Samostatný ostrov v moři elektrické energie

Nové školicí centrum společnosti SMA ukazuje, že při použití novodobých technologií mohou dnes budovy fungovat i bez napojení na veřejnou rozvodnou síť. Budova SMA Solar Academy má kapacitu 500 osob a energií musejí být pokryty všechny běžné systémy a vybavení – vytápění, větrání, klimatizace, počítače, zázemí pro stravování a moderní prezentační technika. Díky technologii pro ostrovní (off-grid) systémy a inteligentní energetické koncepci jsou všechny energetické požadavky kryty vlastní výrobou a budova funguje soběstačně, bez dodávek elektrické energie z rozvodné sítě.

 Sněhově bílá hliníková fasáda září v poledním slunci a protáhlá silueta školicího střediska Solar Academy působí dojmem, jako by se vznášela nad zemí. Vedle vstupních dveří svítí údaj o aktuálním výkonu elektrické energie, kterou budovy právě vyrábějí – 83 kilowatt. Futuristická budova nečerpá elektrickou energii z veřejné rozvodné sítě – místo toho si veškerou energii, kterou potřebuje ke svému provozu, vyrábí sama. Výrobu a spotřebu elektrické energie v budově řídí střídače Sunny Island pro ostrovní systémy. Nové školicí středisko jako ostrov dokonce i tak trochu vypadá – stojí stranou od okolní zástavby a navíc na pilířích, neboť se nachází v záplavové oblasti řeky Fulda. Iluze ostrova tak v případě velké vody může být dokonalá… Budova v sobě spojuje moderní technologie a cílem při její stavbě bylo názorně ukázat návštěvníkům, jaké možnosti přináší střídače společnosti SMA.

Školicí centrumm je hojně využívané – ve čtyřech seminárních místnostech obvykle sedí kolem 120 účastníků, při větších přednáškových akcích se počítá s 500 osobami. Semináře se konají celoročně – při 30 °C v létě i na podzim, kdy je intenzita slunečního záření minimální. Výrazně tak kolísá nejen spotřeba elektrické energie, ale kolísavá je i výroba proudu z fotovoltaického (FV) systému. Samotná spotřeba elektrické energie této budovy odpovídá spotřebě 35 průměrných německých domácností. Vedle nezávislosti na veřejné rozvodné síti má budova Solar Academy splňovat ještě jeden ambiciózní cíl: energie zde využívaná má pocházet výhradně z obnovitelných zdrojů.

Ekologická a nízkoenergetická koncepce
Elektrická energie je získávána především z FV systémů – jeden je součástí jižní skleněné fasády a druhý je umístěn na střeše budovy. Při větší spotřebě nebo horším počasí lze k ostrovní síti navíc připojit také devět FV polohovacích systémů (trackerů), které jinak dodávají elektrickou energii do veřejné rozvodné sítě. Každý z těchto trackerů o velikosti přibližně 45 m² je jako obrovská slunečnice, jež nepřetržitě sleduje dráhu slunce, a tím zachycuje velké množství slunečního svitu. Šetrně k okolnímu prostředí je provozována také interní tepelná elektrárna, druhý zdroj elektrické energie pro budovu. Spalovací agregát vyrábí elektrický proud, přičemž je teplo, vznikající při výrobě elektřiny jako vedlejší produkt, využito k vytápění. Spojením výroby proudu a tepla v blízkosti místa spotřeby se zužitkuje až 90 procent energie paliva – přibližně dvakrát víc než v běžných elektrárnách. Navíc je jako palivo využíván i bioplyn – obnovitelný zdroj energie.

Základní parametry budovy užitná plocha budovy: 1 400 m2 výkon FV systému: 151 kWp (31,7 kWp fasáda/58,7 kWp střecha/60,75 kWp trackery) jmenovitý výkon ostrovních střídačů: 60 kW jmenovitý výkon interní tepelné elektrárny: 70 kW tepelný/70 kW elektrický kapacita akumulátoru: 230 kWh (odpovídá 4 800 Ah) Odhadovaná roční energetická bilance spotřeba elektrické energie: 130 MWh energetický výnos FV systémů: 142 MWh elektrická energie zajišťovaná interní tepelnou elektrárnou: cca 55 MWh

Řídicí centrála
Řízení a koordinaci zabezpečuje technická centrála vybavená velkou interaktivní obrazovkou, kde si mohou návštěvníci prohlédnout schématické znázornění energetické koncepce celé budovy. Jako manažeři celého energetického systému zde fungují střídače Sunny Island, které jsou propojeny s akumulátorem. Stanovují napětí a frekvenci střídavého proudu a řídí také ostatní generátory elektrické energie. Další řídicí přístroje kontrolují mohutný akumulátor, který zabírá téměř celou samostatnou místnost. Pokud FV systémy generují více energie, než je v danou chvíli potřeba, ukládá se přebytečná energie do akumulátoru. V opačném případě vytvářejí střídače ze stejnosměrného proudu akumulátoru střídavý proud a poskytují jej prostřednictvím interní sítě v budově. Interní elektrárna se spouští pouze v případě, když energie ze slunce nestačí a zároveň ani akumulátor není dostatečně nabitý. K této situaci dochází občas v zimních měsících, kdy je intenzita slunečního svitu nižší. Jelikož je elektrárna v chodu vždy jen přechodnou dobu, potřebu tepla k vytápění průběžně pokrývá velký vyrovnávací zásobník.

Odvod tepelné zátěže
Rozměrná skleněná fasáda orientovaná na jih znamená značnou tepelnou zátěž vnitřního prostoru během letních měsíců. Pro omezení prostupu tepla bylo použito kvalitní izolační zasklení; klimatizace vnitřního prostoru byla přesto nezbytná, je však řešena atypicky a s ohledem na ekologicky šetrnou koncepci celé budovy – zdrojem chladu je spodní voda čerpaná z hloub­ky 40 metrů pod povrchem. Tento přírodní zdroj celoročně poskytuje studenou vodu o teplotě 11 °C. Místo energeticky náročných chladicích kompresorů tak chlazení zajišťují pouze dvě menší čerpadla.

Úspory energie „až“ na prvním místě
Důležitým předpokladem pro provoz budovy nezávislé na rozvodné síti je účelné zacházení s elektrickou energií. Vedle kvalitní izolace budovy a maximálního využívání denního světla je důležitá zejména efektivita používání a řízení elektrických spotřebičů. Při návrhu školicího centra byl kladen důraz nejen na komfort uživatelů, ale i na celkovou nízkoenergetickou koncepci. Tato snaha vedla také k výběru spotřebičů, které odpovídají nejmodernějším standardům úspor energií. Místo běžných stolních počítačů tak v učebnách najdete úsporné notebooky, projektory se speciálním hospodárným vypínáním a osvětlení řešené výhradně úspornými žárovkami nebo LED lampami. Snížení spotřeby energie napomáhá i automatizace budovy. Řídicí centrála sama rozpozná, kdy je příliš světlo nebo naopak tma, přizpůsobuje větrání aktuálním teplotám a na noc vypíná všechny spotřebiče v pohotovostním režimu.

Ještě o krok dál jde tzv. inteligentní řízení zátěže – časová koordinace různých elektro-spotřebičů. Protože současné zapnutí energeticky náročných spotřebičů několikanásobně navyšuje maximální požadovaný výkon ostrovní sítě, je odběr energie ze sítě synchronizován a některé požadavky jsou krátkodobě odloženy.

Například je-li ve stejné chvíli zapnuta rychlovarná konvice v kuchyňce, současně se nabíjejí notebooky posluchačů a zároveň je spuštěn výtah; systém upřednostní jedoucí výtah – čaj bude hotový o několik sekund později a účastníci semináře vůbec nezpozorují, že jejich počítače na krátkou dobu běží na baterii. Přínos takovýchto opatření je přitom veliký. Snižují maximální nároky na dodávaný výkon v ostrovní síti a zajišťují rovnoměrnou spotřebu elektrického proudu.

Interní tepelná elektrárna
Bioplynem poháněná interní tepelná elektrárna je vedle fotovoltaiky druhým pilířem ostrovního napájení. Zařízení o výkonu 140 kW vyrobené na míru společností Kirsch se řídí spotřebou proudu a má plynulou regulaci otáček. Provoz tepelné elektrárny je určován požadovaným elektrickým výkonem a vznikající teplo je ukládáno do zásobníku.

Střídače Sunny Island si mohou v závislosti na aktuální spotřebě vyžádat 30 až 100 procent jmenovitého elektrického výkonu. Výhody jsou zřejmé: snaz­ší řízení ostrovní sítě a minimalizace spotřeby bioplynu. Kromě toho je možné akumulátory nabíjet také napájecím proudem, což zvyšuje jejich životnost – přebytek energie tepelné elektrárny by v opačném případě musel být dále ukládán jinam.

Proměnlivé otáčky vedou k variabilní frekvenci vyráběného střídavého proudu. Přeměnu na konstantní frekvenci ostrovní sítě proto zajišťuje třífázový frekvenční měnič. Pokud při intenzivním slunečním svitu a nízkých teplotách vyrábí tepelná elektrárna pouze teplo podle okamžité potřeby budovy, elektrický proud získaný fotovoltaicky doplňuje ohřev tepelného zásobníku.

Soběstačná budova šetrná k okolí
Školicí centrum společnosti SMA zaujme návštěvníky nejen svým architektonickým řešením, ale i důmyslnou koncepcí a promyšleným řízením chodu všech integrovaných systémů. Elektrickou energii dodávají FV systémy ve fasádě a na střeše budovy. Při nízké intenzitě slunečního svitu se k ostrovní síti budovy připojují ještě sousední FV polohovací systémy (trackery). Při návrhu budovy byl kladen velký důraz na ekologicky šetrné řešení, interní tepelná elektrárna proto využívá bioplyn, chlazení je řešeno zdrojem spodní vody. Voda použitá k chlazení se odvádí na retenční plochu, kde podporuje tvorbu vlhkého biotopu.

Spojení střídačů pro řízení off-grid systému a akumulátorů zajišťuje stabilní ostrovní síť, která podle okamžité potřeby dodává elektrickou energii připojeným spotřebičům. Kombinace s interní tepelnou elektrárnou s variabilními otáčkami a se zásobníkem tepla umožňuje budovu udržovat v energetické rovnováze.

Off-grid – vlastní ostrovní síť Výstavba a provoz soběstačné elektrické sítě je vrcholnou disciplínou systémové techniky. Koncepce zahrnuje koordinaci nejrůznějších generátorů i spotřebičů a důsledné dodržování úhlů fázového posunu vzhledem k aktuálnímu napětí a frekvencím. Také je zapotřebí instalovat záložní zdroje energie, které je třeba neustále monitorovat a řídit.

Mgr. Šárka Vlasáková, M. A. Anja Jasper
Foto: SMA Solar Technology AG, SMA Czech Republic

Mgr. Šárka Vlasáková je marketingovou ředitelkou ve společnosti SMA Czech Republic, s. r. o., M. A. Anja Jasper působí ve společnosti SMA Solar Technology AG jako ředitelka korporátní komunikace.

Článek byl uveřejněn v  časopisu TZB HAUSTECHNIK.