Wytwarzanie energii elektrycznej w domu

Wstęp

Wytwarzanie energii elektrycznej możliwe jest w przypadku własnego domu (budynku) poprzez wykorzystane paneli fotowoltaicznych. Inne technologie są niestosowalne (może oprócz kogeneracją lub elektrownią wiatrową mocy mikro).

Opłacalność fotowoltaiki

Obecne dopłaty do paneli fotowoltaicznych

Dla odbiorców prywatnych są dostępne dopłaty.

Dla firm jest „zachęta” w postaci nowej opłaty na fakturze – opłaty mocowej, która jest pobierana za energię zużytą w godzinach 7-22:00 (więcej o strukturach opłat za energię elektryczną). A zatem, żeby jej uniknąć można zastosować fotowoltaikę, która zmniejszy zużycie energii właśnie w tych godzinach. Poza tym dla firm należy szukać programów lokalnych dofinansowania.

Realna opłacalność fotowoltaiki

Czas zwrotu nakładów orientacyjnie 4-9 lat (w zależności od dotacji w chwili inwestycji). Żywotność instalacji fotowoltaicznej wynosi 25 lat (realnie), chociaż po ok. 10-12 latach konieczna będzie wymiana elektroniki przetwarzania mocy (tzw. falownika, inwertera) – koszt kilka tys. PLN (orientacyjnie jedno-/dwuroczny zysk z wytworzonej energii). Suma sumarum przez ok. 14-19 lat można mieć naprawdę darmową energię (już po odliczeniu kosztów inwestycji i obsługi).

Warunki techniczne dla dobrej opłacalności inwestycji w fotowoltaikę

Opłacalność fotowoltaiki w dużym stopniu zależy od warunków technicznych – najlepszy jest dach lub inna konstrukcja skierowana na południe i wówczas uzyskiwane są czasy zwrotów opisane powyżej. Gorzej jest przy np. dachu 2-spadzistym wschód-zachód, ale i takie instalacje się stosuje. Konieczny jest też brak zacienienia, ponieważ nawet niewielki obszar zacienienia może całkiem wyłączyć produkcję energii (na okres zacienienia). Możliwe są też konstrukcje naziemne.

Roczny uzysk energii elektrycznej [kWh/rok], w zależności od usytuowania instalacji, można określić dzięki następującemu narzędziu:

PHOTOVOLTAIC GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM

Ryzyko inwestycyjne dla fotowoltaiki

Ryzyko inwestycyjne instalacji fotowoltaicznej jest niskie, ponieważ instalacja jest trwała (długie okresy gwarancji) a ceny energii raczej nie spadną. Inwestycję tę można traktować jako lokatę kapitału.

Rodzaje instalacji paneli fotowoltaicznych

Z punktu widzenia inwestora instalacje fotowoltaiczne mogą być podzielone na:

• instalacje on-grid – podłączone do sieci,
• instalacje off-grid – nie podłączone do sieci,
• instalacje hybrydowe – podłączone do sieci, wyposażone w akumulatory.

Podział ze względu na magazyn energii:

• instalacje bez magazynu energii (tylko on-grid),
• instalacje z magazynem energii (off-grid i hybrydowe).

Podział ze względu na umiejscowienie instalacji fotowoltaicznych:

• instalacje na gruncie,
• instalacje dachowe (mocowanie dachówkowe – dachy skośne; mocowanie na konstrukcjach, mocowanie balastowe lub klejowe – dachy płaskie), ew. na elewacji.

Podział ze względu na sposób rozliczeń instalacji fotowoltaicznych:

• prosument (stare zasady (opusty, instalacje do 31.03.2022 r.) lub nowe zasady (net-billing)),
• instalacje komercyjne (bez sprzedaży energii lub ze sprzedażą energii),
• instalacje off-grid – bez rozliczeń.

Podział ze względu rodzaj paneli:

• I generacji: monokrystaliczne (droższe, bardziej sprawne, sprawność do 22%) lub polikrystaliczne (tańsze, mniej sprawne, sprawność do 18%),
• II generacji: panele amorficzne (sprawność 6-10%), CIGS (13-16%), CdTe (12-14%). Są to panele cienkowarstwowe (1-3 mikrometrów warstwy). Z uwagi na dużą redukcję zużycia półprzewodników są znacznie tańsze w produkcji, a cały proces bardziej zautomatyzowany. Są dostępne także moduły HIT (22%, 98 mikrometrów),
• III generacji: panele organiczne (do 5%) i barwnikowe (DSC lub DSSC, do 11%) ogniwa fotowoltaiczne.

Ze względu na cel inwestycji w fotowoltaikę:

• redukcja rachunków własnych za energię elektryczną,
• redukcja rachunków własnych za energię elektryczną z dodatkowym zyskiem ze sprzedaży,
• redukcja rozliczeniowa emisji CO2 powodowanej przez prowadzoną działalność,
• inwestycja wizerunkowa (np. ze względu na politykę firmy),
• inwestycja wolnego kapitału (np. inwestycje w udziały w dużych farmach fotowoltaicznych).

Podział ze względu na model inwestycji:

• inwestycja środków własnych,
• inwestycja własna z dopłatami,
• inwestycja komercyjna wolnych środków lub kredytowana,
• utworzenie spółki celowej wykonującej inwestycję,
• udostępnienie swojego dachu lub terenu pod obcą instalację.

Rozliczenia w systemie Prosument (nowe zasady – Net-billing)

W systemie prosument rozliczenia odbywają się na podstawie następujących wskazań licznika (od połowy 2022 r. – rejestrów profili mocy):

• dla każdej pełnej godziny w miesiącu licznik zlicza w sposób tradycyjny energię w 2 rejestrach: energia pobrana z sieci [kWh] (+) i energię oddaną do sieci [kWh] (-),
• po zakończeniu pełnej godziny następuje zbilansowanie (odjęcie od siebie) wartości energii pobranej i oddanej w tej godzinie – wynikiem jest ilość energii oddanej (jeżeli wynik jest ujemny) lub pobranej (jeżeli dodatni) dla tej godziny. Są to tzw. Sumy godzinowych sald,
• dla każdej kolejnej godziny zapisywana jest następna suma godzinowa (dodatnia lub ujemna). Zapisywanych jest w miesiącu 30 x 24 = 720 wartości, z czego część jest dodatnich, część ujemnych,
• po zakończeniu miesiąca sumowane są: Sumy godzinowych sald energii pobranej (czyli wszystkie dodatnie wartości godzinowe, +) i Sumy godzinowych sald energii oddanej (czyli wszystkie ujemne wartości godzinowe, -). Te dwie wartości są podstawą rozliczenia faktury miesięcznej (omówienie na przykładzie rozliczenia miesięcznego).

Wykonywane są następujące przeliczenia:

• do ilości energii pobranej (pobranej wg rozliczeniowej ceny energii (np. taryfowej)) doliczane są koszty dystrybucyjne zmienne i stałe (największym kosztem dystrybucyjnym jest opłata dystrybucyjna zmienna), doliczana jest akcyza i VAT,
• do ilości energii oddanej zastosowana jest „urzędowa” cena energii (RCEm Rynkowa miesięczna cena energii elektrycznej),
• wartość energii oddanej w [PLN] zapisywana jest w „DEPOZYCIE”. Jest to wirtualny depozyt Klienta u sprzedawcy energii,
• do energii oddanej nie są doliczane opłaty dystrybucyjne ani podatki.

W następnym miesiącu:

• w następnym miesiącu odbiorca energii może wykorzystać środki z depozytu za poprzednie 12 miesięcy do zapłaty za energię pobraną z VAT (uwaga: tylko za energię, a nie za opłaty dystrybucyjne),
• koszty dystrybucyjne musi zapłacić na podstawie wystawionej faktury,
• wartość energii oddanej w [PLN] z bieżącego miesiąca zapisywana jest w „DEPOZYCIE”.

Po 12 miesiącach:

• Jeżeli w depozycie znajdują się środki niewykorzystane na sfinansowanie energii pobieranej, starsze od 12 miesięcy, to takie środki przepadają w 80%. Można będzie wypłacić jedynie 20% kwoty (sprawa nie jest pewna, ponieważ pierwsze wypłaty jeszcze nie nastąpiły, a mogą nastąpić zmiany).
• Dotyczy to sytuacji nadmiernej nadprodukcji energii elektrycznej (przewymiarowana instalacja).

Od 01.07.2024 r.:

• Od 01.07.2024 r. ustawowo energia jest kupowana z ceną godzinową (ceny zmienne co godzinę). Dotyczy to wszystkich odbiorców (nie tylko producentów energii).
• Ceny są określane na podstawie Towarowej Giełdy Energii www.tge.pl, wg notowań Rynku Dnia Następnego „RDN”.

Rys. Dla okresu od 01.07.2024 r.: przykładowe kursy RDN cen energii elektrycznej [PLN/MWh] w zależności od godziny doby [www.tge.pl, RTG>Notowania>RDN]

Fotowoltaika – co lepsze: autokonsumpcja, czy oddawanie energii?

Porównanie oszczędności z autokonsumpcji z zyskami z oddania energii do sieci

Przez autokonsumpcję rozumie się wykorzystanie wyprodukowanej energii elektrycznej na miejscu, przez własne odbiorniki energii, bez wprowadzania energii do zewnętrznej sieci dystrybucyjnej.

W systemie prosument (nowe zasady), w przypadku produkcji na własne potrzeby i zużyciem energii bez oddawania energii do sieci operatora (tzw. autokonsumcja) uzyskuje się następujące oszczędności:

• zmniejszenie kosztu energii (cena energii kupna x ilość energii zaoszczędzonej),
• zmniejszenie opłat dystrybucyjnych zmiennych (opłata dystrybucyjna zmienna x ilość energii zaoszczędzonej).

Zsumowaną cenę kupna energii [PLN/kWh] i opłatę dystrybucyjną zmienną [PLN/kWh] oznaczmy poniżej przez X.

W przypadku wariantu z oddaniem części energii do sieci, uzyskuje się zysk ze sprzedaży, który może być rozliczeniowo wykorzystany do opłacenia kosztów energii pobieranej z sieci. Zyskiem ze sprzedaży jest zasilenie DEPOZYTU. DEPOZYT finansowy ze sprzedaży (cena energii sprzedaży (RCEm Rynkowa miesięczna cena energii elektrycznej) x ilość energii oddanej).

Zadajmy sobie pytanie, co jest większe X czy RCEm (czyli czy większą korzyść można uzyskać z tytułu autokonsumpcji, czy z tytułu oddania energii do sieci). Obecnie z reguły X, ale zdarzały się wyjątki. Tym nie mniej, należy pamiętać, że z DEPOZYTU można sfinansować tylko część opłat za energię pobraną (koszt zakupu energii a nie opłaty dystrybucyjne). Z tych powodów dąży się do jak największej autokonsumpcji.

Fotowoltaika – sposoby na jak największą autokonsumpcję

Autokonsumpcję można zwiększyć na następujące sposoby:

• Przesunięcie zużycia energii na godziny produkcji energii z fotowoltaiki: zmiana programów czasowych urządzeń, zmiana nawyków.
• Stosowanie akumulatorowego magazynu energii.

Fotowoltaika – Magazyny energii

Cel stosowania magazynów energii

Magazyny energii w instalacjach fotowoltaicznych stosuje się w następujących celach.

• Zwiększenie autokonsupcji i unikanie oddawania energii do sieci (autokonsumpcja bardziej opłacalna).
• Instalacja z magazynem energii może pracować także w okresach, gdy w dni słoneczne, na skutek oddawania energii przez sąsiednie instalacje PV, napięcie w sieci operatora przekracza dopuszczalne Un+10%=254 V. Wówczas bez magazynu energii oddawanie energii do sieci jest nie możliwe – falownik (inwerter) się wyłącza.
• Magazyn energii może pracować jako UPS, zasilanie rezerwowe na wypadek braku zasilania z sieci dystrybucyjnej (z obwodami/odbiornikami „rezerwowanymi”).
• Może być opłacalny w kontekście godzinowych cen energii (od 01.07.2024 r.).

Wady magazynu energii:

• Aby określić rzeczywistą pojemność kupowanego magazynu, pojemność nominalną należy obliczeniowo pomniejszyć o ok. 20%, czyli magazyn o pojemności 10 kWh ma dysponowalną pojemność 8 kWh (zalecany poziom naładowania powyżej 20%, nie zalecane jest rozładowanie poniżej 20% stanu naładowania).
• Straty energii w akumulatorach i na sterowaniu wynoszą orientacyjnie 5-20% energii magazynowanej.
• Żywotność zależy od liczby cykli rozładowania (rzędu od kliku tys. do 8 tys., max 20 lat). Zależy też od temperatury akumulatorów. Podczas czasu życia spada ich pojemność.

Fotowoltaika – Dodatkowe wyposażenie instalacji fotowoltaicznej (PV)

Inwestor powinien uwzględnić na etapie inwestycji następujące dodatkowe urządzenia:

• Przeciwpożarowy wyłącznik prądu stałego napięcia (obowiązkowy powyżej mocy zainstalowanej 8,5 kWp, jednak może być przydatny z punktu widzenia opinii PSP, możliwości odmówienia gaszenia pożaru, ubezpieczenia budynku).
• Dodatkowe uziomy dla paneli PV (nie zawsze w standardzie wykonawcy!).
• Urządzenia przeciwprzepięciowe instalacji PV (prąd stały) i dla sieci budynku (prąd przemienny). Chronią urządzenia przed nagłymi skokami napięcia (np. w czasie burz).
• Zdalny odczyt profili mocy produkowanej – funkcjonalność falownika (inwertera).
• Zdalny odczyt profili mocy oddawanej i pobieranej przez licznik rozliczeniowy operatora sieci dystrybucyjnej OSD – funkcjonalność licznika. Przykładowo operator sieci PGE umożliwia taką funkcjonalność za opłatą po wcześniejszym zgłoszeniu. Dla liczników w taryfie C2x i B2x jest to standardem.
• Optymalizatory paneli (dla sytuacji, gdzie panele nie są ustawione w tę samą stronę lub gdy bywają przesłonięte, np. przez gałęzie drzew).

Fotowoltaika – Kontrola i utrzymanie instalacji podczas pracy

Poza standardowymi przeglądami obiektów budowlanych (w szczeg.: instalacji elektrycznej) instalacja fotowoltaiczna wymaga:

• Kontroli termowizyjnej paneli (poszczególnych ogniw) oraz przewodów, wykonywana w dzień słoneczny, polegająca na wykrywaniu miejsc o podwyższonej temperaturze w porównaniu z elementami sąsiednimi.
• Kontroli termowizyjnej rozdzielnic i urządzeń elektrycznych – szczególnie w miejscach połączeń elektrycznych – sytuacje do zgłoszenia reklamacyjnego.
• Odśnieżania, czyszczenia, koszenia trawy (instalacja na gruncie), ochrony (zab. przeciwkradzieżowe) instalacji, ubezpieczenia instalacji i budynku. Kontroli rozliczeń (faktur) z operatorem sieci.

Fotowoltaika – Dobór mocy instalacji PV [kWp] i dobór pojemności akumulatorów [kWh]

Dane potrzebne do doboru mocy instalacji PV [kWp]

Danymi wejściowymi do doboru mocy zainstalowanej instalacji fotowoltaicznej są:

• Lokalizacja geograficzna. Miejsce na instalację – potrzebne do określenia kąta względem południa i nachylenia paneli do horyzontu.
• Zużycie energii roczne [kWh/rok] z faktur (optymalnie znać profile poboru mocy 1-godzinowe, dostępne od operatorów sieci (przy taryfie Cxx i Bxx)).
• Przeszkody przysłaniające panele fotowoltaiczne (gałęzie drzew, słupy). Należy też przewidzieć rozrost drzew.
• Należy znać warunki techniczne instalacji elektrycznej – liczbę faz, moc przyłączeniową, zabezpieczenia przedlicznikowe.
• Plan zagospodarowania przestrzennego. Warunki zabudowy.

W związku z tym, że największą opłacalność instalacji fotowoltaicznej uzyskuje się przy jak największej autokonsumpcji produkowanej energii, przy umiarkowanej opłacalności oddawania energii do sieci operatora, przewymiarowanie instalacji fotowoltaicznej wyrażone w mocy zainstalowanej [kWp] jest nieopłacalne. Przewymiarowanie skutkuje dużym nadmiarem produkowanej energii [kWh/rok] w porównaniu do zapotrzebowania na energię [kWh/rok] danego obiektu.

Roczny uzysk energii elektrycznej [kWh/rok], w zależności od usytuowania instalacji, można określić dzięki następującemu narzędziu:

PHOTOVOLTAIC GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM

Wynik z wykorzystania modelu obliczeniowego

Uzyskany uzysk energii [kWh/rok] powinien być zbliżony do rocznego zużycia energii elektrycznej [kWh/rok] obiektu wg faktur.

W przypadku stosowania w obliczeniach profili mocy godzinowej [kWh/h], obliczyć można dokładniej: ilość energii zużytej natychmiast na miejscu (autokonsumpcja); ilość energii oddanej do sieci operatora; a przy wykorzystaniu magazynu energii – ilość energii zgromadzonej w akumulatorach (też wliczane w autokonsumcję, po pomniejszeniu o straty).

Dane potrzebne do doboru pojemności magazynu energii [kWh]. Jaki jest cel magazynu energii w instalacji PV?

Dobór pojemności magazynu energii zależy od założonego przeznaczenia tego magazynu:

• zwiększenie autokonsumpcji, zapobieganie wysyłania energii do sieci,
• zapobieganie blokowania oddawania energii elektrycznej w słoneczne dni, wskutek wzrostu napięcia w sieci odbiorczej powyżej Un+10%=254 V, wówczas (dzięki magazynowi energii) produkcja jest kontynuowana a energia kierowana do akumulatora,
• zapewnienie zasilania awaryjnego „UPS” wybranych urządzeń – na ciężkie czasy.

Dane potrzebne do doboru pojemności magazynu energii [kWh]. Przykładowe wartości.

Przypuśćmy, że zakładamy pobór energii do akumulatorów o wartości:

5 kW przez 5 h (dziennie)

Np. jest to założenie wynikające z tego, że przewiduje się nadmierne napięcie w sieci odbiorczej operatora >254 V. Załóżmy, że występuje to przez 5h w ciągu doby. Załóżmy, że nadwyżka produkowanej mocy nad zapotrzebowaniem wynosi średnio 5 kW.

Wymagana pojemność rzeczywista magazynu energii wynosi:

5 kW x 5 h = 25 kWh

Biorąc pod uwagę, że magazyn energii nie powinien być rozładowywany poniżej 20% pojemności, wymagana pojemność nominalna magazynu energii wynosi:

25 kWh/0,8 = 31,25 kWh

Jak widać dla przykładu, gdzie założenia mocy i czasu nie są wygórowane, wynikowa pojemność magazynu jest duża – magazyn taki jest kosztowny. Z tego względu dobrana pojemność magazynu energii będzie w praktyce mniejsza od oczekiwań Inwestora.

Dane potrzebne do doboru pojemności magazynu energii [kWh]. Co zrobić?

Z powyższego przykładu wynika, że „idealny” magazyn energii będzie drogi. Co zatem można zrobić? Wszystko zależy od tego, jaki jest powód zastosowania magazynu.

• Jeżeli na przykład Inwestor wie jeszcze przed rozpoczęciem inwestycji, że w dni słoneczne występuje problem z nadmiernym napięciem w sieci, to będzie On skazany na magazyn energii o określonej pojemności.
• Jeżeli natomiast Inwestor nie ma pewności o przyszłych warunkach pracy instalacji, to może przewidzieć mniejszy magazyn energii, lecz dobrać takie urządzenia, aby w przyszłości móc ten magazyn powiększyć.

Podsumowanie

W przypadku posiadania kapitału, jakim jest własny dach oraz środki inwestycyjne, inwestycja w fotowoltaikę jest dobrym sposobem uzyskania w miarę pewnych realnych zysków w okresie kilkunastu lat z 25 lat pracy instalacji.

Należy jednak przy tym uwzględnić szereg warunków technicznych. Nie jest zalecane poleganie na opinii sprzedawców (wykonawców) instalacji. Zalecane jest uwzględnienie czynników omówionych na tej stronie www.