Úvod
V izolovaném domě fotovoltaika s akumulací dobře pokrývá spotřebu od jara do podzimu, ale dostává se do potíží právě tehdy, kdy je nejvíce potřeba: v zimě, kdy sluneční záření klesá a potřeba tepla a elektřiny naopak roste.
Způsoby, jak tuto mezeru překlenout, jsou v podstatě dva: zvětšit kapacitu akumulace, nebo doplnit další zdroj energie. Správná volba závisí na charakteristikách stavby, spotřebě a způsobu užívání, ale je důležité pochopit, že problém vzniká z konstrukční sezónní podmínky, nikoli jednoduše z příliš malé fotovoltaické elektrárny.
Proč je problém strukturální, nikoli otázkou dimenzování
V horách nebo v izolované chatě je zimní sluneční záření omezené kratšími dny, nižší polohou slunce nad obzorem, často zastíněnými svahy a sněhem, který může panely zakrývat po dobu několika dní. Je to přesně období, kdy energetická potřeba dosahuje maxima: roste spotřeba na vytápění prostor, na ohřev teplé užitkové vody a v případě obydlené stavby i na osvětlení a elektrické spotřebiče.
Jinými slovy, minimum výroby fotovoltaiky se shoduje s maximem spotřeby. Z tohoto důvodu se problém neřeší jednoduše přidáním několika dalších panelů: elektrárna dimenzovaná tak, aby plně pokryla zimní potřebu, by byla po zbytek roku často zbytečně velká a nedostatečně využitá.
Řešení, se skutečnými náklady a limity
Předimenzovat bateriovou akumulaci. Elektrická akumulace je velmi účinná pro překlenutí jednoho či několika zamračených dní, ale rychle se prodraží, pokud se s ní má kompenzovat období týdnů či měsíců s nízkým slunečním zářením. Pro pokrytí dlouhých zimních období by byly potřeba baterie s velmi vysokou kapacitou, s investicemi, které se u většiny off-grid aplikací obtížně vyplatí. Elektrická akumulace navíc přímo neřeší hlavní zimní energetickou potřebu: teplo.
Záložní generátor (dieselový nebo benzinový). Jde o rozšířené řešení v systémech odpojených od elektrické sítě. Nabízí spolehlivost a nízké počáteční investice, ale má konkrétní omezení: hluk může být neslučitelný s nočním provozem nebo s klidem, který se hledá v horské chatě či útulně; jde také o systém velmi zatěžující z hlediska emisí ve výfukových plynech. Teplo vznikající v motoru se navíc obvykle rozptýlí do okolí, místo aby bylo využito k vytápění nebo ohřevu teplé užitkové vody.
Zdroj, který vyrábí elektřinu a teplo současně. Toto je méně známé řešení, ale v mnoha případech nejlépe odpovídá skutečnému problému. V izolované stavbě je zimní potřeba tepla téměř vždy vyšší než potřeba elektřiny. Proto může dávat smysl použít technologii, která vyrábí obě formy energie současně, s využitím jediného paliva a jediného zařízení.
Mikrokogenerace na biomasu přeměňuje pelety, dřevo nebo dřevní štěpku na elektřinu a teplo a funguje i bez připojení k elektrické síti. V horském nebo izolovaném prostředí přináší tento přístup dvě podstatné výhody. Na jedné straně lze palivo získat lokálně nebo vyrobit z biomasy dostupné v okolí, čímž se snižuje závislost na fosilních palivech dopravovaných z dálky. Na druhé straně vzniklé teplo není odpadem, ale využívá se k vytápění a ohřevu teplé užitkové vody, které obvykle tvoří většinu zimní energetické spotřeby.
Je třeba zdůraznit, že univerzální řešení neexistuje. Pokud se chata využívá jen o několika víkendech v roce, se sníženou spotřebou a bez praktické správy biomasy, může záložní generátor zůstat nejjednodušší a nejlevnější volbou. Mikrokogenerace naopak plně ukáže svůj potenciál u staveb obývaných nepřetržitě, byť třeba jen sezónně, a s výraznou potřebou tepla. Za těchto podmínek se výhoda současné výroby elektřiny a tepla stává konkrétní.
Orientační příklad: chata obydlená v zimě
Pro poskytnutí reálné představy o řádech veličin uveďme případ dobře izolované horské chaty, která je nepřetržitě obydlena během zimy. V mrazivém dni může být potřeba tepla na vytápění a ohřev teplé užitkové vody v řádu 70 kWh/den, zatímco spotřeba elektřiny na osvětlení, chladničku, čerpadlo vody a drobné spotřebiče se může pohybovat kolem 8 kWh/den.
Jako příklad uvažujme použití mikrokogenerační jednotky BioGS-1.0. Systém dokáže vyrobit až přibližně 24 kWh elektřiny a 140 kWh tepla denně, s poměrem mezi elektrickou a tepelnou energií přibližně 1:6. K pokrytí tepelné potřeby 70 kWh/den stačí provoz po dobu přibližně 12 hodin. Ve stejném období systém vyrobí přibližně 12 kWh elektřiny, tedy více než 8 kWh, které stavba vyžaduje: přebytek, přibližně 4 kWh, lze uložit do baterií nebo přeměnit na další tepelnou energii. Denní potřeba pelet činí přibližně 26 kg/den, tedy něco přes 780 kg/měsíc během nejchladnějšího období.
Uvedené hodnoty jsou pouze orientační a závisí na faktorech, jako je místní klima, tepelná izolace budovy, způsob užívání stavby a provozní podmínky zařízení.
Akumulace energie
Akumulační nádrž (puffer) 700-800 l umožňuje rozložit teplo vyrobené během provozních hodin generátoru do celého dne. To umožňuje snížit počet zapnutí a vypnutí a zlepšit provozní stabilitu systému. Podrobněji se tématu věnuje samostatný článek: Puffer: co to je a proč ho používat.
V konfiguraci tohoto typu nemusí baterie pokrývat celou denní energetickou potřebu, jak je tomu u čistě fotovoltaického systému. Musí naopak napájet především spotřebu, ke které dochází v hodinách, kdy mikrokogenerační jednotka neběží. Při průměrné spotřebě přibližně 8-10 kWh rozložené na 24 hodin představuje baterie 8 kWh obecně rozumný kompromis mezi autonomií a náklady. Dimenzování je samozřejmě třeba ověřit i s ohledem na špičky okamžitého výkonu, nejen na denní energetickou spotřebu.
Střídač
Generátor dodává relativně nízký nepřetržitý elektrický výkon, v řádu 1 kW. Typické okamžité špičky domácího odběru, jako je rozběh čerpadla nebo současné zapnutí více spotřebičů, však mohou vyžadovat mnohem vyšší výkon. Z tohoto důvodu musí být střídač 6 kW dimenzován podle maximálního výkonu požadovaného odběrem, nikoli podle jmenovitého výkonu mikrokogenerační jednotky. Pro chatu těchto rozměrů představuje hybridní střídač 6 kW obecně vhodné řešení.
Průběh v roce: fotovoltaika a mikrokogenerace se vzájemně doplňují
Cílem mikrogenerace není nahradit fotovoltaiku, ale kompenzovat její sezónní omezení. Během teplé části roku zůstává fotovoltaika obvykle hlavním zdrojem elektřiny díky vysokému slunečnímu záření. V tomto období se potřeba tepla omezuje téměř výhradně na ohřev teplé užitkové vody, takže mikrokogenerační jednotka pracuje jen několik hodin a vyrábí tedy málo elektřiny.
V zimě nastává opak: potřeba tepla výrazně roste a mikrokogenerační jednotka pracuje více hodin denně. Automaticky tedy roste i výroba elektřiny, právě v měsících, kdy klesá přínos fotovoltaiky. Obě technologie tak vykazují přirozenou komplementaritu: jedna se řídí dostupností slunce, druhá potřebou tepla.
Co je potřeba pro instalaci v izolovaném prostředí
Kromě správného dimenzování baterií a tepelné akumulace vyžaduje mikrokogenerační systém zvážit několik logistických aspektů:
- vhodný prostor pro skladování biomasy;
- dostupnost pro pravidelné doplňování paliva;
- dostupnost pro běžnou údržbu;
- vyprazdňování biocharu přibližně každých 60 hodin provozu;
- zvážení způsobu dopravy paliva na místo.
U mnoha instalací ve vysoké nadmořské výšce je právě logistika paliva hlavním faktorem projektu, někdy důležitějším než samotná technologie.
Závěry
Pro izolovaný dům neexistuje jediné univerzálně platné řešení. Fotovoltaika s akumulací zůstává často nejjednodušší a nejúčinnější volbou pro většinu roku, ale naráží na výrazná omezení během zimy, zvláště v horách, kdy sluneční výroba klesá, zatímco energetická spotřeba dosahuje maxima.
Pokud je potřeba tepla vysoká a stavba je užívána s určitou pravidelností, může být mikrokogenerace na biomasu obzvláště zajímavým doplňkem, protože umožňuje současnou výrobu elektřiny a tepla z jediného energetického zdroje. Tímto způsobem lze snížit závislost na velkých akumulačních systémech, omezit potřebu záložních generátorů a zlepšit energetickou soběstačnost v obdobích roku nejnáročnějších pro fotovoltaiku.
Konečná volba by měla vždy zohledňovat nejen počáteční investici, ale i dostupnost paliva, logistické náklady, nároky na údržbu a míru nepřetržitosti provozu vyžadovanou stavbou. Zvážení všech těchto faktorů umožňuje najít nejvhodnější řešení pro daný kontext a vytvořit energetický systém, který je skutečně spolehlivý po celý rok.
Pro další praktické a aplikační informace si přečtěte také Často kladené otázky o BioGS-1.0.