Akumulace elektřiny v budovách: základní parametry a technologie

Ing. Pavel Hrzina, Ph.D., FEL ČVUT v Praze, Katedra Elektrotechnologie

Recenzovaný

Jaké požadavky jsou nejčastěji kladeny na stacionární baterie? Jaké technologie jsou k dispozici a co od nich můžeme očekávat?

Reklama

Úvod

Požadavky na zásobování energií u budov se v posledních letech dramaticky mění. Technologický pokrok a legislativní tlaky vedou ke konstrukcím domů se sníženou, nulovou nebo dokonce pozitivní energetickou bilancí. Takové budovy se pak vyznačují často odlišným diagramem spotřeby energií od léty zavedených zvyklostí. Dnešní domy a kancelářské budovy začínají vykazovat výrazné odběrové špičky v letním období a naopak je snižována spotřeba v období zimním. V garážích a na parkovištích se začínají objevovat nabíječky elektromobilů. Budovy stále častěji využívají akumulace energie, a to jak tepla, chladu, tak energie elektrické. Elektrickou energii si pak často budova sama vyrábí (FVE). Přestože tato vyrobená elektrická energie není schopna ve většině případů 100% krýt spotřebu budovy, objevují se zde poměrně dobré důvody pro instalaci zásobníků elektrické energie. Mezi tyto důvody patří snaha o vykrývání odběrových špiček, nebo vyšší energetická soběstačnost.

BESS (Battery Energy Storage Systems) se tak začíná pomalu objevovat i v běžných budovách. V případě rodinného domku je to většinou systém o uložené energii 2 kWh až 10 kWh, který zvyšuje míru využití elektřiny z vlastní fotovoltaiky a dává majiteli pocit vyšší energetické nezávislosti. V případě menší firmy se pak jedná o systémy napomáhající krýt menší odběrové špičky a tím snížit potřebnou velikost jističe umístěného před elektroměrem. Zde se jedná o kapacity v řádu nižších desítek kWh. U větších firem jsou instalovány systémy s výkonem až stovek kWh. Takový systém pak již výrazně zasahuje do energetického hospodaření podniku a může generovat nemalé úspory, spojené s rezervovaným příkonem.

Základní struktura komerčních BESS je v současnosti velmi podobná a využívá konstrukce podobné počítačovým serverovnám. Základním stavebním kamenem bývá bateriová jednotka o kapacitě cca 2 až 3 kWh v provedení skříně k zástavbě do 19‘‘ racku o výšce 3U. Tento modul o napětí nejčastěji 48 V je následně možno řadit sériově nebo paralelně za cílem zvýšení kapacity systému. Designová provedení BESS takto modulární mnohdy nebývají. Dalším prvkem je nabíječka, dle druhu systému vybavena vstupem ze sítě (AC), z FV systému nebo jiného DC zdroje. V případě přímého připojení k FV modulům má nabíječ implementován sledovač maximálního bodu výkonu (MPP tracker). Výstupní výkon z baterie je pak veden do střídače pracujícího paralelně se sítí, případně do autonomně pracujícího systému.

Požadavky na bateriové úložiště pro budovy – „Nice to Have“

„Nice to Have“ aneb bylo by pěkné… Zkusme specifikovat požadavky na ideální bateriové úložiště pro budovu. Hned na úvod je ale nutno zmínit, že takové úložiště není možno definovat obecně, vždy se bude jednat o souhrn parametrů závislých na místních podmínkách.

Asi prvním požadavkem bude dostatečná akumulační schopnost pro provoz budovy. Při instalaci FVE by baterie měla být schopna zachytit všechnu vyrobenou energii a uložit ji na dobu, kdy bude tato energie spotřebována. Dalším požadavkem bude dlouhá životnost systému, srovnatelná s životností ostatních částí energetického systému budovy, kde se jako ideální kompromis jeví doba 20 let. Bateriové úložiště by mělo být schopno reagovat na změny energetických požadavků okamžitě. Nemělo by mít přílišné výkonové omezení, tedy mělo by být schopno krátkodobě poskytnout dostatečný záběrný proud pro rozběh připojeného zařízení, případně poskytnout dostatečný zkratový výkon pro správnou funkci nadproudové ochrany zařízení (jističe). Elektrická energie dodávaná do sítě budovy by měla mít dostatečnou kvalitu, tedy především nízké harmonické zkreslení a malý obsah rušivých signálů. Úložiště by nemělo být náročné na údržbu a v neposlední řadě by mělo být bezpečné. Cena takové baterie by měla být co nejnižší a samotné bateriové řešení by mělo přinášet finanční zisk svému provozovateli.

Úložiště podle výše uvedených parametrů je nerealizovatelné, vždy hledáme kompromis. Levná baterie bude mít menší životnost, systém s velkým výkonem bude také podstatně dražší, přetížitelnost systému naráží na limity součástek měniče a tak lze pokračovat.

Požadavky na bateriové úložiště pro budovy – „Reálné“

Reálné požadavky na bateriové úložiště je nutno začít stavět z opačného konce, tedy začít cenou a přínosem pro provozovatele. Ekonomické parametry navrhovaného řešení nejsou jen o aktuální prodejní ceně silové elektřiny. K ekonomickému hodnocení patří i úspory plateb za rezervovaný příkon (u domácností platba „za jistič“), zhodnocení výhod případného autonomního provozu systému, zhodnocení reálně možných přebytků energie z ostatních zdrojů (FVE, kogenerace) a v neposlední řadě i úrokové sazby a dlouhodobé náklady na údržbu a servis.

Samostatnou kapitolou, která ovlivňuje rozhodování investorů, je v případě bateriových úložišť stále i snaha o „zelené chování“ a snaha o výjimečnost. Tato dvě uváděná nefinanční hlediska často převažují a umožňují kompenzovat jinak jednoznačně ztrátovou investici. Na vysvětlenou: pokud nedojde k výraznému zdražení elektrické energie a zlevnění baterií, má v současné době bateriový projekt výraznou ziskovost pouze v případě, že je do ekonomiky provozu započten efekt snížení paušálních plateb za rezervovaný příkon. U ostatních případů, především v domácnostech jsou pozorovány obdobné jevy jako u nákupu dražšího motorového vozidla, kdy pouhým výpočtem při nepříliš častém používání zakoupeného vozidla vychází provozní náklady za celou dobu provozu výrazně výše, než nákup adekvátní služby (taxi, sdílená vozidla) a z čistě ekonomického hlediska je pak taková koupě nevýhodná.

Jaké tedy máme reálné požadavky na bateriové úložiště v bytových a kancelářských domech a z jakých údajů musíme vycházet?

Ekonomika provozu – bateriové úložiště dokáže flexibilně vykrývat odběrové špičky budovy a díky tomu dochází k úspoře na paušálních platbách za rezervovaný příkon. V současné době (díky legislativě a cenám energií versus ceny baterií) nebývají jiné způsoby provozu bez započítání ceny ušlé příležitosti ekonomicky výhodné.

Uspořená energie OZE – nejčastější kombinace bateriového úložiště je s výrobnou elektrické energie ze slunce. V tomto případě je nutno počítat zisk z instalace bateriového úložiště jako rozdíl ceny nedodané elektřiny z rozvodné soustavy, nákladů na instalaci a provoz FVE (cenu výroby elektřiny z FVE) a ceny, kterou je potenciálně možno získat odprodejem vyrobené energie. V tomto výpočtu hraje roli jak diagram výroby (osvitový diagram FVE), tak diagram spotřeby energie budovy, a to vše ve vzájemné souvislosti s akumulační kapacitou baterie a velikostí rezervovaného příkonu a plateb za něj. Je jasné, že takový výpočet je často velmi problematický. Jen zajištění vstupních dat bývá často nemožné, protože není možno reálně monitorovat provoz budovy po více jak rok a z mnoha hledisek. Zjednodušený výpočet zase může narazit na velkou časovou variabilitu odběrů a jejich obtížnou predikci.

Kapacita baterie – ve valné většině instalací bude baterie provozována paralelně s rozvodnou sítí. Bude tedy sloužit pro vykrývání špiček. Protože v tomto případě nejsme na bateriovém systému 100% závislí (vždy je možno alespoň část kritické spotřeby budovy pokrýt z rozvodné sítě), je zde větší volnost pro volbu kapacity. V návrhu lze také variantně počítat s rozvojem a posílením kapacity v pozdější době. V případě chyby návrhu tak dochází především ke snížení očekávaných benefitů, než celkovému selhání systému.

Cyklická životnost – cyklická životnost baterií je přímo závislá na hloubce vybití baterie. Obecně pro všechny systémy platí, že při menším namáhání (ne příliš hluboké vybíjení) je životnost systému delší. Menší hloubka vybití ale s sebou nese menší užitečnou kapacitu systému. Životnost bateriového systému je tak veličinou proměnnou a je svázána s požadavkem na kapacitu systému, s přímým dopadem na ekonomické parametry. Často bývá udáván parametr s názvem „plný cyklus“. Rozumí se tím cyklus s mírou vybití blízkou 100 %. Přepočet mezi mělkými a plnými cykly je problematický a mimo jiné způsobuje často disproporci v interpretaci katalogových údajů výrobců.

Kalendářní životnost – bateriové systémy pozvolna degradují, i když nejsou užívány. Kalendářní životnost systému bývá v řádu let a je důležitým parametrem zejména u záložních systémů. U baterií provozovaných v denním režimu většinou dochází k ukončení života baterie na základě cyklické životnosti.

Obrázek 1: Definice SOC a DOD

SOC – State of Charge – Stav nabití
Udává (většinou v procentech) množství energie dostupné v baterii, vztažené k celkové energii baterie.
DOD – Depth of discharge – Hloubka (míra) vybití
Udává, kolik energie bylo již z baterie odebráno. Hodnota je udávána v procentech celkové energie.
SOH – State of Health – Stav opotřebení
Zjednodušeně se jedná o hodnotu popisující opotřebení článku. Další definice je složitější, protože hodnota v sobě zahrnuje v podstatě celou historii života baterie a zároveň predikuje zbývající životnost baterie. Definicím SOH se ještě budeme věnovat i v dalších dílech tohoto miniseriálu.

Vhodné technologie pro bateriové úložiště

Základní typy baterií pro napájení systémů v budovách lze odvodit ze současného stavu na trhu baterií. Zatímco dříve převažovaly baterie olověné, případně pro některé aplikace baterie nikl-kadmiové, v současné době se jedná o systémy především lithiové.

Tabulka 1: Základní parametry vybraných typů baterií
Technologie	Chemický vzorec katody	Minimální napětí článku [V]	Nominální napětí článku [V]	Maximální napětí článku [V]	Energetická hustota [Wh/kg]	Energetická hustota [Wh/dm³]	Cyklická životnost [počet cyklů]	Maximální proudová zatížitelnost
LFP	LiFePO₄	2,50	3,20	4,00	100–130	210–250	2 000–4 000	3C
LTO	Li₄Ti₅O₁₂	1,70	2,40	2,80	60–90	130–200	6 000–15 000	15C
NCA	LiNiCoAlO₂	3,00	3,60	4,20	200–260	440–670	500	1C
NMC	LiNiMnCoO	2,50	3,70	4,20	140–210	300–440	1 000–4 000	3C
LMO	LiMn₂O₄	2,50	3,70	4,20	100–150	220–300	300–700	3C
LCO	LiCoO₂	2,50	3,60	4,20	150–200	310–420	500–1 000	1C
NiCd	2Ni(OH)₂	0,00	1,20	1,40	40–60	50–150	2 000	různé
NiMH	NiO(OH)	1,00	1,20	1,40	60–120	140–300	500–1000	různé
Pb	PbSO₄	1,75	2,10	2,35	30–40	60–75	500–800	různé

Nikl-kadmiové baterie

Velikou výhodou těchto baterií je velká životnost, při správné údržbě jsou baterie takřka nezničitelné. Vyžadují však údržbu (dolévání destilované vody), mají malou hustotu energie, a v současné době podléhají přísným ekologickým normám, díky kterým je možné jejich využití jen ve specifických příkladech a na povolení. Například jako záložní baterie u vlaků, v nouzových svítidlech a vojenských aplikacích. Tedy především pak v systémech s požadavky na větší teplotní rozsah provozu. Pro dosažení dlouhé životnosti je také potřeba údržba a v neposlední řadě je nutno pro provoz baterií zřídit zvláštní místnost (akumulátorovnu).

Olověné baterie

První systémy pro napájení budov využívaly trakční olověné baterie. Z těchto baterií se postupně vyvinuly baterie speciálně upravené pro hluboké vybíjení. Tyto baterie dosahují díky úpravám konstrukce životnosti na hranici tisíce plných cyklů a kalendářní životnost 10 let. Pro zvýšení životnosti je nutné razantně snížit hloubku vybíjení. Tím ovšem klesá i užitečná kapacita systému. Optimální hodnota hloubky vybití pro olověné akumulátory je přibližně 50 % SOC, v tomto případě ale potřebujeme dvojnásobnou jmenovitou kapacitu baterie a tím i stoupá cena systému. V následném ekonomickém hodnocení pak v současné době olověné baterie prohrávají s bateriemi lithiovými. Dalším výdajem je nutnost vybudovat akumulátorovnu a zajistit její dostatečné větrání. Olověné baterie mohou při běžném provozu (otevřené a polouzavřené články) a při poruše (hermetické články) produkovat směs vodíku a kyslíku v dostatečné koncentraci pro následný výbuch.

Lithiové baterie

Lithiových baterií je mnoho druhů, nicméně pro potřeby akumulace v budovách je potřeba vybírat podle následujících parametrů: Nízká cena za efektivně uloženou kWh (to znamená se započtením vlivu snížení hloubky vybíjení na životnost systému), vysoká cyklická i tomu odpovídající kalendářní životnost. Oproti elektromobilům nehraje významnou roli energetická hustota, protože baterie je stacionární a její hmotnost i objem nejsou příliš omezeny. Velkou výhodou lithiových baterií je jejich bezúdržbovost, dokonalá hermetičnost a tím i možnost nabíjení v uzavřených prostorech. I tak je potřeba mít na paměti, že se jedná o energetické úložiště a pro instalaci vytvořit požárně bezpečné místo.

Z hlediska typu chemie se pro bateriová úložiště v budovách jedná především o typy LFP, případně se mohou vyskytovat NMC nebo LTO. Zkratky jsou vysvětleny dále v textu. V následujících odstavcích shrneme jejich vlastnosti. Technické údaje jsou převzaty z webu batteryuniversity.com a cenové údaje jsou průměrné odhady, platné pro rok 2018. Aktuální cenová data jsou špatně dostupná, nicméně lze oprávněně předpokládat mírné snižování cen v dalších letech, spojené především s větší masovostí výroby, zmírněné nárůstem ceny vstupních surovin. Stejně tak, např. u chemie LTO, je velký rozptyl mezi světovými špičkami a nekvalitními deriváty s polovičními charakteristikami, ale 2/3 cenou oproti nejlepším na trhu.

NMC

Lithium Nikl Mangan Kobalt Di-Oxid (LiNiMnCoO₂). Článek má nominální napětí 3,6–3,7 V. Pracovní napětí pak od 3 V do 4,2 V. Cyklická životnost mezi 1000 a 4000 cykly. Energetická hustota 220 Wh/kg.

Tento typ je užíván převážně v elektromobilitě především v podobě cylindrických (18650) nebo prismatických (VDA) článků využívaných pro sérioparalelní řazení do větších baterií. V současné době nejpoužívanější baterie. Mají velmi široké pole použití, a to i v oblasti mobilních aplikací. Z výrobců je asi nejznámější Tesla Powerwall (někdy využívající podobnou chemii NCA). Navýšení počtu cyklů je možné za cenu snížení zatížení baterie. Cena za uložení kWh energie do tohoto typu baterie je přibližně 10 000 Kč. Provozní výhodou této technologie je postupně se snižující napěťová křivka, díky níž má kontrolní elektronika systémů založených na této chemii přesný přehled o SOC celého systému a nepřekvapí uživatele skoky v odhadu kapacity systému (viz LFP).

LFP

Lithium Železo Fosfát (LiFePO₄). Nominální napětí 3,2 V, pracovní napětí 2,5 V až 3,65 V. Cyklická životnost je vyšší než 2000 cyklů. Energetická hustota 120 Wh/kg.

Tento typ článků je dlouhodobě prosazován Čínou, neboť na NMC nevlastnili patent. Celkový rozvoj elektromobility a lithiových baterií, který začal v Asii, tak byl první roky spjat právě s touto chemií a v okamžiku, kdy BESS přišly do kurzu, začala Čína dobývat svět opět nejprve s touto chemií. Z elektromobility přešla preference výroby větších článků, jejichž obvyklá kapacita je 100 Ah. Články jsou spojovány sériově, v případě požadavku na velké kapacity pak sério-paralelně. Při vhodných provozních podmínkách (teplota kolem 20 °C, vybíjení/nabíjecí proudy do 0,5 C, mírně menší hloubka cyklu) baterie dosahuje vyšší životnosti a u kvalitních výrobců není výjimkou dosažení 5000 cyklů bez výraznějšího poklesu kapacity. Cena za uloženou kWh se pohybuje okolo 7000 Kč. Tento typ baterií je nejčastěji používán v levnějších bateriových systémech a je jedním z nejrozšířenějších systémů pro stacionární použití. Důvodem je vhodný poměr ceny a cyklické životnosti. Naopak velkou nevýhodou této chemie je velmi plochá vybíjecí křivka.

LTO

Lithium Titanát (Li₂TiO₃). Nominální napětí 2,4 V, pracovní napětí od 1,8 V do 2,85 V. Cyklická životnost až 7000 cyklů. Energetická hustota 80 Wh/kg.

Tyto baterie jsou schopné dodat/pojmout velmi vysoké proudy (10 C trvale, vrcholné modely špičkově 25 C), byť za cenu odpovídajících ztrát a při dlouhodobém užívání v tomto režimu i nutnosti aktivně chladit, což dále snižuje jejich efektivitu. Jejich životnost je i při tomto velmi vysokém zatížení na úrovni několika tisíc cyklů. Při nižším zatížení přesahuje 10 000 cyklů, špičkové verze mají při využití 10 % kapacity možnost dosáhnout na více jak jeden milion cyklů. Díky tomuto a schopnosti nabíjet se též v mínusových teplotách jsou často využívány jako naprosto bezúdržbové BESS v odlehlých aplikacích, jako jsou vysílačky, majáky, atp. Tyto baterie jsou bohužel velmi drahé, 13 000 Kč za kWh (kvalitní výrobci přes 25 000 Kč za uloženou kWh) a mají nízkou hustotu energie. Jejich použití je především ve speciálních aplikacích vyžadujících velké proudy a vysoké počty cyklů s rychlým střídáním nabíjení a vybíjení (vyrovnávací baterie).

Další technologie

V pilotních projektech se občas objevují zajímavé typy baterií, jedná se především o snahu upravit některý z parametrů baterie. Například nahradit nedostatkové materiály. Například baterie sodík-síra, nebo baterie s elektrolytem obsahujícím slanou vodu. Mezi již zaběhlé technologie patří potom baterie průtočné, které umožnují skladovat větší množství energie, než baterie klasické, bohužel daní za tuto vlastnost je větší technická složitost bateriového systému.

Shrnutí

Pro systémy využívané v budovách je potřeba vždy hodnotit systém jako celek. V současné době činí cena baterií v systému odhadem 80 %. Respektive holé články tvoří okolo 50 % ceny, další složkou ceny pak jsou BMS systémy a měniče. Tento podíl roste se stoupající kapacitou. V případě systémů s kapacitou 3 až cca 10 kWh je cena za uloženou kWh včetně potřebných pomocných systémů, DC a AC rozváděče a krytu na českém trhu mezi 27 až 30 tisíci za kWh. Cena kompletního řešení s kapacitou 1 MWh (kontejnerové úložiště) atakuje cenu 17 tis. za kWh. V současné době je nabízeno poměrně široké spektrum bateriových systémů a u většiny nabídek výrobce pouze deklaruje použití lithiových baterií bez dalšího rozlišení použitých baterií. Běžně udávaná životnost je 2 000+ plných cyklů a garance se pohybují v rozmezí 5 až 8 let. Zákazník by si měl však pohlídat, co je míněno jedním cyklem a jaké výjimky se vztahují na časovou délku záruky. Udávaných 5–8 let je v současnosti technicky na vrcholu reality a vyžaduje provozování systémů v příhodných podmínkách.