System fotowoltaiczny to zespół połączonych modułów (paneli) fotowoltaicznych wraz z urządzeniami pomocniczymi (inwerter, system montażowy i inne akcesoria elektryczne). Pojedynczy moduł fotowoltaiczny składa się z wielu szczelnie zamkniętych w obudowie ogniw fotowoltaicznych, tj. krzemowych płytek o właściwościach półprzewodnikowych, w których następuje bezpośrednia konwersja energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną prądu stałego.

Warto wiedzieć

1. Moc instalacji fotowoltaicznych wyrażana jest w postaci mocy szczytowej (kW peak), co oznacza maksymalną moc uzyskiwaną w warunkach laboratoryjnych STC (standard test conditions), gdzie natężenie promieniowania słonecznego równe jest 1000 W/m², temperatura 25°C i prędkość wiatru 1,5 m/s. Standard pozwala na porównywanie modułów różnych producentów między sobą;

2. Na każdy kilowat mocy instalacji fotowoltaicznej należy przyjąć około 6,5 m2 powierzchni dachu o optymalnym nachyleniu lub około 10 – 15 m2 powierzchni dachu płaskiego lub gruntu (większa powierzchnia pozwala na eliminację wzajemnego zacieniania się następujących po sobie rzędów modułów);

3. Dla szerokości geograficznych występujących w Polsce optymalnym kątem nachylenia modułów fotowoltaicznych jest około 35 stopni i orientacja w kierunku południowym; odchylenie od kierunku południowego na wschód lub zachód rzędu 45 stopni zmniejszy wydajność o około 5%;

4. Instalacje fotowoltaiczne mogą być zintegrowane w systemach hybrydowych z małymi elektrowniami wiatrowymi, pompami ciepła oraz agregatami na paliwa płynne;

5. Moduły PV po 10 latach użytkowania tracą około 10% swojej mocy nominalnej. Natomiast trwałość instalacji PV powinna być przewidziana na okres 20 lat.

Budowa instalacji fotowoltaicznej

W skład instalacji fotowoltaicznej oprócz samych modułów wchodzi szereg elementów i urządzeń pomocniczych. W zależności od sposobu zagospodarowania energii, tj. czy energia z instalacji sprzedawana jest do sieci czy konsumowana na potrzeby własne, jak i miejsca posadowienia instalacji, tzn. na dachu czy na gruncie, w systemie PV można wyróżnić następujące elementy:

Pozostałe elementy:

• Kable solarne - przewody odporne na wysoką temperaturę i promieniowanie UV oraz uszkodzenia mechaniczne.

 Coraz częściej występują systemy typu mieszanego, tzn. zarówno podłączone do sieci elektroenergetycznej, jak i posiadające własny magazyn energii. Popularność tego rodzaju instalacji rośnie szczególnie w Niemczech, gdzie właściciel instalacji fotowoltaicznej jest premiowany za to, że magazynuje energię, optymalizując tym samym konsumpcję energii ze swojego systemu PV, a ograniczając sprzedaż energii do sieci.

Rys. 2 Schemat systemu fotowoltaicznego typu mieszanego (źródło: IEO)

Bardziej zrównoważone zarządzanie energią w gospodarstwach domowych nastąpi zapewne w momencie, gdy na rynku pojawi się system dynamicznych taryf energii, które zastąpią najbardziej powszechną taryfę 2-strefową (dzienną i nocną). Zrównoważone zarządzenie energią będzie dotyczyło zarówno konsumpcji energii z sieci energetycznej, jak i zużycia bądź sprzedaży energii z własnych instalacji, ponieważ taryfy za energię będą zmieniały się kilkukrotnie w ciągu doby, więc użytkownikowi czasami bardziej będzie opłacało się magazynować energię ze swojej instalacji, zamiast sprzedawać ją do sieci i zużywać energię z sieci (w momencie gdy taryfa za energię będzie tania), lub przeciwnie, sprzedawać energię z własnych instalacji albo zużywać na potrzeby własne (taryfa za energię jest droższa). System taryf dynamicznych będzie atrakcyjny zarówno dla operatorów sieci energetycznych jak i indywidualnych inwestorów OZE, gdy koszty lokalnego magazynowania energii w gospodarstwach domowych osiągną optymalnie niski poziom.

Nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacji instalacji fotowoltaicznej

Nakłady inwestycyjne przy budowie systemu fotowoltaicznego uzależnione są prócz skali inwestycji także od miejsca, na którym instalacja powstaje. Niewielkie systemy PV najczęściej umieszczane są na dachach budynków o odpowiedniej statyce i optymalnym nachyleniu. Minimalna nośność dachu, na którym instalowane będą moduły powinna wynosi ok. 250 kg/m2, zakładając średnie obciążenie modułami ok. 20 kg/m2. Instalacje o mocy powyżej 10 kW instalowane są zwykle na gruncie z pomocą konstrukcji wsporczych.

 Dziękujemy Narodowemu
Funduszowi Ochrony Środowiska

Rys. 3 Struktura nakładów inwestycyjnych dla systemów fotowoltaicznych (źródło: IEO)

Koszty związane z przygotowaniem projektu instalacji PV (m.in. opracowanie dokumentacji, realizacja czynności administracyjnych czy zarządzanie finansowe) są przede wszystkim kosztami stałymi i w mniejszym stopniu zależą od skali inwestycji, dlatego wyższy ich udział przypada małym instalacjom. Kolejną różnicą między przedstawionymi wyżej grupami instalacji jest proporcja między kosztem modułów PV a akcesoriami elektrycznymi i inwerterem. Te ostatnie urządzenie, ma pewną swoją stałą minimalną cenę i dla instalacji o małych mocach, ich koszt jest relatywnie wyższy niż w dużych instalacjach. Ostatnią kwestią są różnice wynikające z miejsca montażu. W instalacjach budowanych na gruncie wymagane są zarówno wyższe nakłady na akcesoria montażowe (większe konstrukcje, fundamenty itp.), jak i związane z nimi prace montażowo-instalacyjne.

Rys. 4 Koszty inwestycji i eksploatacji systemów fotowoltaicznych (źródło: IEO)

Nakłady inwestycyjne rosną liniowo wraz ze wzrostem mocy instalacji PV. Średnie koszty jednostkowe dla instalacji małych poniżej 10kW i instalowanych na dachach budynków mieszczą się w przedziale od 7 000 do 8 000 zł/kW, natomiast większe instalacje gruntowe od 6 250 do 6 500 zł/kW. W przypadku eksploatacji instalacji fotowoltaicznych, roczne koszty użytkowania elektrowni PV należą do najniższych wśród wszystkich instalacji Odnawialnych źródeł energii i zawierają się między 50 a 75 zł/kW, tzn. im wyższa moc tym mniejszy jednostkowy koszt eksploatacji elektrowni fotowoltaicznej. Większość kosztów eksploatacyjnych dotyczy czynności serwisowych oraz opłat związanych z ubezpieczeniem instalacji, a także podatkami, jeśli produkcja energii jest dodatkowym źródłem dochodu.

Ekonomika instalacji fotowoltaicznych

W niniejszej analizie koszty produkcji energii elektrycznej zostały obliczone metodą tzw. „rozłożonego kosztu produkcji energii”, zwaną LCOE (ang. levelised cost of energy). Istotą tej metody jest to, że koszt produkcji energii elektrycznej wynika z rzeczywistych nakładów poniesionych na inwestycję OZE oraz kosztów eksploatacji podczas całego okresu użytkowania urządzeń. Wyniki obliczeń tą metodą pozwalają na swobodne porównywanie kosztów produkcji energii z różnych źródeł, zarówno tych odnawialnych, jak i konwencjonalnych, w tym energii z sieci elektroenergetycznej.

Rys. 5 Uproszczony wzór obliczenia rozłożonego kosztu produkcji energii

Szczegółowe założenia instalacji fotowoltaicznych o analizowanych mocach zainstalowanych podano poniżej:

1. Instalacja korzysta z programu wsparcia NFOŚiGW „Prosument” (tzn. 40% dotacji do kosztów kwalifikowanych instalacji fotowoltaicznej + kredyt preferencyjny)

2. Instalacja przyłączona do sieci zgodnie wg kryteriów stosowanych dla mikroinstalacji określonych w najnowszym projekcie Ustawy o OZE (wersja 6.3) z dnia 28 marca 2014

3. W instalacji nie uwzględniono kosztów magazynowana energii

4. Okres trwałości instalacji – 15 lat

5. Wewnętrzna stopa zwrotu inwestycji – 8%

Rys. 6 Koszty produkcji energii elektrycznej w systemach fotowoltaicznych w zależności od ich mocy znamionowej (źródło: IEO)

 Na podstawie wyników obliczeń kosztów produkcji energii z instalacji fotowoltaicznych można wywnioskować, że największą opłacalność inwestycji można uzyskać z instalacji o mocy powyżej 5 kW, gdzie koszt LCOE równoważy się ze średnimi stawkami za energię elektryczną z sieci w taryfach G (dla gospodarstw domowych) i C (dla małych i średnich firm).

 Ponieważ nie uwzględniono kosztów magazynowania energii (przyjęto wariant, że cała energia elektryczna generowana przez instalacje PV jest na bieżąco konsumowana przez inwestora), analiza nie odzwierciedla rzeczywistych kosztów zarządzania energią z instalacji o założonej mocy. Istnieje kilka możliwości zarządzania energią:

a)   Konsumpcja całej energii na potrzeby własne: W tym przypadku wymagane byłyby baterie akumulatorów do magazynowania energii. Koszt magazynowania energii, który średnio wynosi od 2 do 6 zł/kWh zmagazynowanej energii, zupełnie wyklucza opłacalność, gdyż okres zwrotu inwestycji (w porównaniu do zasilania z sieci) jest dłuższy niż trwałość instalacji PV. Tego rodzaju instalacje są stosowane przede wszystkim w miejscach, gdzie nie opłaca się doprowadzać infrastrukturę dystrybucji energii elektrycznej.

b)   Sprzedaż całej energii do sieci: Tego rodzaju rozwiązanie jest opłacalne w momencie, gdy stawki za energię elektryczną oddawaną do sieci są na tyle wysokie, by mogły zrównoważyć rozłożony koszt produkcji energii z instalacji PV (rys. 6). W obecnej wersji projektu Ustawy o OZE (v6.3 z 28.03.2014), gdy wspomniana stawka wynosi 80% ceny energii na rynku hurtowym (tj. ok. 0,16zł/kWh), w przypadku tego rozwiązania okres zwrotu inwestycji oscyluje w okolicach 15 – 18 lat,

c)   Dominacja konsumpcji własnej ze sprzedażą nadwyżek energii do sieci:Rozwiązanie uwzględniające elementy obydwu wyżej przedstawionych rozwiązań może skutecznie skrócić okres zwrotu inwestycji. W tym celu należy tak dobrać moc znamionową instalacji fotowoltaicznej, by zmaksymalizować zużycie generowanej energii na potrzeby własne, ale bez korzystania z magazynów energii, podczas gdy resztę nadwyżek wyprodukowanej energii oddawać do sieci. W tym momencie inwestor zarabia na oszczędzaniu energii niezużywanej z sieci energetycznej (po średnich stawkach 0,60 – 0, 75 zł/kWh), oszczędza także na niemagazynowaniu energii w akumulatorach oraz resztę nadwyżek sprzedaje do sieci. W przypadku takiego rozwiązania inwestor może liczyć na zwrot inwestycji w przeciągu 7 – 10 lat, w zależności od dynamiki wzrostu cen energii elektrycznej z sieci i udziału konsumpcji własnej w wolumenie energii wyprodukowanej z instalacji fotowoltaicznej

Istotne znaczenie dla kosztów produkcji energii z instalacji fotowoltaicznych ma dobry wybór lokalizacji pod kątem nasłonecznienia i stopień niezawodności technicznej instalacji i odbioru energii. Drugim parametrem silnie oddziaływującym na LCOE jest czas życia elektrowni fotowoltaicznej. Można wywnioskować, że trwała i niezawodna konstrukcja oraz wysoka jakość wykonania może w dużym stopniu przyczynić się do obniżenia kosztów produkcji energii. Warto wspomnieć, że kilku producentów paneli fotowoltaicznych gwarantuje poprawne funkcjonowanie przez okres 20 lat. W znacznym stopniu wpływ na LCOE ma także koszt zakupu urządzeń elektrowni fotowoltaicznej. W znikomy sposób wpływają natomiast na LCOE koszty eksploatacyjne związane z naprawami i przeglądami, ze względu na praktyczną bezobsługowość elektrowni.