Jaka wielkość magazynu energii do fotowoltaiki?

Dobór wielkości 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, do końca 2023 r. w Europie zamontowano 12 GWh pojemności w magazynach energii do domu. Przyjmując, że średnia pojemność banku energii do fotowoltaiki wynosi 10 kWh, oznacza to ok. 1,2 miliona domowych magazynów energii. W samym 2023 r. nastąpił ponad dwukrotny wzrost instalacji.

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 litowo-jonowych 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 równocześnie.

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):

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 i ilu instalatorów tyle metod doboru pojemności baterii. 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 na magazyny energii do domu, 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?

Metody są różne. Można spotkać ogólne zalecenie dotyczące jednej kilowatogodziny (kWh) pojemności magazynowania na kilowat (kW) zainstalowanej mocy PV. Innym razem sugerowany jest zakres od 0,9 kWh/kW do 1,6 kWh/kW, ale to, co łączy te sposoby, to fakt, że często prowadzą one do znacznego przewymiarowania akumulatora.

Niektórzy instalatorzy biorą pod uwagę zużycie energii elektrycznej w domu. Jednak „zasada 1 do 1” jest często stosowana również w tym przypadku, więc na przykład przy rocznym zużyciu energii elektrycznej wynoszącym 5.000 kWh zalecany jest bank energii o pojemności 5 kWh i instalacja fotowoltaiczna o mocy 5 kW.

Trzy reguły doboru wielkości magazynu energii

Generalna można przyjąć, że magazyn energii powinien być montowany jedynie wówczas, gdy dostępna jest wystarczająca nadwyżka energii z fotowoltaiki. W takim przypadku wielkość baterii powinna być dostosowana zarówno do poziomu zużycia energii elektrycznej, jak i wielkości systemu fotowoltaicznego. Poniższe zasady mogą pomóc w doborze ekonomicznego magazynu energii i uniknięciu przewymiarowania:

1. Magazyn energii powinien być instalowany tylko wówczas, gdy dostępna jest nadwyżka energii z fotowoltaiki. Moc instalacji PV powinna zatem wynosić co najmniej 0,5 kW na 1000 kWh/a zużycia energii elektrycznej.
   
2. Magazyn energii nie powinien być zbyt duży w stosunku do instalacji fotowoltaicznej. W tym celu użyteczna pojemność baterii powinna być ograniczona do maksymalnie 1,5 kWh na 1 kW mocy PV.
   
3. Wielkość magazynu energii powinna być również dostosowana do zużycia prądu poprzez ograniczenie pojemności użytkowej do maksymalnie 1,5 kWh na 1000 kWh/rok zużycia prądu. Wartość ta odpowiada w przybliżeniu przeciętnemu zużyciu energii elektrycznej w nocy.

W oparciu o powyższe zasady, inżynierowie z berlińskiej uczelni HTW opracowali rekomendację dotyczącą zalecanej górnej granicy pojemności użytkowej dla magazynów energii w domach jednorodzinnych. Dzięki temu powinno się uniknąć przewymiarowania baterii i niepotrzebnego wydatku pieniędzy.

Tabela poniżej przedstawia zależność pomiędzy wielkością instalacji fotowoltaicznej, zużyciem prądu w domu a wielkością magazynu energii:

Maksymalny zalecany rozmiar akumulatora zależy przede wszystkim od dostępnej mocy instalacji fotowoltaicznej i rocznego zużycia energii elektrycznej. Oba czynniki należy wziąć pod uwagę przy doborze wielkości magazynu energii.

Na przykład, jeśli system fotowoltaiczny ma moc 10 kW, a w domu zużywa się 4.000 kWh/rok, użyteczna pojemność baterii nie powinna przekraczać 6 kWh. Jeśli zużycie energii elektrycznej jest dwukrotnie wyższe, użyteczna pojemność baterii może być większa i wynosić do 12 kWh. Wybór jeszcze większego magazynu energii spowoduje jedynie nieznaczny wzrost autokonsumpcji. Wynika to z faktu, że wzrost bieżącego zużycia prądu z fotowoltaiki wynikający z każdej dodatkowej kWh pojemności baterii staje się coraz mniejszy (zobacz wykres powyżej).

Zobacz, ile kosztuje magazynowanie energii w domu w zależności od producenta i modelu baterii do fotowoltaiki.

Magazyn energii jako zasilanie awaryjne

W pewnych sytuacjach przewymiarowanie magazynu energii do fotowoltaiki może mieć sens. Systemy z funkcją zasilania rezerwowego często mają dodatkową rezerwę pojemności, która nie jest wykorzystywana podczas normalnej pracy. Wielkość tej dodatkowej pojemności wpływa na to, jak długo budynek może być zasilany w trybie zasilania awaryjnego w przypadku awarii sieci publicznej.

Jeśli w przyszłości ma zostać dodana pompa ciepła (albo już jest) lub samochód elektryczny, również warto wybrać większą pojemność baterii.

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

Oprócz tego jest jeszcze program dotacyjny Mój Prąd. W edycji 6.0 sugerowana jest pojemność magazynu energii odpowiadająca 1,5-krotności mocy instalacji fotowoltaiki. O ile w tej edycji jest to jedynie sugestia, można się spodziewać, iż w kolejnych edycjach stanie się to wymogiem.

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

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