryzyka odłączenia falownika od przeciążonej szczytem energetycznym sieci. Domowa elektronika nie jest natomiast narażona na podwyższenie napięcia w gniazdkach.
• Po południu – produkcja energii wciąż jest duża. Po naładowaniu akumulatorów do pełna, energia oddawana jest do sieci. To jednak okres niższej produkcji oraz większego zużycia energii przez sąsiednie budynki, więc ryzyko przeciążenia sieci jest znacznie mniejsze.
• Wieczorem – w momencie, gdy panele fotowoltaiczne dostarczają zbyt małą ilość energii, niedobory pokrywane są z magazynów energii.
• W nocy – instalacja PV nie produkuje prądu i urządzenia domowe zasilane są wyłącznie z akumulatorów, aż do ich wyczerpania (lub do ustalonego progu). Możliwe jest również pozostawienie wysokiego naładowania akumulatorów na wypadek awarii sieci i korzystanie z taniej taryfy nocnej.

Fotowoltaika z magazynem energii – cena

Jedynym minusem hybrydowych instalacji fotowoltaicznych jest cena. Koszty mikroinstalacji są o ok. 50% wyższe i wpływa na to przede wszystkim konieczność zakupu drogich magazynów energii.  Zakup mikroinstalacji hybrydowej o mocy 3 kWp to koszt ok. 30 tys. zł. Trzeba jednak podkreślić, że dotychczasowe obliczenia opłacalności uwzględniały system opustów, który mocno preferował produkowanie nadwyżek prądu i odbieranie ich w chwilach niższej produkcji.

SOLAX TRIPLE POWER 3.0 BATTERY - system magazynujący energię elektryczną

Po zmianie przepisów opłacalność instalacji on-grid spadnie, dlatego instalacja hybrydowa będzie coraz bardziej popularna. W analizach należy uwzględnić bowiem rosnące ceny prądu, straty spowodowane brakiem odbioru energii elektrycznej(odłączanie inwerterów po przeciążeniu sieci), mniej korzystne warunki rozliczenia i większe ryzyko przerw w dostawie prądu. Szansą dla instalacji hybrydowych jest też ciągły rozwój akumulatorów, który może w przyszłości doprowadzić do zwiększenia wydajności ogniw lub spadku cen magazynów. Rozbudowa instalacji o kolejne magazyny jest znacznie łatwiejsza niż dołożenie magazynów do fotowoltaiki on-grid z klasycznym falownikiem.

Czytaj także o nowych technologiach w fotowoltaice

Zapytaj o instalację hybrydową!

Skontaktuj się z nami!