Využití obnovitelné energie z fotovoltaického zdroje v rodinných domech
© Fotolia.com
Rozmach obnovitelných zdrojů je v současné době patrný z podpůrných programů, zájmu koncových uživatelů i nabídky nových služeb distributorů a obchodníků s energiemi. Efektivní integrace obnovitelných zdrojů do energetického hospodářství budov pro rezidenční nebo komerční využítí vyžaduje úpravu stávajícího řízení technologií případně přizpůsobení využití ostatních zdrojů energie. Podle dlouhodobých statistik budovy spotřebovávají cca 40 % veškeré vyrobené energie. Přitom právě budovy skýtají spolu s průmyslem obrovský potenciál pro instalaci obnovitelných zdrojů energie. V článku jsou uvedeny výhody i nevýhody jednotlivých typů nejčastěji používaných fotovoltaických systémů integrovaných v budovách a popis řešení, které umožní maximálně využít instalované obnovitelné zdroje, dále zhodnocení návratnosti jednotlivých typů fotovoltaických systémů bez započítávání dotační podpory a zhodnocení náročnosti instalace (jak finanční, tak odborné).
Úvod
Snižování energetické náročnosti budov i zvyšování využívání obnovitelných zdrojů energie (OZE) je součástí strategického energetického konceptu EU (2020 Energy Strategy [1]). Budovy rezidenčního a komerčního charakteru spotřebovávají cca 40 % vyrobené energie, a přitom skýtají velký, dosud nevyužitý potenciál pro integraci a efektivní využívání OZE. Z šetření Českého statistického úřadu ENERGO 2015 vyplývá, že v roce 2015 vlastnilo 10 000 českých domácností fotovoltaický (FV) systém, což je v porovnání s 39 000 instalacemi tepelných čerpadel relativně malý podíl.
Zároveň je ale nutné zmínit, že trend posledních let se jednoznačně obrací ve prospěch FV systémů. Mohou za to především legislativní změny, snížení investiční náročnosti instalace i samotné technologie a zavedení dotačních programů, jako je například program Nová zelená úsporám (NZÚ). Kupříkladu investiční náklady na instalaci FV elektrárny (FVE) o výkonu 1 kWp jsou dnes cca 1200 EUR/kWp, což je méně než jedna polovina nákladů v roce 2010 [2].
I přes faktory, které jednoznačně přejí FV systémům, je Česká republika z pohledu ekonomické návratnosti úsporných technologií v Evropě velmi specifickým regionem. V ČR v současné době pro nově připojované fotovoltaické zdroje neexistují pevné výkupní ceny energie (tzv. feed-in tarify). Mikrozdroje energie o celkovém výkonu do 10 kW lze sice provozovat bez licence, ale pouze pro krytí vlastní spotřeby. Pokud není uzavřena smlouva o výkupu přebytků energie, může být přetok do distribuční sítě i penalizován. Zatímco např. v Německu tvoří výkupní cena energie z malých FV systémů cca 30 až 50 % nákupní ceny pro spotřebitele [2], v ČR se tento poměr pohybuje okolo 15 %, což výrazně prodlužuje návratnost instalace systémů s dodávkou energie do sítě.
Průměrná česká domácnost v roce 2015 spotřebovala 18 MWh energie, z čehož cca 12 MWh připadá na vytápění, 3,2 MWh na ohřev teplé vody (TV) a 2,8 MWh na provoz ostatních spotřebičů a technologií v domácnosti. Pokud se zaměříme pouze na rodinné domy, bude celková roční spotřeba energií cca 25 MWh (16,7 MWh vytápění, 4,3 MWh pro ohřev TV, 4 MWh pro ostatní spotřebu) [4].
Integrace FV systémů do stávajících nebo nových rodinných či bytových domů je poměrně snadná a v některých případech dosahuje ekonomické návratnosti v řádu 8–12 let. V dalším textu uvedeme příklady systémů s odhadovanou ekonomickou návratností pro několik modelových případů zapojení FV systémů primárně pro rodinné domy.
Modelové příklady využití fotovoltaické energie v rodinných domech
Modelový příklad č. 1 je referenční průměrný rodinný dům (bez FV a bez bateriového systému) s roční celkovou spotřebou energie 25 MWh, z čehož vytápění činí 16,7 MWh (67 %), 4,3 MWh (17,4 %) připadá na ohřev teplé vody a zbývající 4 MWh (15,6 %) pokrývají běžnou spotřebu domácnosti (provoz obvyklých domácích spotřebičů, osvětlení, přípravu pokrmů, provoz výpočetní techniky, audio a video techniky). V dalších úvahách se zabýváme pouze elektrickou energií nutnou pro provoz domácnosti a ohřev TV. Jednotlivá bloková schémata uvažovaných variant 2 až 4 jsou znázorněna na obr. 1.
Obr. 1 Blokové schéma jednotlivých modelových příkladů
Fig. 1 Block diagram of particular model examples
Modelový příklad č. 2 hodnotí konfiguraci domu, kde je využit FV systém s instalovaným výkonem 4 kWp (jižní orientace a sklon 35°), což je u mnoha rodinných domů výkon, který je možné instalovat. Systém je přifázován do rozvodu domu a galvanicky spojen s distribuční soustavou. Omezováním výkonu měniče jsou zajištěny nulové přetoky energie do distribuční soustavy. V tomto případě v domě chybí jakýkoli řídicí systém. Energie z FV systému a distribuční sítě pokrývá pouze spotřebu běžných elektrických spotřebičů v domě (11 kWh/den). TV je připravována jiným zdrojem a v tomto případě není uvažována. Souběh výroby FV a spotřeby energie není zajištěn žádným způsobem.
Modelový příklad č. 3 hodnotí konfiguraci domu, kde je využit FV systém s instalovaným výkonem 4 kWp, který slouží pouze pro ohřev teplé vody a je galvanicky oddělen od distribuční soustavy (NZU: RD C.3.3). I v tomto případě v domě chybí jakýkoli řídicí systém. Energie z FV systému a distribuční sítě pokrývá přípravu TV přímým ohřevem (11,8 kWh/den). Předpokládáme akumulační zásobník na teplou vodu s využitelnou kapacitou 15 kWh (např. akumulační nádrž cca 400 l pracující s teplotním rozdílem pro ukládání přebytků energie 30 °C). Souběh výroby FV a spotřeby energie není zajišťován žádným způsobem.
Modelový příklad č. 4 hodnotí konfiguraci domu, kde je využit FV systém s instalovaným výkonem 4 kWp, který slouží jak pro ohřev teplé vody, tak pro krytí běžné elektrické spotřeby a je galvanicky spojen s distribuční soustavou (NZU: RD C.3.4). Řídicí systém využívá regulátor pro řízení výkonu patrony pro ohřev TV v zásobníku tak, aby zajistil nulový přetok energie do distribuční soustavy. Systém se vyznačuje automatizovaným přizpůsobením elektrické zátěže aktuální výrobě FV a zajišťuje pokrývání ohřevu TV v okamžicích, kdy je energie z FV přebytek. Může se jednat o relativně jednoduchá zařízení typu GreenBono, WATTRouter nebo jim podobné.
Modelový příklad č. 5 vyhodnocuje energetickou bilanci stejného systému jako v případě příkladu č. 4 s tím rozdílem, že do systému je přidán akumulátor elektrické energie v podobě baterií s využitelnou kapacitou 5 kWh (NZU: RD C.3.5 C.3.6.). Ohřev TV je rovněž uvažován jako flexibilní regulovatelná elektrická zátěž v systému. Celý systém vyžaduje řízení rozdělování energie mezi baterií, běžnou spotřebou a ohřevem TV.
Výsledky simulací jednotlivých systémů, odhad investiční náročnosti a návratnosti
Obr. 2 Příklad denního profilu výroby FVE a spotřeby domácnosti
Fig. 2 Example of a daily PVE production profile and consumption of a household
Jednotlivé výše uvedené modelové příklady byly podrobeny roční simulaci provozu s pětiminutovým krokem v programu Homer. Spotřeby teplé vody i elektrické energie jsou modelovány s denním profilem spotřeby s hodinovým krokem a korekcí pro každý měsíc v roce. Energie potřebná k vytápění objektu není dále uvažována, protože je pouze zřídka plně pokrývána FV systémem. Dalším předpokladem pro získání celkových nákladů na elektrickou energii je průměrná cena elektrické energie pro domácnosti včetně všech poplatků 3,5 Kč/kWh [3]. Investiční náročnost jednotlivých řešení je určena na základě cen uvedených v [2]. Výsledky simulací jsou shrnuty v tab. 1.
Z výsledků simulací vyplývá, že modelový příklad č. 2 (FV systém přifázovaný do elektrické sítě domu i k distribuční soustavě bez jakéhokoli prvku řízení spotřeby) se ekonomicky nevyplácí. Je to dáno především rozdílným profilem výroby FV systému a spotřeby domácnosti (viz obr. 2). Maximum výroby energie FV systému se míjí s maximy spotřeby energie domácností, a tudíž se velká část této energie nevyužije (2,6 MWh z celkových 4,1 MWh). Proto také vychází u tohoto systému nejdelší doba návratnosti, která se blíží době jeho životnosti.
Příklad č. 3 předkládá mnohem vhodnější variantu, která je navíc velmi jednoduchá na realizaci a také dovoluje využít státní podporu NZÚ (ta ale není ve výpočtech uvažována). Jedná se o systém s přímým ohřevem vody, který je investičně nenáročný, jednoduchý na instalaci a návratnost investice se pohybuje okolo 10 let, což je rovněž přijatelné.
| Modelový příklad č.: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| FV systém | [kWp] | 0 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| Akumulace TV | [kWh] | 15 | 0 | 15 | 15 | 15 |
| Akumulace BAT | [kWh] | 0 | 0 | 0 | 0 | 5 |
| Systém řízení zátěže | ano/ne | ne | ne | ne | ano | ano |
| Odběr el. energie z DS | [MWh/rok] | 8,3 | 2,6 | 5,2 | 4,5 | 4,3 |
| Spotřeba el. energie na TV | [MWh/rok] | 4,3 | 0 | 4,3 | 4,3 | 4,3 |
| Běžná spotřeba el. energie | [MWh/rok] | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| Reálná výroba FV | [MWh/rok] | 0 | 1,5 | 3,1 | 4,1 | 4,1 |
| Nevyužitá energie FV | [MWh/rok] | 0 | 2,6 | 1 | 0,3 | 0 |
| FV systém – měrné náklady | [Kč/KWp] | 30 000 | 26 000 | 30 000 | 58 000 | |
| FV systém – celková investice | [Kč] | 120 000 | 104 000 | 120 000 | 232 000 | |
| Celkové náklady na el. energii | [Kč/rok] | 29 050 | 8 900 | 18 200 | 15 750 | 15 050 |
| Roční úspora | [Kč/rok] | 5 180 | 10 850 | 13 300 | 14 000 | |
| Návratnost | [roky] | 23,2 | 9,6 | 9,0 | 16,6 |
Příklad č. 4 představuje kombinaci pokrývání jak spotřeby běžných elektrických spotřebičů v domě, tak krytí energetických nároků na ohřev TV. Touto kombinací je dosaženo ještě větších úspor nakupované energie a tím zkrácení doby návratnosti, i když investičně se od příkladu č. 3 liší jen velmi málo. Opět je možné využít podporu z programu NZÚ.
Příklad č. 5 ukazuje, že investice do bateriových systémů je stále velmi diskutabilní z důvodu dlouhé návratnosti. I když se jedná o nejkomplexnější systém s relativně malou baterií o velikosti 5 kWh, tak přínos baterie je podle našeho názoru takřka zanedbatelný a pouze zvyšuje složitost systému a prodlužuje jeho návratnost. Je možné využít dotaci z NZÚ. Systém nabízí možnost krátkodobě pracovat v ostrovním režimu a tím zvyšuje energetickou bezpečnost objektu, ale výsledná návratnost investice 16 let je velmi pravděpodobně za hranicí životnosti uvažovaných lithiových akumulátorů. Ovšem určitá energetická soběstačnost a bezpečnost může často hrát důležitou roli při rozhodování o investici do systému s bateriovým úložištěm, a to i přes horší ekonomické aspekty takového systému.
V systémech, kde je fotovoltaická energie používána pro ohřev TV nebo nabíjení baterií, je možné celkovou efektivitu dále zvýšit předpovídáním zisku fotovoltaické energie na základě predikce počasí (například služba pvforecast.cz). Předpověď s horizontem 24 nebo 48 hodin pak může řídicí automat využít např. pro řízení ohřevu zásobníku nebo nabíjení/vybíjení baterie s ohledem na plánovaný solární zisk. Tato předpovědní data se daří efektivně využít zejména tam, kde je kapacita zásobníku TV nebo baterií limitována a je vyšší poměr velikosti fotovoltaického zdroje vůči kapacitě zásobníku nebo akumulátoru (kWp FV systému na kWh baterie nebo zásobníku). Takové systémy již vyžadují složitější řízení s prediktivními algoritmy, které ale mohou podle našich poznatků uspořit dalších cca 10 až 15 % energie.
Závěr
Příspěvek ukazuje typové příklady použití FV systémů v rodinných domech, jejichž počet každoročně přibývá. Z výsledků simulací vyplývá, že při uvažování dnešních cen energií a pořizovacích nákladech na technologie jsou nejzajímavější investicí systémy sloužící ke krytí elektrické spotřeby a přípravě TV. Návratnost do 10 let, absence baterií, jednoduchost instalace a integrace do stávajícího energetického systému domu, spolu s možností využití dotace nabízí velmi zajímavou možnost využívání energie z obnovitelného zdroje v segmentu rezidenčního bydlení.
Poděkování
Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.
Použité zdroje
- European Commission, Energy 2020 – A strategy for competitive, sustainable and secure energy, 2011, dostupné z: https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/documents/2011_energy2020_en_0.pdf.
- WIRTH, H., Recent Facts about Photovoltaics in Germany, Fraunhofer ISE, January 2017
- EUROSTAT, Energy Price Statistics, 2016, dostupné z:
https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php/Energy_price_statistics. - Český statistický úřad, ENERGO 2015, Spotřeba paliv a energií v domácnostech, Praha, 2017.
The current era is favorable for the expansion of renewable energy sources and their integration into the energy economy of buildings for residential or commercial use. According to the long-term statistics, buildings consume about 40 % of all energy produced. At the same time, the buildings together with the industry provide a huge potential for the installation of renewable energy sources. The article presents advantages and disadvantages of particular types of the most commonly used photovoltaic systems integrated in buildings. It describes the ways to maximize the use of the installed renewable sources, the assessment of the rate of return of the particular types of photovoltaic systems, not counting the subsidy support, and evaluation of the installation complexity (both financial and technical).
VVI - odborný časopis Společnosti pro techniku prostředí určený především pro projektování a studium. Český odborný časopis pro techniku prostředí začal vycházet v roce 1958 pod názvem Zdravotní technika a vzduchotechnika (ZTV), v roce 1992 byl změněn ...