W poprzednim artykule („PI” 4-5/2022) skupiliśmy się na przybliżeniu sposobu działania wprowadzonego w kwietniu br. systemu rozliczania nadwyżek energii z przydomowej instalacji fotowoltaicznej, określanego jako net-billing, oraz na magazynach energii elektrycznej. W porównaniu do dotychczasowego sytemu, tzw. net-meteringu, nowi prosumenci są zdecydowanie mocniej „zachęcani” do maksymalizowania bieżącego zużycia energii, aby inwestycja w fotowoltaikę była opłacalna. Na osłodę, w czwartej edycji programu „Mój Prąd”, wprowadzono dofinansowania do magazynów energii. Tym niemniej, magazynowanie energii w postaci elektryczności, w akumulatorach elektrycznych, wciąż jest bardzo drogim rozwiązaniem. Alternatywą, bardziej przystępną kosztowo, jest magazynowanie energii w postaci ciepła.

Sposoby przekształcania energii elektrycznej w cieplną
Zmagazynowanie energii elektrycznej w postaci ciepła wymaga uzyskania wcześniej właściwej formy tej energii. Według pierwszej zasady termodynamiki energia nie może ulec zniszczeniu, może jedynie zmienić swoją postać. Znaczy to tyle, że za pomocą odpowiednich urządzeń i procesów w nich zachodzących możemy zmienić postać energii, np. z energii elektrycznej na energię cieplną, mechaniczną etc. Przekształcenie energii elektrycznej w energię cieplną jest stosunkowo proste i nie wymaga wielu dodatkowych urządzeń.

! Każda zmiana postaci energii jest jednak okupiona pewnymi stratami, ponieważ nie istnieje urządzenie, które miałoby sprawność równą 100% lub większą – byłoby to perpetuum mobile, ale ono dalej pozostaje w sferze marzeń konstruktorów.

Przekształcenie energii w obrębie tej samej postaci również jest okupione stratami – inwerter w instalacji fotowoltaicznej zmieniający prąd stały, generowany przez moduły fotowoltaiczne, na prąd zmienny, wykorzystywany w urządzeniach codziennego użytku i płynący w sieci elektroenergetycznej, też generuje straty. Wielkość tych strat dla przykładowego inwertera ilustruje tabela 1.

Wykorzystanie grzałki lub kotła elektrycznego. Najmniej skomplikowaną opcją przekształcenia energii elektrycznej w energię cieplną jest wykorzystanie grzałki elektrycznej zanurzonej w zbiorniku ciepłej wody użytkowej lub w buforze grzewczym. Sprawność takiego rozwiązania jest bliska (ale nie równa!) 100%. Trochę bardziej rozbudowanym rozwiązaniem będzie zastosowanie kotła elektrycznego. W zależności od technologii, kocioł elektryczny można podsumować jako bardziej rozbudowaną grzałkę elektryczną, która działa przepływowo, jest wyposażona w rozbudowany sterownik oraz rozbudowany moduł grzewczy pozwalający na płynną regulację mocy. W skali roku, oba te rozwiązania wymagają jednak dużych ilości energii wygenerowanej przez instalację fotowoltaiczną. W wielu starszych budynkach, w których izolacja nie jest najlepsza, a dotychczasowym paliwem był ekogroszek, okazuje się, że moc instalacji fotowoltaicznej musiałaby znacznie przekraczać 20 kWp, aby w istotnym stopniu pokryć zapotrzebowanie ogrzewania elektrycznego zasilanego z grzałki lub kotła.

Zastosowanie pompy ciepła. Kolejnym sposobem przemiany energii elektrycznej na cieplną będzie zastosowanie pompy ciepła. Urządzenia te generują znacznie więcej energii cieplnej przy tym samym poborze energii elektrycznej niż grzałki czy kotły elektryczne. Odbywa się to dzięki wykorzystaniu energii z dolnego źródła ciepła czyli ośrodka, skąd pompa ciepła transportuje ciepło do instalacji domowej, czyli górnego źródła ciepła. W przypadku najpopularniejszych pomp ciepła, typu powietrze- -woda, ciepło odbierane jest z powietrza zewnętrznego i – przy udziale energii elektrycznej dostarczanej do sprężarki – ciepło to „pompowane” jest do wody grzewczej, wykorzystywanej w grzejnikach, podłogówce czy w zasobniku ciepłej wody użytkowej.
Warto zauważyć, że za ilość energii odebraną z powietrza czy gruntu użytkownik urządzenia nie płaci, więc podawany przez producentów odpowiednik sprawności dla pomp ciepła, czyli COP (współczynnik efektywności), jest znacznie większy niż 100%. Dodatkową zaletą wielu pomp ciepła jest fabrycznie zabudowana grzałka przepływowa, pozwalająca na zwiększenie mocy urządzenia i osiąganie wyższych temperatur na zasilaniu, przy niskich temperaturach zewnętrznych.

Magazynowanie energii cieplnej
Po uzyskaniu energii w odpowiedniej formie, czy to przy wykorzystaniu pompy ciepła, czy też zwykłej grzałki, można zacząć ją magazynować. Magazyn to nic innego jak miejsce, w którym przechowuje się nadmiar czegoś, aby wykorzystać to później. Magazynem energii grzewczej będzie zatem zbiornik z wodą, a zgromadzoną w wodzie energię można spożytkować w dogodnym momencie. Im zbiornik jest większy, tym więcej ciepła można w nim zmagazynować i na dłuższy okres, wykorzystując tym samym nadwyżkę produkcji energii z przydomowej instalacji fotowoltaicznej, która – w przypadku braku magazynu – trafiłaby do sieci elektroenergetycznej, raczej po niekorzystnym kursie rozliczeniowym.
Niby to wszystko wydaje się oczywiste i proste, jednak warto zwrócić uwagę na jedno dość istotne „ale”. Idealną sytuacją byłoby magazynowanie energii na potrzeby ogrzewania domu, ponieważ w ciągu roku jest na nią największe zapotrzebowanie. Szczyty produkcji energii z instalacji fotowoltaicznej nie pokrywają się jednak ze szczytem zapotrzebowania na energię cieplną na potrzeby centralnego ogrzewania. Systemy fotowoltaiczne, w rozliczeniu rocznym, produkują niemal 3/4 energii w okresie letnim (późna wiosna, lato, wczesna jesień), kiedy występuje dużo dni i godzin słonecznych, natomiast produkcja energii w sezonie grzewczym jest znikoma. Nie ma większego sensu, by w środku lata grzać zasobnik buforowy do wysokich temperatur, ponieważ i tak nie sposób tej energii zagospodarować.

Sezonowe magazyny ciepła. Pewnym rozwiązaniem problemu braku synchronizacji produkcji energii z zapotrzebowaniem na nią są sezonowe magazyny ciepła, tzw. bufory ciepła, które można ostatnio spotkać szczególnie w Skandynawii i za naszą zachodnią granicą. Mają one pojemność przekraczającą 10 m³ i są zakopywane w ziemi już na etapie realizacji budynku. Dopiero taka pojemność pozwala przenieść nadwyżkę energii z fotowoltaiki z okresu letniego na okres grzewczy. Nie ma wiele takich instalacji, ale jest to na pewno ciekawy kierunek, którego rozwój warto obserwować. Nam pozostaje raczej grzanie ciepłej wody użytkowej, która jest nam potrzebna przez cały rok.

Pompa ciepła do przygotowania c.w.u. Jeżeli użytkownik chce pozostać przy obecnej formie ogrzewania budynku, innej niż pompa ciepła, ciekawym rozwiązaniem będzie zastosowanie pompy przeznaczonej tylko do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Takie urządzenia to połączenie zasobnika, o pojemności najczęściej około 200 litrów, z modułem chłodniczym. Urządzenia te są monoblokami, czyli nie wymagają ingerencji w układ chłodniczy przy instalacji i składają się tylko z jednej jednostki, którą można ustawić w pomieszczeniu technicznym. W ich przypadku trzeba jednak pamiętać, że mają większe ograniczenia co do minimalnej temperatury powietrza, z którą mogą pracować, która najczęściej wynosi około -5°C, a w niższych temperaturach rolę grzania ciepłej wody użytkowej będzie musiało przejąć inne urządzenie.

Magazynowanie chłodu
Szczyt produkcji energii z instalacji fotowoltaicznej nie pokrywa się z sezonem grzewczym, aczkolwiek może zostać wykorzystany do chłodzenia budynków. Do niedawna klimatyzacja była spotykana jedynie w biurach i galeriach handlowych, a posiadanie jej w domu było wielkim luksusem. Obecnie wiele osób zarówno przy budowie nowego domu, jak i podczas modernizacji już istniejącej budowli, decyduje się na zastosowanie systemu chłodzenia, który również wymaga do pracy znacznych ilości energii elektrycznej. Tutaj mamy też kilka opcji, choć najbardziej oczywiste jest zastosowanie tradycyjnego klimatyzatora lub– jeżeli użytkownik chce zapewnić chłodzenie w kilku pomieszczeniach – zastosowanie jednostki typu multi-split. Zapotrzebowanie na chłód pokryje się idealnie z produkcją energii elektrycznej, bo przeważnie bezchmurne niebo i bezpośrednie odziaływanie promieni słonecznych wiąże się z wyższą temperaturą w budynkach. Warto przy tym zadbać o odpowiednie sterowanie klimatyzacją. Najtańszym rozwiązaniem będzie śledzenie wartości na aplikacji powiązanej z instalacją fotowoltaiczną i wymuszenie – również przez aplikację – pracy klimatyzatora. Znacznie lepsze będzie jednak zautomatyzowanie tego procesu i wymuszenie pracy klimatyzatora bezpośrednio przez sygnał z falownika, np. przez coraz częściej spotykane złącze SGready. W tym momencie rolę akumulatora chłodu będą pełniły mury i posadzki budynku, dzięki czemu użytkownicy po powrocie do domu będą mogli cieszyć się wysokim komfortem temperaturowym.

Bufory chłodu. Zwiększenie pojemności akumulacyjnej może być zrealizowane poprzez bufor chłodu, czyli zbiornik na wodę ze specjalną izolacją zapobiegającą wykraplaniu się wilgoci na jego ściankach, co jest problemem, gdy temperatura w zasobniku jest znacznie niższa niż temperatura pomieszczenia, w którym się znajduje. Taki bufor może być ładowany wodą lodową poprzez pompę ciepła z funkcją chłodzenia.

! Zaletą zastosowania pompy ciepła wysokiej jakości jest możliwość rozbudowanego programowania i zastosowania sygnału z inwertera lub z dodatkowego licznika energii elektrycznej informującego automatykę pompy o nadwyżce energii.

Wodę z bufora chłodniczego można następnie skierować do instalacji podłogowej. Rozwiązanie to ma jednak ograniczone możliwości chłodzenia przez możliwość skraplania się wilgoci na posadzce, co będzie występowało przy zasilaniu pętli wodą o bardzo niskiej temperaturze – stąd konieczność montażu przełączników wilgotnościowych, które w razie czego przerwą proces chłodzenia. Większe możliwości daje klimakonwektor, który może spokojnie pracować z temperaturą wody poniżej 10°C, podczas gdy podłogówka nie powinna pracować na wodzie zimniejszej niż około 18˚C. W obu tych sytuacjach warto też pamiętać o odpowiednim zaizolowaniu rur w instalacji.

Mój prąd 4.0 – korzyści i ograniczenia
Warto dokładnie przeanalizować, na jakie magazyny energii można uzyskać dofinansowanie w aktualnej edycji programu „Mój prąd”. Według portalu mojprad.gov.pl, magazyny ciepła, które obejmuje program to:
Zasobniki c.w.u. zasilane przez pompę ciepła lub kocioł elektryczny, zasobniki c.w.u z grzałką elektryczną, bufory ciepła zasilane przez pompę ciepła lub kocioł elektryczny, bufory ciepła z grzałką elektryczną, bufory ciepła wraz z zasobnikiem c.w.u. stanowiące jedno kompletne urządzenie, pompa ciepła typu powietrze-woda, tj. pompa ciepła do c.w.u. + zasobnik c.w.u. lub pompa ciepła do c.w.u. ze zintegrowanym zasobnikiem.
W związku z czym, z wcześniej opisanych technologii, dofinansowanie można uzyskać na zasobnik ciepłej wody użytkowej lub bufor c.o. pod warunkiem, że będzie on zasilany pompą ciepła, kotłem elektrycznym lub grzałką. Na samą pompę ciepła nie uzyska się jednak dofinansowania, chyba że będzie to pompa ciepła do ciepłej wody użytkowej ze zintegrowanym zasobnikiem. Zasobniki magazynujące wodę lodową nie zostały uwzględnione, a szkoda, bo potencjał magazynowania energii w tej formie jest ogromny. Dofinansowanie na magazyny ciepła może wynieść do 5 tysięcy złotych, co pozwoli na pokrycie w znacznym stopniu kosztów w przypadku zakupu zasobników, jak również pompy ciepła do c.w.u.

System nadzoru energii
W przypadku inwestycji w magazyn ciepła, inwestorowi przysługuje również możliwość skorzystania z dofinansowania na system zarządzania energią HEMS/EMS. Na czym on polega, wyjaśniliśmy już w poprzedniej części artykułu, teraz przybliżymy konkretny przypadek.
Zastosowanie jednej z pomp ciepła firmy Viessmann do c.o. i c.w.u. lub do samego c.w.u. pozwala na wyposażenie jej w inteligentny licznik dwukierunkowy. Licznik podłączony elektrycznie przed pompą ciepła, a za odbiornikami domowymi będzie odczytywał tylko nadwyżkę energii, czyli to, co wyprodukuje instalacja fotowoltaiczna, pomniejszone o stałe zużycie energii w domu (najczęściej: oświetlenie, lodówka, rekuperacja etc.). Jest to rozwiązanie znacznie lepsze od prostego sygnału z falownika, który „nie widzi”, jaką część produkowanej energii pobiera dom, co może doprowadzić do sytuacji wymuszenia pracy pompy ciepła, gdy nie ma realnej nadwyżki, ponieważ cała energia z instalacji fotowoltaicznej będzie konsumowana przez odbiorniki domowe. W momencie, gdy inteligentny licznik odnotuje ustawioną wcześniej wartość energii, pompa ciepła włączy się poza normalnym trybem pracy. W zależności od jej wcześniejszego zaprogramowania, urządzenie uruchomi się w celu realizacji dodatkowej funkcji: grzanie budynku, grzanie bufora, grzanie zasobnika ciepłej wody, chłodzenie budynku lub zmniejszenie temperatury w buforze chłodu. Na systemy tego typu przewidziane jest dofinansowanie do 3 tysięcy zł. Możliwości magazynowania energii w postaci ciepła są znane i z powodzeniem stosowane od wielu lat. Od najprostszych rozwiązań typu grzałka zamocowana w zasobniku, po pompy ciepła z rozbudowanym sterowaniem pracujące zarówno na bufor c.o., jak i zasobnik c.w.u. Magazyny ciepła są znacznie tańsze niż magazyny energii elektrycznej i tym bardziej miłym dodatkiem stało się dofinansowanie również na te systemy. Magazyny chłodu nie są objęte dofinansowaniem, aczkolwiek w kontekście lepszego zagospodarowania energii z własnego generatora PV oraz zwiększenia komfortu temperaturowego w budynku, są obecnie rozwiązaniem bardzo atrakcyjnym. Niezależnie od tego, które z opisanych urządzeń wybierzemy, uzyskamy większą autokonsumpcję energii z instalacji PV, aczkolwiek dopiero system spinający pracę fotowoltaiki z urządzeniami grzewczymi przełoży się na pełną optymalizację kosztów eksploatacyjnych i szybszy zwrot inwestycji.

Artykuł stanowi kontynuację cyklu „Warsztaty instalatora OZE”, w którym publikujemy artykuły na temat mikroi małych instalacji fotowoltaicznych oraz pomp ciepła. Korzystając z wiedzy ekspertów z działu Wsparcia Technicznego i Szkoleń firmy Viessmann, przygotowujemy jego kolejne odcinki z praktycznymi wskazówkami dla projektantów i wykonawców, które zarazem mogą służyć jako argumenty w rozmowach z inwestorami.