Instalacje fotowoltaiczne szybko zdobywają popularność w naszym kraju i wiele osób rozważa możliwość zakupu własnego generatora PV. Nic dziwnego – na rynku odnotowuje się coraz większą dostępność zarówno paneli, jak i falowników, a sama inwestycja jest dodatkowo wspierana systemowo.

Można liczyć na jej dofinansowanie w ramach programów „Mój prąd” i „Czyste powietrze” oraz dalszy zwrot części kosztów z ulgi termomodernizacyjnej, co znacząco skraca okres zwrotu inwestycji. Co można zrobić, by była ona jeszcze bardziej opłacalna?

Ile energii konsumujemy, a ile odprowadzamy?
W przypadku najczęściej wykonywanych w Polsce instalacji sieciowych (on-grid), które dziś stanowią około 98% rynku mikroinstalacji PV, idea ich funkcjonowania zasadniczo sprowadza się do tego, że w pierwszej kolejności energia elektryczna wytworzona przez generator jest zużywana na potrzeby własne budynku, a następnie nadwyżka tej energii wprowadzona zostaje poprzez licznik dwukierunkowy do sieci elektroenergetycznej. Gdy mikroinstalacja PV nie produkuje energii, ponieważ jest noc lub nie pozwalają na to warunki atmosferyczne, prosument ma możliwość „odebrania” wprowadzonej wcześniej przez siebie do sieci energii elektrycznej zgodnie z odpowiednim współczynnikiem rozliczeniowym, który wynosi:

• 0,8 – w przypadku instalacji o mocy do 10 kWp,
• 0,7 – gdy moc generatora PV przekracza 10 kWp. 

Wspomniane wcześniej wykorzystanie energii elektrycznej na potrzeby własne budynku, to nic innego jak bieżące jej zużycie przez aktualnie pracujące w danym gospodarstwie domowym urządzenia. W praktyce, dla standardowego domu jednorodzinnego, bieżące zużycie energii (tzw. współczynnik autokonsumpcji) oscyluje w zakresie 10-15%. Reszta wyprodukowanej energii elektrycznej, czyli Warsztaty instalatora OZE 85-90%, jest oddawana do sieci, a następnie odbierana z podanymi wyżej współczynnikami. Jeżeli jednak w tym samym budynku zostanie zainstalowane źródło ciepła oparte na poborze energii elektrycznej, np. pompa ciepła, to zużycie energii na potrzeby własne wzrośnie do wartości 20-25% (rys. 1). Gdy w domu jest instalacja z kotłem gazowym
Oczywiście, im wyższy jest współczynnik autokonsumpcji, tym bardziej opłacalna staje się własna mikroinstalacja fotowoltaiczna. Dlatego też wielu inwestorom zależy na możliwie jak największym bieżącym konsumowaniu energii z tej instalacji, choć w swoich domach nie posiadają pompy ciepła czy też innego źródła ciepła wykorzystującego energię elektryczną. Najczęściej ich głównym źródłem ciepła jest kocioł gazowy. Coraz więcej zapytań inwestorów dotyczy sensu zakupu grzałki elektrycznej lub nowego zasobnika ciepłej wody użytkowej wraz z zamontowaną grzałką elektryczną, aby do zasilania tych urządzeń dodatkowo wykorzystywać generowaną przez instalację fotowoltaiczną energię. Czy takie rozwiązanie się sprawdzi, a przede wszystkim czy jest opłacalne?
Jaka ilość energii jest potrzebna do podgrzewu ciepłej wody użytkowej? Kalkulacje należałoby zacząć od prostych obliczeń, a mianowicie należy sprawdzić, jaka ilość energii cieplnej musi być dostarczona w ciągu roku, aby podgrzać zasobnik ciepłej wody użytkowej przy podanych poniżej założeniach dla typowej, czteroosobowej rodziny. Obliczenia te porównają sam koszt poniesiony na podgrzew wody użytkowej, przy wykorzystaniu dwóch różnych źródeł ciepła. Założenia:

• liczba mieszkańców: n = 4 osoby,
• dobowe zużycie c.w.u. na 1 osobę: l = 50 l,
• temperatura zimnej wody zasilającej zasobnik: 10°C,
• temperatura c.w.u.: 50°C,
• ciepło właściwe wody: Cp = 1163 Wh/(kg ∙ K),
• brak strat postojowych oraz cyrkulacyjnych zasobnika,
• liczba dni: d = 365 dni (1 rok). 

Wprowadzając powyższe dane do odpowiedniego wzoru, otrzymujemy: Z naszych obliczeń wynika, iż rocznie, by zapewnić założony podgrzew wody w zasobniku, należy dostarczyć 3396 kWh energii z jakiegokolwiek źródła ciepła.

Porównanie kosztów energii z różnych źródeł. W kolejnym kroku należy porównać koszty wytworzenia energii cieplnej, które poniosłoby się wykorzystując do tego różne źródła ciepła, a mianowicie urządzenie zasilane paliwem gazowym np. gazowy kocioł kondensacyjny, oraz energię elektryczną. Koszt wytworzenia 1 kWh energii z gazu ziemnego jest oczywiście uzależniony od taryfy i danego dostawcy, ale w naszych obliczeniach przyjmijmy cenę gazu ziemnego G20 na poziomie 0,244 zł/kWh. Z kolei przechodząc do kosztów związanych z energią elektryczną, na koszt 1 kWh składają się trzy niezależne opłaty:

• opłata za wyprodukowanie energii elektrycznej – 0,32 zł brutto, 
• opłata zmienna za przesył energii elektrycznej – 0,24 zł brutto,
• opłaty stałe (ponoszone bez względu na montaż instalacji PV), czyli opłaty abonamentowe, opłata licznikowa, niezależna od wielkości poboru energii. Łączny, uśredniony koszt 1 kWh w standardowej taryfie G11 wynosi około 0,62 zł/kWh. Do obliczeń przyjęta zostanie kwota 0,56 zł brutto. Koszt ten obejmuje opłaty za wyprodukowanie energii elektrycznej i jej przesył. Pozostała kwota (0,06 zł brutto) ponoszona jest zarówno wtedy, gdy budynek jest wyposażony w instalację PV i nadmiar energii elektrycznej jest wprowadzany do sieci, jak i wówczas, gdy nie ma generatora PV. Są to po prostu opłaty stałe. 

A teraz przejdźmy do obliczeń kosztów rocznych energii z tytułu samego podgrzewu ciepłej wody użytkowej w obu wariantach:

• wykorzystanie gazu ziemnego: koszt rocznego podgrzewu c.w.u = · Q · koszt 1 kWh = 3396 · 0,244 = 828,62 zł 
• wykorzystanie energii elektrycznej: koszt rocznego podgrzewu c.w.u = · Q · koszt 1 kWh = 3396 · 0,56 = 1902,76 zł

Porównując wyniki obliczeń, od razu widać, iż wykorzystanie energii elektrycznej jest ponad dwukrotnie droższe niż gazu ziemnego. Bezpośrednio konfrontując ze sobą oba nośniki energii, bardziej opłacalne jest zatem wykorzystanie gazu ziemnego. Jednakże, gdy ma się już własną instalację fotowoltaiczną, to w zależności od jej mocy, można znacznie obniżyć koszty związane z podgrzewem wody użytkowej przez kocioł – będzie on rzadziej się uruchamiał na cele c.w.u., a tym samym bezpośrednio zużyjemy większą ilość produkowanej w danej chwili energii elektrycznej. Całkowita rezygnacja z wykorzystania kotła gazowego na cele podgrzewu c.w.u. i zastąpienie go tylko i wyłącznie samą grzałką elektryczną jest jednak posunięciem nieopłacalnym.

! Wykorzystując grzałkę elektryczną do podgrzewu ciepłej wody użytkowej, zwiększamy zużycie energii na potrzeby własne budynku. A im więcej energii elektrycznej w czasie pracy generatora PV zużyje budynek, właśnie na cele związane z jej zamianą na energię cieplną, tym mniej energii elektrycznej zostanie wprowadzone do sieci, a tym samym „stracone”, biorąc pod uwagę współczynniki odbioru energii.
Wymuszenie zamiany energii – magazynowanie
Okazuje się, że dobrym rozwiązaniem jest wymuszenie pracy urządzenia, które jest odpowiedzialne za zamianę energii elektrycznej na energię cieplną (bądź chłód), w celu jej zmagazynowania, właśnie podczas pracy instalacji fotowoltaicznej. Takim typowym urządzeniem, które w bezpośredni sposób może skomunikować się z falownikiem, jest pompa ciepła wyposażona w komunikację SG Ready, np. Vitocal 200-S (rys. 2).

Jeśli jednak w budynku z własną instalacją fotowoltaiczną znajduje się już główne źródło ciepła wytwarzające energię cieplną przy wykorzystaniu innego paliwa (np. gazu), to dobrym pomysłem może się okazać zastosowanie grzałki elektrycznej do przygotowywania c.w.u. Będzie to sensowne wówczas, gdy posiadana instalacja fotowoltaiczna jest przewymiarowana względem zużycia energii na potrzeby własne budynku, czyli jej moc przewyższa roczne zapotrzebowanie na energię budynku. Grzałkę elektryczną powinno się wtedy w odpowiedni sposób zaprogramować, tak aby uruchamiała się w momencie pracy instalacji fotowoltaicznej. Jak to zrobić?

Otóż większość producentów falowników wyposaża swoje urządzenia w dodatkowe zestyki lub urządzenie do komunikacji, np. firma Fronius i produkowany przez nich Data Manager. Powyższe urządzenie ma dwa styki bezpotencjałowe, które w dowolny sposób można zaprogramować, wykorzystując do tych celów dedykowane oprogramowanie producenta. Styki te należy tak zakodować, aby w chwili produkcji przez instalację PV pewnej ilości energii elektrycznej dały sygnał rozpoczęcia pracy grzałce elektrycznej, wykorzystując do tego zwykły przekaźnik. W praktyce, po przełączeniu stycznika, na odpowiedni przewód fazowy zostaje doprowadzone napięcie, zasilając tym samym dany stopień grzałki elektrycznej. Pozwala to na zgromadzenie dodatkowej ilości energii cieplnej bez wykorzystywania zamontowanego wcześniej na instalacji budynkowej głównego źródła ciepła (np. zasilanego gazem). Zastosowanie powyższego rozwiązania, co jeszcze raz warto podkreślić, jest zalecane w celu zwiększenia wykorzystania ilości energii zużywanej na potrzeby własne budynku, jednakże tylko i wyłącznie w takiej sytuacji, gdy moc zainstalowanej instalacji PV jest większa od rocznego zapotrzebowania na energię budynku. Tym samym uniknie się tracenia energii, która została wprowadzona do sieci, a nie została odebrana przez sam budynek.

Montaż grzałki elektrycznej we współpracy z generatorem PV dodatkowo pozwoli zapewnić bezpieczeństwo w dostępie do c.w.u. oraz uniezależnić się od dostawcy gazu na wypadek ewentualnych braków lub ograniczeń w dostępie do tego paliwa.

Źródła:
[1] Materiały Viessmann

Artykuł stanowi czwartą część wznowionego na łamach „Polskiego Instalatora” cyklu „Warsztaty instalatora OZE” w zakresie instalacji fotowoltaicznych, szczególnie mikro- i małych instalacji. Korzystając z wiedzy ekspertów z działu Wsparcia Technicznego i Szkoleń firmy Viessmann, przygotowujemy kolejne odcinki tego cyklu. Znajdzie się w nich wiele wskazówek dla wykonawców, które zarazem mogą służyć jako argumenty w rozmowach z inwestorami.

Linki do poprzednich odcinków "Warsztatów z fotowoltaiki":
1. https://www.polskiinstalator.com.pl/artykuly/instalacje-oze/2750-warsztaty-z-fotowoltaiki-uzyski-energii-elektrycznej-z-instalacji-pv-w-zale%C5%BCno%C5%9Bci-od-rejonu-polski-i-k%C4%85ta-nachylenia-paneli
2. https://www.polskiinstalator.com.pl/artykuly/instalacje-oze/2780-dob%C3%B3r-inwertera-do-mocy-paneli-fotowoltaicznych-w-zale%C5%BCno%C5%9Bci-od-ich-usytuowania
3. https://www.polskiinstalator.com.pl/artykuly/instalacje-oze/2789-warsztaty-z-fotowoltaiki-parametry-paneli-fotowoltaicznych-wsp%C3%B3%C5%82czynniki-temperaturowe,-spadek-mocy,-gwarancja