W ostatnim czasie wśród proekologicznych rozwiązań dużą popularnością cieszą się systemy fotowoltaiczne (PV). Energia elektryczna, produkowana za ich pomocą, to nie tylko ukłon w stronę ekologii i budowanie „zielonego” wizerunku firmy, ale również podjęcie przez przedsiębiorców próby radzenia sobie ze stale rosnącymi cenami prądu.
Systemy fotowoltaiczne na wielkopowierzchniowych dachach – znaczny potencjał energetyczny
Systemy fotowoltaiczne na wielkopowierzchniowych dachach budynków magazynowych, zakładów przemysłowych, centrów logistycznych oraz biurowców z jednej strony umożliwiają efektywniejsze wykorzystanie powierzchni gruntu niż w przypadku naziemnych elektrowni fotowoltaicznych, z drugiej zaś – dzięki dużym wymiarom dachów takich budynków – pozwalają na uzyskanie efektu skali i znaczne obniżenie kosztów inwestycyjnych w stosunku do małych systemów dachowych na budynkach mieszkalnych. Możliwy do wykorzystania potencjał energetyczny powierzchni dachowych jest znaczny i jego zagospodarowanie może istotnie wpłynąć na bilans energetyczny kraju. Potencjalne uzyski energii z systemów dachowych (w ujęciu technicznym) w Polsce zostały oszacowane na 30,9 TWh rocznie z łącznie 469 km2 powierzchni dachów1. Wartość ta odpowiada ok. jednej piątej ilości energii elektrycznej zużytej w Polsce w 2019 r.2.
Systemy fotowoltaiczne – konieczne zapewnienie zapasu nośności
Instalowanie systemów fotowoltaicznych na budynkach z reguły wiąże się ze znacznym obciążeniem konstrukcji, co czasami uniemożliwia wykorzystanie pozornie idealnie nadających się do tego celu połaci dachu. W przypadku nowych budynków, a zwłaszcza hal przemysłowych, szczególnie ważne jest więc zapewnienie zapasu nośności umożliwiającego instalację, od razu lub w przyszłości, większych, kilkuset kilowatowych, a nawet megawatowych systemów PV. Nie mniej ważne jest też zapewnienie odpowiedniej mocy przyłączeniowej. Z drugiej strony, fotowoltaika może pomóc przedsiębiorstwu w uniknięciu kar za przekroczenia mocy zamówionej, co bywa problemem w oddalonych od miast lokalizacjach3.
Systemy fotowoltaiczne i rozwiązania technologiczne
Wymiarowanie systemu fotowoltaicznego uzależnione jest od trzech głównych czynników: dostępnej powierzchni, obciążalności dachu oraz zapotrzebowania na energię. Ilość energii elektrycznej, którą można uzyskać z powierzchni dachowej, zależy też od jej orientacji i kąta nachylenia, a także obecności wystających elementów (urządzenia klimatyzacyjne, wyjścia wentylacji), które mogą – poprzez zacienianie – zmniejszać powierzchnię dostępną do efektywnego wykorzystania. Czasy bardzo drogich modułów fotowoltaicznych minęły bezpowrotnie, toteż nie zawsze należy dążyć do maksymalizacji uzysku energii z mocy zainstalowanej (kWh/kWp) jako jedynego parametru optymalizacji. Zastosowanie struktur montażowych o orientacji wschód-zachód zamiast zorientowanych na południe pod optymalnym kątem zmniejsza wprawdzie roczny uzysk energii, ale powoduje równocześnie wypłaszczenie profilu generacji energii elektrycznej z systemu fotowoltaicznego, co pozwala na zmaksymalizowanie frakcji energii zużytej na potrzeby własne, a co za tym idzie – większą opłacalność ekonomiczną. Takie ustawienie zmniejsza też obciążenie aerodynamiczne spowodowane wiatrem w stosunku do tradycyjnych rzędów modułów, redukując tym samym balast oraz masę samego systemu wsporczego, co obniża wymogi związane z wytrzymałością dachu. Przykładem bardzo dobrej korelacji profilu obciążenia i generacji energii z systemu fotowoltaicznego są chłodnie i mroźnie, w których przypadku zwiększone zapotrzebowania na energię latem doskonale współgra ze zwiększoną generacją energii elektrycznej z systemu fotowoltaicznego. Jedną z pierwszych instalacji na budynkach przemysłowych w Polsce nie przypadkiem była mroźnia firmy Frosta w Bydgoszczy.
Jeśli limitem jest dostępna powierzchnia dachu, rozwiązaniem jest wybór sposobu montażu maksymalizujący uzysk energii z jego powierzchni (więc możliwie płaski) oraz wykorzystujący moduły o wysokiej sprawności: z ogniwami typu PERC, HIT lub half-cell. Dostępne są na rynku moduły o sprawności przekraczającej 20%.
Systemy fotowoltaiczne i minimalizacja ich masy
Z punktu widzenia minimalizacji masy systemu fotowoltaicznego oraz jego struktury wsporczej, jeszcze lepszym rozwiązaniem są moduły elastyczne, wykonane bez tafli szklanej, która odpowiada za gros masy modułu. Posiadają one elastyczne do pewnego stopnia ogniwa krzemowe, choć są też obecni dostawcy tego typu rozwiązań bazujących na ogniwach cienkowarstwowych typu CIGS.
Fotowoltaikę można też jednak wykorzystać wręcz do zmniejszenia zakładanych obciążeń dachu. Jest to możliwe za sprawą systemów fotowoltaicznych umożliwiających rozpuszczanie śniegu4. System tego typu umożliwia pracę w trybie odwrotnym do normalnego, tzn. specjalny falownik pobiera energię z sieci i przepuszcza prąd przez moduły, podgrzewając je, co z kolei powoduje rozpuszczanie i spływanie śniegu. Rozwiązanie tego typu zastosowano np. na budynku terminala na lotnisku Chopina w Warszawie.
Systemy fotowoltaiczne – bezpieczeństwo przeciwpożarowe
Wiele obaw, zwłaszcza z punktu widzenia bezpieczeństwa przeciwpożarowego, a także wymogów ubezpieczycieli, wiąże się z brakiem możliwości rozłączenia poszczególnych modułów w klasycznych systemach z falownikami łańcuchowymi. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie optimizerów mocy, urządzeń umożliwiających rozłączanie pojedynczych (lub kilku) modułów z osobna, co niweluje możliwość pojawienia się na przewodach łańcucha ogniw bardzo trudnego do wyłączenia wysokiego napięcia w czasie pożaru. Zastosowanie takich urządzeń zmniejsza też wrażliwość systemu na zacienienie, co jest ważne w przypadku dachów narażonych na to przez elementy konstrukcyjne, takie jak wentylacje czy maszty, oraz pozwala na zminimalizowanie strat wynikających z niedopasowania prądowo-napięciowego poszczególnych modułów, wynikającego z naturalnych różnic między ogniwami w ramach tolerancji producenta, z uszkodzeń pojedynczych modułów czy z nierównomiernego tempa ich degradacji. Zastosowanie takiego systemu daje więc większe uzyski w dłuższym okresie, choć wiąże się z wyższymi kosztami inwestycyjnymi.
Systemy fotowoltaiczne na wielkopowierzchniowych dachach – uwarunkowania prawne
Zużycie energii na miejscu pozwala na większe oszczędności ze względów zarówno technicznych, jak i ekonomicznych. Dotyczy to zwłaszcza systemów o mocy poniżej 50 kW, które jako mikroinstalacje mogą oddawać do sieci chwilowy nadmiar energii, otrzymując możliwość pobierania 0,7 kWh za każdą 1 kWh oddaną do sieci (0,8 dla systemów mniejszych niż 10 kW). System taki nie wymaga pozwolenia na budowę. Rozliczanie w okresie rocznym daje dużą elastyczność w wymiarowaniu systemu, jako że nawet jeśli system wyprodukuje latem ilość energii znacznie przekraczającą bieżące zapotrzebowanie, energia ta będzie mogła być odzyskana z sieci w miesiącach zimowych, choć ze wspomnianym opustem. Oznacza to również, że nie ma potrzeby stosowania banku akumulatorów, chyba że miałyby być jednocześnie elementem zasilania awaryjnego budynku. Dostępne są na rynku falowniki pełniące jednocześnie funkcję kontrolera ładowania i umożliwiające pracę w trybie wyspowym (tj. przy niedostępnym zasilaniu z sieci energetycznej). Co najważniejsze, nowela ustawy o odnawialnych źródłach energii z lipca 2019 r. przyznała status prosumentów również przedsiębiorcom. Systemy o mocy w zakresie 50-500 kW uznawane są w regulacjach prawnych za małe systemy i są zwolnione z obowiązku uzyskania koncesji na produkcję energii elektrycznej.
Systemy fotowoltaiczne elementem proekologicznego wizerunku przedsiębiorstwa
Wobec rosnących cen energii, instalacja systemów fotowoltaicznych staje się coraz korzystniejszą metodą zmniejszenia kosztów funkcjonowania budynków. Dostępne na rynku rozwiązania technologiczne umożliwiają coraz szersze wykorzystanie połaci dachowych i optymalizację systemu fotowoltaicznego pod dany obiekt. Coraz częściej fotowoltaika staje się elementem systemu energetycznego budynku, wspomagając rozwiązanie problemów ze szczytowym zapotrzebowaniem na energię czy wspomaganiem zasilania awaryjnego. Fotowoltaika na budynkach ma jednak wymiar nie tylko ekonomiczny czy techniczny, ale także społeczny. Odpowiednio wyeksponowany system fotowoltaiczny może stanowić też element kreowanego obrazu przedsiębiorstwa przyjaznego środowisku, co ma coraz większe znaczenie dla konsumentów.
Źródła:
- K. Bódis, I. Kougias, A. Jäger-Waldau, N. Taylor, S. Szabó, A high-resolution geospatial assessment of the rooftop solar photovoltaic potential in the European Union, Renew. Sustain. Energy Rev. 114 (2019) 109309. doi:10.1016/j.rser.2019.109309.
- Charakterystyka rynku energii elektrycznej – Urząd Regulacji Energetyki https://www.ure.gov.pl/pl/energia-elektryczna/charakterystyka-rynku (dostęp 15 marca 2020).
- K. Dziaduszyński, M. Tarka, M. Trupkiewicz, K. Szydłowski, Rozwój odnawialnych źródeł energii w sektorze Mikro , Małych i Średnich Przedsiębiorstw, w tym możliwość zastosowania rozwiązań Stan obecny i perspektywy rozwoju, 2018.
- I. Frimannslund, T. Thiis, A feasibility study of photovoltaic snow mitigation systems for flat roofs, Tech. Trans. (2019) 81–96. doi:10.4467/2353737xct.19.073.10724.
