Možnosti spolupráce fotovoltaiky a systémů tepelného hospodaření budov

Příspěvek analyzuje základní fyzikální charakteristiky fotovoltaických zdrojů energie ve vztahu k systémům elektrických tepelných čerpadel jako hlavních zdrojů tepelného hospodaření budov (vytápění, příprava teplé vody a chlazení). 

Následně představuje některé moderní varianty technologických a technických řešení, která umožňují zvýšit podíl využívání elektrické energie na pokrývání vlastní spotřeby v tepelném hospodaření budov.

Zvyšování požadavků na energetickou hospodárnost budov, které se nejnověji promítlo v ještě větší míře i do „zimního balíčku“ návrhů energetických směrnic Evropské komise [1], přináší s sebou stále větší nároky na spolupráci systémů stavební fyziky a technologického vybavení staveb. Při výpočtech a návrhu vhodných opatření na dosažení požadované spotřeby primární energie staveb už v podstatě není možné obejít využití sluneční energie, a to nejen pasivním způsobem (solární zisky vyplývající z orientace budovy k slunci a z podílu jejích prosklených ploch), ale i aktivní – v podobě vlastního zdroje elektřiny v případě fotovoltaických systémů a zdroje tepla v případě fototermiky. Navzdory tomu jsou ve využití sluneční energie s cílem snížit spotřebu primární energie budov ještě stále velké rezervy, hlavně v oblasti fotovoltaiky.

V souvislosti s různými schématy státní podpory, která vedla k masivnímu nárůstu instalací, a taktéž vlivem globálního trhu a intenzivních investic do vývoje se v průběhu uplynulé dekády podařilo výrazně snížit investiční náklady do fotovoltaických technologických prvků, přičemž se zároveň zlepšily jejich technologické vlastnosti – hlavně bezpečnost, účinnost, kompatibilita a technická životnost. Zároveň se celosvětově mění účel fotovoltaiky. Od dodávky celého vyrobeného množství elektřiny přímo do distribuční sítě za prémiové výkupní ceny se přechází k využití fotovoltaiky na pokrytí vlastní spotřeby budov, čímž se šetří náklady na odběr elektřiny ze sítě.

Pokročilé poznatky o fungování fotovoltaických zdrojů a jejich současná vysoká technologická úroveň umožňují, aby tyto zdroje výrazně účinnějším způsobem spolupracovaly s ostatními částmi energetického technologického vybavení staveb, a to hlavně s těmi, které zpravidla spotřebovávají nejvíce energie, čili se systémy na vytápění, přípravu teplé vody (TV) a chlazení. Dále podrobněji popíšeme některé moderní technologické možnosti spolupráce fotovoltaiky a těchto energetických systémů v budovách.

Cílem příspěvku je ukázat, že fotovoltaické systémy lze jako vlastní zdroje energie integrovat efektivním způsobem do budov tak, aby spolupracovaly s ostatními částmi energetického vybavení staveb, čímž se dosáhne vyššího stupně využití sluneční energie a zlepší se tak ukazatel spotřeby primární energie. Předpokladem pro tyto úvahy je využití efektivních vytápěcích systémů, které na výrobu tepla na vytápění, přípravu TV a chlazení využívají elektrickou energii. Těmi jsou v současnosti především elektrická tepelná čerpadla typu vzduch – voda, voda – voda nebo země – voda. Další úvahy obsažené v tomto příspěvku budou proto analyzovat spolupráci právě s těmito zdroji tepla jako základem tepelného hospodaření budov.

Fotovoltaika a systémy tepelného hospodaření

Základní zapojení fotovoltaiky

Fotovoltaické systémy, které mají dodávat elektřinu primárně na pokrytí vlastní spotřeby budov, vyžadují, aby byl výkon ze soustavy fotovoltaických panelů a měničů DC/AC vyveden přes ochranné prvky do elektroinstalace budovy. Místem vyvedení výkonu je zpravidla hlavní rozvaděč vlastní spotřeby. Elektřina z takto zapojeného fotovoltaického zdroje se bude spotřebovávat v místě spotřeby, je-li v době dodávky výkonu aktuální zároveň i odběr elektřiny v místech spotřeby.

V případě, že výkon z fotovoltaického zdroje přesáhne požadavek spotřebičů na odběr elektřiny, přebytek energie se dodá do distribuční soustavy, což není úplně žádoucí stav, protože ekonomická hodnota takto dodané energie je výrazně nižší než v případě, kdy se tato energie spotřebuje v budově. Je třeba dodat, že většina moderních fotovoltaických měničů umožňuje na základě měření aktuálního odběru elektřiny v hlavním rozvaděči vlastní spotřeby regulaci výstupního výkonu měniče tak, aby se do distribuční soustavy dodalo minimální množství přebytků.

Fyzikální charakteristiky – diagram výroby a spotřeby

Jak vyplývá z uvedeného, pro efektivní integraci fotovoltaických systémů v budovách je klíčové sladit výrobu elektřiny a odběr hlavně v energetickém technologickém vybavení stavby tak, aby se maximalizovalo využití vyrobené energie ze slunečního záření. Nutným předpokladem pro správný návrh těchto systémů je proto v prvé řadě znalost energetického profilu odběru energie, tzv. odběrového diagramu, a to až na úroveň jednotlivých míst spotřeby. Na obr. 1 je zobrazen nesoulad mezi výrobou energie ve fotovoltaice a její spotřebou v běžné domácnosti. Příklad struktury profilu na úrovni míst spotřeby je uveden na obr. 2.

Obr. 1 Porovnání výrobního a odběrového diagramu elektřiny v běžné domácnosti (zdroj: www.sma.de)

Je třeba přitom vzít v úvahu několik skutečností, které mají významný vliv na stupeň využití fotovoltaiky. V prvé řadě jde o to, že fotovoltaické zdroje generují v našich klimatických podmínkách ve vytápěcím období (tj. v měsících říjnu až dubnu) jen přibližně pětatřicet procent celoročního energetického zisku. Tato skutečnost je výsledkem nižšího počtu hodin svítivosti v daném období a zároveň celkově nižšího výkonu slunečního záření z důvodu suboptimálního úhlu dopadu fotonů na skloněnou plochu fotovoltaických panelů při fotovoltaické přeměně energie na elektřinu. Dále platí, že při jasné obloze během zimního dne vytápěcího období, kdy fotovoltaické panely dosahují nejvyšších výkonů, je zároveň potřeba tepla na vytápění vnitřních prostorů budov relativně nízká, a to díky tomu, že se využívají pasivní solární zisky. Z toho vyplývá, že na snižování spotřeby energie při vytápění nejsou fotovoltaické zdroje nejvhodnější.

Obr. 2 Profil odběru elektřiny v běžné domácnosti (zdroj: www.ovoenergy.com)

V případě přípravy TV a chlazení se naopak dosahuje vyššího souladu odběrového a výrobního diagramu. V případě přípravy TV v budovách, kde je hlavním zdrojem tepla elektrické tepelné čerpadlo, se na přípravu TV využívají akumulační zásobníky, ve kterých se připravuje TV pro dobu její nejvyšší spotřeby. Toto předehřívání má největší energetický smysl hlavně během denních hodin, kdy je požadavek na vytápěcí výkon tepelného čerpadla zpravidla nejnižší, tepelné čerpadlo se proto dá využít k přípravě TV.

V případě chlazení vnitřních prostorů budov, které je u tepelných čerpadel už často reverzibilní funkcí vytápění, přirozeně platí, že chladicí výkon se vyžaduje v budově hlavně během léta, kdy fotovoltaika produkuje obvykle přebytky energie, a speciálně během dnů s vysokým podílem slunečního záření. Odběr energie na chlazení tak přirozeně koreluje s výrobou energie ve fotovoltaice.

Technologické možnosti spolupráce

Jak je zřejmé z uvedených fyzikálních energetických vztahů fotovoltaiky a systémů tepelného hospodaření na bázi elektrických tepelných čerpadel, fotovoltaika dokáže přirozeně spolupracovat s tepelnými čerpadly především při přípravě TV a chlazení. V případě vytápění existuje významný nesoulad v odběrovém a výrobním diagramu. Moderní technologie a technická řešení však umožňují významně zvýšit míru spolupráce fotovoltaiky a systémů tepelného hospodaření ve všech místech spotřeby, čímž se dosáhne vyššího využití přebytků elektrické energie z fotovoltaiky a zlepšení energetické hospodárnosti budovy. Tyto technologie a technická řešení lze rozdělit na systémy měření a regulace (MaR) a na technologie využívající energetické úložištní systémy.

Měření, predikce a inteligentní regulace

Systémy MaR v systémech fotovoltaické výroby elektřiny měří aktuální výkon na výstupu z fotovoltaického měniče a porovnávají ho s aktuální spotřebou energie (tj. příkonem) v hlavním rozvaděči vlastní spotřeby. Používají se při tom certifikované jednofázové nebo třífázové elektroměry s otevřeným komunikačním rozhraním, které umožňují zasílat naměřené údaje do počítače (logické jednotky systému MaR) v reálném čase. Logická jednotka vyhodnocuje naměřené údaje a na základě toho může uskutečnit jednu z následujících operací.

• Systému fotovoltaiky zašle pokyn ve formě požadavku na změnu výstupního AC výkonu z fotovoltaického měniče, tj. výkonu, který „teče“ do vlastní spotřeby budovy, a zároveň na změnu DC výkonu nabíjení baterií, pokud s nimi měnič spolupracuje. Změna výkonu se uskutečňuje prakticky zvýšením nebo snížením výstupního napětí na svorkách měniče, resp. regulátoru nabíjení baterií.
• Zašle pokyn systému automatizovaného řízení určitých vybraných spotřebičů, které tím buď vypne, nebo zapne, nebo změní jejich výkon. 

V obou případech jde o koncepci tzv. „smart gridu“, tj. inteligentního řízení sítě. V případě současných fotovoltaických systémů už téměř každý celosvětově etablovaný výrobce fotovoltaických měničů nabízí produkty do rezidenčních a komerčních aplikací, které jsou připraveny na tento typ řízení. Tyto měniče jsou schopny komunikovat se systémy MaR nebo SCADA a dokážou dynamicky přizpůsobovat svoje elektrické charakteristiky požadavkům sítě. V některých zemích západní Evropy dokonce platí, že fotovoltaické měniče od určitého nominálního výkonu musejí být schopny regulovat i svůj účiník, tj. podíl jalového výkonu.

Při automatizovaném řízení spotřebičů se regulace může dít v hlavním rozvaděči vlastní spotřeby, v němž jsou typicky instalované stykače ovládané z logické jednotky MaR, sloužící ke spínání a vypínání napájení vybraných elektrických spotřebičů (například elektrická spirála v akumulačním zásobníku TV). Logická jednotka MaR však může posílat signály k zapnutí, vypnutí a změnu výkonu i přímo jednotlivým spotřebičům. Některé typy tepelných čerpadel (i s nižšími výkony) už v současnosti umožňují komunikaci s nadřazeným systémem MaR, jímž je lze nejen vzdáleně měřit, monitorovat a diagnostikovat, ale i řídit.

V případě naměřeného přebytku energie na výstupu z fotovoltaiky, který nelze spotřebovat při aktuálním odběru v místech spotřeby tepelného hospodaření, tak MaR dokáže zapnout tepelné čerpadlo na přípravu TV i mimo jeho nastavený harmonogram a využít tak přebytečnou energii na předohřev TV v akumulačním zásobníku. Při bivalentním ohřevu vody (tj. pomocí elektrických záložních spirál) lze místo standardních spirál s funkcí ON/OFF instalovat spirály s vlastností dynamické regulace pomocí triakového regulátoru výkonu.

Z hlediska spolupráce se systémy tepelného hospodaření budov je zajímavé doplnit systém MaR i o regulaci pomocí predikce počasí. O fotovoltaice se sice píše jako o nestabilním, resp. variabilním obnovitelném zdroji energie, současná úroveň modelů na predikci výkonu z fotovoltaických zdrojů je však už natolik vysoká, že umožňuje velmi přesně předpovídat výkon slunečního záření ve specifické lokalitě [2]. Tyto modelové predikce pracují s meteo-údaji naměřenými v reálném čase a lze je integrovat i do systémů MaR tak, aby bylo pomocí nich možné odložit spuštění časově nastavitelných funkcí tepelného hospodaření (hlavně přípravu TV a chlazení) do doby, kdy se dá očekávat vyšší výkon z fotovoltaického zdroje.

Energetické úložištní systémy

Při řízení přebytků z fotovoltaických zdrojů se v současnosti už běžně využívají technologická řešení energetických úložišť, a to především v bateriích. Tato řešení jsou zpravidla investičně náročnější, avšak kromě některých omezení přinášejí více významných výhod. Bateriová úložiště umožňují skladovat přebytky energie vyprodukované ve fotovoltaickém systému tak, aby se tyto přebytky daly využít v době, kdy vlastní spotřeba energie převýší aktuální výkon na fotovoltaickém zdroji. Předpokladem účinného řízení přebytků je výše uvedený systém MaR. Ten měří pomocí elektroměrů aktuální energetickou bilanci a zasílá údaje fotovoltaickému měniči, upravujícímu poměr výstupního AC výkonu a DC výkonu, jímž se nabíjejí baterie.

Při instalaci energetických úložišť je třeba dbát hlavně na vhodnou technologii bateriových článků a na správné a efektivní dimenzování jejich kapacity. Technologicky už v současnosti lze říci, že tradiční solární baterie na bázi olova (tj. typu OPzS, OPzV a AGM) začínají pomalu, ale jistě překonávat lithiové iontové baterie, z nichž jsou nejpoužívanější LiFePO4.

Lithiové baterie jsou sice dražší, oproti tradičním olověným bateriím mají však několik významných výhod, které spočívají především v několikanásobně delší životnosti, účinnosti vybíjení a nabíjení a hlavně ve vztahu kapacity a konečného napětí [3]. U fotovoltaických systémů instalovaných s cílem maximalizace využití vyrobené energie se proto technologie lithiových iontových baterií stává takříkajíc odvětvovým standardem. Navíc se dá aktuální kapacita lithiových baterií poměrně přesně získat jako výstupní údaj z bateriových řídicích systémů, které usměrňují tok proudu do jednotlivých lithiových článků a z nich.

Co se týče dimenzování kapacity baterie, to závisí na správné analýze předpokládaného nebo i skutečně zjištěného odběrového diagramu v místech spotřeby ve vztahu k simulaci výroby ve fotovoltaickém zdroji. Optimální dimenzování znamená dosáhnout nejlepšího poměru investičních nákladů a podílu skutečného využití energie vyprodukované ve fotovoltaickém zdroji.

Závěr

Při uvažování o využití fotovoltaiky v budovách si musíme vždy uvědomit její základní fyzikální charakteristiky, z nichž hlavní je variabilita výkonu, a to nejen během čtyřiadvacetihodinového dne, ale i z hlediska sezonních odchylek závislých na daných klimatických podmínkách.

Výše uvedená analýza představuje koncepce a moderní technologická a technická řešení, díky nimž lze fotovoltaiku efektivně využívat i ve spolupráci se systémy tepelného hospodaření budov jako největších míst spotřeby energie. S vyšším podílem využití fotovoltaiky se proto buduje předpoklad dosahování vysokých úrovní energetické hospodárnosti budov.

Ing. Ján Karaba, MSc.
Autor působí ve Slovenské asociaci fotovoltaického průmyslu a OZE (SAPI).

Literatura
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 versus AGM. Dostupné na: https://www.victronenergy.com/blog/2015/03/30/batteřies-lithium-ion-vs-agm/.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2017.