Nasycenie sieci nn fotowoltaiką i pompami ciepła – jak utrzymać stabilne napięcie?

Rosnąca popularność odnawialnych źródeł energii i technologii czystej energii niesie ze sobą wiele korzyści zarówno z perspektywy indywidualnych użytkowników, jak i systemu elektroenergetycznego. Jednocześnie, trzeba mieć świadomość, że nowoczesne rozwiązania mogą wiązać się z pewnymi wyzwaniami, przed którymi staje sieć niskiego napięcia w obliczu nasycenia fotowoltaiką i pompami ciepła. Jednym z nich jest stabilizacja sieci elektrycznej, narażonej na wahania napięcia. Jak zatem utrzymać stabilne napięcie sieci w obliczu rosnącego udziału OZE w miksie energetycznym?

Realnie należy przyznać, że konstrukcje fotowoltaiczne mogą podwyższać napięcie w sieci. To z kolei może prowadzić do lokalnych awarii, wyłączeń albo obniżenia efektywności instalacji OZE. Z perspektywy użytkownika, oprócz potencjalnych awarii, istotnym problemem jest także kwestia opłacalności inwestycji w fotowoltaikę czy farmy wiatrowe. Nadmierne napięcie w sieci może powodować ograniczenia mocy lub całkowite wyłączenia falownika w kluczowych, z punktu widzenia produkcji energii, okresach, np. szczytowego nasłonecznienia. Prowadzi to do istotnych strat w produkcji energii, a tym samym może wpływać negatywnie na poziom zwrotu inwestycji w OZE. Nie jest to jednak argument za tym, by rezygnować ze źródeł czystej energii. Wystarczy rozumieć przyczyny tego zjawiska i wprowadzać rozwiązania stabilizujące sieć.

Możliwe przyczyny problemów z napięciem i potencjalne rozwiązania

Problemy z napięciem w sieci mogą pojawiać się zarówno po stronie użytkowników, jak i samej sieci. Ich możliwe przyczyny to zbyt wysoki opór (impedancja) lub zbyt wysoka moc instalacji. Potencjalne źródła tych problemów to:

• infrastruktura
• nadwyżki energii trafiające do sieci
• nadmierna moc instalacji OZE

Infrastruktura

Infrastruktura energetyczna w Polsce była tworzona głównie z myślą o jednokierunkowym przesyle energii: od dostawcy do odbiorców. Nie jest zatem z założenia przystosowana do instalacji prosumenckich. Rozwój OZE spowodował jednak, że coraz powszechniejsze są hybrydowe systemy energetyczne, co stanowi wyzwanie z punktu widzenia infrastruktury. Jest to odczuwalne zwłaszcza w regionach, w których obserwuje się duże nasycenie sieci nn instalacjami fotowoltaicznymi czy pompami ciepła, co skutkuje przeciążeniem sieci.

Przestarzała, wymagająca modernizacji infrastruktura jest tylko jedną z możliwych przyczyn problemów ze stabilizacją napięcia w sieci. Rozwiązaniem w tym przypadku jest inwestycja w modernizację i rozwój sieci, np. zwiększając moc transformatorów czy przekrój przewodów oraz inwestycja w inteligentne sieci elektroenergetyczne. Niestety, jest to rozwiązanie czaso- i kapitałochłonne, a na dodatek w znacznym stopniu uzależnione od decyzji operatora sieci.

Nadwyżki energii trafiające do sieci

Inną możliwą przyczyną problemów z napięciem są różnice w produkcji i zużyciu energii. Jeżeli dana mikrosieć elektroenergetyczna nasycona fotowoltaiką produkuje najwięcej energii w okresie maksymalnego nasłonecznienia, kiedy odbiorcy są np. w pracy i w związku z tym zapotrzebowanie na energię jest zmniejszone, w takiej sytuacji nadwyżki energii przesyłane są do sieci. Wzrost napięcia sieciowego może być wówczas szczególnie silnie odczuwalny.

W jaki sposób można poradzić sobie z problemami w tej sytuacji? Pierwsza opcja dotyczy falownika, zwanego też inwerterem. Nowoczesne falowniki pozwalają skorzystać z dwóch funkcji: Q(U) oraz P(U), które mają za zadanie stabilizować napięcie w sieci elektroenergetycznej:

Funkcja Q(U) polega na automatycznej regulacji współczynnika mocy (czyli ilości energii biernej, oznaczanej jako Q) w zależności od aktualnego napięcia w sieci. Gdy napięcie w sieci rośnie, falownik może kompensować ten wzrost poprzez wytwarzanie lub pochłanianie energii biernej, co pomaga utrzymać stabilne warunki pracy instalacji i całej sieci.

Funkcja P(U) natomiast ogranicza moc czynną (oznaczaną jako P), czyli rzeczywistą moc przekazywaną do sieci, w sytuacji, gdy napięcie zbliża się do górnych granic dopuszczalnych wartości. Dzięki temu falownik redukuje ilość energii oddawanej do sieci, zapobiegając jej przeciążeniu oraz chroniąc urządzenia przed przekroczeniem parametrów pracy.

Chociaż efektywność energetyczna takiej instalacji jest niższa niż w przypadku możliwości pracy z maksymalnym obciążeniem, to i tak jest to rozwiązanie korzystniejsze niż sytuacja, w której dochodziłoby do regularnych wyłączeń falownika.

Innym możliwym rozwiązaniem jest inwestycja w magazyny energii. Instalacja fotowoltaiczna z magazynem energii pozwala na efektywniejsze zarządzanie napięciem, co pozwala zarówno efektywniej korzystać z wyprodukowanej energii, jak też stabilizować sieć nn. Kolejnym rozwiązaniem, które, podobnie jak magazyn energii, pozwala zwiększyć jej konsumpcję na miejscu, obniżając napięcie, jest stosowanie rozwiązań umożliwiających zwiększenie autokonsumpcji w okresach szczytowej produkcji energii. Jednym ze sposobów jest stosowanie pomp ciepła do c.w.u. (ciepłej wody użytkowej), których pracę można zautomatyzować.

Nadmierna moc instalacji OZE

Jak powszechnie wiadomo, lepiej jest zapobiegać, niż leczyć. Dlatego, już na etapie projektowania instalacji OZE, warto skorzystać z dostępnych rozwiązań, które pozwolą optymalnie ją zaprojektować. Z pomocą przychodzą profesjonalne firmy, które stosując skaning laserowy mogą dokonać pomiarów przydatnych na etapie projektowania instalacji. Wiedząc, jaka będzie jej wydajność, łatwiej zaprojektować instalację, która będzie dopasowana do lokalnych warunków i potrzeb.