Návrh a provoz elektrického akumulátoru v pasivním domě „Plus“ se 17 bytovými jednotkami

Na adrese Cordierstraße 4 ve Frankfurtu nad Mohanem byl společností ABG Frankfurt HOLDING vybudován bytový dům se 17 bytovými jednotkami a s energeticky vztažnou plochou 1219 m², který nahradil starý objekt původně stojící v této městské části (viz Obrázek 1). Obyvatelé se nastěhovali v roce 2014. Projekt a vedení stavby měla na starosti kancelář „faktor 10“. Hodnoty spotřebované a vyrobené energie byly zaznamenány v obydleném stavu a vyhodnoceny Institutem bydlení a životního prostředí (Institut Wohnen und Umwelt).

Obrázek 1: Pohledy na objekt ze západní a z jihovýchodní strany

Vedle splnění pasivního standardu byl kladen velký důraz také na snížení tepelných ztrát rozvody, energetické náročnosti přípravy teplé vody a spotřeby elektrické energie domácností [1].

Zásobování teplem zajišťují vakuové trubicové kolektory o ploše 40 m² s kogenerační jednotkou na bioplyn (14,6 kW_th). Elektrickou energii vyrábí fotovoltaické panely umístěné na střeše budovy, parkovacím přístřešku a na fasádě (celkem cca 49,7 kW_P) společně s kogenerační jednotkou na bioplyn (5 kW_el). Výhodou tohoto řešení je, že se fotovoltaika s kogenerační jednotkou při výrobě elektřiny velmi dobře doplňují. Vzhledem k tomu, že solární termické zařízení v létě pokrývá potřebu tepla na přípravu teplé vody, je kogenerační jednotka provozována hlavně v zimních měsících. Tím pádem vyrábí kogenerační jednotka elektřinu přesně tehdy, když fotovoltaika produkuje jen malé množství energie.

Budova byla v roce 2012 navržena jako pasivní dům s přebytkem energie v roční bilanci. Výpočtem v PHPP 9.2 byla stanovena potřeba obnovitelné primární energie (PER…primary energy renewable) ve výši 49 kWh/(m².a) a množství vyrobené obnovitelné energie ve výši 121 kWh/(m².a), takže jsou dosaženy požadavky na pasivní dům „Plus“. Budou-li zohledněny také fotovoltaické panely na parkovacím přístřešku, stoupne produkce obnovitelné energie na 178 kWh/(m².a) a budova dosáhne téměř úrovně pasivního domu „Premium²“. V následujících údajích je fotovoltaická instalace na parkovacím přístřešku zohledněna.

2 Ukládání elektřiny

K tomu, aby mohla být vyrobená elektrická energie přednostně využívána přímo v budově, byl instalován akumulátor elektrické energie s využitelnou kapacitou 30,7 kWh pro stejnosměrný proud (resp. 27 kWh pro střídavý proud) (viz Obrázek 2). Akumulátor tvoří 40 lithiových článků (obsahují sloučeninu LiFePO₄), každý s kapacitou 300 Ah, které jsou třífázově (střídavý proud) propojeny s budovou a se zdroji energie. Maximální vybití bylo výrobcem stanovené na 25%, aby se zabránilo podbití akumulátoru v případě delšího nepoužívání a prodloužila životnost baterie. Ze stejného důvodu byl nabíjecí/vybíjecí proud omezen na 0,3 C, resp. 100 A. Akumulátor se nabíjí jen tehdy, když se v domě vyrábí víc energie, než kolik se spotřebuje, přičemž pro prodloužení životnosti je žádoucí co možná nejrovnoměrnější nabíjení článků. Nabíjení ze sítě je zřízeno jen proto, aby se zamezilo případnému podbití při delší nečinnosti.

Obrázek 2: Akumulátor elektrické energie firmy ASD

Ztráty LiFePO₄-článků činí dle údajů výrobce 3 %, ztráty střídače 4 % (nabíjení), resp. 6 % (vybíjení), takže udávaný celkový stupeň účinnosti akumulátoru pro střídavý proud je 88 %. Tento elektrický akumulátor stál v listopadu 2013 cca 50 000 € vč. montáže.

Zvláštností regulace akumulátoru je, že budova je během dodávky elektrické energie z úložiště zcela oddělena od sítě (alternující provoz sítě). Výhodou tohoto řešení je úplné pokrytí spotřeby v budově na všech třech fázích z úložiště. „Bilanční“ vyvážení mezi fázemi přes elektrickou síť je zde vyloučeno. Nevýhodou je na jedné straně to, že v časech, kdy elektřina vyrobená fotovoltaikou nebo kogenerační jednotkou nestačí k pokrytí potřeby, nemůže být chybějící výkon odebrán z akumulátoru jako tomu je u paralelního provozu sítě, protože při dodávce energie z akumulátoru musí být budova odpojena od sítě. V důsledku toho je u alternujícího provozu sítě chybějící energie dodávána z veřejné sítě, i když je akumulátor plně nabitý. Na druhé straně přepínání ze síťového na zásobníkový provoz vede ke krátkým přerušením dodávky energie v délce několika milisekund. Žádný z obyvatel ale nezmiňoval žádné problémy, které by byly způsobeny tímto krátkým přerušením.

Akumulátor by měl být schopen pokrýt v létě večerní a noční spotřebu celého domu. Weniger a Quaschning doporučují pro rodinné domy za účelem dosažení vyšší spotřeby vlastní energie následující dimenzování: 1 kWh/kW_P [2]. V případě naší budovy v ulici Cordierstraße je však velikost akumulátoru jen 0,54 kWh/kW_P. Tato hodnota přibližně odpovídá součiniteli současnosti, který se u bytových domů této velikosti uplatňuje. Elektrický výkon kogenerační jednotky přitom nebyl zohledněn, protože její provozní doba se v závislosti na potřebě tepla v průběhu roku pohybuje od 0 h do 24 h za den. Z důvodu vysokých rozběhových proudů nemůže být z akumulátoru poháněn výtah, protože trvalý výkon akumulátoru je omezen na 7 kW na fázi (maximální špičkový výkon 8 kW na každé fázi).

3 Provozní zkušenosti

Akumulátor elektrické energie byl uveden do provozu v květnu 2014. Zpočátku se vyskytovaly problémy u elektrických přepínačů a u regulace akumulátoru. Kromě toho byl akumulátor kvůli vyjasnění otázek týkajících se zkratového výkonu při dodávce elektřiny z uložiště v období od října 2014 do dubna 2015 mimo provoz. Od května 2015 je trvale v provozu.

Celková spotřeba elektrické energie objektu v roce 2015 činila 25,6 kWh/(m².a), produkce elektřiny byla 48,9 kWh/(m².a) (viz *01. 01. 2015 – 14. 04. 2015 Tabulka 1). Z vyrobené elektřiny bylo 20,8 kWh/(m².a) dodáno do sítě, zatímco 4,4 kWh/(m².a) bylo ze sítě odebráno. Ztráty akumulátoru činily v období, kdy byl v roce 2015 v provozu (tj. 251 dní), 3,8 kWh/(m².a), což odpovídá 15 % odevzdané energie. Tento údaj leží tedy trochu výše než údaj výrobce, který uvádí ztrátu 12 % na straně střídavého proudu. V rámci nejistoty měření je údaj výrobce přibližně dosažen.

Naměřená využitelná kapacita akumulátoru (střídavý proud) činí cca 30,5 kWh. Tato hodnota odpovídá úrovni vybití 80 %, takže výrobce v rámci aktualizace software navýšil využitelnou kapacitu oproti kapacitě při uvedení do provozu.

Budova díky úložišti dosáhla velmi vysokého stupně energetické soběstačnosti (poměr spotřeby elektřiny z vlastních zdrojů k celkové spotřebě elektřiny) ve výši 81 %. Bez úložiště (od ledna do poloviny dubna) to bylo pořád ještě 57 % a tedy výrazně více, než by bylo dosažitelné při použití čistě jen fotovoltaiky. Podíl vyrobené elektrické energie, kterou dům spotřeboval sám, činil bez úložiště 43 % a s úložištěm 57 %, přičemž musí být zohledněno, že v létě běžně vznikají velké přebytky z fotovoltaiky.

Průběh měsíční produkce fotovoltaiky a kogenerační jednotky, spotřeba elektrické energie budovy stejně jako stupeň energetické soběstačnosti jsou pro časové období červenec 2014 až prosinec 2015 znázorněny na obrázku 3. Šedě podbarveno je období, kdy akumulátor nebyl v provozu. V tomto zimním pololetí 2014/2015 kolísá stupeň soběstačnosti mezi 40 % - 90 %. U budov, které vyrábí elektřinu pouze fotovoltaikou, leží tyto hodnoty v zimě většinou pod 25 %. Takto vysoká úroveň energetické soběstačnosti je dosažena díky kogenerační jednotce, která dokáže pokrýt průměrnou elektrickou zátěž budovy. V přechodných ročních obdobích, kdy je kogenerační jednotka v provozu jen několik málo hodin denně a zisky z fotovoltaiky jsou většinou malé, byly dosaženy nejnižší podíly pokrytí spotřeby. Porovnání s obdobím říjen – prosinec 2015, kdy úložiště elektřiny pojmulo energetické přebytky, ukazuje, že se stupně soběstačnosti zvýšily. Kvůli alternujícímu provozu sítě však lze těžko dosáhnout soběstačnosti přesahující 90 %, protože lokální zdroje energie v budově musí být napojeny na síť a chybějící množství energie nemůže dodat akumulátor. V případě akumulátoru s paralelním provozem by se dalo dosáhnout vyšší energetické soběstačnosti. V letních měsících s vysokými výtěžky z fotovoltaiky jsou díky akumulátoru dosahovány stupně energetické soběstačnosti přes 90 %. Celkově se ukazuje rovnoměrné krytí potřeby elektrické energie v této budově kombinací fotovoltaických panelů, kogenerační jednotky a akumulátoru.

Obrázek 3: Produkce elektřiny fotovoltaikou a kogenerační jednotkou a spotřeba elektřiny (vždy jako střední měsíční hodnoty) při a bez provozu elektrického akumulátoru a znázornění stupně energetické soběstačnosti (jako střední denní hodnoty)

Obrázek 4: Výroba a spotřeba elektřiny během dvou dní (26.-27. října 2015)

Obrázek 4 ukazuje produkci elektrické energie během dvou dní v přechodném podzimním období s dobrými solárními zisky. Při provozu kogenerační jednotky v noci (druhý den, 4:00 – 7:00) je patrný odběr ze sítě ve výši 700 W, ačkoliv spotřeba objektu je nižší než produkce kogenerační jednotky. Teprve když i fotovoltaika začne vyrábět elektřinu, klesá odběr ze sítě zpět na nulu. Důvodem jsou nepřesnosti v záznamu produkce kogenerační jednotky a tím pádem přílišné nabíjení akumulátoru, což snižuje spotřebu energie vlastní výroby v objektu a stupeň energetické soběstačnosti. Kromě toho dochází při přepínání mezi dodávkou elektrické energie z akumulátoru a dodávkou ze sítě opakovaně k vysokým výkonovým špičkám, které jsou vyvolány krátkodobým nabíjením akumulátoru ze sítě. Zřejmě zde došlo u jednotlivých článků k výraznějšímu poklesu kapacity, takže jejich nabíjení vyrovnává regulace.

4 Závěry

Posuzovaný bytový dům, který splňuje kritéria pasivního domu klasifikační třídy „Plus“, může s pomocí akumulátoru elektrické energie dosahovat v provozu stupně energetické soběstačnosti pro elektřinu cca 80 %. Vyhodnocení provozu úložiště ukazuje, že v bytovém domě mohou být při zohlednění součinitelů současnosti dimenzovány menší akumulátory než v rodinných domech, čímž je možné snížit náklady. Kombinace zdrojů elektrické energie s různým časovým profilem výroby umožňuje dosáhnout i bez úložiště vyšší úrovně soběstačnosti než při výrobě např. výhradně fotovoltaikou.

Při návrhu je potřeba také zohlednit elektrické zapojení akumulátoru. Alternující provoz sítě umožňuje spolehlivé zásobení budovy z akumulátoru bez bilančního vyvážení mezi fázemi prostřednictvím sítě. Paralelní provoz sítě může obzvlášť u zdrojů elektrické energie s nízkou, ale konstantní dodávkou energie zvýšit stupeň energetické soběstačnosti a spotřebu energie z vlastních zdrojů.

Výsledky měření objektu Cordierstraße 4 v zásadě ukazují, že i v bytovém domě je díky kombinaci vysoké energetické účinnosti a obnovitelných zdrojů energie dosažitelný přebytek elektrické energie v roční i měsíční bilanci. Toto šetření bylo financováno v rámci pokusu v reálných podmínkách k projektu Effizienzhaus Plus výzkumné iniciativy ZukunftBau.

5 Zdroje

[1] Schaede, M.; Großklos, M.: Passivhäuser mit Energiegewinn – Teilbericht Wissenschaftliche Begleitung Cordierstraße 4 in Frankfurt am Main. Institut Wohnen und Umwelt (IWU), Darmstadt, 2013.

[2] Weniger, J.; Quaschning, V.: Begrenzung der Einspeiseleistung von netzgekoppelten Photovoltaiksystemen mit Batteriespeichern. 28. symposium Photovoltaische Solarenergie, Kloster Banz, 06.–08. březen 2013.

¹ Pozn. překladatele: Pasivní dům „Plus“ (Passivhaus Plus) je klasifikační kategorií při certifikaci pasivního domu stanovenou Passivhaus Institutem, pro kterou platí, že kromě požadované maximální potřeby tepla na vytápění ve výši 15 kWh/(m².a) nesmí objekt potřebovat více než 45 kWh/(m².a) obnovitelné primární energie, současně musí – vztaženo na zastavěnou plochu – vyrobit min. 60 kWh/(m².a) energie.

² Pozn. překladatele: Pasivní dům „Premium“ (Passivhaus Premium) je klasifikační kategorií při certifikaci pasivního domu stanovenou Passivhaus Institutem, pro kterou platí, že kromě požadované maximální potřeby tepla na vytápění ve výši 15 kWh/(m².a) nesmí objekt potřebovat více než 30 kWh/(m².a) obnovitelné primární energie, současně musí – vztaženo na zastavěnou plochu – vyrobit min. 120 kWh/(m².a) energie.