Akumulatory do fotowoltaiki. Jak magazynować energię?

Akumulatory do fotowoltaiki, nazywane też akumulatorami fotowoltaicznymi, które są podłączone do instalacji PV, to ogniwa galwaniczne gromadzące i przechowujące energię wyprodukowaną z promieniowania słonecznego. Mają one charakter ogniw wtórnych - można je wielokrotnie użytkować (uwalniając energię) i ładować (gromadząc energię), w efekcie działania odwracalnych reakcji chemicznych zachodzących w elektrodach zanurzonych w elektrolicie. Akumulatory do fotowoltaiki magazynujące energię pełnią ważną rolę w działaniu instalacji off-grid, o których piszemy w dalszej części artykułu.

By zrozumieć, na czym dokładnie polega działanie akumulatorów do fotowoltaiki, warto omówić najpierw trzy podstawowe rodzaje instalacji fotowoltaicznych. To systemy on-grid, off-grid (kluczowe w kontekście akumulatorów do fotowoltaiki) i hybrydowe, łączące cechy obu poprzednich. Każdy z tych systemów ma swoje wady i zalety, które pod uwagę muszą wziąć przyszli właściciele instalacji fotowoltaicznych.

W systemach on-grid, które są podłączone do sieci elektroenergetycznej, energia wyprodukowana przez panele fotowoltaiczne przekazywana jest do falownika, w którym to następuje zamiana prądu stałego na zmienny. Nadwyżki wyprodukowanej energii przesyłane są do zakładu energetycznego i możliwe do odebrania w okresie wzmożonego zapotrzebowania. W zależności od mocy posiadanej instalacji PV istnieje możliwość odebrania 70% lub 80% energii zmagazynowanej w zakładzie energetycznych w bilansie półrocznym lub rocznym, znanym na rynku jako Net Metering.

System on-grid obsługuje zwykle dwukierunkowy licznik prądu, który na bieżąco mierzy jaka ilość prądu została odprowadzona do sieci elektrycznej, a jaka została z niej pobrana. 

Co ważne, po wykonaniu montażu instalacji PV, wymiana licznika leży po stronie zakładu energetycznego i jest całkowicie bezpłatna. Tego typu instalacje cieszą się największą popularnością wśród prosumentów, czyli podmiotów, które jednocześnie produkują i konsumują energię elektryczną z fotowoltaiki. 

Z kolei systemy fotowoltaiczne off-grid są w pełni autonomiczne, co oznacza, że nie podłącza się ich do sieci elektroenergetycznej. Energia powstała w instalacji fotowoltaicznej zasila układy wydzielone bądź trafia do akumulatorów fotowoltaicznych. Cały ten proces podlega kontroli ze strony regulatora ładowania, co chroni akumulator do fotowoltaiki przed uszkodzeniem na skutek przeładowania. W trakcie poboru energii prąd stały przekazywany jest z akumulatora do fotowoltaiki dalej do falownika, w którym podobnie jak w systemach on-grid, następuje zmiana jego parametrów na prąd zmienny o napięciu 230 V i częstotliwości 50 Hz.

Ostatni z systemów fotowoltaicznych - hybrydowy, polega na jednoczesnym podłączeniu do sieci elektroenergetycznej i wykorzystaniu akumulatorów do fotowoltaiki. Energia wytworzona w panelach fotowoltaicznych może być przeznaczona bezpośrednio do zasilania urządzeń, natomiast jej nadwyżki mogą być magazynowane w specjalnych akumulatorach. W okresach zwiększonego poboru energia elektryczna potrzebna do zasilania urządzeń pobierana jest z akumulatorów. Wadą systemów hybrydowych jest jednak ich dość wysoka cena.

Instalacja fotowoltaiczna produkuje najwięcej prądu gdy występuje duże nasłonecznienie, podczas kiedy zapotrzebowanie na energię elektryczną najwyższe jest wieczorem. Szczególnie w okresach jesiennym i zimowym, gdy szybko zapada zmrok. Wyrównaniu zużycia energii służy akumulator do fotowoltaiki, który uzupełnia braki prądu w sytuacji, w której fotowoltaika nie może zapewnić nam potrzebnej energii użytkowej.

Akumulatory do fotowoltaiki pozwalają na wielokrotne ładowanie oraz rozładowywanie energii. Jest to możliwe dzięki odwracalnym reakcjom chemicznym, które zachodzą w 

elektrodach zamoczonych w elektrolicie. Każdy z tego typu akumulatorów pracuje w dwóch cyklach: ładowania i rozładowywania energii. 

W trakcie pierwszego z nich dochodzi do przetworzenia energii elektrycznej na energię chemiczną. W drugim cyklu natomiast odwrotnie - energia chemiczna przekształcana jest z powrotem na energię elektryczną. Podczas ładowania akumulatora prąd płynie w przeciwnym kierunku niż ten podczas jego rozładowania.

Należy mieć na uwadze fakt, że wraz z kolejnymi cyklami ładowania i rozładowywania, akumulatory do fotowoltaiki ulegają stopniowemu zużyciu. Urządzenie, które utraciło swoje wyjściowe parametry, może więc wraz z upływem czasu wymagać wymiany.

Praca paneli fotowoltaicznych uzależniona jest od dostępności promieniowania słonecznego. Latem częsta jest nadwyżka produkcyjna, z kolei zimą zdarza się, że instalacje PV nie są w stanie wyprodukować ilości energii, jaka pokryłaby bieżące zapotrzebowanie danego budynku. Różnice te można zniwelować, magazynując energię z uzyskaną z fotowoltaiki. Służą temu specjalne magazyny energii, które składają się z akumulatorów fotowoltaicznych.

Do zbudowania instalacji off-grid, korzystającej z akumulatorów w roli magazynów energii niezbędne są:

• Moduły fotowoltaiczne,
• akumulator lub akumulatory,
• regulator ładowania,
• inwerter wyspowy.

Taki system zapewni posiadaczowi instalacji fotowoltaicznej niezależność od sieci i uchroni go przed stratami energii związanymi z systemem upustów (tzw. net-metering). Wymaga on jednak zakupu dodatkowych urządzeń i wydzielania miejsca na magazyn energii. Same akumulatory fotowoltaiczne zwykle montuje się w pomieszczeniach gospodarczych, w miejscu odpornym na wilgoć czy wysokie temperatury.

Akumulatory do fotowoltaiki, których temat zgłębiamy w tym artykule, to szeroka gama produktów. Wśród nich, ze względu na skład chemiczny, możemy wyróżnić kilka rodzajów urządzeń. Są nimi baterie fotowoltaiczne:

a) żelowe - świetnie z instalacjami fotowoltaicznymi współpracują przede wszystkim żelowe baterie fotowoltaiczne, zawierające skondensowany elektrolit (żel). Urządzenia tego typu wykazują dobrą odporność na całkowite rozładowanie, trwające jednak nie dłużej niż 24 godziny. Średnia żywotność akumulatora żelowego wynosi ok. 400 cykli. Wraz ze spadkiem temperatury pojemność urządzenia spada, jednak wraca do pełnej pojemności zaraz po jej wzroście. 

b) AMG - kolejna z opcji w zakresie magazynowania prądu z fotowoltaiki. Te zaawansowane modele baterii fotowoltaicznych posiadają elektrolit ciekły, w którym to kwas znajduje się pomiędzy ołowiowymi płytami w matach szklanych - ich zadaniem jest absorpcja nadmiaru elektrolitu. Urządzenia te mają wysoką tolerancję na szybkie doładowania i rozładowania. Zadowalająca jest również ich żywotność. 

c) litowo-jonowe - ostatnią grupę polecanych baterii fotowoltaicznych stanowią modele litowo-jonowe, z elektrolitem w postaci cieczy z solami litowymi. W tym przypadku jedna elektroda zbudowana jest z porowatego węgla, z kolei w drugiej zastosowano specjalne tlenki metali. Do zalet modeli tego typu należą przede wszystkim niska waga i niski stopień samorozładowania. W porównaniu z innymi bateriami fotowoltaicznymi, urządzenia litowo-jonowe gromadzą więcej energii. Ich wadą jest niestety najmniejsza liczba cykli, z powodu której modele te nie sprawdzają się w dużych instalacjach fotowoltaicznych.

A co z akumulatorami kwasowymi? Niestety te urządzenia zupełnie nie sprawdzają się w przypadku systemów fotowoltaicznych, ponieważ nie są przystosowane do pracy cyklicznej. Oprócz tego wolno się ładują, a ich żywotność jest stosunkowo krótka w porównaniu z innymi akumulatorami do fotowoltaiki. Inwestycja w tego rodzaju urządzenia nie przekłada się więc finalnie na oczekiwane przez inwestorów korzyści.

Dobór akumulatora do fotowoltaiki może okazać się sporym wyzwaniem. Przed wyborem najlepiej dopasowanego do naszych preferencji i potrzeb rozwiązania, należy zwrócić uwagę na kilka czynników. Wśród nich kluczowe znaczenie mają:

1. Pojemność akumulatora do fotowoltaiki

Najważniejszym parametrem akumulatorów do fotowoltaiki jest ich pojemność wyrażona w amperogodzinach (Ah). Można ją rozumieć jako zdolność urządzenia do przechowywania ładunku elektrycznego. Powinna być ona dobrana do potrzeb danego gospodarstwa domowego oraz poszczególnych komponentów całej instalacji fotowoltaicznej. Do zasilania kluczowych urządzeń domowych wystarczający będzie akumulator o mniejszej pojemności. Jeśli jednak magazyn energii będzie głównym źródłem mocy, warto zdecydować się na model o większej pojemności. 

Zarówno zbyt duży, jak i zbyt mały akumulator do fotowoltaiki będzie generował dodatkowe koszty. Za mały będzie wymagał dokupowania prądu z sieci, a za duży przyczyni się do skrócenia żywotności baterii fotowoltaicznej. Standardem są dziś urządzenia zapewniające 80% pojemności po 10 latach, choć nie brak również takich z gwarancją 20-letnią i dłuższą. Decydując się na zakup akumulatora, warto porównać pojemności urządzeń różnych producentów.

2. Sprawność akumulatora fotowoltaicznego

Sprawność akumulatorów, w zależności od modelu, wynosi ok. 90-95%. To pozwala niemal w całości wykorzystywać energię wyprodukowaną przez własną instalację PV.

3. Zdolność akumulatora do pracy cyklicznej

Kolejnym istotnym kryterium wyboru akumulatora do fotowoltaiki jest jego przystosowanie do pracy w trybie cyklicznym, polegającym na naprzemiennym ładowaniu i rozładowywaniu. Należy przy tym unikać zjawiska głębokiego rozładowania, które skraca życie akumulatora.

4. Temperaturowy zakres pracy akumulatora

Warto przy okazji zakupu sprawdzić, czy dane urządzenie do magazynowania energii elektrycznej pracuje w szerokim zakresie temperatur. Polecane przez fachowców od fotowoltaiki urządzenia są zdolne do pracy zarówno w bardzo wysokich, jak i niskich temperaturach.

5. Okres między doładowaniami akumulatora

Nie bez znaczenia jest też okres pomiędzy kolejnymi doładowaniami akumulatora do fotowoltaiki liczonymi w dniach - to kolejny element, jaki warto uwzględnić w procesie decyzyjnym. 

6. Wytrzymałość akumulatora do fotowoltaiki

Akumulatory do fotowoltaiki współpracujące z instalacją PV narażone są na działanie szkodliwych warunków - zmiennie temperatury, zanieczyszczenia czy uszkodzenia mechaniczne. Urządzenia wysokiej jakości w specjalnych obudowach wykazują odpowiednią wytrzymałość i są warte swojej ceny.

By uniknąć błędów w zakupie akumulatora do fotowoltaiki, przy wyborze urządzenia warto skorzystać z rady specjalisty. Jego wiedza o rodzajach i właściwościach urządzeń gromadzących i magazynujących energię pozwoli na dobór odpowiedniego akumulatora dla danej instalacji fotowoltaicznej.

Wybór odpowiedniego akumulatora do fotowoltaiki to jeszcze nie wszystko. Pojemne urządzenie o długiej żywotności spełni swoje zadanie jedynie wtedy, gdy instalacja elektryczna w danym budynku jest przystosowana do pracy z tego typu urządzeniem. W starszych budynkach działanie magazynu energii może nie być optymalne. 

Specyfika pracy akumulatorów do fotowoltaiki sprawia, że w instalacjach PV należy stosować wyłącznie przeznaczone do tego typu urządzenia, a nie dowolne baterie. Musimy pamiętać, że tylko specjalne akumulatory są w stanie zagwarantować wysoki poziom żywotności. 

Miejmy na uwadze też fakt, że wysoka temperatura towarzysząca ładowaniu akumulatora do fotowoltaiki zwiększa wydzielanie gazów. Zjawisku temu można zapobiec poprzez odpowiednią wentylację obudowy urządzenia.

Zasadnicze znaczenie dla bezawaryjnego działania akumulatora do fotowoltaiki ma jego prawidłowy montaż. Przede wszystkim należy sprawdzić urządzenie pod kątem wykonanych połączeń i ewentualnych uszkodzeń mechanicznych. Przed uruchomieniem trzeba też dokręcić śruby kluczem dynamometrycznym. Akumulator, po uprzednim wyłączeniu urządzenia ładującego, można połączyć z instalacją prądu stałego. Istotne jest przy tym skontrolowanie podłączenia bieguna baterii w stosunku do zacisku regulatora ładowania.

Poza montażem, właściciele instalacji fotowoltaicznych z akumulatorami fotowoltaicznymi, powinni również poddawać urządzenia okresowym kontrolom. Polegają one na wykonywanych raz na pół roku pomiarach napięcia baterii i temperatury powierzchni ogniw fotowoltaicznych. Pod lupę należy wziąć również złącza śrubowe, które mogą wymagać dokręcenia. Nie zapominajmy też o odpowiedniej wentylacji pomieszczenia, w którym przechowywany jest akumulator, jak również o systematycznym usuwaniu kurzu i innych zabrudzeń z jego powierzchni.

Instalacja fotowoltaiczna to nie lada wydatek. Sam koszt paneli PV i inwertera, w zależności od mocy systemu, wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu tysięcy złotych. Zakup i montaż akumulatora do fotowoltaiki to zatem dodatkowy koszt, który w wielu przypadkach będzie jednak opłacalny. Pamiętajmy, że urządzenia gromadzące i magazynujące wyprodukowaną przez panele PV energię pozwala na jej lepsze wykorzystanie. Rozwiązanie to jest także ratunkiem w sytuacji, gdy podłączenie fotowoltaiki do sieci energetycznej nie jest możliwe z racji lokalnych uwarunkowań.

Kiedy akumulatory do fotowoltaiki sprawdzą się najlepiej? Wszystko zależy od naszych planów związanych z instalacją fotowoltaiczną, a konkretnie systemu, w jakim będzie ona działała. Jak wspomnieliśmy na początku, inwestor może zdecydować się na podłączenie do sieci (tak zwana instalacja on-grid) lub zrezygnować z takiego podłączenia (tak zwana instalacja off-grid). W tym drugim przypadku właściciel instalacji PV staje się całkowicie niezależny od sieci. Musi przy tym samodzielnie zarządzać wyprodukowaną energią i być przygotowanym na ewentualne przerwy w pracy instalacji. 

W efektywnym korzystaniu z instalacji fotowoltaicznej działającej w systemie off-grid zastosowanie znajdują akumulatory do fotowoltaiki. Urządzenia magazynują nadwyżki energii elektrycznej, która może być wykorzystana przy obniżonej produkcji (w nocy, zimą i w pochmurne dni), jak również wtedy, gdy system PV z jakiegoś powodu nie pracuje. 

Co ważne, akumulatory do fotowoltaiki mogą być stosowane również w systemach hybrydowych. Z tą jednak różnicą, że w tym przypadku nadwyżka energii elektrycznej trafia najpierw do akumulatora, a po jego pełnym naładowaniu - do sieci, z której może być pobrana w ramach systemu upustów.

Inwestycja w instalację fotowoltaiczną z akumulatorem staje się również opłacalna z uwagi na nie zawsze korzystny system upustów (tzw. net-metering), z jakiego korzystają obecnie posiadacze instalacji PV typu on-grid. W jego ramach energia wyprodukowana przez panele fotowoltaiczne, której nie jesteśmy w stanie zużyć na bieżąco, trafia do sieci. Przesłane w ten sposób nadwyżki mogą być odebrane w przyszłości, nie później jednak niż w ciągu 365 dni. Niestety, nie jest możliwe odebranie 100% energii oddanej do sieci - właściciel instalacji może odzyskać jedynie część nadwyżek:

• do 80% oddanej energii elektrycznej przy instalacji fotowoltaicznej o mocy do 10 kWp,
• do 70% oddanej energii elektrycznej przy instalacji fotowoltaicznej o mocy od 10 do 50 kWp.

W praktyce więc system on-grid - jako sieciowy magazyn o nieograniczonej pojemności - naraża posiadacza instalacji fotowoltaicznej na straty energii na poziomie 20-30%. 

Z tego powodu tak ważne jest optymalne dopasowanie mocy instalacji fotowoltaicznej w celu jak najlepszego wykorzystania wyprodukowanej energii elektrycznej. Jednym z na to sposobów jest zakup akumulatora do fotowoltaiki, który będzie gromadził wyprodukowany w modułach PV prąd. Jest to rozwiązanie zdecydowanie bardziej opłacalne niż korzystanie z umowy prosumenckiej, zawieranej przez wytwórców energii z paneli fotowoltaicznych z siecią elektroenergetyczną, o ile koszt inwestycji nie wydłuży znacząco okresu zwrotu.

Na koniec, kwestia szczególnie ważna dla rozważających akumulator do fotowoltaiki - cena urządzenia. Modele dostępne na rynku w znaczący sposób podnoszą koszt instalacji PV. Dla inwestorów, którzy realizują przedsięwzięcie fotowoltaiczne z własnych środków, ma to olbrzymie znaczenie. 

To, jaka jest cena akumulatora do fotowoltaiki, zależy od liczby urządzeń potrzebnych do magazynowania wyprodukowanej energii. Instalacja o mocy 4,5 kW jest w stanie generować dziennie ok. 12-14 kWh. Do zmagazynowania takiej ilości energii potrzeba ok. 5-6 akumulatorów 200 Ah. Cena pojedynczego urządzenia to ok. 1200-1500 zł, co po pomnożeniu daje koszt rzędu 6000-9000 zł. Za kompletny magazyn w postaci akumulatora i inwertera dostosowanego do jego obsługi przyjdzie nam zapłacić przynajmniej 25 tys. zł. Do tego doliczyć trzeba jeszcze panele fotowoltaiczne, systemy wsporne, okablowanie i usługę montażu. Rentowność tego typu przedsięwzięcia wrośnie być może od 2022 roku. Na ten czas planowana jest czwarta edycja programu rządowego Mój Prąd 4.0. Z zapowiedzi wynika, że dofinansowaniu podlegać będą wówczas akumulatory do fotowoltaiki, jednak jak na razie są to spekulacje.

W instalacjach fotowoltaicznych, poza urządzeniami odpowiedzialnymi za wytworzenie i przekształcenie energii z promieniowania słonecznego w prąd zasilający urządzenia, istotną rolę odgrywają akumulatory, które pozwalają na gromadzenie i przechowywanie energii.

Wysoka cena akumulatorów do fotowoltaiki to dla wielu prywatnych przeszkoda w stworzeniu własnej instalacji typu off-grid. Pamiętajmy jednak, że system produkujący energię elektryczną z promieniowania słonecznego, działa równie skutecznie bez akumulatora. Korzystając z podpiętego do sieci systemu on-grid warto śledzić trendy na rynku OZE - spadki cen akumulatorów do dobra okazja, by ponownie rozważyć zakup urządzenia do instalacji off-grid lub hybrydowej, która łączy cechy obu systemów.

Optymizmem napawają również prognozy ekspertów, którzy przewidują średni spadek cen akumulatorów do fotowoltaiki w tempie 20% rocznie.

Instalacje fotowoltaiczne zyskują na popularności. Nie bez powodu - możliwość obniżenia rachunków za coraz droższy prąd i rosnąca świadomość dotycząca zmian klimatycznych sprawiają, że przybywa zainteresowanych inwestowaniem w czystą i przyjazną środowisku energię słoneczną. Fotowoltaika, nazywana technologią jutra, już dziś przynosi liczne korzyści - pod warunkiem wykorzystania wysokiej jakości elementów systemu. 

Poza panelami fotowoltaicznymi i falownikiem, które są sercem instalacji PV, warto zainteresować się również akumulatorami do fotowoltaiki. Pojemne urządzenia o doskonałej sprawności i długiej żywotności, mimo dość wysokich kosztów inwestycji, mogą być świetnym uzupełnieniem przydomowej elektrowni słonecznej. 

Warto przy tym pamiętać, że zakup baterii fotowoltaicznych jest kosztowny i wydłuża czas zwrotu inwestycji w fotowoltaikę. Z tego powodu należy przede wszystkim zużywać jak największe ilości energii na bieżąco, co pozwala na wyeliminowanie ewentualnych strat związanych z nadwyżkami. By tak się stało, konieczne jest jak najdokładniejsze dopasowanie mocy instalacji PV do zapotrzebowania danego gospodarstwa.

Masz pytania? Potrzebujesz więcej informacji? Skontaktuj się z nami