Współpraca generatora fotowoltaicznego z magazynem energii

Elektrownie fotowoltaiczne

Według stanu na koniec listopada 2021 r. w Polsce moc zainstalowana w elektrowniach fotowoltaicznych wyniosła 7122 MW [12]. W skali roku zauważalny jest wzrost ok. 1,5% zapotrzebowania na energię, głównie elektryczną, a w roku 2030 prognozuje się produkcję energii elektrycznej na poziomie 200 TWh z udziałem odnawialnych źródeł energii 32,5%. Są to bardzo dobre prognozy dla rozwoju rynku generatorów fotowoltaicznych w Polsce, jednak coraz bardziej oczywiste staje się to, że w celu zapewnienia nie tylko jakości, ale także bezpieczeństwa oraz ciągłości zasilania w systemie muszą zaistnieć określone elementy, które umożliwią magazynowanie wyprodukowanej energii elektrycznej, szczególnie tej wyprodukowanej przez generatory o mało przewidywalnej charakterystyce generacji, jak elektrownie fotowoltaiczne i wiatrowe.

Obecne instalacje fotowoltaiczne w zależności od ich współpracy z siecią elektroenergetyczną można podzielić na trzy podstawowe grupy: on-grid, off-grid oraz instalacje hybrydowe.

Klasyczna instalacja fotowoltaiczna on-grid daje możliwość włączenia generatorów bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej, np. na poziomie niskiego napięcia, i tym samym odsprzedania wyprodukowanej energii elektrycznej operatorowi systemu elektroenergetycznego. Instalacje typu on-grid należą do jednej z najtańszych form instalacji fotowoltaicznej. Największą wadą tego typu instalacji jest brak możliwości korzystania z energii, jaka jest produkowana przez poszczególne panele, chociażby przy wystąpieniu przerw w dostawie energii z sieci elektroenergetycznej.

W przypadku instalacji fotowoltaicznej typu off-grid nie ma możliwości sprzedaży energii elektrycznej bezpośrednio do sieci. Produkowana energia może być wykorzystywana na bieżąco bądź też akumulowana w magazynach energii. Dzięki temu cechą charakterystyczną tego typu instalacji jest przede wszystkim duża autonomiczność energetyczna z możliwością pokrycia do 100% zapotrzebowania na energię elektryczną przyłączonych odbiorów. Wadą tego typu instalacji jest duży koszt budowy w porównaniu z instalacją on-grid, który wynika głównie z kosztów budowy magazynu energii.

Instalacje hybrydowe są bardziej złożone i mogą zawierać połączenia różnych źródeł energii odnawialnych i nieodnawialnych, magazynu energii oraz przyłączenia do sieci elektroenergetycznej. Spotykanym rozwiązaniem, szczególnie w obiektach oddalonych od sieci, jest zastosowanie np. generatora spalinowego jako źródła back-upu dla paneli fotowoltaicznych z ewentualnym niewielkim akumulatorowym magazynem energii elektrycznej.

Rynek generatorów fotowoltaicznych w Polsce

Rok 2020 zaliczono do najlepszych w całej historii rozwoju fotowoltaiki w Polsce. Na podstawie danych zebranych przez Polskie Sieci Elektroenergetyczne wartość mocy zainstalowanej w fotowoltaice na koniec 2020 r. osiągnęła wartość 3935 MW, co daje wyraźny wzrost o 2463 MW w stosunku do lat poprzednich. Polskę wyprzedziły jedynie Niemcy, Holandia oraz Hiszpania. Rok 2021 również zaczął się dość optymistycznie, w pierwszym kwartale odnotowano moc zainstalowaną 4466 MW [12]. Zdecydowanie największy wzrost odnotowano w mikroinstalacjach, ponieważ to właśnie w ich przypadku przybyło prawie 500 MW mocy. Na rysunku 1. zobrazowano skumulowaną moc zainstalowaną w Polsce dla kolejnych lat z podziałem na poszczególne typy instalacji.

Według Instytutu Energetyki Odnawialnej statystyka mocy zainstalowanej w źródłach fotowoltaicznych uwzględnia [7]:

• mikroinstalacje, charakteryzujące się łączną mocą zainstalowaną, która nie przekracza 50 kW; zainstalowana moc na koniec 2020 to 3022 MW, na marzec 2021 to 3500 MW,
• małe instalacje, będące instalacjami o mocy od 50 kW do 500 kW; zainstalowana moc na koniec 2020 to 65 MW, na marzec 2021 to 71 MW,
• instalacje fotowoltaiczne o mocy przekraczającej 500 kW, które utworzono w ramach systemu świadectw pochodzenia bądź też poza aukcyjnym systemem wsparcia; łączna moc zainstalowana to 75 MW,
• instalacje fotowoltaiczne, które wybudowano w ramach aukcji OZE; zainstalowana moc na koniec 2020 to 750 MW, na marzec 2021 to 820 MW, zazwyczaj są to farmy fotowoltaiczne oraz elektrownie słoneczne o mocach niespełna 1 MW.

W Polsce zdecydowanie największy udział w rynku mają mikroinstalacje PV, w 2020 r. instalacje te stanowiły aż 77% mocy zainstalowanej w fotowoltaice. Jest to wynik wielu czynników, jak chociażby znacznego wzrostu popularności tej technologii pośród prosumentów, dotacji, jakie są udzielane w ramach Regionalnych Programów Operacyjnych, a także rządowego programu dofinansowania „Mój prąd”, który był realizowany od września 2019 r. do grudnia 2020 r. Udział mocy zainstalowanej w fotowoltaice w stosunku do mocy zainstalowanej w OZE na koniec 2020 r. wynosił 30% i był on już dwukrotnie wyższy niż w 2019 r. Instalacje PV wyprzedziły biomasę (11%), hydroeleletrownię (8%) oraz biogaz (2%). Jednak na pierwszym miejscu w dalszym ciągu znajduje się energetyka wiatrowa na lądzie z udziałem mocy zainstalowanej na poziomie 49%. Statystyki pokazują, że od czterech lat fotowoltaika jest najszybciej rozwijającym się OZE w Polsce i osiąga największe roczne przyrosty [7]. Wśród instalacji posiadających koncesję na produkcję energii elektrycznej na koniec 2020 r. na fotowoltaikę przypadało 887 MW, na energetykę wiatrową 6347 MW mocy zainstalowanej [12].

Według danych Agencji Rynku Energii w październiku 2021 r. moc zainstalowana fotowoltaiki w Polsce osiągnęła wartość 6688 MW, co stanowiło prawie dwukrotny wzrost w skali roku (w październiku 2020 było 3936 MW). W samym październiku 2021 moc zainstalowana zwiększyła się o ok. 383 MW, na co złożyły się 39 562 nowe instalacje fotowoltaiczne, o średniej mocy 11 kW, co stanowiło przeszło 99% wszystkich instalacji OZE, które zbudowano w październiku 2021 r. Całkowita moc zainstalowana dla wszystkich rodzajów źródeł w październiku 2021 r. wyniosła 54,2 GW; tym OZE 15,7 GW (29%), z czego fotowoltaika 42% na drugim miejscu za energetyka wiatrową (44%). Najbardziej dynamiczny przyrost odnotowano w przypadku mikroinstalacji fotowoltaicznych (w październiku 2021 r. przybyło około 500 MW). Statystyki pokazują, że w 2020 roku mimo pandemii COVID-19 rynek PV w Polsce rozwijał się dynamicznie. W I półroczu 2020 r. powstało 112 420 nowych mikroinstalacji fotowoltaicznych o łącznej mocy 774,1 MW, o ok. 13% więcej w porównaniu z rokiem 2019 [10].

Dane zebrane zarówno wśród polskich producentów, jak i też firm instalatorskich oraz deweloperów pokazują, iż nastąpił wyraźny wzrost zainteresowania modułami Half Cut Cells, czyli wykonanymi w technologii, która wykorzystuje moduły z ogniwami ciętymi na pół. Udział sprzedaży modułów Half Cut Cell w I połowie 2020 r. osiągnął 75,5%, monokrystalicznych całych 18%, polikrystalicznych 6,2%. Ponadto w zestawieniu uwidoczniły się również moduły w technologii BI-FacIal, stanowiącej 0,3% całkowitej sprzedaży w I połowie 2020 r. [3].

Magazynowanie energii

W 2009 r. Parlament Europejski uchwalił dyrektywę, w której nałożył obowiązek podjęcia kroków na każde z państwo członkowskie UE w celu stworzenie obiektów magazynujących energię gwarantujących bezpieczeństwo wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych [4]. Jednakże z praktycznego punktu widzenia dopiero od 2015 r. Unia Europejska podjęła realne kroki zajmując się tym tematem i zwracając szczególna uwagę na to, iż kwestia magazynowania energii powinna być tematem priorytetowym z uwagi na wciąż rosnące zagrożenie niestabilnością systemu elektroenergetycznego. Skupiono się przede wszystkim na magazynowaniu energii metodami elektrochemicznymi. Podkreślono również, że aby możliwe było sprostanie wciąż rosnącej ilości źródeł odnawialnych należy:

• stworzyć w szczególności systemy magazynowania na zasadzie lokalnych obszarów bilansowania w szczególności na terenach wiejskich;
• promować zwłaszcza w indywidualnych gospodarstwach domowych systemy fotowoltaiczne wraz z przydomowym akumulatorem, który ładowałby się podczas nieobecności domowników;
• inwestować w akumulację, która to mogłaby szybko reagować na znaczne zmiany w wytwarzanej mocy z odnawialnych źródeł ­energii.

W Polsce przełom miał miejsce na początku 2018 r., wraz z wejściem w życie Ustawy o Rynku Mocy [8], gdyż jest to w zasadzie pierwsza ustawa, która tak wyraźnie wspomina o magazynach energii. Kolejnym krokiem w kwestii magazynowania energii było Rozporządzenia Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 21 października 2021 r. opublikowanie w Dzienniku Ustaw w dniu 5 listopada 2021 r. w sprawie rejestru magazynów energii elektrycznej. Rozporządzenie to wydano zgodnie z ostatnią nowelizacją ustawy Prawo energetyczne, która to wprowadziła wiele rozwiązań, mających na celu umożliwić rozwój krajowego rynku magazynów energii. Magazynowanie energii przyczynia się do zwiększenia efektywności energetycznej, nie tylko samego systemu dystrybucyjnego, ale też i jego bezpośrednich odbiorców będących konsumentami energii elektrycznej.

W większej skali magazynowanie energii ma na celu zbilansowanie sieci w pełnym cyklu dobowym, a także łagodzenie powstających w szczytach obciążeń sieci elektroenergetycznej i gromadzenie energii w przypadku jej nadprodukcji. Magazynowanie energii prowadzone na dużą skalę dałoby możliwość gromadzenia nadwyżki wówczas, kiedy produkcja energii w generatorach fotowoltaicznych przekracza popyt, po czym uwaliłoby ją do sieci, gdy produkcja bieżąca jest niewystarczająca do tego, aby możliwe było zaspokojenie bieżącego zużycia.

Magazyny energii w wersji zintegrowanej ze stacją rozdzielczą bądź też jako samodzielne obiekty powstają od kilku lat i będą stawały się z czasem coraz bardziej powszechne. Aktualnie istnieje wiele sposobów magazynowania energii elektrycznej w zależności od typu magazynowanej energii, najważniejsze z nich wraz z zaawansowaniem technologii i stopniem komercjalizacji zestawiono na rysunku 2. Więcej informacji o magazynowaniu energii można znaleźć w miesięczniku „elektro.info” w artykułach autora w numerach 6/2020 [1] i 7–8/2020 [2].

Zastosowanie magazynów energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych daje możliwość przechowywania ewentualnych nadwyżek produkowanej energii elektrycznej. Dzięki temu zgromadzona w ten sposób energia może być wykorzystywana w okresie bezprodukcyjnym. Jednakże pomimo zalet magazyny energii mają też i wady, do których zalicza się między innymi: wysoki koszt magazynu/magazynowania, straty w magazynowaniu energii, różną wydajność takiego procesu w zależności od warunków pracy. Dwie ostatnie nie są tak istotne jeżeli magazynujemy energię ze źródeł odnawialnych, która w innym przypadku w ogóle nie byłaby wykorzystana.

Rynek magazynów energii w Polsce

W wielu państwach rośnie udział systemów z magazynowaniem energii elektrycznej w ogólnej liczbie instalacji fotowoltaicznych. Tak jest np. w Niemczech, gdzie do końca 2019 r. zainstalowanych zostało prawie 160 000 magazynów energii elektrycznej w systemach fotowoltaicznych podłączonych bezpośrednio do sieci niskiego napięcia, co stanowiło ok. 9% z 1,7 mln wszystkich instalacji). Należy jednak uwzględnić to, że w przeciwieństwie do paneli PV, które są tam instalowane już od ponad 20 lat, współpracujące z nimi magazyny energii zyskały popularność dopiero kilka lat temu. Widoczny jest jednak wzrost instalacji magazynów energii w instalacjach w roku 2016 było 34 000 magazynów energii, zaś w 2018 r. liczba ta wyniosła już 100 000, a pod koniec 2019 r. aż 160 000.Na podstawie danych zgromadzonych przez Polskie Izby Magazynowania Energii zainstalowano w Polsce magazyny energii  o mocy ok. 1450 MW, z czego 1370 MW zainstalowanych jest w elektrowniach szczytowo-pompowych. W 2021 r. w Polsce było już około 50 MW mocy zainstalowanej w magazynach energii elektrycznej w technologii elektrochemicznej. Prognozy przewidują zainstalowanie kolejnych 300÷500 MW. Polska Grupa Energetyczna uruchomiła w Rzepedzi na Podkarpaciu pierwszy w Polsce magazyn energii elektrycznej z zastosowaniem modułów Powerpack Tesla o mocy 1,2 MW oraz pojemności 4,2 MWh, zaprojektowany głównie w celu wspierania niezawodności lokalnej sieci dystrybucyjnej. Docelowo do roku 2030 PGE planuje wybudować magazyny energii o łącznej mocy co najmniej 800 MW [6]. Spółka wytypowała już kilkanaście lokalizacji, z których największy jest projekt CHEST o mocy 205 MW oraz pojemności 820 MWh planowany jest w Żarnowcu [11].

5 listopada 2021 r. weszło w życie rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska, dzięki tym przepisom możliwe będzie szczegółowe monitorowanie rozwoju magazynów energii, które stanowią dopełnienie dla instalacji fotowoltaicznej. Do tej pory magazyny nie podlegały obowiązkowi wpisu do rejestru i traktowane były jako jednostki wytwórcze, co utrudniało ich monitorowanie.

Generator fotowoltaiczny i magazyn energii

Obecnie w Polsce układy współpracy generatora fotowoltaicznego z elektrochemicznym magazynem energii, który stanowi zespół akumulatorów o określonej pojemności, znajdują ograniczone zastosowanie. Stosuje się je głównie w przypadkach braku możliwości podłączenia do sieci elektroenergetycznej lub bardzo mocno ograniczonych mozliwości przyłaczenia do sieci wybudowanych systemów PV. Dotyczy to zwłaszcza odległych od infrastruktury domków letniskowych, obiektów turystycznych oraz sygnalizacji i oświetlenia.

Znacznie większą popularnością cieszą się instalacje łączące zalety systemów zarówno on-grid z off-grid, umożliwiają zarówno korzystanie z sieci elektroenergetycznej oraz nabycie pewnej niezależności od dostawcy energii. W przypadku przerwy w dostawie energii z sieci elektroenergetycznej instalacja jest w stanie funkcjonować w pełni samodzielnie i dostarczać energię na własne potrzeby. Dodatkowo, stosowane w rozwiązaniach typowo hybrydowych magazyny energii pozwalają zmniejszyć jej szczytowy pobór bezpośrednio z sieci. Na rysunku 3. przedstawiono udział produkcji energii w generatorach fotowoltaicznych ze źródeł off-grid w zestawieniu ze źródłami przyłączonymi do sieci.

Ilościowo w Polsce instalacje off-grid stanowią zaledwie margines produkcji energii w instalacjach fotowoltaicznych. W 2020 r. instalacje te produkowały niespełna 6000 MWh, co stanowiło jedynie 0,3% łącznej energii wytworzonej (tab. 1.).

Uznanie wśród użytkowników, początkowo na południu Europy, a obecnie i w Polsce znajdują również systemy grzewcze z wykorzystaniem energii elektrycznej produkowanej przez panele fotowoltaiczne. Systemy takie pozbawione są wad instalacji z kolektorami cieczowymi, jak przegrzewanie się instalacji i możliwe uszkodzenia, szczególnie w gorące dni, gdy jest zbyt mały lub zerowy pobór ciepła lub ciepłej wody. Sytuacja ta ma szczególnie miejsce podczas wakacyjnych wyjazdów. Elementem grzejnym w systemach z generatorem fotowoltaicznym mogą być np. grzejniki oporowe w tym ogrzewanie podłogowe lub promienniki podczerwieni. Jeżeli ogrzewanie miało być prowadzone w nocy, najlepszym rozwiązaniem będzie wyposażenie instalacji w magazyn energii (off-grid lub hybrydowo).

Rosnąca liczba odnawialnych źródeł energii słonecznej i wiatrowej w systemie elektroenergetycznym będzie powodowała gwałtowne zmiany generacji mocy, które będą negatywnie wpływać na stabilność systemu elektroenergetycznego. W celu uniknięcia tych problemów jedynym skutecznym rozwiązaniem jest instalacja magazynów energii. Wzrost zainteresowania generatorami fotowoltaicznymi wpływa na rynek magazynów energii sprawiając, że stają się one w dłuższym horyzoncie czasowym uzasadnionym rozwiązaniem dla stabilności generacji ze źródeł odnawialnych. Generacja ze źródeł fotowoltaicznych, przesunięta względem dziennego profilu zapotrzebowania na energię, ma istotny wpływ na stymulowanie rozwoju technologii magazynowania energii. W tabeli 2. zestawiono dane pokazujące perspektywę rozwoju magazynów energii w obrębie firm, które wchodzą w skład Przemysłowego Panelu PV.

Należy również zauważyć, że w reakcji na koszty opłaty mocowej, jak również znaczny wzrost cen energii, w kolejnych latach coraz bardziej powszechne stawać się będą instalacje autoproducenckie, czyli tzw. producent biznesowy i co ważne będą to w dużej mierze instalacje duże. Prognozuje się, że pod koniec 2023 roku segment ten ma jak najbardziej możliwość uzyskania nawet 10% udziału w całkowitej mocy, zaś w perspektywie do 2030 roku przewidywany jest ciągły wzrost [3].

Podsumowanie

Większość szczególnie przydomowych instalacji fotowoltaicznych wykorzystuje sieć elektroenergetyczną jako magazyn energii o nieograniczonej pojemności i czasie działania dostarczając i odbierając energię elektryczną w dowolnie wybranym, korzystnym dla siebie, ale niekoniecznie dla sieci momencie. Rosnąca liczba instalacji fotowoltaicznych w systemie prowadzić może do niepożądanych problemów w zasilaniu energią elektryczną, doprowadzając nawet do lokalnych przerw w dostawie energii elektrycznej. W dłuższej perspektywie czasowej zapobiec temu może powszechność stosowania magazynowania energii.

Niewątpliwie magazyny energii stosowane w przydomowych instalacjach PV pozwolą na pełne wykorzystanie produkowanej energii w przypadku złych parametrów sieci elektroenergetycznej lub przeciążenia powodowanego przez nadmiar produkowanej energii przez systemy PV przyłączone do sieci elektroenergetycznej.

Literatura

1. T. Bakoń, Technologie magazynowania i zastosowanie magazynów energii, „elektro.info” 6/2020, ss. 60–64.
2. T. Bakoń, Wybrane metody magazynowania energii i ich zastosowanie w systemie elektroenergetycznym, „elektro.info” 7–8/2020, ss. 74–77.
3. W. Banul, Wpływ generatorów fotowoltaicznych na rynek magazynów energii, Praca dyplomowa SGGW WIP 2022.
4. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych z dnia 23 kwietnia 2009 r.
5. European Commission, Energy Storage: Which Market Designs and Regulatory Incentives Are Needed?, http://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/STUD/2015/563469/IPOL_STU(2015)563469_EN.pdf, 2015.
6. P. Rapacka, Magazyny energii wchodzą na ścieżkę dynamicznej ekspansji rynkowej, https://globenergia.pl/magazyny-energii-wchodza-na-sciezke-dynamicznej-ekspansji-rynkowej
7. Rynek fotowoltaiki w Polsce 2020, Raport Instytutu Energetyki Odnawialnej, https://ieo.pl/pl/raporty, 2020.
8. Ustawa o rynku mocy, Dz.U. z 2021 r. poz. 1854 z dnia 8 grudnia 2017 r.
9. K. Wiśniewski, D. Gręda, A. Skomorowska, T. Kowalak, K. Michałowska-Knap, Mapa drogowa rozwoju przemysłu fotowoltaicznego w Polsce do 2030 roku. Przemysłowy panel PV, Instytut Energetyki Odnawialnej, Warszawa 2020.
10. Polski rynek fotowoltaiczny w liczbach – stan na 30 czerwca 2020 roku, https://www.emiter.net.pl/aktualnosci/polski-rynek-fotowoltaiczny-w-liczbach.html.
11. Ruszyły inwestycje w polskie magazyny energii, https://wysokienapiecie.pl/39276-ruszyly-inwestycje-w-polskie-magazyny-energii.
12. https://www.ure.gov.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!