Jak magazynować prąd z fotowoltaiki?

Po co magazynować energię z fotowoltaiki?

Nawet najlepiej skonfigurowana i dopasowana do zapotrzebowania energetycznego nieruchomości instalacja fotowoltaiczna w określonych warunkach może produkować nadwyżki energii elektrycznej. W takich przypadkach prąd przekazywany jest najczęściej do sieci elektroenergetycznej i jeżeli prosument nie będzie w stanie go wykorzystać w ciągu 12 miesięcy nadwyżki wyprodukowanej przez jego instalację energii przepadną. Tym niemniej magazynowanie energii z fotowoltaiki nawet w przypadku magazynu o ograniczonej sprawności może przynieść prosumentowi wiele wymiernych korzyści.

Magazynowanie energii z fotowoltaiki pozwala w kontrolowany sposób optymalizować zużycie prądu w gospodarstwie domowym lub firmie i przez to znacząco wpływać na wymiar otrzymywanych oszczędności. W jakim jeszcze celu magazynować prąd z fotowoltaiki? Przede wszystkim, aby:

• zapewnić dostawy energii w okresach ograniczonej pracy fotowoltaiki – średni czas nasłonecznienia w Polsce w ciągu doby wynosi jedynie 4,38 h. Najbardziej intensywna praca instalacji fotowoltaicznej przypada na godziny południowe i wczesnopopołudniowe, natomiast najwyższe zużycie energetyczne w gospodarstwach domowych to późne popołudnie i wieczór. Najlepszym sposobem na zniwelowanie konsekwencji tych różnic jest magazynowanie energii wytworzonej w szczycie nasłonecznienia i zużywanie jej w czasie największego zapotrzebowania.
• zagwarantować sobie awaryjne źródło zasilania – niektóre systemy magazynowania pozwalają zabezpieczyć gospodarstwo domowe lub przedsiębiorstwo w niezbędną ilość energii na czas nagłych przerw w dostawach prądu z sieci elektroenergetycznej. Jest to niezwykle istotne w kontekście zapewnienia ciągłości pracy kluczowych urządzeń.
• uniezależnić się od podwyżek cen prądu – dodatkowe rozwiązania współpracujące z instalacją fotowoltaiczną i pozwalające na magazynowanie wytworzonej przez nią energii zbliżają inwestora do uzyskania energetycznej niezależności. Rosnąca tendencja w obszarze cen energii elektrycznej sprzyja poszukiwaniu rozwiązań, które pozwolą docelowo całkowicie zrezygnować z dostaw prądu z sieci. Magazynowanie energii z fotowoltaiki z pewnością będzie w tym pomocne.

Magazynowanie energii w sieci energetycznej – „wirtualny magazyn” już nie tak opłacalny

Do czasu zmiany systemu roliczania prosumentów na obowiązujący obecnie net-billing, jednym z najbardziej opłacalnych sposobów magazynowania prądu z fotowoltaiki było korzystanie z tzw. „wirtualnego magazynu energii”. Wówczas w ramach umowy z zakładem energetycznym nadwyżki prądu produkowane przez instalację fotowoltaiczną przekazywane były do sieci elektroenergetycznej i tam przechowywane przez określony w ustawie o OZE czas. W okresach wzmożonego zapotrzebowania na energię elektryczną zgromadzony w sieci prąd można było odebrać, jednak nie w takim wolumenie, w jakim został on do niej przekazany. W ramach umowy prosumenckiej właściciel instalacji fotowoltaicznej za każdą 1 kWh oddaną do sieci mógł później odebrać energię według przeliczników:

• 0,8 kWh jeżeli moc fotowoltaiki nie przekracza 10 kW;
• 0,7 kWh jeżeli moc fotowoltaiki przekracza 10 kW.

Niezaprzeczalnymi zaletami magazynowania energii z fotowoltaiki w sieci energetycznej były wówczas wygoda oraz brak dodatkowych kosztów inwestycji w system magazynowania. Celem efektywnego korzystania z tego rozwiązania, zwanego systemem opustów lub inaczej net-meteringiem należało zainstalować dwukierunkowy licznik, który miał za zadanie mierzyć oddaną i pobraną energię, a powstające w instalacji nadwyżki oddawać do sieci w sposób automatyczny. Dla wielu prosumentów był to najwygodniejszy sposób magazynowania energii z fotowoltaiki, który przy odpowiednim skonfigurowaniu instalacji zapewniał nie tylko znaczne obniżenie rachunków za prąd, ale pozwalał także w skróconym czasie uzyskać zwrot kosztów inwestycji w fotowoltaikę.

Ustawodawca zdecydował się w 2022 roku zmienić dotychczasowy system rozliczania prosumentów na istotnie mniej korzystny w kontekście wirtualnego przechowywania energii net-billing. Ogólną zasadą działania tego systemu jest fakt, że nadwyżki energii elektrycznej przesyłane przez prosumentów do sieci będą wyceniane po cenie rynkowej – początkowo według średniej ceny miesięcznej z TGE, a od 2024 po giełdowej stawce godzinowej.

Magazyny energii – co warto wiedzieć?

Rynek rozwiązań technologicznych dla energetyki odnawialnej od wielu lat notuje dynamiczny wzrost zainteresowania zarówno w Europie, jak i na całym świecie. Choć fotowoltaika i pompy ciepła cieszą się na polskim rynku wciąż niesłabnącą popularnością, to już w przypadku magazynów energii sytuacja przedstawia się inaczej. Magazynowanie energii z fotowoltaiki za pomocą akumulatorów to już właściwie standard w takich krajach, jak Niemcy, Włochy, czy Wielka Brytania. Inwestycje w przydomowe baterie były w tych krajach od lat wspieranie między innymi przez systemowe dofinansowania. W Polsce nadal czekamy na wdrożenie podobnych rozwiązań. Dlaczego jest to tak ważne? Ponieważ magazyny energii już niedługo mogą stać się koniecznością dla krajowej, prosumenckiej fotowoltaiki. Czym właściwie jest magazyn energii?

Według najnowszej nowelizacji ustawy Prawo energetyczne, magazyn energii rozumiany jest jako instalacja umożliwiająca magazynowanie energii elektrycznej i wprowadzanie jej do sieci elektroenergetycznej. Sprawność magazynu energii określana jest natomiast jako stosunek energii elektrycznej wyprowadzonej z magazynu energii elektrycznej do energii elektrycznej wprowadzonej do tego magazynu, wyrażony w procentach w ramach jednego pełnego cyklu pracy magazynu energii elektrycznej, przy wykorzystaniu nominalnej pojemności tego magazynu oraz ładowania i rozładowywania go mocą nominalną.

Bezpośredni wpływ na sprawność, żywotność, bezpieczeństwo i wydajność akumulatora ma technologia, w jakiej został on wykonany. Aspekt ten determinuje także cenę magazynu energii, a co za tym idzie opłacalność całej inwestycji w system magazynowania energii. Obecnie na rynku do najbardziej popularnych należą akumulatory:

• kwasowo-ołowiowe – posiadają sprawność na poziomie ok. 75-85 proc. Niestety nie oferują imponującej ilości cykli ładowania, ani bezpieczeństwa użytkowania, gdyż łatwo się przegrzewają. Ich zaletą jest z pewnością niska cena;
• litowo-jonowe – najczęściej wybierane akumulatory oferowane przez wielu uznanych producentów. Oferują sprawność na poziomie ok. 90 proc. i 6000 do 8000 cykli ładowania. Zazwyczaj posiadają wbudowane systemy chroniące przed przegrzewaniem się i doskonale współpracują z fotowoltaiką;
• litowo-żelazowo-fosforanowe – najnowsza, dostępna na szeroką skalę technologia w produkcji magazynów energii (opracowywane są kolejne, pozostające nadal w fazie testów). Akumulatory te posiadają sprawność na poziomie 95 do nawet 98 proc. i do 10 000 cykli ładowania, co przekłada się na prawie 25 lat pracy (w zależności od sposobu użytkowania). Są one bezpieczne w użytkowaniu i spełniają najsurowsze standardy jakości. Należą także do najdroższych rozwiązań.

Aby magazyn energii mógł efektywnie gromadzić prąd z fotowoltaiki musi być do niej starannie dobrany. Montaż akumulatora do już istniejącej instalacji może wymagać zastosowania falownika hybrydowego, a także dopasowania pojemności urządzenia do mocy paneli fotowoltaicznych oraz oczywiście zapotrzebowania energetycznego gospodarstwa domowego. W kontekście tego, jaki magazyn energii do fotowoltaiki wybrać powinien doradzić specjalista, który kierując się wiedzą i doświadczeniem zaprojektuje efektywny i generujący realne oszczędności system. Magazyn energii to doskonałe rozwiązanie dla instalacji off-grid, ale wspiera optymalizację autokonsumpcji energii także w instalacjach podłączonych do sieci.

Superkondensatory – czym są i jak działają?

Naukowcy zajmujący się zagadnieniem magazynowania energii wciąż podejmują nowe wyzwania na drodze do opracowania coraz bardziej wydajnych i trwałych technologii, które będą w stanie przez długi czas przechowywać energię, efektywnie zasilać sprzęty domowe i przy tym nie tracić na sprawności przez lata pracy. Obok akumulatorów litowych, niektórzy specjaliści wskazują na superkondensatory, jako alternatywne rozwiązanie w kontekście magazynowania energii z fotowoltaiki.

Pomimo tego, że superkondensatory mają obecnie zdecydowanie mniejszą zdolność do magazynowania energii od jakichkolwiek akumulatorów chemicznych, to ich znaczenie w branży energetycznej, a także motoryzacyjnej czy elektronicznej sukcesywnie wzrasta. Do najważniejszych cech superkondensatorów należą:

• gęstość energii wielokrotnie niższa od tej spotykanej w akumulatorach;
• gęstość mocy znacznie wyższa niż w przypadku akumulatorów chemicznych;
• bardzo krótki czas ładowania nieosiągalny dla tradycyjnych technologii bateryjnych;
• znikoma degradacja urządzenia w wyniku jego ładowania i rozładowywania (szacuje się żywotność na poziomie nawet miliona cykli);
• bardzo niskie napięcie znamionowe (2,8 do 5,5 V) stanowiące ich największe ograniczenie;
• szeroki zakres temperatur efektywnej pracy (od -40 do nawet +65 stopni Celsjusza);
• szybsze samorozładowywanie w porównaniu do akumulatorów;
• sprawność na poziomie 84 do 95%.

Magazyny ciepła i chłodu – na czym to polega?

Dla większości prosumentów oczywistym jest fakt, że z fotowoltaiki można magazynować energię elektryczną. Okazuje się jednak, że zyskującym na popularności rozwiązaniem jest technologia umożliwiająca konwertowanie energii pozyskanej z instalacji PV w energię cieplną i przechowywanie jej w specjalnym magazynie. W tym kontekście mówi się zwykle o krótkoterminowych lub sezonowych magazynach ciepła i chłodu, które wykorzystywane są do gromadzenia nadwyżek energii z instalacji OZE (najczęściej fotowoltaiki). Grzegorz Wiśniewski, prezes Instytutu Energetyki Odnawialnej w rozmowie dla portalu magazyncieplasystemowego.pl przekonuje, że:

Kluczowym elementem, umożliwiającym szerokie wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych w ciepłownictwie, jest sezonowy magazyn ciepła. Taki magazyn pozwala efektywnie wykorzystywać energię z tzw. pogodowo-zależnych OZE i pomaga w wyrównywaniu podaży i zapotrzebowania na ciepło w okresie letnim i zimowym.

Istnieje kilka podziałów w obszarze magazynów ciepła. Akumulatory funkcjonujące w tej technologii mogą mieć postać podziemnych zasobników ciepła i wykorzystywać w tym celu grunt, żwir i wodę. Tego rodzaju magazyny nazywane są w skrócie UTES – Underground Thermal Energy Storage. Często mówi się także o naziemnych magazynach wodnych, które buduje się z żelbetu wzmocnionego tworzywem sztucznym. Zwykle ma on pojemność od kilku do kilku tysięcy metrów sześciennych. Magazyn taki określany jest skrótem TTES, którego rozwinięcie to Tank Thermal Energy Storage. Dodatkowo w grupie akumulatorów typu UTES, wyróżniane są także magazyny gruntowe, magazyny w warstwie wodonośnej, wodno-żwirowe osadzone w gruncie oraz skalne (kawernowe). Podział magazynów ciepła przedstawiony jest poniżej:

Magazynowanie ciepła (TES – Thermal Energy Storage) to technologia, dzięki której możliwe jest kumulowanie ciepła lub chłodu do wykorzystania w późniejszym czasie, według potrzeb użytkownika. Ciepło pozyskiwane z promieni słonecznych można magazynować krótkoterminowo (kilka dni) lub długoterminowo (sezonowe). Sposoby te wyznaczają kolejny podział magazynów ciepła na krótkoterminowe oraz sezonowe. Trzeba zaznaczyć, że opisywana technologia w połączeniu z instalacją PV wymaga zastosowania specjalnych układów konwersji energii elektrycznej w cieplną. Koszty takiego rozwiązania oraz stosunkowo niska sprawność w porównaniu na przykład z akumulatorami chemicznymi sprawiają, że na wzrost popularności magazynów ciepła wśród indywidualnych inwestorów przyjdzie jeszcze poczekać. Obecnie są to rozwiązania stosowane najczęściej w przypadku osiedli mieszkaniowych czy budynków użyteczności publicznej.

Jak magazynować energię z fotowoltaiki, aby nie stracić?

Zagadnienie magazynowania energii z fotowoltaiki jest wielowątkowe i może powodować u użytkowników instalacji pewną dezorientację. Nadrzędnym celem kumulowania prądu pozyskanego przez panele fotowoltaiczne jest generowanie oszczędności oraz dążenie do jak największej autokonsumpcji w obrębie gospodarstwa domowego, czy firmy. Magazynowanie energii bez względu na jego formę powinno zatem przede wszystkim przynosić właścicielowi instalacji zyski, a nie straty. Jak więc magazynować prąd z fotowoltaiki, by uniknąć tych ostatnich? W odpowiedzi na to zagadnienie można posiłkować się jednym z kluczowych parametrów magazynu energii, czyli ich sprawnością. Przypomnijmy, że wartość ta oznacza stosunek energii elektrycznej wyprowadzonej z magazynu energii elektrycznej do energii elektrycznej wprowadzonej do tego magazynu.

W nawiązaniu do powyższego zestawienia pokusiliśmy się także o obliczenie wolumenu energii, jaki każdego dnia zostanie utracony w poszczególnych systemach magazynowania. Przyjęliśmy dzienną produkcję energii na poziomie 43,8 kWh przez instalację o mocy 10 kWp (za sunvival.pl). Trzeba jednak pamiętać, że wartości te będą bardzo umowne, ponieważ zależą od wielu czynników, takich jak choćby sposób zarządzania zużyciem energetycznym w domu lub firmie.

Tym niemniej pod względem oferowanej sprawności i prognozowanych strat energii najlepiej wypadają akumulatory litowo-jonowe. Oczywiście należy tu uwzględnić koszty inwestycji w sam magazyn energii, ewentualnego dostosowania do niego istniejącej instalacji fotowoltaicznej oraz usługi projektu i montażu systemu. Obecnie najtańszym rozwiązaniem pozostaje nadal wirtualny magazyn energii w postaci sieci elektroenergetycznej, jednak trzeba pamiętać o zbliżającym się nieuchronnie wycofaniu tego sposobu rozliczania prosumentów.

Magazynowanie prądu z fotowoltaiki – czy istnieje rozwiązanie idealne?

Zważywszy na mnogość rozwiązań w zakresie tego, jak magazynować prąd z fotowoltaiki wybór najkorzystniejszego dla kieszeni inwestora systemu, może nastręczać mu sporo problemów. Można i warto oczywiście brać przykład z zachodnich sąsiadów i zainwestować w wydajny chemiczny magazyn energii wykonany w bezpiecznej i trwałej technologii. To rozwiązanie stało się obecnie bardziej opłacalne, a tym samym bardziej popularne po wdrożeniu systemowego dofinansowania do magazynów energii w ramach programu Mój Prąd 2023, a następnie podwyższeniu górnego limitu wysokości dotacji możliwych do uzyskania w tym obszarze.

Czy istnieje zatem rozwiązanie idealne w zakresie magazynowania energii z fotowoltaiki? Wydawać by się mogło, że będzie nim takie skonfigurowanie systemu energetycznego w gospodarstwie domowym lub firmie, aby nadwyżki energii nie musiały być magazynowane, a były wykorzystywane na bieżąco na przykład do zasilania pompy ciepła, czy ładowania samochodu elektrycznego. Pozostaje jednak wówczas kwestia dostaw energii, kiedy jej produkcja w instalacji jest ograniczona lub całkowicie niemożliwa (noc, niekorzystne warunki atmosferyczne).

Okazuje się zatem, że korzystając w domu lub firmie z pogodowo zależnych instalacji OZE, trzeba być przygotowanym na konieczność wdrożenia optymalnego systemu magazynowania energii lub w określonych momentach na korzystanie z dostaw z sieci. Niestety to drugie rozwiązanie nie przybliża bynajmniej do osiągnięcia energetycznej niezależności, która stanowi cel dla większości użytkowników odnawialnych źródeł energii.