SYSTÉMY PRO EFEKTIVNÍ VYUŽÍVÁNÍ OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ V MALÝCH A STŘEDNÍCH INSTALACÍCH

Transkript

1 Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad SYSTÉMY PRO EFEKTIVNÍ VYUŽÍVÁNÍ OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ V MALÝCH A STŘEDNÍCH INSTALACÍCH Jan Včelák, Petr Wolf, Jan Šmídek, Matheus Clavel Monitorování diagnostika a inteligentní řízení budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad ANOTACE Příspěvek ukazuje možnosti zefektivnění využívání energie z lokálně instalovaných obnovitelných zdrojů v budově. Popisuje čtyři základní topologie fotovoltaických systémů pro efektivní využívání energie z lokálních zdrojů a vyhodnocuje jejich slabé a silné stránky. V příspěvku jsou uvedeny základní komponenty systémů, které jsou zapotřebí pro efektivní a bezpečné řízení. Zároveň je prezentována a popsána výkonová bilance systému včetně investičních nákladů a odhadované doby návratnosti. Dále jsou v příspěvku zhodnoceny možnosti použití předpovědních služeb pro další zefektivnění využívání energie a zásobníku energie. SUMMARY The paper shows possibilities of effective renewable energy sources usage in the buildings with installed RES. There are four basic PV system structures presented with described advantages and disadvantages. The basic necessary components of the systems are listed also in order to achieve efficient and safe energy flow control. There are also new PV forecasting services presented and a way how to use them to enhance the performance of the system is explained. ÚVOD Fotovoltaické systémy doznaly v posledních 10 letech značných změn. Solární boom v České republice v letech se projevil primárně nárůstem počtu středních a větších instalací (20 kwp - 5 MWP). Zrušení dotační politiky (zelených bonusů a garantované výkupní ceny) pro nové instalace v roce 2010 způsobilo, že se zastavily nové instalace fotovoltaických elektráren takřka úplně. Důvodem byla extrémně dlouhá doba návratnosti (bez další finanční podpory) v řádech několika desítek let a investiční náročnost systémů. I přesto ale v posledních letech doznávají malé a střední systémy renesanci a dnes již cca 50 % novostaveb využívá některý z obnovitelných zdrojů pro výrobu tepla-chladu nebo elektrické energie. Struktura malých fotovoltaických systémů se ale prudce mění a v dnešní době je stále větší poptávka po systémech s efektivním využitím energie z obnovitelných zdrojů přímo v místě jejich výroby. Změnu struktury fotovoltaických systémů v posledních 5 letech iniciovaly zejména následující důvody: - zrušení podpory pro nově instalované FV systémy; - snížení nákladů na instalace PV systémů, které se dnes pohybují v rozsahu od Kč/kWP; - nízké výkupní ceny silové energie (0,6-0,8 Kč/kWh); - zpřístupnění komponent pro lokální monitoring a řízení FVE. Nové inteligentní systémy jsou navrhovány s ohledem na následující kritéria: 313

2 - vyrobit maximální množství obnovitelné energie; - minimalizovat odběr energie z distribuční sítě; - časově optimalizovat odběr z distribuční sítě vzhledem k platnému tarifu; - minimalizovat množství dodané energie do distribuční sítě (maximálně vyrobenou energii využít pro lokální spotřebu); - minimalizovat investiční náklady na systém. TOPOLOGIE INTELIGENTNÍCH FV INSTALACÍ Systémy pro dodávku energie do sítě V tomto případě se nejedná o inteligentní systém (viz obr. 1), ale je třeba takové systémy také zmínit, protože se velmi často vyskytují právě z doby, kdy byly zavedeny tzv. zelené bonusy. Jejich cílem je lokálně vyrobenou energii dodávat přímo do distribuční sítě. Výhodou je jednoduchá, finančně nenáročná instalace systému, systém je zároveň schopen vyrobit maximální možné množství energie pomocí FV pole a dodat ji do distribuční sítě. Systém nepotřebuje žádné řízení a tudíž vychází investičně nejpříznivěji: Kč/kWp. Nevýhodou je, že bez podpory výkupu energie z obnovitelných zdrojů je návratnost takového systému v řádech několika desítek let daleko za životností vlastní technologie. Výkupní ceny silové energie závisí na dohodě s obchodníkem s energií a pohybují se v rozmezí od 0,6 do 0,8 Kč/kWh. V dnešní době se nové instalace takových systémů prakticky nevyskytují. Platná legislativa vyžaduje pro provoz takových systémů licenci ERU a živnostenské oprávnění. Pro bilanci výkonu v systému platí Pgrid(t) = ηinv PFV(t) (1) kde PFV(t) je okamžitý výkon fotovoltaického systému na stejnosměrné straně stringu, Pgrid(t) je okamžitý výkon dodávaný do distribuční soustavy (přetok) a ηinv je účinnost solárního měniče. Obr. 1 Topologie systému pro dodávku elektrické energie do sítě Systémy pro krytí vlastní spotřeby a dodávku přebytků do sítě Fotovoltaické systémy dodávající energii do vnitřní domovní sítě (viz obr. 2) vynikají jednoduchostí opět bez nutnosti řízení. Hlavní distribuční elektroměr je čtyřkvadrantový, 314

3 schopný měřit energii tekoucí oběma směry. Primárně je krytá přímá spotřeba budovy. V momentech, kdy je výroba FV energie vysoká a budova ji není schopna spotřebovat, dochází lokálně k přetoku energie do sítě. Prodej energie touto formou není finančně výhodný a výkupní ceny se shodují s předchozím případem. Tím, že dochází primárně ke krytí vlastní spotřeby (drahé energie nakupované ze sítě) a snižování odebrané energie z distribuční sítě je ekonomická návratnost takového systému lepší než v předešlém případě. Systém nepotřebuje žádné řízení a tudíž vychází investičně podobně jako předchozí systém: Kč/kWP. Platná legislativa opět vyžaduje pro provoz takových systémů licenci ERU a živnostenské oprávnění. Výkonovou bilanci systému lze popsat vztahem: Pgrid(t) = ηinv PFV(t) - Pnon-reg(t), (2) kde Pnon-reg(t) je okamžitý výkon neregulovatelné zátěže v budově. Obr. 2 Topologie systému pro krytí vlastní spotřeby a prodej přebytků do sítě Systémy s přizpůsobením zátěže aktuálnímu výkonu FV systému Systémy s přizpůsobením zátěže budovy aktuálnímu výkonu FV systému (viz obr. 3) jsou první s inteligentním řízením. Řídicí systém monitoruje aktuální výkon FV systému a přetok do distribuční sítě a podle toho přizpůsobuje elektrickou zátěž v budově. Nutnou podmínkou je mít v domě nainstalovány prvky pro řízení a vlastní regulovatelné zátěže. Regulovatelnou zátěží mohou být přímotopné systémy, patrony v zásobnících TUV nebo OTV, regulovatelná tepelná čerpadla nebo jednotky chlazení. Výhodné jsou zátěže, které umožňují proporcionální řízení. Prvky proporcionálního řízení mohou být tyristorové nebo triakové regulátory. Vzhledem k tomu, že jsou tyto systémy velmi často připojeny do vnitřní sítě budovy a přetoky energie do sítě nejsou finančně zajímavé, je nutné tyto přetoky monitorovat a regulovat zátěže na nulový přetok do sítě. K monitorování přetoků slouží indikátory přetoku do distribuční sítě. Výstup z indikátoru přetoku do sítě slouží jako vstupní veličina algoritmu řízení a v ideálním případě slouží jako nulový indikátor. Na základě informace o přetoku algoritmus moduluje výkon lokální zátěže v budově. 315

4 Díky schopnosti maximálně využít lokálně vyrobenou energii jsou tyto systémy investičně zajímavé s dobou návratnosti v rozsahu let. Rovněž instalace a prvky řízení nepředstavují finanční bariéru a zásadně se nepromítají do celkové ceny investice. Investičně tyto systémy vycházejí velmi podobně jako předchozí systém Kč/kWp. Tím že dochází primárně ke krytí vlastní spotřeby (drahé energie nakupované ze sítě) a snižování odebrané energie z distribuční sítě, je ekonomická návratnost takového systému mnohem lepší než v předešlém případě. Výkonovou bilanci systému lze popsat následující rovnicí: Pgrid(t) = ηinv PFV(t) - Preg(t) - Pnon-reg(t), (3) kde Preg(t) je okamžitý výkon regulovatelné zátěže v budově. V případě ideální regulace je přetok do distribuční sítě Pgrid(t) = 0 a systém reguluje zátěž přesně tak, aby lokálně spotřeboval veškerou energii z připojených obnovitelných zdrojů. Zároveň je ze vztahu patrné, že se systém musí rychle vyrovnávat se změnou neregulovatelné, nepředvídatelné zátěže Pnon-reg(t) v domě nebo s rychlou změnou generovaného výkonu PFV(t) vlivem proměnné oblačnosti. Obr. 3 Topologie systému s přizpůsobením zátěže aktuálnímu výkonu FVE systému Jak je patrné z denních průběhů na obr. 4, fotovoltaický systém začíná vyrábět energii po východu slunce (A). Během rána systém vykrývá spotřebu neregulovatelné zátěže Pnon-reg a případný nadbytečný výkon maří v elektrické patroně v zásobníku tepla (1500 W) Preg. Časový okamžik (B) ukazuje nepredikovatelné zvýšení odběru neregulovatelné zátěže Preg, například sepnutí zátěže v domácnosti (sepnutí topné patrony v pračce nebo jiného spotřebiče). Systém okamžitě reaguje snížením výkonu regulovatelné zátěže. Časová fáze (C) v čase hod ukazuje časově proměnný výkon FV systému způsobený proměnlivou oblačností. Algoritmus přizpůsobení zátěže kopíruje svým průběhem výkon fotovoltaického systému. Systém je připraven a lokálně využívá technologie Demand Response (přizpůsobení odběru aktuální výrobě energie). 316

5 Denní průběh výkonu FV systému P FV B C Výkon PV [W] 500 A 0 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19: Denní průběh výkonu přizpůsobené zátěže P reg (topná patrona 1500W) B C Výkon patrona [W] 200 A 0 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19: Denní příkon domácnosti P reg +P non-reg B Výkon dům[w] 2000 C 1000 A 0 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 Obr. 4 Denní průběhy výkonů v systému s přizpůsobením zátěže aktuálnímu výkonu FVE Systémy s akumulací energie, predikcí FV výroby a přizpůsobení lokální zátěže aktuálnímu výkonu FVE systému Tyto systémy patří mezi nejkomplexnější a nejinteligentnější systémy současnosti (viz obr. 5). Využívají předpovědní služby výroby FV a dle této informace hospodaří s energií a případně nabíjí, resp. vybíjí akumulátory. U hybridních měničů nelze v tomto případě zanedbávat fixní ztráty měniče Pinv(t) jako v předchozích případech. Do výkonové bilance rovněž vstupuje výkon odebíraný nebo dodávaný do baterie Pbat(t). Pro celkovou výkonovou bilanci je pak možné napsat následující vztah Pgrid(t) = ηinv PFV(t) - Preg(t) - Pnon-reg(t) - Pinv(t) + ηinv Pbat(t) (4) 317

6 Systém je připraven pro technologie typu Demand Response nebo Load Shifting (časový posuv zátěže). Investičně ale systém vychází velmi nepříznivě z důvodu vysoké pořizovací ceny akumulátorů. Investiční náklady jsou v rozmezí Kč/kWp. Investice nemá reálnou návratnost z důvodu omezené životnosti baterií. Obr. 5 Topologie systému s akumulací energie, predikcí FV výroby a přizpůsobení lokální zátěže aktuálnímu výkonu FV systému ZÁVĚR V příspěvku byly prezentovány čtyři různé varianty topologie fotovoltaických systémů vhodných pro malé a střední instalace. Byla zhodnocena investiční náročnost jednotlivých variant a případná odhadovaná doba návratnosti investice. Byl představen i systém s inteligentním řízením zátěže a hybridní systém s úložištěm energie v bateriích. U systému s přizpůsobením zátěže byla prezentována reálná funkce systému na denním průběhu regulace a jeho reakce na variabilní odběr, nepredikovatelné zvýšení zátěže a na proměnlivý výkon fotovoltaického systému. Z hlediska investiční náročnosti a předpokládané doby návratnosti investice bylo ukázáno, že akumulátorové systémy nejsou v současné době návratné s ohledem na vysokou cenu a omezenou životnost akumulátoru. Situace se však výrazně změní, pokud dojde k výraznému snížení pořizovací ceny akumulátoru nebo pokud není distribuční síť k dispozici, je nespolehlivá či cena její energie je vyšší nežli obvyklá cena v Česká republice. LITERATURA [1] Staněk K. Fotovoltaika pro budovy, Grada 2012, ISBN [2] Šmídek J. Prediktivní řízení malých hybridních solárních systémů, ČVUT - Diplomová práce [3] Hošek M. Fotovoltaické zdroje a akumulační systémy, TZB Haustechnik 2013, viz PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/ Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 318