Hybrydowe instalacje PV - jak działają?

W domach jednorodzinnych występują aż trzy rodzaje mikroinstalacji PV. Przy czym różnice w sposobie ich działania są po prostu fundamentalne. Ponadto podjętej decyzji nie da się później zmienić. Zaś mówiąc dokładniej, zmiana wymagałaby zasadniczej przebudowy systemu, przede wszystkim wymiany falownika. Ten jest zaś nie tylko bardzo ważnym, ale i najdroższym - po samych panelach - elementem systemu. W ciągu ostatnich kilku lat, zaszły bardzo poważne zmiany - mamy nowy system rozliczeń za prąd, liczba instalacji OZE bardzo wzrosła, wpływając na działanie całego systemu energetycznego, w najbliższej przyszłości czekają nas zaś jeszcze większe zmiany. Krótko mówiąc, wykonanie takiej samej instalacji, jak choćby 5 lat temu, dziś może okazać się niezbyt szczęśliwym (i opłacalnym) pomysłem. Do nowych warunków nie tylko warto, ale trzeba się dostosować. Kto tego nie zrobi, po prostu straci.

Falowniki typu On-grid

Systemy i falowniki typu On-grid nazywane są też sieciowymi. W naszym kraju są one najczęściej spotykane. Wynika to ze stosunkowo niskiej ceny i tego, że zanim wprowadzono Net-billing pewne ich wady nie były zbyt mocno odczuwane przez inwestorów indywidualnych. W ramach starego systemu rozliczeń, czyli Net-meteringu, system energetyczny mógł być faktycznie wykorzystywany niczym ogromny magazyn energii. Bowiem 80% z przekazanej nadwyżki można było z sieci odebrać nawet wiele miesięcy później, nie ponosząc przy tym żadnych kosztów. Brak możliwości współpracy falownika On-grid z akumulatorami nie był więc wielkim problemem. Ponadto jeszcze kilka lat temu instalacji OZE było znacznie mniej i wyłączenia falowników z powodu nadmiernego wzrostu napięcia (ponad 253 V) nie zdarzały się zbyt często.

Pod względem technicznym najważniejsza cechą mikroinstalacji On-grid jest to, że zawsze pracują w trybie pełnej synchronizacji z siecią. Chociaż może jeszcze ważniejsze jest to, że działają wyłącznie wraz z nią. W związku z tym jakakolwiek jej awaria albo nadmierny wzrost napięcia (ponad graniczną wartość 253 V), automatycznie powoduje wyłączenie falownika. Skutek jest taki, że przy braku prądu z sieci, nie mamy też własnego z PV.

Falowniki tego rodzaju nie są przystosowane do współpracy z magazynami energii (akumulatorami). Tego nie da się zmienić, z czasem rozbudować instalacji. Na zasilanie rezerwowe nie mamy więc co liczyć. Ponadto za każdym razem dotykają nas skutki nadmiernego wzrostu napięcia w sieci. Takie sytuacje zdarzają się zaś coraz częściej i problem będzie narastał, gdyż nie tylko UE, ale również sama Polska, stawia sobie za cel szybki przyrost liczby i mocy źródeł OZE (wiatraki i fotowoltaika). Efekt może być taki, że coraz częściej korzyści z posiadania paneli PV staną się czysto teoretyczne. One wprawdzie będą wytwarzać prąd, ale sieć i tak go nie odbierze. Nie wykorzystamy go też na bieżąco, na własne potrzeby, skoro falownik się wówczas wyłączy. W akumulatorach również prądu nie zmagazynujemy, bo instalacja On-grid nie może z nimi współpracować.

Zdecydowana większość mikroinstalacji PV w naszym kraju to systemy On-grid. W razie awarii sieci wyłączają się one całkowicie. (fot. Bruk-Bet Fotowoltaika)

Falowniki typu Off-grid

Nazywane też wyspowymi, systemy oraz falowniki typu Off-grid nie są w naszym kraju popularne. Chociaż trzeba przyznać, że liczba tego typu ofert w ostatnich latach bardzo wyraźnie wzrosła. Ceny tych falowników są niskie, jednak trzeba mieć świadomość licznych ograniczeń takich urządzeń. W gruncie rzeczy nie powinno się ich traktować jako porównywalnych z pozostałymi typami. Ich użycie ma sens tylko w szczególnych sytuacjach, przy specyficznych potrzebach użytkowników.

Off-grid oznacza funkcjonowanie poza siecią energetyczną, w całkowitej separacji. Często mówi się tu o niezależności od sieci, lecz wad jest tu więcej niż zalet. Bliższe prawdy byłoby nie określenie "niezależność", lecz "brak dostępu".

Przede wszystkim nadmiaru prądu z instalacji Off-grid nie przekażemy do sieci. Trzeba zaś mieć świadomość, że w typowym domu jednorodzinnym tak dzieje się nawet z 3/4 wytworzonego prądu. Oczywiście, dążenie do zwiększenia poziomu tzw. autokonsumpcji jest jak najbardziej słuszne i pożądane. Jednak w tym przypadku, musi ona wynosić 100%. Bowiem to, czego nie wykorzystamy - po prostu się zmarnuje.

Ponadto jeżeli zasilamy coś z instalacji PV, to ewentualnego niedoboru mocy (nawet chwilowego) nie pokryje prąd pobierany z sieci. Skrajny przypadek to budynek z PV bez przyłącza sieciowego. Wówczas mamy do dyspozycji jedynie prąd wytwarzany na bieżąco przez panele lub zgromadzony zawczasu w akumulatorach. W praktyce pojemność akumulatorów musi być naprawdę duża, żeby zapewnić jakąkolwiek stabilność zasilania. Trzeba więc przygotować się na niemałe koszty. Z zastrzeżeniem, że mówimy tu o zużyciu energii w cyklu dobowym lub z dnia na dzień. Nie ma zaś takich magazynów energii, żebyśmy mogli latem zrobić zapas na miesiące zimowe.

Z tych względów falowniki i instalacje Off-grid nadają się raczej do domków letniskowych, niż do typowych domów jednorodzinnych używanych całorocznie. I to domków, do których doprowadzenie prądu z sieci jest niemożliwe lub bardzo kosztowne. Ponadto w takim budynku i tak należy ograniczyć zapotrzebowanie na prąd. Czyli zamiast kuchenki elektrycznej zakładamy gazową zasilaną z butli, nie używamy czajnika elektrycznego, a tym bardziej elektrycznych grzejników.

Instalacje hybrydowe

Inwertery i instalacje hybrydowe łączą w sobie cechy dwóch wcześniej opisanych rozwiązań. Na szczęście te dobre, nie zaś ich wady. Mogą współpracować z siecią, tzn. oddawać do niej nadmiar energii z PV, albo czerpać ją w razie potrzeby. Jednak wyłączenie sieci energetycznej lub nadmierny wzrost napięcia w niej nie pozbawia nas własnego prądu. Ponadto taki falownik przystosowany jest do pracy z magazynem energii. Zależnie od potrzeb i wprowadzonych ustawień może to zapewniać nie tylko zasilanie rezerwowe w razie awarii sieci. Występująca nadwyżka oddawanego przez panele PV prądu może być w pierwszej kolejności kierowana do akumulatorów, a nie do sieci. Można też ustawić priorytet korzystania z własnego prądu (w tym czerpanego z akumulatorów) w określonych godzinach, w czasie gdy obowiązują wysokie stawki za energię.

Fotowoltaika hybrydowa zwiększa też bezpieczeństwo i wygodę w sytuacjach kryzysowych. Niektóre szczególnie ważne dla nas obwody w instalacji domowej mogą być w pierwszej kolejności zasilane własnym prądem, czerpanym z akumulatorów w razie awarii sieci. W ten sposób zapewnimy zasilanie alarmu, lodówki, pompy studziennej, automatyki kotła itd. Warto też zaznaczyć, że w przypadku większości falowników hybrydowych, potrzebny jest magazyn energii (akumulator), aby instalacja domowa mogła być zasilana w razie awarii sieci. Tylko nieliczne mają gniazdo na obudowie, umożliwiające zasilanie wprost przez falownik. Wymóg stosowania akumulatorów, choćby o niewielkiej pojemności, nie pojawił się jednak bez przyczyny. Rzecz w tym, że ilość energii dostarczanej przez panele może zmieniać się bardzo szybko, dosłownie co chwilę. Wystarczy przecież, że słońce przysłonią chmury. W związku z tym bezpośrednie zasilanie jest skrajnie niestabilne, momentami może zanikać. Elektrycznej grzałce w zasobniku c.w.u. coś takiego nie zaszkodzi. Jednak urządzenia wyposażone w silnik lub elementy elektroniczne nie mogą tak pracować. Pompa obiegowa, kocioł, a tym bardziej pompa ciepła mogą nawet ulec uszkodzeniu. Magazyn energii będzie w takiej sytuacji działał jak bufor, niejako "wyrównując" zasilanie. Do tego celu nie musi mieć dużej pojemności, gdyż jedynie kompensuje krótkotrwałe wahania dostarczanej mocy.

To od falownika zależy typ mikroinstalacji i to, czy dodanie akumulatorów będzie w ogóle możliwe. (fot. Fronius (Ecogrid))

Dobry magazyn energii

Bardzo ważnym elementem hybrydowego systemu PV jest magazyn energii. Chociaż trzeba podkreślić, że nie jest to element, który musimy kupić od razu. Możemy go dodać później, chociaż do tego czasu nasz hybrydowy falownik będzie działać jak zwykły (On-grid).

Magazyny są, niestety, elementem kosztownym. Wprawdzie najtańsze z nich kupimy nawet za 1000-2000 zł za 1 kWh pojemności, jednak te wysokiej jakości, pochodzące od uznanych producentów są znacznie droższe. Ale szukając okazji cenowych, możemy bardzo szybko przeżyć niezwykle bolesne rozczarowanie. Wiele z takich najtańszych akumulatorów ma parametry (nawet tak podstawowe, jak pojemność) daleko odbiegające od deklarowanych. Również ich trwałość zwykle rozczarowuje. Zaś jeżeli akumulatory okażą się niesprawne po roku czy dwóch, to pieniądze wydane na zakup zostaną po prostu zmarnowane.

Trzeba też pamiętać, że akumulatory źle dobrane lub nieprawidłowo eksploatowane mogą bardzo szybko utracić swoja pierwotną pojemność oraz inne parametry robocze. Dlatego ich dobór zawsze powinno się uzgodnić z fachowcem, który odpowiednio skonfiguruje cały system PV. To nie mniej ważne, niż zaprojektowanie i wykonanie pozostałej części mikroinstalacji, np. dopasowanie falownika i paneli, pogrupowanie ich w stringi itd.

Najprostsza i najbezpieczniejsza metoda polega na użyciu magazynu certyfikowanego przez producenta falownika, jako zgodnego z danym urządzeniem. Oczywiście, nie znaczy to, że praca z innym magazynem nie będzie możliwa. Po prostu w tym przypadku już sprawdzono kompatybilność urządzeń. Jeżeli rekomendacji producenta nie ma, to fachowiec musi sprawdzić zgodność odpowiednich parametrów. Trzeba też zwracać uwagę na warunki gwarancji, udzielanej przez producenta inwertera oraz magazynu. Mogą być one odmienne w sytuacji, gdy zestaw akumulatorów nie ma potwierdzonej przez producenta zgodności.

Magazyny energii zwykle mają budowę modułową, co oznacza, że można je stopniowo rozbudowywać, zwiększając ich pojemność. (fot. Solplanet)

Jak duży powinien być magazyn energii? Pojemność tych stosowanych w domach jednorodzinnych jest rozmaita. Najmniejsze mają nawet poniżej 1 kWh, duże zaś ponad 10 kWh. Chociażby z tej racji rozpiętość cen jest ogromna, nawet w przypadku urządzeń wykonanych w tej samej technologii i pochodzących od jednego producenta. Na szczęście, większość magazynów ma budowę modułową. Oznacza to, że na początek możemy kupić np. zestaw 5 kWh, zaś po jakimś czasie dodawać kolejne moduły.

Czy taki zestaw 5 kWh to dużo czy mało? Wszystko zależy od tego jakie funkcje ma pełnić magazyn i jakie urządzenia zamierzamy zasilać. Jeżeli zależy nam głównie na zapewnieniu zasilania rezerwowego na wypadek awarii sieci i w gotowości mają pozostawać tylko nieliczne urządzenia o niewielkiej mocy (alarm, lodówka, minimum oświetlenia), to wystarczający może być nawet mniejszy magazyn, np. 2 kWh. Jeżeli zaś korzystając z magazynu chcielibyśmy zasilać np. pompę ciepła (2-3 kW mocy), to nasz magazyn 5 kWh wystarczy zaledwie na jakieś 2 godziny. Indywidualne podejście przy doborze jest więc nieodzowne.

Dość ciekawym pomysłem jest natomiast możliwość wykorzystania akumulatorów samochodu elektrycznego jako domowego magazynu energii. Takie rozwiązania już pojawiły się na rynku, czas pokaże, czy się upowszechnią. Technicznie w zasadzie nie ma przeszkód, żeby stojący w garażu czy pod wiatą (być może solarną) pojazd nie tylko był ładowany prądem z PV, ale również oddawał do budynku część energii. Ma się rozumieć, że odpowiedni układ zarządzania energią musi wówczas nadzorować, to w jakim stopniu akumulator pojazdu zostanie rozładowany.

Wykorzystanie baterii samochodu elektrycznego jako domowego magazynu energii również jest możliwe. (fot. Technivolt)

Zarządzanie energią w systemach hybrydowych

Z wykorzystaniem systemów hybrydowych, a więc wyposażonych w akumulatory, ściśle wiąże się kwestia tzw. zarządzania energią przez odpowiednią automatykę. Wprawdzie takie układy, określane niekiedy skrótami EMS lub HEMS, są z powodzeniem używane również w budynkach ze zwykłymi falownikami On-grid, jednak system hybrydowy oznacza wejście na wyższy poziom.

Gdy nie mamy akumulatorów, system zarządzania i tak może być bardzo przydatny. Przecież decydując o włączeniu wybranych urządzeń o określonych porach, możemy zasilać je tanim własnym prądem, zamiast drogiego z sieci. Z kolei, gdy dysponujemy nie tylko energią z bieżącej produkcji, ale także zgromadzoną w akumulatorach, to możliwości działania rosną. Z zastrzeżeniem, że wiele będzie zależeć od pojemności naszego magazynu prądu.

Niewiele czasu dzieli nas od wprowadzenia tzw. taryf dynamicznych. Operatorzy już wysyłają do klientów informację, że takie umowy będzie można podpisywać w sierpniu 2024 r. O co chodzi w taryfach dynamicznych? Tu nie będzie jednolitej stawki za prąd, czy nawet podziału na strefy godzinowe (dzień / noc). Cena za energię - zarówno tę oddawaną do sieci, jak i kupowaną - będzie zależeć od chwilowej ceny na giełdzie energii, która może zmieniać się nawet co kwadrans. Taki sposób rozliczania się będzie miał zaś sens prawdopodobnie tylko dla tych, którzy będą mogli płynnie zmieniać swój profil poboru i przekazywania nadmiaru prądu w układzie hybrydowym. Docelowo chodzi o taki scenariusz, gdy czerpany jest tylko tani prąd, zaś gdy jego cena rośnie, wykorzystywana jest energia z akumulatorów. Na razie jednak nie sposób przewidzieć, czy w domu jednorodzinnym taki sposób postępowania się sprawdzi.

System zarządzania energią nadzoruje kiedy będą uruchamiane poszczególne urządzenia. Dzięki temu rośnie wykorzystanie własnego prądu, a maleje tego z sieci. (fot. Vaillant)

Bezpieczne zasilanie rezerwowe

Jeżeli chcemy mieć jakikolwiek magazyn energii, np. jako zasilanie rezerwowe, to musi on działać w sposób bezpieczny. Przede wszystkim chodzi o to, że niedopuszczalne jest pojawienie się prądu pochodzącego z takiego magazynu w chwilowo wyłączonej sieci energetycznej. Akumulatory i inwerter, a w prostszych układach przetwornica, muszą być skutecznie odseparowane od sieci.

Pod tym względem falowniki hybrydowe w fachowo zbudowanych instalacjach działają w sposób całkowicie bezpieczny. Urządzenie na bieżąco monitoruje bowiem stan sieci. Bardzo trzeba natomiast uważać na amatorsko zbudowane układy zasilania rezerwowego z akumulatorami i prostymi przetwornicami oraz na systemy Off-grid. Tu błędnie wykonane podłączenie jakiegoś urządzenia może spowodować przepływ prądu do teoretycznie wyłączonej instalacji domowej i dalej do sieci. To zaś może skończyć się bardzo groźnym porażeniem. Dlatego - chociaż takie zestawy do zasilania rezerwowego i z inwerterem wyspowym może niezbyt drogo kupić każdy na popularnych serwisach aukcyjnych - to ich wykonaniem powinien zająć się wykwalifikowany elektryk.

Amator, jeżeli już chce mieć w domu jakieś zasilanie rezerwowe, powinien zainteresować się raczej zestawami UPS lub z akumulatorem i przetwornicą, wyposażoną po prostu w gniazdko. Do tego gniazda podłączamy wybrany sprzęt, który wcześniej odłączyliśmy od zwykłego gniazda sieciowego. Mamy więc rzeczywiście separację od instalacji.

Trzeba jednak podkreślić, że użycie nieodpowiedniej przetwornicy może skończyć się uszkodzeniem zasilanych przez nią urządzeń. Wiele przetwornic nie daje bowiem prawidłowego prądu przemiennego, czyli takiego samego, jak w sieci. Pod hasłem "modyfikowany sinus" może się kryć prąd o najróżniejszej charakterystyce, w tym prowadzący do uszkodzenia elektroniki, silników, oświetlenia LED.

Redaktor: Jarosław Antkiewicz
fot. otwierająca: Fronius (3E Instal)