Problemy we współpracy fotowoltaiki z siecią energetyczną

Zakład energetyczny ma ustawowy obowiązek stanąć na głowie byleby tylko umożliwić podłączenie każdej domowej instalacji fotowoltaicznej. Jednak podłączenie nie daje gwarancji, że instalacja zawsze będzie pracować poprawnie. Im więcej ludzi w okolicy założy fotowoltaikę, tym większe ryzyko, że wszyscy zaczną doświadczać problemów: w środku słonecznego dnia instalacje mogą się wyłączać z powodu zbyt wysokiego napięcia w sieci.

Stan lokalnych sieci przesyłowych w Polsce, szczególnie powiatowej, jest raczej gorszy niż lepszy. Większość naszych "drutów" powstała w epoce, w której nikomu nie śniło się jeszcze przesyłanie prądu w drugą stronę – z domu do sieci energetycznej. Zmiana tego stanu rzeczy wymagałaby dużych nakładów. Póki się da, energetyka będzie się starała łatać system po taniości (nie wiem, co jest energetycznym odpowiednikiem drutu i szpachli?) – ale z każdym nowym przyłączonym prosumentem mogą się pojawiać nowe atrakcje skutkujące w najgorszym razie wyłączeniami instalacji PV – czyli stratą pieniędzy. Bo miał być "darmowy prąd" – a nie ma go wcale. Czyli do rachunków jednak trzeba będzie dopłacić.

Typowe problemy przy współpracy inwertera z siecią energetyczną to:

  • Zbyt wysokie napięcie na fazie z którą gada inwerter. Napięcie na żadnej z faz nie może przekraczać 253V. Jeśli dana faza jest akurat mało obciążona a kilku prosumentów w okolicy wpycha w nią dużo energii – napięcie wzrasta. Gdy przekroczy 253V, falownik zupełnie wyłączy instalację – nie ma prawa przekroczyć 253V. Dość łatwo jest o taką sytuację z falownikiem jednofazowym, stąd energetyka bardziej lubi trójfazowców. Ale falownik trójfazowy również się wyłączy jeśli napięcie choćby jednej z trzech faz przekroczy 253V.
  • Duże różnice napięć między fazami – również będą przyczyną problemów w pracy falowników trójfazowych.
nierówne fazy

Duże różnice napięć na poszczególnych fazach jeszcze przed uruchomieniem instalacji fotowoltaicznej w zasadzie uniemożliwiają podłączenie falownika trójfazowego. Na ekranie miernika widać: 260V, 248V, 236V. 260V jest wartością przekraczającą normę. Falownik trójfazowy w tym miejscu odmówiłby współpracy. Fot. Piotr Skrzypczak

Jaki jest stan sieci i na jaką maksymalną moc instalacji fotowoltaicznej można sobie pozwolić – to da się dość dokładnie przewidzieć jeszcze przed rozpoczęciem inwestycji. Konieczne są pomiary elektryczne – tutaj po inżyniersku dość ładnie opisane. Niestety pomiary nie dają gwarancji, że zawsze będzie dobrze. Problemy ze zbyt wysokim napięciem w sieci mogą się zacząć pojawiać znienacka w każdej chwili, gdy akurat kilku sąsiadów założy sobie fotowoltaikę. A już na pewno będą się działy "cuda" gdy zrobi tak pół wsi.

Jeszcze w 2020 roku to była rzadkość, ale już od wiosny 2021 na wszelkich grupach i forach związanych z fotowoltaiką widać istny wysyp narzekań na problem zbyt wysokiego napięcia. Najwidoczniej w wielu miejscach dochodzimy do granic wydolności sieci.

Dlaczego napięcie w sieci rośnie "poza skalę"? To konsekwencja podstawowych praw elektryki.

  • Aby prąd z twojej instalacji fotowoltaicznej popłynął poza dom, twój inwerter musi podbić nieco napięcie względem tego, co jest w tamtej sieci.
  • Dopóki ty miałeś fotowoltaikę a większość sąsiadów nie – sprawa była prościutka, wystarczyło lekkie podbicie napięcia, aby prąd płynął do sąsiadów po sieci niskiego napięcia (ty produkowałeś nadmiar a oni zużywali).
  • Gdy sąsiedzi również założyli instalacje PV – zaczęły się problemy. Teraz wszyscy produkujecie nadmiar i próbujecie wysłać go gdzieś dalej, gdzie zostanie zużyty. Trzeba prąd pchać do sieci "wyższego rzędu": średniego/wysokiego napięcia a to już wymaga więcej wysiłku – czyt. wyższego napięcia. Gdyby napięcie można było bezkarnie podnosić ile się chce – to by się udało. Ale nie ma tak dobrze – w domowej sieci jest limit 253V. Jeśli to nie wystarcza, aby wypchnąć prąd w świat – fotowoltaika się wyłącza.

Jedynym trwałym lekarstwem na te problemy jest modernizacja sieci energetycznych, aby radziły sobie z przesyłem "w drugą stronę" bez windowania napięcia poza skalę. Na to potrzeba niemałych pieniędzy a nasza polska "zielona rewolucja" jest klejona po taniości: rozdano dotacje, podłączono tabuny prosumentów – z myślą: jakoś to będzie. Przez chwilę nawet jakoś to było, ale właśnie zaczyna się sypać.

Wyłącza się i włącza... Jeśli tak wygląda praca (wykres mocy) inwertera w piękny słoneczny dzień lub co gorsza okresy wyłączeń są jeszcze dłuższe – to widomy sygnał problemów ze zbyt wysokim napięciem w sieci.

Co robić, gdy inwerter wyłącza się z powodu zbyt wysokiego napięcia sieciowego? Przede wszystkim zgłosić problem do zakładu energetycznego i męczyć ich do skutku. To oni mają obowiązek ten problem rozwiązać. Sam prawie nic nie wskórasz – choć widzę, że już pojawiają się pierwsi magicy oferujący "rozwiązania": zazwyczaj albo nielegalne, albo niemające prawa działać.
Jeżeli problemu doświadcza więcej osób w okolicy – warto się skrzyknąć i nacisnąć na lokalne władze, by te pomogły naciskać na energetykę w celu modernizacji infrastruktury.

Co może pomóc jako półśrodek: uruchomienie urządzenia o mocy paru kilowatów na fazie, która ma zbyt wysokie napięcie. Innymi słowy: wykorzystanie nadmiaru prądu na własne potrzeby, znane też jako autokonsumpcja. Do tego celu znakomicie nadaje się grzałka w bojlerze, gorzej – pralka (ma stosunkowo krótkie epizody wysokiego poboru mocy).
Jest to półśrodek, ponieważ nie spowoduje, że na fazie ze zbyt dużym napięciem prąd zacznie być wysyłany do sieci. Ale może pozwolić na poprawną pracę inwertera trójfazowego, gdzie na dwóch pozostałych fazach prąd nadal będzie mógł być eksportowany.

Czego na pewno nie należy robić: nie wolno podkręcać maksymalnego napięcia na inwerterze – to podlega pod słone kary umowne. Mogą z tego wyniknąć nieprzyjemne i kosztowne problemy u ciebie i/lub sąsiadów (stąd kary umowne) a zakład energetyczny łatwo znajdzie winowajcę.

O problemach z fotowoltaiką najwięcej piszą póki co lokalne media. Powyższy przykład ze zlotowskie.pl. Portale branżowe i marketingowe, które dotąd entuzjastycznie i bezkrytycznie naganiały na "dom bez rachunków" – milczą. Tymczasem było oczywiste, że problem kiedyś wybije.

Trzy inwertery jednofazowe? Jest to jakiś sposób

Kompromisowym rozwiązaniem, które może się sprawdzić w niektórych przypadkach, gdzie zarówno inwerter jednofazowy jak i trójfazowy będą miały swoje problemy, jest podpięcie trzech osobnych falowników jednofazowych na każdą z faz. Takie rozwiązanie ma szereg zalet:

  • Różnice napięć między fazami przestają mieć znaczenie – każdy falownik działa niezależnie.
  • W razie awarii falownika 2/3 instalacji wciąż działa.
  • W razie zaniku jednej fazy, podobnie: dwa pozostałe inwertery działają.

Jedynym minusem jest wyższy koszt instalacji: trzy osobne falowniki kosztują nieco więcej niż jeden trójfazowy, ponadto dochodzi zwielokrotnione okablowanie i zabezpieczenia.

Zakład energetyczny nie powinien mieć nic przeciw takiej konfiguracji – najbardziej interesuje go równomierne obciążenie faz i to w tym wariancie ma zapewnione.

Instalacja hybrydowa – z magazynem energii

Zbyt wysokie napięcie w sieci może spowodować wyłączenie inwertera, czyli całkowity brak własnego prądu. Niezbyt to przyjemne gdy słońce świeci a ty musisz pobierać prąd z sieci za opłatą. Cóż, taka jest natura prostych instalacji fotowoltaicznych on-grid: są proste i tanie, ale w pełni uzależnione od zewnętrznej sieci energetycznej – wyłączają się gdy napięcia nie ma wcale lub jest ono zbyt wysokie.

Nie jesteśmy pierwsi na świecie, którzy mają ten problem. Kolejnym krokiem w rozwoju fotowoltaiki będzie migracja ku instalacjom hybrydowym: z magazynem energii.

W instalacji hybrydowej:

  • W momentach największego nasłonecznienia mniej prądu jest wypychane do sieci, więc jej obciążenie będzie zmniejszone, więc i skoki napięcia będą rzadsze/mniej dotkliwe.
  • Nawet gdyby napięcie osiągnęło sufit 253V (lub wręcz przeciwnie: byłby remont/awaria i zupełny brak prądu w sieci), instalacja fotowoltaiczna nadal będzie w stanie normalnie zasilać domowe sprzęty.

Już pomału można znaleźć magazyny energii w ofercie polskich firm. Możliwe, że jeszcze w tym roku (2021) nowo przyłączane instalacje fotowoltaiczne będą musiały być wyposażone w magazyn energii. Niestety on swoje kosztuje, więc inwestycja w fotowoltaikę stanie się trochę mniej opłacalna – ale alternatywy nie ma. Choćbyśmy nie wiadomo jak doinwestowali sieci przesyłowe, nie wytrzymają one naporu wszystkich chętnych prosumentów w słoneczne dni. Przyszłością fotowoltaiki jest autokonsumpcja i magazyny energii. W tym kierunku to poszło w krajach, które są już dalej na drodze rozwoju fotowoltaiki, na której początku my obecnie się znajdujemy.

Instalacja w układzie wschód-zachód i inne sposoby na produkcję energii poza "szczytem południowym"

Kolejnym sposobem na zniwelowanie problemów z eksportem prądu do sieci energetycznej jest takie zaprojektowanie instalacji fotowoltaicznej, aby przesunąć swoją produkcję prądu poza czas szczytu produkcji z większości instalacji w okolicy.

Przeważnie orientuje się u nas fotowoltaikę wprost na południe. Szczyt produkcji z takiej instalacji przypada około astronomicznego południa (to jest godz. 13.00 czasu letniego). Wtedy są największe szanse na problemy z wyłączaniem się inwerterów przez zbyt wysokie napięcie.

Zmiana orientacji instalacji z południowej na wschodnią/zachodnią pozwala rozłożyć produkcję bardziej równomiernie w ciągu dnia.

Nieco osobnym tematem są instalacje podążające za słońcem (trackery). Tu również można by upatrywać dobrego sposobu na wyrwanie się z produkcją poza szczyt – niestety patrząc na rozmach takich inwestycji mam duże obawy, czy całość jeszcze będzie miała sens ekonomiczny. Również wykonawcy i użytkownicy trackerów (z mojego doświadczenia) jakoś niechętnie chwalą się kosztami ich budowy.