Skladování energie v akumulátorech – od akumulátorů po správu energie

Pokud plánujete systém pro skladování energie, je dobré porozumět celému řetězci, nejen samotné kapacitě. Skladování energie pomocí akumulátorů je koordinovaný systém, ve kterém je akumulátor pouze jednou ze složek. Nejprve se podíváme na to, jak celý proces funguje a proč nestačí pouze samotný akumulátor. Poté se budeme zabývat základy solárního systému pro skladování energie, akumulátorem a monitorovací elektronikou, která jej chrání.

Zaměříme se také na to, jak měnič (invertor) nebo PCS převádí stejnosměrný proud na střídavý a naopak. Ukážeme, co měří inteligentní elektroměr (smart meter) v místě připojení k síti. EMS je řídicí jednotka, která rozhoduje, kdy a kolik má systém nabít nebo vybít. Podíváme se také na to, přes jaké komunikační kanály (RS485, Modbus, CAN, Ethernet) zařízení mezi sebou komunikují.

Poté se zaměříme na spolupráci solárních panelů a akumulátoru, typické provozní režimy a fungování EMS v praxi. Ukážeme vám, kdy řízení přesahuje rámec zvyšování vlastní spotřeby a v čem se liší systém pro domácnosti od průmyslového systému. Na závěr si můžete přečíst kritéria pro výběr a odborný názor SOLARKIT.

Jak funguje akumulátorové skladování energie?

Pokud vás zajímá, jak funguje akumulátorové skladování energie, nejjednodušší je sledovat cestu energie od střechy až k zásuvce. Solární panely vyrábějí stejnosměrný proud (DC), který měnič převádí na střídavý proud (AC) použitelný v domácnosti. Vyrobenou energii nejprve spotřebují vlastní spotřebiče v domě. Pokud výroba převyšuje aktuální spotřebu, přebytek se nevede do sítě, ale nabíjí akumulátor. Jakmile je akumulátor plný, systém dodává další přebytek do sítě, pokud je to povoleno.

Večer, za zatažené oblohy nebo při výpadku proudu (pokud je systém schopen ostrovního provozu) se proces obrátí. Akumulátor se vybíjí a střídač opět přeměňuje uložený stejnosměrný proud na střídavý. Tuto přeměnu provádí systém automaticky, bez lidského zásahu. Pokud se uložená energie vyčerpá a solární panely již nevyrábějí, převezme dodávku energie rozvodná síť.

Podstatou akumulátorového skladování solární energie je tedy časový posun: přebytek energie z denního období spotřebujete v době, kdy solární panely již energii nevyrábějí. To má velký význam, protože mnoho domácností spotřebovává nejvíce energie ráno a brzy večer, kdy solární panely dodávají jen velmi málo elektřiny. Je důležité si ujasnit: akumulátor sám o sobě energii nevyrábí, pouze ji ukládá a dodává.

Proč nestačí samotná baterie?

Akumulátor jako zařízení pro ukládání energie sám o sobě ukládá energii pouze v chemické formě. Nedokáže rozhodnout, kdy se má nabíjet, kdy se má vybíjet a kolik proudu má dodávat, a stejnosměrný proud ani nepřevádí do formy použitelné pro domácnost – k tomu je zapotřebí střídač (invertor) nebo PCS.

Lithium-iontové články jsou navíc citlivé. Přebití, hluboké vybití, příliš vysoký proud nebo provoz mimo povolený teplotní rozsah mohou vést k tepelné nestabilitě, která může dokonce způsobit požár. K prevenci těchto situací slouží systém BMS, který průběžně sleduje stav nabití a technický stav baterie a v případě nebezpečí baterii odpojí nebo sníží nabíjecí a vybíjecí proud. Rozdíly napětí mezi články vyrovnává, protože bez toho by nejslabší článek omezoval kapacitu celého akumulátorového modulu. Tyto rizika částečně souvisejí také s chemickým složením článků. Energetické akumulátory, které dodáváme, jsou proto vyrobeny z lithno-železno-fosfátových (LFP, LiFePO₄) článků, které mají lepší tepelnou stabilitu než články NMC s vyšší energetickou hustotou. O tom bude podrobněji řeč v následující kapitole. 

I když je však článek bezpečný, systém musí také vědět, co se děje v domě a v místě připojení k síti. K tomu je zapotřebí měření a pro rozhodování je nutná nadřazená řídicí jednotka, tzv. BMS. O tom se podrobně dočtete v následujících kapitolách.

Základ solárního systému pro skladování energie: akumulátor

Srdcem každého solárního systému pro ukládání energie je akumulátor, a proto o schopnostech systému do značné míry rozhoduje to, na jaké chemické složení článků je postaven. U akumulátorů pro domácnosti je dnes jednou z nejčastějších voleb lithium-železo-fosfát (LFP, LiFePO4). Ve srovnání s NMC (nikl-mangan-kobalt) články má stabilnější krystalickou strukturu, při vysokých teplotách je méně náchylná k uvolňování kyslíku, a má tak větší rezervu tepelné stability. Výhodou NMC je vyšší energetická hustota, což se hodí tam, kde je omezený prostor nebo hmotnost.

Další důležitou vlastností je cyklická životnost: udává, po kolika úplných cyklech nabití a vybití klesne kapacita na 70 procent původní hodnoty. Podle údajů výrobců a odvětvových statistik zvládne článek LFP typicky 6 000–8 000, ale i až 10 000 cyklů, zatímco u článků NMC je tato hodnota obvykle nižší. Při jednom cyklu denně to může znamenat provoz trvající i více než deset let, skutečnou životnost však ovlivňuje také hloubka vybití (DoD) a teplota. V technickém listu je vhodné sledovat užitnou kapacitu, protože ta může být nižší než jmenovitá: výrobci obvykle povolují hloubku vybití 80–95 procent.

Rozhodující je také úroveň napětí akumulátoru pro skladování energie. Na trhu pro domácnosti existují dvě hlavní kategorie: nízkonapěťové systémy, typicky s jmenovitým napětím 51,2 V, a vysokonapěťové akumulátory, které mohou dosahovat až 800 V. Nízkonapěťové varianty lze rozšiřovat paralelním zapojením a nabízejí velkou kapacitu za příznivou cenu, zatímco vysokonapěťové varianty se hodí spíše pro systémy s vysokou energií a vysokým výkonem. Napěťový rozsah akumulátoru a střídače se musí shodovat, což je vždy vhodné zkontrolovat před nákupem.

Komunikace mezi akumulátorem a střídačem – jak dochází k přeměně energie?

Akumulátor ukládá stejnosměrný proud, zatímco domácnost a rozvodná síť fungují na střídavý proud, proto je mezi nimi vždy zapotřebí měnič. To je cesta energie. Stejně důležitá je však i cesta informací: bez komunikace mezi akumulátorem a měničem by měnič nevěděl, jaký proud může z akumulátoru odebírat nebo do něj dodávat. U lithiových systémů proto obě zařízení spojuje komunikační kabel, přes který systém BMS předává stav nabití a povolené mezní hodnoty nabíjení a vybíjení. Je-li toto spojení bezchybné, fungují obě zařízení jako jediná koordinovaná jednotka.

Fungování akumulátorového systému a nepřetržité monitorování

Fungování akumulátorového systému je založeno na komunikaci v uzavřené smyčce (closed-loop). V tomto případě jsou BMS a střídač propojeny obousměrným spojením a BMS neustále odesílá střídači stav nabití (SOC), napětí, teplotu a povolené nabíjecí a vybíjecí proudy. Pokud se akumulátor blíží plnému nabití, může BMS snížit nabíjecí proud, aby se zabránilo přebití a aby se umožnilo vyrovnání článků. Pokud teplota překročí bezpečný rozsah, nabíjení nebo vybíjení se zpomalí, případně se v případě potřeby zastaví.

Naproti tomu v systému s otevřenou smyčkou (open-loop) pracuje měnič na základě předem nastavených parametrů a nepřizpůsobuje se v reálném čase stavu akumulátoru. To může vést k méně efektivnímu nabíjení, přebití nebo hlubokému vybití a v konečném důsledku ke zkrácení životnosti. Podle zkušeností výrobců může řízení v uzavřené smyčce kromě prodloužení životnosti také zkrátit dobu nabíjení.

Monitorování baterie je viditelnou stránkou tohoto propojení. V systému s uzavřenou smyčkou je stav nabití odvozen z měření BMS, nikoli z hodnoty odhadnuté na základě napětí. Data z BMS se zobrazují na displeji střídače nebo na cloudové platformě výrobce, takže můžete stav nabití a stav baterie sledovat i na dálku.

Jaký je rozdíl mezi hybridním střídačem a PCS?

Hybridní střídač spojuje v jediném zařízení funkce solárního a akumulátorového střídače: přes své MPPT vstupy přijímá stejnosměrný proud ze solárních panelů, nabíjí a vybíjí akumulátor a poté dodává střídavý proud do domácnosti nebo do sítě. Jedná se o běžné řešení u systémů pro domácnosti, zejména u nových instalací, protože jedno zařízení řídí jak solární panely, tak akumulátor.

PCS (Power Conversion System) je obousměrný měnič pro komerční a průmyslové akumulátory, který převádí energii mezi akumulátorem a rozvodnou sítí nebo spotřebiči, a to v synchronizaci s rozvodnou sítí. Z funkčního hlediska však i střídač obsahuje PCS: ve skutečnosti se jedná o kombinaci měniče (PCS), jednoho nebo více modulů MPPT a v mnoha případech také přepínacího modulu (STS). Úkoly související s kompatibilitou s rozvodnou sítí, regulací frekvence a napětí a ochranou proto plní i střídače. Rozdíl spočívá spíše v rozsahu a konstrukci: jednotky PCS jsou často modulární, takže lze pro dosažení požadovaného výkonu propojit více kusů, přičemž nabíjení a vybíjení řídí samostatný systém EMS; v průmyslovém měřítku mohou navíc nabízet i další funkce.

Hranice tedy není ostrá: existují i jednotky PCS vybavené vstupem MPPT a hybridní střídač je rovněž obousměrný měnič. V oboru se tyto dva pojmy často používají zaměnitelně, proto se vyplatí porovnat konkrétní funkce v technickém listu. Zjednodušeně řečeno: v rodinném domě se do systému obvykle instaluje hybridní střídač, v průmyslovém měřítku pak samostatný PCS a EMS.

Inteligentní elektroměr: co se děje v síti?

Akumulátor a střídač samy o sobě vidí pouze svůj vlastní obvod. Aby systém mohl učinit správné rozhodnutí, musí vědět, kolik proudu proudí ze sítě a kolik se do ní vrací. Tuto úlohu plní inteligentní elektroměr, tedy měřidlo nainstalované na připojovacím bodu k síti a připojené ke střídači, které často pracuje s proudovým transformátorem (CT). Nejedná se o totéž jako o fakturační měřidlo dodavatele elektřiny. Systém pro správu energie zakládá svá rozhodnutí na údajích z tohoto zařízení. Bez měření by řízení fungovalo naslepo.

Co měří inteligentní elektroměr?

Inteligentní elektroměr provádí obousměrné měření: samostatně zaznamenává energii odebranou ze sítě a energii dodanou zpět do sítě. Kromě toho měří také okamžité hodnoty, jako je napětí, proud, výkon, frekvence a účiník, a ty obvykle odesílá do střídače po lince RS485 pomocí protokolu Modbus-RTU.

Přenos dat je rychlý: u některých výrobních řešení měřič každou sekundu předává do EMS průměrnou hodnotu výkonu, načež EMS odešle střídači nový referenční signál. Systém tak může reagovat do jedné sekundy, pokud například zpětné dodávání energie dosáhne povoleného limitu. To je základem omezení zpětného dodávání (export limitation) i provozu s nulovým dodáváním, který v některých oblastech vyžadují i síťové předpisy.

Stejně důležité je i umístění měřidla. Musí být umístěno mezi síť a všechny domácí spotřebiče, resp. další výrobce energie, protože pouze tak zachytí celkový energetický tok v domě. Rozdíl mezi aktuální spotřebou a výrobou ukazuje, zda právě odebíráte energii, nebo ji dodáváte zpět do sítě. Pokud je měřidlo umístěno na nesprávném místě, například na straně spotřeby, systém pracuje s chybnými údaji.

Proč je správný směr měření důležitý?

Proudový transformátor (CT) je citlivý na směr: šipka na něm ukazuje, který směr proudu považuje za kladný. Pokud je nainstalován obráceně, systém vnímá odběr jako dodávku energie a dodávku energie jako odběr. V takovém případě řízení akumulátoru dělá přesně opak toho, co by mělo: přebytek energie z fotovoltaických panelů pouští do sítě místo toho, aby nabíjelo akumulátor, nebo večer nevybije akumulátor, zatímco dům odebírá energii ze sítě. U systému nastaveného na nulový zpětný tok energie může tato závada znamenat i to, že ačkoli se omezení jeví jako aktivní, systém ve skutečnosti dodává energii zpět bez omezení.

Správný směr se může u jednotlivých výrobců lišit: u některých musí šipka směřovat k síti, u jiných řešení směrem k střídači. Proto je vždy rozhodující konkrétní instalační návod. Některé střídače mohou směr měření obrátit i softwarově, zatímco některé výrobní aplikace pomáhají odhalit chyby pomocí funkce kontroly CT.

EMS – „mozek“ systému pro ukládání energie

Pokud je BMS ochráncem akumulátoru, pak je EMS (Energy Management System) mozkem celého úložného systému. Právě tento řídicí systém vyšší úrovně rozhoduje o tom, kdy, proč a kolik energie má systém uložit nebo dodávat. Systém EMS komunikuje přímo s měničem a BMS, zohledňuje data z rozvodné sítě, solárních panelů a spotřebičů a na jejich základě sestavuje provozní strategii. V systémech pro domácnosti je často integrován do softwaru akumulátoru nebo měniče, existují však i samostatná zařízení pro správu energie. Konečný výsledek je stejný: centrální jednotka, která má přehled o celém systému jako o celku.

Význam pojmů EMS a BMS

Stručný význam zkratek EMS a BMS: BMS (Battery Management System) je systém pro správu akumulátorů, zatímco EMS (Energy Management System) je řídicí systém pro správu energie. Obě zkratky jsou si podobné, jejich úlohy se však odehrávají na odlišné úrovni.

Systém BMS pracuje na úrovni akumulátoru. Sleduje napětí, proud a teplotu článků, odhaduje stav nabití a celkový stav akumulátoru, vyrovnává napětí mezi články a plní ochranné funkce. U větších akumulátorů může být i víceúrovňový: vlastní BMS jednotlivých modulů se hlásí hlavnímu (master) BMS.

EMS naproti tomu uvažuje na systémové úrovni. Nezabývá se jednotlivými články, ale tím, jak rozdělit energii mezi akumulátor, solární panely, síť a spotřebiče, s ohledem na síťová omezení, například za účelem zvýšení vlastní spotřeby, posunutí zátěže nebo omezování špiček.

Oba systémy spolupracují: rozhodnutí systému EMS jsou omezena mezními hodnotami systému BMS. Pokud systém BMS zjistí, že je akumulátor příliš studený nebo již plně nabitý, systém EMS může marně požadovat nabíjení, protože bezpečnost má přednost. V dobře integrovaném systému je toto rozdělení práce nepostřehnutelné: systém EMS plánuje, systém BMS dohlíží.

Jaké údaje systém EMS využívá?

Systém EMS je tak dobrý, jak přesné jsou údaje, se kterými pracuje. Jeho nejdůležitější zdroje lze rozdělit do čtyř skupin.

První z nich jsou měření v reálném čase: síťová data z inteligentního elektroměru, hodnoty výroby ze střídače a údaje o stavu nabití a mezních hodnotách přicházející z BMS. Druhou skupinou jsou předpovědi: pokročilé systémy odhadují na základě umístění instalace a meteorologických údajů očekávanou výrobu solárních panelů, a to až 48 hodin dopředu. Třetím faktorem je vzorec spotřeby: systém EMS se na základě předchozích měření učí opakující se zvyky domácnosti; někteří výrobci k tomu vyžadují alespoň dvoutýdenní profil zatížení. Čtvrtým faktorem je tarif: poplatek za dodávku do sítě, cena elektřiny a v případě dynamického tarifu cena měnící se v závislosti na časovém období.

Fungování systému řízení energie je v podstatě nepřetržitý plánovací cyklus: na základě dat se sestaví plán, kdy se má nabíjet, kdy se má vybíjet a kolik rezervy ponechat. Akumulátor tento plán provádí, systém BMS hlásí aktuální stav nabití a systém EMS na základě toho plán přepracuje.

Proto se může stát, že se akumulátor ani za slunečného počasí nenabije okamžitě. Je to záměrné: na základě předpovědi se naplní i později, systém tak zabrání tomu, aby bylo nutné omezovat výrobu solárních panelů kvůli omezení zpětného napájení, a zároveň šetří kalendářní životnost akumulátoru.

Jak mezi sebou komunikují jednotlivé prvky řízení systému pro ukládání energie?

Z dosavadních kapitol je zřejmé, že v jednom úložném systému spolupracuje několik samostatných zařízení: akumulátor, střídač, měřič a EMS. Řízení úložiště energie funguje spolehlivě pouze tehdy, pokud tato zařízení mluví společným jazykem. V praxi se prosadilo několik osvědčených komunikačních řešení: sériová linka RS485 s protokolem Modbus, sběrnice CAN, stejně jako Ethernet a internetové připojení. Každé z nich má svou roli a v jednom systému často běží více z nich současně. Níže je stručně a z praktického hlediska představíme.

RS485 a Modbus

RS485 je fyzický standard: definuje, jak se signály šíří po kroucené dvojlinke. Modbus je pak protokol, který určuje, v jaké formě zařízení kladou dotazy a odpovídají. Sériové rozhraní Modbus funguje na principu master–slave: centrální zařízení klade dotazy, ostatní odpovídají pouze tehdy, když jsou oslovena, a navzájem mezi sebou nekomunikují.

Na sběrnici RS485 lze připojit více zařízení a při nízké přenosové rychlosti zvládne délku kabelu až 1 200 metrů. U akumulátorů se často používá pro připojení inteligentních elektroměrů, ale mnoho výrobců nabízí připojení RS485 i pro komunikaci mezi akumulátorem a střídačem.

Při zapojování je třeba dbát na několik detailů: správné přiřazení vodičů A a B, uzemnění sběrnice, přenosovou rychlost a Modbusové adresy zařízení. Pokud je některý z těchto parametrů nesprávný, může docházet k výpadkům v komunikaci nebo k jejímu úplnému selhání.

Komunikace CAN

Sběrnice CAN (Controller Area Network) byla původně vyvinuta společností Bosch pro automobilový průmysl, dnes se však rozšířila i v průmyslové automatizaci a v akumulátorových úložištích. Na rozdíl od sběrnice Modbus RS485 zde není povinné centrální zařízení: CAN je systém s více mastery a rozesíláním zpráv, kde každý uzel může vysílat, pokud je sběrnice volná, a kolize se řeší bitovou arbitráží podle priority. Diferenciální přenos signálu dobře filtruje elektrický šum a detekce chyb je součástí protokolu.

U domácích úložišť energie probíhá výměna dat mezi systémem BMS a střídačem často přes sběrnici CAN pomocí kabelu s konektorem RJ45. Na stejné sběrnici mohou mezi sebou komunikovat i akumulátorové moduly zapojené paralelně. Kabel se navenek podobá síťovému kabelu, rozložení pinů se však může lišit podle výrobce, proto je vždy nutné používat rozložení předepsané výrobcem.

Ethernet a připojení k cloudu

Třetí vrstvu tvoří síťové připojení. Mnoho střídačů se připojuje k místní síti a k internetu pomocí LAN portu, Wi-Fi nebo samostatného modulu pro sběr dat (dongle). U některých typů je přes ethernetový port dostupný také protokol Modbus TCP, takže externí EMS nebo řídicí program pro inteligentní domácnost může přímo načítat údaje o měření, výrobě a akumulátorech.

Připojení k cloudu napájí monitorovací platformu výrobce: odtud máš na mobilu přístup k údajům systému a instalační technik může na dálku provádět diagnostiku, nastavení a dokonce i aktualizaci firmwaru. Optimalizace založená na dynamických tarifech a předpovědi počasí rovněž vyžaduje připojení k internetu.

Je důležité vědět, že místní regulace, tedy omezení nabíjení, vybíjení a zpětného napájení, obvykle funguje i bez internetu. Při ztrátě připojení systém pokračuje v provozu, pouze data se neodesílají do cloudu, dokud není připojení obnoveno.

Co se stane v případě poruchy komunikace?

Důsledky komunikačních chyb závisí na tom, které spojení se přeruší.

Pokud dojde ke ztrátě spojení mezi BMS a střídačem, střídač neví, v jakém stavu se nachází akumulátor, a proto z bezpečnostních důvodů omezí nebo zastaví nabíjení a vybíjení a vygeneruje chybový kód, například hlášení „BMS Lost“ nebo „BMS communication fault“. Akumulátor je v takovém případě obvykle nepoškozený, příčinou poruchy je často uvolněný nebo poškozený komunikační kabel. Může se také stát, že se samotný BMS z bezpečnostních důvodů vypne, například kvůli nadproudu nebo přehřátí, což se vůči střídači rovněž projeví jako porucha komunikace.

Pokud dojde k přerušení spojení se smart metrem, dobře navržený systém přejde do bezpečného stavu: omezí výkon na nastavenou mezní hodnotu zpětného napájení.

Funkce akumulátorového systému je tedy navržena tak, aby v případě nedostatku dat byla upřednostněna bezpečnost, nikoli výnos.

Proč je monitorování akumulátorů důležité?

Monitorování akumulátorů není pouhou komfortní funkcí. Existují hned tři důvody, proč se na data pravidelně dívat.

Prvním z nich je včasná detekce poruch. Výstrahy systému BMS signalizují například, když dojde k nevyváženosti článků, teplota překročí bezpečný rozsah nebo se objeví nadproud. Tyto výstrahy nesmí být ignorovány, protože mohou vést k poškození akumulátoru nebo k bezpečnostnímu riziku.

Druhým bodem je sledování stárnutí. Ukazatel stavu (SOH) ukazuje, jak se kapacita v průběhu let mění, takže se včas zjistí, zda je degradace rychlejší, než se očekávalo.

Třetím bodem je záruka a servis. Někteří instalátoři vázají záruku na výkon na online dostupnost systému, přičemž vzdálený přístup umožňuje rychlejší řešení problémů.

V případě chybového kódu je vhodné svěřit zásah, zejména aktualizaci firmwaru, instalační firmě.

Jak spolupracují solární panel a akumulátor pro ukládání energie?

Klíčovou otázkou spolupráce solárního panelu a akumulátoru je, kde se oba obvody propojují. To určuje účinnost, rozšiřitelnost a také to, jaké zařízení jsou pro systém potřebné. Existují dvě základní konfigurace.

V systému s připojením na stejnosměrnou stranu (DC) jsou solární panely a akumulátor připojeny ke stejnému hybridnímu střídači, a to na jeho společnou stejnosměrnou stranu. Stejnosměrný proud ze solárních panelů přímo nabíjí akumulátor a teprve směrem k odběratelům nebo do sítě se mění na střídavý proud. Je schopen ukládat i energii z ořezaného výkonu (clipping) naddimenzovaného solárního pole. Při nabíjení ze solárních panelů dosahuje typicky 95–98 % účinnosti v cyklu, proto je to u nových instalací obvykle rozumná volba.

V systému připojeném k síti střídavého proudu (AC) pracují solární panely na vlastní střídač, zatímco akumulátor je připojen na straně střídavého proudu pomocí samostatného akumulátorového střídače. Uložená energie se tak přeměňuje až třikrát, proto je účinnost obvykle 90–94 procent. Na oplátku zůstává stávající solární systém nedotčený, což z něj činí nejvhodnější řešení při dodatečném rozšíření. Oba střídače fungují nezávisle na sobě, takže pokud jeden z nich selže, druhý může pokračovat v provozu.

Rozdíl se však týká pouze akumulované energie: energie, která jde přímo ze solárního panelu ke spotřebičům, prochází v obou případech pouze jednou přeměnou. Při nabíjení ze sítě se však výhoda vyšší účinnosti připojení na stejnosměrný proud ztrácí. Při plánování akumulace energie ze solárních panelů do akumulátorů tedy záleží na tom, jaké množství energie skutečně prochází akumulátorem.

Pokud zvažujete, která konfigurace je vhodná pro váš systém, dilema mezi akumulátorem připojeným k síti střídavého proudu (AC) a akumulátorem připojeným k síti stejnosměrného proudu (DC) podrobně rozebíráme v našem článku, který obsahuje i kritéria pro rozhodování.

Jaké provozní režimy jsou v moderním systému k dispozici?

V moderním systému nefunguje řízení akumulátoru podle jediné, pevně dané logiky. Výrobci nabízejí několik provozních režimů, z nichž lze vybírat na základě místních tarifů a potřeb uživatelů. Názvy se liší podle výrobce, ale logika, která za nimi stojí, je podobná.

Optimalizace vlastní spotřeby (Self-use): pořadí priorit je spotřebiče, akumulátor, síť. Solární panel nejprve zásobuje dům, přebytek nabíjí akumulátor a teprve to, co zbude, se dodává do sítě. Tento režim je výhodný tam, kde je poplatek za dodávku do sítě nízký a výkupní cena vysoká.

Priorita dodávky do sítě (Feed-in first): po zásobování domu se přebytek ze solárních panelů dodává především do sítě, nikoli do akumulátoru. To má smysl, pokud je poplatek za dodávku do sítě vyšší než cena odebrané elektřiny.

Režim zálohy (Backup): systém udržuje akumulátor na vyšší úrovni nabití, aby bylo v případě výpadku proudu zajištěno napájení kritických spotřebičů (u systémů s záložním výstupem). Doporučuje se tam, kde dochází k častým výpadkům sítě.

Časově řízené nabíjení a vybíjení (Force time use, Time of use): uživatel může nastavit, kdy se má systém nabíjet ze sítě a kdy se má akumulátor vybíjet. U tarifů s odlišnými cenami v různých denních dobách lze energii uloženou v levnějších obdobích využít v dražších hodinách.

Některé systémy nabízejí i další režimy, například omezování špičkového zatížení (peak shaving) nebo provoz s generátorem. V režimu vlastní spotřeby a záložního napájení lze obvykle nastavit minimální úroveň nabití (Min SOC), pod kterou se akumulátor nevybije.

Výběr vhodného režimu je tedy především otázkou tarifu: stejný hardware může s odlišným nastavením přinést zcela odlišné úspory.

Fungování systému EMS v praxi

Abychom si to lépe představili, podívejme se na průběh jednoho dne v imaginárním rodinném domě, kde jsou v provozu solární panely, akumulátor, tepelné čerpadlo i nabíječka elektromobilů. Tento příklad je pouze ilustrativní, konkrétní chování se liší podle výrobce a nastavení.

Předchozí večer systém EMS na základě předpovědi zjistí, že následující den se očekává slunečné počasí. Z tohoto důvodu v noci nenabíjí akumulátor ze sítě a ráno jej vybíjí na minimální úroveň nabití, aby pokrylo ranní spotřebu, dokud se nespustí solární panely.

Dopoledne již výroba převyšuje spotřebu domu. V takovém případě může systém EMS přepnout tepelnou čerpadlo prostřednictvím konektoru SG Ready do režimu zvýšeného výkonu, takže přebytek se ukládá jako teplo v zásobníku teplé vody nebo v akumulačním zásobníku. Pokud není k dispozici tepelná čerpadlo, lze prostřednictvím reléového obvodu ovládat například topnou vložku.

V poledne, v době špičkové výroby, se nabíjí akumulátor a elektromobil se také dobíjí ze sluneční energie. Některé systémy pro správu energie nabíjejí elektromobil z přebytku energie přednostně a lze nastavit i minimální úroveň nabití, aby byl vždy zajištěn dostatečný dojezd. Systém rozděluje přebytek tak, aby kvůli omezení zpětného napájení nebylo nutné omezovat výrobu solárních panelů.

Večer přebírá zásobování domu akumulátor. Systém EMS nedovolí vybití pod nastavenou minimální úroveň nabití, takže i na noc zůstává rezerva, zatímco systém BMS mezitím neustále monitoruje články.

Fungování systému řízení energie je tedy kombinací pořadí priorit a prognózy: cílem je využít co nejvíce vlastní výroby, a to v nejvhodnější době a s co nejmenšími ztrátami.

Kdy systém řízení energie překračuje rámec pouhé vlastní spotřeby?

Zvýšení vlastní spotřeby je základním úkolem, ale vyspělý systém řízení energie dokáže mnohem více. V takovém případě již nejde jen o to, kde se vlastní výroba využije, ale také o to, kdy, za jakou cenu a za jakých podmínek v síti.

V případě dynamických tarifů EMS na základě cenové prognózy nabíjí akumulátor v době, kdy je elektřina levná, a spotřebovává ji v době, kdy je drahá. Tomu se říká energetická arbitráž. K tomu je třeba současně zohlednit očekávanou výrobu, spotřebu a stav akumulátoru.

Při ořezávání špiček (peak shaving) je cílem snížit špičky odběru výkonu ze sítě. Tam, kde se tarif váže i na nejvyšší odebraný výkon, se baterie v době špičky vybíjí, čímž se snižuje poplatek za výkon. To má význam zejména tam, kde poplatek za výkon tvoří významnou část účtu.

Součástí energetického managementu je také dodržování síťových předpisů: systém dodržuje limit zpětného napájení a na některých trzích dokáže na pokyn provozovatele sítě omezit spotřebu nebo dodávku energie.

Nejvyšší úrovní je virtuální elektrárna (VPP). V tomto případě koordinuje centrální software mnoho geograficky rozptýlených úložišť, která se tak chovají jako jediná, řízená elektrárna. Tyto systémy se mohou podílet jak na regulaci frekvence, tak na regulaci poptávky, přičemž část výnosů připadá majitelům.

To, které z těchto možností jsou dostupné, závisí na místním tržním a regulačním prostředí. Při výběru systému pro správu energie je proto vhodné myslet i na budoucí možnosti.

Jaký je rozdíl mezi akumulátorovým úložištěm pro domácnosti a pro průmysl?

Základní princip je v obou případech stejný: akumulátor, BMS, měnič a řízení. Rozdíl spočívá v rozsahu, konstrukci a cílech.

U systémů pro domácnosti se kapacita obvykle pohybuje od několika kWh až po několik desítek kWh; k pokrytí průměrné večerní a noční spotřeby často stačí užitná kapacita 5–10 kWh. Přeměnu energie obvykle zajišťuje jediný střídač a řízení je integrováno do softwaru střídače nebo akumulátoru. Hlavním cílem je zvýšení vlastní spotřeby a v případě potřeby zajištění záložního napájení. Existují i modulární provedení, která lze instalovat venku a jsou vybavená vytápěním; taková řešení najdete například mezi akumulátory EcoFlow.

V průmyslovém a komerčním měřítku se kapacita může pohybovat od několika stovek kWh až po megawatthodiny. Systémy jsou dodávány ve skříňovém nebo kontejnerovém provedení, systémy BMS modulů jsou uspořádány do víceúrovňové hierarchie, přeměnu zajišťují modulární jednotky PCS a řízení zajišťuje samostatný systém EMS nebo SCADA. Časté je také provedení typu „all-in-one“, kde jsou měnič, akumulátor a systém chlazení dodávány v předem integrované skříni. Chlazení hraje klíčovou roli; vedle vzduchového chlazení se stále více rozšiřuje i kapalinové chlazení a součástí zařízení jsou také protipožární systémy a detektory kouře.

Cíle jsou také jiné. V průmyslovém areálu hrají kromě vlastní spotřeby důležitou roli také vyrovnávání špičkových zátěží, posun zátěže a síťové služby, proto se dimenzování odvíjí od profilu zátěže daného areálu. Při připojení k síti jsou přísnější také požadavky na bezpečnost a kvalitu elektrické energie.

Skladování energie z fotovoltaických panelů pomocí akumulátorů tedy vychází ze stejných základních prvků, avšak v průmyslovém měřítku má mnohem větší váhu projektování, bezpečnost a obchodní model.

Na základě čeho se vyplatí vybrat systém pro skladování energie?

Z dosavadního výkladu je již zřejmé, z čeho se skládá systém pro skladování energie: akumulátor s BMS, měnič, měřicí zařízení a EMS. Při výběru proto nestačí sledovat pouze jediné číslo, například kWh. Je vhodné posoudit společně tři skupiny kritérií: kapacitu a výkon, kompatibilitu mezi prvky a možnosti řízení. Před rozhodnutím je vhodné shromáždit také údaje o vlastní spotřebě, protože bez nich je dimenzování pouze odhadem.

Kapacita a výkon

Kapacita (kWh) udává, kolik energie dokáže akumulátor uložit, zatímco výkon (kW) udává, jak velkou zátěž je schopen současně pokrýt. Tyto dva parametry nejsou totožné: systém s velkou kapacitou, ale malým výkonem vydrží dlouho, při zapnutí většího spotřebiče však může být jeho výkon nedostatečný.

Kapacitu určuje především večerní a noční spotřeba, nikoli celková denní spotřeba. Vždy počítejte s užitnou kapacitou, nikoli s jmenovitou. U výkonu se vyplatí zohlednit jak trvalý, tak krátkodobý špičkový výkon, a také to, zda je systém omezen střídačem nebo akumulátorem pro ukládání energie. Pokud je cílem i záložní napájení, je třeba si promyslet, které spotřebiče musí při výpadku proudu fungovat.

Důležitá je také možnost rozšíření. U modulárních systémů lze kapacitu později zvýšit přidáním dalších modulů; takové řešení najdete například i mezi akumulátory FoxEss . Podmínky rozšíření však vždy určují specifikace výrobce.

C-rate a kompatibilita

C-rate vyjadřuje, jak rychle lze akumulátor nabít nebo vybít v poměru k jeho kapacitě. Při 1C se akumulátor zcela nabije nebo vybije za jednu hodinu, při 0,5C za dvě hodiny. V praxi to určuje výkon: akumulátor o kapacitě 10 kWh, který lze zatěžovat proudem 0,5C, je schopen trvale dodávat přibližně 5 kW. Články LFP obvykle dobře snášejí trvalé zatížení 0,5C a krátkodobé zatížení 1C. Hodnota C-rate pro nabíjení a vybíjení se může lišit, což je uvedeno zvlášť v technickém listu.

Kompatibilita je minimálně stejně důležitá. Rozsah napětí akumulátoru musí odpovídat střídači a musí se shodovat také komunikační protokol mezi akumulátorem a střídačem (CAN nebo RS485). Vysokonapěťové a nízkonapěťové akumulátory nelze vzájemně zaměňovat, a to ani při stejné hodnotě kWh. Vždy si zkontrolujte aktuální a schválený seznam kompatibility od výrobce, a to na úrovni modelu i firmwaru. Neschválená kombinace sice může fungovat, ale může vést k chybovým hláškám, omezenému výkonu nebo problémům se zárukou.

Funkce systému EMS

Schopnosti systému EMS určují, jak moc z hardwaru vytěžíte. Stojí za to zkontrolovat, zda systém podporuje nabíjení na základě předpovědí a dynamické tarify, zda umí spravovat limit zpětného napájení a zda disponuje funkcí omezování špičkového odběru. Pokud máte doma také tepelnou čerpadlo nebo nabíječku elektromobilů, je důležité, aby je systém EMS dokázal také řídit, například prostřednictvím rozhraní SG Ready nebo EEBUS.

Otevřené rozhraní, například Modbus TCP, umožňuje pozdější propojení s externími systémy. Podívejte se také na to, jaká je aplikace výrobce, zda je k dispozici vzdálená aktualizace a jakou kyberbezpečnostní ochranu výrobce nabízí. To je důležité, protože akumulátor obvykle kupujete s výhledem na desetiletí provozu a software se během této doby může prostřednictvím aktualizací rozšiřovat. Nakonec se ujistěte, že lokální ovládání funguje i bez připojení k internetu.

Názor společnosti SOLARKIT na akumulátorové skladování energie

Jako velkoobchodník se solárními panely a partner poskytující technickou podporu vidíme, že úspěch akumulátorového skladování energie málokdy závisí na samotném akumulátoru. Mnohem více záleží na tom, do jaké míry jsou jednotlivé prvky systému vzájemně sladěny a zda je návrh založen na reálných údajích o spotřebě. Chybná rozhodnutí obvykle vyplývají z nedostatečného průzkumu, nikoli z odborné neznalosti. Níže proto nedoporučujeme konkrétní produkt, ale určitý přístup.

Z čeho se v ideálním případě skládá systém pro ukládání energie?

Pokud se ptáte, z čeho by se v ideálním případě měl skládat systém pro ukládání energie, naše odpověď zahrnuje pět prvků: akumulátor na bázi LFP, jehož užitná kapacita je dimenzována na vaši večerní spotřebu; spolehlivý systém BMS s komunikací v uzavřené smyčce; střídač odpovídající napěťovému rozsahu a seznamu kompatibility výrobce; správně nainstalovaný inteligentní elektroměr v místě připojení k síti; a systém EMS, který lze přizpůsobit místním tarifům.

Pokud jde o architekturu, naše shrnutí je jednoduché: u nového systému připojení na straně stejnosměrného proudu (DC), u stávajícího a dobře fungujícího střídače připojení na straně střídavého proudu (AC). Výjimkou je případ, kdy starý střídač stejně vyžaduje výměnu.

Stejně důležité je i to, co do systému nepatří: zbytečné předimenzování. Akumulátor, který je vzhledem k solárním panelům příliš velký, málokdy úměrně zvyšuje míru soběstačnosti, naopak zhoršuje návratnost investice.

Než podáte nebo si vyžádáte nabídku, je vhodné si zaznamenat typ a rok výroby stávajícího střídače, hodnoty napětí a proudu ve stringu, připojovací výkon a limit napájení, požadavky na záložní napájení a také profil večerního zatížení.

Jaký je rozdíl mezi BMS a EMS baterie?

Kdybychom měli v jedné větě shrnout podstatu rozdílu mezi BMS a EMS baterie: BMS zodpovídá za bezpečnost a životnost baterie, zatímco EMS zajišťuje co nejefektivnější využití energie. BMS nepřetržitě monitoruje články v reálném čase, zatímco EMS plánuje až 48 hodin dopředu.

V praxi se proto jejich poruchy projevují odlišně. Výstraha systému BMS nebo porucha komunikace vyžaduje okamžitou pozornost, protože systém může z bezpečnostních důvodů omezit nebo zastavit nabíjení a vybíjení. Nesprávně nastavený systém EMS však obvykle nepředstavuje bezpečnostní, ale ekonomický problém: akumulátor se nenabíjí a nevybíjí v době, kdy by to bylo nejvýhodnější.

Při nákupu se proto vyplatí zkontrolovat obojí zvlášť: u BMS ochranné funkce, vyrovnávání článků a komunikaci v uzavřené smyčce, u EMS provozní režimy, prognózu a rozšiřitelnost. Akumulátorové skladování energie funguje dobře, pouze pokud oba systémy pracují společně a koordinovaně.

Často kladené otázky

Jak v kostce funguje akumulátorové skladování energie?

Během dne solární panel nejprve zásobuje spotřebiče v domě, přebytek energie nabíjí akumulátor a do sítě se dodává teprve tehdy, když je akumulátor plně nabitý. Večer nebo za zatažené oblohy se akumulátor vybíjí a střídač přeměňuje uložený stejnosměrný proud na střídavý. Skladování energie v akumulátoru tak přenáší denní sluneční energii do večerních a nočních hodin.

Co znamenají zkratky EMS a BMS?

Význam zkratek EMS a BMS: BMS (Battery Management System) je systém pro správu akumulátorů, který monitoruje a chrání napětí, proud a teplotu článků. EMS (Energy Management System) řídí energetické hospodaření celého systému: rozhoduje, kdy se má systém nabíjet, vybíjet nebo dodávat energii zpět do sítě. Rozdíl mezi BMS a EMS je tedy na úrovni: BMS chrání akumulátor, EMS optimalizuje celý systém.

Proč se baterie nenabíjí okamžitě, když svítí slunce?

U nabíjení na základě předpovědi je to záměrné. Systém EMS na základě předpovědi počasí ví, že se akumulátor naplní i později, a proto jej ráno nenabije na plnou kapacitu. Tím se zabrání tomu, aby bylo nutné v poledne omezit výkon solárních panelů kvůli limitu zpětného napájení, a zároveň se prodlouží životnost akumulátoru. Pokud tento jev přetrvává i bez funkce předpovědi, je vhodné nechat zkontrolovat směr zapojení měřidla.

Co se stane, když dojde k přerušení komunikace mezi akumulátorem a střídačem?

Střídač v takovém případě nezná stav akumulátoru, a proto z bezpečnostních důvodů omezí nebo zastaví nabíjení a vybíjení a signalizuje chybový kód. Akumulátor je obvykle v pořádku, příčinou chyby je často uvolněný nebo poškozený komunikační kabel. Pokud chyba přetrvává i po restartu, obraťte se na svého instalatéra a neaktualizujte firmware sami.

Funguje akumulátor bez připojení k internetu?

Ano, u většiny systémů. Lokální ovládání, tedy nabíjení, vybíjení a omezení zpětného napájení, funguje i bez internetu. Při ztrátě připojení vypadnou pouze funkce založené na cloudu: mobilní monitorování, vzdálená diagnostika a optimalizace založená na předpovědi počasí a cen. Data se obvykle nahrají po obnovení připojení. Někteří instalátoři podmiňují záruku výkonu dostupností online, proto je vhodné si to ověřit ve smlouvě.