Ukladanie energie v akumulátoroch – od akumulátora po riadenie spotreby energie

Ak plánujete systém ukladania energie, stojí za to pochopiť celý reťazec, nielen kapacitu. Ukladanie energie pomocou akumulátorov je koordinovaný systém, v ktorom je akumulátor len jedným z komponentov. Najskôr si ukážeme, ako tento proces funguje a prečo samotný akumulátor nestačí. Následne sa budeme venovať základom ukladania energie zo solárnych panelov, akumulátorom a riadiacej elektronike, ktorá ich chráni.

Venujeme sa aj tomu, ako menič (invertor alebo PCS) premieňa jednosmerný prúd na striedavý a naopak. Ukážeme, čo meria inteligentný merač (smart meter) v mieste pripojenia k sieti. EMS je riadiaca jednotka, ktorá rozhoduje, kedy a koľko má systém nabíjať alebo vybíjať. Pozrieme sa aj na to, cez aké kanály (RS485, Modbus, CAN, Ethernet) zariadenia medzi sebou komunikujú.

Potom sa zameriame na spoluprácu solárnych panelov a akumulátora, typické prevádzkové režimy a fungovanie EMS v praxi. Ukážeme vám, kedy riadenie presahuje rámec zvyšovania vlastnej spotreby a v čom sa líši systém pre domácnosti od priemyselného systému. Na záver si môžete prečítať kritériá výberu a odborný názor SOLARKIT.

Ako funguje ukladanie energie v akumulátoroch?

Ak hľadáte odpoveď na to, ako funguje ukladanie energie do akumulátorov, najjednoduchšie je sledovať cestu energie od strechy až po zásuvku. Solárne panely vyrábajú jednosmerný prúd (DC), ktorý menič premieňa na striedavý prúd (AC) vhodný na použitie v domácnosti. Vyrobenú energiu najskôr spotrebujú vlastné spotrebiče v dome. Ak výroba prekročí momentálnu spotrebu, prebytok sa nevracia do siete, ale nabíja batériu. Keď je batéria nabitá, ďalší prebytok systém už dodáva do siete, ak je to povolené.

Večer, za oblačného počasia alebo pri výpadku prúdu (ak je systém vhodný aj na ostrovný prevádzku) sa tento proces obráti. Akumulátor sa vybije a menič opäť premení uložený jednosmerný prúd na striedavý. Tento prechod systém vykonáva automaticky bez zásahu človeka. Ak sa uskladnená energia vyčerpá a solárne panely už nevyrábajú, napájanie preberá sieť.

Podstatou ukladania energie zo solárnych panelov do akumulátora je teda časový posun: prebytok energie z dňa spotrebujete vtedy, keď solárne panely už energiu nevyrábajú. To má význam, pretože mnohé domácnosti spotrebúvajú najviac energie ráno a skoro večer, keď solárne panely dodávajú len veľmi málo elektriny. Je dôležité ujasniť si: akumulátor sám o sebe energiu nevyrába, iba ju ukladá a dodáva.

Prečo nestačí samotná batéria?

Akumulátor ako zariadenie na ukladanie energie sám o sebe ukladá energiu iba v chemickej forme. Nevie rozhodnúť, kedy sa má nabíjať, kedy sa má vybíjať a koľko elektrickej energie má dodávať, a rovnosmerný prúd ani neprevádza do formy použiteľnej pre domácnosť – na to je potrebný invertor alebo PCS.

Lítium-iónové články sú navyše citlivé. Prebitie, hlboké vybitie, príliš vysoký prúd alebo prevádzka mimo povoleného teplotného rozsahu môže viesť k prehriatiu, čo môže spôsobiť dokonca aj požiar. Na prevenciu týchto situácií slúži systém BMS, ktorý neustále monitoruje stav nabitia a zdravotný stav batérie a v prípade nebezpečenstva odpojí batériu alebo zníži nabíjací a vybíjací prúd. Rozdiely napätia medzi článkami vyrovnáva, pretože bez toho by najslabší článok obmedzoval kapacitu celého akumulátorového modulu. Tieto riziká sú čiastočne aj otázkami chémie článkov. Akumulátory, ktoré distribuujeme, sú preto vyrobené s lítium-železo-fosfátovými (LFP, LiFePO4) článkami, ktoré majú lepšiu tepelnú stabilitu ako články NMC s vyššou energetickou hustotou. O tom sa podrobne budeme venovať v nasledujúcej kapitole. 

Avšak aj keď je článok bezpečný, systém musí vedieť, čo sa deje v dome a v mieste pripojenia k sieti. Na to je potrebné meranie a na rozhodovanie je potrebné riadenie na vyššej úrovni, tzv. BMS. O týchto témach si môžete podrobne prečítať v nasledujúcich kapitolách.

Základ solárneho systému na ukladanie energie: akumulátor

Srdcom každého solárneho systému na ukladanie energie je akumulátor, preto o schopnostiach systému do veľkej miery rozhoduje to, na akej chemickej zložení článkov je postavený. V prípade akumulátorov pre domácnosti je dnes jednou z najbežnejších volieb lítium-železo-fosfát (LFP, LiFePO4). V porovnaní s článkami typu NMC (nikl-mangán-kobalt) má stabilnejšiu kryštálovú štruktúru, pri vysokých teplotách je menej náchylná na uvoľňovanie kyslíka, čím má väčšiu rezervu tepelnej stability. Výhodou NMC je vyššia energetická hustota, čo je dôležité tam, kde je obmedzený priestor alebo hmotnosť.

Ďalšou dôležitou charakteristikou je životnosť: udáva, po koľkých úplných cykloch nabíjania a vybíjania klesne kapacita na 70 percent pôvodnej hodnoty. Na základe údajov výrobcov a odvetvia je LFP článok typicky schopný zvládnuť 6 000 – 8 000, ale aj až 10 000 cyklov, pričom hodnota NMC článkov je zvyčajne nižšia. Pri počte jedného cyklu denne to môže znamenať prevádzku trvajúcu viac ako desať rokov, skutočnú životnosť však ovplyvňuje aj hĺbka vybitia (DoD) a teplota. V technickom liste stojí za to venovať pozornosť užitočnej kapacite, pretože tá môže byť nižšia ako menovitá: výrobcovia zvyčajne povoľujú hĺbku vybitia 80–95 percent.

Rozhodujúca je aj úroveň napätia akumulátora na ukladanie energie. Na spotrebiteľskom trhu existujú dve hlavné kategórie: nízkonapäťové systémy, zvyčajne s menovitým napätím 51,2 V, a vysokonapäťové akumulátory s napätím až 800 V. Nízkonapäťové verzie je možné rozširovať paralelnym zapojením a ponúkajú veľkú kapacitu za výhodnú cenu, zatiaľ čo vysokonapäťové akumulátory sú skôr vhodné pre systémy s vysokou spotrebou energie a vysokým výkonom. Napäťový rozsah akumulátora a meniča sa musí zhodovať, čo je vždy vhodné skontrolovať pred nákupom.

Komunikácia medzi akumulátorom a meničom – ako prebieha premena energie?

Akumulátor ukladá jednosmerný prúd, zatiaľ čo domácnosť a sieť fungujú na striedavý prúd, preto medzi nimi vždy musí byť prevodná jednotka. To je cesta energie. Rovnako dôležitá je však aj cesta informácií: bez komunikácie medzi akumulátorom a meničom by menič nevedel, aký prúd môže z akumulátora prijať alebo do neho odovzdať. V lítiových systémoch preto tieto dve zariadenia spája komunikačný kábel, prostredníctvom ktorého systém BMS prenáša informácie o stave nabitia a povolených hraniciach nabíjania a vybíjania. Ak je toto prepojenie bezchybné, obe zariadenia fungujú ako jedna zosúladená jednotka.

Fungovanie akumulátorového systému a nepretržité monitorovanie

Fungovanie akumulátorového systému je založené na komunikácii v uzavretej slučke (closed-loop). V tomto prípade sú BMS a menič v obojsmernom spojení a BMS nepretržite odosiela meniču informácie o stave nabitia (SOC), napätí, teplote, ako aj o povolených nabíjacích a vybíjacích prúdoch. Ak sa akumulátor blíži k plnému nabitiu, systém BMS môže znížiť nabíjací prúd, aby sa zabránilo prebitiu a aby sa vytvoril priestor na vyrovnanie článkov. Ak teplota prekročí bezpečný rozsah, nabíjanie alebo vybíjanie sa spomalí, v prípade potreby sa dokonca zastaví.

Naopak, v systéme s otvorenou slučkou (open-loop) menič pracuje na základe vopred nastavených parametrov a neprispôsobuje sa v reálnom čase stavu akumulátora. To môže viesť k menej efektívnemu nabíjaniu, prebitiu alebo hlbokému vybití a v konečnom dôsledku k skráteniu životnosti. Podľa skúseností výrobcov môže riadenie s uzavretou slučkou okrem predĺženia životnosti skrátiť aj dobu nabíjania.

Monitorovanie batérie je viditeľnou stránkou tohto prepojenia. V systéme so uzavretou slučkou sa stupeň nabitia odvodzuje z merania BMS, nie z hodnoty odhadnutej na základe napätia. Údaje prichádzajúce z BMS sa zobrazujú na displeji meniča alebo na cloudovej platforme výrobcu, vďaka čomu môžete na diaľku sledovať stupeň nabitia a stav batérie.

Aký je rozdiel medzi hybridným meničom a PCS?

Hybridný menič spája v jednom zariadení funkcie solárneho a akumulátorového meniča: cez svoje MPPT vstupy prijíma jednosmerný prúd zo solárnych panelov, nabíja a vybíja akumulátor a následne dodáva striedavý prúd do domácnosti alebo do siete. Ide o bežné riešenie v domácnostiach, najmä pri nových inštaláciách, pretože jedno zariadenie spravuje solárny panel aj akumulátor.

PCS (Power Conversion System) je obojsmerný menič pre komerčné a priemyselné akumulátory, ktorý mení energiu medzi akumulátorom a sieťou alebo spotrebičmi, a to synchronizovane so sieťou. Z funkčného hľadiska však aj menič obsahuje PCS: v skutočnosti ide o kombináciu meniča (PCS), jedného alebo viacerých modulov MPPT a v mnohých prípadoch aj prepínacieho modulu (STS). Úlohy súvisiace so zhodou so sieťou, reguláciou frekvencie a napätia, ako aj ochranné funkcie preto plnia aj meniče. Rozdiel spočíva skôr v rozsahu a konštrukcii: jednotky PCS sú často modulárne, takže je možné prepojiť viacero kusov na dosiahnutie požadovaného výkonu, pričom nabíjanie a vybíjanie riadi samostatný systém EMS a v priemyselnom meradle môžu ponúkať aj ďalšie funkcie.

Hranica teda nie je ostrá: existujú aj jednotky PCS vybavené vstupom MPPT a hybridný menič je tiež obojsmerným meničom. Tieto dva pojmy sa v odbornej terminológii často používajú ako synonymá, preto je vhodné porovnať konkrétne funkcie v technickom liste. Zjednodušene povedané: v rodinnom dome sa zvyčajne používa hybridný menič, zatiaľ čo v priemyselnom meradle sa do systému inštalujú samostatné PCS a EMS.

Inteligentný merač: čo sa deje v sieti?

Akumulátor a menič samy o sebe vidia len svoj vlastný elektrický obvod. Aby systém mohol prijať správne rozhodnutie, musí vedieť, koľko elektrickej energie prúdi zo siete a koľko sa do nej vracia. Túto úlohu plní inteligentný merač, teda merač nainštalovaný na mieste pripojenia k sieti a prepojený s meničom, ktorý často pracuje s prúdovým transformátorom (CT). Nie je to to isté ako fakturačný merač dodávateľa elektrickej energie. Systém riadenia spotreby energie zakladá svoje rozhodnutia na údajoch z tohto zariadenia. Bez merania by riadenie fungovalo naslepo.

Čo meria inteligentný merač?

Inteligentný merač vykonáva obojsmerné meranie: samostatne zaznamenáva energiu odobratú zo siete a energiu vrátenú do siete. Okrem toho meria aj okamžité hodnoty, napríklad napätie, intenzitu prúdu, výkon, frekvenciu a výkonový faktor, a tieto údaje zvyčajne odosiela do meniča prostredníctvom linky RS485 pomocou protokolu Modbus-RTU.

Prenos údajov je rýchly: pri niektorých riešeniach od výrobcov meradlo každú sekundu odosiela do EMS priemernú hodnotu výkonu, na základe čoho EMS pošle do meniča nový referenčný signál. Systém tak môže reagovať do jednej sekundy, ak napríklad spätné dodávanie energie dosiahne povolený limit. To je základom obmedzenia spätného prúdu (export limitation) aj prevádzky s nulovým vkladom, čo v niektorých lokalitách vyžadujú aj sieťové predpisy.

Rovnako dôležité je aj umiestnenie meradla. Musí byť umiestnené medzi sieť a všetkých domácich odberateľov, resp. ostatných výrobcov, pretože len tak zachytáva celkový energetický tok v dome. Rozdiel medzi momentálnou spotrebou a výrobou ukazuje, či práve odoberáte alebo dodávate energiu. Ak je meradlo umiestnené na nesprávnom mieste, napríklad na strane odberateľa, systém pracuje s nesprávnymi údajmi.

Prečo je dôležitý správny smer merania?

Prúdový transformátor (CT) je citlivý na smer: šípka na ňom ukazuje, ktorý smer prúdu považuje za kladný. Ak je namontovaný naopak, systém vníma odber ako vrátenie energie a vrátenie energie ako odber. V takom prípade riadenie akumulátora robí presný opak toho, čo by malo: prebytok energie z solárnych panelov vpúšťa do siete namiesto toho, aby nabíjalo akumulátor, alebo večer nevybije akumulátor, zatiaľ čo dom odoberá energiu zo siete. V prípade systému nastaveného na nulový spätný tok môže táto porucha znamenať aj to, že hoci sa obmedzenie javí ako aktívne, systém v skutočnosti dodáva energiu späť bez obmedzenia.

Správny smer sa môže líšiť v závislosti od výrobcu: v niektorých prípadoch musí šípka smerovať k sieti, v iných riešeniach smerom k meniču. Preto je vždy rozhodujúci konkrétny návod na inštaláciu. Niektoré meniče môžu smer merania zmeniť aj softvérovo, zatiaľ čo niektoré aplikácie výrobcov pomáhajú odhaliť chyby pomocou funkcie kontroly CT.

EMS – „mozog“ systému ukladania energie

Ak je BMS ochrancom akumulátora, potom je EMS (Energy Management System) mozgom celého systému ukladania energie. Tento riadiaci systém vyššej úrovne rozhoduje, kedy, prečo a koľko energie má systém uložiť alebo odovzdať. Systém EMS priamo komunikuje s meničom a BMS, zohľadňuje údaje o sieti, solárnych paneloch a spotrebičoch a na ich základe zostavuje prevádzkovú stratégiu. V systémoch pre domácnosti je často integrovaný do softvéru akumulátora alebo meniča, existujú však aj samostatné zariadenia na riadenie energie. Konečný výsledok je rovnaký: centrálne riadiace stredisko, ktoré má prehľad o celom systéme ako o celku.

Význam pojmov EMS a BMS

Stručný význam skratiek EMS a BMS: BMS (Battery Management System) je systém riadenia batérií a EMS (Energy Management System) je systém riadenia energetiky. Tieto dve skratky sú si podobné, ich úlohy sa však odohrávajú na rôznych úrovniach.

Systém BMS pracuje na úrovni akumulátora. Sleduje napätie, prúd a teplotu článkov, odhaduje stav nabitia a technickú kondíciu, vyrovnáva články a plní ochranné funkcie. Pri väčších akumulátoroch môže byť viacúrovňový: vlastné systémy BMS jednotlivých modulov sa podriaďujú hlavnému (master) systému BMS.

Na rozdiel od toho EMS uvažuje na systémovej úrovni. Nezaoberá sa jednotlivými článkami, ale tým, ako rozdeľovať energiu medzi akumulátor, solárne panely, sieť a spotrebiteľov, pričom zohľadňuje obmedzenia siete, napríklad s cieľom zvýšiť vlastnú spotrebu, posunúť zaťaženie alebo znížiť špičkové zaťaženie.

Oba systémy spolupracujú: rozhodnutia EMS sú obmedzované limitnými hodnotami BMS. Ak je podľa BMS akumulátor príliš studený alebo už plný, EMS môže márne žiadať o nabíjanie, pretože bezpečnosť má prednosť. V dobre integrovanom systéme je toto rozdelenie úloh nepozorovateľné: EMS plánuje, BMS dohliada.

Aké údaje používa systém EMS?

Systém EMS je len taký dobrý, ako presné sú údaje, s ktorými pracuje. Jeho najdôležitejšie zdroje možno rozdeliť do štyroch skupín.

Prvým sú merania v reálnom čase: sieťové údaje z inteligentného meradla, hodnoty výroby zo striedača, ako aj údaje o stave nabitia a limitných hodnotách prichádzajúce z BMS. Druhým sú prognózy: pokročilé systémy odhadujú očakávanú výrobu solárnych panelov na základe miesta inštalácie a meteorologických údajov, a to až 48 hodín dopredu. Tretím faktorom je spotrebný vzor: systém EMS sa na základe predchádzajúcich meraní naučí opakujúce sa návyky domácnosti; niektorí výrobcovia na to vyžadujú aspoň dvojtýždňový profil zaťaženia. Štvrtým faktorom je tarifa: poplatok za dodávku, cena elektrickej energie a v prípade dynamickej tarify cena meniaca sa v závislosti od časového obdobia.

Fungovanie systému riadenia energie je v podstate nepretržitý plánovací cyklus: na základe údajov sa vytvorí harmonogram, kedy má batéria nabíjať, kedy vybíjať a koľko rezervy má ponechať. Batéria to vykonáva, systém BMS spätne oznamuje aktuálny stav nabitia a systém EMS na základe toho opäť plánuje.

Preto sa môže stať, že sa akumulátor nenabije okamžite ani za slnečného počasia. Je to zámerné: na základe predpovede sa nabije neskôr, čím systém zabráni tomu, aby bolo potrebné obmedziť výrobu solárnych panelov kvôli obmedzeniu spätného napájania, a zároveň šetrí životnosť akumulátora.

Ako medzi sebou komunikujú komponenty riadenia systému ukladania energie?

Z doterajších kapitol je zrejmé, že v systéme ukladania energie spolupracuje viacero samostatných zariadení: akumulátor, menič, meradlo a EMS. Riadenie systému ukladania energie funguje spoľahlivo len vtedy, ak tieto zariadenia hovoria spoločným jazykom. V praxi sa presadilo niekoľko osvedčených komunikačných riešení: sériová linka RS485 s protokolom Modbus, zbernica CAN, ako aj Ethernet a internetové pripojenie. Každé z nich má svoju úlohu a v jednom systéme často beží viacero z nich súčasne. Nižšie ich stručne predstavíme z praktického hľadiska.

RS485 a Modbus

RS485 je fyzikálny štandard: definuje, ako signály prechádzajú po skrútenom páre vodičov. Modbus je zase protokol, ktorý určuje, v akej forme zariadenia kladú otázky a odpovedajú. Sériové pripojenie Modbus funguje na princípe master–slave: centrálne zariadenie kladie otázky, ostatné odpovedajú len vtedy, keď sú oslovené, a medzi sebou nekomunikujú.

Na zbernicu RS485 je možné pripojiť viacero zariadení a pri nízkej prenosovej rýchlosti zvládne dĺžku kábla až 1 200 metrov. V oblasti zariadení na ukladanie energie sa často využíva na pripojenie inteligentných meracích zariadení, ale mnohí výrobcovia ponúkajú pripojenie RS485 aj na komunikáciu medzi akumulátorom a meničom.

Pri zapájaní je potrebné venovať pozornosť viacerým detailom: správnemu priradeniu vodičov A a B, uzatvoreniu zbernice, prenosovej rýchlosti a Modbus adresám zariadení. Ak je niektorý z týchto parametrov nesprávny, komunikácia môže byť prerušovaná alebo sa vôbec nenavští.

Komunikácia CAN

Zbernica CAN (Controller Area Network) bola pôvodne vyvinutá spoločnosťou Bosch pre automobilový priemysel, dnes je však rozšírená aj v priemyselnej automatizácii a v akumulátorových úložiskách. Na rozdiel od Modbusu RS485 tu nie je povinné centrálne zariadenie: CAN je systém s viacerými majstrami a rozosielaním správ, kde každý uzol môže vysielať, ak je zbernica voľná, a kolízie sa riešia bitovou prioritnou arbitrážou. Diferenciálny prenos signálu dobre filtruje elektrický šum a detekcia chýb je súčasťou protokolu.

V prípade domácich akumulátorových systémov prebieha výmena údajov medzi systémom BMS a meničom často cez rozhranie CAN pomocou kábla s konektorom RJ45. Na tej istej zbernici môžu medzi sebou komunikovať aj akumulátorové moduly zapojené paralelne. Kábel zvonku pripomína sieťový kábel, rozloženie pinov sa však môže líšiť v závislosti od výrobcu, preto je vždy potrebné používať rozloženie predpísané výrobcom.

Ethernet a pripojenie k cloudu

Tretia vrstva predstavuje sieťové pripojenie. Mnohé invertory sa pripájajú k lokálnej sieti a k internetu prostredníctvom LAN portu, Wi-Fi alebo samostatného modulu na zber údajov (dongle). U niektorých typov je cez ethernetový port dostupný aj protokol Modbus TCP, vďaka čomu môže externý systém EMS alebo riadiaci program pre inteligentnú domácnosť priamo čítať údaje o meraní, výrobe a akumulátoroch.

Pripojenie do cloudu napája monitorovaciu platformu výrobcu: odtiaľ máš prístup k údajom systému cez mobilný telefón, pričom inštalatér môže na diaľku vykonávať diagnostiku, nastavenia a dokonca aj aktualizáciu firmvéru. Optimalizácia na základe dynamických taríf a predpovede počasia tiež vyžaduje pripojenie k internetu.

Je dôležité vedieť, že miestne regulácie, teda obmedzenia nabíjania, vybíjania a spätného dodávania energie, zvyčajne fungujú aj bez internetu. Pri strate pripojenia systém naďalej funguje, len sa údaje neposielajú do cloudu, kým sa pripojenie neobnoví.

Čo sa stane v prípade poruchy komunikácie?

Dôsledky komunikačných chýb závisia od toho, ktoré spojenie sa preruší.

Ak dôjde k prerušeniu spojenia medzi BMS a meničom, menič nevie, v akom stave sa nachádza akumulátor, a preto z bezpečnostných dôvodov obmedzí alebo zastaví nabíjanie a vybíjanie a zobrazí chybový kód, napríklad správu „BMS Lost“ alebo „BMS communication fault“. Batéria je v takom prípade zvyčajne nepoškodená, príčinou chyby je často uvoľnený alebo poškodený komunikačný kábel. Môže sa stať aj to, že sa samotný BMS z bezpečnostných dôvodov vypne, napríklad kvôli nadmernému prúdu alebo prehriatiu, čo sa voči meniču takisto prejaví ako komunikačná chyba.

Ak dôjde k prerušeniu spojenia so smart meterom, dobre navrhnutý systém prejde do bezpečného stavu: obmedzí výkon na nastavenú hranicu spätného napájania.

Fungovanie systému s akumulátorom je teda navrhnuté tak, aby v prípade chýbajúcich údajov bola uprednostnená bezpečnosť, nie výnos.

Prečo je monitorovanie akumulátorov dôležité?

Monitorovanie batérií nie je len funkciou pre pohodlie. Existujú tri dôvody, prečo stojí za to pravidelne sledovať údaje.

Prvým je včasná detekcia porúch. Výstrahy systému BMS signalizujú, ak sa napríklad články stanú nevyváženými, teplota prekročí bezpečný rozsah alebo dôjde k nadprúdu. Tieto situácie nesmieme ignorovať, pretože môžu viesť k poškodeniu akumulátora alebo k bezpečnostnému riziku.

Druhým je sledovanie starnutia. Ukazovateľ stavu (SOH) ukazuje, ako sa kapacita mení v priebehu rokov, takže sa včas zistí, či je degradácia rýchlejšia, ako sa očakávalo.

Tretím faktorom je záruka a servis. Niektorí inštalatéri viažu záruku výkonu na online dostupnosť systému, pričom vzdialený prístup umožňuje rýchlejšie odstraňovanie porúch.

V prípade chybového kódu je vhodné zveriť zásah, najmä aktualizáciu firmvéru, inštalatérovi.

Ako spolupracuje solárny panel a akumulátor na ukladanie energie?

Kľúčovou otázkou spolupráce solárneho panelu a akumulátora je to, kde sa stretávajú oba elektrické obvody. To určuje účinnosť, možnosť rozšírenia a tiež to, aké zariadenia sú potrebné v systéme. Existujú dve základné konfigurácie.

V systéme s pripojením na jednosmerný prúd (DC) sú solárne panely a akumulátor pripojené k tomu istému hybridnému meniču, a to na jeho spoločnú jednosmernú stranu. Jednosmerný prúd zo solárnych panelov priamo nabíja akumulátor a na striedavý prúd sa mení len pre spotrebiče alebo sieť. Je schopný ukladať aj energiu z „odrezaného“ (clipping) výkonu nadmerne dimenzovaného poľa solárnych panelov. Pri nabíjaní zo solárnych panelov dosahuje typicky 95–98-percentnú účinnosť cyklu, preto je to pri novej inštalácii zvyčajne rozumná voľba.

V systéme pripojenom na striedavú sieť solárne panely pracujú na vlastnom meničovi, zatiaľ čo akumulátor je pripojený na strane striedavého prúdu prostredníctvom samostatného akumulátorového meniča. Uložená energia sa tak premieňa až trikrát, preto je účinnosť zvyčajne 90–94 percent. Na druhej strane zostáva existujúci solárny systém nedotknutý, čo je pri dodatočnom rozšírení najjednoduchšie riešenie. Oba meniče pracujú nezávisle od seba, takže ak jeden z nich zlyhá, druhý môže pokračovať v prevádzke.

Rozdiel sa však týka iba uskladnenej energie: energia, ktorá ide priamo zo solárnych panelov k spotrebiteľom, prechádza v oboch prípadoch iba jedným prevodom. Pri nabíjaní zo siete sa však stráca výhoda vyššej účinnosti pri pripojení na jednosmerný prúd (DC). Pri projektovaní systému solárnych panelov s akumulátorovým ukladaním energie teda záleží na tom, aké množstvo energie skutočne prejde cez akumulátor.

Ak zvažujete, ktorá konfigurácia je vhodná pre váš systém, dilemu medzi akumulátorom pripojeným na striedavý (AC) alebo jednosmerný (DC) prúd rozoberáme v našom podrobnom článku, ktorý obsahuje aj rozhodovacie kritériá.

Aké prevádzkové režimy sú k dispozícii v modernom systéme?

V modernom systéme nefunguje riadenie akumulátora podľa jedinej, pevne stanovenej logiky. Výrobcovia ponúkajú viacero prevádzkových režimov, z ktorých si môžete vybrať na základe miestnych taríf a potrieb používateľov. Názvy sa líšia v závislosti od výrobcu, logika za nimi je však podobná.

Optimalizácia vlastnej spotreby (Self-use): poradie priorít je spotrebitelia, akumulátor, sieť. Solárny panel najskôr zásobuje dom, prebytok nabíja akumulátor a až to, čo zostane, sa dodáva do siete. Je to výhodné tam, kde je poplatok za dodávku do siete nízky a cena odberu vysoká.

Priorita dodávky do siete (Feed-in first): po zásobení domu sa prebytok zo solárnych panelov smeruje predovšetkým do siete, nie do akumulátora. Má to zmysel vtedy, ak je poplatok za dodávku do siete vyšší ako cena odobranej elektriny.

Režim zálohy (Backup): systém udržiava akumulátor na vyššej úrovni nabitia, aby v prípade výpadku prúdu bolo zabezpečené napájanie kritických spotrebičov (v systémoch s rezervným výkonom). Odporúča sa tam, kde sú časté výpadky siete.

Časovo riadené nabíjanie a vybíjanie (Force time use, Time of use): používateľ môže určiť, kedy sa má systém nabíjať zo siete a kedy sa má akumulátor vybíjať. Pri tarifách s odlišnými cenami v jednotlivých denných obdobiach je možné energiu uloženú v lacnejších obdobiach využiť v drahších hodinách.

Niektoré systémy ponúkajú aj ďalšie režimy, napríklad vyrovnávanie špičkového zaťaženia (peak shaving) alebo prevádzku s generátorom. V režime vlastnej spotreby a v rezervnom režime je zvyčajne možné nastaviť minimálnu úroveň nabitia (Min SOC), pod ktorú sa batéria nevybije.

Výber vhodného režimu je teda predovšetkým otázkou tarify: ten istý hardvér môže s iným nastavením priniesť úplne odlišné úspory.

Fungovanie systému EMS v praxi

Aby to bolo názorné, pozrime sa na priebeh jedného dňa v imaginárnom rodinnom dome, kde fungujú solárne panely, akumulátor, tepelné čerpadlo a nabíjačka elektromobilov. Príklad má ilustratívny charakter, konkrétne správanie sa líši v závislosti od výrobcu a nastavení.

Predchádzajúci večer systém EMS na základe predpovede zistí, že na druhý deň sa očakáva slnečné počasie. Preto v noci nenabíja akumulátor zo siete a ráno ho vybije na minimálnu úroveň nabitia, aby pokrylo rannú spotrebu, kým sa nespustia solárne panely.

Predpoludním už výroba prekračuje potreby domácnosti. V takomto prípade môže systém EMS cez konektor SG Ready prepnúť tepelné čerpadlo do režimu zvýšeného výkonu, čím sa prebytok ukladá vo forme tepla v zásobníku teplej vody alebo v akumulačnom zásobníku. Ak nie je k dispozícii tepelné čerpadlo, je možné cez reléový obvod ovládať napríklad aj vykurovací článok.

Na poludnie, v čase vrcholu výroby, sa nabíja akumulátor a elektromobil sa tiež nabíja zo slnečnej energie. Niektoré systémy riadenia energie uprednostňujú nabíjanie elektromobilu z prebytku energie a je možné nastaviť aj minimálnu úroveň nabitia, aby bol vždy zabezpečený dostatočný dojazd. Systém rozdeľuje prebytok tak, aby nebolo potrebné obmedzovať výrobu solárnych panelov kvôli obmedzeniu spätného napájania.

Večer preberá napájanie domu akumulátor. Systém EMS nevybíja akumulátor pod nastavenú minimálnu úroveň nabitia, takže aj na noc zostáva rezerva, zatiaľ čo systém BMS priebežne monitoruje články.

Fungovanie systému riadenia energie je teda kombináciou poradia priorít a prognóz: cieľom je využiť čo najviac vlastnej výroby v najvhodnejšom čase a s čo najmenšími stratami.

Kedy systém riadenia energie presahuje rámec jednoduchého vlastného spotreby?

Zvýšenie vlastnej spotreby je základnou úlohou, ale pokročilý systém riadenia energie dokáže oveľa viac. V takomto prípade už nejde len o to, kde sa vlastná výroba spotrebuje, ale aj o to, kedy, za akú cenu a za akých podmienok siete.

Pri dynamických tarifách systém EMS na základe predpovede cien nabíja akumulátor vtedy, keď je elektrina lacná, a spotrebúva ju vtedy, keď je drahá. Tomu sa hovorí energetická arbitráž. Na to musí súčasne zohľadňovať očakávanú výrobu, spotrebu a stav akumulátora.

Pri vyrovnávaní špičkového zaťaženia (peak shaving) je cieľom znížiť špičky odberu výkonu zo siete. Tam, kde je sadzba viazaná aj na najvyšší odobratý výkon, sa akumulátor počas špičky vybije, čím sa zníži poplatok za výkon. To má význam najmä tam, kde poplatok za výkon tvorí významnú časť faktúry.

Súčasťou energetického manažmentu je aj dodržiavanie sieťových predpisov: systém dodržiava limit spätného napájania a na niektorých trhoch môže na pokyn prevádzkovateľa siete obmedziť spotrebu alebo dodávku energie.

Najvyššou úrovňou je virtuálna elektráreň (VPP). V tomto prípade centrálny softvér koordinuje mnoho geograficky rozptýlených úložísk, ktoré sa tak správajú ako jediná, riaditeľná elektráreň. Tieto systémy sa môžu podieľať aj na regulácii frekvencie a regulácii na strane dopytu, pričom časť príjmov dostávajú vlastníci.

To, ktoré z nich sú dostupné, závisí od miestneho trhového a regulačného prostredia. Pri výbere systému riadenia energie sa preto oplatí zohľadniť aj budúce možnosti.

Aký je rozdiel medzi akumulátorovým ukladaním energie z solárnych panelov pre domácnosti a pre priemysel?

Základný princíp je v oboch prípadoch rovnaký: akumulátor, BMS, menič a riadenie. Rozdiel spočíva v rozsahu, konštrukcii a cieľoch.

V prípade systémov pre domácnosti sa kapacita zvyčajne pohybuje od niekoľkých kWh až po niekoľko desiatok kWh; na pokrytie priemerného večerného a nočného odberu často stačí už 5–10 kWh užitočnej kapacity. Premenu zvyčajne zabezpečuje jediný menič, pričom riadenie je integrované do softvéru meniča alebo akumulátora. Hlavným cieľom je zvýšenie vlastnej spotreby a v prípade potreby záložné napájanie. Existujú aj modulárne verzie, ktoré je možné inštalovať vonku a ktoré sú vybavené vykurovaním; takéto riešenia nájdete napríklad medzi akumulátormi EcoFlow.

V priemyselnom a komerčnom meradle sa kapacita môže pohybovať od niekoľkých stoviek kWh až po megawatthodiny. Systémy sú dodávané v skrinovom alebo kontajnerovom vyhotovení, systémy riadenia batérií (BMS) modulov sú usporiadané do viacúrovňovej hierarchie, konverziu zabezpečujú modulárne jednotky PCS a riadenie zabezpečuje samostatný systém EMS alebo SCADA. Časté je aj vyhotovenie typu „all-in-one“, pri ktorom je menič, akumulátor a systém riadenia teploty dodávaný v jednej vopred integrovanej skrinke. Systém riadenia teploty zohráva kľúčovú úlohu, popri vzduchovom chladení sa čoraz viac rozširuje kvapalinové chladenie a súčasťou zariadenia sú aj protipožiarne a dymové detekčné systémy.

Ciele sú tiež odlišné. V priemyselnom areáli okrem vlastnej spotreby zohrávajú dôležitú úlohu aj zníženie špičkového zaťaženia, posun zaťaženia a sieťové služby, preto sa dimenzovanie vychádza z profilu zaťaženia areálu. Pri pripojení k sieti sú prísnejšie aj požiadavky na bezpečnosť a kvalitu elektrickej energie.

Ukladanie energie z solárnych panelov do akumulátorov teda vychádza z tých istých základných prvkov, avšak v priemyselnom meradle má oveľa väčšiu váhu projektovanie, bezpečnosť a obchodný model.

Na základe čoho sa oplatí vybrať si systém na ukladanie energie?

Na základe doterajšieho textu je už zrejmé, z čoho sa skladá systém ukladania energie: akumulátor s BMS, menič, meracie zariadenie a EMS. Pri výbere preto nestačí sledovať len jedno číslo, napríklad kWh. Oplatí sa posudzovať tri skupiny hľadísk súčasne: kapacitu a výkon, kompatibilitu medzi komponentmi, ako aj možnosti riadenia. Pred rozhodnutím je vhodné zhromaždiť aj vlastné údaje o spotrebe, pretože bez nich je dimenzovanie len odhadom.

Kapacita a výkon

Kapacita (kWh) udáva, koľko energie dokáže akumulátor uložiť, zatiaľ čo výkon (kW) udáva, aké zaťaženie dokáže súčasne pokryť. Tieto dva pojmy nie sú totožné: systém s veľkou kapacitou, ale nízkym výkonom vydrží dlho, avšak pri zapnutí spotrebiča s vyššou spotrebou môže byť jeho výkon nedostatočný.

Kapacitu určuje predovšetkým večerná a nočná spotreba, nie celková denná spotreba. Vždy počítajte s užitočnou kapacitou, nie s menovitou. Pri výkone sa oplatí zohľadniť aj trvalý a krátkodobý špičkový výkon, ako aj to, či je systém obmedzovaný meničom alebo akumulátorom na ukladanie energie. Ak je cieľom aj záložné napájanie, je potrebné dôkladne zvážiť, ktoré spotrebiče musia fungovať aj počas výpadku prúdu.

Dôležitá je aj možnosť rozšírenia. V prípade modulárneho systému je možné kapacitu neskôr zvýšiť pridaním ďalších modulov; takéto riešenie nájdete napríklad ajmedzi akumulátormi FoxEss . Podmienky rozšírenia však vždy určujú špecifikácie výrobcu.

C-rate a kompatibilita

C-rate vyjadruje, ako rýchlo sa batéria môže nabíjať alebo vybíjať v pomere k jej kapacite. Pri 1C sa batéria úplne nabije alebo vybije za jednu hodinu, pri 0,5C za dve hodiny. V praxi to určuje výkon: akumulátor s kapacitou 10 kWh, ktorý je možné zaťažiť rýchlosťou 0,5C, dokáže trvalo dodávať približne 5 kW. Články LFP zvyčajne dobre znášajú trvalé zaťaženie 0,5C a krátkodobé zaťaženie 1C. Hodnota C-rate pre nabíjanie a vybíjanie sa môže líšiť, čo je uvedené osobitne v technickom liste.

Kompatibilita je minimálne rovnako dôležitá. Rozsah napätia akumulátora musí zodpovedať meniču a komunikačný protokol medzi akumulátorom a meničom (CAN alebo RS485) sa tiež musí zhodovať. Vysokonapäťové a nízkonapäťové akumulátory nie sú vzájomne zameniteľné, a to ani pri rovnakej hodnote kWh. Vždy si skontrolujte aktuálny a schválený zoznam kompatibility od výrobcu na úrovni modelu a firmvéru. Neschválená kombinácia síce môže fungovať, ale môže viesť k chybovým hláseniam, obmedzenému výkonu alebo problémom so zárukou.

Funkcie systému EMS

Schopnosti systému EMS určujú, koľko z hardvéru dokážete vyťažiť. Oplatí sa skontrolovať, či riadiaci systém podporuje nabíjanie na základe predpovedí a dynamické tarify, či vie spravovať limit spätného prúdu a či disponuje funkciou obmedzovania špičkového zaťaženia. Ak máte doma aj tepelné čerpadlo alebo nabíjačku pre elektromobily, je dôležité, aby ich systém EMS vedel ovládať, napríklad prostredníctvom rozhrania SG Ready alebo EEBUS.

Otvorené rozhranie, napríklad Modbus TCP, vám umožní neskôr prepojiť systém aj s externými zariadeniami. Pozrite sa tiež, aká je aplikácia od výrobcu, či je k dispozícii vzdialená aktualizácia a akú ochranu v oblasti kybernetickej bezpečnosti výrobca ponúka. Je to dôležité, pretože akumulátor zvyčajne kupujete na desaťročnú prevádzku a softvér sa počas tejto doby môže rozširovať prostredníctvom aktualizácií. Nakoniec sa uistite, že lokálne ovládanie funguje aj bez pripojenia k internetu.

Názor spoločnosti SOLARKIT na ukladanie energie pomocou batérií

Ako veľkoobchodník so solárnymi panelmi a partner poskytujúci technickú podporu vidíme, že úspech akumulátorového ukladania energie zriedka závisí od samotného akumulátora. Skôr závisí od toho, do akej miery sú komponenty systému navzájom zosúladené a či je projektovanie založené na reálnych údajoch o spotrebe. Chybné rozhodnutia zvyčajne vyplývajú z nedostatočného prieskumu, nie z odborných nedostatkov. V nasledujúcom texte preto neodporúčame konkrétny produkt, ale určitý prístup.

Z čoho sa v ideálnom prípade skladá systém ukladania energie?

Ak sa pýtate, z čoho by sa v ideálnom prípade mal skladať systém na ukladanie energie, naša odpoveď pozostáva z piatich prvkov: akumulátor na báze LFP, ktorého užitočná kapacita je dimenzovaná na vašu večernú spotrebu; spoľahlivý BMS s komunikáciou v uzavretej slučke; menič zodpovedajúci napäťovému rozsahu a zoznamu kompatibility výrobcu; správne nainštalovaný inteligentný merač na mieste pripojenia k sieti; a systém EMS, ktorý je možné prispôsobiť miestnym tarifám.

Pokiaľ ide o architektúru, náš záver je jednoduchý: pri novom systéme pripojenie na DC, pri existujúcom a dobre fungujúcom meničovi pripojenie na AC. Výnimkou je prípad, keď starý menič aj tak vyžaduje výmenu.

Rovnako dôležité je, čo do systému nepatrí: zbytočné nadmerné dimenzovanie. Príliš veľká batéria v porovnaní so solárnymi panelmi zriedka proporcionálne zlepšuje sebestačnosť, naopak zhoršuje návratnosť investície.

Predtým, ako podáte alebo požiadate o ponuku, je vhodné zaznamenať typ a rok výroby existujúceho meniča, hodnoty napätia a prúdu reťazcov, pripojovací výkon a limit napájania, potrebu záložného napájania, ako aj profil večerného zaťaženia.

Aký je rozdiel medzi systémom BMS a EMS pre akumulátory?

Ak by sme mali v jednej vete zhrnúť podstatu rozdielu medzi BMS a EMS batérie: BMS zodpovedá za bezpečnosť a životnosť batérie, zatiaľ čo EMS zabezpečuje čo najefektívnejšie využitie energie. BMS nepretržite monitoruje články v reálnom čase, zatiaľ čo EMS plánuje až 48 hodín dopredu.

V praxi sa preto aj ich poruchy prejavujú odlišne. Výstraha systému BMS alebo porucha komunikácie si vyžaduje okamžitú pozornosť, pretože systém môže z bezpečnostných dôvodov obmedziť alebo zastaviť nabíjanie a vybíjanie. Nesprávne nastavený systém EMS však zvyčajne nepredstavuje bezpečnostný, ale ekonomický problém: akumulátor sa nenabíja a nevybíja vtedy, keď by to bolo najvýhodnejšie.

Pri nákupe sa preto oplatí osobitne preskúmať obidve zariadenia: v prípade BMS ochranné funkcie, vyrovnávanie článkov a komunikáciu v uzavretej slučke, v prípade EMS prevádzkové režimy, prognózy a možnosť rozšírenia. Ukladanie energie v akumulátoroch funguje dobre vtedy, ak obidve zariadenia pracujú spoločne a koordinovane.

Často kladené otázky

Ako v skratke funguje ukladanie energie v akumulátoroch?

Počas dňa solárny panel najskôr zásobuje spotrebiče v dome, prebytok energie nabíja akumulátor a do siete sa dostáva až vtedy, keď je akumulátor plne nabitý. Večer alebo za oblačného počasia sa akumulátor vybíja a menič premieňa uložený jednosmerný prúd na striedavý prúd. Ukladanie energie do akumulátora tak prenáša dennú slnečnú energiu do večera a noci.

Čo znamenajú skratky EMS a BMS?

Význam skratiek EMS a BMS: BMS (Battery Management System) je systém riadenia batérií, ktorý monitoruje a chráni napätie, prúd a teplotu článkov. EMS (Energy Management System) riadi energetické hospodárenie celého systému: rozhoduje, kedy sa má systém nabíjať, vybíjať alebo dodávať energiu späť do siete. Rozdiel medzi BMS a EMS je teda na rôznych úrovniach: BMS chráni akumulátor, EMS optimalizuje celý systém.

Prečo sa akumulátor nenabíja okamžite, keď svieti slnko?

Pri nabíjaní na základe predpovede je to zámerné. Systém EMS na základe predpovede počasia vie, že sa akumulátor neskôr aj tak naplní, a preto ho ráno nenabíja na maximum. Takto sa dá zabrániť tomu, aby bolo potrebné v poludňajších hodinách obmedziť výkon solárnych panelov kvôli limitu spätného napájania, a zároveň sa šetrí životnosť akumulátora. Ak tento jav pretrváva aj bez predpovednej funkcie, odporúča sa nechať skontrolovať smer zapojenia meradla.

Čo sa stane, ak dôjde k prerušeniu komunikácie medzi akumulátorom a meničom?

Menič v takom prípade nepozná stav akumulátora, a preto z bezpečnostných dôvodov obmedzí alebo zastaví nabíjanie a vybíjanie a signalizuje chybový kód. Akumulátor je zvyčajne v poriadku, príčinou chyby je často uvoľnený alebo poškodený komunikačný kábel. Ak chyba pretrváva aj po reštarte, obráťte sa na inštalatéra a firmware neaktualizujte sami.

Funguje akumulátor bez pripojenia k internetu?

Áno, vo väčšine systémov. Lokálne ovládanie, teda nabíjanie, vybíjanie a obmedzenie spätného napájania, funguje aj bez internetu. Pri strate pripojenia vypadnú len funkcie založené na cloude: mobilný monitoring, diaľková diagnostika, ako aj optimalizácia založená na predpovedi počasia a cien. Údaje sa zvyčajne nahrajú po obnovení pripojenia. Niektorí inštalatéri viažu záruku výkonu na online dostupnosť, čo je vhodné skontrolovať v zmluve.