Energia odnawialna

Energia elektryczna w ostatnim roku znacznie podrożała, przez co opłacalność budowy instalacji odnawialnych stale się poprawia, a okres amortyzacji jest dzisiaj o kilka lat krótszy niż wcześniej. Komponenty wykorzystywane w instalacjach są też coraz tańsze i lepsze, bo na przestrzeni lat zostały one dopracowane i są już wytwarzane masowo. Falowniki biją rekordy sprawności, są mniejsze i tańsze, co jest wynikiem zaawansowania technologii półprzewodnikowych oraz dużej konkurencji na rynku. W kolejnych latach wszyscy specjaliści spodziewają się dalszego, dynamicznego wzrostu sektora PV, który mimo niełatwej sytuacji legislacyjnej i logistycznej notuje kolejne, rekordowe wyniki.

Bezsprzecznie największym zagrożeniem dla harmonicznego rozwoju rynku była i jest polityka. Opłacalność budowy mikroinstalacji determinuje wsparcie z funduszy rządowych, ceny urzędowe i system rozliczeń dla odkupywanej energii, a także stopy procentowe kredytów. Stabilne prawo i dobre regulacje są podstawą do wypracowania długoterminowej decyzji na temat inwestycji, a każda niestabilność, czego przykładem może być projekt ustawy o regulacji lokalizacji farm wiatrowych lub zmiany rozliczeń kupowanej z instalacji energii, odbija się negatywnie na sprzedaży.

Najważniejsze cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu komponentów do energii odnawialnej

 

Instalacje związane z wykorzystaniem energii odnawialnej projektuje się na wiele lat działania stąd jakość i trwałość ma w tym obszarze największe znaczenie dla klientów. Wysoka ocena terminu i logistyki dostawy, a więc dostępności produktów, to znak obecnych czasów, gdyż determinuje ona często możliwość realizacji inwestycji. Trzeci ważny czynnik wyboru to doradztwo sprzedawcy, gdyż pomysł zawsze kiedyś zderzy się z rzeczywistością i lepiej, aby test nie zakończył się rozczarowaniem. Mniejsze znaczenie dla klientów, ale nadal duże, gdyż wskazania na wykresie mówią o prawie połowie przypadków, mają parametry techniczne, marka producenta oraz potwierdzone certyfikatami spełnianie norm.

Opłacalność inwestycji w instalację energii odnawialnej jest definiowana w długim horyzoncie czasowym, np. sięgającym 20 lat. Dla sprzętu, który w tym czasie musi pracować na zewnątrz, jest to spore wyzwanie jakościowe, bowiem wpływ środowiska w tak długim okresie na produkty jest silny. Promieniowanie ultrafioletowe niszczy tworzywa sztuczne, wilgoć i rosa, duże zmiany temperatury w cyklu dzień–noc, wszechobecny kurz itd. tworzą trudne warunki eksploatacji wymagające użycia produktów o gwarantowanej w długim terminie jakości. W obszarze energii odnawialnej jest to zagadnienie kluczowe, bo inwestorzy, kalkulując opłacalność, zakładają w praktyce brak serwisowania.

Komponenty instalacji energii odnawialnej

Najważniejszą częścią instalacji są źródła energii, a więc panele i ogniwa fotowoltaiczne, generatory wiatrowe i mechaniczne oraz ogniwa paliwowe. Różnią się one wielkością (mocą), sprawnością, ceną w odniesieniu do generowanej mocy i przeznaczeniem. Moduły fotowoltaiczne są przeważnie płaskie i zawierają od 18 do 180 monokrystalicznych lub polikrystalicznych ogniw krzemowych. Moc wyjściowa pojedynczego panelu wynosi ok. 250 Wp. Sprawności modułów komercyjnych zwiększają się z roku na rok wraz z poprawą technologii.

Na rynku znajduje się szeroki wachlarz modułów PV o różnej wielkości i tym samym mocy. Wytwarza się specjalne moduły, które są zintegrowane z dachami lub fasadami budynków. Produkowane są również wersje szczególnie odporne na korozję wywołaną słoną wodą morską. Znajdują one zastosowanie na łodziach żaglowych, znakach nawigacyjnych i latarniach morskich, gdzie muszą być szczególnie odporne na oddziaływanie słonej wody. Ostatnim osiągnięciem w tej dziedzinie jest wytworzenie półprzezroczystego modułu, który może być używany jako okno w budynkach, na przystankach w postaci kropek nałożonych na szybę.

TytułWażne i poszukiwane produkty

 

W obszarze komponentów do instalacji energii odnawialnej poszukiwane produkty to przede wszystkim złącza, przekaźniki, przewody, które razem z panelami PV i falownikami pozwalają stworzyć instalację. Wynika z tego, że największe znaczenie na rynku mają systemy zasilania energią słoneczną i całe otoczenie, które się z nimi wiąże. Dotyczy to też instalacji off-grid, czyli niepołączonych z siecią energetyczną, na co padło prawie 30% wskazań związanych z akumulatorami.

Drugi ważny element to falownik solarny. Jest to specjalizowany konwerter przetwarzający napięcie stałe generowane przez panele na przemienne napięcie o parametrach takich samych jak sieć energetyczna. Aby możliwe było dostarczanie energii do sieci, falownik musi działać synchronicznie i generować napięcie trójfazowe. Regulacja mocy realizowana jest różnymi metodami, np. przez regulację amplitudy napięcia wyjściowego z falownika, fazy lub przez zmianę obu tych wartości. Na wejściu falownik akceptuje napięcie stałe zmieniające się w szerokim zakresie i zawiera układ balansowania obciążenia panelu, aby pracował on w punkcie zapewniającym największą wydajność (MPP). Różnic pomiędzy falownikiem solarnym a np. takim do zasilania silnika jest w praktyce więcej, bo urządzenia solarne zawierają wiele dodatkowych obwodów kontrolnych i zabezpieczających. Gdy w instalacji jest przewidziany magazyn energii, czyli akumulator, układ staje się jeszcze bardziej skomplikowany, gdyż do jego obsługi wymagany jest dodatkowy konwerter 2-kierunkowy.

Falowniki przeznaczone do pracy w instalacjach mniejszej mocy, takich niepołączonych z siecią energetyczną, są oczywiście prostsze konstrukcyjnie. Często są one nazywane mikroinwerterami, czyli urządzeniami współpracującymi z pojedynczymi panelami, dobranymi do mocy pojedynczego modułu.

Istotne nowości w obszarze komponentów OZE

 

Poszukiwana przez klientów nowości komponentowe w zakresie energii odnawialnej to systemy pozwalające zapewnić instalacjom pracę autonomiczną, czyli zdalne sterowanie i monitorowanie. Liczą się też rozwiązania specjalizowane, a więc takie, które do omawianych aplikacji są dopasowane pod względem funkcjonalności, a nie wybrane z wielu takich o ogólnym przeznaczeniu. Zawsze istotne i poszukiwane są rozwiązania wysokosprawne (panele, falowniki), gdyż one w dużej mierze decydują o opłacalności instalacji.

Te same rozważania dotyczą aplikacji, gdzie panele PV lub generator wiatrowy wyłącznie ładuje akumulator. Za każdym razem urządzenie to jest kluczowym elementem instalacji, odpowiedzialnym za sprawność i wydajność konwersji energii.

W przypadku generatorów wiatrowych problemy są podobne, gdyż napięcie generowane przez takie źródła nie nadaje się w większości przypadków do bezpośredniego wykorzystania praktycznego, gdyż waha się w dużym zakresie oraz nieliniowo zmienia się wraz z oświetleniem i siłą wiatru i obciążeniem.

Trzecia grupa to magazyny energii, takie jak akumulatory i superkondensatory, pozwalające przechwycić nadwyżkę mocy wytwarzanej nad zużywaną, wspomagające chwilę, gdy obciążenie jest bardzo duże. Gdy instalacja nie jest połączona z siecią energetyczną, akumulator jest praktycznie niezbędny i od jego pojemności i niezawodności zależy w dużym stopniu dostępność energii zasilającej.

Oferta rynku szybko się rozwija i dzisiaj mamy również wiele produktów o mniejszych wymiarach i mocy niż te standardowe jednostki o mocy 250 W, z których najczęściej zestawia się duże instalacje i montuje na dachach. Są też generatory wiatrowe o mocy poniżej kilowata, a nawet specjalizowane zasilacze na ogniwach paliwowych przeznaczone do zastosowań specjalnych (wojsko). Takie rozwiązania pozwalają zapewnić pewne zasilanie tam, gdzie nie ma dostępu do energii elektrycznej. Najbardziej widać je w urządzeniach montowanych przy drogach (znaki, zasilanie kamer monitoringu, lamp ostrzegawczych, reklam).

Komponenty specjalizowane

Na rynku dystrybucji jest coraz więcej komponentów specjalizowanych, a więc zaprojektowanych specjalnie pod kątem pracy w instalacjach energii odnawialnej. Głównie chodzi tutaj o wersje do instalacji fotowoltaicznych (PV), do których potrzebne są przewody o dużym przekroju i odpornej na wpływ środowiska izolacji, po to, aby zapewnić małe straty mocy i upływy, a więc bezpieczeństwo podczas wielu lat pracy. Kolejny element, gdzie widoczna jest specjalizacja aplikacyjna, to złącza o minimalnych stratach, łatwe w montażu itd. Są to złącza kabel-kabel o dużej odporności na czynniki środowiskowe. Złącza solarne mają specjalną konstrukcję mechaniczną, bo instalatorzy wykonują swoją pracę często w niewygodnych pozycjach. Oczekiwana jest także możliwość łączenia za pomocą tego samego elementu przewodów o szerokim zakresie przekrojów.

Do instalacji niezbędne są ponadto przekaźniki i styczniki umożliwiające przełączanie obwodów stałoprądowych o dużej mocy, komponenty sieciowe do zdalnego zarządzania, elementy systemów pomiarowych, mierniki mocy, układy akwizycji danych, rejestratory napięć i prądów. Obowiązkową częścią instalacji są też komponenty zabezpieczające, głównie chodzi o ograniczniki przepięć od wyładowań atmosferycznych.

Ocena potencjału biznesowego grup produktowych

 

Jeśli chodzi o potencjał biznesowy, to największy kryje się w dużych farmach PV i małych rozwiązaniach specjalistycznych. Te pierwsze są w czołówce z uwagi na skalę, wielkość inwestycji i związaną z nią sprzedaż kilometrów kabli, setek złączy, elementów zabezpieczających i innych części. Te profesjonalne zapewniają większe marże handlowe, trafiają w wartościowe rynkowe nisze i pozwalają konkurować na rynku firmom o różnej wielkości. Trzecia grupa obejmuje instalacje hybrydowe, a więc takie, gdzie np. panele PV łączy się z generatorem wiatrowym, akumulatorem, agregatem rezerwowym w spójny system autonomicznego zasilania do zastosowań specjalnych.

Akumulatory w systemach energii odnawialnej

Coraz więcej instalacji energii odnawialnej zawiera akumulatory, czyli ma lokalny magazyn energii, który jest remedium na największą wadę źródeł OZE, czyli nieprzewidywalność dostępnej mocy. Akumulator to niestety element kosztowny o ograniczonej trwałości, przez co magazynów energii w instalacjach OZE większej mocy i podłączonych do sieci jest relatywnie mało. Natomiast w rozwiązaniach specjalistycznych, małej mocy, obecność akumulatora jest oczywistością. Praca w instalacji to dla akumulatorów duże wyzwanie, bo duża zmienność wartości mocy generowanej przez system fotowoltaiczny przenosi się na skrajnie różne tempo ładowania akumulatorów. Prądy ładowania i rozładowywania mogą chwilowo kilkukrotnie przekraczać wartość pojemności znamionowej, co nie każda jednostka jest w stanie znieść bez wpływu na żywotność. Akumulatory mają określoną liczbę cykli ładowania, po której ich parametry w znaczący sposób ulegają pogorszeniu (maleje pojemność), aż do całkowitej utraty zdolności magazynowania energii. W przypadku, gdy cykle rozładowania i ładowania są częste i pełne, na ogół trudno jest osiągnąć okres eksploatacji przekraczający kilka lat dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Ogniwa litowo-jonowe mają lepsze parametry żywotnościowe, ale są też droższe, a więc trudno o kompromis.

Do takich aplikacji wykorzystuje się głównie akumulatory bezobsługowe kwasowo-ołowiowe typu AGM oraz różnego typu ogniwa litowo-jonowe. W ostatnich latach szybko popularyzują się LiFePO₄ – z chemią litowo- żelazowo-fosforanową. Są one żywotniejszym i bezpieczniejszym wariantem akumulatora litowo-jonowego, który dodatkowo ma napięcie znamionowe takie jak wersja kwasowo-ołowiowa. Umożliwia to zastąpienie jednego typu drugim, co jest sensowne zwłaszcza w małych instalacjach buforowych i rozwiązaniach mobilnych.

Sytuacja na rynku akumulatorów zmienia się dynamicznie, a kolejne inwestycje gigantów przemysłowych w budowę fabryk przesuwają progi dostępności, opłacalności i często sprawiają, że to, co dzisiaj wydaje się niemożliwe, jutro już niekoniecznie będzie prawdą.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rozwoju rynku komponentów OZE

 

Najważniejszym czynnikiem pozytywnie wspierającym rozwój rynku komponentów do instalacji energii odnawialnej są rosnące ceny energii ze źródeł tradycyjnych. Czynnik ten stał się wyjątkowo ważny w ostatnich miesiącach, razem ze znacznymi podwyżkami taryf oraz wojną. Wyraźnie mniejsze oddziaływanie ma świadomość ekologiczna społeczeństwa i to, że decyzje zakupowe są często jej pochodną. Tak uważa co drugi pytany przez nas w ankietach specjalista. Trzeci czynnik to zapotrzebowanie rynku na rozwiązania specjalistyczne, a więc możliwość realizacji zasilania w warunkach, gdzie nie ma sieci energetycznej lub konieczne jest stworzenie specjalnych warunków.

Wysokie napięcie stałe w instalacjach wymaga bezpieczeństwa

Wspólną cechą instalacji fotowoltaicznych jest to, że bazują na napięciach stałych. Panele PV dostarczają na wyjściu napięcia o wartości zmieniającej się w szerokim zakresie zależnej od stopnia obciążenia, oświetlenia, temperatury oraz konstrukcji wewnętrznej panelu, tj. tego ile zawiera on połączonych ogniw. Napięcie panelu bez obciążenia wynosi kilkadziesiąt woltów, pod obciążeniem napięcie jest mniejsze, można zgrubnie przyjąć, że wynosi ono około 30 V. Panele łączy się w łańcuchy szeregowe lub szeregowo-równoległe, aby prądy płynące w obwodach przy kilowatowej mocy były możliwie jak najmniejsze. Minimalizacja strat przesyłania oznacza więc w praktyce pracę instalacji przy kilkusetwoltowym napięciu roboczym, które generuje zestaw paneli i które jest dalej przetwarzane przez falownik.

Wysokie napięcie stałe, np. 600‒700 V, wymaga specjalnego podejścia technicznego i często komponenty solarne takie jak złącza, przewody, zabezpieczenia, właśnie tym się różnią od rozwiązań ogólnego przeznaczenia, że mogą pracować przy wysokim napięciu stałym.

Typowa wartość napięcia generowanego przez ogniwa polikrystaliczne wynosi 0,5‒0,6 V (krzemowe złącze p-n), czyli w jednym panelu trzeba połączyć około 60 ogniw w szeregowy łańcuch, aby otrzymać napięcie znamionowe 30 V. Stąd przy mocy wyjściowej 250 W prąd dostarczany przez jeden panel to ok. 8 A przy pełnym nasłonecznieniu. Po połączeniu szeregowym 20 paneli na wejściu falownika pojawi się napięcie 600 V, a moc szczytowa sięgnie 5 kW. Dwie takie gałęzie połączone równolegle dla mocy 10 kW oznaczają pracę z napięciem 600 V i prądem 16 A. To już nie są małe moce, co oznacza, że gdyby gdzieś pojawił się niepewny styk, łuk elektryczny spaliłby instalację w kilka sekund.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku komponentów OZE

 

Główne czynniki przeszkadzające w rozwoju to długie terminy dostaw i zawirowania w łańcuchach wywołane pandemią i wojną. Na trzecim miejscu uplasowały się wysokie ceny tych rozwiązań, które tworzą dla inwestycji ekonomiczną barierę opłacalności. Tak zarysowane kryteria nie są zaskakujące, stąd warto zerknąć na dół wykresu. Nie mamy problemów ze świadomością rynku, ani z wielką konkurencją. Klientów nie trzeba przekonywać do rozwiązań ekologicznych, wystarczająca jest zapewne perspektywa oszczędności lub to, że w niesprzyjających warunkach instalacja i działanie będzie możliwe.

Zjawisk, na które trzeba uważać w instalacjach stałonapięciowych jest wiele, w tym trudność gaszenia łuku elektrycznego, elektromigracje jonowe metali, starzenie się tworzyw sztucznych pod wpływem promieniowania ultrafioletowego ze słońca, narażenie na wyładowania atmosferyczne, wilgoć oraz niską i wysoką temperaturę, zanieczyszczenia organiczne, bezpieczeństwo związane z możliwością porażenia i podobne. Komponenty muszą zapewniać zdolność do wieloletniej pracy w takich warunkach, stąd w obszarze techniki tworzą one oddzielną kategorię wyrobów.

Do tej niepełnej listy dochodzi problem równomierności oświetlenia w poszczególnych gałęziach. Zaciemnienie jednego panelu np. przez cień wywołuje w tym miejscu sieci wzrost impedancji, skok napięcia i wyłączenie całej gałęzi szeregowej. Stąd konieczne jest dodanie diody bocznikującej, zapewniającej działanie reszty łańcucha. Taki dodatkowy element wywołuje straty mocy, więc kwestią czasu jest pojawienie się na rynku wersji zelektronizowanych takich diod, a zawierających tranzystor mocy ze sterownikiem o równoważnym działaniu.