Možnosti spolupráce fotovoltiky a systémov tepelného hospodárstva budov

Vyšší podiel využitia fotovoltiky vytvára predpoklad dosahovania vysokých úrovní energetickej hospodárnosti budov. Významným faktorom pri snahe o zvyšovanie energetickej hospodárnosti budov je schopnosť integrovať moderné technológie na výrobu energie do celkovej koncepcie energetického technologického vybavenia budov. 

Príspevok analyzuje základné fyzikálne charakteristiky fotovoltických zdrojov energie vo vzťahu k systémom elektrických tepelných čerpadiel ako hlavných zdrojov tepelného hospodárstva budov (vykurovanie, príprava teplej vody a chladenie). Následne predstavuje viaceré moderné varianty technologických a technických riešení, ktoré umožňujú zvýšiť podiel využívania elektrickej energie na pokrývanie vlastnej spotreby v tepelnom hospodárstve budov.

Zvyšovanie požiadaviek na energetickú hospodárnosť budov, ktoré sa najnovšie premietlo v ešte väčšej miere aj do „zimného balíčka“ návrhov energetických smerníc Európskej komisie [1], prináša so sebou čoraz väčšie nároky na spoluprácu systémov stavebnej fyziky a technologického vybavenia stavieb. Pri výpočtoch a návrhu vhodných opatrení na dosiahnutie požadovanej spotreby primárnej energie stavieb už v podstate nie je možné obísť využitie slnečnej energie, a to nielen pasívnym spôsobom (solárne zisky vyplývajúce z orientácie budovy k slnku a z podielu jej presklených plôch), ale aj aktívne – v podobe vlastného zdroja elektriny v prípade fotovoltických panelov a zdroja tepla v prípade fototermiky. Napriek tomu sú vo využití slnečnej energie s cieľom znížiť spotrebu primárnej energie budov ešte stále veľké rezervy, najmä v oblasti fotovoltiky.

V súvislosti s rôznymi schémami štátnej podpory, ktorá viedla k masívnemu nárastu inštalácií, a takisto aj vplyvom globálneho trhu a intenzívnych investícii do vývoja sa v priebehu uplynulej dekády podarilo výrazne znížiť investičné náklady do fotovoltických technologických prvkov, pričom sa zároveň zlepšili ich technologické vlastnosti – najmä bezpečnosť, účinnosť, kompatibilita a technická životnosť. Zároveň sa celosvetovo mení účel fotovoltiky. Od dodávky celého vyrobeného množstva elektriny priamo do distribučnej siete za prémiové výkupné ceny sa prechádza na využitie fotovoltiky na pokrytie vlastnej spotreby budov, čím sa šetria náklady na odber elektriny zo siete.

Fotovoltické systémy možno integrovať efektívnym spôsobom do budov tak, aby spolupracovali  s ostatnými časťami energetického vybavenia.

Pokročilé poznatky o fungovaní fotovoltických zdrojov a ich súčasná vysoká technologická úroveň umožňujú, aby tieto zdroje výrazne účinnejším spôsobom spolupracovali s ostatnými časťami energetického technologického vybavenia stavieb, a to najmä s tými, ktoré spravidla spotrebúvajú najviac energie, čiže so systémami na vykurovanie, prípravu teplej vody (TV) a chladenie. Ďalej podrobnejšie opíšeme viaceré moderné technologické možnosti spolupráce fotovoltiky a týchto energetických systémov v budovách.

Cieľom príspevku je ukázať, že fotovoltické systémy možno ako vlastné zdroje energie integrovať efektívnym spôsobom do budov tak, aby spolupracovali s ostatnými časťami energetického vybavenia stavieb, čím sa dosiahne vyšší stupeň využitia slnečnej energie a zlepší sa tak ukazovateľ spotreby primárnej energie. Predpokladom na tieto úvahy je využitie efektívnych vykurovacích systémov, ktoré na výrobu tepla na vykurovanie, prípravu TV a chladenie využívajú elektrickú energiu. Takými sú v súčasnosti najmä elektrické tepelné čerpadlá typu vzduch – voda, voda – voda alebo zem – voda. Ďalšie úvahy obsiahnuté v tomto príspevku budú preto analyzovať spoluprácu práve s týmito zdrojmi tepla ako základom tepelného hospodárstva budov.

Fotovoltika a systémy tepelného hospodárstva

Základné zapojenie fotovoltiky

Fotovoltické systémy, ktoré majú dodávať elektrinu primárne na pokrytie vlastnej spotreby budov, si vyžadujú, aby bol výkon zo sústavy fotovoltických panelov a meničov DC/AC vyvedený cez ochranné prvky do elektroinštalácie budovy. Miestom vyvedenia výkonu je spravidla hlavný rozvádzač vlastnej spotreby. Elektrina z takto zapojeného fotovoltického zdroja sa bude spotrebúvať v mieste spotreby, ak je v čase dodávky výkonu aktuálny zároveň aj odber elektriny v miestach spotreby.

V prípade, že výkon z fotovoltického zdroja presiahne požiadavku spotrebičov na odber elektriny, prebytok energie sa dodá do distribučnej sústavy, čo nie je úplne žiaduci stav, keďže ekonomická hodnota takto dodanej energie je výrazne nižšia ako v prípade, keď sa táto energia spotrebuje v budove. Treba dodať, že väčšina moderných fotovoltických meničov umožňuje na základe merania aktuálneho odberu elektriny v hlavnom rozvádzači vlastnej spotreby reguláciu výstupného výkonu meniča tak, aby sa do distribučnej sústavy dodalo minimálne množstvo prebytkov.

Fyzikálne charakteristiky – diagram výroby a spotreby

Ako vyplýva z uvedeného, na efektívnu integráciu fotovoltických systémov v budovách je kľúčové zosúladiť výrobu elektriny a odber najmä v energetickom technologickom vybavení stavby tak, aby sa maximalizovalo využitie vyrobenej energie zo slnečného žiarenia. Nevyhnutným predpokladom na správny návrh takýchto systémov je preto v prvom rade znalosť energetického profilu odberu energie, tzv. odberového diagramu, a to až na úroveň jednotlivých miest spotreby. Na obr. 1 je zobrazený nesúlad medzi výrobou energie vo fotovoltike a jej spotrebou v bežnej domácnosti. Príklad štruktúry profilu na úrovni miest spotreby je uvedený na obr. 2.

Obr. 1 Porovnanie výrobného a odberového diagramu elektriny v bežnej domácnosti (zdroj: www.sma.de)

Treba pritom vziať do úvahy niekoľko skutočností, ktoré majú významný vplyv na stupeň využitia fotovoltiky. V prvom rade ide o to, že fotovoltické zdroje generujú v našich klimatických podmienkach vo vykurovacom období (t. j. v mesiacoch október až apríl) len približne 35 % celoročného energetického zisku. Táto skutočnosť je výsledkom nižšieho počtu hodín svietivosti v danom období a zároveň celkovo nižšieho výkonu slnečného žiarenia z dôvodu suboptimálneho uhla dopadu fotónov na sklonenú plochu fotovoltických panelov pri fotovoltickej premene energie na elektrinu.

Ďalej platí, že pri jasnej oblohe počas zimného dňa vykurovacieho obdobia, keď fotovoltické panely dosahujú najvyššie výkony, je zároveň potreba tepla na vykurovanie vnútorných priestorov budov relatívne nízka, a to vďaka tomu, že sa využívajú pasívne solárne zisky. Z toho vyplýva, že na znižovanie spotreby energie pri vykurovaní nie sú fotovoltické zdroje najvhodnejšie.

Obr. 2 Profil odberu elektriny v bežnej domácnosti (zdroj: www.ovoenergy.com)

V prípade prípravy TV a chladenia sa, naopak, dosahuje vyšší súlad odberového a výrobného diagramu. V prípade prípravy TV v budovách, kde je hlavným zdrojom tepla elektrické tepelné čerpadlo, sa na prípravu TV využívajú akumulačné zásobníky, v ktorých sa pripravuje TV pre čas jej najvyššej spotreby. Takéto predhrievanie má najväčší energetický zmysel najmä počas denných hodín, keď je požiadavka na vykurovací výkon tepelného čerpadla spravidla najnižšia, tepelné čerpadlo sa preto dá využiť na prípravu TV.

V prípade chladenia vnútorných priestorov budov, ktoré je pri tepelných čerpadlách už často reverzibilnou funkciou vykurovania, prirodzene platí, že chladiaci výkon sa vyžaduje v budove najmä počas leta, keď fotovoltika produkuje zvyčajne prebytky energie, a osobitne počas dní s vysokým podielom slnečného žiarenia. Odber energie na chladenie tak prirodzene koreluje s výrobou energie vo fotovoltike.

Technologické možnosti spolupráce

Ako je zrejmé z uvedených fyzikálnych energetických vzťahov fotovoltiky a systémov tepelného hospodárstva na báze elektrických tepelných čerpadiel, fotovoltika dokáže prirodzene spolupracovať s tepelnými čerpadlami najmä pri príprave TV a chladení. V prípade vykurovania existuje významný nesúlad v odberovom a výrobnom diagrame.

Moderné technológie a technické riešenia však umožňujú významne zvýšiť mieru spolupráce fotovoltiky a systémov tepelného hospodárstva vo všetkých miestach spotreby, čím sa dosiahne vyššie využitie prebytkov elektrickej energie z fotovoltiky a zlepšenie energetickej hospodárnosti budovy. Tieto technológie a technické riešenia možno rozdeliť na systémy merania a regulácie (MaR) a na technológie využívajúce energetické úložiskové systémy.

Meranie, predikcia a inteligentná regulácia

Systémy MaR v systémoch fotovoltickej výroby elektriny merajú aktuálny výkon na výstupe z fotovoltického meniča a porovnávajú ho s aktuálnou spotrebou energie (t. j. príkonom) v hlavnom rozvádzači vlastnej spotreby. Používajú sa pri tom certifikované 1- alebo 3-fázové elektromery s otvoreným komunikačným rozhraním, ktoré umožňujú zasielať namerané údaje do počítača (logickej jednotky systému MaR) v reálnom čase. Logická jednotka vyhodnocuje namerané údaje a na základe toho môže uskutočniť jednu z nasledujúcich operácií:

• Systému fotovoltiky zašle pokyn vo forme požiadavky na zmenu výstupného AC výkonu z fotovoltického meniča, t. j. výkonu, ktorý „tečie“ do vlastnej spotreby budovy, a zároveň na zmenu DC výkonu nabíjania batérií, ak s nimi menič spolupracuje. Zmena výkonu sa uskutočňuje prakticky zvýšením alebo znížením výstupného napätia na svorkách meniča, resp. regulátora nabíjania batérií.
• Zašle pokyn systému automatizovaného riadenia určitých vybraných spotrebičov, ktoré tým buď vypne, alebo zapne, alebo zmení ich výkon.

V oboch prípadoch ide o koncepciu tzv. smart gridu, t. j. inteligentného riadenia siete. V prípade súčasných fotovoltických systémov už takmer každý celosvetovo etablovaný výrobca fotovoltických meničov ponúka produkty do rezidenčných a komerčných aplikácií, ktoré sú pripravené na takýto typ riadenia. Tieto meniče sú schopné komunikovať so systémami MaR alebo SCADA a dokážu dynamicky prispôsobovať svoje elektrické charakteristiky požiadavkám siete. Vo viacerých krajinách západnej Európy dokonca platí, že fotovoltické meniče od určitého nominálneho výkonu musia byť schopné regulovať aj svoj účinník, t. j. podiel jalového výkonu.

Pri automatizovanom riadení spotrebičov sa regulácia môže diať v hlavnom rozvádzači vlastnej spotreby, v ktorom sú typicky nainštalované stykače ovládané z logickej jednotky MaR, slúžiace na spínanie a vypínanie napájania vybraných elektrických spotrebičov (napríklad elektrická špirála v akumulačnom zásobníku TV). Logická jednotka MaR však môže posielať signály na zapnutie, vypnutie a zmenu výkonu aj priamo jednotlivým spotrebičom. Viaceré typy tepelných čerpadiel (aj s nižšími výkonmi) už v súčasnosti umožňujú komunikáciu s nadradeným systémom MaR, cez ktorý ich možno nielen vzdialene merať, monitorovať a diagnostikovať, ale aj riadiť.

V prípade nameraného prebytku energie na výstupe z fotovoltiky, ktorý nemožno spotrebovať pri aktuálnom odbere v miestach spotreby tepelného hospodárstva, tak MaR dokáže zapnúť tepelné čerpadlo na prípravu TV aj mimo jeho nastaveného harmonogramu a využiť tak prebytočnú energiu na pred-ohrev TV v akumulačnom zásobníku. Pri bivalentom ohreve vody (t. j. pomocou elektrických záložných špirál) možno namiesto štandardných špirál s funkciou ON/OFF inštalovať špirály s vlastnosťou dynamickej regulácie pomocou triakového regulátora výkonu.

Z hľadiska spolupráce so systémami tepelného hospodárstva budov je zaujímavé doplniť systém MaR aj o reguláciu pomocou predikcie počasia. O fotovoltike sa síce píše ako o nestabilnom, resp. variabilnom obnoviteľnom zdroji energie, súčasná úroveň modelov na predikciu výkonu z fotovoltických zdrojov je však už natoľko vysoká, že umožňuje veľmi presne predpovedať výkon slnečného žiarenia v špecifickej lokalite [2]. Tieto modelové predikcie pracujú s meteo-údajmi nameranými v reálnom čase a možno ich integrovať aj do systémov MaR tak, aby bolo pomocou nich možné odložiť spustenie časovo nastaviteľných funkcií tepelného hospodárstva (najmä prípravu TV a chladenie) do času, keď sa dá očakávať vyšší výkon z fotovoltického zdroja.

Energetické úložiskové systémy

Pri riadení prebytkov z fotovoltických zdrojov sa v súčasnosti už bežne využívajú technologické riešenia energetických úložísk, a to najmä v batériách. Tieto riešenia sú spravidla investične náročnejšie, no okrem niektorých obmedzení prinášajú viaceré významné výhody. Batériové úložiská umožňujú skladovať prebytky energie vyprodukovanej vo fotovoltickom systéme tak, aby sa tieto prebytky dali využiť v čase, keď vlastná spotreba energie prevýši aktuálny výkon na fotovoltickom zdroji.

Predpokladom účinného riadenia prebytkov je vyššie uvedený systém MaR. Ten meria pomocou elektromerov aktuálnu energetickú bilanciu a zasiela údaje fotovoltickému meniču, upravujúcemu pomer výstupného AC výkonu a DC výkonu, ktorým sa nabíjajú batérie.

Pri inštalácii energetických úložísk treba dbať najmä na vhodnú technológiu batériových článkov a na správne a efektívne dimenzovanie ich kapacity. Technologicky už v súčasnosti možno povedať, že tradičné solárne batérie na báze olova (t. j. typu OPzS, OPzV a AGM) začínajú pomaly, ale isto prekonávať lítiové iónové batérie, z ktorých sú najpoužívanejšie LiFePO4. Lítiové batérie sú síce drahšie, oproti tradičným oloveným batériám majú však niekoľko významných výhod, ktoré spočívajú najmä v niekoľkonásobne dlhšej životnosti, účinnosti vybíjania a nabíjania a najmä vo vzťahu kapacity a konečného napätia [3].

Pri fotovoltických systémoch inštalovaných s cieľom maximalizácie využitia vyrobenej energie sa preto technológia lítiových iónových batériIí stáva takpovediac odvetvovým štandardom. Navyše, aktuálna kapacita lítiových batérií sa dá pomerne presne získať ako výstupný údaj z batériových riadiacich systémov, ktoré usmerňujú tok prúdu do jednotlivých lítiových článkov a z nich.

Čo sa týka dimenzovania kapacity batérie, to závisí od správnej analýzy predpokladaného alebo aj skutočne zisteného odberového diagramu v miestach spotreby vo vzťahu k simulácii výroby vo fotovoltickom zdroji. Optimálne dimenzovanie znamená dosiahnuť najlepší pomer investičných nákladov a podielu skutočného využitia energie vyprodukovanej vo fotovoltickom zdroji.

Záver

Pri uvažovaní o využití fotovoltiky v budovách si treba vždy uvedomiť jej základné fyzikálne charakteristiky, z ktorých hlavná je variabilita výkonu, a to nielen počas 24-hodinového dňa, ale aj z hľadiska sezónnych odchýlok závislých od daných klimatických podmienok.

Cieľom príspevku bolo predstaviť moderné technologické a technické riešenia, vďaka ktorým možno fotovoltiku využívať efektívne aj v spolupráci so systémami tepelného hospodárstva budov ako ich najväčšími miestami spotreby energie. Vyšší podiel využitia fotovoltiky v budovách umožní dosiahnuť ešte vyššie úrovne ich energetickej hospodárnosti.

Ing. Ján Karaba, MSc.
Autor pôsobí v Slovenskej asociácii fotovoltického priemyslu a OZE (SAPI).

Foto: isifa/Shutterstock

Literatúra
1. Commission proposes new rules for consumer centred clean energy transition. Dostupné na: http://ec.europa.eu/energy/en/news/commission-proposes-new-rules-consumer-centred-clean-energy-transition.
2. Keissl, J.: Solar Energy Forecasting and Resource Assessment. Academic Press, 2013.
3. Batteries: Lithium-ion vs AGM. Dostupné na: https://www.victronenergy.com/blog/2015/03/30/batteries-lithium-ion-vs-agm/

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 4/2017.