Technologia fotowoltaiczna – kierunki rozwoju, możliwości optymalizacji i magazynowania energii

Tylko między majem a sierpniem 2022 r. w UE wytworzono 99,4 TWh energii w instalacjach fotowoltaicznych w porównaniu z 77,7 TWh wytworzonymi w tym samym okresie w 2021 r., co odpowiada wzrostowi o 28%. Zgodnie z prognozami, moce w UE wzrosną do 328 GW w 2025 r., między 500 GW a 1 TW w 2030 r. i między 7 GW a 8,8 GW w 2050 r., podczas gdy prognozowana światowa moc zainstalowana wzrośnie do 22 TW lub nawet 60 TW.

Stan obecny fotowoltaiki

Średnia sprawność modułów fotowoltaicznych wzrosła z 9% w 1980 r. do 14,7% w 2010 r. i 20,9% w 2021 r. (tab. 1.). 

W ciągu najbliższych lat krzemowa technologia fotowoltaiczna pozostanie technologią dominującą, a sprawność modułów przekroczy 24%. Jeśli chodzi o technologie cienkowarstwowe, np. oparte na selenku miedzi, indu i galu (CIGS) i tellurku kadmu (CdTe) – motorem ich rozwoju jest masowa produkcja, jednak dostępność materiałów wpływa niekorzystnie na rozwój tych wcześniej często stosowanych technologii. W przyszłości technologie krzemowe mogą zostać zastąpione przez technologię perowskitową, która obecnie szybko się rozwija i ma potencjał wdrożeniowy (obecna wydajność modułu wynosi 17,9%, podczas gdy rekordowa wydajność ogniw wynosi 25,7%). Inne obecnie najbardziej obiecujące i wydajne technologie to krzemowe tandemy z materiałem powierzchniowym III–V (obecnie o sprawności modułu 32,7%) oraz urządzenia perowskit–krzem (obecnie o sprawności modułu 31,3%). Zauważalna jest tendencja rynkowa do zastępowania architektury Passivated Emitter and Rear Contact (PERC) (obecnie wydajność modułu ok. 21%, z prognozami sięgającymi ok. 22,5% w 2032 r.) przez n-type Tunnel Oxide Passivated Contact (TOPCon) (obecnie ok. 21,3% wydajności modułu, z prognozami sięgającymi ok. 24% w 2032 r.) [8].

Na rysunkach 1.–4. przedstawiono rozwój rynku fotowoltaiki w Polsce, Unii Europejskiej i na świecie w latach 2010–2021, z prognozą na 2022 rok – w każdym przypadku widoczne są wyraźne wzrosty.

Na koniec września 2022 r. moc zainstalowana fotowoltaiki w Polsce wyniosła 11 061,2 MW (o 74,3% więcej niż we wrześniu 2011 roku, kiedy było 6344,3 MW). Powstało 16 053 nowych instalacji PV, o 414 więcej niż przed miesiącem, o łącznej mocy 421,88 MW, co stanowiło 86% mocy wszystkich nowych instalacji OZE. Tak duży miesięczny wzrost mocy PV jest wynikiem uruchomienia największej w Polsce farmy PV o mocy 204 MW w Zwartowie na Pomorzu, należącej do Respect Energy [1].

Obecnie do pierwszej piątki największych polskich farm PV należą: Zwartowo (204 MW, Respect Energy), Brudzew (70 MW, ZE PAK), ­Witnica (64 MW, Alternus Energy Group), Wielbark (62 MW, Grupa ORLEN), Stępień (58 MW, Wento).

Na rysunkach 5. i 6. przedstawiono moc wygenerowaną w instalacjach PV w Unii Europejskiej i na świecie w latach 2010–2021 oraz prognozę generacji w 2022 roku.

Na rok 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.

Obecnie instalacje fotowoltaiczne – w zależności od ich współpracy z siecią elektroenergetyczną – można podzielić na trzy podstawowe grupy: on-grid, off-grid i 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 sieciowemu. 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 w sytuacji braku zasilania 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 podłączonych odbiorów. Wadą tego typu instalacji jest przede wszystkim znacznie droższe wykonanie w porównaniu z instalacją on-grid, co wynika głównie z kosztów 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 również zastosowanie np. generatora spalinowego jako źródła back-upu dla paneli fotowoltaicznych z ewentualnym niewielkim akumulatorowym magazynem energii elektrycznej.

W Polsce zdecydowanie największy udział w rynku mają mikroinstalacje PV, w 2020 r. stanowiły one aż 77% mocy zainstalowanej w fotowoltaice. Jest to wynik wielu czynników, jak chociażby znacznego wzrostu popularności tej technologii wśród 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%), hydroelektrownie (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 [10]. Wśród instalacji posiadających koncesję na produkcję energii elektrycznej na koniec 2020 r. na fotowoltaikę przypadało 887 MW, na energetykę wiatrową 6347 MW mocy zainstalowanej [1].

Dane zebrane zarówno wśród polskich producentów, jak i 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 Cells w I połowie 2020 r. osiągnął 75,5%, monokrystalicznych całych 18%, polikrystalicznych 6,2%. Ponadto w zestawieniu uwidoczniły się również moduły w technologii bifacjalnej, stanowiące 0,3% całkowitej sprzedaży w I połowie 2020 r. [6].

Prognozowane kierunki rozwoju PV

Oprócz małych, często przydomowych instalacji PV i klasycznych dużych farm PV, w najbliższej przyszłości największe szanse na rozwój mogą mieć następujące instalacje fotowoltaiczne:

Fotowoltaika rolnicza (Agri-PV): jednoczesna optymalizacja wykorzystania gruntów rolnych, produkcja żywności i wytwarzanie energii elektrycznej. Wydajność rolnictwa może wzrosnąć w określonych warunkach, a energia elektryczna może być używana lokalnie lub sprzedawana w celu uzyskania dodatkowych dochodów. Ten aspekt jest szczególnie interesujący dla klastrów energii (więcej o klastrach w „elektro.info” 9/2022 [4]).

Instalacje na obszarach czynnych lub zamkniętych składowisk odpadów: wykorzystanie elektrowni fotowoltaicznych na składowiskach odpadów nie zmieni wrażliwych ekosystemów. Ponadto zamknięte składowiska są często podłączone do sieci, a w przypadku wykorzystania biogazu składowiskowego współczynnik obciążenia instalacji można poprawić za pomocą systemu fotowoltaicznego.

Przegrody zewnętrzne budynków: wykorzystanie fotowoltaiki zainstalowanej na elewacjach i dachach jako źródła zasilania i jako osłony przeciwsłonecznej jednocześnie może zmniejszyć obciążenie cieplne budynku i zapotrzebowanie na chłodzenie.

Zapory wodne: PV może chronić powierzchnię zapór ziemnych i działać jako element ochronny przed erozją spowodowaną deszczem.

Kanały nawadniające i pływające PV: zminimalizowanie parowania wody w regionach o suchym klimacie i przyczynienie się do ograniczenia krytycznego niedoboru wody.

Parkingi: PV służy jako osłona przeciwsłoneczna dla zaparkowanych pojazdów i jednocześnie wytwarza energię elektryczną do ładowania pojazdów elektrycznych.

Bariery dźwiękowe: PV na ekranach dźwiękochłonnych, np. przy autostradach, mogą wytwarzać energię elektryczną do wykorzystania w sąsiednich miejscowościach lub w miejscach obsługi stacji ładowania pojazdów elektrycznych i MOP. Zastosowanie paneli bifacjalnych (więcej o panelach bifacjalnych w „elektro.info” 6/2022 [5]) eliminuje konieczność stosowania powierzchni zorientowanej na południe, umożliwiając również orientację na wschód i zachód.

PV wzdłuż linii kolejowej może generować energię elektryczną, którą można wykorzystać bezpośrednio do zasilania pociągów.

PV zintegrowane z pojazdem (VIPV): pojazdy ze zintegrowaną technologią PV w celu dostarczania energii elektrycznej na pokładzie zmniejszają potrzebę ładowania pojazdu ze źródeł zewnętrznych.

Koszty instalacji

Spadek kosztów instalacji PV, spowodowany głównie efektem skali, sprzyja rozwojowi rynku. Zmiany cen w latach 2010–2021 można zobaczyć na rysunku 7. Szczegółowy podział kosztów instalacji PV za 2021 rok pokazuje rysunek 8.

Ocena kosztów energii słonecznej na poziomie UE wykazała, że średnie unijne koszty eksploatacji i utrzymania dla instalacji komercyjnych wyniosły od 6,8 do 14,8 EUR/kW/rok. Najniższe koszty O&M były w Bułgarii – w przedziale od 5,2 do 11,2 EUR/kW/rok, a najwyższe w Niemczech – między 8,7 a 18,9 EUR/kW/rok. Dolna wartość zakresu odnosi się do stałego systemu, a górna wartość do 2-osiowego systemu śledzenia [8]. Koszty O&M dla każdego kraju UE można porównać w tabeli 2.

Zwiększenie niezawodności zasilania

Ze względu na specyfikę generacji energii elektrycznej w generatorach fotowoltaicznych najlepszą i najbardziej naturalną możliwością podniesienia niezawodności zasilania jest lokalne magazynowanie energii.

W 2009 r. Parlament Europejski uchwalił dyrektywę, na każde państwo członkowskie UE nałożono obowiązek podjęcia kroków w celu stworzenia obiektów magazynujących energię i gwarantujących bezpieczeństwo wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych [7]. Jednak dopiero w 2015 roku Unia Europejska podjęła realne kroki, zwracając szczególną uwagę na to, iż kwestia magazynowania energii powinna być tematem priorytetowym z uwagi na wciąż rosnące zagrożenie niestabilnością systemu elektroenergetycznego. W 2022 roku dołożył się do tego gwałtowny wzrost cen energii. W związku z tym, aby możliwe było sprostanie wciąż rosnącej liczbie źródeł odnawialnych, należy:

• stworzyć 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 [11], gdyż jest to w zasadzie pierwsza ustawa, która tak wyraźnie wspomina o magazynach energii. Kolejnym krokiem w kwestii magazynowania energii było Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 21 października 2021 r., opublikowane w Dzienniku Ustaw w dniu 5 listopada 2021 r., w sprawie rejestru magazynów energii elektrycznej. 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 uwolniłoby 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 9. Więcej informacji o magazynowaniu energii można znaleźć w miesięczniku „elektro.info” w artykułach autora w numerach 6/2020 [2] i 7–8/2020 [3].

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.

Magazyn energii jako optymalizacja pracy systemu fotowoltaicznego

Obecnie w Polsce układy współpracy generatora fotowoltaicznego z elektrochemicznym magazynem energii (akumulatorem) znajdują zastosowanie ograniczone głównie do sytuacji, kiedy nie ma możliwości podłączenia się do sieci energetycznej bądź też kiedy dostęp ten jest w bardzo dużym stopniu utrudniony. Dotyczy to zwłaszcza odległych od infrastruktury domków letniskowych, obiektów turystycznych oraz sygnalizacji i oświetlenia.

Znacznie większą popularnością cieszą się instalacje łączące zalety systemów on-grid z off-grid, ponieważ umożliwiają zarówno korzystanie z sieci elektroenergetycznej, jak i nabycie pewnej niezależności od dostawcy energii. W przypadku przerwy w dostawie energii od operatora, instalacja jest w stanie funkcjonować w pełni samodzielnie i dostarczać prąd na własne potrzeby. Dodatkowo, stosowane w rozwiązaniach typowo hybrydowych magazyny energii pozwalają zmniejszyć jej szczytowy pobór bezpośrednio z sieci. Na rysunku 10. przedstawiono udział produkcji energii w generatorach fotowoltaicznych ze źródeł off-grid w zestawieniu ze źródłami podłączonymi 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. 3.).

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 tego typu pozbawione są wad instalacji z kolektorami cieczowymi, takich 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 ma 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, a być może również braki mocy w systemie. Dlatego, aby w sposób jak najbardziej skuteczny zabezpieczyć system energetyczny przed potencjalnymi brakami w dostawach i nagłymi skokami mocy w sieci w chwilach znacznie zwiększonej podaży, konieczne jest wdrożenie alternatywnego źródła energii na czas, kiedy występuje jej deficyt, a także dodatkowego odbioru w sytuacjach nadmiernej produkcji. Takim przyszłościowym „źródłem mocy” wydaje się być magazyn 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.

Należy również zauważyć, że w reakcji na koszty opłaty mocowej, jak i 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 wielkopowierzchniowe.

Podsumowanie

Systemy fotowoltaiczne są już na tyle rozpowszechnione, że użytkownicy często zastanawiają się nie tylko nad instalacją nowego czy powiększeniem starego systemu, ale także nad jego modernizacją i optymalizacją. Specyfika generacji energii elektrycznej przez generatory PV sugeruje zastosowanie magazynu energii jako optymalizację systemu. Przy rosnących cenach paliw jest to dobra alternatywa np. dla generatorów spalinowych służących jako back-up zasilania OZE, szczególnie tam, gdzie niewskazane jest używanie sieci elektroenergetycznej jako wirtualnego back-upu.

Literatura

1. Agencja Rynku Energii, https://www.rynekelektryczny.pl/moc-zainstalowana-fotowoltaiki-w-polsce 
2. Bakoń T., Technologie magazynowania i zastosowanie magazynów energii, elektro.info 6/2020, ss. 60-64
3. Bakoń T., Wybrane metody magazynowania energii i ich zastosowanie w systemie elektroenergetycznym, elektro.info 7-8/2020, ss. 74-77
4. Bakoń T., Polskie klastry energii jako droga do podniesienia efektywności energetycznej, elektro.Info 9/2022, ss. 24-28
5. Bakoń T., Składanek Ż., Zwiększenie produkcji energii w generatorach fotowoltaicznych poprzez zastosowanie technologii bifacjalnej, elektro.Info 6/2022, ss. 28-35
6. Banul W., Wpływ generatorów fotowoltaicznych na rynek magazynów energii, Praca dyplomowa SGGW WIP 2022
7. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych z dnia 23 kwietnia 2009 r.
8. European Commission, Clean Energy Observatory, Fotovoltaics in European Union, 2022
9. 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
10. Rynek fotowoltaiki w Polsce 2020, Raport Instytutu Energetyki Odnawialnej, https://ieo.pl/pl/raporty, 2020
11. Ustawa o rynku mocy, Dz. U. z 2021 r. poz. 1854 z dnia 8 grudnia 2017 r.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!