Jaka wielkość magazynu energii do fotowoltaiki?

Dobór magazynu energii do fotowoltaiki nie jest prosty. Zbyt mała bateria powoduje zwiększony pobór prądu z sieci, ale jest na ogół bardziej opłacalna niż duży magazyn energii. Duży magazyn energii natomiast, to duży wydatek. Jak zatem dobrać magazyn energii do fotowoltaiki?

Przygotowaliśmy przewodnik, aby pomóc dobrać optymalną wielkość magazynu energii. Dodatkowo, opisujemy co może się zmienić w najbliższym czasie i jaki będzie miało wpływ na dobór magazynu energii.

Rynek magazynów energii do domu

W Polsce rośnie popularność domowych magazynów energii. Bardzo przyczynił się do tego program Mój Prąd, w ramach którego, w edycji Mój Prąd 5.0 złożono 10 054 wnioski o dotacje do magazynów energii (o dotacje do instalacji fotowoltaicznych wnioskowano 89 177 razy).

Wg danych organizacji Solar Power Europe, pod koniec 2022 r. w Europie pracowało ponad 1 milion domowych magazynów energii, z czego w samym 2022 roku, liczba ta wzrosła o ponad 350 tys., a ich pojemność przekroczyła 9,3 GWh.

Pojemność i moc magazynu energii

Rozmiar magazynu energii jest określany za pomocą pojemności. Istotne jest jednak rozróżnienie pomiędzy pojemnością użytkową (netto) a pojemnością całkowitą (brutto).

Podział na pojemność netto i brutto jest ważny, gdyż nie powinno się wykorzystywać całej pojemności baterii litowo-jonowej, gdyż mogłoby to nieodwracalnie uszkodzić baterię. Pojemność użyteczna, określana jest również jako głębokość rozładowania (DoD – Depth of Discharge), i w większości baterii wynosi od 90% do 95% (aczkolwiek niektórzy producenci, w warunkach gwarancyjnych dopuszczają inne wartości, np. 80% DoD).

Magazyny energii najczęściej są dostępne w pojemnościach od 2,5 kWh do 13 kWh, przy czym im większa pojemność, tym na ogół niższy koszt jednej kilowatogodziny (kWh) pojemności.

Drugim ważnym parametrem magazynu energii, po pojemności, jest jego moc, gdyż rozmiar to nie wszystko. Jeśli akumulator ma dużą pojemność, ale małą moc, będzie długo dostarczał energię, ale niewiele urządzeń da się nim zasilić.

Po co magazyn energii do domu?

Magazyny energii są montowane, aby obniżyć rachunki za prąd, oraz czasami dodatkowo jako zasilanie awaryjne.

Cena sprzedaży energii z fotowoltaiki

Aby magazyn energii był opłacalny, powinna być odpowiednio duża różnica pomiędzy ceną sprzedaży energii z fotowoltaiki a ceną zakupu prądu z elektrowni. Zmiany cen od czerwca 2022 r. można zobaczyć na poniższej grafice (wykres nie uwzględnia zamrożenia cen prądu):

Obecnie ceny sprzedaży energii w systemie net-billing mają tendencję do zmniejszania się, a wkrótce ma nastąpić zmiana rozliczania sprzedaży energii z miesięcznej na godzinową.

Opłacalność magazynu energii jest tym większa im niższe są ceny sprzedaży energii w systemie net-billing. Natomiast dla porównania, instalacja fotowoltaiczna jest tym bardziej opłacalna, im wyższe są ceny sprzedaży energii z fotowoltaiki.

Opłacalność magazynu energii do domu

Największy wpływ na opłacalność ma cena magazynu energii do domu. Natomiast oprócz ceny, duże znaczenie ma liczba cykli ładowania / rozładowania, jaką magazyn energii będzie wykonywał.

Poniżej porównanie opłacalności zakupu magazynu energii do fotowoltaiki, w zależności od rocznej liczby cykli ładowania / rozładowania.

Zwiększając liczbę cykli z 220 do 300 rocznie, znacznie skraca się okres zwrotu baterii. Natomiast liczba cykli ma wpływ na pojemność baterii: im większa liczba cykli, tym mniejsza pojemność akumulatora.

Wpływ liczby cykli, sprawności i degradacji na magazyn energii można znaleźć w artykule o opłacalności zakupu magazynu energii.

Jak dobrać magazyn energii do fotowoltaiki

Generalnie, dobór optymalnej wielkości magazynu energii nie jest prosty. Wynika to z faktu, iż, aby zrobić to precyzyjnie, należy uwzględnić sporo czynników:

• przyszłą cenę prądu,
• wysokość zużycia prądu,
• cenę zakupu i montażu magazynu energii,
• trwałość baterii,
• rozmieszczenie modułów fotowoltaicznych i moc instalacji PV,
• dostępność ewentualnych dofinansowań.

Producenci najczęściej udzielają 10-letniej gwarancji, aczkolwiek ośrodek badawczy Fraunhofera zakłada, iż baterie będą pracować nawet 15 lat. Wiele zależy jednak od intensywności ich eksploatacji.

Co wpływa na degradację baterii i co robić, aby ją ograniczyć możesz się dowiedzieć z artykułu o trwałości baterii litowo-jonowych.

Autokonsumpcja z magazynem energii

W systemie net-billing najważniejsza jest autokonsumpcja, czyli zużycie własne energii z fotowoltaiki. W przypadku instalacji fotowoltaicznych przyłączanych na zasadach net-billingu, oddawanie energii elektrycznej do sieci jest mało opłacalne, ponieważ ceny sprzedaży prądu z fotowoltaiki są na ogół dość niskie.

Średnio wykorzystuje się ok. 20 – 30% prądu z fotowoltaiki na potrzeby własne. Instalacja fotowoltaiczna wytwarza latem w godzinach południowych najwięcej energii, która przy ładnej pogodzie najczęściej nie jest wykorzystywana.

Pojemność magazynu energii a zużycie własne

Na podstawie wielomiesięcznych badań w Wielkiej Brytanii ustalono, iż poziom autokonsumpcji energii z fotowoltaiki można zwiększyć nawet do ok. 90%. Taki poziom zużycia własnego jest jednak na ogół niepraktyczny, dlatego na ogół, montaż baterii powoduje wzrost zużycia własnego do ok. 40 – 60 procent:

Mała pojemność magazynu energii nie zwiększy istotnie autokonsumpcji, ale będzie bardziej opłacalna, gdyż zwiększy liczbę cykli ładowania / rozładowania magazynu energii. Z drugiej strony duży magazyn energii może znacznie zwiększyć zużycie własne, ale będzie mało opłacalny.

Jak widać jednak na wykresie, montaż zbyt dużego magazynu energii nie zwiększa istotnie autokonsumpcji, a więc wraz ze wzrostem pojemności baterii maleje opłacalność inwestycji.

Jak obliczyć wielkość magazynu energii do domu?

Poniżej pokażemy, jak szacunkowo dobrać odpowiednią wielkość magazynu energii. W tym celu potrzebne będą informacje na temat:

• rocznego zużycia prądu,
• moc instalacji fotowoltaicznej,
• rozkład zużycia prądu w ciągu dnia.

Jeśli większość energii elektrycznej jest zużywana wieczorem, ponieważ w ciągu dnia nikogo nie ma w domu, należy rozważyć większy magazyn energii. Jeżeli zwiększone zużycie prądu przypada na godziny popołudniowe, gdy większość członków rodziny jest już w domu i na przykład regularnie przygotowywany jest obiad, wystarczy mniejszy magazyn energii.

Czasami nie da się istotnie zwiększyć liczby cykli ładowania / rozładowania akumulatora energią z fotowoltaiki. Rozwiązaniem może być ładowanie baterii z sieci, np. w taryfie G12r w Energa Obrót, gdy cena w strefie nocnej ma od lipca 2024 r. kosztować 0,56 zł / kWh, a w dziennej 1,23 zł / kWh.

Przybliżone obliczenie wielkości magazynu energii do domu

Pojemność baterii powinna być dobrana do instalacji PV oraz zużycia prądu w domu. Przyjmujemy, że instalacja fotowoltaiczna będzie produkowała ilość energii zbliżoną do zużycia w domu. Dla osób zużywających prąd przede wszystkim rano i wieczorem, obliczenie odpowiedniej wielkości akumulatora wygląda następująco:

roczne zużycie prądu / 365 x 0,4

Dla osób zużywających większość prądu w ciągu dnia, wyliczenie właściwej wielkości magazynu energii wygląda w ten sposób:

roczne zużycie prądu / 365 x 0,3

Przykład doboru wielkości magazynu energii:

• roczne zużycie prądu: 4.000 kilowatogodzin (kWh)
• większość zużycia prądu przypada na godziny poranne oraz wieczorne: współczynnik 0,4
• Rezultat: 4.000 kWh / 365 x 0,4 = 4,38 kWh

Bateria powinna mieć zatem pojemność ok. 5 kWh. Szacunkowo można przyjąć, że pojemność magazynu energii (kWh) powinna wynosić 0,8 – 1,3 krotności mocy instalacji PV (kWp).

Producenci baterii, w przeciwieństwie do producentów paneli fotowoltaicznych nie informują o tempie degradacji baterii. Stopień zużycia jest określany parametrem SOH – stan zdrowia baterii. Przed zakupem akumulatora zapytaj instalatora, jak sprawdzać SOH.

Magazyn energii jako zasilanie awaryjne

Nieco inaczej sprawa doboru magazynu energii do fotowoltaiki wygląda jeśli bateria, oprócz magazynowania energii wyprodukowanej w ciągu dnia i przeznaczonej do wykorzystania w późniejszych godzinach, ma dodatkowo służyć jako zasilanie awaryjne (back-up).

W takiej sytuacji, wielkość magazynu energii powinna być powiększona o energię planowaną na wypadek awarii sieci, gdy zasilanie domu odbywać się będzie z akumulatora.

Na ile wystarczy magazyn energii, zależy od mocy baterii, ilości podłączonych urządzeń elektrycznych oraz od stanu naładowania baterii SoC.

Godzinowe zmiany cen sprzedaży energii z fotowoltaiki i taryfy dynamiczne

W najbliższych miesiącach ulegnie zmianie mechanizm ustalania ceny sprzedaży energii z fotowoltaiki, oraz wprowadzone zostaną taryfy dynamiczne. Nieco później, prawdopodobnie pojawią się operatorzy elektrowni wirtualnych.

Zmiana rozliczania ceny sprzedaży z miesięcznej na godzinową

Obecnie cena sprzedaży energii z fotowoltaiki jest ustalana raz w miesiącu, więc niezależnie od pory dnia, energia z instalacji PV eksportowana od sieci ma taką samą cenę. Od lipca 2024 r. ma się to zmienić i cena będzie się zmieniała co godzinę.

Obserwując ceny hurtowe energii elektrycznej z lipca i sierpnia 2023 r. – wykres poniżej – można zauważyć, że wieczorem cena była o ponad 40% wyższa od ceny w południe.

A zatem sprzedając zmagazynowane nadwyżki energii z fotowoltaiki wieczorem, można zarobić znacznie więcej, niż sprzedając w południe.

Wraz z rozwojem fotowoltaiki oraz innych OZE w Polsce, w okresach bardzo dużej podaży energii z OZE, zaczynają się pojawiać ujemne ceny energii elektrycznej.

Podobnie było w Niemczech, a jak wzrastała liczba godzin z ujemną ceną energii elektrycznej, można zobaczyć na poniższym wykresie:

W Niemczech w pierwszej połowie 2023 r, ujemne ceny energii występowały przez niemal 300 godzin. Wykres pokazuje, o jakich porach dnia ceny ujemne występowały najczęściej (jest to wpływ wszystkich OZE, nie tylko fotowoltaiki).

Można wobec tego założyć, że liczba godzin z ujemnymi cenami będzie w Polsce również będzie wzrastać, a w związku z tym magazyny energii do domu zapobiegną sprzedaży energii do sieci w ujemnych cenach.

Taryfy dynamiczne

Od lipca 2024 r. sprzedawcy energii mają przedstawić swoim klientom nowy sposób rozliczeń: taryfy dynamiczne. W taryfie dynamicznej że ceny prądu będą zmieniały się co godzinę.

Dla posiadaczy magazynów energii wprowadzi to możliwość tzw. arbitrażu cenowego. Będzie można naładować baterię prądem z sieci w czasie, gdy cena prądu będzie bardzo niska i tego samego dnia odsprzedać zmagazynowany prąd, gdy cena znacznie wzrośnie.

Taką możliwość mają np. mieszkańcy Australii, którzy wykorzystują duże różnice cen energii i zarabiają na zmianach cen energii elektrycznej w ciągu dnia.

Wirtualne elektrownie

Wirtualna elektrownia to sieć magazynów energii zarządzana przez operatora wirtualnej elektrowni. Właściciel magazynu energii do domu oddaje swoją baterię do dyspozycji operatora wirtualnej elektrowni (wirtualnie – akumulator pozostaje w domu), który doładowuje baterie, gdy ceny hurtowe prądu są niskie, oraz rozładowuje, gdy ceny są wysokie. Właściciel magazynu energii otrzymuje rekompensatę finansową w zamian za oddanie do dyspozycji swojej baterii.

Rozbudowa magazynu energii w przyszłości

Jeżeli nie mamy pewności, jaką wielkość magazynu energii do domu wybrać, można na początek zamontować niewielką pojemność i w przyszłości rozbudować dokładając kolejne moduły bateryjne.

Jeżeli rozbudowa miałaby nastąpić w ciągu kilku miesięcy po zakupie pierwszego modułu bateryjnego, to można wybrać praktycznie dowolny system. Jeżeli jednak rozbudowa miałaby nastąpić później, np. po kilku latach, bezpieczniej zdecydować się na magazyn energii, w którym każdy moduł bateryjny wyposażony jest w indywidualny system zarządzania baterią BMS.

Jeden wspólny BMS do wszystkich modułów bateryjnych może mieć problemy z zarządzaniem modułami po rozbudowie, gdyż pod wpływem degradacji, poszczególne moduły będą miały różne pojemności.

Kalkulator magazynu energii online

Na stronie www berlińskiej uczelni HTW dostępny jest kalkulator online, który umożliwia oszacowanie o ile wzrośnie autokonsumpcja oraz stopień autarkii, czyli w jak dużym stopniu akumulator umożliwi uniezależnienie się od dostaw prądu z sieci. Do obliczeń potrzebne są następujące dane:

• roczne zużycie prądu w kilowatogodzinach (kWh),
• moc instalacji fotowoltaicznej (kW),
• pojemność użyteczna magazynu energii (kWh).

W rezultacie otrzymujemy dwa parametry:

• Autarkiegrad – stopień samowystarczalności, czyli niezależności od dostaw prądu z sieci, informuje jaka część zużywanego prądu pochodzi z instalacji fotowoltaicznej i czym jest wyższy tym mniej prądu zostanie pobrane z sieci;
  
  Na obrazku powyżej wyliczono dwa warianty stopnia niezależności: w typowym gospodarstwie domowym instalacja PV wraz z baterią umożliwia uzyskanie ok. 56% samowystarczalności; w celu zbliżenia się do całkowitej niezależności od sieci (95% samowystarczalności), czyli przejścia w tzw. off-grid (dom nie podłączony do sieci) potrzebna jest duża instalacja PV oraz stosunkowo duża bateria.
• Eigenverbrauchsanteil – autokonsumpcja, czyli jak duża część wytworzonego w instalacji PV prądu zostaje wykorzystana bezpośrednio w domu bądź zmagazynowana w akumulatorze.

Wymienione wcześniej sposoby obliczeń służą jedynie szacunkowym wyliczeniom. Aby dobrać optymalną wielkość magazynu energii, należy skontaktować się ze specjalistą, który weźmie pod uwagę wszystkie indywidualne okoliczności. Magazyny energii są drogie, więc lepiej dokładnie ustalić jaka wielkość będzie najbardziej odpowiednia.

Podsumowanie

• Obliczenie odpowiedniej pojemności baterii wymaga uwzględnienia wielu czynników.
• Zwiększanie pojemności magazynu energii powyżej optymalnej powoduje minimalne zwiększenie autokonsumpcji, więc jest mało ekonomiczne.
• Można na początek zamontować baterię o niewielkiej pojemności i później dokładać kolejne moduły bateryjne