Systemy zarządzania energią HEMS/EMS - fotowoltaika ich potrzebuje?

Systemy zarządzania energią - czym są?

Zanim przejdziemy do wyjaśnienia, dlaczego “system zarządzania energią - fotowoltaika” to rozwiązanie coraz bardziej pożądane, wyjaśnijmy w kilku słowach, czym właściwie są takie systemy.

System Zarządzania Energią (ang. Energy Management System - EMS) to układ urządzeń i oprogramowania, którego zadaniem jest:

• monitoring i kontrola przepływu energii w obiekcie,
• zarządzanie jej dystrybucją,
• optymalizacja przepływów energii pod kątem kosztów oraz zapotrzebowania.

Innymi słowy, jest to system składający się ze specjalnie zaprogramowanych sprzętów, który będzie sterował energią tak, aby można było ją najefektywniej wykorzystać.

Sama koncepcja i zastosowanie systemów EMS nie jest nowa - już od lat były istotnym elementem budowania efektywności energetycznej. Stosowano je jednak głównie w wyspecjalizowanych podmiotach z sektora energetycznego lub w sektorze biznesowym. Tam, ich głównym celem było ograniczenie zużycia energii dostarczanej, a tym samym zmniejszenie kosztów oraz emisji gazów cieplarnianych.

Teraz, za sprawą upowszechnienia się mikroinstalacji odnawialnych źródeł energii rośnie znaczenie systemów zarządzania energią w domu (ang. Home Energy Management System - HEMS). Dlaczego?

System zarządzania energią - fotowoltaika ich potrzebuje?

Jak już wspominaliśmy, odnawialne źródła energii, takie jak słońce, mają jedną istotną wadę - są niesterowalne. Produkcja z OZE w głównej mierze zależy od czynników, nad którymi nie da się zapanować - m.in. od warunków pogodowych oraz pór roku. Przykładowo, największą produkcję prądu fotowoltaika osiąga wiosną i latem - w tych miesiącach podaż przewyższa popyt. Jednocześnie zimą, gdy ze względu na zapotrzebowanie na ciepło rośnie popyt na energię, fotowoltaika (z racji krótkich dni i małej ilości promieni) działa w ograniczonym zakresie. Okresy generacji energii z fotowoltaiki często nie pokrywają się także w pełni z dobowym zapotrzebowaniem. Poniżej znajdziecie wykres dziennej produkcji z fotowoltaiki oraz wykres dziennego zużycia w przykładowym gospodarstwie domowym.

Produkcja energii z fotowoltaika, Źródło: Opracowanie własne enerad.pl

Profil zużycia energii w domu jednorodzinnym, Źródło: Opracowanie własne enerad.pl

Jak widać, krzywe produkcji i zużycia rozmijają się - gdy PV generuje prąd, domowników nie ma na miejscu, a więc zostaje on odesłany do sieci. Wieczorem gospodarstwo pobiera zaś energię z elektrowni.

Ciężar niwelowania tych rozbieżności dotychczas w głównej mierze spoczywał na systemie energetycznym. Prosumenci w Polsce dotychczas korzystali z tzw. systemu opustów i energię wyprodukowaną za dnia, po odesłaniu do sieci mogli odebrać np. nocą. Oczywiście w praktyce, nie była to dokładnie ta sama energia, którą wyprodukowali. Niestety, pochodziła ona głównie ze spalania węgla (udział “czarnego złota” w polskim miksie energetycznym to nadal ok. 70%). Taki układ nie zachęcał do optymalizacji wykorzystywania produkowanej energii. To znacznie ograniczało pozytywny wpływ fotowoltaiki na krajowy system energetyczny i utrudniało dążenie do celu, jakim jest jego dekarbonizacja. Bo choć odnawialne źródła energii są kluczowym elementem przejścia na gospodarkę zeroemisyjną, transformacja nie uda się, dopóki odbiorcy końcowi nie zaangażują się w stabilizowanie ich pracy, poprzez maksymalizację autokonsumpcji.

Między innymi z tej przyczyny pojawił się pomysł wdrożenia net-billingu. W nim, systemy HEMS/EMS stają się nie tylko przydatne, ale stają się wręcz koniecznością. Dlaczego?

HEMS i EMS - systemy zarządzania energią w domu z fotowoltaiką są teraz niezbędne

We wprowadzonym od 01.04.2022 roku net-billingu dla prosumenta kluczowa jest wartość energii w momencie jej wytworzenia (jest to zatem odwrotność systemu opustów, gdzie rozliczano się ilościowo). Nadwyżki prądu odesłane do sieci są wyceniane (ze względów technicznych, do 2024 roku do obliczeń służy miesięczna rynkowa cena energii, po tej dacie - stawka godzinowa z TGE). Obliczona kwota stanowi tzw. depozyt prosumencki, z którego będzie pokrywana wartość energii pobieranej z sieci.

Wartość energii na giełdzie ulega wahaniom, będącym odzwierciedleniem m.in. popytu na prąd. Przykładowo, za dnia, stawki mogą być niskie (a w przyszłości nawet ujemne), bo prąd w tym samym czasie będzie dostarczany przez dużą liczbę producentów PV i przebije popyt. W nocy zaś stawki będą wysokie, bo popyt będzie rósł, a produkcja będzie ograniczona. Jednocześnie pobierając energię z sieci, będziemy płacić stałą stawkę obarczoną określonymi kosztami (m.in. podatkiem VAT).

Aby zwiększyć korzyści z posiadania instalacji fotowoltaicznej warto zatem maksymalizować autokonsumpcję (nie będziemy wówczas pobierać drogiej energii z sieci). Ewentualne nadwyżki najlepiej będzie zaś oddawać wtedy, gdy prąd będzie najdroższy.

Osiągnięcie tych celów ułatwi m.in. zastosowanie systemów zarządzania energią w domach z fotowoltaiką. Jak to możliwe? W jaki sposób działają systemy zarządzania energią do fotowoltaiki?

System zarządzania energią HEMS/EMS - jak działa? Z czego się składa?

Wszystkie systemy zarządzania energią (HEMS/EMS) działają w podobny sposób. W pierwszej kolejności rejestrują i analizują dane na temat zużycia. W tym celu weryfikują pracę urządzeń działających w obiekcie oraz sposób ich wykorzystania przez użytkowników. Badają również produkcję energii z fotowoltaiki i próbują tak wysterować pracą urządzeń, by osiągnąć określone cele. W przypadku systemów fotowoltaicznych działających w net-billingu będzie to np. maksymalizacja autokonsumpcji, przy jednoczesnym ograniczaniu poborów z sieci.

Z czego się składa system HEMS/EMS?

Sam system zarządzania energią HEMS/EMS może składać się z różnych elementów - wszystko zależy od tego, jakie funkcje ma pełnić.

W podstawowych wariantach systemu zarządzania energią w domu z fotowoltaiką, elementy HEMS/EMS sprowadzają się do pojedynczego urządzenia, które kontroluje produkcję i w razie konieczności ogranicza eksport do sieci do minimum lub do zadanego poziomu. Obecnie, w funkcjonalność pozwalającą na realizację tego zadania jest wyposażony właściwie każdy falownik i mikrofalownik dostępny na rynku. Przy czym niekiedy do skorzystania z tej opcji wymagany jest montaż dodatkowego inteligentnego licznika energii (innego niż ten montowany przez zakład energetyczny). Urządzenie to służy do precyzyjnego opomiarowywania całej produkcji i sterowania nią (licznik dwukierunkowy montowany przez ZE rejestruje tylko nadwyżkę energii).

Przykładowa struktura systemu zarządzania energią, Źródło: hewalex.pl

Bardziej zaawansowane systemy zarządzania energią zwykle składają się z:

• Tzw. jednostki sterującej, będącej mózgiem każdego systemu HEMS/EMS. Jest to urządzenie posiadające odpowiednie oprogramowanie oraz porty komunikacyjne, pozwalające na monitoring energii pobieranej i dostarczanej, a także zarządzanie nią np. poprzez włączanie i wyłączanie określonych sprzętów czy ograniczanie mocy instalacji PV.
• Czujników, przełączników, sterowników - czyli urządzeń pośredniczących między modułem sterującym, a odbiornikami (np. bojlerem, pompą ciepła). To właśnie one umożliwiają wykonywanie zaawansowanych poleceń wydanych przez jednostkę sterującą.
• Platformy sterującej dedykowanej dla użytkownika - większość systemów posiada oprogramowanie, które pozwala użytkownikowi kontrolować, a w razie potrzeby ingerować w cały proces zarządzania energią. Za pomocą platformy, klient może wydawać polecenia modułowi sterującemu, który z kolei wyśle odpowiednie żądania do właściwych elementów systemu. Oprócz tego, oprogramowanie to pozwala sprawdzać skuteczność i opłacalność systemu HEMS/EMS czy doglądać bezpieczeństwa pracy.

Końcowym elementem każdego systemu zarządzania energią w domu z fotowoltaiką są już poszczególne urządzenia domowego użytku - pralki, zmywarki, pompy ciepła, bojlery. Dzięki systemom HEMS/EMS (w pewnych okresach) niemal w 100% mogą one być napędzane energią pochodzącą bezpośrednio z instalacji fotowoltaicznej.

Warto dodać, że coraz częściej, do zestawu “system zarządzania energią - fotowoltaika” dodaje się magazyn energii. Dzięki niemu, możliwe jest osiągnięcie swego rodzaju samowystarczalności energetycznej (choć jedynie w zakresie dobowym, w sezonie zwiększonej produkcji energii z PV, czyli od marca do września).

System zarządzania energią - fotowoltaika: zalety

Zestaw “system zarządzania energią + fotowoltaika” to rozwiązanie, które niesie dla inwestora szereg różnorakich korzyści. Jakich?

Większa opłacalność inwestycji - kluczem do osiągnięcia jak największej rentowności instalacji PV jest możliwie jak największa autokonsumpcja (szczególnie w przypadku net-billingu). Korzystając z prądu wyprodukowanego głównie przez system fotowoltaiczny nie będziemy zmuszeni do ponoszenia opłat dystrybucyjnych (stanowiących ok. 40% całkowitej ceny prądu) oraz zakupu samej energii czynnej (która z kolei jest obciążona opłatami w postaci VAT czy certyfikatów).

Ograniczenie zużycia energii - systemy zarządzania energią HEMS/EMS w domu są wyposażone w automatykę, która oprócz maksymalnego wykorzystania darmowego prądu ze słońca, dąży do ograniczenia konsumpcji energii jako takiej. To w oczywisty sposób przekłada się na niższe rachunki.

Zmniejszenie śladu węglowego - optymalne wykorzystanie energii ze słońca oraz ograniczenie poboru z sieci sprawia, że możemy realnie zmniejszyć ślad węglowy generowany przez nasze gospodarstwo domowe. Każde 1.000 kWh prądu z PV to aż ok. 800 kg CO2 mniej w atmosferze.

Wygoda - korzystając inteligentnych systemów zarządzania energią możemy ograniczyć nasze zaangażowanie do minimum (wyłącznie do funkcji kontrolnych) - wszystko może odbywać się automatycznie. Dzięki oprogramowaniu HEMS/EMS możemy sterować m.in. temperaturą w domu, dostępnością ciepłej wody użytkowej czy pracą AGD zdalnie, z dowolnego miejsca na świecie.

Wszystko w jednym miejscu - systemy do zarządzania energią z domu z fotowoltaiką są pomyślane w taki sposób, by jedno urządzenie dało radę koordynować pracę wielu innych - np. oświetlenia, sprzętów AGD, ale też pomp ciepła, bojlerów czy ładowarek samochodowych. Dzięki temu możemy stworzyć inteligentny i efektywny energetycznie dom.

Większa samowystarczalność i odporność na podwyżki cen energii - ponieważ celem systemów HEMS/EMS jest ograniczanie poboru prądu z sieci i maksymalizacja autokonsumpcji, stajemy się mniej zależni od sieci energetycznych (szczególnie jeśli posiadamy magazyn energii). W mniejszym stopniu będziemy też odczuwać wahania cen zakupu energii.

Koszt systemu zarządzania energią w domu z fotowoltaiką

Przejdźmy teraz do jednej z ważniejszych kwestii, jaką jest koszt systemu zarządzania energią z fotowoltaiki w domu. Ile trzeba zapłacić za oprogramowanie i urządzenia?

Tu niestety, odpowiedź nie jest łatwa, bo wszystko zależy od m.in.:

• zaawansowania systemu - im więcej funkcji ma posiadać HEMS/EMS, tym bardziej rozbudowane oprogramowanie będzie potrzebne oraz tym więcej urządzeń pośredniczących będziemy potrzebować (m.in. czujników, sterowników, bramek sieciowych etc.). To podnosi ogólną cenę;
• typu systemu - na rynku dostępne są zarówno rozwiązania kompleksowe (oprogramowanie plus kompatybilne urządzenia), jak i pojedyncze elementy systemu, które można spiąć za pomocą zewnętrznych programów;
• zawartości oferty - wdrożenie systemu HEMS/EMS to dość karkołomne zadanie, które wymaga kompetencji z zakresu elektryki oraz sektora IT. Nie każdy będzie zatem w stanie sobie z nim poradzić. To oznacza, że do kosztu software’u i sprzętów, trzeba będzie doliczyć wydatki związane z konfiguracją.

Ile zatem trzeba będzie wydać? Przykładowo, za podstawowy wariant system zarządzania energią OPTI-ENER (do zarządzania bilansem energii) opracowany przez polską firmę Hewalex trzeba zapłacić ok. 1.000 zł brutto. Według danych udostępnianych przez dostawcę, po jego zamontowaniu autokonsumpcja może wzrosnąć do ok. 35-45%. Pozwoli to na skrócenie okresu zwrotu z inwestycji o około rok. Nad autorskim systemem POWER HOUSE HEMS pracuje również m.in. Columbus Energy.

Warto wiedzieć, że mniej lub bardziej kompleksowe systemy HEMS/EMS dostarczają również producenci podzespołów fotowoltaicznych. I tak przykładowo, system zarządzania energią z fotowoltaiki Fronius Ohmpilot (z licznikiem Fronius Smart Meter oraz kompatybilna grzałką) to wydatek ok. 5.000 - 6.000 zł.

System zarządzania energią HEMS/EMS - dofinansowanie

Zakup sprzętów i oprogramowania wchodzących w skład systemów zarządzania energią w domu z fotowoltaiką, choć przynosi korzyści, oznacza również dość duży wydatek. Dobra wiadomość jest jednak taka, że możliwe jest otrzymanie dofinansowania na zakup tego typu rozwiązań.

Dotację na system zarządzania energią HEMS/EMS można teraz otrzymać z Mój Prąd 5.0. Według zasad programu Mój Prąd maksymalne dofinansowanie do systemu zarządzania energią HEMS/EMS może wynieść do 50% kosztów inwestycji i nie więcej niż 3.000 zł na jedno przedsięwzięcie.

Uwaga! Są dwa warunki otrzymania dotacji na HEMS/EMS w Mój Prąd 4.0:

• korzystanie z systemu net-billing,
• zakup magazynu ciepła (np. bojler, bufor ciepła, pompa ciepła do c.w.u) lub magazynu energii (o pojemności min. 2 kWh).

Zestaw "system zarządzania energią - fotowoltaika", to obecnie doskonałe rozwiązanie do optymalizacji przepływów energii nie tylko w obiektach biznesowych, ale także w gospodarstwach domowych. Po wdrożeniu net-billingu, wraz z magazynem energii mogą stanowić skuteczny sposób na zwiększenie opłacalności instalacji PV oraz osiągnięcie swego rodzaju samowystarczalności energetycznej. W system HEMS/EMS warto inwestować szczególnie teraz, gdy dostępne są dotacje z programu Mój Prąd 2022.