Úvod
KVET
Mikrokogenerace
Domácnosti jsou spotřebiči tepla i elektřiny, přičemž elektřinu nakupují z elektrické sítě a teplo na topení a ohřev vody si vyrábí v kotlích a zařízení k tomu určených (elektrické boilery, průtočné kotle a pod.), nebo jej odebírá z rozvodů centrálního zásobování teplem. Především rostoucí ceny energií, touha po nezávislosti a ekologická odpovědnost obyvatel vede k pořizování zařízení, které elektřinu a teplo dokáží maximálně efektivně vyrábět i v domácnostech. V této souvislosti se jako velice perspektivní ukazují technologie na bázi obnovitelných zdrojů, přičemž vysoce účinná je kombinovaná výroba elektřiny a tepla (KVET) neboli kogenerace (pro malé výkony typické pro domácnosti se užívá názvu Mikrokogenerace). Hlavním předpokladem takových technologií musí být smysluplná úspora paliva (pokud na vstupu je), snížení ekologické zátěže a přijatelné pořizovací a provozní náklady.
DEZ
KJ
Z technologického hlediska lze zařízení pro výrobu energií rozdělit na ty, které dokáží vyrábět pouze teplo (výtopenský zdroj do domácnosti DVZ), pouze elektřinu (elektrárenský zdroj do domácnosti DEZ) a technologie, které dokáží současně vyrábět elektřinu i teplo – kogenerační jednotky (KJ).
Výroba tepla v domácnostech
Možnost akumulace
Výroba tepla v domácnostech není technologicky náročná a je především u rodinných domů rozšířená. Hospodárnost a ekologičnost výroby tepla nejvíce ovlivňuje správný výběr zařízení pro jeho výrobu (princip a výkon). Výrobu tepla lze optimalizovat kombinací několika zařízení pracující na různých principech a akumulací tepla, které snižuje výkyvy v potřebném výkonu, viz Obrázek 502, s. 2.
Nejčastěji se teplo v domácnostech vyrábí spalováním paliva v kotlích. Palivem bývá především zemní plyn, který je rozváděn v ČR hustou sítí plynovodů, samotné spalování plynu pak probíhá obvykle v průtočný kotlích. Dále jiné druhy fosilních paliv jako je uhlí, rašelina a ojediněle i ropné produkty. Výhodou uhlí je relativně snadná skladovatelnost, nevýhodou jsou vyšší emise při spalování a zbytky po spalování (popel může obsahovat nebezpečné látky, které jsou v uhlí obsažené ve formě popelovin a je nutné s nimi odpovídajícím způsobem zacházet). Dalším a v posledních letech čím dál více významnějším zdrojem spalovacích zařízení je biomasa. Především se používá palivové dříví a tzv. peletky (lisované zbytky biomasy). S oblibou biomasy se zvyšuje i obliba krbů a krbových kamen, ze kterých lze teplo rozvádět po celém domě (ohřev vody v krbové vložce), tím odpadá centrální kotelna v domě.
v ČR hustou sítí plynovodů, samotné spalování plynu pak probíhá obvykle v průtočný kotlích. Dále jiné druhy fosilních paliv jako je uhlí, rašelina a ojediněle i ropné produkty. Výhodou uhlí je relativně snadná skladovatelnost, nevýhodou jsou vyšší emise při spalování a zbytky po spalování (popel může obsahovat nebezpečné látky, které jsou v uhlí obsažené ve formě popelovin a je nutné s nimi odpovídajícím způsobem zacházet). Dalším a v posledních letech čím dál více významnějším zdrojem spalovacích zařízení je biomasa. Především se používá palivové dříví a tzv. peletky (lisované zbytky biomasy). S oblibou biomasy se zvyšuje i obliba krbů a krbových kamen, ze kterých lze teplo rozvádět po celém domě (ohřev vody v krbové vložce), tím odpadá centrální kotelna v domě.
Pro ohřev TUV a v menší míře i pro vytápění je možné využít sluneční energii, kterou lze zachytávat solárními kolektory. Tento způsob je ale vždy spjat s akumulací tepla, protože sluneční záření je neregulovatelné.
Pro domácnost může být výhodné vyrábět teplo z elektřiny (buď topnými tělesy nebo tepelným čerpadlem) v denní době, ve které je elektřina levná. Ovšem v takovou denní dobu ani domácnost nemívá velkou spotřebu tepla, a proto se toto vyrobené teplo akumuluje v tepelném akumulátoru a spotřebovává později.
Výroba elektřiny v domácnostech
Elektřinu v domácnostech nelze vyrábět hospodárně, ekologicky a bezpečně pomocí zmenšených variant velkých elektráren. Jednak se jedná o menší výkony (s klesajícím výkonem obvykle klesá i účinnost transformací energie), a jednak požadavky pro výrobu v domácnostech jsou mnohem různorodější, protože se jedná o technologie umístěné v oblasti určené primárně pro bydlení s přísnými hygienickými limity. Elektřinu lze v domácnostech vyrábět pouze pomocí fotovoltaického systému a větrných elektráren případně pomocí elektrocentrály ze spalovacím motorem na zemní plyn nebo kapalná paliva.
v domácnostech jsou mnohem různorodější, protože se jedná o technologie umístěné v oblasti určené primárně pro bydlení s přísnými hygienickými limity. Elektřinu lze v domácnostech vyrábět pouze pomocí fotovoltaického systému a větrných elektráren případně pomocí elektrocentrály ze spalovacím motorem na zemní plyn nebo kapalná paliva.
Současně nelze přesně kopírovat výrobu elektřiny podle aktuální spotřeby jedné domácnosti, která je velmi proměnlivá, viz Obrázek 494. Navíc větrná turbína a fotovoltaický panel jsou technologie využívají k výrobě elektřiny přírodní zdroje proměnné intenzity, a elektrocentrálu nelze proměnlivě zatěžovat kvůli nárůstu opotřebení součástí mimo optimální výkon.
Kvůli vyladění spotřeby a výroby elektřiny v domácnosti je nutné výrobu elektřiny sdílet s akumulačním systém elektrické energie, s okolím domácnosti a s přenosovou soustavou. Takže při nadbytku výroby domácnost do těchto systémů elektřinu dodává, a naopak, viz Obrázek 495.
Výhodami výroby elektřiny v domácnostech jsou menší zatěžování přenosové soustavy a obecně menší spotřeba primárních energetických zdrojů používaných v elektrárnách. Připojení takto malých jednotek (0,1...2 kWe) do sítě je realizováno přes 16 ampérový jistič (pro většinu domácností naprosto dostačující) k síti o napětí 230 V. Tato elektřina může být bez jakýchkoliv dalších úprav spotřebována.
Účtování elektřiny vyrobené v domácnosti
Vyúčtování služeb za připojení k distribuční soustavě (zajišťuje propojení přenosové soustavy s jednotlivými spotřebiči a zdroji) probíhá podle výsledné bilance elektrické energie v domácnosti (údaji na elektroměru). Účtování spotřeby či výroby elektřiny probíhá po účtovacím období a probíhá na základě smluvního vztahu provozovatele DS a majitele domácnosti. Obvykle ale mohou vzniknout celkem tři případy účtování: 1. DEZ vyrobil přesně tolik elektrické energie kolik domácnost spotřebovala; 2. DEZ vyrobil méně elektrické energie než kolik domácnost spotřebovala; 3. DEZ vyrobil více elektrické energie než činila spotřeba domácnosti.
1/3. Jestliže DEZ vyrobil přesně tolik elektrické energie, kolik domácnost spotřebovala, pak domácnost platí provozovatelům distribuční soustavy pouze paušální poplatek za připojení do sítě a za poskytování elektřiny v době, kdy je DEZ mimo provoz, a přesto domácnost elektřinu spotřebovává.
2/3. Jestliže DEZ vyrobil méně elektrické energie, než kolik domácnost spotřebovala, pak domácnost platí smluvní cenu za jednotku energie, kterou spotřebovala na úkor distribuční soustavy.
3/3. Jestliže DEZ vyrobil více elektrické energie, než činila spotřeba domácnosti, pak provozovatel distribuční soustavy zaplatí za takovou „nespotřebovanou“ elektřinu smluvní cenu. Tento případ je pro domácnost nevýhodný, pokud je výkupní cena elektřiny nižší než prodejní – nižší úspora sumy peněz za dobu životnosti DEZ. Jiná možnost je, že domácnost se zřekne zisku z přebytku výroby elektřiny ve prospěch sítě. V podstatě se jedná o zapojení elektrárenského zdroje v domácnosti s vědomím provozovatele distribuční soustavy s klasickým smluvním vztahem, ve kterém domácnost figuruje pouze jako spotřebitel. Výhoda je v tom, že domácnost není ekonomický subjekt prodávající elektřinu. Zároveň se snaží, aby jeho bilance odpovídala případu 1. a platil pouze paušální poplatky za připojení k síti. Tento typ účtování nazvaný Net-metering [9] byl zprovozněn v roce 2012 i na Slovensku [4].
Akumulace elektřiny v domácnostech
V současné době se pro akumulaci elektřiny v domácnostech používají elektrické baterie typu Li-ion, viz Obrázek 412. Finančně se vyplatí pouze je-li v domácnosti i zdroj elektrické energie. Akumulace elektrické energie v bateriích je totiž stále velmi nákladná vzhledem k ceně elektrické energie a ceně baterií. Navíc celé zařízení prodražuje i převodník stejnosměrného proudu na střídavý a obráceně, protože domácnost je spotřebičem střídavého proudu. V případě dobíjení elektromobilu "ze zásuvky" je také potřeba střídavý proud.
proudu. V případě dobíjení elektromobilu "ze zásuvky" je také potřeba střídavý proud.
Kombinovaná výroba elektřiny a tepla v domácnostech
Definice a cíle KVET
Kombinovanou výrobou elektřiny a tepla v domácnosti je myšleno využití jednoho zařízení (kogenerační jednotky), ve kterém se realizuje tepelný oběh za účelem výroby elektrické energie a přitom využíváme i teplo z tohoto oběhu, viz Obrázek 497. Za KVET nelze považovat kombinaci dvou nezávislých zařízení, jako například fotovoltaický panel a solární kolektor, nebo spalovací motor jen pro výrobu elektrické energie a kotel na vytápění. Cílem je totiž uspořit primární energii oproti oddělené výrobě elektřiny a tepla.
Základní filozofií KVET v domácnosti je vyrábět v kogenerační jednotce elektřinu i teplo v množství jakou domácnost sama spotřebuje. Jen tak dojde k maximální úspoře primární energie a k ekonomickému zhodnocení kogenerační jednotky.
spotřebuje. Jen tak dojde k maximální úspoře primární energie a k ekonomickému zhodnocení kogenerační jednotky.
Provoz KJ
Limitujícím faktorem chodu KJ je spotřeba tepla v domácnosti. Zatím co nadvýrobu elektřiny lze dodávat do okolní sítě, tak teplo lze hospodárně sdílet s okolím domácnosti jen velmi omezeně. Z toho důvodu bývá jednotka v provozu v době maximální poptávky domácnosti po elektřině, viz Obrázek 499. Většina KJ pro domácnosti má omezenou možnost regulace výkonu, proto bývá strojovna KJ vybavena i akumulátorem tepla.
Optimální provoz kogenerační jednotky je závislý na použité technologii a teplárenském modulu jednotky, který by měl být roven skutečnému teplárenskému modulu spotřeby domácnosti. Problémy ovšem přináší fakt, že teplárenský modul spotřeby domácnosti bývá většinou mnohem větší než teplárenský modul jednotek. Teplárenský modul domácnosti lze ale snížit, například použitím pračky s přípojkou na studenou i teplou vodu, čímž se zvýší spotřeba tepla a současně sníží spotřeba elektřiny pro ihřev vody v pračce. Typický teplárenský modul palivového článku s integrovaným kotlem na zemní plyn se pohybuje v rozmezí 0,4..0,05, kogenerační jednotky s pístovým parním motorem je kolem 0,19, kogenerační jednotky se Spalovacím motorem je kolem 0,31 a kogenerační jednotky se Stirlingovým motorem je kolem 0,15 – na druhou stranu všechny uvedené technologie jsou nezávislé na denní době a počasí a je možné je kdykoliv spouštět.
Rozdíl mezi spotřebou tepla v létě a zimě bývá tak velký, že je nutné teplárenský modul KJ dimenzovat podle teplárenského modulu domácnosti pro letní sezónu a v zimě KJ provozovat delší dobu (nutno počítat se zvýšenou nevýhodnou dodávkou elektřiny do sítě), nebo případně doplnit strojovnu KJ pomocným vytápěcím zdrojem. Je sice možné záměrně snižovat účinnost výroby elektrické energie v KJ ve prospěch tepla (snížení teplárenského modulu KJ), ale tím by se snížila návratnost celé investice do KJ, protože rychlost jejího opotřebení se nemění, a proto za svou životnost by vyrobila méně elektřiny.
Virtuální teplárny
Výhodné (z pohledu účtování a dohledu nad výkony kogenerační jednotky) pro provozovatele distribuční soustavy i provozovatele kogeneračních jednotek je vytvoření virtuální teplárny. Virtuální teplárnu tvoří několik kogeneračních jednotek rozmístěných v dané lokalitě, ale se společným řídícím systémem a účtováním elektřiny. Řídící systém jednotky spouští a odstavuje dle požadavku distribuční soustavy nebo podle smluvních pravidel s provozovatelem distribuční soustavy. Výhoda pro provozovatele distribuční soustavy je v garanci dodávaného výkonu. Výhoda na straně kogenerační jednotky je možnost nasmlouvání výhodnější ceny elektřiny díky zmíněné garanci výkonu.
V těchto případech domácnost, ve které je KJ umístěna musí počítat s tím, že KJ bude nejčastěji zapínána dálkově v době nejvyšší poptávky po elektřině v dané lokalitě. Tato "špičková" doba bývá podle grafů z [2] mezi 6 a 20 h.
Stanovení optimálního výkonu kogenerační jednotky
Optimální technické parametry kogenerační jednotky lze přesně vymezit pomocí nejen teplárenského modulu domácnosti, ale také z 1. referenční hodnoty účinnosti oddělené výroby elektřiny a tepla pro domácnost; 2. úspory primární energie při kombinované výrobě tepla a elektřiny přímo v domácnosti. Z uvedených definic klíčových veličin lze sestrojit nomogram pro určení optimálních parametrů kogenerační jednotky, viz Obrázek 501, s. 8.
1/2. Podíl mezi veškerou spotřebovanou energií v domácnosti za sledované období (součet spotřebované elektřiny a tepla) a množstvím primární energie spotřebované při oddělené výrobě stejného množství elektřiny a tepla (započítává se i ztráta při přenosu).
2/2. Jedná se množství uspořeného paliva při výrobě daného množství elektřiny a tepla pomocí kogenerační jednotky, oproti množstvím primární energie spotřebované při oddělené výrobě stejného množství energie. Podrobnosti jsou uvedeny v [3]. PES je anglická zkratka slov "Primary Energy Savings".
Cílem je provozovat kogenerační jednotku tak, aby její teplárenský modul eKJ byl stejný jako teplárenský modul domácnosti e, a aby zároveň došlo alespoň k 10% úspoře primární energie. Z nomogramu je také patrné, že ideální elektrická účinnost průměrné kogenerační jednotky by měla být kolem 26 % (platí při 85% celkové účinností KJ), ovšem i při elektrické účinnosti kolem 9 % je stále ještě úspora primární energie 10 %.
Skutečná elektrická účinnost kogenerační jednotky nebude záviset pouze na zmíněných technických parametrech, ale také na ekonomické návratnosti investice do kogenerační jednotky (což je funkce pořizovací ceny, servisních nákladů, životnosti, rozdílu energie v palivu pro kogenerační jednotku, ceny kupované elektřiny atd.).
funkce pořizovací ceny, servisních nákladů, životnosti, rozdílu energie v palivu pro kogenerační jednotku, ceny kupované elektřiny atd.).
Řízení výroby a spotřeby energií v domácnostech
Cesta k maximální úspoře nákladů na energie v domácnosti vede také přes soulad mezi spotřebou a výrobou energií. Jak již bylo uvedeno, první krokem je akumulace energie. Druhým krokem je vyladění činnosti zdrojů, akumulace a spotřeby energie pomocí programovatelného elektronického řídícího systému. Z pohledu řídícího systému platí, že čím více má informací, tím lépe může sladit činnosti jednotlivých komponent.
Řídící programy využívají pro odhad spotřeby tepla a elektřiny i předpovědi počasí načítané z internetu. Pomocí předpovědi počasí lze odhadovat i očekávanou výrobu elektřiny zdroji závislých na počasí. Na základě těchto predikcí řídící systém ovlivňuje akumulaci energie (vybíjení a nabíjení akumulačního systému nebo může zahájit dobíjení elektrických akumulátorů v automobilu, sekačce apod.) a dokáže odložit či doporučit na příhodnější den/hodinu energeticky náročné činnosti (například praní), viz Obrázek 954. Řídící program také dokáže některé zbytné spotřebiče/okruhy dočasně odpojit/připojit apod., jestliže jsou zásuvky v domácnosti rozděleny do okruhů podle priorit. Samozřejmostí je i případné připojování/odpojování na rozvodnou elektrickou síť v okamžiku výhodného tarifu.
Pár slov na závěr
Mnoho technologií vhodných pro použití k výrobě elektřiny v domácnostech se teprve rozvijí a i možnosti upotřebit efektivně vyrobenou elektřinu ještě nejsou zcela ideální, a proto je nezbytností sdílení elektřiny s distribuční soustavou.
Výroba elektrické energie v domácnosti může snížit spotřebu primární energie i produkci CO2 v případě využití obnovitelných zdrojů (bez započítání emisí vzniklé při výrobě jednotky). Důležitým předpokladem pro využívání energetických jednotek v domácnostech je ekonomické hledisko (finanční úspory) a legislativa, která může použití kogenerační jednotky zefektivnit a přiměřeně ohodnotit jejich celkový přínos společnosti. Některé technologie kogeneračních jednotek umožňují spalovaní biomasy v malých objemech, což by umožňovalo dokonalejší a levnějšímu využití biomasy v bezprostředním okolí umístění kogeneračních jednotek.