Fotowoltaika i bufor ciepła. Warto?

Bufor ciepła - fotowoltaika go potrzebuje?

Zacznijmy od przybliżenia w kilku słowach, czym właściwie jest bufor ciepła. Bufor ciepła w uproszczeniu to zbiornik wodny, którego zadaniem jest akumulowanie energii cieplnej i oddawanie jej wtedy, gdy jest potrzebna.

Swoim wyglądem przypomina dobrze znane zbiorniki do przygotowywania ciepłej wody użytkowej (tzw. bojlery), jednak oba rozwiązania nie są tożsame. Przede wszystkim bufor ciepła posiada znacznie większą pojemność (nawet kilka tysięcy litrów). Działa też na nieco innej zasadzie.

Jak działa bufor ciepła?

W buforze ciepła znajdują się dwie warstwy wody - ciepłej i zimnej, które pomimo tego, że się ze sobą stykają, nie mieszają się. Wynika to właściwości fizycznych ciepłej wody. W górnej części znajduje się gorąca woda, ogrzewana przez jedno lub kilka źródeł ciepła (w zależności od stopnia skomplikowania bufora, energia może pochodzić z kotła, ale też np. grzałek zainstalowanych wewnątrz). Z powodu konwekcji, zimna woda opada na dno. Dzięki takiemu podziałowi, nie ma konieczności ogrzewania całego zbiornika, lecz tylko jego części co jest bardziej opłacalne.

Urządzenie posiada kilka wejść i wyjść - na ciepłą wodę wprowadzaną z kotła oraz na wodę, powracającą z obiegu (chłodną).

Bufor ciepła powinien być w stanie skutecznie przechowywać energię. Przy bardzo dobrej izolacji, temperatura wody nie powinna spadać o więcej niż 2-3 stopnie na dobę na 1000 l. Tym samym, w zależności od pojemności, temperatury wody i zużycia, z energii można korzystać od kilkunastu godzin do nawet kilku dni.

Z racji tej specyfiki działania, bufor ciepła zwykle stosowany jest do wspomagania kotłów na paliwo stałe (węgiel, drewno) i instalacji ogrzewania podłogowego oraz instalacji mieszanych (grzejniki plus podłogówka). Coraz częściej wykorzystuje się bufory ciepła również w systemach ogrzewania z pompą ciepła (np. pompa ciepła gruntowa). Dzięki właściwości akumulowania energii, bufor ciepła poprawia płynność pracy źródeł ogrzewania:

• zwiększając ich efektywność i ekologię - w przypadku pieców na paliwo stałe możliwe jest ustawienie wyższej temperatury spalania, co poprawia jakość spalin oraz wykorzystanie energii,
• wydłużając żywotność - niewłaściwa (za niska) temperatura spalania prowadzi do zjawiska niskotemperaturowej korozji pieca w paliwach, co skraca ich żywotność nawet o połowę. Podobnie jest w przypadku pomp ciepła, którym z kolei nie służą częste włączania i wyłączania.

Jak widać, bufor ciepła idealnie nadaje się do uzupełnienia systemu ogrzewania opierającego się o kotły m.in. na paliwo stałe. Jednak, czy i jaki może być sens fotowoltaiki i buforu ciepła?

Są przynajmniej 3 sytuacje, w których można rozważyć wykorzystanie bufora ciepła i fotowoltaiki. Poniżej pokrótce je omówimy.

Fotowoltaika z buforem ciepła - opcje wykorzystania

Bufor ciepła, akumulując ciepło, jest niczym innym jak magazynem energii. A to oznacza, że bardzo dobrze nadaje się do współpracy z instalacją fotowoltaiczną. Jakie funkcje może spełniać?

Grzanie bufora fotowoltaiką, gdy występuje nadprodukcja

Przede wszystkim bufor doskonale nada się właśnie do magazynowania energii powstałej w pikach produkcji - szczególnie w okresach wiosenno-letnich.

Na obszarach nasyconych instalacjami fotowoltaicznymi, coraz częściej zdarzają się odłączenia instalacji fotowoltaicznych wywołane zbyt wysokim napięciem w sieci (zjawisko to wynika z konieczności podniesienia napięcia przez falownik, dla “wypchnięcia” energii do sieci). Po przekroczeniu progu 253 V, inwertery restartują się, by uniknąć uszkodzenia. Jeśli dużo systemów w tym samym czasie próbuje odesłać duże ilości energii do sieci, wysokie napięcie utrzymuje się i wydajność fotowoltaiki mocno spada.

By uniknąć wyłączeń, najlepiej jest w jak największym stopniu konsumować wyprodukowaną energię. I tu właśnie może się przydać bufor ciepła wyposażony w grzałkę elektryczną, który będzie działać jak magazyn ciepła. Woda, ogrzana nadwyżką energii z fotowoltaiki może potem posłużyć do przygotowania ciepłej wody użytkowej, ale także do wspomagania ogrzewania domu (szczególnie w okresach wiosennych, gdy produkcja jest już duża, ale dni nadal bywają chłodne).

Rozwiązanie to będzie miało kilka korzyści:

• większe zyski z instalacji fotowoltaicznej - zużywając energię na miejscu nie będziemy tracić 20% lub 30% nadwyżek wprowadzanych do sieci. Przyspieszy to zwrot z inwestycji;
• ograniczenie problemu odłączania instalacji przez zbyt wysokie napięcie - wyłączenia falowników związane z napięciem negatywnie wpływają na ich żywotność, ale również znacznie pogarszają wyniki produkcji (zanim inwerter uruchomi się po wyłączeniu mija trochę czasu - w efekcie, przy częstych odłączenia produkcja może spaść o kilkadziesiąt procent).

Grzanie bufora fotowoltaiką - jako samodzielne źródło ogrzewania?

Analizując informacje w internecie, z pewnością spotkacie się z pomysłem na grzanie bufora fotowoltaiką i wykorzystanie tego zestawu jako indywidualne źródło ciepła w domu (a nie jako instalację wspomagającą).

Przedstawia się to rozwiązanie, jako alternatywę dla stosunkowo kosztownych pomp ciepła. Czy jednak faktycznie jest dobre rozwiązanie? Odpowiedź na to pytanie nie jest jednoznaczna.

Grzanie bufora fotowoltaiką i ogrzewanie w ten sposób domu, na pierwszy rzut oka faktycznie może wydawać się atrakcyjne. W porównaniu do duetu fotowoltaika i pompa ciepła, może niekiedy wiązać się z nieco niższymi kosztami - szczególnie pod względem zakupu urządzeń.

Nie jest jednak pozbawione wad:

• Nie do końca jest ekologiczne i efektywne - aby z pomocą buforu dostarczyć do budynku 10.000 kWh energii, najpierw tyle samo energii (a nawet więcej, ze względu na nieuniknione straty) trzeba do niego dostarczyć. W zimowych miesiącach, prąd służący do ogrzewania, jedynie w niewielkim stopniu będzie pochodzić z fotowoltaiki (reszta zostanie pobrana z sieci, czyli de facto z węglowych elektrowni). W przypadku ogrzewania elektrycznego powinniśmy zatem dążyć nie tylko do ograniczenia kosztów, ale również ograniczenia zużycia energii (a to może zapewnić jedynie pompa ciepła).
• Grzanie bufora fotowoltaiką zdaje egzamin przede wszystkim w przypadku bardzo dobrze zaizolowanych budynków, o niewielkiej powierzchni. Zapotrzebowanie na energię pierwotną w takich obiektach jest nieduże (mniejsze niż 80 kWh/m2/rok) co sprawia, że można je ogrzać stosunkowo niewielką instalacją fotowoltaiczną. W standardowych, modernizowanych budynkach o większej powierzchni, zużycie jest już na tyle duże (kilkanaście, kilkadziesiąt tysięcy kilowatogodzin), że sama fotowoltaika z buforem ciepła przestałaby zdawać egzamin (byłaby bardzo kosztowna i obciążająca dla sieci energetycznych).

Bufor i fotowoltaika jako wsparcie pompy ciepła

Dużo lepiej od zwykłego grzania buforu fotowoltaiką, sprawdzi się zestaw: fotowoltaika plus bufor ciepła plus pompa ciepła. Szczególnie, gdy mowa o instalacjach grzewczych mieszanych lub działających wyłącznie na grzejnikach. W ich przypadku ilość wody w instalacji może być za mała, by pompa ciepła działała stabilnie i ekonomicznie. Uruchamia się często i na krótko, co jak już pisaliśmy, negatywnie wpływa na żywotność sprężarki i całego urządzenia.

Dzięki zastosowaniu buforu pompa ciepła może działać precyzyjnie i jednostajnie, przez dłuższe okresy (ogrzewając zbiornik), co poprawia efektywność całego rozwiązania.

Sama fotowoltaika w tym układzie nie służyłaby w głównej mierze do zasilania buforu, ale do zapewnienia energii pompie ciepła (choć przy odpowiedniej wielkości buforze, mogłaby też działać jako magazyn ciepła, podczas pików produkcji).

Bufor do fotowoltaiki - koszty. Jest szansa na dofinansowanie?

Przejdźmy teraz do kwestii kosztów. Ile trzeba zapłacić za bufor do fotowoltaiki? Odpowiedź na to pytanie w dużej mierze zależy od jego pojemności oraz tego, jak chcemy wykorzystywać zbiornik.

Najprostszy bufor (który może posłużyć jako uzupełnienie kotła lub pompy ciepła) o pojemności ok. 1.000 l kupimy już za ok. 2.000 zł. Jeśli dodatkowo chcemy, by posiadał wężownicę do przygotowywania ciepłej wody użytkowej oraz grzałkę, będziemy musieli zapłacić nawet 6.000 - 10.000 zł.

Oczywiście powyższe liczby nie uwzględniają kosztu instalacji fotowoltaicznej. W zależności od mocy systemu, za 1 kWp fotowoltaiki trzeba zapłacić od 4.500 do ok. 6.500 - 7.000 zł brutto.

Zestaw bufor ciepła i fotowoltaika to zatem wydatek rzędu kilkunastu - kilkudziesięciu tysięcy złotych.

Grzanie bufora fotowoltaiką - kiedy warto?

Podsumowując, jeśli chodzi o grzanie bufora fotowoltaiką, to jest dobre rozwiązanie wtedy, gdy chcemy efektywnie wykorzystać nadwyżki prądu z fotowoltaiki, by uniknąć odcięć. Wówczas bufor będzie pełnił rolę magazynu energii. Warto jednak dobrze się zastanowić nad objętością zbiornika, uwzględniając nasze zapotrzebowanie na energię elektryczną, jej nadprodukcję z fotowoltaiki oraz zużycie energii cieplnej. Pamiętajmy, że przykładowo do ogrzania 200 litrów od około 10 do 50 stopni Celsjusza, potrzeba łącznie około 9,3 kWh.

Duet fotowoltaika i bufor ciepła warto również wykorzystać w instalacjach grzewczych wykorzystujących np. gruntowe pompy ciepła lub tam, gdzie występują grzejniki i podłogówka.

Grzanie bufora fotowoltaiką bywa również sposobem na ogrzewanie domu, choć rozwiązanie to będzie miało ekonomiczne uzasadnienie w niewielu przypadkach (przy niewielkim zapotrzebowaniu na energię pierwotną). Pod względem ekologii nie wypada jednak ono zbyt dobrze (by otrzymać 1 kWh energii tyle samo lub więcej trzeba jej dostarczyć).