Energia bierna a fotowoltaika. Co warto wiedzieć?

Moc bierna (zamiennie energia bierna), z pojęciem której powinni zaznajomić się posiadacze instalacji fotowoltaicznych, to energia, która choć sama nie wykonuje żadnej pracy, jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania urządzeń elektrycznych działających na prąd przemienny - w tym inwertera fotowoltaicznego w instalacjach PV.

W przypadku energii biernej nie zachodzi jej zużycie - moc krąży (pulsuje) jedynie między siecią i odbiornikami, powodując dodatkowe obciążenie sieci przesyłowych i spadki napięcia. Moc bierna jest cyklicznie pobierana i oddawana do sieci.

Straty w układzie spowodowane energią bierną dostawcy rekompensują sobie przez określenie limitów mocy biernej, których przekroczenie wiąże się z poniesieniem dodatkowych opłat przez odbiorców.

Obecność mocy biernej generuje dodatkowe opłaty. Wysokość opłaty zależna jest od obecnych cen energii elektrycznej oraz przeliczników określonych w taryfach operatów. Straty po stronie sprzedawcy lub dystrybutora nie były wcześniej uwzględniane na rachunkach. Aktualnie opłata za moc bierną pojawia się na rachunkach odbiorców - wciąż rzadziej w przypadku gospodarstw domowych, a częściej posiadaczy dużych instalacji fotowoltaicznych w przedsiębiorstwach.

Coraz większa grupa odbiorców spotyka się z problemem opłat za ponadumowny pobór energii biernej - pojemnościowej lub indukcyjnej, które omówimy w dalszej części artykułu. Nie każdy ma jednak świadomość, że ponosi koszty z tego tytułu i że może w łatwy sposób je wyeliminować, stosując kompensację mocy biernej.

By zrozumieć kwestię mocy biernej i związanych z nią opłat, warto wiedzieć też, czym różnią się energia czynna i bierna. W sieciach elektroenergetycznych wszystkie urządzenia elektryczne i odbiorniki pobierają energię elektryczną czynną i bierną. Zarówno jedna, jak i druga są niezbędne do prawidłowego działania urządzeń zasilanych elektrycznością.

• Moc czynna P jest to moc w układach prądu przemiennego, która jest zamieniana na pracę lub energię. Jednostka mocy czynnej to wat [W].
• Moc bierna Q, którą opisaliśmy wcześniej, dzieli się dodatkowo na moc indukcyjną i pojemnościową, której rodzaj zależy od rodzaju odbiornika. Energia bierna indukcyjna to po prostu energia bierna pobrana, związaną z elementami indukcyjnymi, takimi jak silniki, piece indukcyjne i transformatory. Energia bierna pojemnościowa to natomiast energia bierna oddana związana z kondensatorami lub długimi odcinkami kabli będących pod napięciem. Choć moc bierna nie jest zamieniana na pracę, jej występowanie generuje koszty wynikające z konieczności przesyłu. Jednostką mocy biernej jest war.

Oprócz tego występuje również moc pozorna S - jest to moc w układach prądu przemiennego, będąca geometryczną sumą mocy biernej i czynnej. Jednostka mocy pozornej to woltoamper [VA].

Kwestie dotyczące ponadumownego pobór energii biernej reguluje Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 18 sierpnia 2011r. w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie energią elektryczną oraz zmieniające je Rozporządzenie z dnia 12 kwietnia 2012r. W § 45.1. zgodnie z treścią dokumentów, ponadumowny pobór energii biernej określany jest jako: „(…) ilość energii elektrycznej biernej odpowiadająca:  współczynnikowi mocy tg φ wyższemu od umownego współczynnika tg φ0 (niedokompensowanie) i stanowiąca nadwyżkę energii biernej indukcyjnej ponad ilość odpowiadającą wartości współczynnika tg φ0 lub indukcyjnemu współczynnikowi mocy przy braku poboru energii elektrycznej czynnej lubpojemnościowemu współczynnikowi mocy (przekompensowanie) zarówno przy poborze energii elektrycznej czynnej, jak i braku takiego poboru”.

Posiadacz instalacji fotowoltaicznej po zamontowaniu licznika energii elektrycznej otrzymuje od zakładu energetycznego (operatora systemu dystrybucyjnego) dokument - potwierdzenie możliwości świadczenia usługi dystrybucji energii elektrycznej. Zawarte są w nim szczegółowe informacje na temat warunków świadczenia usługi dystrybucji. W tym kluczowy w kwestii mocy biernej współczynnik mocy tgφ.

W zasadzie nie ma możliwości poboru energii czynnej bez biernej. W Polsce w większości przypadków akceptowany współczynnik mocy wynosi 0,2-0,4. W praktyce oznacza to tyle, że na 1W energii pobranej z sieci odbiorca może bez dodatkowych opłat pobrać maksymalnie 0,2-0,4 war mocy biernej. Wraz z przekroczeniem tych wartości naliczane są opłaty za ponadumowny pobór mocy biernej.

Jeśli natomiast chodzi o energię bierną pojemnościową, z uwagi na jej bardziej niekorzystny wpływ na sieć energetyczną, opłata karna naliczana jest za każdą jej ilość. Kary za oddawanie mocy biernej pojemnościowej mogą okazać się dla odbiorców dość dotkliwe.

Kara za pobór energii biernej nakładana jest na odbiorców zasilanych z sieci średniego i wysokiego napięcia, a zatem korzystających z taryfy A lub B. W niektórych przypadkach kara nakładana jest również na przedsiębiorstwa posiadające taryfę C. Opłat za pobór mocy biernej nie ponoszą poza wyjątkami odbiorcy indywidualni, korzystający z wszystkich taryf G.

Odbiorcy, którzy zdecydują się na montaż odnawialnych źródeł energii, takich jak panele fotowoltaiczne, mają obowiązek wymiany dotychczasowego licznika. To powoduje, że przy kolejnej fakturze naliczone zostaną im opłaty z tytułu użytkowania energii biernej.

Ze względu na nieustanny rozwój aparatury pomiarowej, która zlicza pobór mocy czynnej i biernej, karami za pobór mocy biernej obejmowane jest coraz szersze grono odbiorców. Ten, kto zaobserwuje wyższe rachunki za prąd, powinien im się dokładniej przyjrzeć. Może okazać się, że ich źródłem jest opłata za moc bierną. Niekiedy poniesione opłaty za nadmierny współczynnik mocy biernej mogą stanowić nawet 30% wartości miesięcznej faktury.

W sytuacji ponadumownego poboru energii biernej indukcyjnej naliczana jest kara. Podstawę do jej obliczenia stanowi wartość rzeczywistego współczynnika mocy tg φ (tangens fi) obliczonego jako iloraz energii biernej do czynnej pobranej w okresie rozliczeniowym.

Warto wiedzieć, że opłaty za moc energii biernej naliczane są nie tylko wtedy, gdy odbiorca przekroczy dozwolony limit pobrania mocy biernej indukcyjnej, ale również, gdy odda jakąkolwiek wartość mocy biernej pojemnościowej. Energia bierna indukcyjna i pojemnościowa, obciążając źródło prądu, przyczynia się również do zwiększenia strat energetycznych.

Na rachunku, na którym wyszczególnione są wszelkie składowe opłaty, interesująca dla odbiorcy jest ilość energii wyrażona w war, która określa ilość mocy biernej pobranej z sieci.

Na fakturze za energię elektryczną odbiorca znajdzie pozycje: „Opłata za ponadumowny pobór energii biernej indukcyjnej”) i/lub „Opłata za ponadumowny pobór energii biernej pojemnościowej”.

Jeśli ilość mocy biernej nie przekracza wartości granicznej 0,4 V, wartość ta może nie być wyszczególniona na rachunku z energię elektryczną.

Jak wyjaśniliśmy wcześniej, opłaty związane z poborem mocy biernej stanowią wynik obciążenia sieci i strat ponoszonych przez zakłady energetyczne, które ustalając opłaty, wymusiły na użytkownikach rozwiązanie tego problemu we własnym zakresie i na własny koszt.

Na szczęście istnieje sposób radzenia sobie z problemem mocy biernej. Jedną z jej cech, zarówno w przypadku mocy indukcyjnej, jak i pojemnościowej, jest możliwość kompensowania. Kompensacja ta polega w praktyce na wytworzeniu na miejscu bez pobierania z sieci. Kompensacja mocy biernej w gospodarstwie domowym lub firmie wymaga zastosowania specjalnych urządzeń.

Stosowanie urządzeń do kompensacji mocy biernej nie jest konieczne w przypadku instalacji fotowoltaicznych, których moc nie przekracza 5kWp. Instalacje te powinny być konfigurowane w taki sposób, aby falownik utrzymywał współczynnik mocy, czyli cos φ =1.

Właściciel instalacji fotowoltaicznej może kompensować moc bierną dzięki instalowaniu urządzeń mających na celu lokalną poprawę niekorzystnego współczynnika mocy, który wynika z dużego udziału odbiorów o charakterze indukcyjnym lub pojemnościowym. 

Urządzeniami stosowanymi do kompensacji mocy biernej mogą być:

• baterie kondensatorów,

• baterie dławików,

• układy hybrydowe - zawierające jednocześnie dławiki i kondensatory kompensacyjne,

• kompensatory dynamiczne.

Chociaż problem nadmiernego poboru energii biernej dotyczy głównie farm fotowoltaiczny, to może występować on także w przypadku małej domowej mikroinstalacji.

Optymalizacji poboru mocy biernej, właściciel przydomowej mikroinstalacji może dokonać, poprzez przyłączenie baterii kondensatorów. Bateria ta wytwarza przeciwną energię bierną w pobliżu odbiornika, co likwiduje konieczność transportowania jej poprzez sieć elektroenergetyczną.

Dzięki instalacji baterii kondensatorów energia bierna przepływa wyłącznie pomiędzy kompensatorem mocy biernej i odbiornikiem.

Choć posiadacz mikroinstalacji nie ma obowiązku kompensacji mocy biernej, może zdecydować się na zamontowanie urządzeń kompensacyjnych. Powinien jednak przed tym porównać wysokość opłat za energię bierną z kosztem zakupu i montażu urządzeń.

Problem nadwyżek mocy biernej dotyczy przede wszystkim większych instalacji PV, a zwłaszcza farm fotowoltaicznych. To w ich przypadku transportowanie energii elektrycznej z panelu fotowoltaicznego przez różnego rodzaju urządzenia pośredniczące, takie jak przewody, optymalizatory mocy czy wreszcie falownik, skutkuje znacznymi wahaniami mocy biernej.

Jest to wspomniana już wcześniej moc bierna pojemnościowa. Do poprawy współczynnika tej mocy powszechnie wykorzystuje się dławiki kompensacyjne, które są obecnie nieodłącznym elementem rozbudowanych instalacji fotowoltaicznych.

Dławiki kompensacyjne, pod warunkiem właściwego dopasowania do danej instalacji fotowoltaicznej, mogą obniżyć koszty związane z pobieraniem lub oddawaniem do sieci mocy biernej pojemnościowej. Ich działanie polega na manipulowaniu współczynnikiem mocy cos φ - tak, aby dążył on do 1 i nie przekraczał wartości granicznej tg φ (0,4), czyli współczynnika określającego wielkość poboru mocy biernej w stosunku do poboru mocy czynnej.

Z każdym rokiem wzrasta zainteresowanie farmami fotowoltaicznymi, a w efekcie - utrzymywaniem mocy biernej pojemnościowej na właściwym poziomie. Dławiki kompensacyjne oraz baterie umożliwiają zmniejszenie strat mocy powstałych na liniach przesyłowych oraz zapobiegają powstawaniu jej nadwyżek. W ten sposób sprawiają, że użytkowanie farmy fotowoltaicznej jest tańsze.

Dostępne technologie kompensacji mocy biernej pozwalają posiadaczom instalacji PV na ograniczenie dodatkowych kosztów. Warto jednak pamiętać, że każdy proces kompensacji musi być poprzedzony dogłębną analizą danych zebranych poprzez podłączenie urządzeń pomiarowych do sieci elektrycznej odbiorcy.

Zadaniem urządzeń pomiarowych jest rejestracja pełnego cyklu sieci odbiorcy - na podstawie jej wyników dopasowuje się konkretne rozwiązanie kompensujące moc bierną. Brak wcześniejszej analizy, zamiast pomóc, może skutkować wydatkiem, który nie przyniesie żadnych pożądanych efektów.

Dobór urządzenia warto powierzyć wykwalifikowanym i doświadczonym specjalistom. Źle dopasowany kompensator nie tylko będzie nieskuteczny, ale też może przyczynić się do wzrostu opłat za moc bierną czy nieprawidłowej współpracy z instalacją PV.

Temat mocy biernej i jej kompensacji pojawia się zwykłe w chwili otrzymania przez posiadacza instalacji PV rachunku na wyższą niż zwykle kwotę. Często zwiększone rachunki zaobserwować mogą odbiorcy, których dostawcy rozpoczęli korzystanie z nowych urządzeń pomiarowych, z pomocą których dokładniej wyliczają pobór mocy biernej, a w efekcie - wyliczają wyższe kwoty za nią.

Kompensacja mocy biernej, która polega na zainstalowaniu dodatkowych urządzeń, oznacza koszt po stronie odbiorcy. Jeśli jednak opłaty za moc bierną są znaczne, warto zainwestować w odpowiednio dobrany kompensator, który wyeliminuje te opłaty. Kompensacja jest opłacalna już wtedy, gdy opłaty za moc bierną wynoszą 200-300 zł miesięcznie. Inwestycja w zakup urządzeń zwraca się w terminie od kilku miesięcy do roku.

Masz pytania? Potrzebujesz więcej informacji? Skontaktuj się z nami