Kamil Łapiński Instytut Maszyn Przepływowych Polska Akademia Nauk

Transkrypt

1 Optymalizacja rozwiązań gospodarki ściekowej dla obszarów poza aglomeracjami. Chmielno, stycznia 2016 r. Możliwości pokrycia zapotrzebowania energetycznego obiektów małych oczyszczalni ścieków ze źródeł odnawialnych rozwiązania techniczne i koszty inwestycyjno-operacyjne. Kamil Łapiński Instytut Maszyn Przepływowych Polska Akademia Nauk

2 Seminarium Gdańskiej Fundacji Wody styczeń 2015 Możliwości pokrycia zapotrzebowania energetycznego obiektów małych oczyszczalni ścieków ze źródeł odnawialnych rozwiązania techniczne i koszty inwestycyjno-operacyjne Kamil Łapiński Nasłonecznienie w Polsce, Europie ww.zielinecieplo.eu ww.zielinecieplo.eu Moduły Krzemowe monokrystaliczne polikrystaliczne Fraunhofer.ise Fraunhofer.ise

3 Ogniwa Krzemowe monokrystaliczne polikrystaliczne Solaris18.blogspot.com Solaris18.blogspot.com Etapy produkcji modułów PV Moduł z ogniw krystalicznych Automatyka2b.pl

4 Podział ogniw słonecznych I generacja II generacja Polikrystaliczne GaAs Monokrystaliczne CdTe Amorficzne CIS, CIGS III generacja Barwnikowe Organiczne Polimerowe Rozwój ogniw fotowoltaicznych stan aktualny Ogniwa fotowoltaiczne trzeciej generacji Barwnikowe Organiczne Polimerowe Automatyka2b.pl

5 Ogniwo barwnikowe Podział systemów fotowoltaicznych Podłączone do sieci (on-grid) Mogą, ale nie muszą używać systemów akumulatorów jako zasilania awaryjnego (back-up) Wymagają dodatkowych zabezpieczeń w razie awarii sieci i dostosowania do standardów przesyłu Rozwiązują problem przechowywania energii Odłączone od sieci (off-grid) Wymagają systemu akumulatorów Drogie i mniej efektywne Możliwość wykorzystania urządzeń na prąd stały Systemy hybrydowe Wiatrowe i słoneczne Słoneczne i biomasa Schemat instalacji fotowoltaicznej

6 Instalacje on grid- przykłady Zastosowanie systemów fotowoltaicznych Phys.org Ibsenergia.pl Zastosowania systemów fotowoltaicznych (budynek UM Gdańsk)

7 Zastosowania systemów fotowoltaicznych (CB Jabłonna) Zastosowania systemów fotowoltaicznych (BIPV) Kitlgreen.com Dynamiczny rozwój fotowoltaiki Całkowita moc systemów PV w roku 2011 to około 67,4, a na koniec 2013 było 136,7 GW (1% potrzeb energetycznychświata). Wroku2008byłoto5GW Produkcja światowa : to ponad 30 GW/rocznie (w roku MW) Przeciętny koszt energii: około 0,6 /Wp. w roku 2008 około 2,6 /Wp Przewiduje się, że do roku 2030 systemy PV będą generować około 1,8 TW czyli pokrywać 14% ŚWIATOWEGO ZAPOTRZEBOWNIA NA ENERGIĘ

8 Czym kierować się przy wyborze modułu fotowoltaicznego do mikroinstalacji? 1. Tylko moduły fotowoltaiczne z ramką Moduły pozbawione ramki są tańsze i od dawna bardzo powszechnie stosowane w przypadku modułów cienkowarstwowych, ale coraz częściej spotykane także w przypadku modułów z krzemu krystalicznego. Moduły takie są jednak znacznie trudniejsze w poprawnym montażu i mniej odporne na uszkodzenia mechaniczne. 2. Wybierać moduły niskoprądowe i wysoko napięciowe Kolejnym problemem w przypadku najmniejszych instalacji jest odpowiednia konfiguracja prądowo - napięciowa. W przypadku małych instalacji o mocy kilku kw budowanych w oparciu o najbardziej popularne moduły Wp, często pojawia się problem zbyt niskiego napięcia. Połączone szeregowo łańcuchy takich modułów będą często miały zbyt niskie napięcie do efektywnej pracy falownika.

9 3. Sprawdzić certyfikaty W przypadku modułów z krzemu krystalicznego moduł powinien posiadać PN-EN PN-EN 61215:2005 W przypadku modułów cienkowarstwowych moduł powinien posiadać PN-EN PN-EN 61646: Wybierać moduły odporne na PID Problem PID-u skutkuje początkowo obniżeniem wydajności modułów a utrzymujący się problem będzie prowadził do przyśpieszonej degradacji ogniw i obniżenia uzysku energii. Z tego powodu warto zweryfikować, czy wybrane moduły są przez producenta testowane pod kątem odporności na PID. Takie informacje zawsze można odnaleźć na karcie katalogowej lub stronie internetowej. W przypadku ich braku zazwyczaj oznacza to, że producent nie testował swoich modułów pod kątem tego problemu. 5. Wybierać modułu z warstwą antyrefleksyjną Szyby z powłoką antyrefleksyjną ARC glass pozwalają na zwiększenie wydajności modułu od 3,5% do nawet 5% w stosunku do modułów pokrytych klasyczną szybą hartowaną o obniżonej zawartości żelaza. Z uwagi, że moduły z szybą ARC nie są istotnie droższe od zwykłych warto postawić na ich wybór.

10 6. Nie nabierać się na bardzo długą gwarancję Bardzo często materiały reklamowe posiadają informację o gwarancji modułu fotowoltaicznego na poziomie lat, przy czym dotyczy to gwarancji mocy i w przypadku mikroinstalacji tego typu gwarancja jest równie iluzoryczna jak emerytura w ZUS. Nawet gwarancja na wady ukryte, która często wynosi 10 lat jest trudna do wyegzekwowania w przypadku, gdy producent nie posiada fabryki lub przedstawicielstwa w Europie a moduł był zakupiony poza oficjalną dystrybucją w Polsce. 7. Wybierać moduły o niskim temperaturowym wskaźniku mocy Niski temperaturowy wskaźnik mocy przekłada się na niski spadek wydajności w upalne dni szczególnie jest to istotne w przypadku instalacji na dachowych, które zazwyczaj nie są optymalnie wentylowane. Pod kątem niskiego temperaturowego wskaźnika mocy szczególnie dobrze wypadają moduły cienkowarstwowe. Decydując się na ich wybór warto postawić na moduły typu CIGS zamiast CdTe lub z krzemu amorficznego, których należy wystrzegać się szczególnie. 8. Unikać modułów z krzemu amorficznego Moduły z krzemu amorficznego posiadają jedną zaletę, którą jest niskacenazawatmocy.pozatymposiadająszereg wadtakichjak: niska sprawność przekładająca się na wysokie koszty montażu oraz konieczność posiadania dużej powierzchni montażowej bardzo niski prąd pracy. W przypadku modułów z krzemu amorficznego często będzie zachodzić konieczność wykonania licznych połączeń równoległych, co będzie niosło za sobą konieczność zabezpieczania każdego łańcucha modułów bezpiecznikami lub diodami blokującymi niska wydajność. Moduły z krzemu amorficznego zazwyczaj posiadają niższy uzysk energii z zainstalowanej mocy niż analogiczna instalacja oparta o moduły CIGS lub krzem krystaliczny bardzo często posiadają problem korozji warstwy TCO, przez co wymagają współpracy z falownikami transformatorowymi. moduły te stają się coraz bardziej popularne z uwagi na korzystną cenę jednak z uwagi na wymienione problemy nie są dobrym wyborem w mikroinstalacji.

11 Ustawa OZE podstawowe fakty 1. Instalacje do 10 kw będą objęte taryfami gwarantowanymi w wysokości 0,65 zł/kwhdlainstalacjiomocy3-10kw0,75dlainstalacjiomocydo3kw 2. Taryfy gwarantowane zaczną obowiązywać od 1 lipca 2016 roku 3. Taryfy gwarantowane będą obowiązywać tylko dla nowobudowanych instalacji(nowobudowanychpo 1 lipca 2016 r.) 4. Instalacje od kw zostaną objęte systemem rozliczeń energii wyprodukowanej z instalacji oraz kupionej w bilansach półrocznych tzw. net metering 5. Cena sprzedaży energii z instalacji o mocy od kw ponad półroczny bilans będzie wynosić 100% średniej ceny energii na rynku konkurencyjnym czyli obecnie ok. 0,16 zł/kwh 6. Tzw net meteringiem zostaną objęte nowe jak i istniejące instalacje. 7. Skorzystanie z formy dotacji np. z programu prosumet wyklucza możliwości skorzystania z taryf gwarantowanych 8. Dla mikroinstalacji o mocy do 40 kw nie jest wymagana koncesja niezależnie czy instalacja jest realizowana przez osobę fizyczną czy prawną(firma) 9. Do końca czerwca 2016 roku osoby prawne (firmy) mogą skorzystać z systemu zielonych certyfikatów 10. Jeżeli osoby prawne(firmy) będą chciały po 1 czerwca 2016 wejść w system rozliczenia energii netto w bilansach półrocznych tzw. net metering utracą prawo do zielonych certyfikatów. Analiza dla instalacji PV 3kW Ilość wyprodukowanej energii Instalacja PV o mocy 3kWp jest w stanie wyprodukować od kwh rocznie w zależności od lokalizacji i konfiguracji. Roczny spadek mocy waha się od 0,4-1% Różnice w wyprodukowanej energii rok do roku mogą wahać się o ok. 10% z uwagi na zmienność warunków klimatycznych Analiza dla instalacji PV 3kW Koszty budowy Budowa 3 kwpinstalacji fotowoltaicznej pod klucz to zazwyczaj od 17 do 23 tyś zł. Wielkość instalacji 1kWp 7m2

12 Fakty w energetyce prosumenckiej W przyjętej przez Sejm ustawie o odnawialnych źródłach energii znalazły się m.in. następujące zapisy mające wpływ na wsparcie energetyki prosumenckiej: obowiązek zakupu energii elektrycznej z nowobudowanych instalacji OZE do 10 kw, po stałej taryfie gwarantowanej przez 15 lat, obowiązek zakupu niewykorzystanej energii elektrycznej po cenie wynoszącej 100% średniej ceny sprzedaży energii elektrycznej na rynku konkurencyjnym w poprzednim kwartale, rozliczanie różnic pomiędzy ilością energii elektrycznej pobranej z sieci, a ilością energii wprowadzonej do sieci w okresach półrocznych(net-metering). Farma fotowoltaiczna podstawowe fakty Ilość wyprodukowanej energii Elektrownia PV o mocy 1 MWpjest w stanie wyprodukować od MWhrocznie w zależności od lokalizacji i konfiguracji. Roczny spadek mocy waha się od 0,6-1% rocznie Różnice w wyprodukowanej energii rok do roku mogą wahać się o ok. 10% z uwagi na zmienność warunków klimatycznych

13 Koszty budowy Budowa 1 MWpelektrowni fotowoltaicznej pod klucz to zazwyczaj od mln zł. Dotyczy to typowej elektrowni w dogodnej lokalizacji (brak konieczności wyrównywania terenu, utwardzania dróg dojazdowych itp.) Koszt przyłącza do linii średniego napięcia to ok zł pod warunkiem, że linia średniego napięcia jest zlokalizowana w bezpośrednim sąsiedztwie elektrowni. Inwestor ponosi połowę tych kosztów, drugą połowę pokrywa operator systemu dystrybucyjnego. Przychody ze sprzedaży energii W obecnym systemie wsparcia przychody ze sprzedaży energii składają się z dwóch pozycji Przychodów za sprzedaną energię, której ilość jest mierzona po stronie średniego napięcia (pomniejszona o straty na transformatorze). Cena sprzedaży energii jest ustalona ustawowo i podawana przez Urząd Regulacji Energetyki. W 2014 wynosi 181,55 zł/mwh Przychodów ze sprzedaży zielonych certyfikatów (papierów wartościowych wydawanych dla producentów energii z OZE) ilość energii przeliczana na zielone certyfikaty jest mierzona po stronie niskiego napięcia (bez strat na transformatorze). Zielone certyfikaty notowane są na Towarowej Giełdzie Energii. Średnia cena certyfikatu w II połowie 2014 wynosiła 180 zł/mwh. Maksymalna cena nie może przekroczyć wartości opłaty zastępczej wynoszącej w ,03 zł/ MWh. Historycznie najniższa cena zielonego certyfikatu wynosiła 100,48 zł/ MWh Od przychodów ze sprzedaży energii należy odliczyć koszty bilansowania handlowego zazwyczaj realizowanego przez zakład energetyczny odkupujący energię. Koszty takiego bilansowania wahają się od kilku do kilkunastu procent wartości sprzedawanej energii. Wielkość działki Średnio typowa elektrownia o mocy 1 MWp zajmuje obszar ok 2 ha. Przy czym w zależności od lokalizacji i przyjętych warunków realizacyjnych potrzebna powierzchnia może wahać się od 1,5 ha do 3,5 ha

14 Wymagane pozwolenia Zapis w miejscowym planie zagospodarowania przestrzennego jasno stwierdzający możliwość budowy elektrowni fotowoltaicznej lub w przypadku braku planu warunki zabudowy Warunki przyłączeniowe od lokalnego operatora systemu dystrybucyjnego Decyzja środowiskowa (jeżeli powierzchnia zabudowy przekracza 0,5 ha na terenach chronionych lub 1 ha na pozostałych terenach) zazwyczaj w przypadku elektrowni fotowoltaicznej o mocy 1 MWpnie jest wymagana decyzja środowiskowa jeżeli lokalizacja nie jest na terenie chronionym. Pozwolenie na budowę Koncesja na sprzedaż energii wydawana przez urząd regulacji energetyki Czas realizacji Po wejściu na plac budowy sprawna ekipa na kompletną budowę elektrowni fotowoltaicznej o mocy 1 MWpprzy dobrej pogodzie potrzebuje ok. 1 miesiąc. Projektowanie i symulacje instalacji fotowoltaicznych główne cele Redukcja wkładu pracy we wstępnej fazie projektowania Określenie energii potencjalnie produkowanej przez instalację PV Wykrycie błędnych założeń, błędów w projekcie, minimalizacja kosztów instalacji Sprawdzenie efektów działania wielu wariantów systemów Optymalizacja projektu instalacji: odpowiedni dobór i symulacja działania komponentów systemu Analiza ekonomiczna Określenie możliwości systemu, oszczędności i/lub zysku ze sprzedaży energii

15 Źródła strat w systemie Omowe rezystancja okablowania (wyznaczana na podstawie parametrów przewodów, przekrojów i ich długości; np. 15 m kabla 1,5 mm2 straty 0,6%) Niedopasowanie modułów spowodowane różnymi kształtami ich charakterystyk I-V przy połączeniu szeregowym największe znaczenie ma tolerancja prądu przy połączeniu równoległym decydująca jest różnica napięć w poszczególnych gałęziach Termiczne temperatura pracy modułów zazwyczaj wyższa niż 25 C (STC) Odbiciowe padające promieniowanie ulega częściowemu odbiciu (pomimo stosowania warstw antyodbiciowych) Zanieczyszczenia osadzający się pył i osad na powierzchni modułów, liście, ptaki Farma w Wierzchosławicach

16 Zbyt blisko ustawione rzędy modułów zacieniają się wzajemnie. Nieprawidłowe pionowe ustawienie modułów Mocowanie modułów poprzez nitowanie ramek. Sposób mocowania wynikła z faktu Ŝe zapisana w SWIZ dziwaczna ramka jest na tyle unikalna Ŝe w owym czasie nikt nie produkował systemowych mocowań do niej :). Brak przekładek między połączeniami aluminium a stalą ocynkowaną Falownik z traostacją zlokalizowany w części północnej farmy zamiast centralnie lub od południa gdzie jest przyłącz do sieci SN

17 Odklejająca się folia EVA od ogniw w modułach. Przyłącze zlokalizowane od strony południowej przez co rzuca cień na moduły PV-THERM

18 Schemat instalacji PV-TERM UKŁAD STERUJĄCO ZABEZPIECZAJĄCY PV TERM PANEL PV BOJLER Z GRZAŁKĄ I TERMOSTATEM Analiza dla instalacji PV TERM 2kW InstalacjaPVomocy 2kWpjestwstaniewyprodukowaćod kwh rocznie w zależności od lokalizacji i konfiguracji. Budowa 2 kwp instalacji fotowoltaicznej z systemem zabezpieczająco- sterującym PV-TERM wacha się w granicach od 11do15tyśzł.netto. Instalacja PV-TERM o mocy 2kWp jest przeznaczona do zasobników wodnych o pojemności do 300l Wielkość instalacji 2kWp 14m2 Tabela przedstawia zestawienie rocznych opłat za CWU przy założeniu rodziny 4 osobowej biorąc pod uwagę podgrzewanie wody gazem jak i PV-THERM W tabeli zestawiono roczne koszty podgrzania CWU biorąc pod uwagę Gaz (wzrost kosztów na poziomie 2,25%/rok), oraz PV-THERM przy wykorzystaniu w warunkach braku nasłonecznienia energii elektrycznej z sieci na poziomie 200zł/rok + wzrost cen na poziomie 2,25%/rok. lata suma CWU GAZ PV-THERM ,00 zł 12000,00 zł ,50 zł 200,00 zł ,06 zł 205,00 zł ,71 zł 210,13 zł ,48 zł 215,38 zł ,39 zł 220,76 zł ,48 zł 226,28 zł ,77 zł 231,94 zł ,28 zł 237,74 zł ,07 zł 243,68 zł ,14 zł 249,77 zł ,55 zł 256,02 zł ,31 zł 262,42 zł ,47 zł 268,98 zł ,06 zł 275,70 zł ,11 zł 282,59 zł ,66 zł 289,66 zł ,75 zł 296,90 zł ,42 zł 304,32 zł ,71 zł 311,93 zł ,65 zł 319,73 zł ,29 zł 327,72 zł ,67 zł 335,92 zł ,84 zł 344,31 zł ,83 zł 352,92 zł 58068,20 zł 18469,81 zł

19 Tabela przedstawia sumę rocznych opłat za CWU przy założeniu rodziny 4 osobowej biorąc pod uwagę podgrzewanie wody gazem jak i PV-THERM Tabela obrazuje nam zwrot z inwestycji już w 7 roku użytkowania. A biorąc pod uwagę sytuację z instalacją inwertera i sprzedażą nadwyżki do sieci okres ten będzie oscylować w granicach 6 lat. lata CWU GAZ PV-THERM ,00 zł 12000,00 zł ,50 zł 12200,00 zł ,56 zł 12405,00 zł ,28 zł 12615,13 zł ,76 zł 12830,50 zł ,15 zł 13051,27 zł ,63 zł 13277,55 zł ,40 zł 13509,49 zł ,68 zł 13747,22 zł ,75 zł 13990,90 zł ,89 zł 14240,68 zł ,44 zł 14496,69 zł ,75 zł 14759,11 zł ,22 zł 15028,09 zł ,28 zł 15303,79 zł ,38 zł 15586,39 zł ,04 zł 15876,04 zł ,79 zł 16172,95 zł ,21 zł 16477,27 zł ,92 zł 16789,20 zł ,57 zł 17108,93 zł ,86 zł 17436,65 zł ,53 zł 17772,57 zł ,36 zł 18116,89 zł ,20 zł 18469,81 zł Efekt ekologiczny dla PV-TERM 2kWp Moc PV Produkcja energii [MWh/rok] 2 kw 1,86 Węgiel brunatny Rodzaj paliwa lub nośnika energii zastąpionego przez instalację PV Węgiel kamienny Drewno (biomasa) Olej Gaz ziemny opałowy Ograniczenie emisji [kg/rok] Energia elektryczna wytw. w skojarzeniu Ciepło z elektrociepłowni CO 2 692,57 592,15 34,62 467,48 354,94 576,57 192,19 pyły, 6,16 6,16 4,9 5,64 0,72 8,51 2,84 SO 2, NO 2 Magazyn energii - POWERWALL 10 kwh = 3 3,5 tyś. $

20 Magazyn energii - POWERWALL Mybroadband.co.za Magazyn energii - POWERWALL Sunwindenergy.com Szkolenia Instalatorów PV (akredytacja UDT)

21