Fotowoltaika i pompa ciepła to „dobrana para”

Rynek pomp ciepła i PV w Polsce

Na początek spójrzmy, czy to tylko moje twierdzenie, czy też na rynku OZE obok dynamicznego wzrostu instalacji PV (o czym już wielokrotnie w statystykach pokazywano na tym blogu) obserwuje się wzrost rynku instalacji pomp ciepła? Według Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła - PORT PC, sprzedaż pomp ciepła typu powietrze/woda w 2020 r. w Polsce wzrosła o 108% W 2020 r. sprzedano w Polsce pięć razy więcej pomp ciepła typu powietrze/woda niż w 2017 r., a w stosunku do poziomu sprzedaży z 2011 roku nawet 32 krotnie więcej. Cały rynek pomp ciepła służących do centralnego ogrzewania wzrósł blisko 80% w stosunku do 2019 r., a cały rynek pomp ciepła – o ponad 50%. W roku 2020 sprzedano blisko 60 tys. pomp ciepła łącznie z pompami ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Polski rynek pomp ciepła jako jeden z niewielu rynków europejskich w ostatniej dekadzie w każdym roku odnotowywał stabilne wzrosty sprzedaży pomp ciepła [1].

PORT PC zakłada, że w 2030 roku łączna liczba pomp ciepła zainstalowana w domach jednorodzinnych wyniesie 1,09 mln. W wariancie optymistycznym łączna liczba pomp ciepła do 2030 roku wyniesie  1,47 mln. Te prognozy wskazują, że rynek będzie się prężnie rozwijał.

Tylko dla formalności. Przypominam, że poprzedni rok 2020, to również rok fotowoltaiki! Niedługo będziemy mieli w Polsce mln prosumentów. Wystarczy odnotować, że Stowarzyszenie Branży Fotowoltaicznej POLSKA PV przy podsumowaniu tylko I półrocza 2020, spodziewało się podwojenia rynku instalacji fotowoltaicznych w Polsce względem 2019 roku. W rzeczywistości rynek potroił się względem 2019, a w skali dwóch lat wzrósł dwunastokrotnie! Obie branże generują miejsca pracy dla instalatorów oraz firm produkujących podzespoły do ich budowy, tworząc polski łańcuchy dostaw. Czy zatem te obie technologie dynamicznie rozwijające się w Polsce mogą ze sobą współpracować w naszych domach? Czy decyzja o inwestycji w PV „narzuca” inwestycję w pompę ciepła i odwrotnie?

Rys. Sprzedaż różnych typów pomp ciepłą w Polsce w latach 2010-2020 [1]

Dofinansowanie do instalacji PV i pomp ciepła

Przede wszystkim oba systemy łączy to, że można na nie dostać w Polsce finansowanie. W obu przypadkach w grę wchodzi dotacja z programu Czyste Powietrze oraz możliwość wykorzystania tzw. ulgi termomodernizacyjnej. 1 lipca 2021 r. wchodzi w życie nowa wersja programu Czyste Powietrze, uwzględniająca m.in. wycofanie dotacji na kotły węglowe (od 1 stycznia 2022 r.), zwiększenie progów dochodowych (podwyższony poziom dofinansowania). Program został też uzupełniony o zapisy dotyczące ścieżki bankowej, której uruchomienie zaplanowano jeszcze w lipcu tego roku [2].

Na fotowoltaikę z automatu możemy wykorzystać finasowanie z Mojego Prądu (co prawda wartość dotacji zmniejszono do 3 tyś zł, ale dotacja jest).  Kwota odliczenia w ramach ulgi termomodernizacyjnej to maksymalnie 53 000 zł W przypadku wspólnego rozliczania się małżonków jest ona podwojona i wynosi 106 tysięcy złotych. Oczywiście w przypadku kumulowania się dotacji odliczamy od podstawy opodatkowania koszty związane z inwestycją, pomniejszone o uzyskaną dotację w programie Czyste Powietrze i Mojego Prądu. Mimo to stan taki powoduje, że szczególnie w przypadku nowo budowanych i modernizowanych budynków opcja łączenia pomp ciepła z fotowoltaiką jest bardzo popularna.

Czy pompa ciepła i fotowoltaika mogą ze sobą współpracować?

Jednak kwestia finansowa nie jest tutaj jedynym czynnikiem za. Integracja tych dwóch technologii niesie ze sobą wiele zalet systemowych. Przede wszystkim oszczędności po uruchomianiu: koszty eksploatacji budynku mogą być niższe nawet o 90%. Najważniejsza sprawa to szybszy zwrot inwestycji. Współpraca pompy ciepła oraz instalacji PV oznacza większą autokonsumpcję, co daje jeszcze większą opłacalność systemu. Nie tracimy bowiem na różnicy wynikającej z opustu, a jeśli przewymiarujemy instalację PV pompa ciepła zabezpieczy nas przed oddaniem wyprodukowanego prądu z PV za darmo do sieci.

Dlaczego tak jest? Przecież system PV najwydajniej pracuje w okresie letnim, a największe zapotrzebowanie na energię przy ogrzewaniu domu, np. właśnie pompą ciepła przypada w zimie. Do końca tego roku (branża OZE liczy propozycja rządowa będzie zmodyfikowana albo zostanie zastosowany okres przejściowy) obowiązuje system rozliczania z ustawy o OZE z 2016 r., który pozwala nadmiar energii wyprodukowanej w systemie fotowoltaicznym bilansować w układzie rocznym i odebranie w okresie zimowym energii „nadprodukowanej” latem. Energię możemy odebrać z systemu energetycznego w stosunku 1 : 0,8 (moc instalacji PV < 10 kW) lub 1 : 0,7 (moc instalacji PV > 10 kW).

Taka forma rozliczenia jest bardzo atrakcyjna, ponieważ w przypadku instalacji PV o mocy poniżej 10 kWp można traktować sieć elektroenergetyczną jak „wirtualny akumulator” i odzyskać – w rozliczeniu całorocznym – 80% energii tam odprowadzonej. Warto zauważyć, że aktualny stan prawny dla prosumentów przewiduje brak zapłaty za nadwyżkę ilości energii wprowadzonej do sieci elektroenergetycznej w stosunku do ilości energii pobranej z tej sieci. A zatem w sytuacji, w której oddamy do sieci więcej energii niż będziemy w stanie odebrać w okresie 1 roku, energia ta „przepada”.

Sama pompa ciepła może być magazynem energii

Poza wykorzystaniem opustu pompa ciepła we współpracy z instalacja PV może być również efektywnym krótkoterminowym magazynem energii elektrycznej w ciągu dnia. Z pomocą automatyki pompy ciepła można w prosty sposób tak ustawić okresy przygotowywania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) oraz w takich godzinach w ciągu dnia, aby czas ten pokrywał się z produkcją energii z własnej instalacji PV. Bardzo często również to właśnie inwerter PV zarządza uruchomieniem pompy ciepła. W efekcie urządzenie zrealizuje proces ogrzewania c.w.u. korzystając z bezpłatnej energii elektrycznej.

W przypadku już nagrzanego zbiornika c.w.u. można również dodatkowo zwiększyć temperaturę wymaganą w zbiorniku c.w.u. albo buforze, przez co uda się zmagazynować większą ilość energii elektrycznej w formie ciepła. Stosując tego typu działanie przez kolejne dni w ciągu roku, można poprawi

efektywność instalacji PV poprzez zwiększenie stopnia bezpośredniego wykorzystania produkowanej darmowej energii elektrycznej ze słońca. Systemy tego typu są cały czas unowocześniane. Dzięki inteligentnym sterownikom pomp ciepła, współpracującym z inwerterem PV oraz licznikiem energii pompa ciepła załączana jest tylko w przypadku nadprodukcji energii z instalacji fotowoltaicznej. Dzięki inteligentnemu sterowaniu pompa ciepła załączana jest tylko wtedy, gdy ilość energii kierowana do sieci pozwala na bezpłatną pracę sprężarki, a więc silnik sprężarki nie spowoduje dodatkowej konsumpcji energii z sieci.

Co więcej, pompy ciepła wyposażone w sprężarki z inwerterem (zmienna prędkość pracy silnika napędowego) regulowane są w ten sposób, aby zużywać w danej chwili dokładnie tyle energii, ile wynosi jej nadprodukcja, a więc energia wolna do wykorzystania przez dom. Niczym nadzwyczajnym nie są obecnie również układ sterowania pompą ciepła wykorzystujące dane pomiarowe i „uczące się” funkcji logicznych, aby określić, czy i kiedy należy spodziewać się zapotrzebowania na ciepłą wodę lub ogrzewanie w analizowanym domu. Systemy te zatem „uczą się nawyków mieszkańców” oraz uwzględniają dane pogodowe. 

Przyszłość to inteligentne systemy zarządzania energią

Poruszone powyżej zagadnienie inteligentnego sprzężenia pracy pompy ciepła i instalacji PV w domu jednorodzinnym nie jest niczym nadzwyczajnym. Możemy dzięki nim zwiększyć stopień zużycia własnej energii fotowoltaicznej w gospodarstwie domowym. O wsparciu finansowym takich systemów była mowa w planach Mojego Prądu 3.0. teraz przełożono to na przyszły program Mój Prąd 4.0, łącznie z magazynami energii oraz ładowarkami do samochodów elektrycznych. 

Trend taki będzie się rozwijał nie tylko na poziomie domów jednorodzinnych. Poza systemami typu smart home (na poziomie domu), które będą wspierane układami smart metres (inteligentnymi licznikami) w Europie stosuje się już systemy smart grid (na poziomie sieci przesyłowych). Inteligentne sieci energetyczne (smart grids) są kluczowym elementem w strategii energetycznej UE. W ciągu ostatnich kilku lat rozwija się projekty inteligentnych sieci w całej Europie. Nie inaczej będzie w Polsce [4].

Rys. Idea systemu smart grid [4]

Na rynku polskim są już pompy ciepła kompatybilne z systemem smart grid. Docelowo w Polsce możliwe będzie „wejście w tryb” Smart Grid Ready pompy ciepła na podstawie sygnałów otrzymanych z zewnątrz (np. od OSD). Reasumując „z zewnątrz” (decydować będzie o tym operator systemu) można będzie aktywnie wpływać na jej tryb pracy.

Rys. Wzajemne oddziaływanie zespołów i podzespołów systemu oraz interfejsy systemu [5]

Wydawać się to może futurystycznie i może być sprzeczne z zakorzenioną u nas „niezależnością”, ale oczywiście odbywać się to będzie na postawie stosownych umów. Dzieje się tak już w Niemczech. Uczestnik takiego systemu nawet nie zauważa takiego faktu podczas eksploatacji poza zyskami wynikającymi z podpisanych umów z operatorem [5].

Pompa ciepła SG Ready może być zdalnie uruchamiana (także do pracy z częściowym obciążeniem) i wyłączana. Przechodzenie między trybami (stanami roboczymi) zależy na przykład od dostępności prądu z instalacji fotowoltaicznej lub pory doby (czyli obowiązującej taryfy). Pompa ciepła SG Ready może pracować między czterema stanami roboczymi [5]:

1. Tryb blokady – zdalne „twarde” zablokowanie pracy pompy ciepła, np. w określonych porach dniach (tak, by nie pobierała prądu).

2. Tryb normalny – pompa ciepła pracuje zgodnie z zadanym programem roboczym, zależnie od potrzeb. Może służyć zarówno do ogrzewania, jak i przygotowywać c.w.u.

3. Tryb podwyższony – pompa ciepła magazynuje nadwyżki energii bądź maksymalnie wykorzystuje tanią taryfę elektryczną. Na przykład pompa ciepła może wykorzystać nadwyżki prądu z instalacji PV, żeby ogrzać wodę w zbiorniku c.w.u. lub zbiorniku buforowym traktowanym jako zasobnik ciepła. Według podobnej zasady może pracować w systemie dwutaryfowym, kiedy obowiązuje tańsza taryfa.

4. Tryb wymuszonego włączenia – zdalne „twarde” załączenie pompy ciepła. Tryb ten służy na przykład do odebrania nadwyżki energii elektrycznej z sieci.

Podsumowanie

Fotowoltaika i pompa ciepła to obecnie dwa najlepiej ze sobą współpracujące systemy wytwarzające darmową energię. Połączenie tych dwóch odnawialnych źródeł w jedną instalację jest coraz bardziej popularne i jak najbardziej zasadne. Oba systemy i technologie doskonale wpisuje się w rozwijające się inteligentne sieci energetyczne, które będą rozwijane.

Reasumując kiedy pojawia się na dachu budynku fotowoltaika, idealnym uzupełnieniem jest pompa ciepła – i odwrotnie. Niskie koszty eksploatacyjne znacząco zwiększają wartość budynku. Trend taki wspiera pojęcie „domów bez rachunków”. Już teraz widzimy, że powstają osiedla budynków jednorodzinnych, gdzie pompy ciepła plus fotowoltaika nie są już wyjątkami. Sytuacja taka była racjonalna w warunkach systemu opustów. Czy po zmianie zasad to się zmieni? Przede wszystkim musimy znać te nowe zasady bo na razie mowa o propozycji rządowej, która została uzupełniona niedawno o propozycję noweli poselskiej.

Wydaje się pompa ciepła, która zwiększa autokonsumpcję w systemie z PV będzie rozwiązaniem premiowanym. Wszyscy zdają sobie sprawę, że gdy energia elektryczna wytworzona we własnym zakresie z systemu fotowoltaicznego jest zużywana na bieżąco przez urządzenia w domu np. pompę ciepła, to – zarówno z punktu widzenia nas jako konsumentów, jak i operatora energii elektrycznej – sytuacja jest dużo korzystniejsza. Dostrzegają to rządzący i wskazują, że tego typu rozwiązania będą premiowane.

Magazynowanie energii elektrycznej w formie ciepła i chłodu przy wykorzystaniu pompy ciepła z automatyką optymalizującą temperaturę c.w.u. pozwala na zwiększenie stopnia wykorzystania energii elektrycznej na potrzeby własne do ponad 50%. Jeżeli uzupełnimy to o umiejętne sterowanie pracą urządzeń AGD zużywających dużą ilość energii elektrycznej, a których działanie nie jest zależne od naszej obecności, to stopień autokonsumpcji osiągnie nawet 60%

Źródła

1. https://portpc.pl/materialy-2021/

2. www.gov.pl/

3. www.polskiinstalator.com.pl/

4. www.i-scoop.eu/industry-4-0/smart-grids-electrical-grid/

5. https://dombezrachunkow.com/fotowoltaika/wzajemne-oddzialywanie-zespolow-i-podzespolow-systemu/