Efektywność instalacji fotowoltaicznej z magazynem energii - weryfikacja na podstawie badań instalacji laboratoryjnej

Dr inż. Adam Mroziński www.amrozinski.utp.edu.pl e-mail: adammroz@utp.edu.pl www.oze.utp.edu.pl

Zadaniem Interdyscyplinarnego Centrum Odnawialnych Źródeł Energii jest inicjowanie, organizowanie i koordynowanie różnorakich form aktywności naukowo-badawczej, rozwojowej, wdrożeniowej, dydaktycznej i usługowej w zakresie odnawialnych źródeł energii. Do szczegółowych zadań ICOŹE należy przede wszystkim: Integracja i stymulacja działań z zakresu odnawialnych źródeł energii prowadzonych przez podstawowe jednostki UTP Reprezentowanie UTP w zewnętrznych krajowych i międzynarodowych środowiskach związanych z działalnością na rzecz odnawialnych źródeł energii Nawiązywanie współpracy z krajowymi i zagranicznymi ośrodkami naukowo-badawczymi i dydaktycznymi z zakresu odnawialnych źródeł energii Inicjowanie, pozyskiwanie i realizacja krajowych i międzynarodowych interdyscyplinarnych projektów badawczych, rozwojowych i wdrożeniowych z zakresu odnawialnych źródeł energii, finansowanych ze środków budżetowych i pozabudżetowych, w tym ze środków Unii Europejskiej Pozyskiwanie i realizacja prac usługowych z zakresu odnawialnych źródeł energii Inicjowanie i realizacja interdyscyplinarnych form dydaktycznych z zakresu odnawialnych źródeł energii Inicjowanie i prowadzenie szkoleń i kursów z zakresu odnawialnych źródeł energii

Mimo włączenia do systemu ponad 1 GW nowych farm wiatrowych w 2016 r., Polska oddala się od spełnienia celu udziału produkcji energii z OZE w 2020 r. zamiast do niego przybliżać. Widoczny w styczniu spadek produkcji energii z wiatru dowodzi, że nasz kraj nie mając dobrze zdywersyfikowanego portfela OZE i opierając się w tak znacznym stopniu na wietrze, naraża się na bardzo duże wahania poziomu produkcji zielonej energii.

Cel magazynowania energii elektrycznej: poprawa efektywności wytwarzania energii; lepsza sprawność zarządzania systemami produkcji i przesyłu; poprawa jakości energii; lepsze wykorzystanie odnawialnych źródeł energii

w postaci sprężonego powietrza - duże elektrownie z turbinami gazowymi korzystają ze sprężonego powietrza jako sposobu na magazynowanie energii W tzw. nocnej dolinie, tj. w ciągu nocy, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest najniższe, generator turbozespołu gazowego pobiera z sieci energię elektryczną i produkuje sprężone powietrze. W dzień to sprężone powietrze jest wykorzystywane w produkcji energii elektrycznej. Rozwiązanie raczej nie do zastosowania w przypadku mikroinstalacji. przez podnoszenie wody tu sprawa jest podobna: istnieją elektrownie szczytowo-pompowe, wyposażone w tzw. pompoturbiny, które nocą pompują wodę do wyżej położonego zbiornika. W okresie nagłego wzrostu zapotrzebowania woda jest z niego spuszczana, służąc do produkcji prądu. To rozwiązanie również jest mało prawdopodobne w przypadku instalacji prosumenckich. koła zamachowe - na krótką metę można magazynować energię w postaci energii kinetycznej wirującego koła zamachowego. Stosowane są one często w silnikach spalinowych (o mniejszej niż 6 liczbie cylindrów) do wyrównywania ich pracy, można je znaleźć w samochodach hybrydowych. Wodór - jednym ze sposobów produkcji wodoru jest elektroliza, a paliwo to nadawałoby się do spalania w zwykłym silniku spalinowym, gdyby pominąć fakt, że jego liczba metanowa (odpowiednik liczby oktanowej, stosowany w paliwach gazowych) jest bardzo niska. Wodór taki można byłoby więc produkować, gdy energii jest dużo, a zużywać go samodzielnie lub w połączeniu np. z gazem drzewnym do zasilania agregatu prądotwórczego. Krótki przegląd dostępnych obecnie technologii magazynowania energii dowodzi jasno, iż dla prosumentów drogi są obecnie tylko dwie: net-metering i akumulatory. Biorąc pod uwagę fakt, iż net-metering wiąże się z zależnością od zarządzających siecią energoelektryczną, a więc od dużych koncernów, rozwój przydomowych magazynów energii w postaci akumulatorów/baterii jest najbardziej obiecującą drogą rozwoju tego rynku.

W Ustawie o odnawialnych źródłach energii (OZE), znalazł się zapis dający możliwość rozliczenia energii wyprodukowanej i skonsumowanej przez prosumentów (czyli gospodarstwa domowe i firmy produkujące energię w mikroinstalacjach OZE). Ustawa oprócz gwarantowanych cen (tzw. taryf gwarantowanych - które będą obowiązywać od 1 lipca 2016 r.?????) odkupu energii przez 15 lat, wprowadza również nieznane wcześniej określenie tzw. net-meteringu.

Podstawowa zasada działania net meteringu jest prosta producent (właściciel źródła) ma na dachu swojego domu elektrownię fotowoltaiczną i jednocześnie jest podłączony do sieci elektroenergetycznej. Korzysta z obu źródeł jednocześnie, a wiec gdy świeci słońce korzysta z własnej elektrowni, a jeżeli potrzebuje więcej prądu lub gdy jest noc, pobiera prąd z sieci. Rachunek za prąd, który płaci producent jest obliczany jako różnica miedzy produkcją, a zużyciem w danym okresie. Zgodnie z ustawą o OZE, nazwa net metering oznacza pomiar netto lub ilość czystego zużycia, a nie pomiar sieci, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Można się tez spotkać z innym, trafniejszym określeniem net billing czyli rozlicznie netto.

Zakładając, że nasze gospodarstwo domowe zużywa 500 kwh na 2 miesiące, czyli ok. 3000 kwh/rok. Przekładając to na liczby, są to rachunki na poziomie 300-350 zł. a) Bilans zerowy następuje, gdy instalacja PV produkuje 3000kWh/ rok, czyli tyle ile zużywamy. Na bieżąco zużywamy energię, a kiedy jej nie potrzebujemy oddajemy do sieci. Możemy skorzystać z niej w dowolnym czasie płacąc tylko za koszty przyłączenia do sieci oraz koszty związane z przesyłem energii, którą pobieramy z sieci. b) Zbyt mała produkcja energii występuje w przypadku, gdy instalacja PV produkuje np. 2000 kwh, czyli o 1000 kwh mniej niż zużywamy. Wygląda to następująco: zużywamy na bieżąco energię, a nadwyżki oddajemy do sieci, na liczniku będzie wskazana ilość energii oddanej. Następnie, gdy nasza instalacja nie produkuje energii - pobieramy ją z sieci. Gdy licznik pobierania przekroczy liczbę wskazaną przez licznik oddania energii do sieci, wtedy płacimy sieci różnicę energii pobranej (w tym przypadku za 1000 kwh energii). c) Nadwyżka energii - występuje w przypadku, gdy instalacja PV produkuje np. 4000 kwh, czyli o 1000 kwh więcej niż zużywamy. Wygląda to następująco: zużywamy na bieżąco energię, a nadwyżki (1000 kwh) oddajemy do sieci, na liczniku będzie wskazana ilość energii oddanej. W ogólnym rozliczeniu półrocznym, zapłacimy tylko za przesył energii pobranej z zakładu elektroenergetycznego.

Do podstawowych zalet net meteringu zaliczamy więc: Obniżenie rachunków za energie elektryczną na poziomie gospodarstw domowych i firm Wspieranie i zachęcanie do nabywania odnawialnych źródeł energii w tym instalacji fotowoltaicznych Dłuższy czas korzystania z energii wytworzonej przez własną mini elektrownie, bez konieczności własnej akumulacji Niewielkie wymagania administracyjne Obniżanie kosztów zakupu własnego źródła energii.

Dalszy rozwój energetyki jest uzależniony od nowych technologii w zakresie magazynowania energii. Konieczne jest opracowanie nowych metod magazynowania energii. Do tej pory sieci elektroenergetyczne nie pozwalały na efektywną integrację nowych źródeł energii, ponieważ elektrownie wiatrowe i słoneczne nie były w stanie w pełni zaspokoić popytu na energię w każdym momencie. W układach przydomowych niezbędne są efektywne i skalowalne systemy magazynowania energii, zapewniające energię elektryczną wtedy, gdy jest ona najbardziej potrzebna.

Profil zużycia energii w typowym domu - pomimo instalacji fotowoltaicznych dalej ok. 64% zużycia jest pobierane z sieci, głównie szczyt wieczorny i poranny

Magazynowanie energii elektrycznej Spadek średniej ceny ogniw Li-ion w USA Zdolność gromadzenia energii wybranych technologii baterii Magazyny - tak, ale jakie? Jest co najmniej kilka sposobów magazynowania energii, ale ze względu na koszty i komplikacje techniczne, nie wszystkie one są dostępne każdemu prosumentowi. Warto jednak je poznać, bowiem rozwój technologiczny w tej mierze już nawet nie postępuje, ale pędzi tak szybko, iż rzeczywiście w ciągu najbliższych lat, jak to wieszczą eksperci, wszystko właściwie jest możliwe.

Nakłady inwestycyjne i koszty operacyjne magazynowania energii (Źródło: Pearl Street Inc.) ASS - akumulatory siarczkowo sodowe, CAES - magazynowanie z wykorzystaniem sprężonego powietrza

Podział technologii ze względu na parametry

Technologie magazynowania energii (Źródło: Pearl Street Inc.) Czas rozładowania vs. moc zainstalowana (Źródło: Pearl Street Inc.), SMES - nadprzewodnikowy zasobnik energii, CAES - magazynowanie z wykorzystaniem sprężonego powietrza, ASS - akumulatory siarczkowo sodowe Klasyfikacja technologii magazynowania (Źródło: www.electricitystorage. org) Sprawność magazynowania w funkcji liczby cykli rozładowania (Źródło: Pearl Street Inc.), SMES - nadprzewodnikowy zasobnik energii, CAES - magazynowanie z wykorzystaniem sprężonego powietrza, ASS - akumulatory siarczkowo sodowe

IBC MonoSol 280 ZX IBC AeroFix

Fronius Symo Hybrid 5.0-3-S S24, Fronius Smart Meter oraz Fronius Solar Battery

Opis falownika Fronius Symo Hybrid 5.0-3-S Urządzenie może być wykorzystywane jako podstawowy inwerter lub w pełnej wersji, wyposażonej dodatkowo o baterię Zestaw inwerter + bateria umożliwia magazynowanie energii, co sprawia, że stajemy się energetycznie niezależni Falowniki są optymalnie wyposażone, aby spełnić wymagania techniczne sieci w przyszłości System jest łatwy do podłączenia z komponentów od dostawców zewnętrznych falowników Fronius Standardowy interfejs do Internetu przez WLAN lub Ethernet i łatwość integracji komponentów firm trzecich sprawiają, że Fronius Symo Hybrid jest jedną z najbardziej komunikatywnych przetwornic na rynku Inwerter Fronius Symo Hybrid posiada wbudowany system kontroli ładowania akumulatorów, współpracuje z baterią o pojemności 4,5-12 kwh. Przy prawidłowo dobranym rozmiarze generatora fotowoltaicznego można uzyskać pełną niezależność energetyczną budynku 1-rodzinnego.System wzbogacony dodatkowo o baterię pozawala na pracę bez zasilania z zewnątrz przez 24h/dobę. Inwestycję możemy realizować etapami. Oznacza to, że falownik może pracować bez wcześniejszego podłączenia baterii. Baterię można podłączyć w późniejszym okresie. Instalację możemy zacząć od baterii o najniższej pojemności, która będzie stopniowo powiększana przez dołożenie kaset.

Zakres pojemności baterii akumulatorów wynosi od 4,5 do 12kWh. Przy prawidłowo dobranym rozmiarze generatora fotowoltaicznego można uzyskać pełną niezależność energetyczną budynku 1- rodzinnego. Statystycznie jedna osoba w gospodarstwie domowym zużywa 2kWh energii na dobę. Bateria akumulatorów pozwala na pracę bez zasilania z zewnątrz przez 24 godziny/dobę. Inwestycję można realizować etapami. Falownik Symo Hybrid pracuje prawidłowo bez podłączonej baterii akumulatorów. Baterię można podłączyć w późniejszym okresie. Może to być bateria np. 4,5kWh, która będzie stopniowo powiększana przez dołożenie kaset.

Przepływy energii w elektrowni z falownikiem hybrydowym (1) Moduły PV -> Falownik -> Sieć nn. (2) Moduły PV -> Falownik -> Bateria akumulatorów. (3) Bateria akumulatorów -> Falownik -> Sieć nn. (4) Sieć nn -> Falownik -> Bateria akumulatorów.

Falownik Fronius Symo Hybrid posiada wbudowany kontroler ładowania akumulatorów, współpracuje z baterią o pojemności od 4,5 do 12kWh. W razie zaniku napięcia w sieci odbiorniki domowe zostaną automatycznie zasilone z baterii akumulatorów. Tryb wyspowy można załączyć ręcznie. Czas pracy na akumulatorach zależy od mocy podłączonych odbiorników i pojemności baterii akumulatorów.

Jeżeli falownik(i) generuje więcej energii niż zaprogramowana przez użytkownika wartość, nadmiarowa energia kierowana jest na potrzeby własne. Kierunek przepływu mocy i wartość kontroluje inteligentny licznik energii Fronius Smart Meter. Fronius Smart Meter to dwukierunkowy licznik służący do optymalizacji zużycia własnego i rejestracji krzywej obciążenia gospodarstwa domowego. W połączeniu z portalem online Fronius Solar.web Fronius Smart Meter umożliwia przejrzystą prezentację własnego zużycia energii elektrycznej.

Fronius Solar.web App Przejrzysta prezentacja bieżących wartości i krzywej produkcji Dane archiwalne z ostatnich 5 dni Intuicyjna, prosta obsługa Wyświetlanie sumarycznych wartości systemu PV Profesjonalna wizualizacja danych wraz z możliwością porównanie kilku systemów PV Przejrzysta prezentacja wartości bieżących i archiwalnych Dodatkowe informacje o systemie PV Kompleksowa analiza zużycia energii na potrzeby własne (bilans energetyczny) Wizualizacja i analiza systemów magazynowania energii

Instalacja fotowoltaiczna na WIM UTP w Bydgoszczy: a, d- moduły PV polikrystaliczne, b- system pomiarowy, c- bank akumulatorów

Działanie zintegrowanego systemu fotowoltaicznego 3w1 - PR30SB-BS/S24 a) wytworzona w modułach PV energia elektryczna jest dostarczana do PowerRouter'a, b) w razie potrzeby zasilania dowolnego odbiornika domowego, energia pobierana jest z PowerRouter'a, c) niewykorzystana energia elektryczna zostaje zgromadzona w systemie baterii akumulatorów, d) w przypadku zapotrzebowania na energię i braku słońca system wykorzystuje energię z baterii akumulatorów, e) w przypadku powstania nadwyżki energii, której nie można wykorzystać ani zakumulować oddaje się ją do sieci (jeśli system oczywiście jest podłączony do sieci), f) za pomocą portalu internetowego www.mypowerrouter.com w każdej chwili można monitorować i zarządzać produkcją i zużyciem energii

Przykładowe wyniki pomiarów parametrów pracy instalacji via mypowerrouter.com Wykorzystany w instalacji Solar-Log300 oraz przykładowe wyniki pomiarów

Analizowana instalacja fotowoltaiczna została wyposażona w system monitoringu Solar-Log TM. System ten umożliwia monitorowanie: aktualnej produkcji energii i prędkość wiatru, temperatury zewnętrznej otoczenia i temperatury modułów, napromieniowania słonecznego, zużytej energii spoza systemu z własnej produkcji, wzrostu wydajności skumulowanej oraz zaplanowanej, energii oddawanej przez instalacje po stronie AC inwertera, produkcji energii dla wybranego okresu, maks. wydajności i zaplanowanej produkcji w wybranym okresie, stosunku zaplanowanej produkcji do faktycznej, parametrów na zdalnym komputerze oraz urządzeniach mobilnych, monitorowanie stringów modułów PV.

Na rynku instalacji PV z pewnością zaczyna zauważać się zjawisko powstawania instalacji dedykowanych dla osób, które chcą w całości lub w znacznej mierze zużywać energię produkowaną przez instalacje fotowoltaiczne na własne potrzeby. Do tej pory tego typu instalacje były skomplikowane i wymagały kilku urządzeń, a także bardzo często nie mogły być przyłączone do sieci lokalnego operatora elektroenergetycznego, a co za tym idzie wymagały dedykowanego obwodu, który miały zasilać. Drugą wadą była żywotność akumulatorów, która w zależności od wybranej technologii gwarantowała pracę akumulatorów jedynie od 3 do 7 lat. Trzecim problemem była spadająca pojemność akumulatorów oraz konieczność utrzymania ich stanu naładowania na odpowiednim poziomie. Wszystkie powyższe problemy rozwiązują systemy których przykład stanowi przedstawiony w niniejszej prezentacji Instalacja gromadzi nadwyżki energii elektrycznej, która jest produkowana przez instalacje fotowoltaiczną. Zgromadzone nadwyżki są wykorzystywane w momencie, kiedy wzrasta pobór energii, lub kiedy instalacja fotowoltaiczna nie produkuje energii elektrycznej. W przypadku, kiedy wystąpi awaria sieci elektroenergetycznej, sieć domowa zostaje odłączona poprzez urządzenie Fronius Smart Meter. Dzięki takiemu rozwiązaniu, jeżeli posiadamy naładowaną baterię lub instalacja fotowoltaiczna pracuje, dom może być dalej zasilany przez energię elektryczną. W przypadku instalacji hybrydowej, całą energię, którą wyprodukujemy - zużyjemy. Mimo wyższych nakładów inwestycyjnych niż przy instalacji On Grid, zwrot poniesionych kosztów może być zdecydowanie krótszy, dzięki wykorzystywaniu 100% produkowanej energii na swoje potrzeby. Dla Użytkownika takiej instalacji oznacza to, że rachunki za energię elektryczną będą bliskie zeru. Takie rozwiązanie uniezależnia od dostawcy energii elektrycznej oraz daje gwarancję, że nawet w przypadku awarii sieci nasz dom będzie zasilany.

Stawce przewodzą dziś akumulatory litowo-jonowe, ogniwa oparte o prosty i wydajny mechanizm elektrochemiczny. Nie trzeba ich rozładowywać do końca, co było wadą poprzedniej generacji akumulatorów niklowych, dobrze znoszą szybkie ładowanie, są chwilowo bezkonkurencyjne jeśli chodzi o gęstość gromadzonej energii (2,5-5 razy więcej na jednostkę masy niż akumulator kwasowo-ołowiowy) i wykazują jeszcze pewien potencjał rozwojowy. SMA i Fronius, podały, że wprowadzają na rynek nowe inwertery, które mogą współpracować z Powerwall i innymi magazynami energii pracującymi na wysokim napięciu. W przeciwieństwie do większości domowych magazynów energii, które zaczynają pojawiać się na rynku, Powerwall nie ma wmontowanego inwertera DC-AC. Dla odbiorców końcowych wykorzystanie magazynu energii oznacza większą niezależność od zakładów energetycznych. W ciągu ostatniego roku łączna liczba domowych magazynów energii w Niemczech podwoiła się do około 30 tys. To zasługa spadku cen. SMA zapewnia, że inwestycja w Powerwall Tesli i jego nowy inwerter daje możliwość magazynowania energii po kosztach podobnych do tych, które ponoszą niemieckie gospodarstwa domowe w przypadku zakupu energii z sieci. SMA i Fronius zapewniają ponadto, że ich nowe inwertery można zastosować wraz z domowym magazynem energii w już istniejących instalacjach fotowoltaicznych. SMA szacuje wartość globalnego rynku magazynowania energii w średnim okresie na około 0,5 mld euro 1,2 mld euro. Koszt magazynu Powerwall 7 kwh to 3 tysiące dolarów, czyli 429 USD/kWh, natomiast koszt wersji 10 kwh to 3,5 tysiąca dolarów, czyli 350 USD/kWh. Szacuje się, że baterie te pozwolą na magazynowanie energii tańsze od obecnych rozwiązań nawet o ok. 60%.

PODSUMOWANIE Zgodnie z wymaganiami stawianymi przez Unię Europejską w najbliższych latach będziemy świadkami wzrostu udziału produkcji energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii. Może się okazać, że nawet kilkuprocentowy udział OZE w produkcji energii elektrycznej spowoduje problemy z bilansowaniem energii w sieciach lokalnych albo nawet w całym systemie elektroenergetycznym. Rozwiązaniem tych problemów może być magazynowanie energii nawet jeżeli na obecną chwilę są to rozwiązania kosztowne.

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ