Fotowoltaika – jak działają systemy on-grid, off-grid i hybrydowe?

Przymierzając się do tematu instalacji fotowoltaicznej, na pewno każdy zetknął się z trzema różnymi trybami pracy sytemu PV. W tym artykule przedstawię każdy z nich – najważniejsze informacje, a także różnice między nimi. Bez względu na to, czy to początek twojej drogi, czy już bardziej zaawansowane stadium, zachęcam cię do zapoznania się z tym tekstem!

1. On-grid. Instalacja fotowoltaiczna podłączona do naszej sieci domowej

Taka instalacja, generując nadwyżki energii elektrycznej, kieruje je do sieci energetycznej poprzez licznik dwukierunkowy. A gdy produkcja energii elektrycznej jest niewystarczająca, to ta brakująca ilość energii jest dostarczana z sieci energetycznej. Proste i łatwe. Lecz gdy nastąpi awaria sieci energetycznej (lub przerwa techniczna), my też jesteśmy odcięci od prądu, mimo tego, że mamy panele PV na dachu. Dlaczego tak się dzieje?

Inwertery przystosowane do pracy on-grid są zasilane od strony AC – sieci energetycznej. Jeśli sieć energetyczna jest wyłączona, to my również. Pomimo tego, że na panelach może być napięcie, które wystarczyłoby do uruchomienia inwertera. Nie możemy wówczas korzystać z tej energii.

2. Off-grid. Instalacja fotowoltaiczna – wyspowa. Co to znaczy?

Działa niezależnie od sieci energetycznej. Taka instalacja nie jest podłączana w sposób bezpośredni do instalacji elektrycznej naszego domu. Zwykle stosuje się kolejną rozdzielnię, która kontroluje urządzenia elektryczne do niej podłączone.

Energia z takiej instalacji nigdy nie trafi do sieci energetycznej. Musi być ona odseparowana od sieci energetycznej. I tu pojawia się następujące pytanie: Co wtedy, gdy prądu z instalacji PV jest za mało? Otóż urządzenia przestają pracować. Jest za duże obciążenie w stosunku do energii, jaką wytwarzają panele fotowoltaiczne. Inwerter odłącza instalację, by jej nie uszkodzić. Co robić w takiej sytuacji?

Można zainstalować właśnie magazyn energii. Tak naprawdę są to akumulatory (na ogół litowo-jonowe), w których to magazynowany będzie prąd elektryczny z paneli fotowoltaicznych, gdy ta produkuje za dużo w stosunku do aktualnego obciążenia. Czyli nadwyżka energii trafia do buforu, którym jest właśnie magazyn energii. I z tego buforu, będzie uzupełniana energia elektryczna w przypadku, w którym instalacja fotowoltaiczna nie pokryje całego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Taki magazyn energii musi zostać wyposażony w kontroler ładowania i rozładowania, gdyż ogniwa litowo-jonowe można stosunkowo łatwo uszkodzić, przeładowując je, ale też gdy będą zbyt głęboko rozładowane. Poza tym można je uszkodzić samą temperaturą.

Poziom temperatury optymalny dla pracy magazynu energii wynosi około 15°C, jednak spokojnie może wahać się od temperatury 0°C do nawet 30°C. Trzeba pamiętać, że temperatura pracy ogniw może sięgnąć nawet 50°C, dlatego każdy magazyn powinien być wyposażony w aktywny system chłodzenia, by nie doszło do pożaru.

Dla kogo taki system off-grid?

Powiem szczerze, że sam posiadam właśnie taki system. Zasila on mój warsztat, a mam w nim dwie tokarki (jedna stołowa), frezarkę CNC, wiertarkę stołową i jeszcze trochę innych elektronarzędzi, no i oczywiście ogrzewanie elektryczne matą grzejną. To wszystko jest zasilane z systemu wyspowego.

Odpowiadając na postawione pytanie: taki system jest dla osób, które cenią wysoko swoją niezależność. Wygody w tym praktycznie nie ma żadnej, ale satysfakcja, że jest się samowystarczalnym, jest nieoceniona. Co ważne, przed założeniem takiej instalacji trzeba bardzo dobrze się zastanowić i trzy razy obejrzeć złotówkę przeznaczoną na taki system.

Na pewno nie poleciłbym takiej instalacji dla domu jednorodzinnego. Poleciłbym ją firmom, które chciałyby uciąć swoje koszta w użytkowaniu maszyny. Dlaczego? Znika problem energii biernej z instalacji PV.

Co zyskuję?

Pełną niezależność energetyczną i brak rachunków za prąd. Tak, jest możliwy brak rachunku, ale może o tym opowiem w innym artykule, tutaj skupię się na samym magazynie energii.

W takim systemie mam pełną niezależność energetyczną. Fakt faktem trzeba się mocno napilnować bilansu energetycznego – jest to wada takiej instalacji. Mój magazyn energii ma pojemność 20 kWh i w grudniu (czyli przy najgorszych warunkach działania systemu fotowoltaicznego w Polsce), stopień naładowania był utrzymywany na poziomie 60% pojemności baterii, a warsztat pracował od poniedziałku do piątku, utrzymując nawet ogrzewanie na poziomie 20°C przy -5°C na zewnątrz.

Taki system trzeba dobrze zaprojektować i przewidzieć zużycie energii elektrycznej. Jeszcze jedną jego wadą jest dołożenie kolejnego obciążenia elektrycznego, czyli kolejnego urządzenia elektrycznego. Wiąże się to z dostawieniem następnych paneli fotowoltaicznych.

Dlaczego ja wybudowałem taki system?

Po pierwsze z ciekawości, czy w ogóle jestem w stanie coś takiego wybudować, żeby działało i skutecznie zasilało. Po drugie, aby dowiedzieć się, jak wygląda użytkowanie takiego systemu. 

O ile systemy on-gridowe są łatwe w użytkowaniu, tak te off-gridowe już nie są i wymagają wiedzy technicznej w obyciu. 

3. Hybrydowy system fotowoltaiczny on-/off-grid

Trzecim systemem jest system PV, który łączy zalety systemu on-grid i off-grid. W takim systemie stosujemy specjalne inwertery do pracy zarówno z magazynem energii, jak i z siecią energetyczną. Mało tego, możemy wybrać tryb pracy takiego systemu. Na czym to polega?

Są trzy różne tzw. priorytety pracy:

• Pierwszy to tryb pracy na panelach PV. Czyli w pierwszej kolejności zapotrzebowanie na prąd jest pokrywane z paneli PV. Jeżeli jest ona niewystarczająca, to inwerter pobiera energię z magazynu energii. Jeśli i ona jest za mała, pobierana jest z sieci energetycznej. Jeśli energii produkowanej przez panele PV jest za dużo w stosunku do zużycia, to najpierw jest ona kierowana na magazyn. A jeśli jest on naładowany w 100%, to nadwyżka jest kierowana do sieci energetycznej.
• Drugi tryb pracy to magazyn energii. W pierwszej kolejności zużywana jest energia zawarta w tym magazynie. Ale sposób ładowania tego magazynu jest inny. Ładowany jest on z dwóch różnych źródeł, czyli z paneli PV i z sieci. Ponieważ magazyn jest ustawiony jako priorytet, to inwerter skupia się na jak najszybszym jego ładowaniu. Co może powodować opłaty za prąd elektryczny.
• Trzeci tryb to praca na sieci. Czyli w pierwszej kolejności zużycie naszego domu jest pokrywane z sieci, a panele pracują na naładowanie magazynu energii. Nadwyżka jest kierowana do sieci. Jednak zasilanie domu jest z sieci. W przypadku awarii sieci zapotrzebowanie jest pokrywane z magazynu energii. Podczas awarii panele PV będą pracować na zapełnienie energią magazynu. Podsumowując, jest to taki duży UPS dla domu.

Są jeszcze tryby mieszane, ale nie są one potrzebne do zrozumienia, jak działa system hybrydowy. Lepiej opisane tryby znajdują się zawsze w specyfikacji inwertera hybrydowego.

Niewątpliwą zaletą takiego systemu jest jego elastyczność i praca nawet wtedy, gdy wyłączą nam prąd. System on-grid przestanie pracować, jeżeli nie będzie napięcia od strony AC, czyli sieci energetycznej. Pomimo że mamy panele fotowoltaiczne na dachu/ ziemi, to i tak nie będziemy mogli z niego skorzystać. W systemie hybrydowym mamy taką możliwość.

System hybrydowy jest preferowany dla miejsc, w których występują dość częste wyłączenia sieci energetycznej. Zwykle są to peryferia sieci dystrybucyjnej. A sam magazyn energii może być obliczony na czas działania np. 48 h pokrycia zapotrzebowania energetycznego domu. Nie musi więc być duży i drogi. Wystarczy, abyśmy przetrwali awarię sieci. No i oczywiście nie martwimy się o bilans energetyczny, kupując nową lodówkę czy telewizor, jak w przypadku systemu off-grid. W razie czego mamy przecież energię z sieci.

System ten nie jest taki drogi jak off-grid. Głównie przez zastosowanie mniejszego magazynu energii, natomiast jest zdecydowanie droższy niż system on-grid. Z kolei system on-grid nie będzie działał w przypadku awarii sieci, a system hybrydowy – owszem, tak.

Czytaj też: Fotowoltaika – ceny, opłacalność, zysk