Lakossági villamos energia tároló rendszerek  2. RÉSZ – az akkumulátor kiválasztása és a napelemrendszer méretének meghatározása bruttó elszámolási rendszerben

Előző cikkünk keretében áttekintettük az inverter kiválasztás legfontosabb szempontjait, az inverter méretének meghatározását, jelen cikk keretében arra keressük a választ, hogy az energiatárolóval kombinált napelemes rendszert mekkora méretűre érdemes terveznünk. Peremfeltételként a jelenleg érvényben lévő bruttó elszámolást alapul véve jellemző fogyasztási görbékre végezve a számításokat, modellezést. Emellett kitérünk részletesebben a leggyakrabban alkalmazott energiatárolók kialakítására, a kiválasztás szempontrendszerére.

Új perspektívák és lehetőségek az energiatárolás térnyerésével

Az energiatárolás széles körű elérhetőségével az energiaköltségeink csökkentésén felül, a mellett újabb lehetőségek nyíltak meg előttünk:

• a napelemes rendszerekkel jellemzően ez energiafogyasztásunk 15-20%-át voltunk képesek a saját előállítású energiával fedezni, a fennmaradó energiaigényünket a hálózatból történő vételezéssel biztosítottuk, energiatárolással ez az érték könnyen 50%-re növelhető, amennyiben az önellátásunkat szeretnénk maximalizálni akár 100%-ban is biztosíthatjuk energiaigényünket saját forrásból.

• Áramszünet esetére az általunk kiválasztott fogyasztók számára szünetmentes áramforrás biztosítása, ezzel az energiabiztonságunk szintjének növelése.

• CO2 kibocsátás csökkentése – egyre szélesebb körben igyekszünk tenni azért, hogy az energiaigényünket CO2 semleges forrásból biztosítsuk, a napelemmel előállított, energiatárolóba betárolt energia CO2 semleges energiának minősül.

Attól függően, hogy a fenti lehetőségek közül mi a legfontosabb számunkra, mi az elsődleges célunk az energiatárolós napelemes rendszerrel kapcsolatban nagyon tág határok között változik a telepítendő napelem teljesítménye, és az akkumulátor kapacitása. Nagyon sokan kalkulálják a megtérülési időt a napelemes rendszerek esetében, de egyre többen vannak, akik számára fontos az energiabiztonság, arra is törekednek, hogy esetleges áramkimaradás esetén az ingatlanjuk működőképes maradjon. Ez különösképp a 2022-es évet követően értékelődött fel, amikor az energiaárak megsokszorozódtak, a benzinkutakon akadozott az üzemanyagellátás, Európának újra kellett gondolnia az energiaellátását. Azóta ezt egyéni szinten is sokan megteszik, és amit tudnak megtesznek egy nagyobb energiabiztonság eléréséért.

Mi alapján tervezzük meg a rendszerünket?

A rendszer méret meghatározásakor a telepített napelem teljesítmény (kWp), a kapcsolódó inverter teljesítmény (kW) és a tároló kapacitás (kWh) meghatározása a feladatunk. A tároló kapacitásának megállapításával kapcsolatosan a legegyszerűbb utat akkor járjuk, ha kiszámoljuk, mennyi fogyasztót, milyen hosszú időszakon keresztül szeretnénk ellátni akkumulátorban tárolt energiával. Télen a rövidebb napos időszakok végett hosszabb időszakot kell áthidalni a tároló által szolgáltatott energiával, azonban gyakran előfordul, hogy az akkumulátor feltöltése a nap folyamán nem tud megvalósulni, így a nagy méretű tároló önmagában nem nyújt megoldást. A hazainál fejlettebb németországi piacot vizsgálva arra jutunk, hogy a 2023-as telepítések során az átlagos telepített kapacitás 8,5 kWh, az érték az elmúlt évek során lépésről lépésre növekedett. Gyakorlati tapasztalatok alapján gázkazános melegvíz rendszer és fűtésrendszer mellett 7,5-10 kWh kapacitásban érdemes gondolkoznunk, hőszivattyús melegvíz rendszer és fűtés esetén a rendszer okos vezérlésével (napközbeni melegvíz előállítással és fűtéssel) 10-20 kWh méretű tárolóval érdemes kalkulálnunk. Amennyiben villanyautó töltését is tervezzük a napos időszakon kívül, és szeretnénk a saját magunk által megtermelt energiával közlekedni 20 kWh vagy a feletti tárolókapacitást is napi szinten ki fogunk tudni használni.

Szoftveres tervezés lehetőségei és előnyei

Amennyiben mélyebben szeretnénk belemenni a rendszer méretének meghatározásába, lehetőségünk van software-s méretezést végezni az ingatlan fogyasztási profilját alapul véve. Az 1-es táblázatban látható egy éves 3836 kWh fogyasztású ingatlan fogyasztási profilja alapján különféle esetekre végzett számítások eredményei. Az első két számítást a 10 évre és 15 évre számított nettó jelenérték maximalizálásával futtattuk (nettó jelenérték egyszerűen a projekt által generált összes bevétel a vizsgált időszakban mínusz a beruházás költsége, tehát ennyi nyereséget termelt a beruházás az adott időszak alatt), a harmadik optimalizációt téli időszakot figyelembe véve 48 órás energiakimaradás 95%-os valószínűséggel történő átvészelésére, míg a negyedik és az ötödik számításban az önellátás 80%-os és 100%-os elérését céloztuk meg.  

A számítások alapján jól látható, hogy egy hozzávetőlegesen 3800 kWh energiafogyasztású háztartás számára - amennyiben önmagában a megtérülésre optimalizálunk - a jelen energiaárak mellett 66%-os állami támogatás kulcsfontosságú, a támogatással 4 kWp-es napelemrendszer és 7-8 kWh-s tároló adódik. Ekkora méretű rendszerekkel hozzávetőlegesen 70%-ban elő tudjuk állítani az energiaszükségletünket, ami egy nagyon szép eredmény a tároló nélküli napelemes rendszerek 20% körüli értékéhez viszonyítva. Érdekességképp futtattunk modellezéseket ugyanezen fogyasztási profillal 48 órán keresztül 4 különböző téli időszakra eső áramkimaradás esetére, a kalkulált rendszer 95%-os biztonsággal képes ellátni a háztartást energiával 48 órán keresztül folyamatosan. A kalkuláció alapján jól látható, hogy a rendszert jelentősen nagyobbra kell méreteznünk ahhoz, hogy 48 órás áramkimaradás esetén azonos fogyasztói szokások mellett is megoldást nyújtson a tároló. Amennyiben a CO2 semlegesség a célunk, és szeretnénk a saját magunk által előállított energiával üzemelni, akkor a 80%-os szint eléréséhez szükséges rendszer méret minimális többletberuházást jelent, viszont a 80%-os és 100%-os szint között napelem szinten ötszörös, míg akkumulátorban három és félszeres beruházás szükséges.

A modellező program által generált energiaáramlás diagramból érdekességképpen 3 tavaszi nap látható az 1-es ábrán:  

Az ábrán piros színnel látható a közvetlen hasznosuló napelemes energia, narancssárga színnel az akkumulátorba betáplált, míg a sárga színnel a hálózatba betáplált energia. Az akkumulátor által biztosított energia kék színnel jelenik meg, míg a hálózatból vételezett energia szürke színnel. Az ábrán az látható, hogy a 4 kWp teljesítményű napelemes rendszer a 7 kWh kapacitású akkumulátorral napsütéses napokon, és az azokat követő éjszakákon közel 100%-ban képes az ingatan energiáját biztosítani. A fenti ábra alapján belelátunk a software működésébe --> láthatjuk, hogy a valódi energiatárolós rendszerekhez képest kis mértékben eltérően működik, hiszen a lakossági méretű energiatárolók nem kalkulálnak a következő napok kedvezőtlen időjárásával, és nem tartalékolnak energiát erre az időszakra, míg a software által épített modell ezt figyelembe veszi.

A következő lépésben megvizsgáltuk, hogy nagyobb energiafogyasztású (éves 8738 kWh) háztartás esetén 15 évre mi lenne ideális rendszer méret, 66%-os állami támogatás mellett (2. táblázat 2. oszlop), illetve az energiabiztonság eléréséhez, az önellátás 80%-os és 100%-os biztosításához mekkora rendszerméretek telepítése szükséges. Az eredmények a 2. táblázatban láthatóak:

A 2. táblázat első oszlopában található eredmények nem optimalizálás alapján adódtak, hanem az NPP pályázatban meghatározott felső határértékeket tápláltuk be a software számára, amit kerestünk, hogy az önfogyasztást mekkora mértékben tudja biztosítani egy ilyen rendszer, illetve hozzávetőlegesen 1.55 m Ft-os önerő esetén számítottuk a megtérülési időt, ami 6,33 évre adódott.

A napelemes teljesítmény és az akkumulátor hozzávetőleges teljesítményének meghatározását követően rátérhetünk az akkumulátor kiválasztására.

A megfelelő energiatároló kiválasztásának lépései

Az első lépés az energiatároló kémiájának kiválasztása - a lakossági energiatárolásban a lítium akkumulátorok egyeduralkodóak, az utóbbi években ezek közül a lítium-vasfoszfát (LFP vagy LiFePo4) típus nyert magának teret, hiszen hosszabb élettartamú (jellemzően 6000-8000 ciklus) és biztonságosabb (az NMC kémia gyulladási pontja 160 °C, míg a kiváló minőségű prizmatikus LFP cellák gyulladási pontja a 630°C-ot is eléri) mint a korábban használt NMC típus. A gyártók napjainkra többnyire áttértek az LFP kémia használatára, így a keresletünk és a kínálat találkozni fog.

A következő fontos paraméter a telepítés helyszíne – az akkumulátor gyártók jellemzően széles használati hőmérséklettartományt adnak meg az adatlapon (akár -20°C és +50°C közötti használhatósággal), azonban a gyakorlatban ezzel a legtöbb esetben nem érdemes kalkulálnunk. Egyes gyártók az adatlapon és a garanciális szerződésben eltérő hőmérsékleti értékeket adnak meg (a garanciális szerződésben szűkebb a tartomány), így erősen javasolt a garanciális szerződés áttanulmányozása. Az akkumulátorok vezérlése (BMS) kis cella hőmérséklet esetén (egyes gyártóknál már 15°C-os cellahőmérséklettől) korlátozza a töltés áramerősségét az akkumulátor cellák védelmének érdekében, hiszen hideg állapotban gyorsan töltve a cellák maradandó károsodást szenvednek. Egyes akkumulátorok képesek fűteni a cellákat, ezzel megelőzve a cellák túlzott kihűlését, azonban ez jelentős energiafogyasztással jár pont abban az időszakban, amikor jellemzően a napelemes termelés minimális, és az energia nagy részét a hálózatból vételezzük. A gyakorlati tapasztalat, hogy 10-12 °C-os helyiségben már nyugodt szívvel elhelyezhető az akkumulátor, hiszen a töltése és kisülése során hő képződik, mivel az átfolyó energia 1-3%-a hővé alakul a cellákban. Abban az esetben, ha a cellák hőmérséklete 10 °C-ra csökkenne a töltés megkezdésével lassan elkezd melegedni, és rövid idő után eléri azt a tartományt, ahol a töltési teljesítmény már korlátlanul rendelkezésre áll. A kültéri elhelyezés ellen szól a nyári magas hőmérséklet is, a cellák hőmérsékletét célszerű 40°C alatt tartani az élettartam maximalizálása, a degradáció lassítása érdekében, ami a gyakorlatban 25-28°C alatti környezeti hőmérsékletet jelent, hiszen az akkumulátor töltése és kisülése során melegszik, a belső hőmérséklete 10-15°C-al meghaladhatja a külső hőmérsékletet. A fentieket összefoglalva az LFP akkumulátorokat energiahatékony működésük, és a lehető leglassabb degradáció elérése érdekében érdemes 12-28°C-os hőmérséklet-tartományú helyiségben elhelyezni, kerülve a közvetlen hőforrásokat, a közvetlen napfényt.

A telepítés helyszíne szempontjából az inverter távolságát is figyelembe kell vennünk. Az előző cikkben röviden kifejtettük és számszerűsítettük az inverter és akkumulátor közötti DC kábeleken jelentkező veszteségeket.

Emellett azonban még egy nagyon fontos szempont van, amit figyelembe kell vennünk, az tűzvédelem és  a Tűzvédelmi Műszaki Irányelvben meghatározott szempontok. E szerint amennyiben az inverter és az akkumulátor egymástól több mint 5 méter távolságra helyezkedik el, illetve amennyiben külön légtérben találhatóak akkor az akkumulátor közelében távműködtetésű DC leválasztót kell elhelyezni. A távműködtetésű DC-leválasztó növeli a beruházás költségeit és lehetséges hibaforrást generál, így célszerű úgy megválasztani az akkumulátor és az inverter helyét, hogy egy helyiségben, egymástól kis távolságban tudjanak elhelyezkedni.

Piaci körkép - energiatárolók típusai, és a hazánkban elérhető termékek

Miután kiválasztottuk a helyszínt vizsgáljuk meg milyen lehetőségeink vannak az akkumulátorok terén. Jelenleg a piacon két fő kategóriába sorolhatjuk az akkumulátorokat, az egyik kategóriát a jellemzően 51.2V feszültségű (kis feszültségű), 16 db 3,2 V-os cella sorba kötésével előállított akkumulátorok képzik, a másik kategóriában a 100V feletti feszültségű akkumulátorok esnek, ugyancsak 3.2 V-os cellákból állnak, de a 100V feletti feszültséget többféleképpen is elérhetik. Egyes típusok, DC-DC konvertert használnak (pl. Huawei Luna 2000, Sofar BTS 5K vagy WECO 4K5 Ultra), így az 51,2V-os akkumulátorokhoz képest hasonló a felépítésük azzal a különbséggel, hogy a DC-DC konverter a feszültségüket 400-600V-os szintre emeli, az akkumulátor egység és az inverter között 400-600V-os egyenáram folyik. A harmadik kategóriába eső akkumulátorok a cellák sorba kötésével érik el a magas feszültséget, ehhez jellemzően 50Ah vagy kisebb kapacitású cellákat kötnek sorba, így a cellák számától függően nő az akkumulátor kapacitása és feszültség szintje jellemzően 500V-ig és 25 kWh kapacitásig. Egyes gyártók a sorba kötött rendszereknél is 100 Ah-s cellákat alkalmaznak, így a 600V-os szint már 60 kWh körüli kapacitást eredményez. Általánosságban elmondható, hogy a sorba kötött cellákból előállított akkumulátorok gyártása nagyobb precizitást követel meg a gyártóktól, mind a cellák gyártása, mind az összeszerelés és a vezérlés tekintetében, azonban ezek a rendszerek működnek a legnagyobb hatékonysággal, a legkisebb veszteségek mellett. 

A HTW Berlin által évente elvégzett energiatároló rendszer hatékonyság vizsgálat során kizárólag ilyen technológiájú energiatárolóknak van esélyük bekerülni a hatékony besorolású energiatárolók közé. Visszatérve a kis feszültségű akkumulátorok kínálatára a legnagyobb körültekintéssel itt kell eljárnunk a megfelelő akkumulátor kiválasztásához, a legtöbb gyártó, a legtöbb termékkel itt szerepel, az árak között pedig hatalmas eltérések lehetnek. Ezen akkumulátorok gyártása a legegyszerűbb, akár kevésbé jó minőségű komponensekből is lehetséges működő akkumulátor összeállítása, a vezérlésük is egyszerűbb, így kevésbé fejlett gyártástechnológiával és kevésbé felkészült software fejlesztő csapattal is előállíthatóak. Amennyiben van lehetőségünk az adott akkumulátor típust tesztelni vásárlás előtt, javasolt a kapacitás 50%-ának megfelelő teljesítménnyel (tehát egy 10 kWh-s akkumulátor esetén 5 kW-al) tölteni, majd kisütni, és közben figyelni a cellafeszültségek alakulását, a tapasztalat, hogy kiváló minőségű akkumulátorok esetén akár 0,005V-on belül maradnak a cellafeszültségek.

Helyigény és elhelyezés - Falra? Földre? Szekrénybe?

Az akkumulátorok elhelyezhetőségére is széles körben kínálnak megoldást a gyártók. A kis feszültségű akkumulátorok sokrétű kialakításúak, léteznek rack-be helyezhető kivitelek, földre állítható, illetve falra szerelhető verziók, a 100V feletti akkumulátorok esetében a DC-DC konverteres akkumulátorok jellemzően keskenyebbek, ezért különösen könnyen elhelyezhetőek, míg a sok kis cella használatával sorba kötött rendszerek jellemzően nagyobb alapterületet kívánnak, de kisebb falfelületet foglalnak.

Inverter és energiatároló összeillesztése - kompatibilitás

Az akkumulátor és az inverter egy párost alkotnak, a hosszú távú megfelelő működés érdekében mindenképp olyan akkumulátor-inverter párost kell választani, ahol a BMS közvetlen összeköttetésben áll az inverterrel, az inverter a BMS által küldött utasításokat fogadja, és az akkumulátort ezen utasításoknak megfelelően tölti és süti ki – ezzel megelőzhető a nem megfelelő használat által okozott akkumulátor károsodás. Ez jelentősen tudja szűkíteni a választási lehetőségeket, egyes inverter gyártók 1-2 típusú akkumulátor használatát teszik lehetővé.

Összefoglalva

Az akkumulátor választás egy nagyon fontos paramétere a várható élettartam. Sokan a környezetünk védelme érdekében is igyekszünk energiatárolással és napelemmel csökkenteni az ökológiai lábnyomunkat, arra azonban fontos figyelnünk, hogy ennek érdekében olyan tárolót válasszunk, mely várhatóan hosszú élettartamú, hiszen az akkumulátor legyártása is a környezet terhelésével jár. A következő cikkünk keretében az akkumulátorok garanciális feltételeit fogjuk kifejteni bővebben, fajlagos tényezők számításával összehasonlíthatóvá téve az egyes gyártók által nyújtott garancia időszakát és a degradáció mértékét.

Szerző: 2024.02.15 - Molnár Gábor Miklós, Bomo Energy Kft.