Czy fotowoltaika to sposób na brak zasilania w domu?

Na koniec sierpnia 2024 w Polsce było prawie 1,5 miliona instalacji fotowoltaicznych, z czego 99% to instalacje prosumenckie. W ciągu pięciu lat, dzięki programom wsparcia realizowanym przez NFOŚiGW, takim jak Mój Prąd czy ulga termomodernizacyjna, w przybliżeniu co piąty dom jednorodzinny w naszym kraju ma zamontowane panele na dachu. Obecnie obserwujemy spadającą dynamikę przyrostu nowych instalacji fotowoltaicznych, co wynika m.in. z zasad nowego systemu rozliczeń net-billing. Z pomocą przychodzą magazyny energii, które nie tylko podnoszą poziom autokonsumpcji fotowoltaiki, ale też umożliwiają sprzedaż energii w dobowym szczycie.

Co to jest magazyn energii?

To urządzenie lub grupa urządzeń, których zadaniem jest przechowanie energii elektrycznej, aby ją móc wykorzystać w późniejszym okresie. Znane wszystkim baterie do smartfonów czy laptopów bądź też akumulatory samochodowe to nic innego, jak właśnie magazyny energii. Ze względu na to, że o magazynach mówimy w kontekście fotowoltaiki, to mają one z zadanie przechować nadwyżkę prądu wytworzonego przez ogniwa. Co oczywiste instalacja PV produkuje go najwięcej w ciągu dnia (ale wtedy większości z nas nie ma w domu), zaś najwięcej zużywamy energii późnym popołudniem i wieczorem. Co do technologii samych magazynów, to na potrzeby własne gospodarstw domowych najlepiej sprawdzają się rozwiązania akumulatorowe – bateryjne, łącząc małe gabaryty i efektywność pracy.

Po co stosować magazyn energii?

Jedną z głównych niedoskonałości energetyki odnawialnej jest jej nieprzewidywalność w skali doby oraz nierównomierne wykorzystywanie energii wyprodukowanej przez ogniwa fotowoltaiczne. W czasie gdy niebo jest zachmurzone bądź pada, ilość produkowanego prądu spada, więc rośnie zapotrzebowanie na energię konwencjonalną. Ponadto cechą energetyki odnawialnej dla potrzeb domowych jest to, że największa produkcja przypada na ten okres doby, gdy zwykle domownicy są w pracy i nie wykorzystują wytworzonej energii. Natomiast w godzinach popołudniowych i wieczornych produkcja jest niższa niż zapotrzebowanie związane z zużyciem na takie potrzeby własne, jak pranie, gotowanie, oświetlenie itp.
Warto mieć na uwadze to, że w systemie net-billing magazyn pozwala zgromadzić energię elektryczną wyprodukowaną przez ogniwa PV w ciągu dnia przy wysokiej podaży i niskich cenach, a następnie oddać ją do sieci w popołudniowym szczycie, kiedy energia jest droga i opłaca się ją sprzedać lub zużyć na potrzeby własne.
W ostatnich latach – gdy występuje ryzyko tzw. blackoutu ze względu na dużą niewydolność państwowych sieci przesyłowych – możliwość skorzystania z domowego powerbanku wydaje się rozsądnym podejściem. Rosnące ceny prądu również są argumentem przemawiającym za zastosowaniem takiej opcji.

Domowy magazyn energii, działając jak duża bateria, chroni nas przez chwilowymi zanikami energii z sieci. Z kolei w razie dużej awarii sieci, która może być spowodowana np.  burzą bądź mocnym wiatrem, jest on generatorem i źródłem prądu w domu. 

Moc a pojemność domowego magazynu energii

Moc magazynów energii podawana jest w kilowatach (kW) i oznacza, ile mocy naraz magazyn może oddać. Pojemność wyrażana w kilowatogodzinach (kWh) oznacza ilość energii zgromadzoną w baterii.
Zależność między nimi wygląda następująco: moc (kW) x czas (godz.) = pojemność (kWh).
Przykładowo magazyn o mocy 5 kW i pojemności 15 kWh może pracować z pełną mocą do 3 godzin, po których zostanie rozładowany. Obliczono to w następujący sposób: czas = pojemność/moc = 15/5 = 3 h

Popularne scenariusze użytkowania magazynu energii

• Zużycie własne – obniżanie rachunków za energię elektryczną.
  W tym trybie magazyn energii wspomaga pracę instalacji fotowoltaicznej, gdy jej produkcja jest niewystarczająca do pokrycia zapotrzebowania instalacji elektrycznej. Celem takiego rozwiązania jest minimalizacja zakupów prądu z sieci, aby ograniczyć wydatki na ten cel. Jest to zarazem najpopularniejszy i najprostszy sposób pracy, ale niekoniecznie ten, który zapewnia największe zyski.
• Zasilanie gwarantowane – w tym scenariuszu produkcja energii z instalacji fotowoltaicznej oraz pochodząca z sieci są wykorzystywane na co dzień. Bateria magazynu pracuje wyłącznie po zaniku zasilania (tzw. blackoutu), a także gdy produkcja z systemu PV jest niewystarczająca (noc, zachmurzenie). W tym wariancie wykorzystujemy baterię tylko wtedy, gdy jest to niezbędne.
• Load shifting (LS) – przesunięcie zapotrzebowania.

Domowy magazyn energii jest ładowany w okresach przed i po szczycie zapotrzebowania. Następnie jest rozładowywany w szczycie zapotrzebowania, aby ograniczyć kupowanie energii z sieci, gdy jest ona najdroższa. Należy pamiętać, że nie każdy rodzaj zapotrzebowania możemy przesunąć. Przykładowo zimą elektryczne systemy ogrzewania (kocioł elektryczny, pompa ciepła, grzałki itp.) powinny działać, aby utrzymać żądaną temperaturę. Natomiast pranie czy odkurzanie może być realizowane w różnych porach dnia z ominięciem czasu największego poboru prądu.

• Peak shaving (PS) – wygładzanie profilu zapotrzebowania.
  Magazyn energii jest ładowany poza porą szczytu. W tym trybie w szczycie zapotrzebowania albo ograniczamy pobór energii albo zużywamy prąd z instalacji fotowoltaicznej wspieranej magazynem energii lub korzystamy z samego magazynu. Podobnie jak w LS nie zawsze mamy możliwość ograniczenia zapotrzebowania na energię – wtedy z pomocą przychodzi właśnie magazyn energii z odpowiednią pojemnością.

Czym się różni LS od PS?

Wybierając opcję LS, nie musimy ograniczać zapotrzebowania na energię elektryczną w domu jednorodzinnym, zaś stosując wariant PS, obniżamy zapotrzebowanie w punktach szczytu. W budynkach zazwyczaj spotykamy się ze strategią load shifting, ponieważ wiele czynności związanych z poborem prądu (np. pranie, odkurzanie, zmywanie) może być realizowanych poza godzinami szczytu. Natomiast praca ogrzewania czy oświetlenia jest niezbędna w określonym czasie. 

Wybór odpowiedniego magazynu energii

Decydując się na zakup magazynu energii, najlepiej zdać się na doradztwo doświadczonego i sprawdzonego specjalisty. Warto jednak również samemu porównać kilka parametrów.

Najważniejsze z nich to:

• pojemność baterii – wyrażona poprzez kWh, mówiąca o tym, ile energii otrzymamy z naładowanej baterii. Dla potrzeb domowych pojemność powinna wynosić pomiędzy 3 a 40 kWh, choć to oczywiście może się różnić w zależności od potrzeb użytkowników i sposobu eksploatacji;
• moc magazynu – inwertera hybrydowego. Aby wprowadzać i wyprowadzać energię z baterii, korzystamy z inwertera hybrydowego. Jego moc wyjściowa AC mówi o tym, ile kilowatów mocy może on oddać do instalacji w danej chwili. Jego moc powinna być wystarczająca, aby zasilić niezbędne dla domowników urządzenia;
• technologia akumulatorowa – na rynku dostępne są akumulatory kwasowo-ołowiowe lub litowo-jonowe. Te drugie ze względu na coraz lepszą wydajność i mniejszą wagę są coraz popularniejsze;
• liczba pełnych cykli ładowania i rozładowania akumulatora – przykładowo dla akumulatorów litowo-jonowych to ok. 10 000 cykli, rozłożonych na okres nawet do 8 lat;
• gabaryty i warunki eksploatacji – w domach jednorodzinnych najlepszym miejscem do montażu magazynu jest garaż lub piwnica. Zwróćmy przy tym uwagę, by urządzenie nie było narażone na zbyt niską temperaturę;
• gwarancja – istotna jest jej długość oraz związane z nią wymagania dotyczące serwisu. Najlepiej, aby firma, która dokonuje montażu danego urządzenia, była autoryzowanym partnerem producenta i miała świadectwo kwalifikacyjne, np. SEP, w zakresie magazynów energii.

System zarządzania energią

Aby magazyn pracował efektywnie, powinien być wyposażony w system zarządzania energią EMS (z ang. Energy Management System). Rolą tego oprogramowania jest zarządzanie pracą magazynu tak, by była ona efektywna. Umożliwia on pracę w konkretnych trybach pracy – jak te omawiane uprzednio. Najwyższą sprawność uzyskujemy, gdy magazyn pracuje w trybie load shifting, ładując i rozładowując baterie w okresach odpowiednio tańszej i droższej energii elektrycznej.

Koszt i finansowanie magazynów energii

Koszt montażu zazwyczaj jest ustalany indywidualnie, a na jego wysokość wpływ mają głównie dwa czynniki:

• moc i pojemność magazynu, jakie potrzebuje gospodarstwo domowe,
• warunki przyłączenia – czyli miejsce montażu, warunki do podłączenia z istniejącą instalacją elektryczną i prace montażowe, w tym prowadzenie przewodów.

Istotne jest też to, czy magazyn ma wbudowany falownik hybrydowy, czy też trzeba go osobno dokupić.
Magazyn dostarczający 10 kW mocy przez co najmniej 5 godzin to wydatek rzędu około 50 tys. zł (bez montażu). Obecnie inwestorzy mogą liczyć na nieco niższe koszty zakupu, ponieważ spadły ceny baterii. W 2025 roku ta tendencja z pewnością się utrzyma. Co istotne, w ramach obecnej edycji rządowego programu Mój Prąd magazyny energii są objęte dofinansowaniem.

Na co szczególnie zwrócić uwagę, gdy instalacja ma za zadanie chronić przed zanikiem zasilania?

Przede wszystkim musimy określić, czy podtrzymanie zasilania ma dotyczyć całej instalacji elektrycznej, czy wybranych obwodów. Jeśli zdecydujemy się na pierwsze rozwiązanie, wówczas moc magazynu musi być wystarczająca do podtrzymania jednoczesnej pracy wszystkich urządzeń lub większości z nich. Pojemność musi zatem wystarczyć do zasilania instalacji przez minimum kilka godzin. Ważne są przy tym techniczne aspekty – inwerter hybrydowy powinien mieć asymetryczne wyjście, dzięki czemu nie będzie potrzeby przerabiania instalacji elektrycznej, aby równomiernie rozłożyć zapotrzebowanie na każdą z faz. Jest to droższa opcja, ale zasilamy całą instalację bez kłopotu. W przypadku instalacji trójfazowych, warto upewnić się, że magazyn energii oraz inwerter umożliwiają zasilanie każdej z faz – zwłaszcza gdy urządzenia w domu działają na różnych fazach. Brak takiego rozwiązania może powodować brak zasilania części obwodów mimo ogólnej dostępności energii.

Natomiast gdy wybierzemy wariant podtrzymania zasilania jedynie wybranych obwodów, wówczas należy określić, które urządzenia muszą działać podczas blackoutu. Zazwyczaj wiąże się to z koniecznością przeprowadzenia pewnych przeróbek w domowej instalacji elektrycznej – skala wymaganych zmian zależy m.in. od stanu samej instalacji oraz liczby i rodzaju odbiorników elektrycznych. Moc i pojemność magazynu mogą być odpowiednio mniejsze, więc urządzenie będzie tańsze, ale liczymy się z brakiem zasilania części urządzeń.

Przykład 1. Zasilanie awaryjne tylko dla pompy ciepła. Szacunkowy pobór mocy dla tego źródła ciepła wynosi 10 kW i jest ono zasilane trójfazowo. Jeśli magazyn energii ma podtrzymać pracę tej pompy przez co najmniej 4 godziny, potrzebujemy pojemność 40 kWh. W efekcie szukane rozwiązanie to inwerter mocy 10 kW i baterie o pojemności 40 kWh.

Przykład 2. Zasilanie awaryjne lodówki, oświetlenia, pompki obiegowej kotła grzewczego. Szacunkowy pobór lodówki to 700 W, oświetlenia LED 300 W, zaś pompki c.o. 500 W. Łącznie mamy zatem 1500 W. Jeżeli taki układ ma działać przez 12 godzin, potrzebujemy magazyn o pojemności 18 kWh. Zakładając, że instalator podłączy wszystkie te odbiory pod jedną fazę, możemy zastosować magazyn w wersji 1-fazowej, co jest tańszą opcją. Szukane rozwiązanie to inwerter 1-fazowy mocy 3–5 kW i baterie o pojemności 20 kWh.

Przykład 3. Zakładamy krótką awarię sieci (nie dłużej niż 3 godziny) i zależy nam na podtrzymaniu pracy tylko kotła c.o., routera wi-fi, komputerów i oświetlenia. Zalecany wariant to inwerter o mocy 3–5 kW i baterie o pojemności 10 kWh.

Podsumowanie

Magazyny energii pomagają przechowywać wytworzoną energię elektryczną z odnawialnych źródeł energii i tym samym wykorzystać w pełni możliwości odnawialnej energetyki. W systemie rozliczeń net-billing urządzenia te zwiększają poziom autokonsumpcji i umożliwiają sprzedaż energii w szczycie, maksymalizując w ten sposób zysk. Ponadto pozwalają na pewną niezależność energetyczną od konwencjonalnej energetyki, będąc źródłem zasilania w czasie awarii i zaników zasilania w sieci. Światowy spadek cen baterii oraz dofinansowanie w programie Mój Prąd popularyzuje te rozwiązania, co przekłada się na mniejsze koszty zakupu. Magazyny są też remedium na odmowy lub brak możliwości przyłączenia do sieci instalacji fotowoltaicznych – pozwalają na późniejsze wykorzystanie wyprodukowanej energii w trybie systemu off-grid.