Magazyny energii – kluczowe komponenty i sposób działania
W ostatnich latach magazyny energii zyskały ogromną popularność.
Na pierwszy rzut oka ich zasada działania wydaje się bardzo prosta - energia jest gromadzona w akumulatorach, a następnie wykorzystywana w zależności od bieżących potrzeb. W rzeczywistości jednak zagadnienie magazynowania energii jest znacznie bardziej złożone i obejmuje wiele aspektów technicznych, ekonomicznych oraz eksploatacyjnych.
Przede wszystkim należy rozróżnić dwie podstawowe funkcje magazynu energii:
1. Autokonsumpcja
W tym trybie magazyn energii aktywnie współpracuje z domową instalacją elektryczną oraz siecią elektroenergetyczną niskiego napięcia. Za pośrednictwem falownika hybrydowego zgromadzona energia jest przekazywana do odbiorników w budynku w sytuacji, gdy bieżąca produkcja energii z instalacji fotowoltaicznej nie pokrywa aktualnego zapotrzebowania gospodarstwa domowego.
2. Back-up (zasilanie awaryjne)
Funkcja ta umożliwia zasilanie wybranych odbiorników podczas przerw w dostawie energii z sieci elektroenergetycznej. Jej realizacja wymaga jednak odpowiedniego przygotowania instalacji, np. wydzielenia dedykowanych obwodów awaryjnych lub zastosowania automatyki, która w przypadku zaniku napięcia odłącza instalację domową od sieci i przełącza ją na zasilanie z magazynu energii.
Instalacje fotowoltaiczne współpracujące z magazynami energii można podzielić na dwa podstawowe typy:
- Instalacje hybrydowe - podłączone do sieci elektroenergetycznej.
- Instalacje wyspowe (off-grid) - działające niezależnie od sieci elektroenergetycznej.
W dalszej części skupimy się na instalacjach hybrydowych, ponieważ to właśnie one stanowią zdecydowaną większość obecnie wykonywanych systemów.
Załóżmy, że w budynku została zainstalowana instalacja fotowoltaiczna o mocy 10 kWp, wyposażona w falownik hybrydowy o mocy 10 kW oraz magazyn energii o pojemności 10 kWh i maksymalnej mocy ładowania/rozładowania wynoszącej 5 kW. Co oznaczają te parametry i jak taki system będzie funkcjonował w praktyce?
Zacznijmy od podstawowego parametru magazynu energii, czyli jego pojemności wyrażonej w kilowatogodzinach (kWh). Pojemność na poziomie 10 kWh oznacza, że magazyn może zgromadzić 10 kWh energii elektrycznej. W praktyce oznacza to, że przy ładowaniu mocą 10 kW pełne naładowanie nastąpi w ciągu około jednej godziny, natomiast przy mocy 5 kW proces ten potrwa około dwóch godzin. Analogiczna zależność występuje podczas rozładowywania magazynu.
W większości przypadków magazyny energii wykorzystywane są przede wszystkim do zwiększania autokonsumpcji energii produkowanej przez instalację fotowoltaiczną.
Sposób działania takiego układu zależy głównie od dwóch parametrów:
- Maksymalnej mocy wyjściowej falownika,
- Maksymalnej mocy ładowania i rozładowania magazynu energii.
Dlaczego występują dwa ograniczenia? W rzeczywistości jest ich więcej, jednak te dwa mają największy wpływ na pracę całego systemu.
W instalacji wyposażonej w falownik hybrydowy zarówno moduły fotowoltaiczne, jak i magazyn energii są podłączone do jednego urządzenia. Falownik odpowiada za przekształcanie prądu stałego pochodzącego z paneli oraz akumulatorów na prąd przemienny wykorzystywany przez urządzenia elektryczne w budynku. Z tego powodu całkowita moc dostępna dla odbiorników jest ostatecznie ograniczona maksymalną mocą wyjściową falownika.
Jednocześnie sam magazyn energii posiada własne ograniczenie dotyczące maksymalnej mocy ładowania i rozładowania. Oznacza to, że nawet jeśli falownik pozwala na większy przepływ mocy, magazyn nie będzie w stanie oddać lub przyjąć energii szybciej niż przewiduje jego specyfikacja techniczna.
Aby lepiej zrozumieć zależności pomiędzy tymi parametrami, przeanalizujmy kilka przykładowych scenariuszy pracy instalacji.
Parametry przykładowej instalacji:
Zainstalowana instalacja fotowoltaiczna ma moc 10 kWp, maksymalna moc wyjściowa magazynu energii to 5 kW, a falownika 10 kW. Pojemność magazynu tutaj nie ma znaczenia, zakładamy, że jest naładowany do pełna.
Sytuacja 1.
Produkcja z paneli: 0 W (np. w nocy)
Zapotrzebowanie: 5 kW
Moc z magazynu: 5 kW
Moc z sieci: 0 W
W tej sytuacji przy braku produkcji energii elektrycznej przez panele fotowoltaiczne, nasza instalacja jest w stanie zaspokoić potrzeby domowe do 5 kW mocy chwilowej.
Sytuacja 2.
Produkcja z paneli: 0 W
Zapotrzebowanie: 7 kW
Moc z magazynu: 5 kW
Moc z sieci: 2 kW
Jeżeli jednak dom potrzebuje 7 kW to 5 kW zapewniane jest z magazynu energii, a brakujące 2 kW są dobierane z sieci energetycznej.
Sytuacja 3.
Produkcja z paneli: 10 kW
Zapotrzebowanie: 12 kW
Moc z magazynu: 0 W
Moc z sieci: 2 kW
Co jeśli dom potrzebuje 12 kW, jest pełne słońce a magazyn jest całkowicie naładowany? Niestety w tej sytuacji nadal musi nas wesprzeć sieć energetyczna, ponieważ mimo produkcji z paneli na poziomie 10 kW i pełnego magazynu, ogranicza nas falownik, którego maksymalna moc wyjściowa to 10 kW. W takim razie 10 kW wychodzi z falownika, a pozostałe 2 kW jest dobierane z sieci energetycznej.
Sytuacja 4.
Produkcja z paneli: 3 kW
Zapotrzebowanie: 7 kW
Moc z magazynu: 4 kW
Moc z sieci: 0 W
Oczywiście w przypadku produkcji z paneli na poziomie 3 kW, pełnego magazynu i zapotrzebowania domowego na poziomie 7 kW, to 3 kW mamy z paneli, a brakujące 4 kW z magazynu energii.
Sytuacja 5.
Produkcja z paneli: 3 kW
Zapotrzebowanie: 10 kW
Moc z magazynu: 5 kW
Moc z sieci: 2 kW
Jeżeli jednak w tej sytuacji zapotrzebowanie było by większe, np. 10 kW, to z paneli mamy 3 kW, z magazynu 5 kW (jego maksymalna moc wyjściowa), a brakujące 2 kW są dobierane z sieci energetycznej.
We wszystkich przedstawionych wcześniej przykładach założono, że falownik pracuje w trybie maksymalizacji autokonsumpcji. Jest to najczęściej stosowany sposób działania instalacji wyposażonych w magazyn energii.
W takim trybie falownik realizuje następującą hierarchię priorytetów:
zapotrzebowanie odbiorników w budynku → ładowanie magazynu energii → eksport energii do sieci elektroenergetycznej
Oznacza to, że energia produkowana przez instalację fotowoltaiczną jest w pierwszej kolejności wykorzystywana do zasilania urządzeń elektrycznych w budynku. Jeżeli bieżąca produkcja przewyższa aktualne zużycie energii, nadwyżka kierowana jest do magazynu energii. Dopiero w sytuacji, gdy zapotrzebowanie budynku zostało w pełni pokryte, a magazyn energii jest naładowany, nadmiar wyprodukowanej energii trafia do sieci elektroenergetycznej.
Takie podejście pozwala maksymalnie wykorzystać energię wyprodukowaną na własne potrzeby, ograniczając ilość energii oddawanej do sieci oraz zwiększając poziom autokonsumpcji.
Warto zaznaczyć, że producenci falowników hybrydowych oferują również inne tryby pracy, umożliwiające m.in. ładowanie magazynu z sieci, pracę według harmonogramu czasowego czy optymalizację kosztów energii w taryfach dynamicznych. Mimo to tryb maksymalizacji autokonsumpcji pozostaje rozwiązaniem standardowym i jest dostępny praktycznie we wszystkich nowoczesnych falownikach hybrydowych.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
