Pompy ciepła, fotowoltaika i dotacje

Coraz częściej instalacje pompy ciepła i fotowoltaiki są częściowo zsynchronizowane w celu maksymalnego wykorzystania ich możliwości. Głównym celem działania pompy ciepła jest przygotowanie systemowo ciepła i chłodu (najczęściej poprzez pośrednie oddanie lub pobranie ciepła w systemach wodnego ogrzewania i chłodzenia płaszczyznowego), natomiast instalacja fotowoltaiczna ma za zadanie wytworzyć energię elektryczną, która może również posłużyć do napędu pompy ciepła.

megatrend «zmiana społeczna, polityczna lub technologiczna, wywierająca przez pewien czas wpływ na wszystkie dziedziny życia» słownik języka polskiego PWN

Zapewne czytelnicy InstalReportera, którzy są właścicielami firm instalacyjnych włączyli już fotowoltaikę i pompy ciepła do swojego obszaru działalności. Każdego dnia widzimy, jak przybywa instalacji fotowoltaicznych w naszym najbliższym otoczeniu. Wydawać by się mogło, że instalacje te nie wpływają na zmniejszenie efektu smogu – jednak patrząc szerzej, możemy stwierdzić, że prosumenci (osoby, które produkują prąd na własne potrzeby) coraz częściej po instalacji fotowoltaicznej decydują się również na zamianę kotła stałopalnego na pompę ciepła.

POMPY CIEPŁA ZWIĘKSZAJĄ AUTOKONSUMPCJĘ (rys. 1, 2)

W założeniach prawnych dotyczących prosumentów, energia eklektyczna wyprodukowana przez właściciela instalacji fotowoltaicznej i oddana do sieci energetycznej może zostać pobrana z powrotem w ilości 80% (przy instalacjach do 10 kWp) lub 70% (przy instalacjach fotowoltaicznych od 10 do 40 kWp). Pompy ciepła w założeniu przy zastosowaniu odpowiedniego oprogramowania mogą zwiększyć średni współczynnik autokonsumpcji energii elektrycznej (tzn. energia, która w danej chwili jest produkowana poprzez panele fotowoltaiczne – w tym samym momencie jest pobierana przez urządzenia domowe). Pompy ciepła są urządzeniami, które zabudowane w odpowiednio przygotowanych instalacjach (np. współpracujące z ogrzewaniem podłogowym jako magazynem energii cieplnej) mogą zwiększyć stopień autokonsumpcji energii elektrycznej produkowanej w danym momencie (dotyczy to zwłaszcza okresu grzewczego ze szczególnym uwzględnieniem okresu jesień i wiosna oraz produkcji wody użytkowej przez okres całego roku).

1  Profil zużycia energii elektrycznej w domu jednorodzinnym w ciągu dnia roboczego – szare pole w części może zostać wykorzystane do napędu pompy ciepła i zmagazynowania w postaci ciepła dla budynku bez kosztów opustu [Źródło: materiały szkoleniowe Hewalex]

2  Przykładowa zależność wytworzonej energii elektrycznej z PV oraz poboru energii elektrycznej w budynku na cele grzewcze i bytowe w odniesieniu do magazynu PROSUMENT [Źródło: materiały szkoleniowe Hewalex]

SMART GRID

Inteligentna sieć energetyczna (smart grid, sieć inteligentna) – inteligentne sieci elektroenergetyczne, gdzie istnieje komunikacja między wszystkimi uczestnikami rynku energii mająca na celu dostarczanie usług energetycznych, zapewniając obniżenie kosztów i zwiększenie efektywności oraz zintegrowanie rozproszonych źródeł energii, w tym także energii odnawialnej.
W krajach, gdzie energetyka odnawialna ma większy udział w krajowym mikście energetycznym (np. Dania, Niemcy), coraz większą uwagę przywiązuje się do zmniejszenia różnic w zapotrzebowaniu energetycznym w ciągu doby. Na wykresie pokazany jest rozkład mocy na podstawie danych z Polskich Sieci Energetycznych (rys. 3) – widzimy tu, że największe zapotrzebowanie na moc elektryczną występuje w godzinach pomiędzy 6 a 22.

3  Rozkład zapotrzebowania mocy Krajowej Sieci Energetycznej w wybranych dniach w sezonie grzewczym, letnim, wiosenno-jesiennym i zimowym [Źródło: PSE]

W godzinach nocnych zapotrzebowanie na moc energetyczną jest dużo niższe.
Z jednej strony współpraca instalacji fotowoltaicznej z krajowym systemem energetycznym dobrze się uzupełnia (zgodność akurat w tym obszarze jest dobra, ale są inne obszary, które wymagają szybkich modernizacji sieci).
Na przykładzie niemieckiego rynku operator sieci, do której przyłączone jest urządzenie typu pompa ciepła wymaga zastosowania 4 sygnałów:
1) blokada urządzenia – zwykle na dwie godziny w ciągu doby, kiedy energia jest najdroższa.
Powoduje to obniżenie kosztów ogrzewania budynku pompą ciepła, jednakże wymaga zwiększenie mocy grzewczej urządzenia o 8-10%;
2) tryb normalny – gdzie urządzenie włącza i wyłącza się wg standardowego trybu pracy;
3) tryb podwyższony – niska cena energii powoduje, że warto w tym czasie wytwarzać ciepło
i magazynować je w buforze lub w wylewce ogrzewania podłogowego (tylko w ramach komfortu użytkowania budynku);
4) tryb wymuszony – nakazujący pracę urządzenia grzewczego w celu wykorzystania nadwyżek z sieci energetycznej do maksymalnych zakresów nastawionych w regulatorze.
W Polsce jako pierwszy dystrybutor energii Energa-Operator realizuje pilotażowy dla polskich warunków projekt inteligentnego zarządzania siecią energetyczną na Półwyspie Helskim.

POMPY CIEPŁA a FOTOWOLTAIKA i bilansowanie międzyfazowe

Jeśli zastosowana instalacja fotowoltaiczna jest jednofazowa i zastosowano również jednofazową pompę ciepła, to w momencie produkcji energii z instalacji fotowoltaicznej, będzie ona bilansowana wyłącznie w momencie, gdy pompa ciepła i instalacja fotowoltaiczna są podłączone do tej samej fazy. Jeśli podłączone są do innych faz, to wyprodukowana energia zostanie oddana do sieci energetycznej, a inną fazą zostanie pobrana energia z sieci do napędu pompy ciepła. Taki sposób podłączenia powoduje, że autokonsumpcja jest obniżona i tracimy na takim podłączeniu 20 lub 30% energii w zależności od wielkości instalacji.
W przypadku instalacji fotowoltaicznych z inwerterem trójfazowym nie ma jednak już znaczenia, czy zastosujemy pompę ciepła ze sprężarką jedno- czy trójfazową. W tym przypadku obciążenie faz nie musi być równomierne – bilansowanie międzyfazowe następuje w liczniku energetycznym dostarczonym przez dystrybutora energii elektrycznej.

FOTOWOLTAIKA – LEPSZA WSPÓŁPRACA Z MATAMI GRZEWCZYMI CZY POMPĄ CIEPŁA?

Duża część inwestorów zadaje pytanie: dlaczego nie wytworzyć większej ilości energii elektrycznej i bezpośrednio nie ogrzewać domu?
Przecież można zamontować większą liczbę paneli fotowoltaicznych i zainwestować w elektryczne ogrzewanie budynku (oczywiście w takiej konfiguracji ogrzewania wykluczone jest również chłodzenie latem tą samą instalacją). Taka inwestycja może mieć sens, ale wyłącznie w budynkach o bardzo małym zapotrzebowaniu na ciepło do ogrzewania (wyłącznie budynki pasywne lub o bardzo małej powierzchni).
Dlaczego w standardowych budynkach takie rozwiązanie traci sens? Statystyczna rodzina w budynku mieszkalnym zużywa 2000-4500 kWh energii elektrycznej w ciągu roku na cele bytowe, takie jak oświetlenie i sprzęt RTV/AGD. W nowym budownictwie dla obiektów o powierzchni ok. 150 m2 zapotrzebowanie na cieplną moc szczytową wynosi 6-8 kW, co przekłada się na zapotrzebowanie na energię cieplną do ogrzania budynku najczęściej w zakresie 10 000-15 000 kWh/rok. Przy założeniu, że chcemy pokryć całość zapotrzebowania na energię cieplną, ogrzewając budynek elektrycznie, inwestor musiałby zainwestować w instalację fotowoltaiczną
o mocy min. 16-20 kWp (przy wykorzystaniu systemu opustów).

Pompa ciepła, żeby wyprodukować 10 000-15 000 kWh energii cieplnej w ciągu roku wymaga dostarczenia tylko ok. 3000-4000 kWh energii elektrycznej (dla obiektów z niskotemperaturowym systemem grzewczym). Sumaryczna ilość energii elektrycznej na cele bytowe i grzewcze wynosi więc 5000-8500 kWh w skali roku. Oczywiście, jeśli oczekujemy pełnego pokrycia potrzeb instalacją fotowoltaiczną musimy przewymiarować system o straty związane z systemem opustu.

W przypadku współpracy instalacji fotowoltaicznej z pompą ciepła możemy jednak mówić o możliwości zastosowania najbardziej opłacalnej
z punktu widzenia konsumenta instalacji do 10 kWp – co w przypadku ogrzewania elektrycznego praktycznie nigdy nie będzie możliwe (dla typowego budownictwa w Polsce). Koszty inwestycyjne najczęściej również będą bardziej opłacalne dla instalacji pompa ciepła + fotowoltaika, niż ogrzewanie elektryczne + fotowoltaika w większej ilości.

4  [Źródło: https://drive.google.com/file/d/138JEl03GPqnkz-0fwiq7xIRIbE3SOByr/view]

DOTACJE – ROZGRZEWAJĄ RYNEK NA POMPY CIEPŁA I FOTOWOLTAIKĘ

W tym momencie wśród ankietowanych bardzo niewiele osób jest w stanie wskazać możliwość uzyskania dotacji na wymianę urządzenia grzewczego. Według raportu (rys. 4) „Ocena programu wspierającego wymianę kotłów węglowych i termomodernizację domów jednorodzinnych” wyłącznie 9% ankietowanych zdaje sobie sprawę z możliwości dofinansowania
z programu do wymiany przestarzałego kotła stałopalnego i termomodernizacji budynku – Czyste Powietrze. Praktycznie zerowa świadomość społeczeństwa jest w przypadku ulg podatkowych.
Najbardziej znane ogólnokrajowe programy dotacyjne dla pomp ciepła i fotowoltaiki:
A) Program MÓJ PRĄD – dotacja do instalacji fotowoltaicznej
B) Program Czyste Powietrze (wymiana źródła grzewczego i termomodernizacja budynku)
C) Ulga podatkowa (rys. 5)

5  [Źródło: Poradnik inwestora – ulga termomodernizacyjna 2019]

PRZYKŁAD DOMU Z POMPĄ CIEPŁA I FOTOWOLTAIKĄ

Dom zbudowany ok. 15 lat temu w Beskidzie Żywieckim, głównym ogrzewaniem do momentu zainstalowania pompy ciepła był kocioł gazowy. Dom ma ok. 150 m2, ocieplony jest styropianem o grubości 10 cm, okna dwuszybowe, ciepło w instalacji rozprowadzane jest częściowo przez ogrzewanie podłogowe, jednak w większości przez grzejniki.
Kilka lat temu inwestor zdecydował się na montaż paneli fotowoltaicznych o całkowitej mocy 10 kWp w przydomowym ogrodzie. Dla zbilansowania energii zmagazynowanej w sieci w ramach opustu dogrzewał pomieszczenia za pomocą elektrycznych grzejników olejowych. Cena ogrzewania gazem nie spadła jednak do satysfakcjonującego poziomu, a jednocześnie uciążliwe stało się włączanie i przemieszczanie masywnych grzejników olejowych.
Po zainstalowaniu pompy ciepła i całorocznej eksploatacji (od lipca do czerwca następnego roku) właściciel budynku musiał dopłacić za 50 kWh energii elektrycznej, tj. ok. 30 zł (należy doliczyć do tego rachunku jeszcze opłaty stałe za utrzymanie łącza elektrycznego do budynku). Według analizy inwestora, jeśli 2-3 ostatnie tygodnie czerwca nie byłyby tak bardzo pochmurne, to bilans roczny z zakładem energetycznym wyszedłby na plus.

6  Jednostka zewnętrzna pompy ciepła w modernizowanym budynku
[Źródło: materiały szkoleniowe Hewalex]

PODSUMOWANIE

Pompy ciepła połączone z instalacją fotowoltaiczną to technologia przyszłości. Na ten moment dzięki możliwości magazynowania energii elektrycznej w sieci energetycznej system jest kompleksowy.
Jeszcze kilkanaście lat temu wydawało się, że najlepszą formą w budownictwie jest oszczędzanie/ograniczenie wielkości energii potrzebnej do ogrzewania lub chłodzenia budynku – stąd bardzo aktywny stał się trend budowy domów pasywnych. W tym momencie budownictwo jakościowe stawia na współpracę oszczędzania energii w nawiązaniu do kosztów inwestycji (budynki niskoenergetyczne) z nisko kosztowym wytwarzaniem energii (np. pompy ciepła z fotowoltaiką). Takie budynki są najczęściej tańsze w budowie, bardziej komfortowe w użytkowaniu i pozwalają na mniejsze restrykcje podczas projektowania bryły budynku.