Indledning
I et isoleret hus dækker solceller med batterilager forbruget godt fra forår til efterår, men det kommer i problemer netop når det er mest nødvendigt: om vinteren, når solindstrålingen falder, og behovet for varme og el stiger.
Der er grundlæggende to måder at lukke dette hul på: at øge lagerkapaciteten eller at supplere med en ekstra energikilde. Det rigtige valg afhænger af bygningens egenskaber, forbruget og brugsmønstret, men det er vigtigt at forstå, at problemet skyldes en strukturel sæsonbetinget tilstand og ikke blot et for lille solcelleanlæg.
Hvorfor problemet er strukturelt og ikke et dimensioneringsspørgsmål
I bjergene eller i en isoleret fjeldhytte er den vinterlige solindstråling reduceret på grund af kortere dage, solens lavere højde over horisonten, ofte skyggede skråninger og sne, der kan dække panelerne i flere dage. Det er netop i denne periode, at energibehovet når sit maksimum: forbruget til opvarmning af rummene stiger, ligesom forbruget til produktion af varmt brugsvand og, i tilfælde af en beboet bygning, også til belysning og elektriske apparater.
Med andre ord falder solcelleproduktionens minimum sammen med forbrugets maksimum. Derfor løses problemet ikke blot ved at tilføje et par ekstra paneler: et anlæg dimensioneret til fuldt ud at dække vinterbehovet ville ofte blive alt for stort og underudnyttet resten af året.
Løsningerne, med reelle omkostninger og begrænsninger
Overdimensionere batterilageret. Elektrisk lagring er meget effektiv til at klare en eller flere overskyede dage, men bliver hurtigt dyr, når man forsøger at kompensere for uger eller måneder med lav solindstråling. For at dække lange vinterperioder ville der være behov for batterier med meget stor kapacitet, med investeringer der er svære at retfærdiggøre i de fleste off-grid-anvendelser. Desuden løser elektrisk lagring ikke direkte det primære vinterlige energibehov: varme.
Backupgenerator (diesel eller benzin). Dette er en udbredt løsning i systemer isoleret fra elnettet. Den giver pålidelighed og lave startinvesteringer, men har nogle konkrete begrænsninger: støjen kan være uforenelig med brug om natten eller med den ro, man søger i en fjeldhytte, og systemet er også meget belastende med hensyn til udstødningsemissioner. Desuden bortledes den varme, motoren genererer, generelt til omgivelserne i stedet for at blive brugt til opvarmning eller varmt brugsvand.
En kilde, der producerer el og varme samtidig. Dette er den mindre kendte, men i mange tilfælde den løsning, der bedst svarer til det reelle problem. I en isoleret bygning er det vinterlige varmebehov næsten altid højere end elbehovet. Derfor kan det give mening at bruge en teknologi, der producerer begge energiformer samtidig, ved hjælp af ét enkelt brændstof og ét enkelt anlæg.
Biomasse-mikrokraftvarme omdanner træpiller, brænde eller flis til el og varme, og fungerer også uden elnettet. I en fjeld- eller isoleret sammenhæng giver denne tilgang to væsentlige fordele. På den ene side kan brændslet skaffes lokalt eller produceres ud fra biomasse, der er tilgængelig i nærheden, hvilket mindsker afhængigheden af fossile brændstoffer transporteret langvejs fra. På den anden side er den producerede varme ikke spild, men bruges til opvarmning og varmt brugsvand, som normalt udgør den største del af det vinterlige energiforbrug.
Det skal dog understreges, at der ikke findes én universel løsning. Hvis en fjeldhytte kun bruges nogle få weekender om året, med begrænset forbrug og uden en praktisk håndtering af biomassen, kan en backupgenerator forblive det enkleste og billigste valg. Mikrokraftvarme viser derimod sit fulde potentiale i bygninger, der bruges kontinuerligt, også sæsonbetinget, og som har et betydeligt varmebehov. Under disse forhold bliver fordelen ved samtidig produktion af el og varme konkret.
Et vejledende eksempel: en fjeldhytte beboet om vinteren
For at give en realistisk størrelsesorden ser vi på tilfældet med en velisoleret fjeldhytte, der er beboet kontinuerligt om vinteren. På en kold dag kan varmebehovet til opvarmning og varmt brugsvand være i størrelsesordenen 70 kWh om dagen, mens elforbruget til belysning, køleskab, vandpumpe og mindre husholdningsapparater kan ligge omkring 8 kWh om dagen.
Som eksempel kan vi se på brugen af en BioGS-1.0-mikrokraftvarmeenhed. Systemet kan producere op til cirka 24 kWh el og 140 kWh varme om dagen, med et forhold mellem el og varme på cirka 1:6. For at dække et varmebehov på 70 kWh/dag er en driftstid på cirka 12 timer tilstrækkelig. I denne samme periode producerer systemet cirka 12 kWh el, mere end de 8 kWh/dag, bygningen kræver: overskuddet, på cirka 4 kWh, kan lagres i batterierne eller omdannes til yderligere varme. Det daglige behov for træpiller er på cirka 26 kg/dag, svarende til lidt over 780 kg/måned i den koldeste periode.
De angivne værdier er udelukkende vejledende og afhænger af faktorer som det lokale klima, bygningens isolering, brugsmønstret for bygningen og anlæggets driftsforhold.
Energilagring
En buffertank på 700-800 liter gør det muligt at fordele den varme, der produceres i de timer, generatoren kører, ud over hele døgnet. Dette reducerer antallet af start og stop og forbedrer systemets driftsstabilitet. Læs mere i den dedikerede artikel: Buffertank: hvad det er, og hvorfor man skal bruge den.
I en sådan konfiguration behøver batteriet ikke at dække hele det daglige energibehov, som det er tilfældet i et rent solcelleanlæg. Det skal derimod primært forsyne det forbrug, der finder sted i de timer, hvor mikrokraftvarmeenheden ikke er i drift. Med et gennemsnitligt forbrug på cirka 8-10 kWh fordelt over 24 timer udgør et batteri på 8 kWh nyttig kapacitet generelt et fornuftigt kompromis mellem autonomi og omkostning. Dimensioneringen skal naturligvis også kontrolleres i forhold til de momentane effekttoppe og ikke kun det daglige energiforbrug.
Inverter
Generatoren leverer en relativt begrænset kontinuerlig eleffekt, i størrelsesordenen 1 kW. De typiske momentane effekttoppe i en husholdning, som opstart af en pumpe eller samtidig tænding af flere apparater, kan dog kræve langt højere effekt. Derfor skal inverteren dimensioneres efter den maksimale effekt, forbrugeren kræver, og ikke efter mikrokraftvarmeenhedens nominelle effekt. For en fjeldhytte af denne størrelse udgør en hybrid-inverter på 6 kW generelt en passende løsning.
Årets forløb: solceller og mikrokraftvarme udligner hinanden
Målet med mikrokraftvarme er ikke at erstatte solcellerne, men at kompensere for deres sæsonbetingede begrænsning. I den gode årstid forbliver solcellerne normalt den primære elkilde takket være den høje tilgængelige solindstråling. I denne periode er varmebehovet næsten udelukkende begrænset til produktion af varmt brugsvand, hvorfor mikrokraftvarmeenheden kun kører i få timer og derfor producerer lidt el.
Om vinteren sker det modsatte: varmebehovet stiger betydeligt, og mikrokraftvarmeenheden arbejder flere timer om dagen. Elproduktionen stiger derfor automatisk også, netop i de måneder, hvor solcellernes bidrag falder. De to teknologier udviser dermed en naturlig komplementaritet: den ene følger solens tilgængelighed, den anden følger varmebehovet.
Hvad der kræves for at installere det i en isoleret sammenhæng
Ud over korrekt dimensionering af batterier og termisk lagring kræver et mikrokraftvarmeanlæg nogle logistiske aspekter, der skal vurderes nøje:
- et passende rum til opbevaring af biomassen;
- tilgængelighed til periodisk påfyldning af brændsel;
- tilgængelighed til almindelig vedligeholdelse;
- håndtering af tømning af biokul, som bør udføres cirka hver 60. driftstime;
- vurdering af, hvordan brændslet skal transporteres frem til stedet.
I mange installationer i høje højder er det netop brændselslogistikken, der udgør den vigtigste projektfaktor, undertiden vigtigere end selve teknologien.
Konklusion
For et isoleret hus findes der ikke én universel løsning, der passer til alle. Solceller med batterilager forbliver ofte det enkleste og mest effektive valg for størstedelen af året, men støder på betydelige begrænsninger om vinteren, især i bjergene, når solproduktionen falder, mens energiforbruget når sit maksimum.
Når varmebehovet er højt, og bygningen bruges med en vis kontinuitet, kan biomasse-mikrokraftvarme være en særligt interessant tilføjelse, fordi den gør det muligt at producere el og varme samtidig ved brug af én enkelt energikilde. På denne måde er det muligt at reducere afhængigheden af store lagringssystemer, begrænse brugen af nødgeneratorer og forbedre energiautonomien i de perioder af året, der er mest kritiske for solcellerne.
Det endelige valg bør altid tage hensyn ikke kun til den indledende investering, men også til brændslets tilgængelighed, de logistiske omkostninger, vedligeholdelsesbehovene og det niveau af driftskontinuitet, bygningen kræver. En samlet vurdering af disse faktorer gør det muligt at finde den løsning, der bedst passer til den enkelte situation, og at etablere et energisystem, der er reelt pålideligt hele året.
For at uddybe yderligere praktiske og anvendelsesmæssige aspekter, se også Ofte stillede spørgsmål om BioGS-1.0.