Podstawy fotowoltaiki w pigułce, cz.1

Niniejszy artykuł ma na celu wyjaśnienie podstawowych zagadnień związanych z fotowoltaiką, zarówno technicznych, prawnych, jak i finansowych oraz podsumowanie korzyści wynikających z posiadania domowej elektrowni słonecznej. 

Podstawy fotowoltaiki

Nazwa „fotowoltaika” pochodzi z połączenia dwóch słów: photo – oznaczające światło, oraz volt – oznaczające jednostkę pomiaru napięcia prądu. Często zamiennie używa się dla określenia fotowoltaiki skrótu PV.

Moduły fotowoltaiczne składają się z ogniw, które bezpośrednio zamieniają promieniowanie słoneczne w energię elektryczną. Kiedy promieniowanie słoneczne pada na ogniwo, fotony wybijają elektrony i powstaje różnica potencjałów sprawiająca, że przepływa prąd stały. Systemy fotowoltaiczne nie potrzebują jasnego światła aby działać – produkują energię także w pochmurne dni.

Jak wygląda instalacja fotowoltaiczna?

Domowe instalacje fotowoltaiczne zwykle są montowane na dachu budynku. Systemy takie wymagają falownika (ang. inverter) – urządzenia zamieniającego prąd stały (DC) produkowany przez moduły PV na prąd zmienny (AC) o charakterystyce odpowiedniej dla sieci elektroenergetycznej danego kraju (w Polsce 230V, 50Hz).

Przykładowa instalacja fotowoltaiczna została pokazana na rysunku poniżej:

Rys. 1. Przykład systemu fotowoltaicznego zainstalowanego na dachu i przyłączonego do sieci: 1) pole modułów, generator fotowoltaiczny wytwarzający prąd stały (DC), 2) konstrukcja wsporcza, 3) kable dedykowane do zastosowań w fotowoltaice, 4) instalacja odgromowa, 5) układy pomiarowe – dwukierunkowy licznik energii elektrycznej, 6) falownik przetwarzający prąd stały na prąd przemienny (AC), 7) istniejąca w budynku sieć energetyczna, odbiorniki energii, 8) miejsce przyłączenia do sieci energetycznej, 9) sieć Operatora Systemu Dystrybucyjnego (OSD).

Co się dzieje z produkowaną energią?

Wyjaśnienie tego zagadnienia jest kluczowe dla zrozumienia korzyści płynących z instalacji fotowoltaicznych.

Na kolejnych rysunkach pokazane są przepływy energii pomiędzy OSD (Operator Systemu Dystrybucyjnego – np. PGE, Tauron, Energa, ENEA) a budynkiem. Granicą przyłączenia jest najczęściej miejsce instalacji układu pomiarowego – licznika energii.

Rys. 2.a) Zwykła instalacja domowa. Całość energii potrzebnej do zasilenia odbiorników w domu pobierana jest z sieci.

Rys. 2.b) Instalacja fotowoltaiczna w budynku produkuje energię, która w pierwszej kolejności zasila odbiorniki znajdujące się w domu. Jeśli ilość produkowanej energii jest niewystarczająca, „brakująca” część energii dobierana jest z sieci energetycznej (od OSD).

Rys. 2.c) Może się również zdarzyć, że ilość produkowanej energii jest większa, niż potrzeby energetyczne budynku. W takiej sytuacji w pierwszej kolejności zasilane są odbiorniki w domu, a nadwyżka produkowanej energii jest oddawana do sieci energetycznej (do OSD).

Podłączenie instalacji fotowoltaicznej do sieci elektrycznej budynku (zrealizowane w jego rozdzielni głównej) pozwala bezpośrednio wykorzystać produkowaną energię na potrzeby odbiorników znajdujących się w budynku – w sytuacji niewystarczającej produkcji energia jest pobierana z sieci, natomiast nadwyżki są oddawane do sieci.

Aby móc zmierzyć ilość oddanej energii konieczna jest wymiana klasycznego licznika energii na nowoczesny licznik elektroniczny, dwukierunkowy. Energia zakupiona od sprzedawcy energii liczona jest ze znakiem „+”, natomiast energia oddana do sieci – ze znakiem „–”.

Jak oszacować ilość produkowanej energii

Moc instalacji fotowoltaicznej określa się jako iloczyn mocy nominalnej zastosowanych modułów. Przykładowo, dla 20 modułów 270Wp będzie to 5400Wp, czyli 5,4kWp.

20 • 270Wp = 5400Wp = 5,4kWp

Korzystając z darmowych narzędzi, takich jak baza PV-GIS (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html) można łatwo oszacować ilość produkowanej rocznie energii, w zależności od lokalizacji, kąta nachylenia modułów, czy też azymutu pola modułów PV. Dla gmin zlokalizowanych w Małopolsce, nasza przykładowa elektrownia wyprodukuje 5420kWh energii elektrycznej (rys. 3). W uproszczeniu można przyjąć, że 1kWp mocy elektrowni daje 1000kWh energii rocznie.

Rys. 3. Roczny profil produkcji energii w instalacji fotowoltaicznej o mocy 5.4kWp zainstalowanej na budynku domu jednorodzinnego.

Samowystarczalność – stopień wykorzystania energii na potrzeby własne

Prawidłowo dobrana instalacja fotowoltaiczna powinna w ciągu roku produkować tyle energii, ile jest zużywane w budynku w tym samym okresie. Przykładowo, jeśli zużywamy rocznie 5MWh (5000kWh), elektrownia fotowoltaiczna powinna w okresie roku produkować 5MWh.

Pojawia się jednak kwestia niedopasowania profilu zużycia energii i profilu jej produkcji w dwóch aspektach:

• W trakcie roku energia produkowana jest z fotowoltaiki głównie w okresie letnim, późną wiosną i wczesną jesienią. W miesiącach grudzień-styczeń elektrownia wytwarza zaledwie około 4-5% całej produkcji rocznej. Z kolei zużycie energii z reguły jest większe niż w okresie letnim: krótsze dni wymagają dłuższych czasów korzystania z oświetlenia, energia jest też wykorzystywana do ogrzewania.
• W ciągu dnia szczyt produkcji energii przypada na godziny okołopołudniowe. W tym czasie domownicy przebywają w pracy (poza domem), a zatem produkowana energia nie jest konsumowana i musi zostać oddana do sieci elektroenergetycznej.

Przykładowe profile zużycia i produkcji energii przedstawiono na rys. 4. Zjawisko to jest naturalne i występuje w przypadku, w którym moc instalacji fotowoltaicznej została dobrana poprawnie do potrzeb energetycznych budynku. Samowystarczalność takiego budynku – czyli ilość wytworzonej energii, którą wykorzystuje się bezpośrednio do zaspokojenia własnych potrzeb energetycznych – wynosi około 25-30%. To oznacza, że pozostałe 70-75% energii jest oddawane do sieci, a następnie odbierane z sieci np. w godzinach nocnych. Oczywiście ze stratą dla właściciela budynku (o czym więcej – poniżej).

Rys. 4. Przykładowy profil produkcji i zużycia energii w instalacji fotowoltaicznej zainstalowanej na budynku domu jednorodzinnego. Większość produkowanej w trakcie dnia energii oddawana jest do sieci, aby zostać pobrana w godzinach wieczornych i nocnych.

Opis sytuacji prawnej w Polsce

Zmiany w rozliczaniu wyprodukowanej energii elektrycznej przez prosumentów (właścicieli przydomowych mikroinstalacji o mocy do 40kW) weszły w życie od dnia 1.07.2016r.

Aktualny stan prawny dla prosumentów przewiduje brak zapłaty za nadwyżkę ilości energii wprowadzonej w stosunku do ilości energii pobranej z sieci OSD. Taki klient, spełniając warunek m.in. posiadania umowy kompleksowej, będzie podlegać rozliczeniu ilości energii elektrycznej wprowadzonej do sieci elektroenergetycznej wobec ilości energii elektrycznej pobranej z tej sieci w stosunku ilościowym 1:0,8 (dla mocy zainstalowanej elektrycznej mniejszej lub równej 10 kW) lub 1:0,7 (dla mocy zainstalowanej elektrycznej większej niż 10 kW).

W sytuacji, w której oddamy do sieci więcej energii niż będziemy w stanie odebrać w okresie 1 roku, energia ta „przepada”. Nie warto zatem inwestować w elektrownie fotowoltaiczne o zbyt dużej mocy.

Ile wyprodukowanej energii wykorzystamy? 

Aktualny system opustów można porównać do magazynu energii, w którym z 1000kWh oddanych do sieci możemy odebrać tylko 800kWh. Przy samowystarczalności budynku na poziomie 30% i rocznej produkcji 5400 kWh, bezpośrednio zużywamy:

30% • 5400 kWh = 1620 kWh.

Pozostałą część energii musimy oddać do sieci a następnie odebrać ją z opustem, zatem pozostaje nam:

70% • 5400 kWh • 0,8 = 3024 kWh.

Gdzie:

• 30% to ilość energii wyprodukowanej i zużytej bezpośrednio (tzw. “samowystarczalność”)
• 70% to pozostała energia: oddana, a następnie pobrana z sieci energetycznej
• 5400kWh to ilość energii wyprodukowanej w ciągu roku przez naszą elektrownię fotowoltaiczną
• 0,8 to wartość wynikająca z „opustu” 1:0,8.

Nadal jednak w naszym budynku możemy wykorzystać do zasilenia naszych odbiorników energii, całkiem sporą wartość, tj:

1620 kWh + 3024 kWh = 4644 kWh

Czy w takim razie fotowoltaika w Polsce się opłaca?

Jeżeli w naszym przykładowym domu zużywamy rocznie 5000 kWh energii, to płacimy za nią wraz z kosztami przesyłu i opłatami stałymi około 3100 zł (kwota ta może nieznacznie różnić się w zależności od Operatora i zastosowanej taryfy).

Jeżeli część dotychczas kupowanej energii wyprodukujemy sami, to rachunki za energię elektryczną znacząco się obniżą, ponieważ będziemy kupować jej istotnie mniej:

5000 kWh – 4644 kWh = 356 kWh

Za taką ilość energii zapłacimy około 330 zł rocznie (wraz z opłatami stałymi), czyli mniej niż 30zł miesięcznie!

Zysk w pierwszych dziesięciu latach – przy optymistycznym założeniu, że cena energii elektrycznej nie będzie rosła – to:

(3100 zł – 330 zł) • 10 lat = 2770 zł • 10 lat = 27700 zł

Elektrownię fotowoltaiczną bazującą na dobrej jakości, europejskich produktach (takich jak falowniki Fronius) można zakupić wraz z montażem za około 5000 zł brutto za 1 kWp. Nasza przykładowa elektrownia domowa o mocy 5,4kWp będzie zatem kosztowała około:

5,4kWp • 5.000 zł / kWp = 27000 zł

Wniosek

Instalacja fotowoltaiczna jest bezobsługowa i nie wymaga dostarczania paliwa. Zatem koszt zakupu i instalacji naszej elektrowni na dachu zwróci się dzięki obniżonym rachunkom za energię elektryczną w okresie poniżej 10 lat! A przecież poprawnie wykonana elektrownia będzie nam służyć 25 lat i dłużej, generując nam w tym okresie czysty (również w sensie ekologicznym) zysk.

Natomiast jeżeli podniesiemy stopień wykorzystania energii na potrzeby własne, np. z 30% do 50%, nasza inwestycja zwróci się jeszcze szybciej! Na tym webinarium można się nauczyć, jako to zrobić.

Zapraszamy do drugiej części “Podstaw fotowoltaiki”!