Fotowoltaika i magazyn energii

Zdecydowana większość dostępnych materiałów poświęconych fotowoltaice dotyczy zagadnień technicznych – doboru komponentów elektrycznych i montażowych. W kręgu moich zainteresowań są wszelkie zagadnienia związane z optymalizacją. Dotyczy to nie tylko instalacji PV i magazynów energii, ale także kogeneracji i innych technologii.

Zasady doboru instalacji PV i magazynów energii opisane zostały w moich artykułach dostępnych w zakładce „Do pobrania”.

Zastanówmy się jakie znaczenie dla inwestora ma dobór mocy instalacji PV oraz pojemności magazynu energii, oczywiście oprócz kosztów.

Podstawą wszelkich analiz związanych z analizą systemu energetycznego jest uzyskanie 15 minutowych pomiarów zużycia prądu, z których określamy godzinowy profil energetyczny obiektu. Dysponując godzinowym profilem energetycznym, metodą kolejnych przybliżeń, wyznaczamy przewidywaną wartość optymalną mocy instalacji PV. W analizie uwzględniamy także dodatkowedwieinstalacje PV, których moce różnią się o np. ± 30% od przyjętej mocy optymalnej.

Trzeba w tym miejscu zwrócić uwagę na pewien kwestie, które zapewne za słabo wybrzmiały w artykułach, a które były podnoszone przez czytelników:

• do czego potrzebne są 15 minutowe i godzinowe profile zużycia prądu, skoro w konsekwencji porównujemy dane miesięczne?
• czy w związku z tym nie wystarczy analiza przeprowadzona na podstawie miesięcznych faktur zużycia prądu oraz dane o uzysku prądu z PV otrzymane z jednego z wielu programów do analiz instalacji PV?

Po pierwsze, 15 minutowy profil zużycia prądu pozwala na uzyskanie dodatkowych informacji przydatnych do oceny stanu systemu energetycznego (optymalna moc umowna, stan mocy biernej). Podstawą analizy doboru mocy instalacji PV są pomiary godzinowe. Może się to wydawać niekonsekwentne, ale popatrzmy na rzeczywiste dane z przedsiębiorstwa.

Optymalna moc instalacji PV wynosi 670,48 kW_p.

Roczne zużycie prądu w przedsiębiorstwie wynosi 647.395 kWh. Dobrana optymalna moc instalacji PV pozwala na uzyskanie 641.765 kWh prądu w ciągu roku. W takim przypadku spora część instalatorów stwierdzi, że układ jest idealny, bo musimy dokupić jedynie 5.630 kWh prądu z sieci. Bardzo często inwestorzy są zapewniani, że instalacja PV pokryje nawet 100% zapotrzebowania.

Na podstawie analizy godzinowej okazuje się, że jedynie 277.716 kWh prądu z PV może być wykorzystane na potrzeby własne. Nadwyżka prądu z PV do sieci wynosi 364.049 kWh/rok i w ciągu roku musimy dokupić 369.679 kWh prądu z sieci.

Zobaczmy jak wygląda pobór prądu i praca instalacji PV w maju.

Wyraźnie widać, że prawie we wszystkie dni robocze trzeba dokupować prąd z sieci. Równocześnie widać jak duże są nadwyżki prądu oddawanego do sieci!

Bardzo często możemy zobaczyć przedsiębiorstwa z dużym lub bardzo dużym zapotrzebowaniem na prąd, w których wykonana jest instalacja PV o symbolicznej mocy do 50 kW_p. Moc elektryczna 50 kW stanowi, zgodnie z zapisami ustawy OZE, granicę pomiędzy mikoinstalacją i małą instalacją. Dlatego bardzo często w zakładach spotykamy instalacje PV o mocy elektrycznej nieznacznie mniejszej niż 50 kW_p. Odpowiedz na pytanie czy to ma sens wymaga odrębnego opracowania. W omawianym przedsiębiorstwie pobór prądu i praca instalacji PV o mocy 49,30 kW_p wyglądałaby następująco:

Ponieważ pokazujemy profil z maja, więc 1 i 3 maja przedsiębiorstwo nie pracuje (tak samo jak w niedziele) i wtedy nadmiar prądu jest oddawany do sieci. W pozostałe dni miesiąca prąd z PV stanowi jedynie kilka procent pokrycia potrzeb własnych.

Ważna uwaga!

Jeśli inwestor będzie szukał w internecie odpowiedzi na pytanie o dobór optymalnej mocy instalacji PV np. dla zakładu produkcyjnego łatwo mieć nie będzie. Zdecydowana większość informacji o doborze instalacji PV dotyczy domków. Z większością rad dla „domkowiczów” można polemizować. Jedna z wielu jest następująca: jeśli przyjmujemy, że z każdego 1 kW_p mocy PV uzyskamy około 1000 kWh energii elektrycznej rocznie oraz jeśli z rachunków za prąd wynika zużycie energii 4000 kWh/rok, to wybrana instalacja PV nie powinna być większa niż o mocy 4 kW_p.

Jak to się ma do profilu zużycia prądu? W większości przypadków, w czasie największego nasłonecznienia, czyli produkcji prądu, domownicy są w pracy. Nadwyżki prądu można sprzedawać do sieci lub dokupić magazyn energii, ale czy przy tej mocy ma to sens?

Firma Operator Doradztwo Techniczno-Finansowe zajmuje się modernizacją systemów energetycznych przedsiębiorstw z wykorzystaniem, między innymi, kogeneracji, fotowoltaiki i magazynów energii.

Spróbujmy teraz zdefiniować kryteria jakie mogą świadczyć o tym, że dobrana instalacja PV ma optymalną moc.

W swoich analizach przyjmuję, że optymalna moc instalacji PV jest taka, przy której współczynnik autokonsumpcji i samowystarczalności mają taką samą lub bardzo podobną wartość.

Dla dobranej mocy instalacji PV (670,48 kW_p) wyliczamy współczynnik autokonsumpcji i samowystarczalności dla dwóch dodatkowych instalacji, których moce różnią się o ± 30%.

Powyższy wykres doskonale obrazuje zależność współczynnika autokonsumpcji i samowystarczalność od mocy instalacji PV.

Jeśli inwestor ulegnie namowom na maksymalne zwiększanie mocy instalacji PV, np. do maksymalnego wykorzystania powierzchni dachu lub dostępnego terenu, to wprawdzie więcej prądu z PV będzie można wykorzystać na potrzeby własne, ale równocześnie więcej prądu z PV trzeba będzie oddać do sieci (zmniejsza się autokonsumpcja).

Ktoś może stwierdzić, że oddawanie nadwyżek prądu do sieci to czysty zysk, bo produkcja prądu z PV nas nie kosztuje, a za prąd oddany do sieci inwestor dostaje pieniądze. Zapewne kiedyś tak było, ale nie obecnie.Potężny bum na wykonywanie instalacji OZE spowodował, że w okresach słonecznych i wietrznych występują ogromne nadwyżki prądu. Wyłączenie lub obniżenie mocy elektrowni zawodowej w krótkim czasie to skomplikowany, długotrwały i kosztowny proces. Dla OSD prostsze jest odłączenie instalacji OZE – reakcja w sieci jest natychmiastowa.

Kolejny problem instalacji PV to ujemne ceny sprzedaży nadwyżek prądu do sieci wprowadzone pod koniec 2023 roku.

Dla przykładu wartości ujemnych cen prądu w czerwcu 2025 roku.

Kolejny wykres pokazuje godziny występowania cen ujemnych w czerwcu 2025 rok.

Ujemne ceny prądu występowały w czerwcu głównie w godzinach od 10 do 15. Przy wyjątkowo dobrej pogodzie ujemne ceny prądu pojawiały się już o godz. 9 rano.Ze wzrostem mocy instalacji OZE ilość cen ujemnych w miesiącu będzie rosła.

Wróćmy jednak do omawianego przypadku optymalnej instalacji PV.

Okazuje się, że nie zawsze mamy możliwość wykonania instalacji PV o mocy optymalnej. Może wynikać to np. ze względów finansowych lub lokalizacji instalacji. Tak było w omawianym przypadku, w którym występowały zarówno ograniczenia terenowe jak i ograniczona moc przyłączeniowa. Dlatego w tym przypadku „optymalna” moc instalacji PV została obniżona do 292,32 kW_p, a współczynniki autokonsumpcji oraz samowystarczalności są następujące:

Ponieważ nie mamy możliwości całkowitego wykorzystania prądu z PV na potrzeby własne inwestor zdecydował się na zastosowanie magazynu energii.

Przeglądając różne opracowania dotyczące doboru (celowo nie używam tu określenia optymalizacji) pojemności magazynów energii mamy w zasadzie dwie metody:

• wskaźnikowa – to są współczynniki od 1 kWh do 2 kWh przypadające na 1 kW_p instalacji PV;
• na wiarę – podaną przez doradcę pojemność należy przyjąć „na wiarę” bo on się na tym zna.

Żadna z tych metod do mnie nie przemawia. Dlatego starałem się przedstawić swój punkt widzenia, z którym oczywiście można dyskutować.

Jako kryterium optymalnej pojemności magazynu energii dla danego profilu zużycia prądu przez obiekt oraz przyjętej mocy instalacji PV (wiemy już, że nie zawsze może to być moc optymalna), mamy dwa istotne parametry:

• ilość prądu pobranego z ME przez obiekt [MWh/rok];
• ilość prądu dokupionego z sieci [MWh/rok].

Dla doboru pojemności magazynu energii powstał specjalny program komputerowy.

Proces doboru pojemności magazynu energii wymaga uwzględnienia wielu parametrów, z których najważniejsze to:

• maksymalna poziom ładowania (SoC – State of Charge);
• głębokość rozładowania (DoD – Depth of Discharge);
• maksymalna pojemność użytkowa C_max;
• minimalna pojemność użytkowa C_min;
• szybkość ładowania i rozładowania;

Podobnie jak w przypadku mocy instalacji PV analiza przeprowadzana jest dodatkowo dla dwóch pojemności magazynów energii różniących się o np. ± 30% od przyjętej pojemności optymalnej.

Na podstawie powyższego wykresu możemy stwierdzić, że magazyn energii o pojemności 516 kWh zapewnia minimalną ilość prądu, którą musimy dokupić z sieci i równocześnie maksymalną ilość prądu pobranego z ME na potrzeby własne.

Poniżej zestawione zostały dwa wykresy pokazujące bilans energii elektrycznej: lewy dla instalacji PV o mocy 292,32 kW_p bez magazynu energii, a prawy dla tej samej instalacji PV ale z magazynem energii o pojemności 516 kWh.

We wszystkich miesiącach występuje konieczność dokupienia prądu z sieci. Tyle tylko, że prawy wykres nie rozróżnia prądu kupowanego w nocy na doładowanie ME. Niekorzystnym zjawiskiem jest konieczność odsprzedaży nadwyżek prądu z PV do sieci. Można temu zaradzić stosując odpowiedni System Zarządzania Energią.

System Zarządzania Energią (EMS – Energy Management System) ma zapewnićprawidłową pracę instalacji PV i ME oraz możliwość blokowania sprzedaży prądu do sieci w godzinach ujemnych cen sprzedaży, blokowania ładowania ME w godzinach obowiązywania opłaty mocowej oraz umożliwienie doładowywania ME w godzinach nocnych.

Bilans energii elektrycznej z PV, magazynem energii oraz pełną blokadą sprzedaży prądu do sieci.

Wniosek z powyższego rozumowania jest taki, że optymalizacja pojemności magazynu energii polega na wyliczeniu a nie na spekulacjach i nie mających uzasadnienia wskaźnikach.

Na koniec odpowiedzmy na bardzo ważne, z punktu widzenia interesu inwestora, pytanie: czy zlecanie wykonania studium przedinwestycyjnego wraz z określeniem optymalnej mocy umownej PV oraz optymalnej pojemności magazynu energii jest dla inwestora korzystne?

A może warto trochę pieniędzy zaoszczędzić i powierzyć swój biznes losowi lub doradcy handlowemu?

Wprawdzie każdy inwestor musi sam ten problem rozważyć, ale odpowiedź jest wbrew pozorom bardzo prosta.

W zakresie instalacji PV zakładamy koszt jednostkowy na poziomie 2.500 zł/kW_p.

Jeśli przyjmiemy optymalną moc instalacji PV, to możemy przyjąć, że każde odstępstwo od mocy optymalnej o 1 kW_p kosztuje inwestora 2.500 zł. Czyli przyodstępstwie od optymalnej mocy PV  o 100 kW_p będzie to 250.000 zł.

W przypadku magazynów energii sprawa jest bardziej złożona, bo nie mamy możliwości dokładania po jednym akumulatorze, żeby „wstrzelić” się w określoną pojemność. Możemy poruszać się z pojemność ME w ramach typoszeregu producenta.

Na podstawie danych z rynku, przy rozważanych pojemnościach, koszt jednostkowy ME wynosi około 1.100 zł/kWh. Jeśli zmienimy pojemność ME o 100 kWh to koszt tej różnicy pojemności wyniesie 165.000 zł.

Sumując powyższe różnice mocy PV o 100 kW_p i pojemności ME o 100 kWh otrzymujemy 415.000 zł. Czy jest to kwota warta staranności przy planowaniu inwestycji???

Koszt studium przedinwestycyjnego nijak się ma do kosztów wynikających z niedoszacowania lub przeszacowania mocy PV i pojemności ME.