Instalacja fotowoltaiczna (PV) uwzględniona w WT2021

Od dziesiątków lat popularne są pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne (inaczej solarne, słoneczne). Stosuje się je w kalkulatorach, ogrodowych lampach o małej mocy, sygnalizacji ulicznej. Jednak instalacja o mocy kilku kW, która w istotny sposób wpłynie na bilans energetyczny domu jednorodzinnego, to zupełnie inna skala.

Do niedawna nie były popularne, głównie ze względu na wysokie koszty i brak systemowego wsparcia. To ostatnie obejmuje dotacje, ale co nie mniej ważne, również możliwość traktowania sieci jako magazynu energii. Dzięki temu możemy oddawać nadmiar wytworzonej, niepotrzebnej nam w danej chwili energii, żeby potem go odebrać - nawet kilka miesięcy później.

Energia słoneczna a wpływ na EP

Energia słoneczna jest odnawialna. Korzystanie z niej to działanie ekologiczne, sprzyjające środowisku. Nic więc dziwnego, że przy obliczaniu zapotrzebowania budynku na energię pierwotną EP przyjęto dla niej najkorzystniejszy możliwy wskaźnik równy 0 (zero). Najważniejsze jest to, że jeżeli ogrzewamy dom np. gazem, to w celu wyznaczenia EP ilość energii zawartej w dostarczonym do budynku paliwie mnożymy jeszcze przez odpowiedni współczynnik nakładu równy 1,1. Zaś jeżeli wykorzystujemy do tego prąd z instalacji fotowoltaicznej, albo ciepło z kolektorów słonecznych, to wskaźnik wynosi 0. Tak więc korzystanie ze słońca może nie tylko obniżyć wskaźnik EP, ale nawet obniżyć go zupełnie do zera.

W kontekście WT2021 to istotne, bo zgodnie z nimi roczny wskaźnik zapotrzebowania na energię nie może przekraczać 70 kWh/m2. Naprawdę mało i nie jest łatwo zmieścić się w limicie, jeżeli nie korzystamy z OZE (odnawialnych źródeł energii). Nawet, jeżeli dom jednorodzinny spełnia wszystkie wymagania odnośnie izolacyjności przegród zewnętrznych zawarte w WT2021, to należy spodziewać się raczej zapotrzebowania na energię przekraczającego 80 kWh/m2.

Pozostaje jeszcze bardziej zredukować straty energii, albo pokryć przynajmniej część zapotrzebowania na nią ze źródeł odnawialnych (słońce, biomasa itd.). Fotowoltaika może tu być bardzo dobrym rozwiązaniem.

Instalacja fotowoltaiczna a obliczanie wskaźnika EP

Trzeba jednak przestrzec, że w sposobie obliczania wskaźnika EP zawartym w przepisach kryje się niezwykle groźna pułapka. Instalacja PV o dokładnie tej samej mocy oraz dająca tyle samo energii, w jednym budynku może umożliwić obniżenie wskaźnika EP nawet do zera, a w drugim nie wpłynąć na niego w ogóle!

Obliczanie wskaźnika EP zależy od:

• jakim urządzeniem ogrzewany jest dom;
• w jaki sposób przygotowywana jest w nim ciepła woda użytkowa (c.w.u.);
• jak działa instalacja wentylacyjna.

Bowiem w domach jednorodzinnych przy obliczaniu EP uwzględnia się tylko energię z tych 3 obszarów. Nawet klimatyzacja liczona jest już osobno, nie wchodzi do limitu 70 kWh/m2.

W efekcie, jeżeli nasze ogrzewanie bazuje na energii elektrycznej (pompa ciepła, kocioł elektryczny, grzejniki elektryczne), c.w.u. ogrzewamy pompą ciepła lub grzałką i mamy wentylację mechaniczną (z rekuperatorem lub tylko wyciągową), to założenie systemu PV bardzo mocno wpłynie na bilans energetyczny.

Tym bardziej, że zużycie energii przez budynek obliczamy w cyklu rocznym. W efekcie w praktyce często nawet nie bardzo jest jak wyznaczać na co dokładnie został spożytkowany prąd. Było to ogrzewanie, czy oświetlenie, którego nie uwzględniamy? Ale skoro interesuje nas roczny bilans energii i globalny wpływ na emisję CO2, to liczy się fakt, że dzięki PV, ileś tysięcy kWh prądu wytwarzanego w elektrowni z węgla, zastąpiliśmy pozyskanymi ze słońca.

Przeciwna sytuacja to dom z wentylacją grawitacyjną, ogrzewany kotłem na gaz lub węgiel, który zapewnia również c.w.u. W takiej sytuacji odliczymy najwyżej energię elektryczną zużywaną przez pompę obiegową c.o. oraz osprzęt kotła. Albo nic, jeśli instalacja jest grawitacyjna (bez pompy obiegowej), a prosty kocioł nie wymaga zasilania elektrycznego. Chociaż ostatecznie panele PV i w tym domu równoważą zapotrzebowanie na taką samą ilość energii z sieci.

Ma się rozumieć, że to przykład skrajny, ale pokazuje pewne słabości metody obliczania zapotrzebowania budynku na energię pierwotną. Problem byłby teoretyczny, gdy nie fakt, że w ramach limitu EP musi zmieścić się każdy budujący.

Dom z pompą ciepła wyposażony w panele fotowoltaiczne

Załóżmy jednak, że wybudowaliśmy nowoczesny dom z pompą ciepła. Która niewątpliwie wykorzystuje OZE - darmowe, odnawialne ciepło z otoczenia. Ale pompę musimy zasilać energią elektryczną. Tu u każdego, kto myśli o środowisku naturalnym, pojawia się pewien dysonans. Prąd w naszym kraju pochodzi głównie z elektrowni węglowych. A jeżeli uwzględnimy niską sprawność jego wytwarzania i przesyłu, okaże się, że do nas trafia ostatecznie tylko 1/3 energii zawartej w spalonym węglu.

Eksploatacja pompy zasilanej przynajmniej częściowo własnym prądem staje się nie tylko tańsza, ale i bardziej ekologiczna. (fot. Vaillant)

W takiej sytuacji zużycie energii pierwotnej (wskaźnik EP) i tak będzie bardzo wysokie. Zgodnie z przyjętą w przepisach metodologią, prąd czerpany z sieci mnożymy przez wskaźnik nakładu równy 3. Przyjmując, że średni sezonowy wskaźnik efektywności (COP) również wynosi 3. Czyli zużywając 1 kWh prądu pompa oddaje do instalacji 3 kWh ciepła. COP i współczynnik nakładu się równoważą. Ostatecznie więc, pod względem EP nasza pompa ciepła jest traktowana niewiele lepiej niż kocioł gazowy lub węglowy (współczynnik nakładu 1,1). Lecz wyników kotła już specjalnie nie poprawimy, a pompy tak. Jeżeli wyposażymy dom w instalację PV pokrywającą choćby 50% zapotrzebowania na prąd to i wskaźnik EP spadnie o połowę.

W analogiczny sposób można poprawić bilans domu mając pompę ciepła tylko do c.w.u. albo centralę wentylacyjną z rekuperatorem. Ta ostatnia też potrzebuje prądu do zasilania wentylatorów i grzałki odszraniającej wymiennik ciepła (jeśli taka jest).

Prawdopodobnie projektanci domów jednorodzinnych będą coraz częściej korzystać z takich łączonych rozwiązań, bo limity ustanowione przez WT2021 to dla nich twardy orzech do zgryzienia.

Nie od rzeczy jest również przypomnieć o kolektorach słonecznych. Ostatnio wyraźnie ustępują one pola fotowoltaice. Lecz typowa instalacja tego rodzaju pozwala zmniejszyć roczne zapotrzebowanie na energię do przygotowywania c.w.u. o połowę. Może to wystarczyć, żeby poprawić bilans energetyczny do poziomu WT2021. System z kolektorami też ma niezaprzeczalne zalety - działa autonomicznie (niezależnie od jakiejkolwiek sieci), jest stosunkowo tani i prosty w budowie, a kolektory zajmują o wiele mniej miejsca niż panele (dla 4 osób zwykle wystarczą 2 sztuki). Jeżeli więc głównym celem inwestycji w OZE ma być umiarkowane obniżenie zapotrzebowania na energię pierwotną, to jest nad czym myśleć.

Prąd pozyskiwany dzięki panelom PV do podgrzewania c.w.u.

Prąd z własnej mikroelektrowni może posłużyć także do podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

W grę wchodzą tu tak naprawdę aż 3 rozwiązania:

• pompa ciepła ogrzewająca budynek i zapewniająca c.w.u.;
• pompa ciepła o niewielkiej mocy, służąca tylko do podgrzewania wody;
• grzałka elektryczna, czyli bezpośrednia przemiana prądu na ciepło.

Zasadność pierwszego wariantu nie budzi raczej wątpliwości. Skoro i tak zdecydowaliśmy się kupić pompę ciepła do ogrzewania domu, to c.w.u. mamy niejako przy okazji, bez dodatkowych kosztów inwestycyjnych.

Czy warto kupić pompę wyłącznie do c.w.u. zależy od wielu czynników. Bardzo ważne jest ile kosztuje nas jej podgrzewanie na inne dostępne sposoby, ile wysiłku to wymaga oraz jak wpływa na wskaźnik EP. Przykładowo, kocioł gazowy zapewnia c.w.u. wygodnie i niezbyt drogo, a wskaźnik EP jest umiarkowany. W przypadku kotła na drewno będzie tanio i ze skrajnie niskim EP, ale niewygodnie. Za to użycie grzałki (lub innego podgrzewacza elektrycznego) jest wygodne i nie wymaga prawie nakładów inwestycyjnych. Za to koszty eksploatacji są wysokie, podobnie jak wskaźnik EP. Chyba że do zasilania jej mamy prąd z PV.

Rozsądzenie wszystkich za i przeciw nie jest łatwe. Jeżeli mamy liczną rodzinę i zużycie wody jest duże, pompa ciepła będzie opłacalna. Zaś na potrzeby 1 czy 2 osób już niekoniecznie. Sens zasilania grzałki elektrycznej prądem z paneli też trzeba zbadać. Raczej nie warto tego robić przy dużym zapotrzebowaniu na wodę i energię. Bo instalacja PV wymaga sporych nakładów inwestycyjnych. Jeśli jednak zużycie wody jest bardzo małe, niekoniecznie opłaci się kupować jakieś inne urządzenia grzewcze.

Kim jest prosument, właściciel instalacji PV w domu jednorodzinnym?

W polskich warunkach zarówno klimatycznych jak i prawnych najkorzystniejsze wydaje się uzyskanie statusu prosumenta, podłączenie domowej mikroelektrowni do sieci energetycznej i traktowanie jej jak akumulatora - oddawanie chwilowej nadprodukcji energii, żeby potem móc ją znów zaczerpnąć.

Kim jest prosument, właściciel instalacji PV w domu jednorodzinnym? To ktoś produkujący energię elektryczną, ale też zużywający ją. Co ważne - wyłącznie na osobiste potrzeby. Prosument nie może jej komuś sprzedawać, albo wykorzystywać do produkcji jakichś dóbr i usług. Przy czym taka osoba może prowadzić działalność gospodarczą, lecz instalacja PV nie może służyć do zaspokojenia potrzeb związanych z tą działalnością. Ponadto musimy mieć zawartą z dostawcą energii tzw. umowę kompleksową, regulującą zarówno opłaty za samą energię, jak i za jej przesył. Treść umowy kompleksowej jest niezwykle ważna, wrócimy do tego za chwilę.

Są więc istotne ograniczenia, ale i spore przywileje. Prosument może bowiem w szczególny sposób korzystać z sieci. Ma prawo oddawać do niej nadwyżki energii, a następnie pobierać 80% z tego co oddał bez ponoszenia dodatkowych kosztów. Te brakujące 20% to rekompensata dla firmy energetycznej za obsługę. Wcale nie taka duża, bo ładując i rozładowując akumulatory stracilibyśmy więcej. No i akumulatory musielibyśmy kupić. A nie są tanie. Nie mówiąc już o takich problemach jak ich przechowywanie i ograniczona trwałość.

Dodajmy, że limit 80% obowiązuje, jeżeli instalacja ma moc zainstalowaną do 10 kWp, ale w domach jednorodzinnych większe są rzadkością. Po przekroczeniu tej granicy obowiązuje nas mniej korzystny przelicznik 70%. Co najważniejsze, przedsiębiorstwo energetyczne nie może nam odmówić odbioru energii, o ile tylko moc zainstalowana instalacji PV nie jest wyższa niż moc przyłączeniowa określona w umowie na pobór energii. Po jego stronie leżą też koszty ewentualnej wymiany licznika na tzw. dwukierunkowy, który będzie w stanie rejestrować zarówno pobór, jak i przekazywanie prądu.

Zgodnie z tymi regulacjami prosument nigdy nie sprzedaje prądu do sieci. Nie zarabia ani złotówki, ale za to może oszczędzać, obniżyć swoje rachunki. Rozliczamy się bowiem bilansowo - oddając nadmiar energii z paneli do sieci, a następnie czerpiąc z niej bez kosztów w późniejszym czasie. Ideałem jest sytuacja, gdy w skali roku ilości energii pobranej i oddanej do sieci się równoważą. Oddawanie większej ilości nie ma zaś sensu, bo i tak przepada. My nie będziemy mieć z niej już żadnego pożytku.

Kluczowe znaczenie ma tu długość okresu rozliczeniowego, określona w umowie kompleksowej. Maksimum to rok i to jest najkorzystniejsze. Okresy rozliczeń mogą być też krótsze, ale pod warunkiem, że nadwyżka z jednego okresu przechodzi na kolejne. Jeżeli byłyby krótsze, nadwyżka z lata by nam przepadła, a zima musielibyśmy płacić. Dlatego uważnie przestudiujmy umowę kompleksową.

Bycie prosumentem to przywilej korzystania z sieci energetycznej jak z akumulatora. Jeżeli akurat nasze domowe urządzenia nie potrzebują prądu, to oddajemy go do sieci. Potem możemy go odebrać. (fot. Vaillant)

Ilość energii pozyskanej z paneli i kolektorów w teorii

Nierzetelni sprzedawcy paneli i kolektorów lubią prezentować klientom dane na temat tego ile energii słonecznej trafia do nas rocznie. To imponujące, bo nawet w Polsce roczna suma energii promieniowania słonecznego wynosi ok. 1000 kWh na 1 m2 powierzchni. Znaczy to, że w ciągu roku każdy metr kwadratowy działki otrzymuje w przybliżeniu tyle energii, ile uzyskujemy ze spalenia 100 m3 gazu ziemnego.

W takim razie, teoretycznie do pokrycia zapotrzebowania na energię domu o powierzchni 100 m2, który wymaga dostarczenia 60 kWh/m2, wystarcza energia słoneczna padająca na zaledwie 6 m2 działki! Bo przecież:

100 m2 × 60 kWh/m2 = 6000 kWh.

Tyle wystarczy, żeby uniezależnić się od paliw kopalnych. Imponujące i zasadniczo prawdziwe. Jednak z praktycznego punktu widzenia bezużyteczne. Głównym problemem nie jest też wcale niedoskonała technika, bo przecież nie umiemy przechwycić całej, docierającej do nas energii. Ograniczenie, z którym nijak sobie nie poradzimy kryje się gdzie indziej. I wynika wprost z naszego położenia geograficznego. Bowiem aż 4/5 (80%) z całej tej energii dostajemy przez pół roku. I jak łatwo się domyślić, właśnie sezon grzewczy to właśnie te drugie pół - z ogromnym niedoborem.

Uzysk energii w instalacji fotowoltaicznej można dokładnie zmierzyć. Dzięki temu będziemy wiedzieć jak rzeczywistość ma się do założeń projektu. (fot. Fronius)

...a w praktyce

Dysproporcja jest tak naprawdę jeszcze większa, jeśli spojrzymy na samą zimę. Łącznie na grudzień, styczeń i luty przypada zaledwie ok. 6%. Zaś w listopadzie, grudniu i styczniu (najgorsze pod względem ilości słońca miesiące), na 1 m2 panelu ustawionego nawet wprost na południe trafia w ciągu całego dnia zaledwie 0,5-0,7 kWh energii. Z czego zdołamy przekształcić na prąd zaledwie kilkanaście procent. Za to w najbardziej korzystnym okresie, w czerwcu i lipcu, dzienna porcja energii słonecznej jest nawet 10 razy większa!

I tej sezonowej zmienności nijak nie pokonamy. Przywołując klasyczny już cytat - "Sorry, taki mamy klimat". Dlatego nie wierzmy nikomu, kto przekonuje nas, że panele fotowoltaiczne przez cały rok będą równie wydajne, czy beztrosko dzieli roczny uzysk energii równo na wszystkie miesiące. Tak się po prostu nie da. Za to na potrzeby wskaźnika EP - skoro wyznaczamy go w cyklu rocznym - fotowoltaika zupełnie zmienia bilans energetyczny. Nie tylko zmieścimy się w limicie wyznaczonym przez WT2021. Jeżeli instalacja będzie wystarczająco duża to osiągniemy nawet standard tzw. budynku zeroenergetycznego netto. Domu, który wymaga podłączenia do sieci, ale którego roczne zapotrzebowanie na energię i jej własna produkcja się w pełni równoważą.

Co nie zmienia faktu, że w danym momencie, przy braku słońca, nie będziemy akurat wytwarzać zupełnie nic, za to czerpać energię z sieci. Promieniowanie słoneczne to jakby paliwo dla naszej instalacji PV. W momencie, gdy go zabraknie z systemu nie ma pożytku. Innymi słowy - nawet z najmniejszej instalacji przy dobrym nasłonecznieniu możemy w danym momencie uzyskać więcej, niż z dużej przy niedoborze słońca (mgła, chmury). Ostatecznie i tak nie stajemy się technicznie niezależni od sieci. Chociaż odpowiednio duży system PV może niemal uniezależnić nas od rachunków i zmian cen prądu.

Równoczesne korzystanie z paneli PV i kolektorów słonecznych też może mieć sens. Sprawność kolektorów jest wyższa, ale ciepło wykorzystujemy tylko do podgrzewania c.w.u. (fot. Hewalex)

Minimum przygotowania do założenia systemu PV

Decydując się na założenie systemu PV nie musimy być wcale ekspertami w tej dziedzinie. I nie liczmy na to, że łatwo nimi zostaniemy. Przeczytanie kilku artykułów, śledzenie oferty rynkowej itd., to zaledwie początek tej drogi. Jednak zanim zaczniemy w ogóle szukać, a potem porównywać oferty, konieczna jest znajomość kilku podstawowych zasad rządzących działaniem instalacji fotowoltaicznych.

Zasady rządzące działaniem instalacji fotowoltaicznej:

• natężenie uzyskiwanego prądu elektrycznego, a więc ilość energii, zależy od intensywności promieniowania słonecznego;
• sprawność przemiany energii słonecznej w elektryczność waha się w szerokich granicach od kilku do ponad 20%, zależnie od budowy ogniw. Jednak ich ceny także są bardzo różne, dlatego najlepiej jest przeliczać cenę na uzyskiwaną moc elektryczną (zł/kW);
• w panelach uzyskujemy prąd stały, a znakomita większość domowych urządzeń zasilanych jest prądem przemiennym. Trzeba więc go przetworzyć, co wymaga dodatkowego urządzenia (falownika);
• magazynowanie energii elektrycznej w akumulatorach jest kłopotliwe, kosztowne i obarczone sporymi stratami. Dlatego prostszym rozwiązaniem jest oddawanie nadmiaru energii do sieci, a potem rozliczanie bilansowe.

Warto też wiedzieć z czego musi składać się taka instalacja. To bynajmniej nie tylko panele. Pozostałe elementy także są niezwykle ważne dla bezpiecznej i wydajnej pracy całości. Zaś w małych domowych układach te pozostałe składniki mają bardzo duży wpływ na koszt całości.

Najważniejsze elementy to:

• ogniwa fotowoltaiczne zamieniające promieniowanie słoneczne na prąd;
• falownik (inwerter) przetwarzający uzyskany z nich prąd stały na przemienny, którym zasilane są domowe urządzenia;
• przewody elektryczne;
• aparatura zabezpieczająca.

Nie ma elementów ruchomych, a więc i potencjalnie awaryjnych mechanicznie (takich jak pompy i zawory). Z kolei przewody mogą być długie. Żeby uniknąć dużych strat energii wystarczy po prostu zwiększyć ich przekrój. W układzie, gdy jesteśmy podłączeni do sieci i sprzedajemy do niej prąd niezbędny jest jeszcze specjalny licznik i zabezpieczenia, żeby w wyłączonej, np. z powodu prac naprawczych sieci nie pojawiło się napięcie pochodzące z naszej instalacji. To zagrażałoby przecież pracującym przy niej ludziom.

Panele PV zajmują zwykle kilkadziesiąt metrów kwadratowych powierzchni dachu. (fot. Bruk-Bet Solar)

Warunki działki a instalacja fotowoltaiczna

Nie każda działka i dom stwarza dobre warunki do montażu instalacji PV. W skrajnych przypadkach takie przedsięwzięcie może w ogóle nie mieć sensu. Jednak zawsze trzeba się liczyć z tym, że zależnie od tego jaka jest działka i dom system może znacznie różnić się wielkością, wydajnością, kosztami inwestycji. Dlatego ofertę z firmy, której przedstawiciel nie zrobił nawet z nami szczegółowego wywiadu badając zastane warunki traktujmy tylko jako rodzaj reklamy.

Optymalne jest skierowanie paneli wprost na południe. Ale nawet znaczne odchylenie, czy wręcz skierowanie całości na wschód lub zachód jest dopuszczalne. Jednak trzeba je skompensować odpowiednim zwiększeniem liczby paneli. Za to umieszczanie ich od północy albo w miejscach stale zacienionych nie ma sensu. Orientacja względem stron świata to podstawowa kwestia. Tym poważniejsza, że zwykle wykorzystuje się przecież dachy. A lokalizacja budynku, kształt i orientacja połaci dachu wynika z wielu czynników nie mniej ważnych przy inwestycji niż przygotowanie warunków dla PV.

To specyfika działki i budynku określa jaką instalację da się wykonać i jak duże będą z niej korzyści. Przykładowo, zacienienie jest dużym problemem. (fot. Nibe-Biawar)

Liczy się kształt działki, jej otoczenie, pożądana wielkość i bryła budynku itd. Wielkim utrudnieniem mogą być lukarny, okna dachowe i kominy. Nie tylko zajmują część dachu, ale mogą także rzucać cień, a zacienienie jest wrogiem paneli. Nawet niewielkie zacienienie jednego może zepsuć parametry pracy kilku sąsiednich. Dlatego pożądane są dachy proste, najlepiej dwuspadowe lub płaskie (panele ustawiamy wówczas dowolnie na konstrukcjach wsporczych), bez lukarn i z jak najmniejszą liczbą kominów. Jeżeli zaś chodzi o sam kąt nachylenia to za najkorzystniejszy uznaje się 35°, lecz tu dopuszczalna jest znaczna tolerancja (nawet ponad 20°).

Jarosław Antkiewicz
fot. otwierająca: Soleko