FIZYKA BUDOWLI W TEORII I PRAKTYCE TOM VII, Nr

Zużycie energii elektrycznej (kwh) FIZYKA BUDOWLI W TEORII I PRAKTYCE TOM VII, Nr 4-2015 Instytut Fizyki Budowli ANALIZA ENERGETYCZNA I EKONOMICZNA INSTALACJI FOTOWOLTAICZNEJ W WYBRANYM BUDYNKU JEDNORODZINNYM Hanna JĘDRZEJUK, Bartosz CHWIEDUK * Politechnika Warszawska, Instytut Techniki Cieplnej ul. Nowowiejska 21/24, 00-665 Warszawa e-mail: Hanna.Jedrzejuk@itc.pw.edu.pl, Bartosz.Chwieduk@itc.pw.edu.pl Streszczenie: W artykule dokonano analizy energetycznej oraz ekonomicznej dotyczącej zastosowania systemów fotowoltaicznych w budynkach jednorodzinnych. Rozpatrzono systemy zapewniające różny stopień zaspokojenia całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną. W rozważaniach uwzględniono aktualne przepisy dotyczące budowy mikroinstalacji oraz warunki ich podłączania do sieci elektroenergetycznej. Następnie oceniono sześć różnych wariantów systemów fotowoltaicznych na podstawie kryteriów ekonomicznych: kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, a także emisji CO2 (w wyniku produkcji energii elektrycznej z nieodnawialnych źródeł energii). Słowa kluczowe: fotowoltaika, energetyka słoneczna, odnawialne źródła energii, optymalizacja. 1. WSTĘP W dniu 4 maja br. weszła w życie Ustawa o odnawialnych źródłach energii [3], w której zostały sformułowane m.in. zasady i warunki wykonywania działalności w zakresie wytwarzania energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii. Określono w niej również mechanizmy i instrumenty wspierające. Dzięki tej Ustawie odbiorcy końcowi mogą uzyskać znaczące wsparcie, szczególnie w przypadku mikroinstalacji. Stąd też problem właściwego doboru rodzaju, wielkości oraz mocy takiego jest szczególnie aktualny. 2. OKREŚLENIE ZAPOTRZEBOWANIA NA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ W celu prawidłowego doboru pozyskującego energię promieniowania słonecznego niezbędne jest zbilansowanie potrzeb i możliwości. W omawianym przykładzie do analizy wybrano budynek zlokalizowany w miejscowości Wilcza Góra, niedaleko Warszawy. Do budynku dostarczane są wyłącznie: zimna woda - z sieci wodociągowej oraz prąd elektryczny z sieci elektroenergetycznej. Projektowa moc ogrzewania wynosi 1,8 kw, a odniesiona do powierzchni ogrzewanej wynosi 4,68 W m -2. W budynku tym podstawowym źródłem ciepła jest pompa ciepła. Ciepło pozyskiwane jest z pionowego wymiennika ciepła (cztery odwierty o łącznej długości 400 m). W celu obniżenia zapotrzebowania na energię ze źródeł nieodnawialnych do przygotowania c.w.u. oraz ogrzewania zastosowano kolektory słoneczne oraz rekuperator (w systemie wentylacji). Roczne zużycie energii elektrycznej do zaspokojenia wszystkich potrzeb, określone na podstawie rachunków za zużytą energię elektryczną, wynosi rocznie około 7,5 MWh. Na wykresie przedstawiono całkowite zużycie energii elektrycznej w poszczególnych miesiącach (Rys. 1). 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Miesiąc Rys.1. Zużycie energii elektrycznej w budynku. Fig.1. Electricity consumption in the building. 5

Zużycie energii elektrycznej (kwh) Zużycie energii elektrycznej (kwh) Jędrzejuk H., Chwieduk, B. Analiza energetyczna i ekonomiczna instalacji fotowoltaicznej... 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 17 stycznia 16 lutego 16 marca 15 kwietnia 15 maja 11 czerwca 17 lipca 16 sierpnia 15 września 15 października 14 listopada 10 grudnia Godzina Rys.2. Zużycie energii elektrycznej w wybranych dniach roku. Fig.2. Electricity consumption in selected days. 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241 261 281 301 321 341 361 Dzień Rys.3. Zużycie energii elektrycznej w roku. Fig.3. Electricity consumption during the year. Na podstawie specyfikacji około 40 użytkowanych w wybranym budynku urządzeń elektrycznych (np. pompa ciepła, silnik wentylatora, oświetlenie, lodówka, zamrażarka, piekarnik elektryczny, kuchnia, pralka, komputery, ruter, telewizor, żelazko), programów ich użytkowania oraz programu pracy pompy ciepła przygotowano godzinne rozkłady zużycia energii (Rys. 2) oraz opracowano wykres zużycia energii elektrycznej w całym roku (Rys. 3). Zmienność zużycia energii (Rys.3) w dniach od 20 października do 15 kwietnia wynika z pracy pompy ciepła. Czas jej działania i wynikająca z tego ilość zużytej energii zależy od temperatury otoczenia. W pozostałych dniach zużycie energii zależy głównie od czasu działania oświetlenia. Na wykresach 2 oraz 3, w celu poprawy czytelności i podkreślenia dynamiki zmian, wartości godzinne zużycia energii elektrycznej połączono liniami. 3. WARUNKI NASŁONECZNIENIA O możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego do celów energetycznych decydują: napromieniowanie i usłonecznienie w danej lokalizacji. Napromieniowanie jest energią promieniowania słonecznego, jaka dociera do odbiornika o powierzchni 1 m 2 w ciągu określonego czasu (godziny, dnia, miesiąca, roku). Usłonecznienie mierzone w godzinach (h), jest liczbą godzin z bezpośrednio widoczną tarczą słoneczną. Do analizy przyjęto dane meteorologiczne pochodzące ze stacji pogodowej Warszawa Okęcie przygotowane do oceny 6

energetycznej budynków [6]. Usłonecznienie w Warszawie i okolicach wynosi około 1600 h rok -1 (dane wieloletnie: 1971-2000, [5]). Obliczenia dotyczące wartości całkowitej gęstości strumienia energii promieniowania słonecznego na powierzchnię nachyloną do poziomu pod dowolnym kątem wykonano za pomocą modelu izotropowego promieniowania słonecznego Liu - Jordana [1]. Uzyskane wartości (Tab.1) posłużyły do zaprojektowania elementów instalacji. Miesiąc Tabela 1. Porównanie godzinnego napromieniowania i zużycia energii elektrycznej. Table 1. Comparison of hourly radiation and electricity consumption. Godzinne napromieniowanie, Zużycie energii elektrycznej Stosunek zużycia energii elektrycznej do godzinnego napromieniowania [-] [kwh m -2 ] [kwh miesiąc -1 ] [m 2 miesiąc -1 ] 1 38,23 1275 33,35 2 43,50 1072 24,65 3 77,73 877 11,28 4 99,62 673 6,76 5 137,50 384 2,79 6 147,50 299 2,027 (lato: MIN) 7 146,84 298 2,029 8 132,80 302 2,27 9 88,06 331 3,76 10 55,60 427 7,68 11 26,16 616 23,55 12 20,71 1019 49,19 (zima: MAX) 4. WYZNACZENIE WIELKOŚCI NIEZBĘDNYCH DO DOBORU URZĄDZEŃ Na podstawie porównania planowanego zużycia energii elektrycznej oraz godzinnego napromieniowania (Tab.1) można podjąć decyzję, co do warunków wymiarowania. Jeżeli system ma pokrywać całkowicie zapotrzebowanie na energię elektryczną w okresie letnim, to należy uwzględnić warunki panujące w czerwcu. Natomiast, jeżeli instalacja ma zapewniać 100% zapotrzebowania na energię w okresie zimowym, to pod uwagę należy wziąć grudzień. Wielkość instalacji, a więc liczba paneli fotowoltaicznych, zależna jest od zapotrzebowania na energię elektryczną oraz przewidywanego okresu działania. Niemniej jednak istotnym ograniczeniem występującym w przypadku systemów pozyskujących energię promieniowania słonecznego może być dostępność powierzchni do montażu. Wymagane napięcie w instalacji fotowoltaicznej z ogniwami krystalicznego wynosi 24 V, a z ogniwami amorficznymi i tellurku kadmu 60 V. 5. WYBÓR WARIANTÓW SYSTEMÓW FOTOWOLTAICZNYCH 5.1. Rodzaje systemów fotowoltaicznych Można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje systemów fotowoltaicznych: - systemy podłączone do sieci elektroenergetycznej (ongrid), - systemy niepodłączone do sieci elektroenergetycznej (offgrid). W pierwszym przypadku (on-grid) istnieją również dwie możliwości: a) instalacja współpracuje wyłącznie z siecią elektroenergetyczną, a energia elektryczna nie jest zużywana lokalnie - na własne potrzeby, to wówczas składa się wyłącznie z paneli fotowoltaicznych oraz inwertera, b) instalacja wytwarza energię elektryczną nie tylko na potrzeby własne, ale pewna część sprzedawana jest do sieci elektroenergetycznej, to wtedy dodatkowo konieczne jest zainstalowanie takich samych elementów wykorzystywanych, jak w systemie niepodłączonym do sieci, tj. akumulatorów, regulatora ładowania i rozłącznika DC. W przypadku sprzedaży energii elektrycznej konieczne jest zamontowanie dwóch liczników dla energii oddanej i pobranej z sieci [2]. Zadaniem systemów autonomicznych (off-grid), jest wytworzenie energii elektrycznej niezbędnej do pokrycia wszystkich lub wybranych potrzeb. W skład takiej instalacji wchodzą: moduły fotowoltaiczne, inwerter (falownik), rozłącznik DC, regulator ładowania, akumulatory, odbiorniki oraz zapasowe źródło energii. We wszystkich systemach niezbędne są oczywiście przewody łączące poszczególne elementy. 5.2. Określenie wariantów systemów fotowoltaicznych Zgodnie z zapisami Ustawy o odnawialnych źródłach energii [3] mikroinstalacja, jest to instalacja odnawialnego źródła energii o łącznej mocy zainstalowanej elektrycznej nie większej niż 40 kw, przyłączona do sieci elektroenergetycznej o napięciu znamionowym niższym niż 110 kv lub o mocy osiągalnej cieplnej w skojarzeniu nie większej niż 120 kw. W założeniu projektowany system musi spełniać to ograniczenie. Zestawienie podstawowych cech ocenianych wariantów przedstawiono w Tab.2 oraz Tab.3. 7

Jędrzejuk H., Chwieduk, B. Analiza energetyczna i ekonomiczna instalacji fotowoltaicznej... Tabela 2. y fotowoltaicznego. Podstawowe informacje. Table 2. Variants of the photovoltaic system. The characteristics. Obliczenia przeprowadzono w okresie eksploatacji systemów, tj. 30 lat. inwestycyjne zawarto w Tab.4, a koszty wymiany inwerterów i akumulatorów po 15 latach eksploatacji w Tab.5. Moc Akumulatory Moduły fotowoltaiczne Założenia projektowania [-] kwp [-] [-] [-] 48 szt. A 2,7 12V polikrystalicznego 120Ah B 2,4 50 szt. 12V 120Ah C 2,7 brak D 2,4 brak E 8,0 brak F 3,5 brak amorficznego polikrystalicznego amorficznego polikrystalicznego amorficznego Tabela 3. y fotowoltaicznego. Podstawowe elementy. Table 3. Variants of the a photovoltaic system. Main elements. Rodzaje modułów fotowoltaicznych Powierzchnia modułów fotowoltaicznych powierzchnia: 55m 2 powierzchnia: 55m 2 Rodzaj *inwertera/ **inwertera i regulatora ładowania Tabela 4. inwestycyjne. Table 4. Investment costs. inwestycyjne [-] [-] A 67 999 B 136 100 C 21 776 D 18 227 E 53 000 F 23 739 Tab.5. wymiany urządzeń. Table 5. Replacement costs. wymiany urządzeń [-] [zł] A 51 960 B 123 600 C 5 727 D 5 727 E 11 050 F 6 489 W Tab.6 podano bilans energii wytworzonej, spożytkowanej, sprzedanej oraz pobranej z sieci elektroenergetycznej w okresie 30 lat eksploatacji każdego z sześciu systemów. W przypadku energii wytworzonej uwzględniono roczny spadek sprawności ogniw fotowoltaicznych na podstawie danych producentów [7]. Tabela 6. Bilans energii elektrycznej. Table 6. Energy balance. [-] [-] [m 2 ] [-] A Vitovolt200 P245jb 18,00 **3 kw, B SG-HN 100-GG 37,00 **2x1,5 kw C Vitovolt200 P245jb 18,00 3,2 kw D SG-HN 100-GG 37,00 3,2 kw E Vitovolt200 P245jb 55,00 8,2 kw F SG-HN 100-GG 55,00 4,2 kw 6. WYBÓR ROZWIĄZANIA Poszukiwany jest taki system wytwarzania energii elektrycznej, który zapewnia jak najniższe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, a także przyczyni się do redukcji emisji dwutlenku węgla. wytworzona spożytkowana sprzedana pobrana [-] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] A 76 993,0 72 838,7 4 153,9 146 656,5 B 67 299,4 66 572,7 727,3 152 923,5 C 76 992,9 31 139,3 45 853,5 188 356,4 D 67 299,4 29 460,9 37 838,6 190 034,4 E 230 978,3 45 416,5 185 561,9 174 078,5 F 89 548,1 32 642,9 56 905,4 186 852,4 8

Jeżeli przyjąć jednostkową cenę energii elektrycznej odbiorcy końcowego równą 0,60 zł (Mazowsze PGE, [7]), to przy braku systemów fotowoltaicznych koszt energii pobieranej z sieci elektroenergetycznej wyniósłby 116 332,50 zł. Natomiast do atmosfery zostałby wyemitowany dwutlenek węgla w ilości 182,5 10 3 kg CO 2. Do określenia emisji dwutlenku węgla przyjęto, że emisja dwutlenku węgla przypadająca na 1 MWh energii elektrycznej wyprodukowanej w elektrowniach i elektrociepłowniach wynosi 831,50 kg CO 2 [4]. W przypadku konwersji energii promieniowania słonecznego, zgodnie z [3], cena jednostkowa zakupu energii z mikroinstalacji: o mocy do 3 kw włącznie wynosi 0,75 zł za 1 kwh, zaś o mocy od powyżej 3 kw do 10 kw wynosi 0,65 zł za 1 kwh. eksploatacji rozpatrywanego związane są z zakupem energii elektrycznej od dostawcy, kosztami obsługi wynoszącymi 400 zł/rok (w okresie 30 lat: 12 000 zł), ale obniżonymi o zyski ze sprzedaży energii z uwzględnieniem podatku dochodowego od osób fizycznych (5,5%). Emisja dwutlenku węgla wynika wyłącznie z pożytkowania energii elektrycznej pobieranej z sieci elektroenergetycznej od dostawcy, uzyskanej z nieodnawialnych źródeł energii. Wyniki obliczeń zawarto w Tab.7. Tabela 7. Ocena wariantów systemów (trzy kryteria). Table 7. Evaluation of the PV systems (three criteria). inwestycyjne i wymiany eksploatacji Emisja [-] [zł] [zł] [kg CO 2,] A 119 959 97 049,82 121,9 10 3 B 259 700 103 238,63 127,2 10 3 C 27 503 92 515,17 156,6 10 3 D 23 954 99 202,53 158,0 10 3 E 64 050 2 465,70 144,7 10 3 F 30 228 89 157,30 155,4 10 3 B jest gorszy od wariantu A i może zostać wyeliminowany z dalszych rozważań. Wśród pozostałych nie można już znaleźć wariantu lepszego lub gorszego pod względem wszystkich trzech kryteriów (Tab. 7). Przy trzech kryteriach oceny oraz przy braku preferencji, co do sposobu wyboru, można określić rozwiązanie preferowane na przykład metodą funkcji metrycznej, po znormalizowaniu wartości kryteriów (Tab. 8). W celu określenia rozwiązania idealnego określono minima wszystkich kryteriów, a następnie metodą funkcji metrycznej określono odległości poszczególnych rozwiązań od tego punktu. Za rozwiązanie preferowane przyjęto takie, które leży najbliżej punktu idealnego. Tabela 8. Znormalizowana ocena wariantów (trzy kryteria). Table 8. Normalised evaluation of the PV systems (three criteria) inwestycyjne i wymiany eksploatacji, Emisja CO2, Odległość [-] [-] [-] [-] [-] A 1,000 0,978 0,772 1,244 C 0,229 0,933 0,991 0,934 D 0,200 1,000 1,000 1,001 E 0,534 0,025 0,916 Pref: 0,364 F 0,252 0,899 0,984 0,901 ID: MIN: 0,200 0,025 0,772 0,364 Efektywność ekonomiczną można jeszcze ocenić inaczej, np. jako obniżenie kosztów eksploatacyjnych uzyskanych dzięki zainwestowaniu w system fotowoltaiczny w stosunku do rozwiązania konwencjonalnego. eksploatacyjne będą związane z opłatami za pożytkowaną energię elektryczną i kosztami konserwacji. Na tej podstawie można określić prosty czas zwrotu (Tab.9). Oczywiście taka analiza jest bardzo uproszczona. Zakładana jest stałość wszystkich wielkości wpływających na ocenę. Zastrzeżenie dotyczy nie tylko cen i kosztów, ale również efektywności energetycznej zasilanych urządzeń. Tabela 9. Ocena ekonomiczna oraz emisja CO2. Table 9. Economic evaluation and CO2 emission. inwestycyjne i wymiany Zysk Prosty czas zwrotu Emisja CO2, [-] [zł] [zł] [lat] [kg CO 2,] A 119 959 34 647,30 103,87 121,9 10 3 B 259 700 28 459,09 273,76 127,2 10 3 C 27 503 39 182,25 21,06 156,6 10 3 D 23 954 32 494,65 22,12 158,0 10 3 ID: E 64 050 129 231,30 14,87 144,7 10 3 F 30 228 42 539,88 21,32 155,4 10 3 Ponownie wariant B jest gorszy od wariantu A i może zostać wyeliminowany z dalszych rozważań. Rozwiązanie D jest gorsze od rozwiązania C, stąd też nie będzie dalej rozważane. Prosty czas zwrotu wariantów A oraz B jest dłuższy niż czas życia, dlatego również te rozwiązania można wykluczyć. y C i F są gorsze od wariantu E. 9

Jędrzejuk H., Chwieduk, B. Analiza energetyczna i ekonomiczna instalacji fotowoltaicznej... W rezultacie, spośród sześciu analizowanych rozwiązań, po eliminacji, został tylko jeden wariant E, co oznacza, że zbiór kompromisów jest jednoelementowy. Wartości funkcji celu dla tego rozwiązania osiągają swe minima. W tym wypadku rozwiązanie idealne znalazło się w obszarze rozwiązań dopuszczalnych. Podobnie jak poprzednio można wyznaczyć wartości znormalizowane prostego czasu zwrotu oraz emisji dwutlenku węgla, chociaż zbiór kompromisów został zredukowany do jednego elementu (Tab. 10). Tabela 10. Znormalizowana ocena wariantów (dwa kryteria). Table 10. Normalised evaluation of the PV systems (two criteria). ENERGETIC AND ECONOMIC ANALYSIS OF THE PHOTOVOLTAIC SYSTEM IN THE SELECTED SINGLE FAMILY HOUSE Summary: This paper analyses the economic and energy aspects of the application of photovoltaic systems in single-family houses. Considered systems are supposed to cover the total demand for electricity in different level. The discussion concerns the current regulations taking into consideration the construction of micro-installations and their connection to the grid. Then also are evaluated various options for photovoltaic systems based on economic criteria: investment and operating costs as well as CO2 emissions from the production of electricity from non-renewable energy sources. Literatura Prosty czas zwrotu Emisja CO2, Uwagi [-] [lat] [kg CO 2,] ID: E 1 1 Pref 7. PODSUMOWANIE 1. Wobec niepewności danych, rachunek ekonomiczny przeprowadzono bez uwzględnienia zmian cen. 2. inwestycyjne wariantów z akumulacją energii elektrycznej są zdecydowanie wyższe niż systemów bez akumulatorów. 3. System o mocy 2,4 kwp oraz z panelami amorficznego ( D) charakteryzuje się najniższym kosztem inwestycyjnym. 4. Najniższe koszty eksploatacyjne występują w przypadku o mocy 8,0 kwp z modułami polikrystalicznego (wariant E). 5. Najniższą emisję dwutlenku węgla zapewnia system o mocy 2,7 kwp, z akumulatorami oraz modułami polikrystalicznego. 6. Ze względu na trzy kryteria: koszty inwestycyjne, koszty eksploatacyjne oraz emisję dwutlenku węgla, najlepszym rozwiązaniem jest system o mocy 8,0 kwp z modułami polikrystalicznego (wariant E). 7. Ze względu na dwa kryteria: prosty czas zwrotu oraz emisję dwutlenku węgla, najlepszym rozwiązaniem jest system o mocy 8,0 kwp z modułami polikrystalicznego (wariant E). 8. Zaraz po podpisaniu przez Prezydenta RP Ustawy o odnawialnych źródłach energii [3] w Ministerstwie Gospodarki zostały rozpoczęte prace nad jej nowelizacją. Dotyczą one wprowadzenia zmian w części poświęconej opłacie OZE [8]. [1] Duffie J.A., Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes, Wiley 2013 [2] Klugmann-Radziemska E.: Dobór elementów instalacji fotowoltaicznych - instalacje on-grid. Fotowoltaika nr 2/2011, str.18-23 [3] USTAWA z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii, Dz.U. 2015 poz. 478 [4] KOBiZE: KOMUNIKAT dotyczący emisji dwutlenku węgla przypadającej na 1 MWh energii elektrycznej (http://www.kobize.pl/news/326/116/komunikat- dotyczacy-emisji-dwutlenku-wegla-przypadajacej-na-1- MWh-energii-elektrycznej.html) [5] Mapy klimatyczne dla Polski, IMiGW (http://www.imgw.pl/klimat/) [6] Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków (http://www.mir.gov.pl) [7] Informacje o cenach na stronach internetowych, producentów i sprzedawców urządzeń: CenaPrądu, Comsystem s., Czysta Polska, Ekotaniej, Fotoogniwa, Netotech, Selfa GE S.A., Soltec s.c., SunTrack, Viessman [8] Ministerstwo Gospodarki zapowiada nowelizację ustawy o OZE (notatka z dnia 18 marca 2015, GramwZielone.pl - portal zielonej energii) 10