Problemy we współpracy instalacji fotowoltaicznej z siecią i instalacją elektryczną

Największy wpływ na to jak nasza mikroinstalacja PV współpracuje z resztą instalacji domowej oraz z siecią energetyczną ma rodzaj zastosowanego falownika (inaczej inwertera). Dla ścisłości należałoby nawet powiedzieć, że od tego zależy, czy w ogóle będzie mogła być przyłączona do sieci. Od rodzaju inwertera zależy też czy będziemy mogli korzystać z własnego prądu w razie awarii sieci oraz czy możliwe będzie wykorzystanie akumulatorów (magazynu energii).

Kryteria podziału mogą być różne, gdyż mamy np. falowniki 3-fazowe i 1-fazowe, a nawet tzw. mikroinwertery, obsługujące osobno po jeden lub dwa panele. Jeżeli jednak bierzemy pod uwagę to jak mikroinstalacja ma pracować w sieci oraz jak ma się zachowywać w razie jej awarii, to najważniejszy jest podział na urządzenia typu:

• on-grid;
• off-grid;
• hybrydowe.

Pozostałe elementy - panele, zabezpieczenia, okablowanie itd. są takie same lub niemal identyczne w każdym z tych wariantów.

Jak działa inwerter oraz instalacja on-grid?

Zdecydowanie najpopularniejsze inwertery on-grid działają zawsze w trybie synchronizacji z siecią, do której przekazują wytworzoną energię. W praktyce oznacza to przede wszystkim, że w razie jej wyłączenia lub innej poważnej awarii mikroinstalacja w ogóle przestaje działać. Dzieje się tak, nawet jeżeli jest słonecznie i panele są w stanie wytwarzać prąd, zaś sama domowa instalacja elektryczna jest w pełni sprawna, jej zabezpieczenia działają itd.

Falowniki typu on-grid są zdecydowanie najpopularniejsze, jednak popularność urządzeń hybrydowych rośnie. (fot. Fronius)

Te cechy powodują, że system z falownikiem on-grid tak naprawdę nie zapewnia niezależności od sieci energetycznej (bez niej przecież nie działa). Dla części osób to zasadnicza wada, gdyż oczekują, że fotowoltaika będzie stanowić swoiste zabezpieczenie w razie rozmaitych sytuacji kryzysowych.

Ponadto falowniki on-grid nie są skonstruowane z myślą o współpracy z magazynami energii (zestawami akumulatorów). Trzeba tu wyjaśnić, że gdy sieć jest sprawna, możemy ładować typowy UPS lub akumulator, a potem czerpać z niego energię. Jednak robimy to np. podłączając do akumulatora (akumulatorów) przetwornicę napięcia i zasilając z niej chociażby lodówkę. Ale odbywa się to wszystko niejako poza falownikiem, dokładnie tak samo jak w domu bez paneli PV. Warto przy tym dodać, że korzystanie z jakiegokolwiek zasilania awaryjnego nie może powodować podania napięcia do sieci, czyli przepływu do niej prądu z akumulatorów lub wytworzonego przez agregat prądotwórczy. Takie odcięcie jest konieczne, aby nie stwarzać zagrożenia dla ludzi pracujących przy naprawie sieci.

Na czym polega off-grid?

Falowniki oraz instalacje off-grid nazywane są niekiedy wyspowymi. Działają wyłącznie poza siecią. Nigdy więc nie przekazują (nie wprowadzają) do niej energii. Teoretycznie możemy mieć więc mieć w domu zupełnie niezależną instalację elektryczną zasilaną przez panele PV. Zaś jakiekolwiek problemy we współpracy z siecią w ogóle nie będą nas dotyczyć. W rzeczywistości jednak układ off-grid to rozwiązanie niezbyt praktyczne, kosztowne i obarczone licznymi wadami. Dlatego chociaż takie systemy spotyka się w krajach o zdecydowanie bardziej słonecznym od naszego klimacie oraz słabo rozwiniętej infrastrukturze energetycznej, to w Polsce są one rzadkością. Nasz kraj to nie Australia, żeby ogromne odległości, a więc i absurdalnie wysokie koszty rozbudowy sieci były zasadniczym czynnikiem.

W naszym kraju układy off-grid najczęściej mają bardzo małą moc i służą do zasilania awaryjnego urządzeń o krytycznym znaczeniu, np. pomp obiegowych c.o. (fot. Volton)

Większe instalacje off-grid, nadające się do zasilania całego budynku, pozostają więc raczej domeną pasjonatów. Natomiast niewielkie układy tego rodzaju zyskały pewną popularność. Dokładnie tak działają przecież zestawy z kilkoma panelami, prostą przetwornicą oraz grzałką elektryczną służącą do podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) w zasobniku. Postrzegane są one wprawdzie jako konkurencja dla kolektorów słonecznych, a nie pełnoprawne układy PV, jednak w rzeczywistości to właśnie skrajnie uproszczone układy wyspowe.

Podstawowa wada układów off-grid, wynika tak naprawdę ze specyfiki samego nasłonecznienia. Żeby działać efektywnie powinny być wyposażone w akumulatory (magazyny energii) o dużej pojemności. Tylko one mogą w tym układzie zapewnić przejęcie występującego chwilowo nadmiaru energii albo pokrycie jej niedoboru. Przecież ilość uzyskiwanej energii zmienia się błyskawicznie, zależnie od tego na ile mocno słońce świeci nam na panele. W związku z tym nie tylko nie będziemy mieć własnej energii w nocy, ale jej ilość będzie się nieustannie zmieniać, dosłownie z chwili na chwilę - wystarczy, że słońce przesłoni chmura. Bez pomocy ze strony akumulatorów, które pełnią rolę swoistego bufora, o stabilnym zasilaniu czegokolwiek możemy zapomnieć. Prosta grzałka do podgrzewania wody będzie w stanie tak pracować, chociaż nie w pełni efektywnie. Ale nieustanne wahania mocy, a co za tym włącznie i wyłączanie zasilania są niedopuszczalne w przypadku urządzeń z silnikami czy sprężarkami (choćby lodówki). Bardzo szybko mogłoby dojść do ich uszkodzenia.

Kolejny problem to marnotrawstwo energii, nawet w układzie z akumulatorami. Przecież ich pojemność jest ograniczona, a jeżeli w danym momencie panele wytworzą więcej prądu niż odbierają go pracujące urządzenia oraz akumulatory, to nadmiar przepadnie. W praktyce możemy tracić w ten sposób nawet większość, z tego co wytworzą panele PV.

Z tych wszystkich względów systemy off-grid nie zdobyły u nas popularności. Jeżeli już się je wykonuje to raczej z myślą o zapewnieniu zasilania wybranych urządzeń w razie awarii sieci (np. centrala alarmowa, lodówka, pompa obiegowa c.o., minimum oświetlenia). W tej roli mogą spisywać się całkiem nieźle.

Moc zainstalowana mikroinstalacji PV w Polsce. (Na podstawie danych PTPiREE)

Fotowoltaika stała się zjawiskiem masowym w ciągu kilku ostatnich lat. Sieć przesyłowa i cały system energetyczny nie były do tego przygotowane.

Co wyróżnia falowniki hybrydowe?

Z jednej strony mamy układy on-grid, pozwalające wykorzystać zalety podłączenia do sieci, lecz powodujące też całkowite uzależnienie od jej działania. Z drugiej zaś są falowniki i systemy off-grid, dla których sieć jakby w ogóle nie istnieje, co też nie jest wariantem wolnym od poważnych wad. Próbując przejąć z obu rozwiązań to co dobre i wyeliminować niedoskonałości wymyślono inwertery hybrydowe.

One współpracują z siecią (jak on-grid), lecz w razie jej awarii mogą działać niezależnie (niczym off-grid). Ponadto można je łączyć z magazynami energii (akumulatorami) oraz ustawiać priorytety pracy - np. czy powstająca w panelach energia ma w danej chwili w pierwszej kolejności zasilać aktualnie pracujące w domu urządzenia, doładowywać akumulatory, czy płynąć do sieci.

Takie zwiększenie możliwości ma zalety nie tylko z punktu widzenia indywidualnego użytkownika (właściciela mikroinstalacji), ale również całego systemu elektroenergetycznego. Na przykład, w czasie gdy do sieci trafia bardzo dużo energii z instalacji PV i napięcie w niej nadmiernie rośnie nadprodukcja może być przekierowywana do akumulatorów. Później może być wykorzystywana na własne potrzeby lub kierowana do sieci, najlepiej w godzinach szczytu, gdy zapotrzebowanie jest największe. Dla tych, którzy rozliczają się w tzw. taryfie nocnej (G12), w której ceny są najwyższe właśnie w tym czasie, oznacza to również konkretne oszczędności. W przyszłym roku, po wprowadzeniu tzw. taryf dynamicznych, w których cena energii będzie ustalana według stawek godzinowych, zależnie od notowań giełdowych, aspekt ekonomiczny może być jeszcze wyraźniejszy.

W przypadku falowników hybrydowych możemy określić, które obwody mają mieć priorytetowe zasilanie. Na przykład najpierw zasilana jest pompa ciepła, potem doładowywane są akumulatory, a dopiero na samym końcu ewentualny nadmiar energii trafia do sieci. (fot. Vaillant)

Falowniki hybrydowe mają, niestety, dwie istotne wady. Po pierwsze, są droższe od pozostałych typów. Ponadto, aby w pełni wykorzystać ich możliwości, należy dokupić magazyn energii (akumulatory). Te zaś są wciąż drogie. Dokupienie magazynu o pojemności kilku kWh do małej domowej instalacji może spowodować nawet dwukrotny wzrost kosztów całej inwestycji. Akumulatory są tym ważniejsze, że bez nich wiele (jeśli nie większość) falowników hybrydowych i tak nie jest w stanie niczego zasilać w razie wyłączenia sieci lub nadmiernego wzrostu napięcia w niej. Na szczęście, nie trzeba koniecznie kupować wszystkiego od razu. Najpierw można założyć inwerter hybrydowy i normalnie korzystać z niego, tak samo jak z modelu on-grid. Magazyn możemy dokupić po pewnym czasie. Co więcej magazyny energii najczęściej mają budowę modułową. Dzięki temu można je rozbudowywać stopniowo, dodając po prostu kolejne moduły i w ten sposób zwiększając pojemność.

Zainteresowanie falownikami hybrydowymi rośne. I jest to dobra tendencja, gdyż ich możliwości są największe. Opcja przekierowywania chwilowego nadmiaru mocy do lokalnego magazynu lub na potrzeby wybranych urządzeń prawdopodobnie będzie zaś coraz bardziej przydatna, gdyż problem niewydolności sieci narasta - jest ona nieprzygotowana na rozwój fotowoltaiki.

Dlaczego 253 V?

Większość właścicieli instalacji PV zdążyło się przekonać, że chociaż nominalnie napięcie prądu jednofazowego w sieci wynosi 230 V, to jednak w rzeczywistości często jest nieco wyższe lub niższe. Dla prosumentów problemem jest wartość 253 V, czyli maksymalna dozwolona przez normy. Kłopot polega na tym, że falownik aby przekazać prąd do sieci musi nadać mu napięcie nieco wyższe niż aktualne napięcie występujące w sieci. Jeżeli do danej linii niskiego napięcia przyłączonych jest wiele mikroinstalacji i każda generuje nadmiar energii w tym samym czasie to napięcie rośnie. Jeżeli osiągnie 253 V, czyli o 10% więcej niż nominalne 230 V, to odbieranie prądu z kolejnych przestaje być możliwe. Ich automatyka nie pozwala na dalsze podbicie napięcia i falowniki się wyłączają. W efekcie, chociaż panele są w stanie produkować prąd to wobec braku możliwości jego odbioru energia zostaje po prostu zmarnowana.

Co bardzo ważne, jeżeli falownik jest trójfazowy, a takie stosuje się w naszym kraju najczęściej, przekroczenie 253 V na którejkolwiek z 3 faz powoduje wyłączenie całego urządzenia.

Na niekorzyść właścicieli mikroinstalacji działa też to, że w wielu miejscach napięcie sieciowe od razu, nawet bez udziału fotowoltaiki, jest nieco wyższe niż nominalne 230 V. To typowa sytuacja np. w pobliżu transformatora na długich i/ lub mocno obciążonych liniach. Wszystko dlatego, że w oddalonych od transformatora miejscach występują wówczas znaczne spadki napięcia. Zgodnie z przepisami minimalne napięcie nie powinno być zaś niższe niż 207 V (230 V minus 10%). Żeby to zapewnić, operator sieci podnosi bazowe napięcie na transformatorze np. do 240 V. W takiej sytuacji margines bezpieczeństwa dla działania fotowoltaiki znacząco się kurczy.

Rzeczywiste napięcie na żadnej z faz nie może przekraczać 253 V. To nominalne napięcie 230 V plus 10%. Przekroczenie tej granicy powoduje wyłączenie falownika. (fot. J. Antkiewicz)

Co zrobić, jeżeli falownik wyłącza się z powodu zbyt wysokiego napięcia?

Jeżeli obserwujemy, że nasz falownik często się wyłącza z powodu nadmiernego wzrostu napięcia (powyżej 253 V) to warto poprosić elektryka o sprawdzenie czy przyczyną tego stanu rzeczy jest wzrost napięcia w sieci. Jeżeli tak będzie, to możemy oficjalnie zwrócić się z prośbą do operatora sieci o zbadanie sprawy i ewentualne zaradzenie problemowi. Nie mamy jednak gwarancji, że problem zostanie rozwiązany, gdyż może to wcale nie być łatwe.

Przyczyną kłopotów może być chociażby opisane już zbyt wysokie napięcie, ustawione jako bazowe na transformatorze, aby zapobiec nadmiernemu spadkowi napięcia na odległych krańcach linii. W takiej sytuacji może być konieczne np. przedłużenie linii średniego napięcia (15 kV), dodanie nowego transformatora i podział dotychczasowej jednej linii niskiego napięcia (230 V/400 V) na dwie krótsze. Czasem mogłaby też pomóc sama wymiana starych przewodów na nowe - grubsze, dostosowane do większego obciążenia, a więc nie powodujące aż takiego spadku napięcia.

Jednak operator sieci jest tu w trudnej sytuacji. Takie modernizacje są kosztowne i wymagają sporo pracy. Ponadto z jednej strony trzeba uwzględnić interes właścicieli mikroinstalacji PV, a z drugiej zaś obowiązek dostarczenia wszystkim odbiorcom prądu o napięciu nie niższym niż wymagane prawnie 207 V w każdych warunkach - także w czasie, gdy fotowoltaika napięcia sieciowego nie podbija. Musimy się więc liczyć z tym, że operator niczego nie zrobi, uzasadniając to brakiem możliwości technicznych albo brakiem uzasadnienia ekonomicznego.

Nieco inaczej wygląda sytuacja, gdy przyczyną problemów nie jest ogólne przeciążenie sieci lecz nadmierny wzrost napięcia tylko na niektórych fazach. Od niedawna zaczęto instalować w sieciach niskiego napięcia urządzenia, które potrafią automatycznie poprawiać równomierność obciążenia faz. Czas pokaże, czy ich użycie stanie się czymś powszechnym.

Przyczyną kłopotów może być także niewłaściwe funkcjonowanie instalacji domowej. Przede wszystkim należy sprawdzić czy pomiędzy inwerterem i licznikiem nie powstaje zbyt duży spadek napięcia, spowodowany użyciem przewodów o zbyt małym przekroju albo wadliwym wykonaniem połączeń. W takiej sytuacji przepływ prądu od inwertera do licznika zacznie powodować lokalny wzrost napięcia, nawet jeżeli sieć działa prawidłowo. Sprawdzenie tego to również zadanie dla elektryka.

Sposobem na zbyt wysokie napięcie może być również zmiana ustawień samego falownika. To tzw. funkcje Q(U) oraz P(U), zmieniające nieco proporcje pomiędzy mocą czynną i bierną. Inwerter przy napięciu ok. 250 V będzie działał wprawdzie z nieco mniejszą mocą, jednak nie powinien się wyłączyć. Ewentualną zmianę tych ustawień lepiej pozostawić serwisantowi.

Przede wszystkim trzeba ustalić, czy problem zbyt wysokiego napięcia jest spowodowany specyfiką sieci, czy wadami domowej instalacji elektrycznej. (fot. J. Antkiewicz)

Jakie znaczenie ma obciążenie poszczególnych faz?

Nierównomierne obciążenie faz, jako przyczyna wyłączania się falownika, jest czymś z czym możemy w pewnym stopniu walczyć również na poziomie instalacji w budynku, nie tylko w sieci.

Zarówno instalacje, jak i falowniki najczęściej są w polskich domach trójfazowe. Przypomnijmy zaś, że wyłączenie falownika może być spowodowane przekroczeniem wartości 253 V na którejkolwiek z faz. Falowniki najczęściej obciążają zaś wszystkie fazy równomiernie. W szczególności dotyczy to inwerterów on-grid. Urządzenia hybrydowe częściej mają bardziej zaawansowaną automatykę, która stara się dopasować do obciążenia poszczególnych faz.

Pierwszą rzeczą, o którą warto więc zadbać jest sprawdzenie czy wszystkie fazy przyłącza są możliwie równomiernie obciążone prądem pobieranym przez domowe urządzenia. Pobór energii powoduje pewien spadek napięcia. Natomiast jeżeli na którejś z faz napięcie jest zwykle nieco wyższe niż na pozostałych, to właśnie do tej fazy warto przyłączyć urządzenia o największym poborze mocy - np. grzałkę elektryczną w bojlerze c.w.u., pompę ciepła, klimatyzator. W ten sposób nieco "zbijemy" zbyt wysokie napięcie. Jeżeli mamy zaś inwerter jednofazowy, to należy przyłączyć go do tej fazy, która jest najbardziej obciążana przez pracujące urządzenia. Oczywiście, należy przy tym uwzględnić nie tylko samą moc urządzeń, ale również to w jakich godzinach zwykle są użytkowane. Przecież jeżeli pobór prądu będzie występował głównie nocą, to funkcjonowania instalacji PV on nie zmieni.

Większość domowych urządzeń jest 1-fazowych. Dlatego poszczególne fazy przyłącza oraz sieci bywają obciążone bardzo nierównomiernie. (fot. Legrand)

Na czym polega bilansowanie międzyfazowe?

Po nowelizacji ustawy OZE dokonanej nieco ponad rok temu wszystkich prosumentów objęto bardzo korzystnymi zasadami tzw. bilansowania międzyfazowego. Chociaż mówi się o tym niewiele to jest to kwestia mająca fundamentalne znaczenie dla opłacalności działania mikroinstalacji.

Rzecz polega na tym, że w układzie z inwerterem 3-fazowym możemy nawet w tym samym czasie pobierać prąd z sieci na którejś z faz, a na innej go oddawać. Natomiast w przypadku inwertera 1-fazowego taka sytuacja to wręcz norma, gdyż potencjalnie czerpiemy prąd do zasilania urządzeń ze wszystkich trzech faz, zaś oddajemy go tylko na jednej. Jak to więc rozliczyć?

Załóżmy, że w ciągu godziny pobraliśmy z sieci 3 kWh prądu, oddaliśmy (wprowadziliśmy) zaś 2 kWh. Przy braku bilansowania międzyfazowego efekty mogłyby być bardzo niekorzystne. W ramach net-billingu naliczonoby nam pełną stawkę za energię pobraną, czyli ok. 3 kWh × 1,2 zł/kWh = 3,60 zł. Natomiast z tego rachunku odliczono by nam jedynie 2 kWh × 0,45 zł/kWh = 0,90 zł. Ostatecznie musielibyśmy zapłacić więc aż 2,70 zł.

Rozliczenie w ramach bilansowania międzyfazowego, w obecnie obowiązującym kształcie, zupełnie ten rachunek zmienia. Bowiem dla każdej godziny najpierw porównujemy ilość energii pobranej oraz oddanej (wprowadzonej) na wszystkich fazach łącznie, bez różnicy na której z nich występował pobór lub wprowadzenie do sieci. Zgodnie z tą zasadą, skoro pobraliśmy 3 kWh i wprowadziliśmy 2 kWh to interesuje nas tylko różnica, czyli 1 kWh energii pobranej z sieci. Ostatecznie tylko ta ilość podlega rozliczeniu. Daje to więc bardzo niewielką sumę:

1 kWh × 1,2 zł/kWh = 1,2 zł.

W porównaniu z wariantem bez bilansowania międzyfazowego różnica jest ogromna.

Ustawowy sposób bilansowania międzyfazowego nie jest może intuicyjny, ale za to bardzo korzystny dla prosumentów. (fot. Fronius)

Dlaczego najlepiej zużywać energię w momencie jej wytworzenia?

Z opisanych wyżej zasad bilansowania międzyfazowego wypływa jeszcze jeden zasadniczy wniosek. Jako że bilansowanie odbywa się w cyklu godzinowym (dla każdej godziny osobno), to najkorzystniej jest wytwarzać i zużywać energię w tym samym czasie. Wówczas mamy bowiem faktyczne bilansowanie 1:1 - energia oddana oraz zużyta się równoważą. To taki ideał autokonsumpcji (zużycia wytwarzanego prądu na własne potrzeby).

Niestety, w praktyce bardzo trudno jest to osiągnąć. W domach jednorodzinnych w momencie wytworzenie zużywane jest zwykle nie więcej niż 25%. Aby ten współczynnik poprawić warto stosować automatykę, która uruchomi rozmaite urządzenia (zmywarka, pralka, klimatyzatory itd.) w godzinach, gdy prądu z PV mamy najwięcej. To tym ważniejsze, że różnica pomiędzy stawką za którą kupujemy prąd z sieci (ok. 1,2 zł/kWh) jest obecnie 2 do 3 razy wyższa od stawki za którą prąd oddajemy w ramach systemu net-billing. Wszystko to jest konsekwencją bardzo dużego spadku cen na giełdzie energii, przy jednoczesnym utrzymywaniu wysokich cen taryfowych na zakup prądu. O ile w szczycie, w sierpniu 2022 r., cena giełdowa przekraczała 1 zł/kWh, to później mocno spadła. Od pół roku jest ok. dwa razy niższa, zaś w maju spadła nawet poniżej 0,40 zł/kWh.

Zużywanie energii w tym samym czasie, gdy ją produkujemy jest najbardziej opłacalne. Żeby to osiągnąć najlepiej jest zautomatyzować włączanie i wyłączanie pralki, zmywarki itd. (fot. Vaillant)

Redaktor: Jarosław Antkiewicz
fot. otwierająca: Fronius