Technologia fotowoltaiczna wyszła już dawno z laboratoriów i coraz częściej stosowana jest przez przeciętnego użytkownika. Rewolucja słoneczna na dobre w Europie rozpoczęła się już w 2000 roku. W Polsce nadal jednak nie wszyscy odróżniają kolektor słoneczny od modułu fotowoltaicznego, czy ogniwo od panela PV.

Wydaje się, że mimo starań „lobby węglowego” aby utrzymać status quo (tj. dominację w Polsce czarnej energii pochodzącej z węgla) technologia OZE będzie traktowana jednak jako równorzędne z paliwami kopalnymi źródło energii i jest tylko kwestią czasu, kiedy produkowanie energii elektrycznej i cieplnej z węgla, czy z innych paliw kopalnych odejdzie do lamusa. Czekamy tylko na opracowanie wystarczająco pojemnych i tanich akumulatorów energii elektrycznej. Wraz ze zwiększaniem się globalnego zapotrzebowania ludzkości na energię, zmniejsza się zapotrzebowanie energii do celów grzewczych w domach jednorodzinnych. Dzięki stałemu postępowi w produkcji coraz lepszych materiałów izolacyjnych, możliwe jest systematyczne zmniejszanie wskaźnika EP [kWh/m²*rok].

Rys. 1. Zmiany wskaźnika EP

Z analizy zmian tego wskaźnika na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat wynika, że już za kilkanaście (góra za kilkadziesiąt) lat wskaźnik ten osiągnie tak niewielką wartość, że każdy nowobudowany dom jednorodzinny będzie spełniał standardy budownictwa niskoenergetycznego lub wręcz pasywnego. Oznacza to, że (przynajmniej w budownictwie jednorodzinnym) aby ogrzać dom o powierzchni około 100 m² wystarczający będzie grzejnik o mocy około 2000 W. Zamiast budować kotłownię na gaz, olej, wystarczy postawić na podłodze elektryczny grzejnik konwektorowy 2 kW albo zalać w posadzce na parterze przewód grzejny o mocy 2 kW i ciepła wystarczy na ogrzanie całego domu przez cały rok. Instalowanie pomp ciepła również przestanie się opłacać, chyba że producenci tych urządzeń przestaną zawyżać ceny sprzedaży. Koszty wyprodukowania przeciętnej pompy ciepła są wielokrotnie niższe niż cena sprzedaży i najwyższa pora, aby to się zmieniło, tj. aby ceny tych nowoczesnych urządzeń spadły do poziomu uzasadnionego ekonomicznie. Problemem użytkowników domów nie będzie grzanie zimą tylko chłodzenie tego budynku latem. W takim domu przydomowa elektrownia fotowoltaiczna z baterią akumulatorów oraz tanią pompą ciepła (inwersyjną tzn. dostosowaną do grzania latem i chłodzenia zimą) będzie standardem, a piece gazowe czy olejowe (nie mówiąc już o węglowych) znikną z naszego rynku bezpowrotnie. Ta futurystyczna wizja wydaje się nieprawdopodobna, ale jako audytor energetyczny przewiduję to z pełną odpowiedzialnością i to jeszcze za naszego życia. Koncerny energetyczne i wielkie spółki wydobywcze nie chcą o tym słyszeć i zamiast inwestować w rozwój techniki akumulacji (prądu elektrycznego lub energii cieplnej) inwestują w nowe kopalnie odkrywkowe, fundując nam kolejną dewastację środowiska naturalnego.

Ale wróćmy do zasadniczego tematu tego artykułu. Mając powyższe na uwadze, warto już dziś przygotować się do rewolucji OZE w naszym kraju, a pierwszym krokiem niech będzie rozwianie wielu wątpliwości i nieporozumień związanych z produkcją prądu elektrycznego ze słońca.

Pierwszą sprawą jest odpowiedź na pytanie czym różnią się kolektory słoneczne od modułów fotowoltaicznych.

Jak popatrzymy na dach z kolektorem słonecznym to czasem mamy wątpliwości, czy to nie jest przypadkiem moduł fotowoltaiczny. Wątpliwości te wynikają między innymi z tego, że oba urządzenia wyglądają bardzo podobnie (są płaskie, często w kolorze granatowym lub czarnym i w kształcie prostokąta), ale również dlatego, że nie rozumiemy różnicy w działaniu tych urządzeń. 

Kolektor słoneczny wykorzystuje energię słoneczną dzięki efektowi fototermicznemu (zamiana energii słonecznej na ciepło), natomiast moduły fotowoltaiczne działają dzięki efektowi fotoelektrycznemu (zamiana energii słonecznej na prąd elektryczny). W kolektorach do transportu ciepła wykorzystujemy płyn kolektorowy (najczęściej glikol), a w modułach fotowoltaicznych produkowana energia ma postać prądu elektrycznego. Dzięki tej informacji już wiemy jak odróżnić kolektory od modułów – jak się dobrze przyjrzymy, to zobaczymy, że z tych pierwszych z któregoś boku wystają rury (najczęściej zaizolowane cieplnie) do transportu glikolu. Przewody elektryczne natomiast zainstalowane są pod powierzchnią modułu w sposób niewidoczny z zewnątrz. Poza tym najczęściej montowane w Polsce moduły PV (tj. moduły polikrystaliczne) zbudowane są z połączonych ze sobą elektrycznie kwadratowych ogniw fotowoltaicznych, które doskonale widoczne są z niedużej odległości i jeśli dostrzeżemy strukturę kwadratowej siatki, to oznacza, że z całą pewnością mamy do czynienia z modułami PV. Dla porządku dodam jeszcze, że zespół połączonych ze sobą mechanicznie i elektrycznie modułów PV nazywamy panelem słonecznym i w żadnym razie nie należy go mylić z tzw. kolektorem słonecznym (cieczowym).

Przy tym punkcie od razu warto zwrócić uwagę na zakres zastosowania obu urządzeń. Kolektor może być wykorzystany wyłącznie do grzania wody. Ciepło przekazywane jest z glikolu do wody w wymiennikach ciepła zamontowanych w zasobnikach c.w.u. lub c.o. W momencie, gdy zasobnik „napełni” się ciepłem przy niedostatecznym odbiorze ciepła lub jego braku − pompa obiegowa układu kolektorowego zatrzymuje się, gdyż dalsze napełnianie zbiornika ciepłem groziłoby jego rozszczelnieniem i poważną awarią.

Moduły fotowoltaiczne nie są tym ograniczone. Prąd elektryczny produkowany w modułach fotowoltaicznych można wykorzystać nie tylko do grzania wody. Jeśli instalacja fotowoltaiczna podłączona jest do sieci elektroenergetycznej (jest to tzw. instalacja on-grid, a jest to obecnie najbardziej ekonomiczny i powszechny sposób podłączenia elektrowni PV), to wyprodukowany przez taką elektrownię fotowoltaiczną prąd elektryczny można wykorzystać do wszystkiego, co tylko można zasilić energią elektryczną (telewizor, bojler, pralka, komputer, żelazko itp. itd.). Dzięki temu, że elektrownia podłączona jest do sieci elektroenergetycznej, to jeśli chwilowo nie odbieramy produkowanej przez nią energii elektrycznej (np. gdy jesteśmy w pracy albo na urlopie i budynek nasz nie zużywa w danym momencie tak dużej ilości energii elektrycznej) – wówczas następuje automatyczny przepływ nadmiaru energii elektrycznej (produkowanej przez naszą prywatną elektrownię słoneczną) do sieci elektroenergetycznej, zasilając odbiorniki elektryczne w sąsiednich domach lub nawet dużo dalej.

Teraz, gdy już wiemy czym różnią się kolektory od modułów fotowoltaicznych możemy rozprawić się z mitami dotyczącymi fotowoltaiki, wiedząc, że czytelnicy nie pomylą już tych tak bardzo podobnych do siebie, ale jednak zasadniczo różnych technologii pozyskania energii ze słońca.

Ad. 1. Technologia fotowoltaiczna jest dla nas jeszcze zbyt droga 

Opinia ta jest mitem, z którym ściśle związane są również inne błędne poglądy na temat technologii fotowoltaicznej – np. takie, że produkcja prądu ze słońca ma niską sprawność, czy że inwestycja w elektrownię PV się nie zwraca). Nie wiem dlaczego pokutują takie poglądy, gdyż są one całkowicie nieprawdziwe. Jako audytor energetyczny wiem, że inwestycja w elektrownię PV może się zwrócić już w niespełna 10 lat. Prawdą jest, że bez pomocy finansowej takie inwestycje zwracają się w dłuższym okresie i ich opłacalność jest problematyczna, ale na szczęście dostępne są różne formy finansowania zewnętrznego tego typu inwestycji – np. środki z RPO albo z WFOŚiGW, nie mówiąc już o programie PROSUMENT. Poza tym należy pamiętać, że cena energii elektrycznej najprawdopodobniej będzie jeszcze przez najbliższe kilkanaście lat rosła, dzięki temu zyskowność tego typu inwestycji jeszcze bardziej się zwiększy. O cenach energii elektrycznej napiszę więcej w następnym punkcie. Co do sprawności produkcji prądu przez moduły fotowoltaiczne, to jest ona już na wystarczająco wysokim poziomie, aby opłacało się tę technologię stosować. Nie tak dawno sprawność konwersji fotowoltaicznej wynosiła niespełna 12%. Obecnie sprzedawane moduły fotowoltaiczne mają już sprawność na poziomie około 16% i wskaźnik ten stale rośnie. To prawda, że sprawność innych technologii jest wyższa, np. sprawność wykorzystania energii wiatrowej wynosi około 40% (mowa o sprawności całej elektrowni wiatrowej – zamiana energii wiatru tylko na energię mechaniczną wirnika odbywa się z jeszcze większą sprawnością sięgającą 80%), ale to nie oznacza, że mamy zaniechać produkcji prądu z fotowoltaiki. Obie technologie doskonale się uzupełniają, gdyż najczęściej wtedy, gdy świeci słońce, to nie wieje wiatr i odwrotnie. Poza tym trudno porównywać ze sobą sprawności urządzeń wykorzystujących diametralnie różne zjawiska fizyczne, nie mówiąc o tym, że w każdej chwili może się pojawić nowy materiał fotowoltaiczny (w Polsce pracuje się nad ogniwami słonecznymi na bazie perowskitów, co może wywrócić rynek fotowoltaiczny do góry nogami), czy nowy sposób działania (w energetyce wiatrowej trwają usilne badania nad wykorzystaniem wiatraków o pionowej osi, co może zwiększyć upowszechnienie się tej technologii w gospodarstwach domowych).

Ad. 2. Rozwój fotowoltaiki spowoduje wzrost cen energii elektrycznej

(...)

Ad. 3. W Polsce mamy za mało energii słonecznej, aby skutecznie wykorzystywać fotowoltaikę do produkcji prądu

(...)

Ad. 4. Fotowoltaika jest szkodliwa dla zdrowia i niekorzystnie wpływa na środowisko

(...)

Ad. 5. Fotowoltaika nie sprawdzi się z uwagi na to, że w pochmurne dni i w nocy fotowoltaika nie produkuje prądu, a budynek potrzebuje stałego zasilania w energię elektryczną

To prawda, że elektrownia PV nie produkuje energii elektrycznej w nocy, ale stosując odpowiednie urządzenia do akumulacji energii elektrycznej można temu zaradzić. Sprawność i pojemność akumulatorów stale rośnie i instalacje wykorzystujące akumulatory już z powodzeniem działają i pozwalają nawet na uniezależnienie się od sieci elektroenergetycznej (tzw. instalacje off -gridowe). Zarzut, że fotowoltaika nie produkuje energii elektrycznej w pochmurne dni też jest bezzasadny. Jako dowód na to przedstawię wykres uzysków energii elektrycznej z jednej z elektrowni PV pracujących w województwie łódzkim (rys. 4.).

Rys. 4. Wykresy mocy chwilowej elektrowni w pochmurny dzień i w dzień pogodny.

Jak widać na rysunku 4. chwilowe uzyski energii ulegają wahaniom właśnie z uwagi na zachmurzenie, ale nie widać, aby zachmurzenie spowodowało całkowity zanik produkcji prądu. Wynika to ze zdolności produkcji prądu przez moduły PV nie tylko z promieniowania bezpośredniego, ale również z promieniowania słonecznego rozproszonego, tak więc słońce nie musi świecić bezpośrednio na moduł PV, aby był produkowany prąd. Dodatkowo stosuje się odpowiednie szkło pokrywające moduły PV, tj. szkło antyrefl eksyjne, dzięki temu do minimum ograniczono ilość energii słonecznej odbijanej przez powierzchnię modułu na rzecz maksymalnego zwiększenia ilości energii słonecznej, która wnika do wnętrza modułu i zamieniana jest na energię elektryczną. Dla zatwardziałych niedowiarków przytoczę wielkość (gwarantowanych przez wszystkich producentów modułów PV) uzysków energii elektrycznej ze słońca dla naszej strefy klimatycznej – jest to średniorocznie 980 MWh z 1 kWp mocy zainstalowanej elektrowni PV. Parametr ten uwzględnia zachmurzenie i okresy nocne oraz zmniejszoną produkcję prądu ze słońca w okresie zimowym. Pod pokazanym wykresem uzysków z przykładowej elektrowni o mocy 10 kWp (rys. 5.) mogę się podpisać z całą odpowiedzialnością – dlatego, że dane te zostały już dawno potwierdzone przez wieloletnie obserwacje – po prostu tak to działa.

Rys. 5. Miesięczne uzyski energii elektrycznej przykładowej elektrowni PV o mocy 10 kWp (razem 9800 kWh/rok).

Wykres na rysunku 5. dotyczy elektrowni o optymalnym azymucie (180°) i nachyleniu modułów PV (36°). Każde odchylenie od tych optymalnych warunków powoduje, że elektrownia produkuje mniej prądu niż wynika to z tego wskaźnika, dlatego tak ważne jest, aby decyzję o rozpoczęciu inwestycji w elektrownię PV podjąć po wykonaniu profesjonalnego projektu, z którego potencjalny inwestor dowie się, jakie będą faktyczne uzyski energii elektrycznej w danej lokalizacji i dla danego dachu, a więc jaka będzie faktyczna zyskowność danej inwestycji. 

Na koniec zmierzenia się z tą opinią chciałbym jeszcze powiedzieć, że obecny system rozliczania prosumentów przewiduje możliwość wykorzystania sieci elektroenergetycznej jako magazynu energii. Nadprodukowana przez elektrownię PV latem energia elektryczna może być przekazana do sieci elektroenergetycznej, by następnie zimą można było wykorzystać ją z odpowiednim opustem (80% lub 70%). Możliwość ta powoduje, że opinia nr 5. jest nieprawdziwa, gdyż zamontowanie elektrowni PV on-grid na budynku w żadnym razie nie zagraża bezpieczeństwu energetycznemu tego obiektu. Złośliwi mogą powiedzieć, że sieć elektroenergetyczna zasilana z węglowych elektrowni zawodowych jest jednak niezbędna – zgoda, ale jesteśmy w okresie przejściowym. Nie da się nagle zlikwidować starego systemu zasilania w energię elektryczną. Fotowoltaika jest w fazie rozwoju, ma swoje ograniczenia i stopniowo będzie zwiększała swój udział w produkcji prądu, dlatego też stwierdzenie, że się nie sprawdzi, tylko dlatego, że nie spełnia obecnie wszystkich naszych oczekiwań jest co najmniej nieuprawnione.

Ad. 6. Podłączenie elektrowni PV do sieci elektroenergetycznej jest skomplikowane i drogie

Kolejne nieporozumienie. Powyższe zdanie dotyczy wyłącznie dużych instalacji fotowoltaicznych, które przyłączane są do sieci 15 kV i wymagają budowy podstacji transformatorowych. W Polsce jednak aż 98% instalacji fotowoltaicznych to instalacje o mocy do 40 kWp (są to mikro-instalacje przyłączane do sieci 230V – bez żadnych transformatorów), dla których prawo polskie przewiduje daleko idące udogodnienia:

Po pierwsze właściciel takiej mikro-instalacji nie musi występować o pozwolenie na budowę, co więcej – nawet nie musi zgłaszać tego typu inwestycji do referatu budowlanego.

Po drugie – nie ma obowiązku występowania o wydanie warunków technicznych przyłączenia takiej elektrowni do sieci elektroenergetycznej. Właściciel zgłasza tylko chęć podłączenia swojej elektrowni do OSD (Operatora Sieci Dystrybucyjnej), który ma obowiązek ustawowy dostosować układ pomiarowy (wymienić licznik energii elektrycznej na posesji na dwukierunkowy) i rozliczyć się z właścicielem mikro-instalacji PV z ilości energii elektrycznej wprowadzonej do sieci i pobranej z sieci z odpowiednim opustem (o którym była mowa w artykule, który ukazał się w numerze lipcowym niniejszego miesięcznika).

Po trzecie − wszystkie przedstawione wyżej czynności OSD nie obciążają w żadnym razie właściciela mikro-instalacji tj. muszą być wykonane na koszt OSD.

Reasumując – można powiedzieć, że wszystkie przytoczone negatywne opinie obiegowe o fotowoltaice są nieprawdziwe i szkodzą rozwojowi tej nowoczesnej i przyszłościowej gałęzi energetyki. Większa świadomość społeczeństwa i upowszechnienie wiedzy o tej technice na pewno pozwoli potencjalnym użytkownikom na podejmowanie przemyślanych decyzji dotyczących inwestycji w elektrownie fotowoltaiczne i przyczyni się do zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego naszego kraju oraz ochrony środowiska naturalnego.

mgr inż. Krzysztof ŚNIEGULA
Audytor Energetyczny,
certyfikowany przez UDT instalator
elektrowni fotowoltaicznych,
właściciel firmy POLCONTACT

LITERATURA:

[1] Opracowanie własne – badanie zmian wskaźnika EP.

[2] Informacje firmy SAULE Technologies (polskiego producenta modułów fotowoltaicznych na bazie perowskitów). http://sauletech.com/pl/.

[3] Portal www.gramwzielone.com.

[4] Opracowanie BDEW Bundesverband der Energie − und Wasserwirtschaft e.V. https://www.bdew.de.

[5] Opracowanie własne emisji substancji szkodliwych do atmosfery na podstawie wskaźników Krajowego Ośrodka Bilansowania i Zarządzania Emisjami – KOBiZE http://www.kobize.pl.

[6] System monitoringu SMA elektrowni PV Angelmar. https://www.sunnyportal.com.

[7] Wykres miesięcznych uzysków elektrowni o mocy 10 kWp – wyliczenia własne z wykorzystaniem Programu PV-sol do projektowania elektrowni PV.