Fotowoltaika i auto elektryczne – czy to ma sens?

Fotowoltaika ma wiele wspólnego z elektromobilnością. Kiedy i jedno i drugie ma najwięcej sensu?
elektromobilność
(fot. Shutterstock)

Zwolennicy zielonej energii z pewnością potwierdzą, że jak najbardziej tak. Inni stanowczo zaprzeczą, a jak jest naprawdę? Uczciwa odpowiedź na pytanie, czy fotowoltaika i auto elektryczne mają sens brzmi: to zależy. Na problem zarządzania energią w kontekście elektromobilności należy patrzeć holistycznie, opierając się na podstawach odpornych na opinie, polityków i lobbystów którejkolwiek ze stron. Oczywiście konsument musi patrzeć też przez pryzmat własnego portfela, a producenci – przez pryzmat budżetu i prognozowanych zysków, ale zacznijmy właśnie od praw fizyki.

Cała energia istniejąca na naszej planecie pochodzi od Słońca. Ta gigantyczna, trwająca od miliardów lat reakcja fuzji termonuklearnej zwana naszą dzienną gwiazdą zasila Ziemię i całe istniejące na niej życie. Dopiero w XX wieku nauczyliśmy się przetwarzać energię słońca w prąd elektryczny. Na ile energii możemy liczyć?

Moc promieniowania = maksymalny możliwy zysk energetyczny

File:Solar Car Tokai Challenger.JPG
Zbudowany przez studentów Uniwersytetu Tokijskiego solarny samochód Tokai Challenger – wygrał w 2009 roku rajd World Solar Challenge (fot. Hideki Kimura, Kouhei Sagawa / Wikimedia)

Cenną wskazówką jest tzw. stała słoneczna, czyli całkowita ilość energii jaką Słońce emituje w kierunku Ziemi na jednostkę powierzchni prostopadłą do kierunku promieniowania. Oczywiście orbita Ziemi nie jest idealnie kołowa, Słońce też ma swoje wahania, dlatego stała słoneczna jest przybliżeniem, ale dość dokładnym. Najnowsze wyliczenia stałej słonecznej oparte są na pomiarach satelitarnych, stała słoneczna wynosi aktualnie 1361 W/m2 (wartość przyjęta przez World Radiation Center, zainteresowanych odsyłam do dokumentu dotyczącego obliczania stałej słonecznej opublikowanego na witrynie WRC – nie, nie chodzi o rajdy 😉 )

Tyle, że 1361 W/m2 to wartość w próżni. Ziemska atmosfera zatrzymuje część promieniowania słonecznego, w efekcie średnio na 1 m2 powierzchni Ziemi przypada ok. 1000 W. Na naszych szerokościach geograficznych jest to trochę mniej, ale przyjmijmy tę średnią dla łatwiejszego zrozumienia tematu. Oznacza to, że gdybyśmy dysponowali jakąś niesamowitą technologią zdolną przetworzyć 100 procent energii słonecznej w prąd (nie mamy nic takiego, sprawność najdoskonalszych paneli fotowoltaicznych jest dużo niższa), to z jednego metra możemy “wyciągnąć” nie więcej niż 1000 W, czyli 1 kW. To mniej niż pobiera domowy czajnik elektryczny, a co dopiero elektryczne ważące zwykle grubo ponad tonę (albo i dwie – vide Audi e-tron) auto. O bezpośredniej konwersji energii słonecznej na moc zasilającą napęd auta elektrycznego możemy zapomnieć. Bez akumulatorów się to nie uda.

Fotowoltaika stacjonarna – to ma sens, choć nie zawsze

Ładowanie auta elektrycznego “własnym” prądem redukuje koszt posiadania i eksploatacji takiego auta (fot. yadamons/Shutterstock)

Skoro jednak wiemy ile faktycznie energii daje nam słońce, a także znamy faktyczną sprawność osiągalnych dziś paneli słonecznych, możemy inwestować w stacjonarną fotowoltaikę. Zresztą wiele osób już tak zrobiło, wielu rozważa temat. Opłacalność domowej instalacji fotowoltaicznej pomyślanej wyłącznie jako “zielona” stacja zasilająca auto elektryczne jest dziś niestety mocno wątpliwa. Jedynym sensownym scenariuszem inwestycji w fotowoltaikę w kontekście elektromobilności w jest sytuacja, gdy spełnione są następujące warunki:

  • Inwestycja ma w znacznym stopniu zniwelować pobór “węglowej” energii z sieci energetycznej (a nie tylko ładować auto – to niejako dodatkowa korzyść “przy okazji”).
  • Dysponujemy odpowiednim miejscem na instalacje (odpowiednie położenie nieruchomości, optymalne nachylenie – jeżeli instalacja na dachu – itp.
  • Państwo oferuje system dotacji i dopłat do inwestycji konsumenckich w zieloną energię.
  • Nie musimy “na wejściu” (a najlepiej w ogóle) inwestować w akumulatory do gromadzenia energii ze Słońca (drogo!)
  • Prosument (konsument produkujący energię na własne potrzeby) ma możliwość “przechowania” nadwyżek energetycznych w sieci energetycznej (w Polsce jest to możliwe – wyjaśniamy to w dalszej części)
  • Maksymalnie ograniczamy koszt kapitału inwestycyjnego (“najtańsze” są własne środki wspomagane bezzwrotnymi dotacjami – kredyty kosztują!)
  • Gospodarka państwa, w którym realizujemy inwestycję jest stabilna (pandemia wszystko psuje, prawda?)

Jeżeli chodzi o dotacje to np. w programie “Mój prąd” wnioski można składać (wyłącznie online) do 18.12.2020 r. osoba zainteresowana własną fotowoltaiką może uzyskać dofinansowanie w formie dotacji do 50 proc. kosztów kwalifikowanych mikroinstalacji fotowoltaicznej (brzmi nieźle), ale nie więcej niż… 5000 zł (to już nie brzmi dobrze). Ile kosztuje taka instalacja fotowoltaiczna? Dość dobrymi przybliżeniem jest przyjęcie kwoty 5000 zł za każdy kW mocy z przyłączonej “zielonej” instalacji. Ile potrzebuje gospodarstwo domowe? To zależy od gospodarstwa, ale wg danych NFOŚiGW, na które powołuje się portal wysokienapiecie.pl, średnia mikroinstalacja ma moc nieco ponad 5 kW. Zatem program “Mój prąd” pokrywa średnio nie 50 proc. lecz co najwyżej 20 proc. kosztów. Pamiętajmy przy tym, że obliczając zapotrzebowanie energetyczne należy uwzględnić nie bieżące zużycie energii, ale też to, ile zamierzamy używać energii w przyszłości. Jeżeli oprócz fotowoltaiki myślimy również o elektrycznym samochodzie, planowana moc instalacji powinna to uwzględniać.

Słońce świeci w dzień, auto elektryczne chciałbym ładować w nocy

Czyli co, oprócz nietaniej fotowoltaiki musimy mieć jeszcze akumulatory? Inwestowanie w akumulatory do domowej instalacji fotowoltaicznej znacząco podraża całą inwestycję – na tyle, że czas zwrotu z inwestycji (czyli czekanie na korzyść wynikającą z oszczędności z tytułu zużywania własnego prądu, a nie “kupowanego” z sieci energetycznej) znacząco się wydłuża. Jednak istnieje pewne wyjście. W Polsce obowiązują przepisy prosumenckie, które umożliwiają prosumentom korzystać z polskiej sieci energetycznej jak z akumulatora z 80-procentową sprawnością.

Ze Słońca do auta? To może się udać nawet w nocy i to bez domowych akumulatorów, nadwyżkę wyprodukowanego prądu możemy w części odebrać z sieci energetycznej (fot. Shutterstock)

Gospodarstwo domowe wytwarzające własną energię elektryczną (w naszym przypadku zakładamy, że z fotowoltaiki) może oddawać do sieci energetycznej prąd, a następnie później odebrać 80 proc. oddanej mocy. To wyjaśnia, że mimo iż w nocy słońce nie świeci fotowoltaika i ładowanie elektrycznego pojazdu w nocy wciąż mogą się opłacać.

Trzeba jednak pamiętać o pewnym haczyku w przepisach. Możemy traktować polski system energetyczny jako gigantyczny akumulator oddanego przez nas nadmiarowego prądu, ale tylko pod warunkiem, że 80 proc. oddanego prądu odbierzemy w ciągu dwóch kolejnych lat. Jakakolwiek nadwyżka, która zostanie po tym okresie – po prostu przepada. Dlatego tak ważne jest bardzo dokładne skalkulowanie faktycznych potrzeb prosumenta, z uwzględnieniem jego przyszłych planów związanych z elektromobilnością. Przeszacowana instalacja pod względem mocy będzie nie tylko droższa w budowie (panele kosztują, montaż też), ale przestanie się po prostu opłacać.

Panele i auto elektryczne w jednym domu – to ma sens

Wiemy już, że fotowoltaika to inwestycja, a czas zwrotu z tej inwestycji zależy od wielu czynników. Przy dobrze rozplanowanej inwestycji (moc instalacji, przewidywane zużycie, koszty serwisu, szacowany spadek wydajności paneli itp.) przydomowa instalacja fotowoltaiczna ma jak najbardziej realne szanse zwrócić się w ciągu ok. 10 lat.

Pamiętajmy jednak, że w ciągu tych dziesięciu lat będziemy dalej funkcjonować, dalej ponosić koszty życia, czy… posiadania i użytkowania samochodu. W przypadku instalacji fotowoltaicznej i samochodu spalinowego, nasz własny środek transportu kosztuje nas tyle samo – wciąż musimy odwiedzać stację benzynową niezależne od tego, skąd czerpiemy prąd.

Zupełnie inaczej jest w przypadku, gdy prosument (posiadacz instalacji fotowoltaicznej wykorzystywanej na własny użytek) zdecyduje się na auto elektryczne, a używana przez niego instalacja uwzględnia zwiększony z tego tytułu pobór mocy. Już ładowanie auta elektrycznego z domowego gniazdka biorącego prąd z ogólnej sieci energetycznej jest znacznie tańsze niż tankowanie auta spalinowego (po dokładniejsze wyliczenia odsyłam do innego materiału podsumowującego badania konsumenckie związane z fotowoltaiką i elektromobilnością). Jednak w sytuacji, gdy prąd sami produkujemy (z paneli), całkowity koszt użytkowania pojazdu jest zauważalnie mniejszy, a to oznacza, że czekając na zwrot z inwestycji (fotowoltaiki), dodatkowo zyskujemy mniejszy koszt użytkowania auta.

Auta z panelami – wyłącznie ciekawostka

Na koniec jeszcze jedna kwestia łącząca fotowoltaikę z elektromobilnością. Niektórzy producenci, zespoły naukowe, pasjonaci itp. co jakiś czas pokazują światu “auto na panele słoneczne”. Temat nie jest nowy. Istnieje co najmniej tak długo, jak mamy panele słoneczne.

General Motors Sunraycer – auto zasilane panelami słonecznymi (fot. Dshakes / Wikimedia)

To, co widzicie powyżej to konstrukcja opracowana w drugiej połowie lat 80-tych XX wieku przez inżynierów koncernu General Motors, przy współpracy z firmami AeroVironment i Hughes Aircraft. Ten nietypowy pojazd ważył zaledwie ok. 265 kg (bez kierowcy), a jego współczynnik oporu powietrza to C=0,125. Sunraycer został wyposażony w 8800 ogniw fotowoltaicznych najwyższej klasy (produkowanych przez Hughes Aircraft na potrzeby wyposażenia satelitarnego). W gorące australijskie, słoneczne południe były one w stanie wygenerować 1500 watów mocy. Również silnik tego wozu był imponującą konstrukcją z magnesami stałymi – jego efektywność wynosiła 92 proc. Auto mogło się rozpędzić do 109 km/h. W 1987 roku GM Sunraycer wygrał rajd World Solar Challenge. Trasę o długości 3005 km z miasta Darwin na północy Australii do Adelajdy na południu kraju, pojazd pokonał ze średnią prędkością 66,9 km/h docierając na metę po 5,2 dnia. Drugi samochód solarny na mecie pojawił się po… dwóch dnia za GM Sunraycerem. Pamiętajmy, to wszystko miało miejsce ponad 30 lat temu!

Imponujące osiągnięcie? Niewątpliwie. Użyteczne? W żadnym razie. Udowodniono że jest możliwe zbudowanie solarnego pojazdu, tak samo jak pasjonaci budują latające rowery (czy też samoloty napędzane siłą mięśni – mięśnioloty) i jedno i drugie jest, i pozostanie, wyłącznie ciekawostką.

2020 Hyundai Sonata SEL (Quartz White), front right.jpg
Hyundai zaprezentował najnowszą generację hybrydowego (hybryda plug-in) modelu Sonata (na rynek amerykański) w wersji z panelami solarnymi na dachu, które pozwalają doładować akumulator roboczy (fot. Mr Choppers / Wikimedia)

Znacznie później, już w XXI wieku wielu producentów zaprezentowało eksperymentalne modele oparte na pojazdach użytkowych. Toyota pokazywała Priusa z panelami, podobne auto zaprezentował też koreański Hyundai, jednak praw fizyki nie przekroczymy. Jak wspomnieliśmy na wstępie, słońce przekazuje naszej planecie określoną, skończoną i dość dokładnie obliczoną energię. Jest jej za mało, by kiedykolwiek zbudować komfortowego ponad dwuipółtonowego SUV-a, który miałby się poruszać wyłącznie energią słoneczną i zachować taką dynamikę jak np. Audi e-tron, Jaguar I-Pace czy Tesla Model Y. To fizycznie niemożliwe.

File:2017 Toyota Prius Prime front 6.20.18.jpg
Toyota Prius Prime – na rynku japońskim marka oferowała panele na dachu w opcji, pozwala to zwiększyć zasięg o… 6,1 kilometra. Dziennie (fot. Kevauto / Wikimedia).

Za to panele jak najbardziej mogą stanowić uzupełnienie “energetyczne” dla auta elektrycznego czy hybrydy plug-in z akumulatorami. Dowolne auto z panelami na dachu może ładować swoje akumulatory. Jednak masowość tego rozwiązania, mimo pojawienia się kilku “jaskółek” (jak widoczne powyżej modele Hyundaia i Toyoty) to wciąż śpiew przyszłości. Póki co domowa instalacja fotowoltaiczna i auto elektryczne we własnym, zasilanym z paneli garażu to realne i – przy sprzyjających warunkach oraz zoptymalizowanych względem własnych potrzeb energetycznych obliczeniach – sensowne rozwiązanie.

Total
0
Shares