Якщо вдома встановити сонячні панелі, акумулятори та придбати електромобіль, то поїздка на сонячну енергію цілком реальна. Однак є багато факторів, які слід враховувати під час аналізу економічної вигоди, а також технічних можливостей та обмежень таких систем.
Зарядка електромобіля від домашньої сонячної батареї - приваблива пропозиція, яка дозволяє оптимізувати індивідуальне споживання та підвищити екологічність експлуатації автомобіля. Проте економічний аналіз домашніх сонячних батарей, акумуляторів та електромобілів – справа непроста. Необхідно враховувати безліч факторів, більшість із яких залежать від географії та ринків електроенергії.
Як правило, електромобілі не можуть поглинати надлишок електроенергії під час піків сонячної генерації, тому необхідно придбати акумулятор. "Стаціонарні акумулятори коштують дорого, тому для їх ефективної роботи необхідна ціла низка умов: високе річне споживання електроенергії; велика кількість надлишкової сонячної генерації, яку можна перенести на вечірній час; низькі або нульові тарифи, за якими оплачується надмірна сонячна генерація, що повертається до мережі; та роздрібні тарифи на електроенергію з урахуванням часу використання (ToU)", - каже Нельсон Нсайтем, аналітик групи зберігання енергії компанії BloombergNEF (BNEF).
Деякі ринки відповідають усім цим вимогам. Дослідники з Університету Південної Австралії (UniSA) підрахували, що домовласники, які заряджають електромобілі вдень від сонячних батарей та системи накопичення енергії (BESS), можуть заощадити до 39,6% річних витрат на електроенергію порівняно з власниками бензинових автомобілів.
Дослідники проаналізували конфігурації, що включають тарифи ToU та реальні навантаження, а також дані про фотоелектричну генерацію у домогосподарствах Південної Австралії, варіюючи добову потребу в навантаженні, потужність та вартість сонячної енергії та BESS, а також обмеження на експорт електроенергії. "Для автовласників зарядка будинку є найбільш зручним варіантом, але для тих, хто, як і раніше, повністю залежить від електромереж, витрати можуть значно зрости", - пояснив професор Махфуз Азіз після публікації результатів дослідження.
Економія енергії
Дослідники UniSA підрахували, що при додаванні сонячних батарей споживання енергії з мережі знижується приблизно на 20%, а при використанні акумуляторів – на 83%. При щоденній зарядці електромобіля кількість енергії, що споживається, значно зростає, але при цьому споживання з мережі можна скоротити приблизно на 89%.
"Наші результати показують, що домогосподарства з бензиновими автомобілями можуть скоротити свої річні витрати на електроенергію на 6,71% при використанні сонячних батарей та на 10,38% при додаванні системи акумуляторів", - сказав Азіз. "Заміна бензинових автомобілів на електромобілі дозволяє знизити річні витрати на електроенергію на 24% і 32% відповідно. Найбільш значного зниження (39,6%) можна досягти при зарядці в непикові години".
У країнах із дешевими тарифами на електроенергію для електромобілів рівняння змінюється.
"Вартість електроенергії в цей час значно дешевша, ніж при звичайних тарифах, відповідно вигода від використання власної сонячної електроенергії нижча", - говорить Райан Фішер, провідний аналітик BNEF із зарядки електромобілів.
Наприклад, у Великій Британії тариф компанії OVO Energy на зарядку EV у будь-який час становить 0,10 фунта стерлінгів (0,13 дол. США)/кВт-год. Це можна порівняти із середнім тарифом на електроенергію від GBP 0,35/кВт-год до GBP 0,40/кВт-год. Крім того, постачальник енергії обіцяє розраховувати найбільш екологічний час заряджання від мережі в межах, встановлених споживачем.
"Якщо ми візьмемо в середньому 3 МВт-год на рік і припустимо, що цього можна уникнути за рахунок використання домашньої сонячної енергії, і що немає жодних втрат, то це вимагає значної частини річного виробництва сонячної енергії для сонячної системи потужністю 5 кВт, за оцінками , близько 4,5 МВт-год на рік", - каже Фішер із BNEF. "Таким чином, економія складе лише 300 фунтів стерлінгів на рік або 3000 фунтів стерлінгів за десять років. Установка побутової акумуляторної системи обійдеться приблизно в 10 000 фунтів стерлінгів".
Однак є й інші причини, через які домовласники можуть захотіти встановити побутові акумуляторні системи.
Деякі люди хочуть мати резервне харчування, інші готові доплачувати, щоби споживати власну сонячну енергію. Також може застосовуватися метод підсумовування доходів. Використання дешевої сонячної енергії для заряджання електромобілів може доповнити використання сонячної енергії від акумуляторів у періоди пікових цін на електроенергію. Якщо додати до цього виплати за приєднання до віртуальних електростанцій (VPP) - наприклад, 2 дол. за кВт-год, які виплачуються членам каліфорнійської VPP компанії Tesla, то можна добре заощадити на рахунках.
У 2021 році університет Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen провів дослідження 8000 домогосподарств у Баден-Вюртемберг (південно-західна Німеччина). Результати показали, що 30-35% будинків мають сонячні батареї, стаціонарний акумулятор та електромобіль. З того часу високі ціни на електроенергію, зростання кількості електромобілів та тенденція до встановлення акумуляторів поряд із сонячними батареями, ймовірно, призвели до збільшення цього показника.
Анонси продуктів відбивають цю тенденцію. У липні компанія Tesla додала у свою програму Powerwall функцію "зарядка від сонячної батареї", що дозволяє власникам автоматично заряджати EV від сонячної батареї.
Однак більшість систем керування зарядкою EV не можуть безпосередньо взаємодіяти зі стаціонарними батареями. З іншого боку, виробники сонячних інверторів, такі як SolarEdge, Fronius, Growatt, SMA та Sungrow, а також постачальники акумуляторів, включаючи Sonnen, Senec та Solarwatt, пропонують платформи, що розпізнають домашні акумулятори в парі з фотоелектричними та власними зарядами.
У міру подальшої електрифікації домогосподарств інтеграція всіх кінцевих пристроїв енергопостачання, можливо, стане галузевим стандартом. Враховуючи важливість сумісності, вигідніше купувати пристрої одного виробника, оскільки різні додатки та неузгоджене обладнання можуть ускладнити їхню експлуатацію.
"З часом компанії, ймовірно, знайдуть способи інтеграції більшої кількості силової електроніки для сонячних батарей, побутових акумуляторів та зарядних пристроїв для електромобілів, що може допомогти в економічному обґрунтуванні", - каже Фішер із BNEF.
Враховуючи ємність більшості домашніх акумуляторів та акумуляторів EV, здається дивним використовувати стаціонарні пристрої, що мають в середньому в п'ять разів меншу ємність для зарядки акумуляторів в автомобілях.
"Домашня батарея не знає, чи віддає вона енергію іншій батареї або пральній машині", - каже Гаутам Рам, доцент кафедри електромобілів Делфтського технологічного університету (TU Delft). "Доки вона видає таку ж кількість енергії і потужності і таку ж кількість циклів і глибину розряду, старіння буде однаковим. У той же час, купуючи батарею, слід розуміти, що в процесі експлуатації вона деградуватиме і це нормально". Однак, оскільки електромобілі та теплові насоси є гнучкими навантаженнями, розумніше використовувати домашню батарею для менш гнучких навантажень та зменшити старіння цієї батареї за рахунок інтелектуального керування живленням”.
Деякі побутові акумулятори, які пропонуються сьогодні, забезпечують близько 10 000 циклів зарядки протягом 10-річного гарантійного терміну. У середньому EV проїжджає близько 40 км на день, що відповідає 7 кВт-год енергії зарядки і менше, ніж може нагромадити велика домашня батарея в сонячний день.
"Припустимо, що зарядка EV додає 50% повного циклу на день для системи ємністю 14 кВт-год у літній період. За рік це складе близько 100 повних циклів, а якщо додати до цього циклів для дому, то вийде 200 повних циклів", - пояснює Ян Фіггенер, керівник відділу мережної інтеграції та аналізу систем зберігання у RWTH Aachen. "Навіть якщо замість 200 циклів на рік буде досягнуто 300, то 3000 повних циклів протягом 10 років все одно значно нижчі від більшості гарантійних умов. У більшості випадків усі цикли, зазначені в гарантії, не використовуються, оскільки термін служби виробу визначає календарне старіння. Батареї старіють навіть у неробочому стані, так само як і люди старіють під час сну.
Обмеження також не пов'язане із фотоелектричною системою. Але чим вона більша, тим ефективніше самоспоживання. Типової системи потужністю 10 кВт може бути достатньо зарядки як EV, так і домашніх накопичувачів.
Різні навантаження
"Великий будинок може споживати близько 5 кВтг за ніч, а EV - 7 кВт-год для середньостатистичної щоденної поїздки, що в сумі складе 12 кВт-год. У сонячний день для вироблення цієї енергії потрібно всього кілька годин", - каже Фіггенер. "Ефективність зарядки EV залежить від силової електроніки, яка показує високу ефективність при високій потужності та низьку ефективність при низькій потужності. Тут виникає конфлікт між енергоспоживанням EV та вдома".
Для зарядки EV потрібна більш висока потужність – у кіловатах. Проте споживання будинку зазвичай становить близько кількох сотень ват за ніч. Якщо заряджати EV тільки від стаціонарної батареї, то потрібний великий інвертор, що призведе до великих втрат при покритті споживання електроенергії в будинку.
"Найкращим варіантом буде зарядка EV безпосередньо від фотоелектричної системи, причому лише один-два рази на тиждень", - каже Фіггенер. "Велика потужність фотоелектричної системи відповідає потребі EV і можна уникнути втрат ефективності домашньої системи зберігання енергії".
У такому випадку домашній акумулятор може бути меншим і використовуватиметься тільки як резерв для зарядки EV, його основне призначення все одно полягатиме в забезпеченні споживання енергії в будинку.
Існують і інші способи узгодити взаємодію сонячних батарей та електромобілів. На думку Гаутама Рама з Технічного університету Делфта (TU Delft), оптимальним способом підвищення ефективності є інтеграція всього за постійного струму (DC) з використанням лише одного інвертора. У такій конфігурації енергія надходить від сонячної батареї до домашнього акумулятора і її не потрібно перетворювати на змінний струм, а потім назад у постійний для заряджання акумулятора електромобіля.
З'єднання постійного струму може підвищити ефективність перетворення енергії на 5-10% залежно від рівня потужності. У такій конфігурації потрібен лише один інвертор, замість трьох, що значно знижує капітальні витрати на всю систему. Однак також необхідно подумати про двонаправлену зарядку, яка може компенсувати інвестиції в додатковий акумулятор і забезпечити той самий або навіть більший економічний виграш.