ANALIZA ENERGETYCZNA I EKONOMICZNA WSPÓŁPRACY INSTALACJI FOTOWOLTAICZNEJ Z POMPĄ CIEPŁA

Transkrypt

1 ANALIZA ENERGETYCZNA I EKONOMICZNA WSPÓŁPRACY INSTALACJI FOTOWOLTAICZNEJ Z POMPĄ CIEPŁA Autor: Bartosz Chwieduk ("Rynek Energii" - 10/2017) Słowa kluczowe: energetyka słoneczna, fotowoltaika, pompa ciepła, ekonomia Streszczenie. W artykule zaprezentowano wyniki obliczeń dotyczących współpracy instalacji fotowoltaicznej z pompą ciepła. Rozważania dotyczą mikroinstalacji fotowoltaicznej o mocy nominalnej 2,7 kwp dedykowanej dla wybranego budynku jednorodzinnego. Na podstawie rachunków za energię elektryczną wyznaczono zapotrzebowanie na energię do ogrzewania. W wybranym do obliczeń budynku zainstalowana jest pompa ciepła o mocy elektrycznej 1,8 kw oraz wyznaczonym na podstawie danych pomiarowych COP równym 4,9. Posiadając dane meteorologiczne średniej godzinowej temperatury zewnętrznej obliczono ilość energii jaka w danej godzinie roku niezbędna jest do zachowania komfortu temperaturowego w rozpatrywanym budynku. Wykorzystując dane techniczne pompy ciepła określono czas pracy pompy ciepła z jej nominalną mocą w kolejnych dniach roku. Zyski energetyczne z instalacji fotowoltaicznej określono wykorzystując dane meteorologiczne napromieniowania pobrane ze strony internetowej Ministerstwa Infrastruktury i Budownictwa. W skład rozważanego systemu fotowoltaicznego wchodzą moduły fotowoltaiczne oraz inwerter. Obliczenia przeprowadzono dla dwóch różnych przypadków: w pierwszym pompa ciepła działa gdy temperatura zewnętrzna jest najniższa, w drugim praca pompy ciepła jest uzależniona od pracy systemu fotowoltaicznego. Uwzględniając aktualne przepisy prawne dotyczące wsparcia finansowego dla mikroinstalacji fotowoltaicznych określono korzyści jakie płyną ze współpracy instalacji fotowoltaicznej z pompą ciepła. Na zakończenie zaprezentowano wnioski z przeprowadzonych obliczeń. 1. WSTĘP W celu zwiększenia zainteresowania wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii przez mieszkańców budynków jedno i wielorodzinnych stosuje się różne mechanizmy wsparcia. Jednym z nich jest, wprowadzony wraz z uchwaleniem 20 lutego 2015 roku Ustawy o odnawialnych źródłach energii, mechanizm rozliczenia wyprodukowanej energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych na podstawie bilansu półrocznego energii (ang. net metering) [14]. Właściciel mikroinstalacji fotowoltaicznej oddaje wyprodukowaną energię elektryczną do sieci elektroenergetycznej. W zamian może on odliczyć od rachunku za energię pobraną z sieci część tej wprowadzonej do systemu elektroenergetycznego. Sieć elektroenergetyczna jest traktowana jako magazyn energii o pewnej sprawności. To jaką część energii wyprodukowanej przez system fotowoltaiczny można odliczyć od tej pobranej z sieci zależy od mocy nominalnej instalacji [14]. Korzystając z innych mechanizmów wsparcia fotowoltaiki, takich jak kredyty, czy dofinansowania do budowy instalacji cena sprzedaży energii do sieci obecnie wynosi 13,6 gr [12]. Rozwiązania tego typu powodują iż najbardziej opłacalnym jest wykorzystywanie przez domowników możliwie największej ilości wyprodukowanej przez nich samych energii. Jednym z

2 rozwiązań, które może zwiększyć udział energii wykorzystanej na miejscu w porównaniu do całkowitej energii wyprodukowanej przez instalację fotowoltaiczną jest montaż akumulatorów. Wpływa to jednak znacząco na koszty budowy instalacji. Inną z możliwości jest dopasowanie pracy urządzeń pobierających energię elektryczną do zysków energetycznych z instalacji fotowoltaicznej. Jeżeli ogrzewanie budynku jest realizowane przy użyciu pompy ciepła godziny pracy w danym dniu można dopasować do godzin pracy systemu fotowoltaicznego. 2. CHARAKTERYSTYKA ROZWAŻANEGO BUDYNKU Budynek, dla którego przeprowadzono obliczenia jest budynkiem jednorodzinnym zamieszkałym przez cztery osoby i zlokalizowanym pod Warszawą. Obliczenia energetyczne, jak i ekonomiczne, zostały przeprowadzone z uwzględnieniem jego położenia geograficznego. Jest to budynek energooszczędny, w którym zastosowano szereg rozwiązań wykorzystujących odnawialne źródła energii. Do budynku doprowadzona została zimna woda oraz energia elektryczna. Do przygotowania ciepłej wody użytkowej zastosowano płaskie kolektory słoneczne o powierzchni 12 m 2. Aby zmniejszyć wentylacyjne straty ciepła zainstalowano rekuperator o efektywności 0,7. Źródłem ciepła potrzebnym do zapewnienia warunków komfortu cieplnego jest gruntowa pompa ciepła solanka/woda o mocy elektrycznej 1,8 kw i zmierzonym COP na poziomie 4,9. Sumaryczne roczne jednostkowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną wyznaczone podczas sporządzania charakterystyki energetycznej rozważanego budynku wynosi 25,58 kwh/(m 2 rok). Dach, na którym zamontowane są kolektory słoneczne pochylony jest pod kątem 38 o od poziomu i zorientowany na południe. Zyski energetyczne z instalacji fotowoltaicznej wyznaczone zostały dla tak zorientowanej powierzchni. 3. INSTALACJA FOTOWOLTAICZNA Jak wspomniano w pierwszym rozdziale artykułu najlepszym ekonomicznie rozwiązaniem jest wykorzystanie wyprodukowanej energii na miejscu. Jednym ze sposobów wymiarowania instalacji fotowoltaicznej jest metoda "najlepszego miesiąca". Wielkość systemu fotowoltaicznego dopasowuje się do miesiąca, w którym stosunek zapotrzebowania na energię elektryczną do zysków słonecznych jest najmniejszy. Instalacja zaprojektowana w ten sposób w "najlepszym" miesiącu wyprodukuje porównywalną ilość energii do zapotrzebowania na energię. Instalacje fotowoltaiczne o mocy większej niż wyznaczona tą metodą bardzo dużą część wyprodukowanej energii oddawać będą do sieci elektroenergetycznej, co negatywnie wpłynie na ich opłacalność i czas zwrotu inwestycji. Tabela 1 przedstawia miesięczne zyski energetyczne od promieniowania słonecznego dla powierzchni zorientowanej na południe i pochylonej pod kątem 38 o. Zużycie energii elektrycznej w kolejnych miesiącach oszacowane zostało na podstawie mocy i czasu pracy stosowanych odbiorników energii elektrycznej, a następnie zweryfikowane na podstawie rachunków za energię elektryczną. Całkowite zapotrzebowanie na energię elektryczną w wybranym budynku to około 7,3 MWh/rok. Miesiąc, do którego dopasowana została instalacja fotowoltaiczna to czerwiec.

3 Tabela 1. Wyznaczanie najlepszego miesiąca Miesiąc Zyski kwh/m 2 słoneczne, Zużycie energii elektrycznej, kwh/miesiąc 1 38, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,19 Stosunek zużycia energii do zysków słonecznych Na podstawie danych zamieszczonych w tabeli 1 oraz danych technicznych wybranych do obliczeń modułów fotowoltaicznych (tab.2.) wyznaczono kolejno całkowite natężenie prądu na generatorze fotowoltaicznym, liczbę modułów połączonych szeregowo i równolegle oraz moc nominalną systemu. Tabela 2. Dane techniczne modułów fotowoltaicznych [9] Typ Ogniwa Waga Wymiary Żywotność polikrystaliczne 60sztuk 156x156mm 20 kg Współczynniki temperaturowe 1640x990x40 mm 0,9 wyjściowej sprawności po 10 latach 0,8 wyjściowej sprawności po 25 latach NOCT ( o C) nominalna temperatura pracy 45 NWT (/ o C) napięciowy współczynnik temperaturowy -0,003 PWT (/ o C) prądowy współczynnik temperaturowy 0,0004 MWT (/ o C) mocowy współczynnik temperaturowy -0,004 Parametry elektryczne Pmax (W) moc maksymalna 245 Impp (A) natężenie prądu w punkcie mocy maksymalnej 8,19 Vmpp (V) napięcie w punkcie mocy maksymalnej 29,9 TP ( o C) temperatura pracy od -40 do +85 maksymalne napięcie MNS (V) systemowe 1000 Moc systemu to 2,7kWp. System składa się z 11 modułów połączonych równolegle oraz inwertera o dopuszczalnej mocy po stronie prądu stałego 3 kw. Do wyznaczenia godzinowych

4 Zyski energetyczne (kwh/dzień) zysków energii z instalacji fotowoltaicznej wykorzystano dane meteorologiczne ze strony Ministerstwa Infrastruktury i Budownictwa [11]. Stosując model izotropowy promieniowania słonecznego obliczono napromieniowanie na powierzchnię skierowaną na południe i pochyloną pod kątem 38 o od poziomu I c w kolejnych godzinach roku [2,3]. (1) gdzie: I b - godzinowe napromieniowanie bezpośrednie, Wh/m 2, I d - godzinowe napromieniowanie rozproszone, Wh/m 2, ρ r - refleksyjność podłoża, R b - współczynnik korekcyjny dla promieniowania bezpośredniego, R d - współczynnik korekcyjny dla promieniowania rozproszonego, R r - współczynnik korekcyjny dla promieniowania odbitego. Uwzględniając zmianę sprawności ogniw fotowoltaicznych w zależności od temperatury wyznaczono godzinowe zyski energetyczne z instalacji fotowoltaicznej. Roczna ilość energii wyprodukowanej przez system fotowoltaiczny to 2876 kwh. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono wyniki przeprowadzonych obliczeń Dzień Rys.1. Dzienne zyski energetyczne z instalacji fotowoltaicznej [1]

5 Zyski energetyczne (W/h) Godzina Rys.2. Godzinowe zyski energetyczne z instalacji fotowoltaicznej [1] 3. ENERGIA NIEZBĘDNA DO ZASILANIA POMPY CIEPŁA Do wyznaczenia energii niezbędnej do zachowania komfortu cieplnego w rozpatrywanym budynku posłużono się metodą stopniogodzin, tj. gdzie: (2) E i - energia jaka w danej godzinie musi zostać dostarczona do budynku, aby zniwelować straty ciepła, kwh, T wi - projektowa temperatura wewnętrzna, o C, T zi - temperatura zewnętrzna w danej godzinie, o C, E c - całkowita energia pobierana przez pompę ciepła, kwh. Dane temperaturowe pochodzą ze strony internetowej Ministerstwa Infrastruktury i Budownictwa [10]. Na podstawie wyników tych obliczeń wyznaczono energię pobraną przez pompę ciepła w kolejnych dniach roku (rys.3.). Uwzględniając moc pompy ciepła obliczono czas jej pracy w kolejnych dniach roku z mocą nominalną.

6 Energia (kwh) Energia (kwh/dzień) Dzień Rys.3. Energia pobrana przez pompę ciepła w kolejnych dniach roku [1] Całkowita roczna energia niezbędna do zasilenia pompy ciepła to 2185 kwh/rok. Sumaryczny czas pracy pompy wynosi 1214 godzin. 4. WYKORZYSTANIE ENERGII WYPRODUKOWANEJ PRZEZ SYSTEM FOTOWOLTAICZNY DO ZASILANIA POMPY CIEPŁA System fotowoltaiczny o mocy 2,7 kwp z modułami fotowoltaicznymi o parametrach elektrycznych zaprezentowanych w tabeli 2 skierowanymi na południe pochylonymi pod kątem 38 o w czasie trwania sezonu ogrzewczego wyprodukuje 559 kwh energii elektrycznej w ciągu roku. Na wykresach 4 i 5 zaprezentowano energię jaka została wyprodukowana przez instalację fotowoltaiczną w kolejnych dniach roku oraz jaka musi zostać pobrana z sieci elektroenergetycznej Dzień Rys.4. Energia wyprodukowana przez instalację fotowoltaiczną w sezonie ogrzewczym [1]

7 Energia (kwh) Dzień Rys.5. Energia pobrana z sieci elektroenergetycznej niezbędna do zasilenia pompy ciepła [1] Aby zmaksymalizować bezpośrednie wykorzystanie wyprodukowanej energii, godziny pracy pompy ciepła skorelować można z czasem pracy systemu fotowoltaicznego. Z 559 kwh energii elektrycznej wyprodukowanej przez system w okresie ogrzewczym do zasilania pompy ciepła można wykorzystać 495,6 kwh, czyli 88,6%. Całkowita energia wyprodukowana przez system fotowoltaiczny to 2876 kwh/rok. Biorąc pod uwagę zapotrzebowanie na energię elektryczną do zasilania urządzeń AGD i RTV w czasie ogrzewczym między 20 października, a 15 marca całość wyprodukowanej energii może zostać wykorzystana przez domowników, pozostała (brakująca) część jest pobierana z sieci. 5. BILANS ENERGETYCZNY W przypadku, gdy działanie pompy ciepła nie jest w żaden sposób powiązane z produkcją energii przez system fotowoltaiczny (ze względu na temperaturę zewnętrzną pompa ciepła działa głównie w nocy) 40,6% energii z instalacji fotowoltaicznej jest wykorzystywane przez domowników. Z 2876 kwh/rok energii wyprodukowanej przez system fotowoltaiczny 1163 kwh/rok wykorzystają domownicy. Żywotność modułów fotowoltaicznych szacuje się na lat. Wraz z upływem czasu sprawność, jak i ilość wyprodukowanej energii spada. Po 30 latach pracy instalacja będzie produkować 2278 kwh rocznie, a 921 kwh z tego zostanie wykorzystane przez domowników. Nadal jednak prawie 60% energii oddawane będzie do sieci elektroenergetycznej. Gdy pompa ciepła działa w godzinach pracy systemu fotowoltaicznego i w okresie ogrzewczym cała wyprodukowana energia jest wykorzystywana na miejscu ilość energii oddanej do sieci elektroenergetycznej w ciągu całego roku to 1453 kwh/rok, co stanowi 50,2% całkowitej wyprodukowanej energii. Oznacza to, że 260 kwh wyprodukowanej przez system fotowoltaiczny energii więcej zostanie wykorzystane na miejscu.

8 6. WSPARCIE FINANSOWE DLA INSTALACJI FOTOWOLTAICZNYCH Budynek, dla którego przeprowadzono obliczenia zlokalizowany jest pod Warszawą. Pod kątem tej lokalizacji uwzględniono dostępne możliwości dofinansowania bądź mechanizmy wsparcia dla instalacji fotowoltaicznej. Uchwalona 20 lutego 2015 roku ustawa o odnawialnych źródłach energii wprowadza mechanizm wsparcia mikroinstalacji fotowoltaicznych nazywany bilansem półrocznym energii (net metering) [14]. Osoba produkująca energię elektryczną za pośrednictwem systemu fotowoltaicznego o mocy do 7 kwp ma prawo do odbioru 80% oddanej do sieci energii elektrycznej od operatora sieci elektroenergetycznej. Oznacza to, że jeżeli w danym półroczu do sieci wprowadzono np. 100 kwh energii to jej producent może odebrać 80 kwh. Obniży to jego rachunek za energię elektryczną. Należy tutaj zaznaczyć, że na cenę energii pobranej z sieci wpływają między innymi: koszt energii czynnej, podatek VAT, akcyza, podatki i opłaty lokalnych operatorów, itp. Bilansowanie półroczne dotyczy tylko energii czynnej, której cena jest obecnie na poziomie 30gr/kWh, gdzie całkowite koszty zakupu energii w rozpatrywanej lokalizacji to 53 gr/kwh [7]. Oprócz bilansowania półrocznego dostępne są także inne metody i mechanizmy wsparcia dla mikroinstalacji fotowoltaicznych. Do niedawna Bank Ochrony Środowiska miał w swojej ofercie dopłaty do instalacji fotowoltaicznych w wysokości 30% kosztów ich budowy. Aktualnie nabór wniosków do programu został wstrzymany, jednak został on uwzględniony w obliczeniach ekonomicznych ponieważ jest szansa na jego wznowienie. Dofinansowania do instalacji fotowoltaicznych mogą oferować także Wojewódzkie Fundusze Ochrony Środowiska. W zależności od województwa dofinansowanie może być różnie realizowane. W przypadku województwa mazowieckiego aktualnie nie jest prowadzony nabór wniosków o dofinansowanie instalacji [12]. 7. ANALIZA EKONOMICZNA 7.1. Koszty budowy i eksploatacji systemu fotowoltaicznego W skład rozważanej instalacji fotowoltaicznej wchodzą moduły fotowoltaiczne, których parametry zaprezentowano w tabeli 2 oraz inwerter. W artykule nie rozważano systemu fotowoltaicznego z magazynem energii w postaci akumulatorów. Zastosowanie akumulatorów do zmagazynowania całej wyprodukowanej, ale nie zużytej energii podwaja koszt budowy instalacji. Po około 15 latach od uruchomienia instalacji niezbędna jest wymiana baterii akumulatorów, co powoduje wydłużenie się czasu zwrotu instalacji. Ten przypadek nie był brany pod uwagę podczas przeprowadzania obliczeń. Oprócz ceny zakupu modułów fotowoltaicznych oraz inwertera w skład całkowitych kosztów budowy instalacji wchodzą także: - montaż elementów systemu, - system mocowania modułów na dachu budynku, - transport, - akcesoria elektryczne.

9 W tabeli 3 zebrano koszty poszczególnych składowych budowy instalacji. Całkowity koszt budowy instalacji to zł. Tabela 3. Składowe systemu fotowoltaicznego [4, 5] Składowa Moduły fotowoltaiczne Inwerter Montaż Koszt zł zł zł Składowa System mocowania Transport Akcesoria elektryczne Koszt 900 zł 750 zł zł Na cenę generatora fotowoltaicznego składa się 11 modułów Viessmann Vitovolt 200, z których każdy kosztuje 900 zł [8]. Inwerter dobrany do panelu fotowoltaicznego to SMA Sunny Boy SB 3000TL [13]. Do kosztów eksploatacyjnych systemu fotowoltaicznego zaliczyć można m.in. ubezpieczenie instalacji i coroczne serwisowanie. Koszt serwisu i przeglądu instalacji to około 250 zł. Ubezpieczenie to około 0,25% wartości budowy systemu fotowoltaicznego, czyli 50 zł Założenia do obliczeń Na podstawie danych technicznych modułów fotowoltaicznych i inwertera oraz obliczonych wartości zysków słonecznych i zapotrzebowania na energię wyznaczono energię wyprodukowaną przez instalację fotowoltaiczną w kolejnych latach jej pracy. W tabeli 4 zaprezentowano, ile wyprodukowanej przez system fotowoltaiczny energii zostanie wykorzystane przez domowników, ile trafi do sieci elektroenergetycznej, a ile zostanie z niej pobrane. Obliczenia przeprowadzono dla dwóch przypadków. W pierwszym [a] pompa ciepła działa niezależnie od systemu fotowoltaicznego, a w drugim [b] godziny pracy pompy ciepła zależą od pracy instalacji fotowoltaicznej. Tabela 4. Energia wyprodukowana, wykorzystana, oddana i kupiona od operatora sieci elektroenergetycznej Rok: Energia wyprodukowana Energia wyko- Energia wyko- Energia Energia Energia Energia przez rzystana przez rzystana przez oddana do oddana do pobrana z pobrana z instalację, domowników domowników sieci [a], sieci [b], sieci [a], sieci [b], kwh/rok [a], kwh/rok [b], kwh/rok kwh/rok kwh/rok kwh/rok kwh/rok ,5 1163,4 1423,4 1713,1 1453,1 6153,1 5893, ,5 1154,1 1412,0 1699,4 1441,5 6162,5 5904, ,6 1144,8 1400,6 1685,8 1430,0 6171,7 5915, ,7 1389,5 1672,3 1418,5 6180,8 5927, ,5 1126,6 1378,4 1658,9 1407,1 6189,9 5938, ,2 1117,6 1367,4 1645,7 1395,8 6198,9 5949, ,1 1108,6 1356,4 1632,5 1384,7 6207,9 5960, ,2 1099,8 1345,6 1619,4 1373,6 6216,8 5970, , ,8 1606,5 1362,7 6225,6 5981,7

10 ,9 1082,2 1324,1 1593,6 1351,8 6234,3 5992, ,5 1073,6 1313,5 1580,9 1341,0 6242,9 6003, , ,0 1568,2 1330,2 6251,5 6013, ,2 1056,5 1292,6 1555,7 1319, , , ,2 1543,3 1309,1 6268,5 6034, ,5 1039,6 1271,9 1530,9 1298,6 6276,9 6044, ,3 1261,8 1518,7 1288,2 6285,2 6054, ,6 1023,1 1251,7 1506,5 1277,9 6293,5 6064, ,3 1014,9 1241,7 1494,5 1267,6 6301,6 6074, ,3 1006,8 1231,8 1482,5 1257,5 6309,8 6084, ,3 998,7 1221,9 1470,6 1247,4 6317,8 6094, ,6 990,7 1212,1 1458,9 1237,5 6325,8 6104, ,8 1202,4 1447,2 1227,6 6333,7 6114, ,6 974,9 1192,8 1435,6 1217,8 6341,6 6123, ,3 967,1 1183,2 1424,1 1208,1 6349,4 6133, ,1 959,4 1173,8 1412,8 1198,3 6357,1 6142, ,2 951,7 1164,4 1401,4 1188,8 6364,8 6152, ,3 944,1 1155,1 1390,2 1179,2 6372,4 6161, ,7 936,6 1145,9 1379,1 1169, , ,1 929,1 1136,7 1368,1 1160,4 6387,5 6179, ,8 921,6 1127,6 1357,1 1151,2 6394,9 6188,9 Suma: 76992, , , , , , ,6 Do wyznaczenia czasu zwrotu budowy instalacji i wskaźnika NPV przyjęto następujące założenia: a) Producent energii elektrycznej z systemu fotowoltaicznego korzysta z bilansowania półrocznego energii. Cena energii elektrycznej z sieci elektroenergetycznej to 53 gr/kwh. Cena energii czynnej wynosi 30 gr/kwh [7, 14]. Na podstawie zmian cen energii w ostatnich latach oraz prognoz długoterminowych określono wzrost cen energii na poziomie 2,6% rocznie [6, 10]. b) Producent energii elektrycznej z systemu fotowoltaicznego korzysta z programu prosument. Dofinansowanie wynosi 30% kosztów budowy instalacji. Cena skupu energii ze źródeł odnawialnych to 13,6 gr/kwh [12] Czas zwrotu kosztów budowy systemu fotowoltaicznego i wskaźnik wartości bieżącej netto Dane zebrane w tabeli 4 pozwalają na wyznaczenie oszczędności płynących z wykorzystywania wyprodukowanej energii i tej oddanej do sieci elektroenergetycznej. W zależności od mechanizmu wsparcia z jakiego skorzysta właściciel mikroinstalacji fotowoltaicznej oszczędności wynikające z oddawania energii do sieci elektroenergetycznej będą różne. W przypadku metody bilansowania półrocznego za każdą oddaną do sieci kilowatogodzinę domownicy oszczędzają 24gr. (osiemdziesiąt procent ceny energii czynnej). Jeżeli mecha-

11 Oszczędności i zyski (zł) nizm wsparcia, z którego skorzystał właściciel instalacji fotowoltaicznej to "prosument" cena sprzedanej przez niego energii do sieci to 13,6 gr/kwh. Obie wartości wraz z upływem czasu będą rosnąć w tempie 2,6% rocznie. Koszt budowy instalacji wyznaczony na początku rozdziału wynosi zł. Jako, że program "prosument" dofinansowuje inwestycje w mikroinstalacje fotowoltaiczne w wysokości 30% kosztów budowy właściciel systemu wyda na nią zł. Na rysunku 6 przedstawiono jak zmieniają się oszczędności wynikające z działania instalacji fotowoltaicznej Lata Energia wykorzystana przez domowników [a] Energia wykorzystana przez domowników [b] Energia oddana do sieci [a] Energia oddana do sieci [b] Energia sprzedana do sieci [a] Energia sprzedana do sieci [b] Rys.6. Oszczędności i zyski finansowe z działania instalacji fotowoltaicznej Ponieważ spadek sprawności modułów fotowoltaicznych w kolejnych latach pracy systemu fotowoltaicznego wynosi poniżej 1%/rok, a oszacowany wzrost cen energii w nadchodzących latach to 2,6% oszczędności, jak i zyski finansowe, rosną wraz z upływającym czasem. W pierwszym roku pracy instalacji oszczędności związane z wykorzystaniem wyprodukowanej energii to odpowiednio 616,6 zł dla przypadku, gdy instalacja fotowoltaiczna działa niezależnie od pompy ciepła i 754,4 zł dla przypadku, gdy godziny pracy pompy ciepła są powiązane z godzinami pracy systemu fotowoltaicznego. W kolejnych latach pracy systemu oszczędności te będą rosnąć. Żywotność instalacji fotowoltaicznych szacuje się na lat. Po trzydziestu latach od uruchomienia system będzie generować oszczędności finansowe na poziomie odpowiednio 1028 zł i 1258 zł rocznie. Należy pamiętać, że po tym okresie najprawdopodobniej instalacja nadal będzie pracować generując energię elektryczną. W przypadku energii oddanej, bądź sprzedanej do sieci elektroenergetycznej najkorzystniej wypada opcja, w której instalacja fotowoltaiczna nie współpracuje z pompą ciepła, a producent energii korzysta z bilansowania półrocznego energii. W pierwszym roku pracy systemu domownicy będą mogli odliczyć 513,9 zł od rachunku za energię elektryczną, a w trzydziestym 857,1 zł.

12 NPV (zł) Oszczędności i zyski finansowe (zł) Lata Bilansowanie półroczne energii [a] Bilansowanie półroczne energii [b] Program prosument [a] Program prosument [b] Rys.7. Sumaryczne roczne oszczędności i zyski finansowe z działania instalacji fotowoltaicznej Na rysunku 7 przedstawiono, jak kształtują się całkowite oszczędności i zyski finansowe w rozważanych wariantach. Najlepszym rozwiązaniem pod tym względem jest dopasowanie pracy pompy ciepła do pracy instalacji fotowoltaicznej oraz wykorzystanie bilansu półrocznego energii przy oddawaniu nadmiaru energii do sieci elektroenergetycznej. W tym przypadku po upływie czasu żywotności instalacji fotowoltaicznej zyski finansowe wynosić będą zł. Jeżeli pompa ciepła i generator fotowoltaiczny działać będą niezależnie zyski te będą na poziomie zł. Różnica to 2343 zł czyli około 78 zł rocznie. Wraz z upływem czasu różnica ta rośnie Lata Bilansowanie półroczne energii [a] Bilansowanie półroczne energii [b] Program prosument [a] Program prosument [b] Rys.8. Wartość bieżąca netto (NPV)

13 Korzystając z programu prosument oszczędności związane z wykorzystaniem i sprzedażą wyprodukowanej energii są wyraźnie niższe. W ciągu trzydziestu lat pracy różnica wyniesie blisko zł czyli połowę wartości budowy instalacji. Na rysunku 8 zaprezentowano, jak kształtuje się wskaźnik NPV dla rozważanych przypadków. Z punktu widzenia czasu zwrotu budowy instalacji najlepszym rozwiązaniem jest skorzystanie z programu "prosument". W zależności od rozwiązań technicznych współpracy instalacji fotowoltaicznej i pompy ciepła czas zwrotu wahać się będzie od 13,5 do 15 lat. Jeżeli właściciel mikroinstalacji fotowoltaicznej zdecyduje się na wsparcie w postaci bilansu półrocznego energii czas zwrotu instalacji wyniesie 15 lat i 3 miesiące albo 16 lat. Jako, że mechanizm bilansowania półrocznego energii mocniej wspiera producentów energii ze źródeł odnawialnych oddających energię do sieci niż program "prosument" wskaźnik NPV po trzydziestu latach pracy systemu fotowoltaicznego będzie wyższy. Największą wartość ponad zł osiąga dla przypadku gdy praca pompy ciepła powiązana jest z pracą instalacji fotowoltaicznej. 8. WNIOSKI Współpraca mikroinstalacji fotowoltaicznej i pompy ciepła powoduje zwiększenie udziału energii wykorzystanej na miejscu w stosunku do energii oddanej do sieci elektroenergetycznej. Dla rozpatrywanego budynku zapotrzebowanie na energię elektryczną do ogrzewania wynosi 2185 kwh/rok. W okresie ogrzewczym między 20 października a 15 marca zaproponowany system fotowoltaiczny wyprodukuje 559 kwh energii, z czego 495,6 kwh może zostać wykorzystane do zasilenia pompy ciepła. Stanowi to prawie 23% całkowitego zapotrzebowania na energię do ogrzewania. W przypadku, gdy pompa ciepła nie współpracuje z instalacją fotowoltaiczną i godziny jej działania nie zależą od dostępności promieniowania słonecznego, wtedy 40,6% wyprodukowanej w ciągu całego roku energii zostanie wykorzystane na miejscu przez domowników. Dopasowując pracę pompy ciepła do zysków energetycznych z instalacji fotowoltaicznej zwiększyć można udział energii wykorzystanej na miejscu do 49,8%, czyli 1423 kwh/rok. W kolejnych latach pracy systemu fotowoltaicznego z powodu spadającej sprawności ogniw różnica pomiędzy rozważanymi przypadkami spadnie z 260 kwh/rok do 206 kwh/rok. Stosunek energii wykorzystanej na miejscu do energii oddanej do sieci nie ulegnie jednak zmianie. Koszt budowy instalacji fotowoltaicznej dopasowanej do rozważanego budynku to zł. Jeżeli właściciel systemu fotowoltaicznego skorzysta z możliwości dofinansowania inwestycji przez Bank Ochrony Środowiska (aktualnie program "prosument nie jest dostępny) koszt poniesiony przez niego na budowę instalacji spadnie do zł. Mniejsze jednak będą także zyski finansowe z energii oddanej do sieci. Najkrótszy czas zwrotu systemu fotowoltaicznego to 13,5 lat dla przypadku, gdy właściciel instalacji fotowoltaicznej korzysta z programu "prosument" i steruje działaniem pompy ciepła tak, aby godziny jej pracy pokrywały się z godzinami pracy systemu fotowoltaicznego. Jeżeli domownicy nie ingerują w działanie pompy ciepła czas zwrotu wynosi 15 lat. Podobny czas zwrotu instalacji osiągnąć można korzystając z mechanizmu bilansowania półrocznego energii i ste-

14 rowania pompą ciepła w celu maksymalizacji wykorzystania wyprodukowanej energii. Najdłuższy czas zwrotu to 16 lat w sytuacji, gdy właściciel nie wpływa na pracę pompy ciepła. Z punku widzenia wskaźnika NPV pod koniec czasu życia instalacji (po trzydziestu latach) będzie on najwyższy dla instalacji współpracującej z pompą ciepła i bilansowania oddanej do sieci energii z energią z niej pobraną. W ciągu całego okresu życia instalacji na współpracy instalacji fotowoltaicznej z pompą ciepła zaoszczędzić można około 2300 zł. Stanowi to 11% kosztu budowy instalacji. Chociaż skorzystanie z programu "prosument" skraca czas zwrotu instalacji to jednak po 30 latach jej działania przyniesie mniejsze zyski finansowe. Wskaźnik NPV wyniesie niecałe zł, czyli o ponad 3000 mniej niż w optymalnym rozwiązaniu. LITERATURA [1] Chwieduk B., Chwieduk D.: Performance analysis of a PV driven heat pump system during a heating season in high latitude countries, 12th IEA Heat Pump Conference 2017 [2] Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku, Arkady, Warszawa, [3] Duffie J.A., Beckman W.A.: Solar engineering of thermal processes, John Wiley & Sons, Inc., New York, [4] Pstraś L.: Wysokość taryf skupu energii a rentowność mikroinstalacji PV, Fotowoltaika nr 3/2013. [5] Szymański B.: Małe instalacje fotowoltaiczne, Globenergia, Kraków [6] Cenaprądu.strefa.pl. [7] Enerad.pl. [8] Esupersklep.pl. [9] Fotowoltaika.coral.com.pl. NE_VIESSMANN_dt_vitovolt_typ_typ_p245jb_comma p250jb_comma p255jb_pl. pdf [10] Idmsa.pl. [11] Ministerstwo Infrastruktury i Budownictwa. Wskazniki_emisji_wartosci_opalowe_paliwa.htm

15 [12] Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. [13] Solar-pur.com. A [14] Ustawa o odnawialnych źródłach energii. ENERGETIC AND ECONOMIC ANALYSIS OF COOPERATOIN OF PHOTOVOLTAIC SYSTEM AND HEAT PUMP Key words: renewable energy, photovoltaic, heat pump, economy Summary. The paper presents results of analysis of cooperation of photovoltaic system with a heat pump. Considerations apply to photovoltaic microinstallations dedicated to a single family building. The power of the installation is 2.7 kwp. On a basis of the electricity bills, the need of energy for heating purposes has been determined. The building under consideration is equipped with a heat pump with power of 1.8 kw. COP of the heat pump is about 4.9. To calculate the amount of energy required at the given hour of the year, which is necessary to keep the inside room temperature constant, meteorological data of the average hourly outdoor temperature was used. Using the technical data of the heat pump, the heat pump's operating time was determined. Energy yields from photovoltaic installations was calculated using meteorological data of solar irradiation. The photovoltaic system is composed of photovoltaic modules and an inverter. Calculations were developed for two different cases. In a first case the heat pump works when the outside temperature is low. In a second case, the heat pump operation depends on the operation of the photovoltaic system. Taking into account the current legislation of financial support for the photovoltaic microinstallations, benefits of the photovoltaic solar systems have been calculated. The last chapter presents conclusions of the calculations. Bartosz Chwieduk, doktorant na wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa, Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska, bartosz.chwieduk@itc.pw.edu.pl