Zastosowanie mikroinstalacji fotowoltaicznych współpracujących z siecią elektroenergetyczną w układach zasilania budynków

Problemem dla rozwoju fotowoltaiki w Polsce jest brak zrozumienia konieczności wprowadzenia skutecznych i „rzeczywistych” mechanizmów wsparcia ekonomicznego.

Rynkowe ceny komponentów systemów PV w Europie są już bardzo zbliżone, a niestety dawka promieniowania w Polsce zdecydowanie mniejsza niż w Grecji, Hiszpanii itp.

Najważniejsze zmiany w nowelizacji Ustawy o Odnawialnych Źródłach Energii

Nowelizacja ustawy o OZE [2] wprowadziła nową definicję prosumenta:

„Prosument – odbiorca końcowy dokonujący zakupu energii elektrycznej na podstawie umowy kompleksowej, wytwarzający energię elektryczną wyłącznie z odnawialnych źródeł energii w mikroinstalacji, w celu jej zużycia na potrzeby własne, niezwiązane z wykonywaną działalnością gospodarczą regulowaną ustawą z dnia 2 lipca 2004 r. o swobodzie działalności gospodarczej”.

Definicja rozszerza grono podmiotów, które będą mogły korzystać z preferencyjnego systemu rozliczeń w postaci opustów oraz z dodatkowych preferencji administracyjnych na etapie inwestycyjnym i operacyjnym.

Aktualnie mogą korzystać z tego inne rodzaje podmiotów, tj. szkoły, kościoły czy wspólnoty mieszkaniowe, a nie jak dotychczas tylko gospodarstwa domowe.

Powstały nowe zasady w funkcjonowaniu prosumentów. Zgodnie z treścią nowelizacji działania prosumentów powinny być nakierowane głównie na zaspakajanie swoich potrzeb energetycznych.

Proponowany wcześniej system taryf gwarantowanych (feed-in-tariff) dla prosumentów został zastąpiony nowym systemem wsparcia, tzw. opustami (netmeterinig), co oznacza, że prosument może rozliczyć różnicę między energią wytworzoną i pobraną.

System opustów obowiązuje dla instalacji o mocy do 40 kWp. Nadwyżka wyprodukowanej energii będzie trafiała do sieci, która będzie służyć jako tzw. magazyn energii.

Za każdą kilowatogodzinę wprowadzoną do sieci operatora prosument ma prawo otrzymać swoisty „rabat” na kupowaną przez niego energię w czasie zwiększonego zapotrzebowania wg algorytmu:

• 1 : 0,8 dla instalacji PV o mocy do 10 kW,
• 1 : 0,7 dla większych mikroinstalacji PV o mocy do 40 kW_p.

Rabat ma dotyczyć opłat zmiennych na rachunku za energię, a więc ceny energii i kosztów dystrybucji, nie obejmie jednak opłat stałych (opłaty OZE czy opłaty przejściowej).

System opustów ma obowiązywać prosumenta w okresie 15 lat, a rozliczenia będą realizowane w cyklach rocznych (po roku nadwyżka energii przepada).

Nowelizacja ustawy w żadnym z punktów nie wskazuje na brak możliwości uzyskania dotacji przy pracy mikroinstalacji w systemie opustów.

Wadą systemu opustów jest brak możliwości rozliczenia nadwyżek energii między wytwórcą a sprzedawcą pozostających po zbilansowaniu rocznym.

Efekt nowelizacji Ustawy o OZE dla przykładowego 4-osobowego gospodarstwa domowego, które płaci za energię rocznie przykładowo ok. 2280 zł (roczne zużycie energii ok. 3500 kWh) i ma instalację PV o mocy 3,12 kWp (zakładana roczna produkcja 3200 kWh – optymalna w systemie opustów – netmeterinigu) jest taki, że czas zwrotu inwestycji wydłuża się z 6,5 roku do prawie 8 lat, przy założeniu nakładu inwestycyjnego na poziomie ok. 5000 zł/kWp.

Właściciele mikroinstalacji PV zostali zwolnieni z obowiązku składania kwartalnych sprawozdań z ilości wytworzonej energii, a całość rozliczeń dokonywana będzie poprzez kompensaty na fakturze za energię raz w roku.

Obowiązek rozliczenia powstaje od daty wytworzenia po raz pierwszy energii elektrycznej z odnawialnego źródła energii i trwa przez okres kolejnych 15 lat.

W systemie opustów energia oddawana do sieci jest z niej odbierana. Dzięki temu rozwiązaniu nie występuje konieczność zapłacenia podatku VAT i dochodowego od wprowadzonej do sieci energii elektrycznej, ponieważ w ostateczności zużyjemy ją na własne potrzeby.

Nowością jest powstanie aukcyjnego systemu wsparcia OZE, który zastępuje dotychczasowe „zielone certyfikaty” i polega na tym, że rząd zamawia daną ilość energii odnawialnej, a następnie jej wytwórcy przystępują do aukcji, którą wygrywa ten, kto zaproponuje najlepsze warunki.

Kolejną zmianą, jaka pojawiła się w nowelizacji, jest wprowadzenie pojęcia „klaster energii”, który zdefiniowano następująco:

„…cywilnoprawne porozumienie, w skład którego mogą wchodzić osoby fizyczne, osoby prawne, jednostki naukowe, instytuty badawcze lub jednostki samorządu terytorialnego, dotyczące wytwarzania i równoważenia zapotrzebowania, dystrybucji lub obrotu energią z odnawialnych źródeł energii lub z innych źródeł, lub paliw, w ramach sieci dystrybucyjnej o napięciu znamionowym niższym niż 110 kV, na obszarze działania tego klastra nieprzekraczającym granic jednego powiatu w rozumieniu ustawy z dnia 5 czerwca 1998 r. o samorządzie powiatowym lub 5 gmin w rozumieniu ustawy z dnia 8 marca 1990 r. o samorządzie gminnym; klaster energii reprezentuje koordynator, którym jest powołana w tym celu spółdzielnia, stowarzyszenie, fundacja lub wskazany w porozumieniu cywilnoprawnym dowolny członek klastra energii”.

Operator systemu dystrybucyjnego elektroenergetycznego, z którym będzie współpracować klaster energii, zobowiązany jest do podpisania z koordynatorem klastra energii umowy o świadczenie usług dystrybucji. Klastry energii są pewną odmianą spółdzielni energetycznych, popularnych na Zachodzie Europy (np. w Niemczech, Danii, Francji, Włoszech czy Wielkiej Brytanii).

Ustawa OZE (art. 4 ust. 3 ustawy o OZE) wprowadza obowiązek bilansowania międzyfazowego przy pomiarze produkcji i zużycia energii przez prosumenta w instalacjach trójfazowych. Polega to na tym, że jeżeli mamy 3-fazową instalację PV o mocy 3 kW oraz przyłączony odbiornik jednofazowy o mocy 3 kW (rys. 1.), to w takim przypadku przy braku bilansowania międzyfazowego licznik energii w ciągu godziny pokaże produkcję 2 kWh energii oraz zużycie 2 kWh energii, naturalnemu zbilansowaniu ulegnie jedynie 1 kWh. Jeżeli licznik dokonywałby bilansowania, zarówno produkcja, jak i pobór wynosiłyby 0 kWh.

W ustawie OZE nie objęto jednak bilansowaniem międzyfazowym instalacji jednofazowych.

Jeżeli mamy 1-fazową instalację PV o mocy 3 kW oraz przyłączony odbiornik jednofazowy o mocy 3 kW, to w przypadku gdy instalacja PV będzie podłączona do innej fazy niż odbiornik energii, licznik energii pokaże w ciągu godziny pobór 3 kWh energii oraz produkcję energii 3 kWh (rys. 2.).

Zerowe zużycie energii można osiągnąć w przypadku, gdy dostarczanie mocy przez instalację PV oraz pobór mocy odbywa się w ramach jednej fazy, oraz o równej wartości (rys. 3.). W tym przypadku, jeżeli 3-fazowy licznik OSD nie bilansuje energii, 1-fazowy falownik PV dołączamy do fazy najbardziej obciążonej w instalacji.

W przypadku najmniejszych instalacji do 3 kW zasadniczo dostępne są tylko falowniki jednofazowe.

Z kolei powyżej 4,6 kW z uwagi na wymogi OSD konieczne jest stosowanie falowników trójfazowych.

Realny wybór pojawia się w przypadku instalacji PV 3–4,5 kW, które są typowe dla domków jednorodzinnych. Z ekonomicznego punktu widzenia zastosowanie falownika 3-fazowego podnosi bieżącą konsumpcję własną, z drugiej strony małe falowniki 3-fazowe są istotnie droższe od falowników jednofazowych. Prosumenci, którzy podchodzą do inwestycji czysto ekonomicznie, powinni do 4,5 kW postawić na falowniki jednofazowe, a optymalnym rozwiązaniem byłoby posiadanie w budynku instalacji 1-fazowej, co w Polsce nie jest powszechnym rozwiązaniem.

Typowe konfiguracje współpracy mikroinstalacji PV z siecią elektroenergetyczną (EE)

Z punktu widzenia mikroinstalacji PV instalowanych w domach jednorodzinnych celowe wydaje się następujące działanie wyprzedzające:

• w przypadku instalacji 3-fazowej rozważyć zastosowanie 3-fazowego falownika PV (rozwiązanie niekorzystne ekonomicznie),
• rozważyć, jeżeli to możliwe technicznie (przekroje przewodów, posiadane typy odbiorników itp.), zmianę przyłącza z 3-fazowego na 1-fazowe i zastosowanie 1-fazowego falownika PV,
• jeżeli mamy instalację 3-fazową i stosujemy 1-fazowy falownik PV – dołączyć go do fazy najbardziej obciążonej lub dociążyć tę fazę obwodami o odbiorach zsynchronizowanych z generacją energii z falownika PV,
• przeprowadzenie analizy opłacalności dla przyłączy o rozliczeniach dwutaryfowych (opusty są wtedy rozliczane oddzielnie dla strefy „dziennej” i „nocnej”).

Na rys. 4. przedstawiono ogólny schemat z zaznaczeniem punktu PCC, w którym dołączamy mikroinstalację PV do sieci EE niskiego napięcia (nn).

Aktualnie obowiązujące w Polsce prawo w zakresie mikroinstalacji PV (do 40 kW) sprawia, że jej wielkość należy dostosować do rocznego zużycia energii. Najczęściej są to więc instalacje niewielkie, ok. 3 kW, w których stosuje się 1-fazowe falowniki PV.

W związku z brakiem obowiązku bilansowania międzyfazowego dla 1-fazowych falowników PV przez OSD należy poszukiwać takich konfiguracji, które zminimalizują oddawanie energii do sieci EE. Problem ten nie dotyczy droższych 3-fazowych falowników PV małych mocy.

Wirtualny „magazyn energii”, jakim jest sieć EE, kompensuje wprawdzie różnice w poziomie generacji fotowoltaicznej w ciągu roku, ale niestety ze względu na opusty tracimy 20% lub 30% energii. Dlatego też staramy się tak skonfigurować system PV, aby zminimalizować ilość energii oddawanej do sieci EE, co pokazano na rys. 5. i rys. 6.

Alternatywnym rozwiązaniem może być magazynowanie energii na własne potrzeby w postaci innego nośnika, np. w formie CWU. Takie rozwiązanie można zrealizować przez zastosowanie dodatkowego urządzenia – kontrolera mocy zwrotnej (rys. 7.).

Zasada funkcjonowania tego typu urządzeń polega na załączaniu grzałki (grzałek) do podgrzewania CWU w czasie, gdy dysponujemy nadwyżką „zielonej energii”. Zaletą tego rozwiązania jest to, że jest ono skuteczne i niezależne od typu licznika zastosowanego przez OSD, a wadą strata energii, wynikająca z przemiany energii elektrycznej na cieplną.

Zasilanie wydzielonych obwodów wewnętrznej instalacji budynku z systemów PV

Automatyczny przełącznik źródła zasilania (APZ) służy do zachowania ciągłości zasilania, tj. przełączania wydzielonego obwodu pomiędzy przetwornicą a siecią dostawcy. Takie przełączenie powinno być realizowane zarówno dla przewodów fazowych, jak i neutralnych. Automatyczny przełącznik zasilania można używać również jako zabezpieczenie awaryjne lub przełącznik faz.

Przełącznik APZ może być wykonany jako natychmiastowy lub opóźniony. Przełącznik natychmiastowy przełącza obwody nie powodując przerw w zasilaniu obwodu wydzielonego. Przełącznik opóźniony stosuje się wszędzie tam, gdzie wymagana jest niewielka przerwa w zasilaniu obciążenia. Takim przypadkiem jest obciążenie indukcyjne (silniki), które powinny się zatrzymać, nim zostaną ponownie uruchomione.

Wszyscy producenci przekaźników podają maksymalne obciążenie styków przekaźnika dla obciążeń rezystancyjnych, czyli AC-1. Jeśli ktoś zechce podłączać czy przełączać linie, których obciążeniem są silniki indukcyjne, powinien sprawdzić, do jakiej mocy można stosować takowy przełącznik i czy w ogóle można stosować go do przełączania obciążeń indukcyjnych.

Takie rozwiązanie (rys. 8.) współpracy systemów PV z siecią może być realizowane tylko dla zasilania wydzielonych obwodów wewnętrznej instalacji w budynku (np. oświetlenia podstawowego i awaryjnego, systemów alarmowych, monitoringu CCTV, kontroli dostępu, sieci komputerowych i telekomunikacyjnych).

Alternatywą dla tego typu rozwiązań jest stosowanie specjalnych przetwornic solarnych, przeznaczonych do współpracy z generatorami PV i akumulatorami (np. MEANWELL TN-1500/3000).

Wspólną cechą tego typu rozwiązań jest to, że mikroinstalacja PV może współpracować z wydzielonymi obwodami odbiorczymi budynku w konfiguracji priorytetowej lub jako backup. Konfigurację tę można zmieniać w zależności od ilości promieniowania słonecznego i potrzeb (np. ciągłość zasilania w wydzielonym obwodzie).

Mikroinstalacje PV dołączone do sieci EE z własnymi magazynami energii

Osiągnięcie samowystarczalności i niezależności od sieci EE w przypadku mikroinstalacji PV jest w Polsce ekonomicznie nieuzasadnione. Optymalne rozwiązanie to minimalizacja ilości energii zarówno pobieranej, jak i oddawanej do sieci EE. Taki stan można osiągnąć przez zastosowanie w mikroinstalacji PV specjalnego magazynu energii. Przykładowe rozwiązania tego typu proponowane przez dwóch wiodących producentów falowników przedstawiono na rys. 9. i rys. 10.

Wspólną cechą tych konfiguracji jest konieczność optymalnego sterowania przepływem energii. Systemy takie zapewniają podtrzymanie zasilania w przypadku zaniku napięcia w sieci EE, co wiąże się z wymuszeniem trybu pracy backup, który odłącza w tym czasie instalację budynku z przyłączoną mikroinstalacją PV od sieci EE.

Opis przykładowej procedury zgłoszenia przyłączenia mikroinstalacji PV do sieci EE

Przyłączenia mikroinstalacji PV w trybie zgłoszeniowym może dokonać odbiorca końcowy, który:

• dokonuje zakupu energii na własny użytek (nie zalicza się do tego energii elektrycznej zakupionej na potrzeby wytwarzania, przesyłania lub dystrybucji),
• jest stroną umowy o świadczenie usług dystrybucji energii elektrycznej lub umowy kompleksowej – niezależnie od tego, czy jest osobą fizyczną, czy prowadzi działalność gospodarczą.

Wytwarzanie energii elektrycznej w mikroinstalacji nie wymaga uzyskania koncesji na wytwarzanie energii. Zgodnie z Ustawą o OZE tryb przyłączenia mikroinstalacji PV na zgłoszenie różni się w zależności od statusu odbiorcy końcowego, rozróżnia się prosumenta i wytwórcę w mikroinstalacji niebędącego prosumentem (rys. 11.).

Budowa mikroinstalacji PV i instalacji łączącej ją z siecią elektroenergetyczną powinna zostać wykonana przez uprawnionego instalatora. Instalator musi posiadać odpowiednie kwalifikacje pozwalające na montaż źródeł wytwórczych, tj.:

• ważny certyfikat potwierdzający kwalifikacje do instalowania odnawialnych źródeł energii (art. 136 i art. 145 ustawy o odnawialnych źródłach energii) lub
• ważne świadectwo kwalifikacyjne uprawniające do zajmowania się eksploatacją urządzeń, instalacji i sieci w zakresie dozoru i w zakresie eksploatacji lub
• uprawnienia budowlane w specjalności instalacyjnej w zakresie sieci, instalacji i urządzeń elektrycznych i elektroenergetycznych.

Po zainstalowaniu mikroinstalacji należy powiadomić o tym fakcie operatora OSD poprzez złożenie zgłoszenia przyłączenia mikroinstalacji, nie później niż w terminie 30 dni przed dniem planowanego przyłączenia mikroinstalacji do sieci.

Zgłoszenie (specjalny formularz) przyłączenia mikroinstalacji PV zawiera:

• dane mikroinstalacji PV, w tym:
  — termin przyłączenia mikroinstalacji,
  — planowaną lokalizację mikroinstalacji,
  — rodzaj mikroinstalacji,
  — moc zainstalowaną elektryczną mikroinstalacji,
  — typy urządzeń służących do wytwarzania energii elektrycznej,
• dane osobowe,
• dane techniczne.

Do zgłoszenia należy dołączyć następujące dokumenty:

• schemat instalacji elektrycznej obiektu przedstawiający sposób podłączenia mikroinstalacji z zaznaczonym miejscem rozgraniczenia własności stron, podpisany przez instalatora, zawierający dane techniczne i ilościowe poszczególnych elementów mikroinstalacji (przykładowy schemat przedstawiono na),
• dokumentację techniczną zawierającą parametry techniczne, charakterystykę ruchową i eksploatacyjną przyłączanych urządzeń, instalacji lub sieci, w tym specyfikację techniczną, karty katalogowe urządzeń wytwórczych i przekształtnikowych (w języku polskim),
• pełnomocnictwa dla osób upoważnionych przez zgłaszającego do występowania w jego imieniu.

Zgłoszenie mikroinstalacji może obejmować zakresem kilka typów źródeł. Instalacja OZE przyłączana w jednym punkcie nie musi obejmować jednego rodzaju OZE, dopuszcza się instalowanie hybrydowych instalacji OZE.

Chcąc wprowadzać wytworzoną energię elektryczną w mikroinstalacji do sieci, należy zawrzeć:

• umowę kompleksową lub
• umowę sprzedaży energii oraz umowę o świadczenie usług dystrybucji.

Prosument wytworzoną energię elektryczną z mikroinstalacji PV wprowadza do sieci na podstawie umowy kompleksowej. Po otrzymaniu potwierdzenia danych technicznych przyłączonej mikroinstalacji prosument powinien się zwrócić do sprzedawcy, z którym ma zawartą umowę kompleksową w celu jej zaktualizowania (podpisania aneksu).

Wytwórca niebędący prosumentem po otrzymaniu potwierdzenia kompletności złożonych dokumentów zobowiązany jest do zawarcia z operatorem OSD umowy o świadczenie usług dystrybucji z wytwórcą energii elektrycznej w mikroinstalacji oraz umowy sprzedaży energii elektrycznej wytworzonej w mikroinstalacji z wybranym sprzedawcą (kupującym), na podstawie której możliwe będzie sprzedawanie energii elektrycznej wprowadzanej do sieci z mikroinstalacji.

Odbiorca końcowy wytwarzający energię elektryczną z odnawialnych źródeł energii w mikroinstalacji, ma obowiązek poinformować operatora systemu dystrybucyjnego elektroenergetycznego, do sieci którego została przyłączona mikroinstalacja:

• w terminie 14 dni od dnia dokonania zmiany o:
  — zmianie danych (rodzaju lub mocy mikroinstalacji). Powiadomienia dokonuje się poprzez złożenie zgłoszenia aktualizacji mikroinstalacji,
• w terminie 45 dni od dnia zdarzenia o:
  — zawieszeniu trwającym od 30 dni do 24 miesięcy wytwarzania energii elektrycznej z mikroinstalacji,
  — zakończeniu wytwarzania energii elektrycznej w mikroinstalacji.

Wnioski

1. Aktualnie obowiązujące w Polsce prawo nie jest mechanizmem wsparcia, który przypominałby, choć w niewielkiej części podobne programy, np. w Niemczech. Faktura prosumenta jest tak zawiła, że nawet dla OSD stanowi wyzwanie (opóźnienia rozliczeń).

2. W przyszłości optymalnym rozwiązaniem prawdopodobnie będą przydomowe magazyny energii, współpracujące z mikroinstalacjami PV.

3. Dużo instalacji jest wykonywanych niewłaściwie, pomimo że na stronie UDT jest już ponad 2000 instalatorów w całej Polsce. Czy system szkoleń instalatorów jest właściwy?

4. Po nowelizacji ustawy o OZE w czerwcu 2016 spadła liczba nowych mikroinstalacji PV w stosunku do planowanych przy zakładanej taryfie gwarantowanej (FIT).

5. Nasuwa się pytanie: jak rosnąca liczba rozproszonych mikroinstalacji PV dołączanych do sieci EE wpłynie na parametry jakościowe energii i czy sieć EE jest na to przygotowana?

Literatura

1. Nowicki M.: Nadchodzi era Słońca. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012.
2. Ustawa z dnia 22 czerwca 2016 r. o zmianie ustawy o odnawialnych źródłach energii oraz niektórych innych ustaw. Warszawa, dnia 28 czerwca 2016 r. Poz. 925. Źródło: http://isap.sejm.gov.pl/DetailsServlet?id=WDU20150000478 [dostęp: wrzesień 2017].
3. Szymański B.: Bilansowanie międzyfazowe a ekonomika falowników jednofazowych. Blog: http://solaris18.blogspot.com [dostęp: wrzesień 2017].
4. Instrukcje obsługi produktów firmy SMA dostępne na polskiej stronie producenta: http://www.sma-solar.pl [dostęp: wrzesień 2017].
5. Instrukcja obsługi kontrolera mocy zwrotnej, dostępna na stronie dystrybutora http://www.ledats.pl [dostęp: wrzesień 2017].
6. Opis przełącznika APZ na stronie dystrybutora https://elektrownia.mat-hurtownia.com.pl [dostęp: wrzesień 2017].
7. Instrukcje obsługi produktów firmy FRONIUS dostępne na stronie producenta: http://www3.fronius.com [dostęp: wrzesień 2017].
8. Strona dystrybutora OSD – ENERGA OPERATOR S.A. http://www.energa-operator.pl/uslugi/przylaczenie_do_sieci/przylaczenie_wytworcy_energii/mikroinstalacja_zgloszenie.xml [dostęp: wrzesień 2017].

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!