Wraz z rosnącym zainteresowaniem odnawialnymi źródłami energii, instalacje fotowoltaiczne w domach stają się coraz bardziej popularne. Jednak zanim energia słoneczna stanie się niezawodnym źródłem zasilania, musimy rozwiązać pewne wyzwania, szczególnie w zimie, gdy ilość dostępnej energii słonecznej jest ograniczona.

Technologie magazynów energii w gospodarstwach domowych

Obecnie największą część rynku domowych magazynów energii stanowią baterie w technologii LiFePO4 (LFP). Przykładowi producenci akumulatorów LFP to Pylontech, Kehua, Sofar, Hypontech oraz BYD.

Baterie LFP posiadają wiele zalet, m.in.: bezpieczeństwo, wysoka sprawność, brak szkodliwego wpływu na środowisko, brak efektu pamięci oraz żywotność nawet powyżej 15 lat eksploatacji.

Pomimo wielu zalet, baterie LFP posiadają również pewne ograniczenia. Żadna z dostępnych technologii baterii nie pozwala na ich całkowite rozładowywanie — skraca to znacznie ich żywotność, może też doprowadzić do trwałego uszkodzenia. Ponadto baterie cechują się efektem samorozładowania; nawet nieużywana, wcześniej naładowana bateria będzie z czasem się rozładowywać. Baterie LFP nie mogą być ładowane w temperaturach poniżej 0 °C — ich zalecana temperatura pracy to 10–25 °C.

Problematyka ładowania baterii w zimie

Biorąc pod uwagę właściwości baterii, warto zwrócić uwagę na sposób ich działania przy współpracy z fotowoltaiką. Obecnie możemy wyróżnić dwa główne tryby pracy domowego magazynu energii:

Zwiększenie autokonsumpcji – polega na naładowaniu akumulatora zamiast wysyłania nadwyżek energii do sieci, w celu wykorzystania energii gdy będzie ona faktycznie potrzebna – na przykład w nocy, kiedy nie ma produkcji z PV.
_{Rysunek 1 przykładowy wykres rocznej produkcji energii z instalacji fotowoltaicznej. Źródło: PVGIS}

Dla polskiej strefy klimatycznej rozkład produkcji energii w konkretnych miesiącach pokazuje, że produkcja latem jest nawet 5–6 razy większa niż w miesiącach zimowych. W efekcie brak jest nadwyżek energii mogących naładować akumulator przy pracy w trybie autokonsumpcji.

_{Rysunek 2 Dane historyczne z Hypon.Cloud - wykres rozpływu mocy z 24 grudnia}

_{Rysunek 3 Dane historyczne z Hypon.Cloud - wykres rozpływu mocy z 5 września}

W przypadku wielu instalacji hybrydowych, nadwyżki energii są zbyt małe, aby naładować baterię, w efekcie czego jest ona przez długi czas rozładowana przy użytkowaniu w trybie autokonsumpcji.

Zasilanie rezerwowe – funkcja wyposażająca część falowników hybrydowych i bateryjnych, pozwalająca na zasilanie wydzielonych odbiorników za pomocą energii z akumulatora w przypadku awarii. System hybrydowy z PV ma tę zaletę, że bateria może być ładowana przez energię z PV podczas trwania awarii zasilania podstawowego.

_{Rysunek 4 Przykładowy wykres zaniku napięcia sieci AC}

Aby funkcja działała prawidłowo, w baterii musi być zgromadzona odpowiednia ilość energii. Hybrydowe falowniki umożliwiają regulację wielkości rezerwy energii, która powinna pozostać w baterii na wypadek zaniku zasilania. Jeśli energii jest za mało, system nie uruchomi zasilania rezerwowego lub czas jego działania może być niewystarczający.

Na utratę zgromadzonej energii w bateriach wpływają trzy główne czynniki:
- Efekt samorozładowania – wynika z budowy chemicznej ogniw; gdy bateria LFP jest naładowana na poziomie 50%, efekt ten powoduje średnio do kilku procent rozładowania rocznie. Efekt samorozładowania jest tym większy, im niższy jest stan naładowania baterii.
- Potrzeby własne – wszystkie baterie LFP są wyposażone w elektroniczne moduły zabezpieczające (BMS) sprawdzające parametry pracy na poziomie ogniwa oraz całych pakietów bateryjnych. BMS-y potrzebują małych ilości energii, aby działać prawidłowo.
- Współczynniki temperaturowe – zmiana temperatury ogniw jest powiązana z ich napięciem oraz dostępną pojemnością. Różnica w dostępnej energii pomiędzy temperaturą 0 °C a 25 °C może wynosić nawet ponad 10%.
Rysunek: przykładowe wykresy (schematyczne wykresy na potrzeby wizualizacji z oryginalnego dokumentu.

_{Rysunek 5 Omar, N., Bossche, P., Coosemans, T., & Mierlo, J. (2013). Peukert revisited—critical appraisal and need for modification for lithium-ion batteries. Energies, 6(11), 5625–5641. https://doi.org/10.3390/en6115625}

Optymalna konserwacja magazynu energii

Aby zoptymalizować wydajność magazynów energii w okresie zimowym, zaleca się ustawienie „minimalnej głębokości rozładowania” baterii na poziomie co najmniej 50% lub więcej. Przed nadejściem zimy, przynajmniej raz w miesiącu należy naładować magazyn energii do poziomu 100% i utrzymywać taki poziom naładowania przez minimum 24 godziny. Taka praktyka pozwala na zminimalizowanie ryzyka, że baterie zostaną całkowicie rozładowane w przypadku braku słonecznej pogody. Ponadto, utrzymanie baterii na wyższym poziomie naładowania umożliwia korzystanie z funkcji zasilania rezerwowego w przypadku awarii sieci.

Podsumowanie

W celu zapobiegania głębokim rozładowaniom lub uszkodzeniom magazynów energii zaleca się stosować odpowiednie zasady konserwacji — konkretne wytyczne znajdziemy w instrukcji obsługi oraz w warunkach gwarancji produktu. Rekomendacje przedstawione w tej nocie wynikają z dopasowania technologii LFP do polskiej strefy klimatycznej oraz z zasad dobrej praktyki inżynierskiej.