Jaki piec elektryczny do fotowoltaiki?

Fotowoltaika i piec elektryczny – dlaczego warto rozważyć takie połączenie?

Instalacja fotowoltaiczna to najpopularniejsza instalacja odnawialnego źródła energii w Polsce. Według danych z 2022 roku, w Polsce zainstalowano 22,67 GW mocy z OZE. W tym, aż 54% stanowiły instalacje PV. W rynku mikroinstalacji OZE, systemy solarne stanowią aż 99,99% ogółu.

Nic dziwnego – fotowoltaika pracuje cicho i wydajnie, przez znaczną część roku. Od około marca do października, właściciele instalacji PV mogą zasilać domowe urządzenia bezpośrednio za pomocą wyprodukowanej przez siebie, ekologicznej energii. Jednak dzięki systemom prosumenckim (tzw. net-billingowi i systemowi opustów) korzyści z instalacji PV mogą oni czerpać, również wtedy, gdy faktyczna wydajność fotowoltaiki spada (jesienią i zimą). W tym czasie mogą bowiem wykorzystać nadwyżki prądu z wiosny i lata zapisane w magazynie (jeśli obejmuje ich system opustów) lub nadwyżki środków zgromadzone na tzw. depozycie prosumenckim (jeśli rozliczają się w net-billingu).

Mając do dyspozycji własne źródło energii elektrycznej warto rozważyć przestawienie się na ogrzewanie elektryczne, np. piec elektryczny. Do fotowoltaiki będzie pasował idealnie, zwiększając autokonsumpcję (co przełoży się na szybszy zwrot z inwestycji) i obniżając koszty ogrzewania. W jaki sposób fotowoltaika współpracuje z kotłem elektrycznym?

Energia produkowana przez fotowoltaikę w pierwszej kolejności jest wykorzystywana przez pracujące urządzenia elektryczne. Jeśli tym urządzeniem będzie piec elektryczny, inwestor może właściwie za darmo zapewnić sobie ciepłą wodę użytkową lub ogrzewanie budynku. Za bezpośrednim wykorzystywaniem energii słonecznej do ogrzewania budynku przemawia też fakt, że odsyłanie nadwyżek z fotowoltaiki do sieci co do zasady jest mniej opłacalne niż wykorzystanie jej na miejscu. Bez względu na stosowany system prosumencki, odsyłając nadwyżki do sieci w jakiś sposób tracimy. W systemie opustów tracimy 20% lub 30% wyprodukowanej energii (jest to “opłata” za magazynowanie). W net-billingu tracimy na opłatach dystrybucyjnych. Pozostaje jednak pytanie, jaki piec elektryczny do fotowoltaiki wybrać?

Jaki piec elektryczny do fotowoltaiki? Opcje na rynku

Wbrew pozorom, piece elektryczne do fotowoltaiki (i nie tylko) to dość zróżnicowana kategoria elektrycznych źródeł ciepła. Istnieje kilka typów urządzeń, określanych jako “kotły elektryczne”, różniących się jednak od siebie m.in. sposobem działania, ceną i funkcjonalnościami. Jaki piec elektryczny do fotowoltaiki można wybrać? Na początek wyróżnijmy 3 główne typy kotłów elektrycznych:

• kotły elektryczne oporowe,
• kotły elektryczne indukcyjne,
• kotły elektryczne elektrodowe,
• elektryczne piece akumulacyjne.

Wśród nich można jeszcze wyróżnić podkategorie, związane z zakresem pracy. Mowa tu o tzw. kotłach jednofunkcyjnych (przystosowanych do ogrzewania wyłącznie wody w centralnym ogrzewaniu) lub dwufunkcyjnych (czyli takich, które oprócz ogrzewania dostarczą także ciepłą wodę użytkową).

Ważną kwestią jest to, że niemal wszystkie kotły elektryczne do fotowoltaiki charakteryzują się sprawnością (skutecznością przemiany energii elektrycznej na cieplną) zbliżoną do 100%. Oznacza to, że z 1 kWh prądu dostarczą nam ok. 1 kWh ciepła.

Przyjrzyjmy się teraz poszczególnym rozwiązaniom. Jakie są ich zalety i wady?

Jaki piec elektryczny do fotowoltaiki? Kotły oporowe – zalety i wady

Zacznijmy od najpopularniejszego rozwiązania – elektrycznych kotłów oporowych. Są to urządzenia, które do generowania ciepła wykorzystują grzałkę. Korzystając ze zjawiska rezystancji, nagrzewa ona wodę znajdującą się w układzie grzewczym. Ze względu na specyfikę pracy można wyróżnić jedno i dwufunkcyjne piece elektryczne do fotowoltaiki. Jak współpracują z panelami PV?

Piec elektryczny jednofunkcyjny i fotowoltaika

Piec elektryczny jednofunkcyjny to proste w konstrukcji urządzenie, które działa na zasadzie ogrzewania przepływowego, podgrzewając wodę krążącą w obiegu grzewczym do zadanej temperatury. To cecha charakterystyczna elektrycznego pieca jednofunkcyjnego – ogrzewa on jedynie układ centralnego ogrzewania (przygotowanie ciepłej wody użytkowej wymaga dodatkowego rozwiązania – np. wymiennika ciepła do CWU). Inną cechą charakterystyczną jest to, że w jednofunkcyjnym piecu elektrycznym grzałki uruchamiają się wtedy, gdy są potrzebne. Jak wygląda współpraca między jednofunkcyjnym piecem elektrycznym a fotowoltaiką?

Schemat jest dość prosty. Piec elektryczny jednofunkcyjny załączy się, gdy temperatura wody w obiegu C.O. spadnie poniżej zadanego parametru. Jeśli w tym czasie działa instalacja fotowoltaiczna, niezbędny grzałkom prąd będzie pochodził bezpośrednio ze słońca. Jeśli z powodu pogody, pory dnia lub roku instalacja nie będzie dostarczać wystarczającej ilości energii – prąd pobrany zostanie również z sieci.

Piec elektryczny jednofunkcyjny i fotowoltaika – zalety i wady

Jednofunkcyjny kocioł elektryczny współpracujący z fotowoltaiką ma swoje zalety i wady. Jakie?
Zalety

Minimalne straty cieplne w instalacji – energia jest dostarczana tylko wtedy, kiedy jest potrzebna, co oznacza, że nie marnuje się przy przechowywaniu.

Prosta konstrukcja, łatwa do sterowania – urządzenia tego typu zwykle posiadają kilka grzałek, które włączają w zależności od aktualnego obciążenia. Dzięki temu lepiej mogą współpracować z instalacją PV.

Niska cena – sam elektryczny piec jednofunkcyjny jest dość tani (ok. 3.000 zł). Trzeba jednak pamiętać, że dodatkowe oprzyrządowanie, niezbędne do przygotowywania ciepłej wody może znacznie podnieść jego cenę.

Wady

Może być trudny do sprzężenia z instalacją PV – przepływowa konstrukcja sprawia, że woda podgrzewana jest wtedy, gdy jest potrzebna – a nie zawsze będzie to czas, gdy pracuje instalacja PV (np. wieczorami będzie to niemożliwe). To znacznie ogranicza zasadność stosowania jednofunkcyjnego kotła elektrycznego z fotowoltaiką. Oczywiście istnieją nowoczesne kotły elektryczne jednofunkcyjne wyposażone w specjalną elektronikę pozwalającą zarządzać sezonowym i dobowym zużyciem energii, jednak nie zawsze musi to mieć przełożenie na maksymalizację autokonsumpcji z fotowoltaiki oraz związane z tym korzyści ekonomiczne.

Konieczność wymiany grzałek co kilka lat.

Piec elektryczny dwufunkcyjny – fotowoltaika. Zalety i wady

Elektryczny piec dwufunkcyjny to wciąż piec wykorzystujący ogrzewanie przepływowe. Jest on jednak zaprojektowany zarówno pod potrzeby centralnego ogrzewania, jak i ciepłej wody użytkowej, co sprawia, że staje się bardziej uniwersalny i elastyczny. Urządzenia tego typu wyposażone mogą być wyposażone np. we wbudowany zbiornik do przechowywania ciepłej wody użytkowej lub zintegrowany przepływowy podgrzewacz wody. W jaki sposób działa połączenie piec elektryczny dwufunkcyjny – fotowoltaika?

Schemat pracy jednak właściwie identyczny, jak w przypadku jednofunkcyjnego pieca elektrycznego. Gdy kocioł załącza się, a instalacja PV pracuje, zużywany prąd pochodzi z właśnie z fotowoltaiki. Ewentualne braki uzupełnia energia pobierana z sieci.

Jakie są zalety i wady tego połączenia?

Zalety

Uniwersalne i kompaktowe – zajmuje stosunkowo mało miejsca, a zapewnia zarówno ogrzewanie, jak i CWU.

Większa elastyczność we współpracy z PV – szczególnie w modelach ze wbudowanym zasobnikiem CWU. Ciepłą wodę można bowiem przygotować wtedy, gdy pracuje instalacja, zwiększając autokonsumpcję i unikając poboru z sieci (zbiornik może bowiem przez jakiś czas przechowywać wodę).

Regulowana moc, którą można dostosować do potrzeb grzewczych oraz produkcji z fotowoltaiki tak, by maksymalizować autokonsumpcję.

Wady

Samo urządzenie bywa droższe niż urządzenia jednofunkcyjne (nie trzeba jednak dokupywać dodatkowych elementów do CWU). Jego koszt to ok. 4.000 – 10.000 zł (droższe będą urządzenia ze wbudowanym zasobnikiem).

Ogrzewanie przepływowe trudno zgrać z pracą instalacji PV – woda zostanie przygotowana wtedy, gdy będzie na nią zapotrzebowanie, a nie wtedy, gdy występuje np. nadwyżka produkcji. To oznacza mniejszy udział autokonsumpcji i większy pobór prądu z sieci.

Ewentualne straty energii wynikające z przechowywania ciepłej wody w zbiornikach CWU.

Konieczność wymiany grzałek co kilka lat.

Piec akumulacyjny i fotowoltaika – ogrzeje i rozwiąże problem wyłączeń

Specyficznym przykładem pieca elektrycznego do fotowoltaiki jest tzw. elektryczny piec akumulacyjny. Jest to rozwiązanie, które wykorzystuje energię elektryczną do nagrzewania do wysokich temperatur absorpcyjnego wkładu, w tak zwanym cyklu ładowania. Następnie, w cyklu rozładowywania elektryczny piec akumulacyjny oddaje ciepło do budynku. Na takie działanie pozwala specjalna konstrukcja pieca. Składa się on z grzałek elektrycznych, ogrzewających tzw. cegły akumulacyjne o wysokiej gęstości. Całość otacza warstwa izolacji, która zapobiega marnowaniu energii.

Elektryczne piece akumulacyjne można podzielić na tzw. statyczne i dynamiczne. Te pierwsze oddają ciepło zaraz po naładowaniu. W przypadku urządzeń dynamicznych, oddawaniem ciepła można sterować.

Z racji tego, że elektryczne piece akumulacyjne działają jak magazyn ciepła, idealnie nadają się do współpracy z dwustrefowymi taryfami energii (np. G12), ale także z instalacjami fotowoltaicznymi. Urządzenie może się bowiem naładować w czasie, gdy energia jest tania (w przypadku taryf prądu) lub darmowa (działająca fotowoltaika), by następnie oddać ją w postaci ciepła wtedy, gdy będzie ona potrzebna.

Piec akumulacyjny i fotowoltaika – zalety i wady

Elektryczny piec akumulacyjny i fotowoltaika, pod względem funkcjonalnym to wyjątkowo opłacalne połączenie. Zasada działania pieca idealnie nadaje się do współpracy z instalacją fotowoltaiczną. Nie jest to jednak opcja pozbawiona wad. Jakie są plusy i minusy połączenia pieca akumulacyjnego i fotowoltaiki?

Zalety pieca akumulacyjnego i fotowoltaiki

Skuteczna współpraca z instalacją PV – piec akumulacyjny działa jak magazyn energii, a to oznacza, że idealnie nadaje się do kooperacji z instalacją fotowoltaiczną. Nadprodukcję z modułów będzie można bowiem skierować do ładowania pieca, co zwiększy autokonsumpcję i zminimalizuje koszt ogrzewania i CWU.

Uniwersalność – istnieją różne typy pieców akumulacyjnych, np. takie, które ogrzewają pojedyncze pomieszczenia (działają i wyglądają wtedy jak grzejnik), a także takie, które zastąpią piec CO (i które mogą współpracować z już istniejącym systemem ogrzewania, np. z instalacją grzejnikową czy podłogową). Każdy z tych typów może wykorzystywać energię z fotowoltaiki.

Bezobsługowy – nowoczesne piece akumulacyjne są wyposażone w inteligentną elektronikę (m.in. sterownik pogodowy), który zarządza jego pracą.

Możliwość ogrzewania i przygotowywania ciepłej wody użytkowej – przy wyborze pieca akumulacyjnego CO i CWU.

Wady pieca akumulacyjnego i fotowoltaiki

Stosunkowo wysoki koszt – piec akumulacyjny do ogrzewania pojedynczego pomieszczenia może kosztować ok. 2.000 zł – 3.000 zł, czyli tyle, co oporowy piec elektryczny do ogrzewania całego domu lub mieszkania. Jeszcze droższy jest centralny piec akumulacyjny – jego koszt sięga ok. 20.000 zł  (może być jednak bardziej opłacalnym rozwiązaniem niż kilka pojedynczych urządzeń, dostarczy również ciepłej wody użytkowej).

Duża waga – zarówno punktowy jak i centralny piec akumulacyjny sporo ważą, co może być nie lada problemem przy montażu.

Piec indukcyjny i fotowoltaika. Zalety i wady

Piec indukcyjny to kolejny kocioł bezpośrednio wykorzystujący energię elektryczną. W ujęciu funkcjonalnym działa on niemal identycznie co kocioł z grzałką oporową – zamienia prąd w ciepło, ze sprawnością ok. 99% – 98%. Pod względem technicznym, piec indukcyjny działa jednak wykorzystując inne zjawisko – indukcji elektromagnetycznej. Zamontowana w piecu cewka indukuje energię, która później przekształcana jest w energię cieplną i przekazywana do wymiennika (rdzenia i korpusu). Nowoczesne piece indukcyjne posiadają specjalne płaszcze wodne, dzięki którym możliwe jest zastosowanie ich jako pieców centralnego ogrzewania. Inaczej niż w przypadku pieców oporowych, w kotłach indukcyjnych nie ma części wymiennych, co powinno przełożyć się na wieloletnią, bezproblemową pracę. A jak wygląda współpraca na linii “piec inducyjny – fotowoltaika”?

Tu już bez żadnych zaskoczeń, bo jak wspominaliśmy, piec indukcyjny funkcjonuje na podobnej zasadzie co piec elektryczny – podgrzewa wodę wtedy, gdy jest ona potrzebna do zapewnienia odpowiedniego komfortu cieplnego. Jeśli w tym czasie pracuje instalacja fotowoltaiczna, całość (lub część – w zależności od warunków) potrzebnej energii będzie pochodzić bezpośrednio z modułów. Nie zawsze tak jednak będzie – bo fotowoltaika nie pracuje nocą, a jesienią i zimą uzyski są raczej niskie. Nowoczesne piece indukcyjne są co prawda wyposażone w sterowniki pozwalające na maksymalizację zużycia energii z fotowoltaiki, jednak nie będą one w stanie całkowicie wyeliminować ograniczeń związanych z charakterystyką pracy instalacji PV.

Piec indukcyjny i fotowoltaika – zalety

Bezobsługowość – piec indukcyjny to kolejny piec, który nie wymaga od inwestora niemal żadnej uwagi. W tym celu wyposaża się w inteligentne sterowniki, gwarantujące płynniejsze sterowanie, adekwatne do zmieniających się warunków pogodowych czy potrzeb użytkownika.

Elastyczność – kocioł indukcyjny pełni funkcję centralnego pieca, zapewniając zarówno dostęp do ogrzewania, jak i ciepłej wody użytkowej.

Długa gwarancja – zbliżona czasem ochrony do gwarancji na fotowoltaikę, wynosząca 10 – 25 lat. Wynika ona z faktu, że w piecu indukcyjnym jest raczej nie wiele części, które mogą się zepsuć.

Piec indukcyjny i fotowoltaika – wady

Wysoki koszt zakupu – piec indukcyjny to wydatek od ok. 10.000 zł do nawet 25.000 zł, w zależności od marki i mocy urządzenia.

Współpraca pieca z instalacją PV wcale nie musi układać się efektywnie. Kocioł indukcyjny będzie załączał się wtedy, gdy będzie taka potrzeba – również wtedy, gdy instalacja PV nie pracuje. W takim trybie trudno będzie osiągnąć wysoki poziom autokonsumpcji.

Fotowoltaika i piec elektrodowy. Zalety i wady

Nie wdając się w nadmierne szczegóły, w piecu elektrodowym ciepło powstaje na wskutek ruchu cząsteczek elektrolitu między elektrodami. Wygenerowana energia cieplna może być rozprowadzana po systemie grzewczym. Zwykle nie dzieje się to jednak bezpośrednio, a za pośrednictwem bufora ciepła wchodzącego w skład układu ogrzewania. W przypadku połączenia fotowoltaika i piec elektrodowy daje to wymierne korzyści. Można dzięki temu można efektywniej wykorzystywać nadwyżki energii generowane przez moduły, podgrzewając zład wody w buforze, co przełoży się na obniżenie kosztów eksploatacyjnych.

Fotowoltaika i piec elektrodowy – zalety

Lepsza współpraca z fotowoltaiką, dzięki obecności bufora (jest to jednak element uniwersalny, który można zastosować w przypadku większości systemów grzewczych). Może on posłużyć jako magazyn ciepła do zagospodarowywania nadwyżek prądu.

Niska cena urządzenia – cena samego pieca elektrodowego nie powinna przekroczyć 2.000 zł.

Fotowoltaika i piec elektrodowy – wady

Ryzyko korozji elementów systemu ogrzewania, np. rur, wężownic.

Konieczność samodzielnego dbania o czynnik grzewczy w kotle (elektrolit). Często to jest zwykła woda z solą, o odpowiednim stężeniu. Z czasem jego parametry ulegają pogorszeniu, może się więc okazać, że będziemy musieli np. dosypać soli do układu.

Piec na prąd – fotowoltaika. Czy to najlepsze połączenie?

Trzeba pamiętać, że bez względu na to, jaki typ pieca elektrycznego do fotowoltaiki wybierzemy, jego sprawność w najlepszym przypadku będzie oscylować w granicach 98% – 99% (przy czym uwzględniając ewentualne straty wynikające z magazynowania oraz straty w obiegu, ogólna sprawność instalacji grzewczej z piecem elektrycznym może być nawet niższa). Wynika to bezpośrednio z praw fizyki, których nie da się oszukać. To oznacza, że pod względem kluczowej dla większości inwestorów kwestii efektywności, wszystkie piece elektryczne są właściwie takie same.

A przecież ich ceny diametralnie się różnią, wynosząc od ok. 2.000 zł (kocioł elektrodowy/oporowy) do nawet 30.000 zł (kocioł akumulacyjny). Nie każdy kocioł z równą skutecznością będzie również współpracować z instalacją PV. Najlepsze będą te systemy, które pozwalają efektywnie wykorzystać nadwyżki energii – np. piece akumulacyjne, czy piece elektryczne z buforem lub zasobnikiem CWU.

Piece elektryczne do fotowoltaiki postrzega się jako tańszą w zakupie, prostszą alternatywę dla pomp ciepła. Gdy jednak przyjrzymy się im dokładniej zauważymy, że może to być pozorna oszczędność.

Piec elektryczny i fotowoltaika vs. pompa ciepła i fotowoltaika – koszty

Na czym polega haczyk? By odpowiedzieć na to pytanie posłużmy się przykładem domu o powierzchni 120 m2, o zapotrzebowaniu na energię użytkową na poziomie 95 kWh/m2/rok. Rocznie do takiego budynku trzeba dostarczyć ok. 11.500 kWh energii cieplnej.

I teraz, koszt kotła elektrycznego oporowego o mocy 12 kW ze wbudowanym zasobnikiem CWU wynosi ok. 10.000 zł. Do tego trzeba doliczyć koszt instalacji PV. Taka, która pokryje roczne zapotrzebowanie na ciepło dla tego budynku będzie musiała mieć ok. 12 kW mocy (w Polsce roczna produkcja z 1 kW instalacji PV wynosi ok. 1.000 kWh). Jej koszt to ok. 55.000 zł. Razem z ceną pieca daje to ok. 65.000 zł kosztu inwestycyjnego.

Dla tego samego budynku wystarczy pompa ciepła o mocy ok. 6 kW, której koszt to ok. 40.000 zł – 50.000 zł. Jednocześnie pompa ciepła, z 1 kWh energii elektrycznej dostarcza aż ok. 3 kWh energii cieplnej, co oznacza, że urządzenie to zużyje 3 razy mniej energii niż kocioł elektryczny – rocznie będzie to ok. 4.000 kWh. Tyle dostarczy instalacja PV o mocy 4 kW. Jej koszt to ok. 22.000 zł. Łączny koszt inwestycyjny to zatem ok. 62.000 – 72.000 zł.

Różnica w koszcie początkowym, między piecem elektrycznym z fotowoltaiką, a pompą ciepła z fotowoltaiką, nie jest zatem zbyt duża. Jednocześnie koszty eksploatacyjne związane z pompą ciepła będą trzykrotnie niższe od kosztów ogrzewania piecem elektrycznym. 

Pompy ciepła i piec na prąd – fotowoltaika przyspiesza elektryfikację ogrzewnictwa?

Według szacunków ekspertów, zła jakość powietrza w Polsce przyczynia się do śmierci ok. 40 – 45 tysięcy osób rocznie. Nie każdy wie, że znaczna część odpowiedzialności za taki stan rzeczy spoczywa na ogrzewnictwie indywidualnym. Według ekspertów z raportu “Polska ocieplona” aż 88% emisji pyłu zawieszonego PM10 to pokłosie emisji związanej z ogrzewaniem budynków. Pył ten pochodzi m.in. ze spalania węgla, drewna, biomasy i jest szkodliwy m.in. dla osób starszych, dzieci oraz osób z chorobami dróg oddechowych czy układu krwionośnego. Jednocześnie, w Polsce progi alarmowe dla PM10 są dwa razy wyższe niż np. na Słowacji i aż czterokrotnie wyższe niż we Francji. Trudno się jednak temu dziwić, skoro kotły na paliwa stałe mają ok. 33% udział w strukturze źródeł ciepła w Polsce.

Ze względów zdrowotnych, ekologicznych, ale także ekonomicznych (sprawność kotłów na paliwa stałe wynosi ok. 50 – 75%) zarówno Polska, jak i kraje Unii Europejskiej powinny zmierzać w stronę elektryfikacji ogrzewnictwa. Energię elektryczną można bowiem produkować w sposób, który nie wpływa (lub wpływa w mniejszym stopniu), na jakość powietrza. Przykładem może być produkcja energii z OZE (odnawialnych źródeł energii). W Polsce przemiana już się rozpoczęła.

Według danych GUS, w 2018 roku energię elektryczną do ogrzewania budynków wykorzystywało ok. 5% gospodarstw domowych w Polsce. Dane Centralnej Ewidencji Emisyjności Budynków wskazują, że w marcu 2023 roku, ich udział wzrósł do ok. 14%. Jak można wnioskować na podstawie statystyk Google Trends, zainteresowanie ogrzewaniem elektrycznym może być powiązanie z popularnością fotowoltaiki.

Źródło: Google Trends

Podsumowując, odpowiedź na pytanie, jaki piec elektryczny do fotowoltaiki będzie najlepszy nie jest prosta. Wszystkie one mają swoje wady i zalety. Z punktu widzenia opłacalności, najlepiej wybrać takie rozwiązania, które pozwalają na efektywne wykorzystanie nadwyżek produkcji z instalacji PV. Mowa tu np. o akumulacyjnych piecach elektrycznych lub kotłach elektrycznych wyposażonych w bufory lub zbiorniki CWU. Dzięki nim można zmniejszyć pobór prądu z sieci, co przełoży się na szybszy zwrot z inwestycji. Przed zakupem pieca elektrycznego do fotowoltaiki warto jednak zastanowić się, czy inwestycja w pompę ciepła nie będzie korzystniejszym rozwiązanie. Jej eksploatacja jest około trzykrotnie tańsza niż eksploatacja pieca elektrycznego. Również różnica w koszcie początkowym może być znikoma lub żadna – koszt fotowoltaiki do pieca elektrycznego jest bowiem wysoki.