Instalacje On-grid, Off-grid i hybrydowe

Najważniejsze cechy instalacji on-grid, off-grid i hybrydowych

Instalacja on-grid to system fotowoltaiczny, w którym producent energii – prosument przyłączony jest do sieci należącej do operatora. Zapewnia to możliwość oddawanią nadwyżek prądu i i pobierania go w razie niedoboru. Ten rodzaj instalacji nie sprawia jednak, że właściciel instalacji jest niezależny od operatora energetycznego. Każda awaria sieci powoduje, że prosument także zostaje odcięty od dostaw prądu. Ze względu na bezpieczeństwo i ryzyko dostarczania napięcia do wyłączonej sieci, taka mikroelektrownia zostaje wyłączona i przestaje dostarczać prąd nawet na własne potrzeby. System on-grid nie rozwiązuje zatem problemu związanego z uzależnieniem się prosumenta od dostawcy energii.

Niezależność gwarantuje dopiero instalacja off-grid lub inaczej system wyspowy. Rozwiązanie to polega na połączeniu instalacji fotowoltaicznej z systemem akumulatorów, w których magazynowane są nadwyżki wyprodukowanej energii. Jednak użytkownik on-grid w Polsce może korzystać z możliwości magazynowania energii w sieci operatora, do którego jest podłączony, dlatego instalacje off-grid spotykane są u nas niezwykle rzadko. System opustów jest na tyle korzystny, że inwestowanie we własne magazyny energii, przy obecnych kosztach akumulatorów, jest w większości przypadków nieopłacalne. W praktyce, instalacja off-grid znajduje w Polsce zastosowanie jedynie w przypadku braku możliwości podłączenia się do sieci energetycznej lub kiedy dostęp ten jest bardzo utrudniony. Dotyczy to głównie domów letniskowych oddalonych od infrastruktury oraz podobnie zlokalizowanych obiektów turystycznych.

Porównanie wartości wyprodukowanej energii z różnych źródeł podłączonych do sieci (on grid) oraz ze źródeł off-grid. Źródło danych: raport „2020 Rynek Fotowoltaiki w Polsce”, Instytut Energii Odnawialnej.

Rozwiązanie hybrydowe łączy zalety systemu on-grid i off-grid. Pozwala ono korzystać z zasobów zakładu energetycznego, ale daje także pewną niezależność od dostawcy prądu. W sytuacji, gdy następuje przerwa w dostawie energii od operatora instalacja jest w stanie funkcjonować samodzielnie i dostarczać prąd na własne potrzeby. Ponadto, stosowane w rozwiązaniach hybrydowych magazyny energii umożliwiają zmniejszenie jej szczytowego poboru z sieci. Rozwiązanie hybrydowe, podobnie jak off-grid, wymaga jednak kosztownej inwestycji w system akumulatorów. Chociaż w układach hybrydowych mają one zwykle znacznie mniejszą pojemność. 

Obecnie instalacje off-grid w Polsce stanowią margines produkcji energii słonecznej. Z raportu „2020 Rynek Fotowoltaiki w Polsce” przygotowanego przez Instytut Energii Odnawialnej wynika, że instalacje off-grid produkowały w 2020 r. około 6000 MWh, co stanowiło zaledwie 0,3% łącznej energii wytworzonej w tym roku. 

Porównanie mocy i wartości produkowanej energii w sieciach on-grid i off-grid w Polsce. Źródło danych: raport „2020 Rynek Fotowoltaiki w Polsce”, Instytut Energii Odnawialnej.

Wady i zalety rozwiązań on-grid oraz off-grid

Do najważniejszych zalet rozwiązań on-grid należy znaczące obniżenie kosztów energii elektrycznej, wynikające z możliwości konsumowania wyprodukowanego przez siebie prądu oraz z dostępu do magazynu energii w sieci operatora (system opustów).

Ponadto, podłączenie instalacji fotowoltaicznej do sieci operatora umożliwia obniżenie opłaty mocowej pobieranej przez operatora od odbiorców podłączonych do linii przesyłowych i sieci dystrybucyjnej. W zasadzie, jedyną wadą instalacji on-grid jest zależność od operatora sieci energetycznej, od zmienności jego dostaw i nieprzewidywalności opłat za energię elektryczną w przyszłości. Przy czym, ze wzglądu na konieczność dostosowania się do wymogów Europejskiego Zielonego Ładu należy spodziewać się, że w przyszłości koszty dostaw energii od operatorów będą rosły.

W instalacjach on-grid niezbędne jest wykonanie przyłącza energetycznego. Ponadto nie działają one w razie awarii sieci fot. Jarosław Antkiewicz

Z kolei do największych zalet rozwiązań off-grid należy pełna niezależność od wahań cen na rynku energii oraz ewentualnych niedoborów prądu w sieci operatora. System off-grid lub hybrydowy może więc służyć zapewnieniu ciągłości zasilania przynajmniej wybranych urządzeń o krytycznym znaczeniu. Do wad należą wyższe koszty związane z koniecznością zakupu instalacji akumulatorowej do przechowywania energii oraz utrzymywanie tej instalacji czyli nakłady na naprawy i konserwację. Dodatkowo, należy pamiętać o tym, że część energii gromadzonej w akumulatorach jest marnowana, przy czym straty te są zazwyczaj większe niż w przypadku magazynowania energii w sieci energetycznej operatora poprzez system opustów, gdzie zgodnie z prawem możemy odebrać 70 lub 80% przekazanej wcześniej energii.

Popularność instalacji off-grid na świecie

Biorąc pod uwagę trendy ogólnoświatowe globalny rynek instalacji off-grid rozwija się zdecydowanie bardziej dynamicznie, niż ma to miejsce w Polsce. Według badań Wood Mackenzie między początkiem 2010, a końcem 2019 roku firmy zapewniające dostęp do energii poza siecią zrealizowały inwestycje związane z nowymi instalacjami na kwotę ponad 2,1 miliarda dolarów.

Bank Światowy szacuje, że 420 milionów ludzi na całym świecie korzysta obecnie z produkowanej przez siebie energii słonecznej poza siecią, natomiast kolejne 47 milionów korzysta z mini-sieci uzupełniających zasoby energii elektrycznej dostarczanej przez operatora (sieci hybrydowe). Najwięcej sieci off-grid powstaje w krajach na tzw. rynkach wschodzących, obejmujących 3 miliardów ludzi na całym świecie, gdzie rośnie zapotrzebowanie na energię poza siecią ze względu na ograniczony dostęp do infrastruktury operatorów. Wraz z rozwojem tych wschodzących gospodarek istnieje zapotrzebowanie na czystą, niezawodną i przystępną cenowo energię dla domów, szkół, firm i lokalnej infrastruktury. Raport Wood Mackenzie mówi, że większość inwestycji w energię poza siecią trafiła do Afryki Wschodniej, a następnie do Afryki Zachodniej, Azji i Pacyfiku oraz Ameryki Łacińskiej. Warto jednak zauważyć, że są to regiony o nieporównywalnie mniejszym zróżnicowaniu nasłonecznienia w zależności od pory roku niż Polska.

Dla przedsiębiorcy własna elektrownia słoneczna może zapewniać nie tylko obniżenie rachunków, ale i ciągłość zasilania urządzeń o krytycznym znaczeniu fot. Zeneris Projekty

Motorem zapotrzebowania na energię off-grid na rynkach wschodzących są przede wszystkim nowe technologie cyfrowe. Przykładem mogą być płatności mobilne wykorzystywane przez rolników w Kenii do pobierania dotacji. Internet to także łatwy sposób na połączenie społeczności ze specjalistami w obszarze zdalnej medycyny i zdalnej edukacji. Zmiany w technologii, w tym obniżanie kosztów akumulatorów i coraz tańsza energetyka off-grid sprawiają, że rozwiązania te stają się alternatywą także w krajach o dobrze rozwiniętej infrastrukturze sieci energetycznych. Według Bloomberg New Energy Finance średnie ceny najpopularniejszych używanych w fotowoltaice baterii litowo-jonowych spadły w ciągu dekady aż o 89%, czyli z około 1100 USD/kWh w roku 2010 do 137 USD/kWh w 2020.

Budowa instalacji on-grid i off-grid

Znaczna część elementów instalacji fotowoltaicznej off-grid jest identyczna jak w przypadku instalacji on-grid. W obydwu typach rozwiązań stosowane są panele fotowoltaiczne, inwertery (falowniki) konieczne do przekształcania prądu stałego (DC) na przemienny (AC) oraz zabezpieczenia.

Różnice pojawiają się w takich obszarach jak konieczność podłączenia instalacji do sieci w przypadku rozwiązań on-grid, gdzie nieodzownym elementem będzie samo przyłącze i dwukierunkowy licznik energii. Z kolei w instalacji off-grid niezbędny będzie magazyn energii (zespół akumulatorów) wraz z regulatorem ich ładowania. Magazyn energii w postaci systemu akumulatorów może występować oczywiście także w instalacjach on-grid, pozwalając lepiej zarządzać produkowana energią, ale nie jest on niezbędny

Wykonanie układu off-grid oraz hybrydowego jest trudnym wyzwaniem. Projektant takiej instalacji musi z góry znać wartość poboru prądu przez odbiorniki prosumenta, a zazwyczaj uwzględnienie obecnych i przyszłych możliwych urządzeń działających w budynku jest dość trudne. W przypadku przyszłych użytkowników instalacji PV większość z nich wymienia najczęściej takie urządzenia jak komputer i telewizor, natomiast często zapomina o mniej oczywistych odbiornikach, takich jak pompa centralnego ogrzewania czy zasilanie kotła gazowego.

W układzie off-grid niezbędne są akumulatory o dużej pojemności, co bardzo podnosi jego cenę fot. Depositphotos

Moc, którą można pobierać w instalacji off-grid oraz hybrydowej zależy od mocy inwertera, pojemności akumulatorów oraz mocy zainstalowanej paneli fotowoltaicznych. Magazyn energii w systemie off-grid ma za zadanie zapewnić ciągłość dostaw energii w nocy, jak i jej zapas związany z niesprzyjającą pogodą, czyli niedostatecznym nasłonecznieniem. Zapas energii gromadzonej w magazynach należy przyjmować zależnie od pory roku równy około 2-3 dni latem oraz 3-5 dni zimą. Do zabezpieczenia akumulatora przed głębokim rozładowaniem, co dotyczy starszych technologii akumulatorowych (kwasowo-ołowiowych), należy przyjmować poziom ich rozładowania nie większy niż 50%.

Zakup i podłączenie dodatkowych elementów instalacji PV w przypadku rozwiązań off-grid i hybrydowych wiąże się z koniecznością wyższych inwestycji. W jaki sposób przekłada się to na koszty? W praktyce, aby zapewnić wystarczającą energię do zasilania urządzeń w gospodarstwie domowym zużywającym około 3000 kWh rocznie potrzebna jest moc paneli przynajmniej 3,50 kWp, co kosztować będzie inwestora średnio około 20 tys. złotych. Taki będzie zatem koszt instalacji on-grid, w której odpowiednikiem magazynem energii jest sieć operatora. W przypadku rozwiązań off-grid należy przyjąć, że koszt wzrośnie co najmniej dwukrotnie, ze względu na konieczność zakupu systemu akumulatorów oraz urządzeń umożliwiających ich ładowanie.

W Polsce około 3/4 energii z PV generują  małe systemy, czyli mikroinstalacje do 50 kW fot. Zeneris Projekty

Marek Rzewuski

Fot. Depositphotos/Zeneris Projekty/Jarosław Antkiewicz