Bilansowanie energii, czyli… autokonsumpcja energii z fotowoltaiki?

System rocznego bilansowania energii elektrycznej z fotowoltaiki miał promować zużycie energii na potrzeby własne w budynku i w dużej mierze tak oczywiście jest. Jednak z uwagi na charakter pracy instalacji PV, powodujący wzrost napięcia w miejscu przyłączenia oraz profil produkcji energii w zestawieniu z profilem zużycia energii w budynku takie rozwiązanie nie wpływa korzystnie na zachowanie sieci. Zdaniem ekspertów energetyki zawodowej, zielona energia elektryczna z instalacji fotowoltaicznych, która powstaje po stronie sieci o niskim napięciu, powinna być po tej samej stronie konsumowana. Ta kwestia została nawet poruszona na zeszłorocznej konferencji podsumowującej program Mój Prąd, na której wiceprezes PGE Dystrybucja apelował, aby mocniej promować autokonsumpcję.

Na co zużyć energię elektryczną z PV?

Jak możemy wpłynąć na zwiększenie stopnia bieżącego wykorzystania energii produkowanej przez instalację PV? Poprzez zmuszanie do pracy urządzeń, które zużywają duże ilości energii i które mogą pracować bez naszej obecności. Oczywiście wykonywana przez nie praca powinna być dla nas użyteczna. Może to być załączanie czasowe zmywarki, czy pralki. Nie można jednak oczekiwać, że osiągniemy spektakularny efekt, ale oczywiście jest to krok w dobrą stronę. Ilość energii wykorzystanej w tej sposób na potrzebny własne może wzrosnąć o około 1,8 kWh.
Cykl pracy pralki (obliczając wg etykiety dla 220 dni cykli na rok) to zużycie energii około 0,9 kWh.
Cykl pracy zmywarki dla programu auto (~45-65°C) to zużycie energii około 0,9 kWh.

Na forach internetowych często pojawiają się zapytania dotyczące zwiększenia stopnia autokonsumpcji, a jako rozwiązanie podaje się m.in. ogrzewanie wody użytkowej grzałką. W swoim założeniu pomysł w porządku (o ile grzałka jest po stronie AC), ponieważ ciepłą wodę łatwo i tanio możemy magazynować do późniejszego wykorzystania, ale z punktu widzenia efektywności energetycznej to bardzo słabe rozwiązanie. A to dlatego, że efektywność pracy instalacji PV na ogrzanie wody użytkowej grzałką jest niemal 3-krotnie niższa niż termicznej instalacji solarnej, uwzględniając oczywiście rzeczywistą sprawność całej instalacji. Stosując jednak urządzenie, jakim jest pompa ciepła, możemy poprawić efektywność przekształcania energii elektrycznej w cieplną i tym samym przywrócić sens magazynowania zielonej energii w ciepłej wodzie.
Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono przykłady profili zużycia energii w zimie przez pompę ciepła na cele grzewcze i przygotowanie ciepłej wody użytkowej, wraz z wrysowanym profilem produkcji energii elektrycznej z instalacji PV.
Pomysł z wykorzystaniem pompy ciepła jest oczywiście świetny w swoich założeniach, ale już nieco gorszy w realizacji. Możemy oczywiście
w dość prosty ustawić w taki sposób okresy przygotowania ciepłej wody użytkowej przez pompę ciepła, aby pokrywały się one z produkcją energii z instalacji PV. W efekcie urządzenie zrealizuje proces ogrzewania wody użytkowej w okresie „bezpłatnej” energii elektrycznej. Często jednak woda jest już nagrzana i dogrzanie o kilka stopni oznacza konieczność zużycia niewielkiej ilości energii. Oczywiście zawsze to kolejny punkt, który wraz z inteligentnym sterowaniem pracą urządzeń AGD powoduje wzrost wykorzystania energii na własne potrzeby.

Ile energii potrzeba na ogrzanie zbiornika ciepłej wody użytkowej o pojemności 300 litrów?

Możemy dodatkowo zwiększyć temperaturę osiąganą w zbiorniku wody użytkowej (rys. 5), co pozwoli na zmagazynowanie większej ilości energii. I tak dalej ziarnko do ziarnka i niewielkim wysiłkiem poprawimy efektywność instalacji i stopień bezpośredniego wykorzystania energii.
Możemy oczywiście zarzucić tym pomysłom, że pompa ciepła nie wiedząc, kiedy dokładnie warunki pogodowe są sprzyjające do pracy instalacji PV, załącza proces ogrzewania wody każdego dnia, również zimą. To jest oczywiście prawda, niemniej jednak na obronę trzeba powiedzieć, że woda użytkowa jest dobrem potrzebnym każdego dnia w roku i w przewidywanej ilości.

Praca pompy ciepła ze specjalnym licznikiem, czyli …tylko gdy energia elektryczna bezpłatna

Jest również pewien ciekawy sposób jak można to wszystko spiąć w dobrze współpracujący mechanizm reagujący na zmiany. W dużym skrócie to rozwiązanie polega na monitorowaniu ruchu energii od budynku do sieci i odpowiednim załączaniu pompy ciepła celem wykorzystania tej energii.
Czy różni się to rozwiązanie od poprzedniego? Dwoma detalami.
Po pierwsze pompa ciepła załączana jest tylko w przypadku, gdy występuje nadprodukcja energii z instalacji PV, a więc mierzona jest energia netto, uwzględniająca konsumpcję energii przez budynek.
Po drugie pompa ciepła załączana jest tylko, gdy ilość energii kierowana do sieci (moc elektryczna) pozwala na bezpłatną pracę sprężarki, a więc silnik sprężarki nie spowoduje dodatkowej konsumpcji energii z sieci (chociaż ten parametr można regulować).
Aby zmagazynować energię w postaci ciepłej wody użytkowej pompa ciepła podnosi wymaganą temperaturę wody o zadaną różnicę, względem nastawy użytkownika i zmusza tym samym urządzenie do pracy.
Ten sposób można również zastosować do pomp ciepła wyposażonych w sprężarki z inwerterem, dzięki czemu automatyka tak reguluje pracą sprężarki, aby zużywać w danej chwili dokładnie tyle energii, ile wynosi nadprodukcja.

Można zauważyć, że do pracy tego rozwiązania konieczne jest występowanie temperatury wymaganej przez użytkownika – innymi słowy pompa musi mieć zdefiniowany harmonogram pracy na c.w.u. – automatyka pompy ciepła musi „widzieć” zadaną temperaturę wody, aby w momencie występowania bezpłatnej energii elektrycznej móc tę wartość podnieść o zdefiniowaną różnicę. Skoro mamy już przygotowaną ciepłą wodę, to podniesienie jej teraz o kilka dodatkowych stopni nie pozwoli na zmagazynowanie dużej ilości energii.
Na szczęście ten algorytm działa nieco sprytniej. Zadaniem użytkownika jest zdefiniowanie czasów ogrzewania wody użytkowej wedle uznania np. rano i wieczorem, natomiast automatyka pompy ciepła sama te czasy przesuwa tak, aby w okresie występowania zielonej energii móc ją w pełni wykorzystać.

Taki sposób pracy może być zdefiniowany i realizowany (z pewnym drobnymi różnicami) również dla magazynowania energii elektrycznej z instalacji PV w formie ciepła w buforze wody grzewczej, dla realizacji procesu wygrzewania antybakteryjnego zbiornika wody użytkowej, a także do chłodzenia budynku. To ostatnie jest szczególnie polecane dla instalacji z aktywnym chłodzeniem.
Doświadczenie krajów zachodnich pokazuje, że umiejętne sterowanie pracą urządzeń AGD zużywających duże ilości energii elektrycznej, a których działanie nie jest zależne od naszej obecności, oraz magazynowanie energii elektrycznej w formie ciepła i chłodu, wykorzystując pompy ciepła, pozwala na zwiększenie stopnia wykorzystania energii elektrycznej na potrzeby własne nawet do 60%.
Warto zaznaczyć, że algorytmy i inteligentne sterowanie na nic się zdadzą, jeżeli licznik współpracujący z pompą ciepła nie będzie poprawnie wpięty w instalację elektryczną. Chcemy wykorzystać nadwyżkę energii z instalacji PV, a wzbudzenie pompy ciepła do pracy nie może powodować „zniknięcie” energii z licznika. Falownik instalacji PV powinien zostać wpięty do rozdzielnicy w budynku poprzez licznik energii komunikujący się z pompą ciepła, a miejsce wpięcia powinno znajdować się pomiędzy ochronnikiem przeciwprzepięciowym a zabezpieczeniem różnicowo-prądowym. Pompa ciepła wyposażona we własne zabezpieczenia, w tym własny RCD podłączona jest za licznikiem. Szczegółowe schematy przyłączenia liczników 1- i 3-fazowych znajdują się w materiałach szkoleniowych Akademii Viessmann.