Pobierz Analiza techniczno-ekonomiczna instalacji fotowoltaicznej i więcej Publikacje w PDF z Energy Efficiency tylko na Docsity!
Zeszyty N aukowe
Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią
Polskiej Akademii Nauk
rok 2017, nr 98, s. 15–
Bartosz CERAN, Radosław SZCZERBOWSKI*
Analiza techniczno-ekonomiczna
instalacji fotowoltaicznej
Streszczenie: W referacie przedstawiono wyniki analizy efektywności przetwarzania energii promieniowania słoneczne- go na energię elektryczną w warunkach polskich. Pokazano wpływ nasłonecznienia i temperatury pracy modułu fotowoltaicznego na jego krzywą mocy P = f(U). Opisano warunki dla których producenci podają parametry mo- dułów fotowoltaicznych i skonfrontowano je z warunkami rzeczywistymi panującymi w Polsce. Zwrócono uwagę na konieczność podawania przez producentów paneli fotowoltaicznych charakterystyk P (^) PV = f(E) dla różnych wartości temperatury pracy modułów. Przeprowadzono analizę ekonomicznej efektywności inwestycji farmy fo- towoltaicznej o mocy 1 MW (^) p z uwzględnieniem aktualnych przepisów prawa dla trzech wariantów. Wariant I – inwestor korzysta ze środków wsparcia pomocy publicznej tylko o charakterze operacyjnym, wariant II – inwestor korzysta ze środków wsparcia pomocy publicznej o charakterze inwestycyjnym w wysokości 1 mln PLN, wariant III – inwestor korzysta ze środków wsparcia pomocy publicznej o charakterze inwestycyjnym w wysokości 2 mln PLN. Dla wszystkich wariantów wyznaczono wskaźniki oceny ekonomicznej efektywności inwestycji oraz wartości cen aukcyjnych od ceny maksymalnej do ceny przy której projekt traci rentowność.
Słowa kluczowe: moduły fotowoltaiczne, efektywność energetyczna, efektywność ekonomiczna sprawność
Techno-economic analysis of a photovoltaic installation
Abstract: The paper presents the results of the energy analysis of the conversion of solar radiation energy into electrical energy in Polish weather conditions. The effect of sunlight and working temperature on the photovoltaic module on its power curve P = f(U) is shown. STC and NOCT conditions are described for which the manufacturers specify the parameters of the photovoltaic modules. The manufacturers of photovoltaic panels should give the PPV = f(E) characteristic for the different values of the operating temperature of the modules. An analysis of the economic efficiency of a photovoltaic power plant investment of 1 MWp taking the current legal regulations for the three variants into account was presented. Variant I – the investor benefits from the support of public aid of operational only, Variant II – the investor benefits from the support of public aid for investment in the amount of
PLN 1 million, Variant III – the investor benefits from the support of public aid for investment in the amount of PLN 2 million. For all variants, indicators for assessing the economic effectiveness of the investment and the value of the auction price from the maximum price to the price at which the project loses its profitability are determined.
Keywords: photovoltaic modules, energy efficiency, economic efficiency
Wprowadzenie
Od kilkudziesięciu lat na całym świecie mamy do czynienia z niezwykle dynamicz- nym rozwojem technologii, wykorzystującej energię promieniowania słonecznego. Również w Polsce w ostatnim czasie rynek systemów fotowoltaicznych wykazuje tendencję wzrosto- wą. Jest to związane także ze znacznym spadkiem inwestycji w elektrownie wiatrowe, który jest wynikiem wprowadzonej 16 lipca 2016 r. ustawy o inwestycjach w zakresie elektrowni wiatrowych, określanej potocznie „ustawą odległościową” (UIwZEW 2016). Wprowadzenie tej ustawy sprawiło, że część inwestorów zainteresowanych branżą OZE przeniosło swoje projekty na inwestycje fotowoltaiczne. Zahamowanie rozwoju energetyki wiatrowej na lą- dzie spycha jednak Polskę ze ścieżki do osiągnięcia celów wyznaczonych na 2020 r. przez europejską dyrektywę o promowaniu energii ze źródeł odnawialnych. Potencjał fotowoltaiki w Polsce na koniec I kwartału 2017 to ponad 470 instalacji foto- woltaicznych o łącznej mocy ponad 100 MW, które posiadają koncesję URE, a także ponad 17 tys. systemów PV o łącznej mocy ponad 93 MW przyłączonych do sieci na zgłoszenie (GRAM 2017; URE 2017). Znowelizowana ustawa o odnawialnych źródłach energii (UZUoOZE 2016) z dnia 22 czerwca 2016 r. ustanowiła nowe ramy prawne oraz ekonomiczne, dotyczące inwesto- wania w projekty wykorzystujące źródła OZE. Pomimo znacznego potencjału, jakim dys- ponuje technologia fotowoltaiczna, istnieje wiele barier, które mogą zahamować dalszy jej wzrost w sektorze energetycznym. Przede wszystkim, istotny wpływ na rozwój instalacji PV będzie miał system regulacji prawnych w zakresie aukcji, które zostały wprowadzone wraz z nową ustawą OZE, a które zastępują dotychczasowy system wsparcia w postaci zielonych certyfikatów. System aukcyjny, w myśl którego inwestor, aby mógł sprzedawać energię po preferencyjnej cenie musi uprzednio wygrać aukcję, sprawia że prawo do budo- wy elektrowni będzie przyznawane od najtańszych ofert do najdroższych do wyczerpania puli. Licytacja ilości wyprodukowanej przez kolejne 15 lat energii odbywać się będzie na aukcji przeprowadzanej w formie elektronicznej przez URE. Maksymalną kwotę możliwą do zaoferowania przez inwestora ogranicza ogłoszona przez Ministerstwo Energii cena re- ferencyjna. Na obecną chwilę przeprowadzone zostały już dwie aukcje, jedna pod koniec 2016 roku, a druga w czerwcu 2017 r. Aukcję wygrali uczestnicy, którzy zgodnie z art. 80 ustawy o OZE zaoferowali najniższą cenę sprzedaży energii elektrycznej, aż do wyczer- pania ilości lub wartości energii elektrycznej przeznaczonej do sprzedaży w danej aukcji. Zaoferowana w aukcji cena będzie im przysługiwać w całym okresie wsparcia, czyli 15 lat, a ponadto będzie indeksowana o inflację. Obecne zasady aukcji premiują inwestorów, którzy na swoje projekty otrzymali pomoc inwestycyjną, np. w postaci dotacji z UE, dzięki czemu mogli zgłosić w aukcji niższą cenę za energię (Tarka i Trupkiewicz 2016).
taicznej, ponieważ dawałoby dwojaką korzyść. Po pierwsze środowiskową (zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych), po drugie systemową (zmniejszenie zapotrzebowania na moc w systemie w sezonie letnim). W tym zakresie fotowoltaika może być wsparciem dla syste- mu elektroenergetycznego oraz konwencjonalnej energetyki opartej na węglu.
Rys. 2. Uporządkowany wykres rozkładu energii promieniowania słonecznego przypadającej na 1 m 2
Fig. 2. An ordered graph of solar radiation distribution per 1 m^2
Rys. 3. Dobowy wykres obciążenia w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym
Fig. 3. Daily load graph in the National Power System
2. Dane znamionowe modułów fotowoltaicznych
Producenci paneli fotowoltaicznych w kartach katalogowych podają kilka parametrów, spośród których najważniejsze to: moc maksymalna jaką osiąga moduł PV (Pmax), napięcie w punkcie mocy maksymalnej (Umpp), prąd w punkcie mocy maksymalnej (Impp), napięcie stanu jałowego (Uoc), prąd zwarciowy (Isc), maksymalne napięcie instalacji fotowoltaicz- nej. Znajomość wartości napięć i prądów jest niezbędna dla doboru odpowiednich zabez- pieczeń elektrycznych dla danej instalacji. Przyjęta została zasada, że wyżej wymienione parametry podawane są dla warunków STC ( Standard Test Conditions ) tzn. moc elektrycz- na podawana w katalogu odpowiada natężeniu promieniowania słonecznego równemu 1000 W/m 2 , temperaturze pracy modułu równej 25°C oraz parametrowi widma promienio- wania Air Mass – AM 1,5 (Klugman-Radziemska 2010; Chojnacki 2008). W Polsce w letni słoneczny dzień wartość natężenia promieniowania słonecznego rzadko przekracza 900 W/m^2. W związku z powyższym, moduł fotowoltaiczny będzie generował mniejszą moc równą około 90% wartości mocy nominalnej. Kolejny spadek mocy modułu będzie związany z negatywnym wpływem wzrostu temperatury jego pracy na wydajność. Powszechnie wiadomo, że przy większej temperaturze pracy moduł fotowoltaiczny pracuje z mniejszą sprawnością (Nowicki 2012; Paska 2010). Spadek mocy wraz ze wzrostem tem- peratury modułu fotowoltaicznego określa tzw. temperaturowy współczynnik mocy ( Tempe- rature Coefficient of Power ). Niemożliwe jest spełnienie warunku pracy modułu w tempera- turze 25°C przy natężeniu promieniowania słonecznego 900 W/m^2. Warto także zaznaczyć, że nie wszystkie karty katalogowe podają sprawność modułu fotowoltaicznego, ponieważ ta wynosi tylko około 10–14% w zależności od technologii wykonania modułu (monokry- staliczny, polikrystaliczny). Ze względu na fakt niewystępowania w praktyce warunków STC wprowadzony został drugi standard parametrów pracy określający parametry elektryczne dla warunków nomi- nalnej temperatury pracy ogniwa NOCT ( Nominal Operating Cell Temperature ). Warunki te występują zdecydowanie częściej niż warunki standardowe STC. W warunkach NOCT nasłonecznienie wynosi 800 W/m^2 , przy temperaturze powietrza 20°C oraz wietrze o pręd- kości 1 m/s i AM = 1,5. Wielu producentów modułów fotowoltaicznych podaje w ofercie handlowej dane techniczne modułów dla warunków NOCT. Mimo to ciągle można znaleźć szereg ofert, które zawierają tylko parametry dla warunków STC. Należy zaznaczyć, że zarówno dane techniczne dla jednych i drugich warunków podają tylko jedną wartość mocy, tzn. moc maksymalną jaką moduł jest w stanie wyprodukować, a przecież instalacje fotowoltaiczne pracują w technologii poszukiwania punktu mocy mak- symalnej MPP, który zmienia się zależnie od warunków atmosferycznych. Ze względu na dużą zmienność natężenia promieniowania słonecznego powinno się, zdaniem autorów, po- dawać wartości średnie mocy generowanej dla okresu miesiąca, roku. Dodatkowo producenci paneli fotowoltaicznych powinni podawać w specyfikacji modu- łów rodzinę charakterystyk eksploatacyjnych, które uwzględniają zależność między mocą generowaną przez dany moduł fotowoltaiczny a natężeniem promieniowania słonecznego P (^) pv = f(E) dla temperatur otoczenia. Przykładowo, producenci turbin wiatrowych podają charakterystykę mocy generowanej w funkcji prędkości wiatru P = f(v). Na podstawie tej
Rys. 4. Wpływ zmiany natężenia promieniowania słonecznego na wydajność modułu fotowoltaicznego
Fig. 4. Effect of change in solar radiation intensity on photovoltaic module efficiency
Rys. 5. Wpływ zmiany temperatury pracy modułu fotowoltaicznego na jego wydajność
Fig. 5. Effect of changes of the photovoltaic module operating temperature on its performance
4. Analiza ekonomiczna pracy farmy o mocy 1 MWp
Do analizy ekonomicznej przyjęto farmę fotowoltaiczną o mocy zainstalowanej 1 MWp składającą się z 3449 modułów o mocy 290 Wp oraz 40 falowników o mocy 25 kW. Na podstawie opracowanej rodziny charakterystyk E = f(PPV ) oraz rozkładu natężenia promie- niowania (rys. 1) wyznaczono wartość produkowanej mocy średniej w ciągu roku równą 111,5 kW, wartość wskaźnika wyzyskania mocy średniej równy 11,1%, roczną produkcję energii elektrycznej równą 977 MWh oraz roczny czas wykorzystania mocy zainstalowanej równy 977 h. W celu zobrazowania zasady działania obecnego systemu wsparcia dla instalacji OZE porównano trzy warianty, w których inwestor, zwiększając wykorzystanie pomocy publicz- nej o charakterze inwestycyjnym projektu (dofinansowanie budowy farmy fotowoltaicznej) zgodnie z przepisami, zobowiązany jest do zmniejszenia wykorzystania pomocy publicznej o charakterze operacyjnym, tzn. musi zadeklarować na aukcji cenę energii odpowiednio mniejszą od wartości referencyjnej. We wszystkich wariantach nakład inwestycyjny NI na budowę farmy fotowoltaicznej wynosi 4 mln PLN. Wartość ta uwzględnia budowę farmy oraz koszty przyłączenia do sieci elektroenergetycznej. We wszystkich rozpatrywanych sce- nariuszach założono, że inwestor posiada wkład własny na poziomie 40% wartości nakładu inwestycyjnego. Wariant I – inwestor nie korzysta ze wsparcia pomocy publicznej o charakterze inwe- stycyjnym, a jedynie z pomocy publicznej o charakterze operacyjnym, a 60% nakładu inwestycyjnego stanowi pożyczka nisko oprocentowana na 10 lat.
Rys. 6. Rodzina charakterystyk P PV = f(E) modułu fotowoltaicznego
Fig. 6. Characteristics P PV = f(E) of the photovoltaic module
Rys. 8. Wpływ wartości ceny aukcyjnej za energię elektryczną na wartość wskaźnika NPV – wariant II
Fig. 8. The impact of the auction price on electricity on the value of NPV – variant II
Rys. 9. Wpływ wartości ceny aukcyjnej za energię elektryczną na wartość wskaźnika NPV – wariant III
Fig. 9. The impact of the auction price on electricity on the value of NPV – variant III
TABELA 2. Wyniki analizy ekonomicznej – wariant I TABLE 2. The results of the economic analysis – variant I
Cena aukcyjna [PLN/MWh] 425 420 410 408 407
NPV [tys. PLN] 116,92 83,96 18,05 4,87 –1,
MNPV [tys. PLN] 524,2 482,3 398,48 381,71 –
PI [–] 1,068 1,049 1,01 1,003 –
IRR [%] 8,83 8,60 8,13 8,03 –
MIRR [%] 9,45 9,34 9,13 9,08 –
PP [lata] 11,44 11,55 11,79 11,81 –
DPP [lata] 17,04 17,81 19,51 19,69 –
TABELA 3. Wyniki analizy ekonomicznej – wariant II TABLE 3. The results of the economic analysis – variant II
Cena aukcyjna [PLN/MWh] 354 350 340 330 320 310 303 302
NPV [tys. PLN] 340,11 313,74 247,84 181,93 116 50,11 3,98 –2,
MNPV [tys. PLN] 833 799,47 715,66 631,84 548,03 464,21 405,54 –
PI [–] 1,2 1,18 1,46 1,11 1,04 1,03 1,002 –
IRR [%] 10,63 10,42 9,91 9,40 8,90 8,39 8,03 –
MIRR [%] 10,18 10,1 9,91 9,72 9,51 9,30 9,15 –
PP [lata] 10,24 10,33 10,58 10,83 11,1 11,38 11,59 –
DPP [lata] 13,83 14,05 14,67 15,65 17,06 18,65 19,89 –
TABELA 4. Wyniki analizy ekonomicznej – wariant III TABLE 4. The results of the economic analysis – variant III
Cena aukcyjna
[PLN/MWh] 284 280 270 260 250 240 230 220 217 216
NPV [tys. PLN] 569,89 543,53 457,9 372,34 286,7 201,15 115,6 29,9 4,31 –4,
MNPV [tys. PLN] 1150 1116 1007 898,95 790,1 681,2 572,4 463,6 430,8 –
PI [–] 1,34 1,32 1,27 1,22 1,17 1,12 1,07 1,02 1,002 –
IRR [%] 12,77 12,55 11,84 11,13 10,41 9,69 8,97 8,25 8,04 –
MIRR [%] 10,86 10,79 10,57 10,33 10,09 9,84 9,58 9,31 9,22 –
PP [lata] 7,3 7,4 7,77 8,17 8,62 10,08 10,52 11 11,15 –
DPP [lata] 11,41 11,61 12,33 13,14 14,08 15,26 17,07 19,18 19,88 –
