W dobie wciąż drożejącej energii i złowieszczych zapowiedzi o wyczerpywaniu się zasobów naturalnych warto pomyśleć o rozwiązaniach alternatywnych. Tym bardziej, że koszt zużycia energii może wzrastać skokowo.
Jeśli opłaty za emisję CO2 spowodują wygaszanie konwencjonalnych elektrowni węglowych i nie uda się węgla zastąpić gazem łupkowym, to cena importowanego gazu, a co za tym idzie – także innych surowców energetycznych wzrośnie w nieprzewidywalnie gwałtowny sposób. Wtedy jedynym ratunkiem staną się małe przydomowe elektrownie wiatrowe lub solarne dające możliwość zaspokojenia podstawowych potrzeb gospodarstwa domowego i zasilenia pompy ciepła. Samowystarczalność domów pozwoliłaby na wykorzystanie importowanych paliw głównie do celów produkcyjnych. Zanim to jednak nastąpi, należy przeanalizować sens ekonomiczny takich rozwiązań. Nowe regulacje prawne dają nadzieję na szybki rozwój fotowoltaiki.
Bateria słoneczna – czy warto?
Wzrastające wciąż zużycie energii i malejące zasoby naturalne spowodowały gwałtowny rozwój niekonwencjonalnego pozyskiwania energii. Jednak głównym czynnikiem w każdej gospodarce jest ekonomiczne uzasadnienie inwestowania. Wejście w życie zmienionej ustawy o prawie energetycznym daje nadzieję, że niebawem zostanie uchwalony tzw. duży trójpak. Nowe regulacje prawne spowodują wielkie zmiany w podejściu do fotowoltaiki. Nowy system radykalnie zmieni ekonomiczność inwestowania w panele fotowoltaiczne.
Gdzie zamontować panele?
Pierwszym kryterium, które należy wziąć pod uwagę podczas montowania paneli, są warunki miejscowe. Baterie paneli zajmują wiele miejsca. Można je zbudować jako wolnostojące lub wsparte na konstrukcji domu. Łatwiejsze i tańsze (oraz pozbawione ryzyka uszkodzenia dachu) jest zbudowanie baterii wolnostojącej. Wymaga to jednak posiadania dużego, niezalesionego, odsłoniętego terenu. Większość domów jednorodzinnych jest budowana na ograniczonych działkach, zwykle otoczonych innymi domami oraz drzewami. W takim wypadku jedynym wyjściem jest montaż konstrukcji baterii fotowoltaicznych na domu. Właściwie każde miejsce, na które bezpośrednio padają promienie słoneczne, jest dobre. Idealnym miejscem są połacie dachowe skierowane dokładnie na południe, o nachyleniu od 32 do 35 stopni. Jednak do montażu paneli nadają się, w zasadzie, wszystkie dachy oraz elewacje, poza elewacją północną. Niekiedy konieczne jest zastosowanie konstrukcji wsporczych, które zapewniają właściwe ustawienie paneli w stosunku do promieniowania słonecznego. Najlepsze są połacie dachowe i elewacje skierowane na południe. Dość dobre są też połacie wschodnie i zachodnie. Na dachach płaskich można zawsze ustawić panele tak, aby zapewniały one optymalny odbiór energii. Efektywność można jeszcze wydatnie podnieść, instalując głowice heliocentryczne i automatyczne sterowanie, tzw. śledzenie punktu mocy maksymalnej (MMPT, Maximum Power Point Tracking). Ruchome konstrukcje zapewniają optymalne ustawienie w każdych warunkach. Gdy tylko głowica heliocentryczna wykryje odpowiednie natężenia promieniowania słonecznego, określa jego kąt padania promieni. Panele obracają się we właściwą stronę i dostosowują kąt nachylenia do wysokości słońca. Później, przez cały dzień panele podążają za słońcem, stale utrzymując najwyższy stopień pozyskiwania energii. Tracking pozwala na zwiększenie o 25% mocy uzyskiwanej z paneli. Budowa takich paneli jest niestety najdroższa i możliwa na powierzchniach poziomych lub o minimalnym nachyleniu. W domach mieszkalnych praktycznie jest nieopłacalna.
Moc baterii fotowoltaicznych
Zgodnie z ustawą dotyczącą odnawialnych źródeł energii, jakimi są instalacje fotowoltaiczne, przyjęty jest podział na mikroinstalacje, małe instalacje oraz instalacje OZE. Instalacje o mocach do 10 kW i od 10 do 40 kW są definiowane jako mikroinstalacje. Instalacje małe posiadają moce od 40 do 200 kW, z podziałem na instalacje do 50, 75, 100 i 200 kW. Natomiast instalacje duże to instalacje o mocach powyżej 500 kW.
Ze względu na ograniczenie dotyczące powierzchni, na której będą montowane panele oraz ułatwień prawnych, skoncentrujemy się na mikroinstalacjach. Posiadają one moce odpowiadające przeciętnemu zużyciu energii w domach, od jedno- do nawet dwunastorodzinnych. Z jednego metra kwadratowego baterii słonecznej można uzyskać zwykle od 100 do maksymalnie 150 W. Powierzchnia dachu, względnie powierzchnia terenu przeznaczonego pod budowę baterii paneli fotowoltaicznych, ogranicza maksymalna moc instalacji, jaką da się zbudować na danym obiekcie czy terenie. Dla domów jednorodzinnych wystarczająca moc instalacji mieści się w pierwszym przedziale i wynosi od 4 do 10 kW oraz wymaga zwykle kilkudziesięciu metrów dachu do zabudowy.
Wybór typu instalacji
Gdy już zostanie wybrane miejsce na instalację, trzeba zastanowić się, do czego będzie ona służyć. Czy uzyskiwana energia przeznaczona będzie na własne potrzeby czy do odsprzedaży? Może to być też rozwiązanie uniwersalne, łączące obie powyższe funkcje. Instalacja przeznaczona do zaspokojenia własnych potrzeb musi być wyposażona w baterię akumulatorów pozwalających na korzystanie z energii w porach nocnych. Energia jest pozyskiwana przez cały dzień, jednak największa jej ilość powstaje wtedy, gdy większość ludzi jest w pracy lub szkole. Jest okres, w którym niemal nie zużywa się energii. Instalacja taka jest, rzecz jasna, droższa. Pomimo tego w ostatnich latach obserwowany jest dynamiczny wzrost ilości tego rodzaju instalacji. Wynika to z obecnych uwarunkowań, gdyż aktualne ceny odkupu energii elektrycznej uzyskiwanej z odnawialnych źródeł są wyjątkowo niekorzystne dla małych producentów. Koszt zaoszczędzonej energii, tj. pochodzącej z własnego źródła, a nie z elektrowni, ma prawie czterokrotnie większą wartość od ceny, za jaką zostałaby ona sprzedana do sieci energetycznej. Rachunek ekonomiczny powoduje, że większość powstających instalacji jest przeznaczona do zaspokajania własnych potrzeb. Taki typ instalacji nazywany jest off-grid. Drugim rozwiązaniem są instalacje ukierunkowane na sprzedaż wyprodukowanej energii – są to instalacje on-grid. Inwestycja jest tańsza, gdyż zbędne są baterie akumulatorów konieczne do magazynowania energii elektrycznej. Trzecim rozwiązaniem są instalacje uniwersalne. Wydaje się, że w przyszłym roku nastąpi ich gwałtowny przyrost. Instalacje te wyposażone są w dwukierunkowe liczniki energii. W okresach, gdy instalacja wytwarza więcej energii, niż wynosi na nią chwilowe zapotrzebowanie, jest ona przesyłana do sieci energetycznej. Natomiast w okresie zwiększonego zużycia energii jest ona wykorzystywana przez producenta, a brakująca ilość energii jest dostarczana z zewnątrz. Dzięki temu zapewniony jest stały dopływ prądu, a baterie akumulatorów stają się zbędne.
Elementy składowe instalacji
Głównym elementem instalacji fotowoltaicznych są panele słoneczne. Oprócz paneli konieczne są baterie akumulatorów lub dwukierunkowy licznik energii elektrycznej. Oczywiście to nie wszystko. Panele są źródłem prądu stałego o dość niewielkim napięciu. Dlatego koniecznym elementem instalacji jest falownik, zwany zwykle przez producentów inwertorem. Falownik, dobrany mocą do planowanego zestawu paneli fotowoltaicznych, zamienia prąd stały na prąd przemienny o napięciu 230 V lub 230 V/400 V i częstotliwości 50 Hz. W zależności od mocy i rodzaju instalacji wykorzystuje się jedno- i trójfazowe falowniki. Przy doborze falownika należy pamiętać, aby prąd spełniał wymagania sieci. Cała instalacja składa się z następujących elementów: zespołu paneli fotowoltaicznych, falownika, konstrukcji montażowych paneli, okablowania, rozdzielnicy, zabezpieczeń, układu monitoringu i dwukierunkowego licznika oraz sieci łączącej budynek z siecią energetyczną.
Same panele składają się z wielu ogniw słonecznych. Ogniwa pod wpływem promieniowania słonecznego wytwarzają energię elektryczną. Zespół ogniw zamontowanych w sztywnej ramie i zabezpieczony przed uszkodzeniami (za pomocą folii etylo-winylo-octanowej i warstwy szkła) jest panelem. Poszczególne panele łączone są w zespoły zwane łańcuchami. Dla zapewnienia poprawnej pracy cała instalacja fotowoltaiczna powinna być zbudowana z jednakowych paneli i łańcuchów paneli.
Rodzaje ogniw fotowoltaicznych
Ogniwa słoneczne wykonywane są głównie z krzemu. Do produkcji ok. 10–15% ogniw używa się selenu. W zależności od technologii produkcji ogniwa wykonywane są z krzemu monokrystalicznego, polikrystalicznego lub amorficznego, zwanego też cienkowarstwowym. W zależności od użytej technologii różnią się one ceną i sprawnością – najwyższą mają monokrystaliczne, a najniższą – cienkowarstwowe. Rodzaj można poznać po barwie. Zupełnie ciemne są monokrystaliczne. Te o zabarwieniu niebieskim, z dającymi się zauważyć kryształami, są polikrystaliczne. W amorficznych, które mają barwę bordową, oczywiście nie da się zauważyć kryształów.
Na rynek wkraczają ogniwa II generacji: miedziowo-indowo-galowo-selenowe (CIGS) oraz takie, do produkcji których wykorzystuje się tellurek kadmu (CdTe). Wprawdzie ich sprawność plasuje się między ogniwami cienkowarstwowymi a polikrystalicznymi, jednak ich cena nie jest wygórowana, dzięki czemu wydają się być ekonomicznym rozwiązaniem.
Na razie jeszcze nie są oferowane ogniwa III generacji. Wciąż trwają prace badawcze nad ogniwami barwnikowymi DSSC (Dye Sensitized Solar Cells) wykorzystującymi zjawisko sztucznej fotosyntezy. Osiągają one podobną sprawność jak ogniwa II generacji, ale do ich efektywnego działania wystarczy mniejsze natężenie oświetlenia. Ponadto mogą wykorzystywać promieniowanie odbite i są półprzejrzyste, dzięki czemu można z nich będzie wykonywać elewacje budynków, zwiększając w ten sposób ich aktywną powierzchnię. Kolejną zaletą jest możliwość barwienia.
Parametry baterii
W celu umożliwienia porównywania paneli słonecznych przyjęto warunki, w jakich odbywa się pomiar mocy. Pomiarów dokonuje się przy nasłonecznieniu 1000 W/m2, przy temperaturze ogniwa 25oC i widmie promieniowania AM 1,5.
Podstawowym parametrem ogniwa jest jego moc maksymalna. Moc jest mierzona na wyjściu z panelu, przed przetworzeniem przez falownik. Moce te są różne, od ponad 100 do niemal 300 Wp. Indeks „p” służy do zaznaczenia, że chodzi o maksymalną moc uzyskiwaną z panelu w podanych wyżej warunkach.
Kolejnym parametrem jest napięcie uzyskiwane w momencie osiągania przez panel maksymalnej mocy. Napięcie to jest mierzone przy przyłączonym obciążeniu znamionowym i zwykle wynosi od kilkunastu do ok. 30 V DC.
Zazwyczaj podawane jest także napięcie pojawiające się na wyjściu panelu przy otwartych zaciskach, tj. przy odłączonym obciążeniu. W stanie jałowym jest wyższe od napięcia w stanie znamionowym o ok. 30%.
Bardzo ważnym parametrem jest wielkość prądu znamionowego. Pomiar dokonywany jest w najbardziej optymalnych warunkach, w których osiągana jest maksymalna moc, przy dołączonym obciążeniu znamionowym.
Prąd zwarciowy jest parametrem określającym maksymalny prąd, jaki może zostać wygenerowany przez panel. Prąd ten jest zwykle większy o niespełna 10% od prądu znamionowego.
Ponadto dla paneli określane są graniczne parametry pracy. Jest to maksymalne napięcie oraz obciążenie.
Warunki pracy są określane temperaturami granicznymi. Zwykle jest to zakres od –40 do 85oC.
Przy planowaniu pokrycia dachu panelami ważnym parametrem są wymiary paneli. Ich szerokość najczęściej waha się od 0,6 do 1,0 m. Natomiast długość oscyluje wokół 1,5 m. Wymiary ogniw nie mają znaczenia dla inwestora, ale masa modułu z pewnością wpływa na konstrukcję dachu. Wstępnie można przyjąć masę 1 kg na każde 10 W mocy panelu. Poza typowymi panelami w ofercie firm znajdują się również panele na miarę. Ich wymiary i parametry mogą się znacznie różnić od wyżej podanych.
Zalety
Panele fotowoltaiczne posiadają wiele zalet, dzięki którym wzbudzają zainteresowanie. Jedną z nich jest wysoka trwałość, określana na 25 do nawet 35 lat. Producenci najczęściej udzielają gwarancji na 10–12 lat. Zdarzają się także panele z gwarancją wynoszącą 5–6 lat, a także z gwarancją 15-letnią. Oprócz tego producenci udzielają gwarancji na moc wyjściową. Zwykle na okres od 25 do 30 lat, czyli praktycznie na cały przewidywany okres eksploatacji baterii słonecznej. Gwarantowaną wielkością (w okresie zadeklarowanym) jest tu jednak wielkość 80% mocy wyjściowej. Oczywiście wartość ta odnosi się do wyżej podanych warunków dokonywania pomiarów.
Trwałość zależy głównie od konstrukcji. Same półprzewodniki wykorzystywane do produkcji energii są podatne na uszkodzenia. Dlatego zasadniczy wpływ na ich trwałość mają mechaniczne zabezpieczenia, metalowa rama, folia ochronna EVA oraz hartowane szkło. Taka budowa zapewnia ochronę przed gradem, ptakami i spadającymi gałęziami. Powierzchnia szkła powinna być pokryta warstwą (zwykle teflonu) zapobiegającą przyleganiu brudu i zanieczyszczeń zmniejszających ilość energii świetlnej docierającej do baterii.
Dla osób świadomych wpływu ekspansji człowieka na przyrodę niebagatelną rolę odgrywa dbałość o otoczenie. Panele słoneczne są najbardziej ekologicznym sposobem pozyskiwania energii. Nie mają żadnego negatywnego wpływu na środowisko. Przez cały okres eksploatacji nie emitują żadnych szkodliwych substancji, w szczególności gazów cieplarnianych.
Panele słoneczne mają także wpływ na bezpieczeństwo. Niezależne od linii przesyłowych zapewniają stały dopływ energii. Długotrwała inwestycja może zaspokajać potrzeby niezależnie od rosnących wciąż cen prądu i innych mediów energetycznych.
Panele są urządzeniami praktycznie bezobsługowymi. Wprawdzie wskazane jest okresowe sprawdzanie ich czystości i usuwanie zabrudzeń, ale nie wymaga to wielkiego nakładu czasu, ani nie sprawia większych trudności. Jednak niezależnie od dbania o same panele warto jest dokonywać okresowych przeglądów, aby zapobiec ewentualnemu obniżeniu wydajności systemu.
Wymagania formalne
W myśl projektu ustawy energetycznej wkrótce nastąpią wyraźne zmiany. Ustawa ma wspierać inwestowanie w odnawialne źródła energii. Z racji swoich zalet największym zainteresowaniem twórców ustawy jest fotowoltaika. Dlatego dla małych wytwórców przyjęto pakiet ułatwień. Właściciele mikroinstalacji do 40 kW są praktycznie zwolnieni ze starań o pozwolenia, zgody czy występowania o warunki. Przyjęto, że czerpanie korzyści z eksploatacji mikroinstalacji nie stanowi działalności gospodarczej. Nie ma więc potrzeby rejestrowania firmy. Ponadto instalacje, które nie są budowlami, nie wymagają pozwoleń na budowę. Nie ma też potrzeby uzgadniania z miejscowym zakładem energetycznym warunków przyłączenia. W myśl nowej ustawy wystarczy pisemne powiadomienie dostawcy energii. Do zgłoszenia nie będzie potrzebne dołączanie projektu instalacji. Wystarczy jej opis oraz specyfikacja urządzeń. W szczególności dotyczy to falowników, na wyjściu których musi pojawiać się prąd o parametrach odpowiadających sieci.
Korzyści wynikające z eksploatacji paneli fotowoltaicznych
Nowa ustawa o OZE zmienia podejście do fotowoltaiki. Przy obecnych warunkach odkupu energii (są one ok. 4 razy niższe od cen zakupu) nie ma sensu produkowania jej na sprzedaż. Dużo większy sens ma pokrywanie własnych potrzeb i uzyskiwanie w ten sposób oszczędności. Nowe podejście rewolucyjnie zmienia sytuację. Zostaną wprowadzone gwarantowane ceny na odkupywaną energię elektryczną z odnawialnych źródeł. Proponowane ceny jednostkowe energii zapewnią rentowność instalacji solarnych. W projekcie ustawy zaproponowana cena odkupu energii elektrycznej, pochodzącej z baterii solarnych, od mikrowytwórców jest dwukrotnie większa od cen zakupu. Najwyższe ceny odkupu są przewidziane dla najmniejszych producentów energii. Mikrowytwórcy posiadający instalacje fotowoltaiczne zamontowane na budynkach, o mocach nieprzekraczających 10 kW będą – w myśl nowej ustawy – otrzymywać 1,30 zł za każdy kilowat. Właściciele podobnych instalacji posadowionych na gruncie mogą spodziewać się ceny 1,15 zł za kilowat. Podobną zapłatę otrzymają posiadacze instalacji o mocy ponad 10 kW, ale nie większych niż 40 kW. Opłacalność inwestycji zapewnia stabilność podanych stawek. Państwo ma gwarantować utrzymanie tych stawek przez 15 lat od uruchomienia produkcji prądu.
Kolejnym bardzo korzystnym zapisem ustawy jest przerzucenie na miejscowe zakłady energetyczne kosztów wykonania dwukierunkowego układu pomiarowego oraz ewentualnego przyłącza. Na dodatek inwestor jest zwolniony z opłat przyłączeniowych.
Inną niebagatelną zmianą korzystną dla inwestorów jest zwolnienie ich z obowiązku posiadania koncesji. Wynika z tego, że działalność w zakresie przetwarzania energii solarnej na elektryczną nie jest ograniczona żadnymi terminami.
Aby unaocznić sens ekonomiczny inwestowania w mikroelektrownię słoneczną, można przeprowadzić małą symulację. Budowa instalacji fotowoltaicznej o mocy 10 kW to wydatek wysokości 85 do 100 tys. zł. Za tę kwotę można kupić kompletne wyposażenie i pokryć koszty robocizny. Produkcję roczną energii takiej baterii można określić na 9 tys. kilowatogodzin. Jeśli cała uzyskana energia zostanie przeznaczona na sprzedaż, to otrzyma się za nią kwotę 11 700 zł. Co oznacza, że zwrot nakładów nastąpi najpóźniej po 10 latach. Sprawna instalacja, niemal bez jakichkolwiek nakładów, będzie przynosiła zysk jeszcze przez 5–20 lat.
Gdyby jednak prąd uzyskiwany z baterii solarnej był w połowie wykorzystywany na własne potrzeby, a w połowie do odsprzedaży, to koszt zwrotu inwestycji nastąpiłby najpóźniej po niespełna 12 latach.
Zakładając stałą wartość odkupu energii elektrycznej z solarów, można śmiało przyjąć, że zwrot nakładów nastąpi najpóźniej po 12 latach. Biorąc jednak pod uwagę to, że ceny energii wciąż rosną, to zwrot nastąpi wcześniej. Można również wziąć pod uwagę fakt coraz lepszego gospodarowania energią. Domy wyposażane są w coraz nowocześniejszy sprzęt, o coraz wyższej klasie zużycia energii. Zmniejszenie konsumpcji prądu jeszcze bardziej zwiększy opłacalność inwestycji w panele fotowoltaiczne.
Czy panele fotowoltaiczne są budowlą?
Aby analiza opłacalności była kompletna, konieczne jest przeanalizowanie wszystkich czynników wpływających na wielkość inwestycji. Obecnie największym jednak problemem wydają się być sprawy związane z prawem budowlanym. Wiele kwestii nie budzi wątpliwości, są jednak takie, które mogą budzić niepokój, gdyż generują dodatkowe koszty. Podstawową kwestią jest odpowiedź na pytanie, czy panele słoneczne są budowlą. Interpretacja może być różna. Wiele czynników przemawia za tym, że instalacja fotowoltaiczna nie jest obiektem budowlanym.
O tym, że nie jest to budowla świadczy to, że zwykle nie są one trwale związane z gruntem i są łatwe do usunięcia, a materiały potrzebne do ich wytworzenia nie są materiałami budowlanymi. Do wykonania instalacji nie jest wymagany projekt budowlany. Do sporządzenia dokumentacji wystarczająca jest specjalistyczna wiedza inżynierska, ale zbędne są uprawnienia do pełnienia samodzielnych funkcji w budownictwie. Podobnie nie ma obowiązku zatrudniania kierownika budowy.
Przeciwko tezie, że panele słoneczne nie są budowlą, mogą świadczyć zapisy stwierdzające, że za budowlę uważa się urządzenia związane z nią funkcjonalnie. Ponadto budowla stanowi jedną całość wraz z urządzeniami i instalacjami. Podobny problem stanowią fundamenty, na których montuje się wolnostojące baterie słoneczne.
Inwestować?
Obserwując obecne trendy, można stwierdzić, że inwestować warto. Pozostaje pytanie, jaki typ instalacji wybrać oraz kiedy rozpocząć inwestycję. Dopóki nie zostaną uchwalone nowe uregulowania dotyczące odnawialnych źródeł energii, sensownym wydaje się jedynie budowa instalacji off-grid, działającej na własne potrzeby użytkownika. Energia jest jednak produkowana w ciągu dnia. Uzasadnieniem dla takiego wyboru są instalacje na (przy) domach, w których są warsztaty produkcyjne bądź usługowe zużywające wytworzoną ekologicznie energię. W innym przypadku należałoby instalację wzbogacić o układy magazynujące energię.
Natomiast osoby zainteresowane odsprzedażą nadwyżek uzyskanej energii muszą zaczekać do zakończenia procesu legislacyjnego. Aby najbardziej skorzystać z fotowoltaiki, trzeba być przygotowanym do rozpoczęcia instalacji zaraz po uchwaleniu ustawy. I mieć nadzieję, że nastąpi to przed wyczerpaniem programu dopłat do paneli słonecznych. Można też zacząć wcześniej, korzystając z dopłat i mieć nadzieję, że nowe prawo uczyni inwestycję lukratywną.