Fotowoltaika z magazynem energii cz. 3 – raport po roku użytkowania

Od roku eksploatuję niekonwencjonalną jak na polskie warunki instalację fotowoltaiczną:  niepodłączoną do sieci (off-grid), za to wyposażoną w magazyn energii. Działa i opłaca się – choć oczywiście nie tak bardzo, jak fotowoltaika on-grid z dotacją Mój prąd i korzystnym systemem rozliczania energii oddanej do sieci. Jednak w połączeniu z taryfą G12w udało się już obniżyć rachunki za prąd o 60% – i nie jest to szczyt możliwości a raczej pierwsze koty za płoty.

Kto nie w temacie:

Dlaczego tak

Dlaczego jak normalny człowiek nie uruchomiłem konwencjonalnej instalacji fotowoltaicznej przyłączonej do sieci?

  • Na początku nie byłem wcale pewien, że chcę się pakować w pełnowymiarową instalację PV. Zacząłem od zabawki. Był to czas, gdy nie było programu Mój prąd, więc opłacalność instalacji on-grid jeszcze nie wyglądała tak ładnie jak obecnie.
  • Domowa sieć elektryczna wymagała znacznej modernizacji zanim dałoby się podłączyć instalację PV on-grid – a z off-grid mogłem wystartować natychmiast.

Teraz mógłbym dorobić do tego jeszcze inną ideologię: oto postanowiłem wyprzedzić swoje czasy budując taką instalację fotowoltaiczną, jaka będzie standardem za 5-10 lat: zorientowaną na maksymalne wykorzystanie produkowanego prądu na miejscu, dzięki współpracy z magazynem energii.

Zasilanie domu w większości prądem produkowanym na miejscu jest pod wieloma względami racjonalne:

  • zmniejsza się zużycie prądu sieciowego, który obecnie w Polsce jest w 85% oparty na spalaniu węgla, na rzecz w pełni odnawialnej energii [on-grid robi to samo],
  • prąd wytworzony i zużyty na miejscu nie obciąża w ogóle sieci przesyłowych [on-grid odwrotnie: dociąża sieci dodatkowym przesyłem],
  • gdy znika prąd sieciowy przez awarię lub remont – dom nadal ma zasilanie [on-grid wtedy wyłącza się i prądu niet].

Dlatego kraje, w których fotowoltaika ma dłuższą historię (patrz: za Odrą), dawno już wymagają instalowania w domach magazynów energii. Do sieci oddaje się tylko nadwyżki prądu, co zresztą jest ledwo opłacalne.

W Polsce póki co jest na odwrót: magazyny energii pozostają egzotyką, gdyż jesteśmy na początku fotowoltaicznej drogi i obowiązują u nas bardzo korzystne zasady rozliczania nadprodukcji prądu wysyłanej do sieci – w efekcie czego opłaca się wypychać ~70% prądu do sieci czyli w tzw. wirtualny magazyn (bez choćby symbolicznego magazynu energii tylko ~30% da się zużyć natychmiast). Rząd wprowadził tak korzystne zasady oraz program Mój prąd, aby szybko nadgonić wieloletnie zapóźnienia: przyłączyć jak najwięcej prosumentów, podbić udział OZE w energetyce i tym samym udobruchać nieco Brukselę, skąd już groźne pomruki zaczynały dobiegać, bo mocno odstawaliśmy od planów w tej materii.

Choć teoretycznie obecny system rozliczeń ma działać jeszcze 15 lat – to jednak jest to wyłącznie zapis ustawowy, który w razie potrzeby może zostać zmieniony z miesiąca na miesiąc znacznie wcześniej. Poniższy artykuł z wiosny 2020 był próbą prognozy, jak to będzie. Spełnia się znacznie szybciej niż sądziłem. Już parę miesięcy później pojawiły się głosy z energetyki, że od nadmiaru PV druty ich zaczynają boleć.

Przyszłość domowej fotowoltaiki w Polsce

Dzień z życia instalacji PV off-grid

Logika działania klasycznej instalacji on-grid jest prosta do bólu: cały czas klepać kilowatogodziny na pełny regulator. Mając niemalże nieograniczony "magazyn prądu" w postaci sieci energetycznej można sobie na to pozwolić.

W instalacji off-grid potrzebna jest finezja. Trzeba sterować wieloma rzeczami naraz:

  • ładowaniem akumulatora z fotowoltaiki i/lub z sieci,
  • wyborem aktualnie używanego źródła prądu,
  • załączaniem grzałki w bojlerze gdy akumulator pełny a słońca jest dostatek.

W optymalizacji pracy takiego systemu pomocne są zarówno historyczne dane o zużyciu prądu jak i prognozy nasłonecznienia. Na szczęście poza Polską są dostępne takie usługi online. I to nawet za darmo.

Całość z grubsza działa tak:

  • O 5.00 sprawdzana jest prognoza nasłonecznienia na dziś. Jeśli nie zapowiada się dość słońca w godzinach 6-13 ani nie ma wystarczającego zapasu energii w akumulatorze, to akumulator zostanie doładowany tanim prądem sieciowym – w takiej ilości, aby udało się dojechać do godziny 13.00; więcej nie ma sensu.
  • Między 6.00 a 13.00 (drogi prąd) fotowoltaika zasila budynek prądem ze słońca a nadmiar energii ładuje akumulatory. Chyba że żadnego nadmiaru nie ma albo nawet brakuje – wtedy konsumowana jest zawartość akumulatorów.
  • W słoneczny dzień między kwietniem a wrześniem akumulatory są pełne najdalej około 12.00. Po naładowaniu akumulatorów, jeśli nadmiar słońca na to pozwala, odpalana jest grzałka dla dogrzania wody w bojlerze.
  • O 13.00 ponownie sprawdzana jest prognoza nasłonecznienia. Podobnie jak rano, jeśli zapowiada się niedostatek energii ze słońca w godzinach 15-22, akumulatory zostaną uzupełnione o potrzebny zapas.
  • Po zmroku dom jest zasilany z akumulatorów do godz. 22 czyli do końca godzin szczytowych taryfy G12w. Potem sprawdzana jest prognoza nasłonecznienia na jutro. Jeśli zapowiada się dość słońca – po 22. również będzie wykorzystywany prąd z akumulatorów. Ale gdyby słońca miało brakować a akumulatory nie są nazbyt pełne – konsumujemy tani prąd sieciowy a akumulatory oszczędzamy na jutrzejszy poranny szczyt.

Za sterowanie całością odpowiada aplikacja własnej roboty zainstalowana na Raspberry Pi. Inwerter nie ma żadnych funkcji zdalnego sterowania i monitoringu – ale ma złącze USB, w które można wpiąć m.in. Raspberry Pi i za pomocą oprogramowania wydobywać różne informacje oraz sterować pracą.

SolCast.com.au – australijski portal z prognozami nasłonecznienia dostępnymi na stronie i poprzez API. Jest darmowy pakiet dla posiadaczy własnych małych instalacji.

Rok z życia instalacji PV off-grid

W minionym roku moja instalacja PV off-grid miała następujące osiągi:

  • Pokryła ~50% całego rocznego zapotrzebowania na prąd
  • Udział zużycia prądu sieciowego w godzinach szczytu spadł z prawie 40% do 15%
  • Średni miesięczny rachunek był niższy o 60% niż gdyby nie było instalacji PV.

To się nawet pokrywa z moimi prognozami z wiosny. Te wyniki wciąż można mocno poprawić – choćby dlatego, że nadal nie wszystkie domowe sprzęty mam zasilane poprzez inwerter.

Patrząc na wolne moce przerobowe szacuję, że docelowo, po podpięciu całej jednofazowej instalacji elektrycznej pod inwerter, zużycie roczne prądu spadnie o ~70% a rachunki – o ~80%.

Przez większość roku prądu jest aż nadto, ale nie zawsze:

  • Przez pół roku – od kwietnia do września – instalacja off-grid jest w stanie obyć się w 100% bez prądu sieciowego przez 24 godziny, o ile nie występują dni totalnie bezsłoneczne. Nie tylko pokrywa domowe zużycie prądu, ale jeszcze potrafi porządnie dogrzać wodę kranową.
  • Październik, listopad, luty, marzec – tu już na pełne dogrzanie wody kranowej nie wystarcza, ale jeszcze da się pokryć całe lub prawie całe pozostałe domowe zużycie prądu.
  • Grudzień i styczeń – tutaj prądu ze słońca praktycznie brak, bo i słońca prawie nie ma, o ile nie trafi się szczególnie słoneczna zima. Wciąż jednak można wykorzystać magazyn energii: ładować go tanim prądem, by potem zasilać się w godzinach szczytu i tym sposobem zaoszczędzić co najmniej kilkanaście groszy z każdej kWh.

Porównanie zużycia prądu 2020 vs 2019. Pełnowymiarowa instalacja PV wystartowała 19. września 2019. Drugi rok jej działania zapowiada się jeszcze lepiej niż pierwszy. W październiku 2020 (pierwszy pełny miesiąc który mogę porównać do roku poprzedniego) zużycie prądu było o 40% niższe niż w październiku 2019. Może to być zasługa zarówno rozbudowy instalacji PV dokonanej w maju 2020 (czego efektu nie widać w maju, za to pojawia się teraz, gdy słońca jest coraz mniej) jak i coraz lepszego sterowania ładowaniem i rozładowaniem magazynu energii – gdzie rok temu początkowo to inwerter rządził się w tej kwestii swoimi dość prymitywnymi prawami.

Koszty

Cała instalacja kosztowała do tej pory max. 24 tys. zł (realnie ok. 20 tys. zł dzięki uldze termomodernizacyjnej) licząc co do jednej śrubki, gdzie główne koszty to:

  • panele PV 5kWp – 9000zł
  • inwerter 5kW – 4000zł
  • magazyn energii 6kWh – 9500zł

Gdybym z obecną wiedzą podchodził do tego tematu raz jeszcze, mógłbym sporo przyoszczędzić, m.in. ok. 3000zł na panelach PV, od razu kupując odpowiednią ilość jednego rodzaju.

Jednak nawet gdyby wydatki zoptymalizować, okres zwrotu tej inwestycji to ok. 10 lat. Klasyczna instalacja on-grid z dotacją Mój prąd zwróciłaby się w 6-7 lat. Może i dramatu nie ma, w zamian są pewne korzyści, ale czysto pieniężnie patrząc – dopóki warunki rozliczenia z elektrownią się nie pogorszą – instalowanie magazynu energii słabo się opłaca.

Zmiany po zimie

Początkowo moc paneli wynosiła 3,5kW a magazyn energii miał pojemność 3kWh (przy dobowym zużyciu prądu rzędu ~9kWh).

Nawet tak niewielka pojemność magazynu energii pozwalała zazwyczaj na przetrwanie szczytu taryfowego. Braki zdarzały się zimą, gdy po 15. było już ciemno. Jednak inne ograniczenie okazało się dotkliwsze: jeden moduł baterii jest w stanie wydusić z siebie moc max. 2kW. Jeśli akurat nie ma słońca a pobór mocy przekroczy 2kW – inwerter przełącza się na pobór z sieci.

W lipcu magazyn energii został rozbudowany do 6kWh. Teraz to dwa moduły baterii Pylontech US3000, które można stale obciążyć mocą 4kW.
Mogłem uzyskać taką samą obciążalność taniej – wybierając starszy model tych baterii: US2000. Mają one mniejszą pojemność (2,2kWh) ale takie same parametry obciążenia.

Tutaj widzę że ktoś zaszalał. Ja się raczej nie porywam na więcej, bo wydaje się to nie mieć sensu ekonomicznego.

Z kolei rozbudowa mocy zainstalowanej na dachu wynikała z chęci dorzucenia kilowatów w części południowej, która zimą wykazywała się świetnymi osiągami (pod warunkiem że było jakiekolwiek słońce). 720W w dwóch panelach Sharp zostało zastąpione czterema sztukami QCells 350W – w sumie 1500W. Potem, żeby to wszystko się elektrycznie spinało i pasowało do inwertera, trzeba było resztę instalacji przerobić z układu 3 x 3 panele do 3 x 4 panele.

Magazyn energii rozbudowany do 6kWh.

Styczeń 2020 – 3,5kWp

Lipiec 2020 – 5kWp

Widok od spodu – jeszcze w budowie.

Oczywiście taki układ paneli prowadzi do wzajemnego zacieniania. Na zdjęciu stan na koniec października. Ale jest to celowe. Ubiegłej zimy zaobserwowałem, że 9 paneli w układzie wschód-zachód produkowało podobne ilości energii co dwa panele skierowane na południe pod kątem optymalnym dla marca. Na tej podstawie uknułem, że lepiej będzie rozbudować południową "sekcję zimową" nawet kosztem zacienienia reszty w zimowym półroczu. Oczywiście to idzie w parze z takim połączeniem całości, aby minimalizować skutki tego cienia.

Podsumowanie

Jeśli przeczesać internet to nawet w Polsce znajdzie się trochę osób, które użytkują magazyny energii i to ze znacznie większym rozmachem. Jedni mają fioła na niezależność, inni – na ekologię. Ja – sam nie wiem, szczyptę jednego i drugiego, przeważa jednak pociąg do majstrowania i próbowania mniej uczęszczanych ścieżek. Ale też zapewne nie pakowałbym się w off-grid gdybym miał możliwość łatwego wykonania klasycznej instalacji PV oraz gdybym decydował kilka miesięcy później, gdy już wystartował "Mój prąd". Bo ta dotacja przysługuje tylko na instalacje podpięte do sieci.

Instalacja off-grid i magazyn energii mają mocne uzasadnienie jedynie tam, gdzie dostępu do sieci energetycznej brak lub jest kiepski i nie da się podpiąć fotowoltaiki on-grid. W zwykłym budynku znacznie bardziej opłaca się klasyczna instalacja on-grid – albo hybrydowa, czyli on-grid z dołożonym magazynem energii, bo tak też można jeżeli komuś zależy na zasilaniu awaryjnym.

Generalnie jestem zadowolony. Całość działa i daje przyzwoite efekty finansowe – a ja zdobyłem po drodze wiedzę i doświadczenie, bez większy strat własnych. Jednak o ostatecznym bilansie przekonam się dopiero za jakieś 10 lat, jeśli trwałość poszczególnych sprzętów, szczególnie magazynu energii, okaże się faktycznie co najmniej taka, jak deklarowana przez producentów.

Dalsze plany

Na koniec marcowego podsumowania po zimie spisałem listę rzeczy pozostałych do zrobienia. Z tego udało się zrealizować w zasadzie tylko rozbudowę magazynu energii (bo była najłatwiejsza).

Dokończyć remont domowej instalacji elektrycznej

W ciągu lata udało się wykonać uziom szpilkowy. Nadal na wymianę czeka rozdzielnia pamiętająca stan wojenny. Bez jej modernizacji nie ma sensu przepinać całej domowej instalacji na inwerter. Sprawę utrudnia fakt, że instalacja elektryczna jest wielką tajemnicą (nie ma żadnego projektu), więc wymiana rozdzielni wymusza także przegląd całej reszty. To czyni zadanie grubą sprawą, na którą trudno znaleźć właściwy czas.

Czajnik elektryczny jeszcze jakoś na tym działa, ale strach podpiąć coś większego.

Osobna trójfazowa instalacja on-grid z myślą o pompie ciepła

Przy takich osiągach, jakie ta instalacja off-grid już zaprezentowała i na jakie są realne perspektywy (rachunek niższy o ~80%), w zasadzie nie ma potrzeby ani ekonomicznego sensu myśleć o oddawaniu nadmiaru prądu do sieci, bowiem zmiany do tego konieczne kosztowałyby więcej niż można jeszcze na tym zyskać.

Jednakże w międzyczasie zacząłem rozważać przyszłe ogrzewanie budynku (licząc sezon nadchodzący, zostały mi max. cztery zimy z węglem/drewnem) i jest spora szansa, że później wybór padnie na pompę ciepła. To zmieniałoby postać rzeczy – instalacja on-grid zacznie mieć sens.

Ale: jak połączyć instalację on-grid, która z racji mocy przerobowych będzie musiała być trójfazowa, z magazynem energii? Dostępne na rynku rozwiązania są bardzo nędzne:

  • Znakomita większość inwerterów on-grid w ogóle nie gada z akumulatorami.
  • Istnieją inwertery hybrydowe: on-grid z możliwością pracy z PV i akumulatorami, ale w razie awarii sieci energetycznej większość z nich pracuje z mniejszą max. mocą i zasilają tylko sprzęty podpięte pod wydzielony obwód za inwerterem. Jakby tego było mało: jest ich niewiele i są bardzo drogie.
  • Trójfazowe inwertery on-grid zwykle nie współpracują z akumulatorami.

W takiej sytuacji wykombinowałem, że optymalnym rozwiązaniem byłoby:

  • dobudować osobną trójfazową instalację on-grid, która będzie produkowała prąd głównie na wysyłkę do sieci
  • tymczasem jednofazowa instalacja w budynku będzie oparta o instalację off-grid z magazynem energii.

Wstępny szkic pomysłu jaki mi po głowie chodzi: połączenie instalacji off-grid z magazynem energii i trójfazowej instalacji on-grid. Rysowane na własny użytek, ani to schemat elektryczny, ani rysunek techniczny, a nawet nie wiem, czy merytorycznie ma do końca sens. Spokojnie, zanim dojdzie co do czego, wszystko będzie konsultowane z uprawnionymi osobami.

Takie rozwiązanie wydaje się mieć najmniej wad. Jedynym istotnym minusem jest konieczność podziału całości paneli na dwie osobne instalacje PV – trzeba tego podziału dokonać na sztywno, odpowiednio do ilości energii, jaką każda z części ma wyprodukować. Jeśli nie trafi się w optymalną proporcję – jakaś część potencjału będzie się marnować.

Ideałem byłoby mieć jedną wspólną instalację PV zarządzaną przez inwerter off-grid, która pracowałaby na potrzeby bieżącego zużycia i na naładowanie magazynu energii, a pozostałe nadwyżki prądu oddawałaby do sieci – pozostając jednak instalacją off-grid, tj. po stronie AC niezależną od publicznej sieci.

Jak dotąd nie znalazłem urządzenia zdolnego spełniać takie zadanie. Nie nadaje się do tego żaden konwencjonalny inwerter fotowoltaiczny, bowiem one mają wbudowane kontrolery MPPT na wejściach DC. Gdyby jednocześnie pod tę samą instalację PV wpiąć dwa inwertery z dwoma osobnymi kontrolerami MPPT – pogryzłyby się. Urządzenie o którym myślę powinno zachowywać się tak jak w instalacji off-grid zachowuje się akumulator – przyjmuje prąd stały, który mu daje inwerter. Następnie powinien on być przetwarzany na prąd przemienny i wysyłany do publicznej sieci, bez połączenia z siecią domową.

Możliwe, że coś takiego nie istnieje. Być może to rodzaj maszyny Rube Goldberga – ten sam problem można rozwiązać prościej, choć ja o tym nie wiem. Póki co w efekcie poszukiwań natrafiłem jedynie na powyższy koncept dwóch oddzielnych instalacji, który jednak do końca mnie nie satysfakcjonuje, ale jeśli nic lepszego nie wymyślę, to w razie potrzeby zostanie on wdrożony.