Shranjevanje energije v akumulatorjih: od akumulatorja do upravljanja z energijo

Če načrtujete sistem za shranjevanje energije, je smiselno razumeti celotno verigo, ne le zmogljivost. Shranjevanje energije z akumulatorji je usklajen sistem, v katerem je akumulator le eden od elementov. Najprej si bomo ogledali, kako poteka proces in zakaj akumulator sam po sebi ni dovolj. Nato bomo govorili o osnovah shranjevanja energije iz sončnih celic, o akumulatorju in o nadzorni elektroniki, ki ga ščiti.

Omenili bomo, kako inverter ali PCS pretvarja enosmerni tok v izmenični tok in obratno. Pokazali bomo, kaj meri pametni števec na priključni točki omrežja. EMS je krmilnik, ki odloča, kdaj in koliko naj sistem napolni ali izprazni. Ogledali si bomo tudi, prek katerih kanalov (RS485, Modbus, CAN, Ethernet) naprave komunicirajo med seboj.

Nato sledi sodelovanje sončnih celic in akumulatorja, značilni načini delovanja ter delovanje sistema EMS v praksi. Pokazali vam bomo, kdaj nadzorni sistem presega povečanje lastne porabe ter v čem se razlikujeta sistem za gospodinjstva in industrijski sistem. Na koncu boste lahko prebrali merila za izbiro in strokovno mnenje podjetja SOLARKIT.

Kako deluje shranjevanje energije v akumulatorjih?

Če vas zanima, kako deluje shranjevanje energije v akumulatorjih, je najlažje, da sledite poti energije od strehe do vtičnice. Sončni kolektorji proizvajajo enosmerni tok (DC), ki ga inverter pretvori v izmenični tok (AC), primeren za uporabo v gospodinjstvu. Proizvedeno energijo najprej porabijo lastni porabniki v hiši. Če proizvodnja presega trenutno porabo, presežek ne gre v omrežje, temveč napolni akumulator. Ko se akumulator napolni, sistem nadaljnji presežek dovaja v omrežje, če je to dovoljeno.

Zvečer, ob oblačnem vremenu ali ob izpadu električne energije (če je sistem primeren tudi za samostojno delovanje) se proces obrne. Akumulator se izprazni, inverter pa shranjeni enosmerni tok ponovno pretvori v izmenični tok. To preklapljanje sistem izvede samodejno, brez človeškega posredovanja. Če se shranjena energija izčrpa in sončni kolektorji ne proizvajajo, oskrbo prevzame omrežje.

Bistvo shranjevanja energije iz sončnih celic v akumulatorju je torej časovni zamik: dnevni presežek porabiš takrat, ko sončne celice ne proizvajajo več. To je pomembno, ker veliko gospodinjstev največ porabi zjutraj in zgodaj zvečer, ko sončne celice komajda proizvajajo elektriko. Pomembno je pojasniti: akumulator sam ne proizvaja energije, ampak jo le shranjuje in oddaja.

Zakaj akumulator sam po sebi ni dovolj?

Akumulator za shranjevanje energije sam po sebi energijo shranjuje le v kemični obliki. Ne more sam odločiti, kdaj se naj napolni, kdaj naj se izprazni in koliko toka naj odda, enosmernega toka pa tudi ne pretvori v obliko, ki jo gospodinjstvo lahko uporabi; za to je potreben inverter ali PCS.

Poleg tega so litij-ionske celice občutljive. Prekomerno polnjenje, globoko praznjenje, prevelik tok ali delovanje zunaj dovoljenega temperaturnega območja lahko povzroči termično preobremenitev, kar lahko privede celo do požara. Za preprečevanje tega služi sistem BMS, ki nenehno spremlja stanje napolnjenosti in zdravstveno stanje ter v primeru nevarnosti odklopi baterijo ali zmanjša polnilni in praznilni tok. Razlike v napetosti med celicami uravnava z izenačevanjem, saj bi brez tega najšibkejša celica omejevala zmogljivost celotnega akumulatorskega paketa. Ta tveganja so deloma povezana tudi s kemijo celic. Zato so naprave za shranjevanje energije, ki jih tržimo, izdelane z litij-železovo-fosfatnimi (LFP, LiFePO₄) celicami, katerih toplotna stabilnost je boljša kot pri NMC-celicah z večjo energijsko gostoto. O tem bomo podrobneje spregovorili v naslednjem poglavju. 

Čeprav je celica še tako varna, mora sistem vedeti, kaj se dogaja v hiši in na priključni točki omrežja. Za to so potrebna merjenja, za sprejemanje odločitev pa nadrejeno krmiljenje, t. i. BMS. O tem boste podrobneje lahko prebrali v naslednjih poglavjih.

Osnova sistema za shranjevanje energije iz sončnih celic: akumulator

Srce vsakega sistema za shranjevanje energije iz sončnih celic je akumulator, zato zmogljivosti sistema v veliki meri določa kemijska sestava celic. Pri akumulatorjih za gospodinjstva je danes litij-železov-fosfat (LFP, LiFePO4) ena najpogostejših izbir. V primerjavi s celicami NMC (nikelj-mangan-kobalt) ima stabilnejšo kristalno strukturo, pri visokih temperaturah je manj nagnjena k sproščanju kisika, zato ima večjo rezervo toplotne stabilnosti. Prednost NMC je večja energijska gostota, kar je pomembno tam, kjer sta prostor ali masa ozko grlo.

Druga pomembna lastnost je življenjska doba ciklov: ta kaže, po koliko popolnih ciklih polnjenja in praznjenja se zmogljivost zmanjša na 70 odstotkov prvotne vrednosti. Na podlagi podatkov proizvajalcev in industrije je LFP-celica običajno sposobna 6000–8000, lahko pa tudi do 10 000 ciklov, vrednost za NMC-celice pa je običajno nižja. Če računamo z enim ciklom na dan, to lahko pomeni več kot desetletje delovanja, vendar na dejansko življenjsko dobo vplivata tudi globina praznjenja (DoD) in temperatura. V tehničnih podatkih je vredno upoštevati uporabno zmogljivost, saj je ta lahko manjša od nazivne: proizvajalci običajno dopuščajo globino praznjenja med 80 in 95 odstotki.

Odločilna je tudi napetost akumulatorja za shranjevanje energije. Na potrošniškem trgu obstajata dve glavni kategoriji: nizkonapetostni sistemi, običajno z nazivno napetostjo 51,2 V, ter visokonapetostni sistemi, ki lahko dosežejo tudi 800 V. Nizkonapetostne različice je mogoče razširiti z vzporednim priključevanjem in ponujajo veliko zmogljivost po ugodni ceni, visokonapetostne pa so bolj primerne za sisteme z veliko energijo in visoko močjo. Napetostni razpon akumulatorja in inverterja mora biti enak, kar je vedno vredno preveriti pred nakupom.

Komunikacija med akumulatorjem in inverterjem – kako se pretvarja energija?

Akumulator shranjuje enosmerni tok, gospodinjstvo in omrežje pa delujeta z izmeničnim tokom, zato je med njima vedno potrebna pretvorbena enota. To je pot energije. Enako pomembna pa je tudi pot informacij: brez komunikacije med akumulatorjem in inverterjem inverter ne bi vedel, koliko toka lahko sprejme ali odda akumulator. Pri litijevih sistemih zato obe napravi povezuje komunikacijski kabel, prek katerega sistem za upravljanje baterije (BMS) posreduje stanje napolnjenosti ter dovoljene mejne vrednosti polnjenja in praznjenja. Če je ta povezava brezhibna, obe napravi delujeta kot ena usklajena enota.

Delovanje akumulatorskega sistema in neprekinjeno spremljanje

Delovanje akumulatorskega sistema temelji na komunikaciji v zaprtem krogu (closed-loop). V tem primeru sta BMS in inverter povezana v dvosmerni povezavi, pri čemer BMS inverterju neprekinjeno pošilja stanje napolnjenosti (SOC), napetost, temperaturo ter dovoljene vrednosti toka polnjenja in praznjenja. Če se akumulator približuje popolni napolnjenosti, lahko BMS zmanjša polnilni tok, da prepreči prekomerno polnjenje in omogoči izenačenje celic. Če temperatura preseže varno območje, se polnjenje ali praznjenje upočasni, po potrebi pa se tudi ustavi.

Nasprotno pa v sistemu z odprto zanko (open-loop) inverter deluje na podlagi vnaprej nastavljenih parametrov in se ne prilagaja stanju akumulatorja v realnem času. To lahko vodi do manj učinkovitega polnjenja, prekomernega polnjenja ali globokega praznjenja, kar na koncu skrajša življenjsko dobo. Po izkušnjah proizvajalcev lahko krmiljenje z zaprtim krogom poleg podaljšanja življenjske dobe skrajša tudi čas ponovnega polnjenja.

Spremljanje akumulatorja je vidna stran te povezave. V sistemu z zaprtim krogom stanje napolnjenosti izhaja iz meritev sistema BMS, ne pa iz vrednosti, ocenjene na podlagi napetosti. Podatki iz sistema BMS se prikažejo na zaslonu inverterja ali na oblačni platformi proizvajalca, tako da lahko stanje napolnjenosti in stanje akumulatorja spremljate tudi na daljavo.

Kakšna je razlika med hibridnim inverterjem in PCS?

Hibridni inverter v eni napravi združuje naloge inverterja za sončne celice in inverterja za akumulator: prek MPPT-vhodov sprejema enosmerni tok iz sončnih celic, polni in prazni akumulator, nato pa dobavlja izmenični tok v gospodinjstvo ali omrežje. To je pogosta rešitev pri sistemih za gospodinjstva, zlasti pri novih namestitvah, saj ena naprava upravlja tako sončne celice kot tudi akumulator.

PCS (Power Conversion System) je dvosmerni pretvornik za komercialne in industrijske akumulatorje, ki pretvarja energijo med akumulatorjem in omrežjem ali porabniki, sinhroniziran z omrežjem. Vendar pa funkcionalno tudi inverter vsebuje PCS: v resnici gre za kombinacijo pretvornika (PCS), enega ali več MPPT-jev ter v mnogih primerih tudi preklopnega modula (STS). Zato tudi inverterji opravljajo naloge usklajevanja z omrežjem, uravnavanja frekvence in napetosti ter zaščite. Razlika je predvsem v obsegu in zgradbi: enote PCS so pogosto modularne, tako da je mogoče več enot povezati za doseganje želene moči, polnjenje in praznjenje pa krmili ločen sistem EMS, v industrijskem obsegu pa lahko ponujajo tudi dodatne funkcije.

Meja torej ni jasno začrtana: obstajajo tudi PCS-ji, opremljeni z MPPT-vhodom, hibridni inverter pa je prav tako dvosmerni pretvornik. V stroki se ti dve pojmi pogosto uporabljata kot sinonima, zato je priporočljivo v tehničnih podatkih primerjati konkretne funkcije. Poenostavljeno: v družinskih hišah se običajno uporablja hibridni inverter, v industrijskem obsegu pa se v sistem vgradita samostojni PCS in EMS.

Pametni števec: kaj se dogaja v omrežju?

Akumulator in inverter sama po sebi vidita le svoj lasten tokokrog. Da bi sistem lahko sprejel pravilno odločitev, mora vedeti, koliko toka priteka iz omrežja in koliko se vanj vrača. To nalogo opravlja pametni števec, tj. merilnik, nameščen na priključni točki omrežja in povezan z inverterjem, ki pogosto deluje s tokovnim transformatorjem (CT). To ni isto kot merilnik za obračunavanje, ki ga uporablja dobavitelj električne energije. Sistem za upravljanje z energijo svoje odločitve utemeljuje na podatkih te naprave. Brez merjenja bi krmiljenje delovalo na slepo.

Kaj meri pametni merilnik?

Pametni merilnik izvaja dvosmerno merjenje: ločeno beleži energijo, porabljeno iz omrežja, in energijo, vrnjeno v omrežje. Poleg tega meri tudi trenutne vrednosti, na primer napetost, jakost toka, moč, frekvenco in faktor moči, ter jih običajno pošilja inverterju prek vodila RS485 s protokolom Modbus-RTU.

Pošiljanje podatkov je hitro: pri nekaterih rešitvah proizvajalcev merilnik vsako sekundo posreduje povprečno vrednost moči sistemu EMS, ki na podlagi tega pošlje nov referenčni signal inverterju. Tako se sistem lahko odzove v manj kot sekundi, če na primer povratna moč doseže dovoljeno mejo. To je osnova za omejitev povratnega toka (export limitation) in tudi za obratovanje z ničelnim dovodom, kar na nekaterih mestih zahtevajo tudi omrežni predpisi.

Prav tako pomembna je lokacija merilnika. Nameščen mora biti med omrežje in vse gospodinjske porabnike ter druge proizvajalce, saj le tako lahko zazna celoten energetski pretok v hiši. Razlika med trenutno porabo in proizvodnjo kaže, ali trenutno porabljate ali vračate energijo v omrežje. Če je merilnik nameščen na napačnem mestu, na primer na strani porabnikov, sistem deluje z napačnimi podatki.

Zakaj je pravilna smer merjenja pomembna?

Tokovni transformator (CT) je občutljiv na smer: puščica na njem kaže, katero smer toka obravnava kot pozitivno. Če je nameščen obrnjeno, sistem porabo zazna kot vračanje energije, vračanje energije pa kot porabo. V tem primeru krmiljenje akumulatorja stori ravno nasprotno od tega, kar bi moralo: presežek energije iz sončnih celic spusti v omrežje, namesto da bi napolnilo akumulator, ali pa zvečer ne izprazni akumulatorja, medtem ko hiša črpa energijo iz omrežja. Pri sistemu, nastavljenem na ničelno vnosno moč, lahko napaka pomeni tudi to, da se omejitev sicer zdi aktivna, vendar sistem v resnici neomejeno vrača energijo v omrežje.

Pravilna smer se lahko razlikuje glede na proizvajalca: pri nekaterih mora puščica kazati proti omrežju, pri drugih rešitvah pa proti inverterju. Zato je vedno odločilno upoštevati konkretna navodila za namestitev. Nekateri inverterji lahko smer merjenja spremenijo tudi programsko, nekatere proizvajalčeve aplikacije pa s funkcijo preverjanja CT pomagajo pri odkrivanju napak.

EMS – »možgani« sistema za shranjevanje energije

Če je BMS zaščitnik akumulatorja, potem je EMS (Energy Management System) možgani celotnega sistema za shranjevanje energije. Ta nadrejeni krmilnik odloča, kdaj, zakaj in koliko energije naj sistem shrani ali odda. Sistem EMS neposredno komunicira z inverterjem in sistemom BMS, upošteva podatke o omrežju, sončnih celicah in porabnikih ter na podlagi tega oblikuje strategijo delovanja. Pri sistemih za gospodinjstva je pogosto vgrajen v programsko opremo akumulatorja ali inverterja, obstajajo pa tudi samostojne naprave za upravljanje z energijo. Končni rezultat je isti: centralna enota, ki celoten sistem obravnava kot celoto.

Pomen EMS in BMS

Kratka razlaga pomenov EMS in BMS: BMS (Battery Management System) je sistem za upravljanje akumulatorjev, EMS (Energy Management System) pa je krmilnik, ki upravlja z energijo. Obe kratici sta si podobni, njuni nalogi pa se izvajata na različnih ravneh.

Sistem BMS deluje na ravni akumulatorja. Spremlja napetost, tok in temperaturo celic, ocenjuje stanje napolnjenosti in zdravstveno stanje, izenačuje celice ter opravlja zaščitne funkcije. Pri večjih akumulatorjih je lahko večstopenjski: lastni BMS-ji modulov poročajo glavnemu (master) BMS-ju.

EMS pa razmišlja na sistemski ravni. Ne ukvarja se s posameznimi celicami, temveč s tem, kako naj se energija porazdeli med akumulatorjem, sončnimi celicami, omrežjem in porabniki, ob upoštevanju omrežnih omejitev, na primer za povečanje lastne porabe, premik obremenitve ali zmanjšanje konic.

Oba sistema sodelujeta: odločitve sistema EMS so omejene z mejnimi vrednostmi sistema BMS. Če sistem BMS ugotovi, da je akumulator prehladen ali že poln, sistem EMS ne more zahtevati polnjenja, saj ima varnost prednost. V dobro integriranem sistemu je ta delitev dela neopazna: sistem EMS načrtuje, sistem BMS pa nadzira.

Katere podatke uporablja sistem EMS?

Sistem EMS je tako dober, kolikor natančnih podatkov uporablja. Njegove najpomembnejše vire lahko razdelimo v štiri skupine.

Prva so meritve v realnem času: omrežni podatki pametnega števca, vrednosti proizvodnje inverterja ter podatki o stanju napolnjenosti in mejnih vrednostih, ki jih posreduje sistem BMS. Druga so napovedi: napredni sistemi na podlagi lokacije naprave in meteoroloških podatkov ocenijo pričakovano proizvodnjo sončnih celic, in sicer do 48 ur vnaprej. Tretji dejavnik je vzorec porabe: sistem EMS se na podlagi prejšnjih meritev nauči ponavljajočih se navad gospodinjstva; nekateri proizvajalci za to zahtevajo vsaj dvotedenski profil obremenitve. Četrti dejavnik je tarifa: pristojbina za vnos v omrežje, cena električne energije, pri dinamični tarifi pa cena, ki se spreminja glede na časovno obdobje.

Delovanje sistema za upravljanje z energijo je v bistvu neprekinjen načrtovalni cikel: na podlagi podatkov se pripravi urnik, kdaj naj se polni, kdaj naj se prazni in koliko rezerve naj ostane. Akumulator to izvede, sistem za upravljanje akumulatorja (BMS) sporoči trenutno stanje napolnjenosti, sistem za upravljanje z energijo (EMS) pa na podlagi tega ponovno načrtuje.

Zato se lahko zgodi, da se akumulator tudi ob sončnem vremenu ne napolni takoj. To je namerno: na podlagi napovedi se bo napolnil kasneje, s čimer sistem prepreči, da bi bilo treba zaradi omejitve povratnega napajanja zmanjšati proizvodnjo sončnih celic, hkrati pa podaljšuje življenjsko dobo akumulatorja.

Kako med seboj komunicirajo elementi krmiljenja sistema za shranjevanje energije?

Iz dosedanjih poglavij je razvidno, da v sistemu za shranjevanje energije sodeluje več samostojnih naprav: akumulator, inverter, merilnik in EMS. Krmiljenje sistema za shranjevanje energije deluje zanesljivo le, če te naprave govorijo skupni jezik. V praksi so se uveljavile nekatere preizkušene komunikacijske rešitve: serijska povezava RS485 s protokolom Modbus, CAN-bus ter Ethernet in internetna povezava. Vsaka ima svojo vlogo, v enem sistemu pa pogosto deluje več rešitev hkrati. V nadaljevanju jih na kratko predstavljamo s praktičnega vidika.

RS485 in Modbus

RS485 je fizični standard: določa, kako signali potujejo po prepletenem parnem vodniku. Modbus pa je protokol, ki določa, v kakšni obliki naprave pošiljajo poizvedbe in odgovarjajo nanje. Serijska povezava Modbus deluje po načelu »master–slave«: centralna naprava pošilja poizvedbe, ostale pa odgovorijo šele, ko so naslovljene, med seboj pa ne komunicirajo.

Na RS485 je mogoče na eno vodilo priključiti več naprav, pri nizki hitrosti prenosa podatkov pa prenese tudi do 1200 metrov dolžine kabla. Pri sistemih za shranjevanje energije se pogosto uporablja za priključitev pametnih števcev, vendar mnogi proizvajalci ponujajo RS485-priključek tudi za komunikacijo med akumulatorjem in inverterjem.

Pri priključevanju je treba paziti na več podrobnosti: na pravilno dodelitev vodnikov A in B, na zaključitev avtobusa, na hitrost prenosa podatkov in na Modbusove naslove naprav. Če je katera koli od teh napak, lahko komunikacija poteka s prekinitvami ali pa sploh ne vzpostavi povezave.

Komunikacija CAN

Vozilo CAN (Controller Area Network) je bilo prvotno razvito v podjetju Bosch za avtomobilsko industrijo, danes pa je razširjeno tudi v industrijski avtomatizaciji in akumulatorskih skladiščih. V nasprotju z Modbusom RS485 tu ni obvezne centralne naprave: CAN je večgospodarski sistem z razpošiljanjem sporočil, v katerem lahko vsak vozlišče pošilja podatke, če je vodilo prosto, kolizije pa rešuje bitna arbitraža na podlagi prioritet. Diferencialni prenos signala dobro odfiltrira električni šum, prepoznavanje napak pa je del protokola.

Pri shranjevalnikih za gospodinjstva izmenjava podatkov med sistemom BMS in inverterjem pogosto poteka prek CAN-a, s kablom z RJ45 priključkom. Prek istega vodila lahko med seboj komunicirajo tudi akumulatorski moduli, povezani vzporedno. Kabel je zunanje podoben omrežnemu kablu, vendar se razpored priključkov lahko razlikuje glede na proizvajalca, zato je treba vedno uporabiti razpored, ki ga predpisuje proizvajalec.

Ethernet in povezava z oblakom

Tretji sloj predstavlja omrežna povezava. Mnogi inverterji se prek LAN-priključka, Wi-Fi-ja ali ločenega modula za zbiranje podatkov (dongla) povezujejo z lokalnim omrežjem in internetom. Pri nekaterih modelih je prek ethernetnega priključka na voljo tudi Modbus TCP, tako da lahko zunanji sistem za upravljanje energije (EMS) ali program za upravljanje pametnega doma neposredno bere podatke o merjenju, proizvodnji in akumulatorjih.

Povezava z oblakom napaja proizvajalčevo platformo za spremljanje: od tam lahko prek mobilnega telefona dostopate do podatkov sistema, monter pa lahko na daljavo izvaja diagnostiko, nastavitve in celo posodablja firmware. Tudi dinamične tarife in optimizacija na podlagi vremenske napovedi zahtevata internetno povezavo.

Pomembno je vedeti, da lokalna regulacija, torej omejitve polnjenja, praznjenja in vračanja energije v omrežje, običajno deluje tudi brez interneta. Ob izgubi povezave sistem še naprej deluje, le da se podatki ne pošiljajo v oblak, dokler se povezava ne vzpostavi ponovno.

Kaj se zgodi v primeru napake v komunikaciji?

Posledice napak v komunikaciji so odvisne od tega, katera povezava se prekine.

Če se prekine povezava med BMS in inverterjem, inverter ne ve, v kakšnem stanju je akumulator, zato iz varnostnih razlogov omeji ali ustavi polnjenje in praznjenje ter prikaže kod napake, na primer s sporočilom »BMS Lost« ali »BMS communication fault«. Akumulator je v takem primeru običajno nepoškodovan, vzrok napake pa je pogosto ohlapni ali poškodovan komunikacijski kabel. Lahko se tudi zgodi, da se BMS sam izklopi zaradi varnostnih razlogov, na primer zaradi prevelikega toka ali pregrevanja, kar se do inverterja prav tako prikaže kot napaka v komunikaciji.

Če se prekine povezava s pametnim števcem, se dobro zasnovan sistem preklopi v varno stanje: moč omeji na nastavljeno mejno vrednost povratnega toka.

Delovanje akumulatorskega sistema je torej zasnovano tako, da je v primeru pomanjkanja podatkov v ospredju varnost, ne pa donos.

Zakaj je spremljanje akumulatorja pomembno?

Spremljanje akumulatorja ni zgolj funkcija za udobje. Podatke je vredno redno pregledovati iz treh razlogov.

Prvi je zgodnje odkrivanje napak. Opozorila sistema BMS signalizirajo, če na primer celice postanejo neuravnotežene, temperatura izstopi iz varnega območja ali pride do prenapetosti. Tega ne smemo spregledati, saj lahko privede do poškodbe akumulatorja ali varnostnega tveganja.

Drugi vidik je spremljanje staranja. Kazalnik stanja (SOH) prikazuje, kako se zmogljivost spreminja skozi leta, tako da se pravočasno ugotovi, če je degradacija hitrejša od pričakovane.

Tretji vidik sta garancija in servis. Nekateri monterji pogojujejo garancijo zmogljivosti z dostopnostjo sistema prek spleta, daljinski dostop pa omogoča hitrejše odpravljanje napak.

V primeru napak je priporočljivo, da posredovanje, zlasti posodobitev programske opreme, prepustite izvajalcu namestitve.

Kako delujeta sončni panel in akumulator za shranjevanje energije skupaj?

Ključno vprašanje pri sodelovanju sončnega kolektorja in akumulatorja je, kje se stikata oba tokokroga. To določa učinkovitost, možnost širitve in tudi to, kakšna oprema je potrebna v sistemu. Obstajata dve osnovni zasnovi.

V sistemu z enosmernim priključkom so sončni paneli in akumulator priključeni na isti hibridni inverter, in sicer na njegovo skupno enosmerno stran. Enosmerni tok iz sončnih panelov neposredno polni akumulator, v izmenični tok pa se pretvori šele za porabnike ali omrežje. Sistem lahko shranjuje tudi odrezano (»clipping«) energijo prevelikega sončnega polja. Pri polnjenju iz sončnih celic običajno doseže 95–98-odstotni izkoristek v celotnem ciklu, zato je pri novi namestitvi to ponavadi smiselna izbira.

V sistemu, priključenem na izmenični tok (AC), sončni kolektorji delujejo prek lastnega inverterja, akumulator pa je na strani izmeničnega toka priključen prek ločenega akumulatorskega inverterja. Shranjena energija se tako pretvori tudi do trikrat, zato je izkoristek običajno 90–94 odstotkov. V zameno pa obstoječi sistem sončnih celic ostane nedotaknjen, zato je to očitna pot pri naknadni širitvi. Oba inverterja delujeta neodvisno drug od drugega, tako da lahko v primeru okvare enega drugega še naprej deluje.

Razlika pa se nanaša le na shranjeno energijo: tisto, kar gre neposredno iz sončnega kolektorja k porabnikom, v obeh primerih preide le eno pretvorbo. Pri polnjenju iz omrežja pa se izgubi prednost učinkovitosti pri DC-priključku. Pri načrtovanju shranjevanja energije iz sončnih kolektorjev v akumulatorjih je torej pomembno, koliko energije dejansko preide skozi akumulator.

Če razmišljate, katera konfiguracija je primerna za vaš sistem,dilemo med AC- in DC-priključenim shranjevanjem energije obravnavamo v našem podrobnem članku, ki vsebuje tudi merila za odločanje.

Kateri načini delovanja so na voljo v sodobnem sistemu?

V sodobnem sistemu krmiljenje sistema za shranjevanje energije ne deluje po eni sami, fiksni logiki. Proizvajalci ponujajo več načinov delovanja, med katerimi lahko izbirate glede na lokalne tarife in potrebe uporabnikov. Imena se razlikujejo glede na proizvajalca, vendar je logika, ki stoji za njimi, podobna.

Optimizacija lastne porabe (Self-use): vrstni red prednosti je porabniki, akumulator, omrežje. Sončni kolektor najprej oskrbi hišo, presežek napolni akumulator, šele tisto, kar ostane, se dovaja v omrežje. To je ugodno tam, kjer je pristojbina za dovajanje v omrežje nizka, cena odkupne energije pa visoka.

Prednostna oskrba omrežja (Feed-in first): po oskrbi hiše se presežek energije iz sončnih celic najprej usmeri v omrežje, ne v akumulator. To je smiselno, če je nadomestilo za oddajo energije v omrežje višje od cene kupljene električne energije.

Režim rezervnega napajanja (Backup): sistem vzdržuje akumulator na višji ravni napolnjenosti, da je v primeru izpada električne energije zagotovljena oskrba kritičnih porabnikov (pri sistemih z rezervnim izhodom). Priporočljiv je tam, kjer so izpadi omrežja pogosti.

Časovno načrtovano polnjenje in praznjenje (Force time use, Time of use): uporabnik lahko določi, kdaj naj sistem polni iz omrežja in kdaj naj prazni akumulator. Pri tarifah z različnimi cenami v dnevnih obdobjih se energija, shranjena v cenejših obdobjih, lahko porabi v dražjih urah.

Nekateri sistemi ponujajo tudi dodatne načine delovanja, na primer zmanjševanje konične obremenitve (peak shaving) ali delovanje z generatorjem. V načinu lastne porabe in rezervnega delovanja je običajno mogoče nastaviti minimalno raven napolnjenosti (Min SOC), pod katero se akumulator ne izprazni.

Izbira ustreznega načina je torej v prvi vrsti odvisna od tarif: ista strojna oprema lahko z drugačnimi nastavitvami prinese povsem drugačne prihranke.

Delovanje sistema EMS v praksi

Da bi bilo lažje razumeti, si oglejmo potek dneva v namišljeni družinski hiši, kjer delujejo sončni kolektorji, akumulator, toplotna črpalka in polnilnik za električna vozila. Primer je zgolj ilustrativen, dejansko delovanje pa se razlikuje glede na proizvajalca in nastavitve.

Prejšnji večer sistem EMS na podlagi napovedi ugotovi, da bo naslednji dan sončno vreme. Zato ponoči akumulatorja ne polni iz omrežja, zjutraj pa ga izprazni do minimalne ravni napolnjenosti, da pokrije jutranjo porabo, dokler se sončni kolektorji ne začnejo delovati.

Predpoludne proizvodnja že presega potrebe hiše. V tem primeru lahko sistem EMS prek priključka SG Ready preklopi toplotno črpalko v način povečane zmogljivosti, tako da se presežek shrani kot toplota v rezervoarju za toplo vodo ali v akumulacijskem rezervoarju. Če ni toplotne črpalke, je mogoče prek releja krmiliti na primer tudi grelno vložek.

Opoldne, v času največje proizvodnje, se polni akumulator, električni avtomobil pa se prav tako polni iz sončne energije. Nekateri sistemi za upravljanje z energijo prednostno polnijo avtomobil iz presežka, nastaviti pa je mogoče tudi minimalno raven napolnjenosti, da je vedno na voljo dovolj dosega. Sistem razporedi presežek tako, da zaradi omejitve povratnega toka ni treba zmanjševati proizvodnje sončnih celic.

Zvečer akumulator prevzame oskrbo hiše. Sistem za upravljanje z energijo (EMS) ne izprazni akumulatorja pod nastavljeno minimalno raven napolnjenosti, tako da ostane rezerva tudi za noč, medtem ko sistem za upravljanje baterij (BMS) ves čas nadzoruje celice.

Delovanje sistema za upravljanje z energijo je torej kombinacija prednostnega vrstnega reda in napovedi: cilj je, da se čim več lastne proizvodnje izkoristi v najugodnejšem trenutku in z najmanjšimi izgubami.

Kdaj sistem za upravljanje z energijo preseže okvire preproste lastne porabe?

Povečanje lastne porabe je osnovna naloga, vendar je napreden sistem za upravljanje z energijo sposoben veliko več. V tem primeru ni več pomembno le, kje se lastna proizvodnja porabi, ampak tudi kdaj, po kakšni ceni in pod kakšnimi omrežnimi pogoji.

Pri dinamičnih tarifah sistem za upravljanje z energijo (EMS) na podlagi napovedi cen napolni akumulator takrat, ko je elektrika poceni, in jo porabi takrat, ko je draga. To imenujemo energetska arbitraža. Pri tem mora hkrati upoštevati pričakovano proizvodnjo, porabo in stanje akumulatorja.

Pri zmanjševanju konične obremenitve (peak shaving) je cilj zmanjšanje konic moči, odvzete iz omrežja. Kadar je tarifna shema vezana tudi na največjo odvzeto moč, se akumulator v času konice izprazni, s čimer se zmanjša pristojbina za moč. To je še posebej pomembno tam, kjer pristojbina za moč predstavlja znaten del računa.

Tudi upoštevanje omrežnih predpisov je del upravljanja z energijo: sistem upošteva omejitev povratnega toka, na nekaterih trgih pa lahko na znak omrežnega operaterja omeji porabo ali dovajanje energije.

Najvišja raven je virtualna elektrarna (VPP). V tem primeru centralna programska oprema usklajuje številne geografsko razpršene shranjevalne enote, tako da delujejo kot ena sama, krmiljena elektrarna. Ti sistemi lahko sodelujejo tudi pri uravnavanju frekvence in uravnavanju povpraševanja, del prihodkov pa prejmejo lastniki.

Katera od teh možnosti je na voljo, je odvisno od lokalnega tržnega in regulativnega okolja. Pri izbiri sistema za upravljanje z energijo je zato smiselno upoštevati tudi prihodnje možnosti.

Kakšna je razlika med shranjevanjem energije v akumulatorjih za sončne celice za gospodinjstva in za industrijo?

Osnovno načelo je v obeh primerih enako: akumulator, sistem za upravljanje akumulatorjev (BMS), pretvornik in krmiljenje. Razlika je v obsegu, zgradbi in namenih.

Pri sistemih za gospodinjstva se zmogljivost običajno giblje od nekaj kWh do nekaj deset kWh, za pokrivanje povprečne večerne in nočne porabe pa pogosto zadostuje že 5–10 kWh uporabne zmogljivosti. Pretvorbo običajno opravlja en sam inverter, krmiljenje pa je vgrajeno v programsko opremo inverterja ali akumulatorja. Glavni cilj je povečanje lastne porabe in, če je potrebno, zagotavljanje rezervne oskrbe. Obstajajo tudi modularne izvedbe, ki jih je mogoče namestiti na prostem in so ogrevane; takšne rešitve najdeš na primer med akumulatorji EcoFlow.

Na industrijski in komercialni ravni se zmogljivost lahko giblje od več sto kWh do megavatnih ur. Sistemi so izvedeni v obliki omar ali kontejnerjev, sistemi za upravljanje baterij (BMS) modulov so organizirani v večstopenjsko hierarhijo, pretvorbo opravljajo modularne enote PCS, krmiljenje pa zagotavlja ločen sistem EMS ali SCADA. Pogosta je tudi izvedba »vse v enem«, pri kateri so pretvornik, akumulator in sistem za upravljanje s toploto vgrajeni v vnaprej integrirano omaro. Upravljanje s toploto ima pomembno vlogo, poleg zračnega hlajenja se vse bolj uveljavlja tudi hlajenje s tekočino, del opreme pa so tudi protipožarni sistemi in sistemi za zaznavanje dima.

Tudi cilji so drugačni. Na industrijski lokaciji imajo poleg lastne porabe pomembno vlogo tudi zmanjševanje koničnih obremenitev, premik obremenitve in omrežne storitve, zato se dimenzioniranje začne z obremenitvenim profilom lokacije. Pri priključitvi na omrežje so tudi zahteve glede varnosti in kakovosti električne energije strožje.

Shranjevanje energije iz sončnih celic z akumulatorji torej temelji na istih osnovnih elementih, vendar imajo na industrijski ravni načrtovanje, varnost in poslovni model precej večjo težo.

Na podlagi česa se splača izbrati sistem za shranjevanje energije?

Na podlagi dosedanjega je že jasno, iz česa je sestavljen sistem za shranjevanje energije: akumulator z BMS, pretvornik, merilnik in EMS. Pri izbiri zato ni dovolj, da upoštevate le eno številko, na primer kWh. Priporočljivo je skupaj preučiti tri skupine vidikov: zmogljivost in moč, združljivost med elementi ter zmogljivosti krmiljenja. Pred odločitvijo je priporočljivo zbrati tudi lastne podatke o porabi, saj je brez njih dimenzioniranje le ocena.

Zmogljivost in moč

Kapaciteta (kWh) kaže, koliko energije lahko shrani akumulator, moč (kW) pa, kako veliko obremenitev lahko hkrati oskrbi. Ti dve vrednosti nista enaki: sistem z veliko kapaciteto, a majhno močjo zdrži dolgo, vendar pa ob vklopu večjega porabnika morda ne bo zadostoval.

Kapaciteto določa predvsem poraba zvečer in ponoči, ne pa dnevna skupna poraba. Vedno računajte z uporabno zmogljivostjo, ne z nazivno. Pri moči je vredno preveriti tako stalno kot kratkotrajno konično moč ter tudi to, ali sistem omejuje inverter ali akumulator za shranjevanje energije. Če je cilj tudi rezervno napajanje, je treba premisliti, katere porabnike morajo med izpadom električne energije še naprej delovati.

Pomembna je tudi možnost razširitve. Pri modularnih sistemih je mogoče zmogljivost kasneje povečati z dodatnimi moduli; takšno rešitev najdete na primer tudimed akumulatorji za shranjevanje energije FoxEss . Pogoje za razširitev pa vedno določajo proizvajalčeva navodila.

C-rate in združljivost

C-rate izraža, kako hitro se lahko akumulator napolni ali izprazni glede na njegovo zmogljivost. Pri 1C se lahko v eni uri, pri 0,5C pa v dveh urah popolnoma napolni ali izprazni. V praksi to določa zmogljivost: akumulator z zmogljivostjo 10 kWh, ki se lahko obremenjuje s 0,5C, lahko trajno oddaja približno 5 kW. LFP-celice običajno dobro prenašajo trajno obremenitev 0,5C in kratkotrajno obremenitev 1C. C-rate za polnjenje in praznjenje se lahko razlikujeta, kar je posebej navedeno v tehničnih podatkih.

Združljivost je vsaj enako pomembna. Napetostno območje akumulatorja mora biti skladno z inverterjem, prav tako pa morata biti enaka komunikacijska protokola akumulatorja in inverterja (CAN ali RS485). Visokonapetostni in nizkonapetostni akumulatorji niso zamenljivi, niti pri enaki vrednosti kWh. Vedno preverite aktualni, odobreni seznam združljivosti proizvajalca na ravni modela in programske opreme. Neodobrena kombinacija sicer lahko deluje, vendar lahko povzroči napake, omejeno zmogljivost ali težave z garancijo.

Funkcije sistema EMS

Zmožnosti sistema EMS določajo, koliko boste izkoristili iz strojne opreme. Preverite, ali sistem podpira polnjenje na podlagi napovedi in dinamične tarife, ali zna upravljati z omejitvijo povratnega toka ter ali ima funkcijo omejevanja konične obremenitve. Če imate v hiši tudi toplotno črpalko ali polnilnik za električna vozila, je pomembno, da jih sistem EMS lahko krmili, na primer prek povezave SG Ready ali EEBUS.

Odprti vmesnik, na primer Modbus TCP, omogoča, da sistem kasneje povežete tudi z zunanjimi sistemi. Preverite tudi, kakšna je aplikacija proizvajalca, ali je na voljo posodobitev na daljavo in kakšno kibernetsko varnostno zaščito ponuja proizvajalec. To je pomembno, ker akumulator običajno kupujete za desetletno delovanje, medtem pa se lahko programska oprema v tem času dopolnjuje z nadgradnjami. Nazadnje se prepričajte, da lokalno upravljanje deluje tudi brez internetne povezave.

Mnenje podjetja SOLARKIT o shranjevanju energije v akumulatorjih

Kot veletrgovec s sončnimi celicami in partner, ki nudi tehnično podporo, ugotavljamo, da uspeh shranjevanja energije z akumulatorji redko odvisen od samega akumulatorja. Veliko bolj je odvisen od tega, kako dobro so elementi sistema usklajeni in ali načrtovanje temelji na dejanskih podatkih o porabi. Napačne odločitve običajno izhajajo iz pomanjkanja raziskave, ne iz strokovne nevednosti. Zato v nadaljevanju ne priporočamo konkretnega izdelka, temveč določen pristop.

Iz česa je v idealnem primeru sestavljen sistem za shranjevanje energije?

Če vprašate, iz česa je v idealnem primeru sestavljen sistem za shranjevanje energije, je naš odgovor sestavljen iz petih elementov: akumulator na osnovi LFP, katerega uporabna zmogljivost je prilagojena vaši večerni porabi; zanesljiv BMS z zaprto zanko komunikacije; inverter, ki ustreza napetostnemu območju in proizvajalčevemu seznamu združljivosti; pravilno nameščen pametni števec na priključni točki omrežja; ter sistem za upravljanje energije (EMS), ki se lahko prilagodi lokalnim tarifam.

Glede arhitekture je naš povzetek preprost: pri novem sistemu DC-priključek, pri obstoječem in dobro delujočem inverterju pa AC-priključek. Izjema je, če je stari inverter tako ali tako treba zamenjati.

Enako pomembno je, česa ne potrebujete: nepotrebnega prevelikega dimenzioniranja. Akumulator, ki je v primerjavi s sončnimi celicami prevelik, redko sorazmerno izboljša samozadostnost, nasprotno pa poslabša donosnost.

Preden podate ali zaprosite za ponudbo, je smiselno zabeležiti tip in leto izdelave obstoječega inverterja, vrednosti napetosti in toka nizov, priključno moč in omejitev dovajanja energije, potrebo po rezervnem napajanju ter profil večerne obremenitve.

Kakšna je razlika med sistemom za upravljanje akumulatorja (BMS) in sistemom za upravljanje energije (EMS)?

Če bi morali v enem stavku povzeti bistvo razlike med sistemom BMS in sistemom EMS za akumulatorje: sistem BMS je odgovoren za varnost in življenjsko dobo akumulatorja, sistem EMS pa za to, da se energija izkorišča čim bolj gospodarno. Sistem BMS nenehno in v realnem času nadzoruje celice, sistem EMS pa načrtuje tudi do 48 ur vnaprej.

V praksi se zato tudi njihove napake kažejo drugače. Alarm sistema BMS ali napaka v komunikaciji zahteva takojšnjo pozornost, saj lahko sistem iz varnostnih razlogov omeji ali ustavi polnjenje in praznjenje. Slabo nastavljen sistem EMS pa običajno ni varnostno, temveč gospodarsko vprašanje: akumulator se ne polni in prazni takrat, ko bi bilo to najugodneje.

Zato je ob nakupu smiselno posebej preveriti oboje: pri BMS-ju zaščitne funkcije, izenačevanje celic in komunikacijo v zaprtem krogu, pri EMS-ju pa načine delovanja, napovedovanje in možnost razširitve. Shranjevanje energije v akumulatorjih deluje dobro, če oba sistema delujeta skupaj in usklajeno.

Pogosto zastavljena vprašanja

Kako na kratko deluje shranjevanje energije v akumulatorjih?

Podnevi sončni kolektor najprej oskrbuje porabnike v hiši, presežek pa polni akumulator, v omrežje pa se dovaja šele, ko je akumulator poln. Zvečer ali ob oblačnem vremenu se akumulator izprazni, inverter pa shranjeni enosmerni tok pretvori v izmenični tok. Shranjevanje energije v akumulatorju tako dnevno sončno energijo prenese v večer in noč.

Kaj pomenita kratici EMS in BMS?

Pomen EMS in BMS: BMS (Battery Management System) je sistem za upravljanje akumulatorja, ki nadzoruje in ščiti napetost, tok in temperaturo celic. EMS (Energy Management System) upravlja z upravljanjem energije celotnega sistema: odloča, kdaj naj se sistem polni, prazni ali vrača energijo v omrežje. Razlika med BMS in EMS je torej na ravni: BMS ščiti akumulator, EMS pa optimizira celoten sistem.

Zakaj se akumulator ne napolni takoj, ko sije sonce?

Pri polnjenju na podlagi napovedi je to namerno. Sistem EMS na podlagi vremenske napovedi ve, da se bo akumulator napolnil tudi kasneje, zato ga zjutraj ne napolni do konca. Tako se izogne temu, da bi bilo treba opoldne zaradi omejitve povratnega toka zmanjšati moč sončnih celic, hkrati pa se podaljša življenjska doba akumulatorja. Če se pojav pojavlja tudi brez funkcije napovedovanja, je priporočljivo preveriti smer priključitve merilnika.

Kaj se zgodi, če se prekine komunikacija med akumulatorjem in inverterjem?

Inverter v tem primeru ne pozna stanja akumulatorja, zato iz varnostnih razlogov omeji ali ustavi polnjenje in praznjenje ter prikaže kod napake. Akumulator je običajno nepoškodovan, vzrok napake pa je pogosto ohlapni ali poškodovan komunikacijski kabel. Če napaka ostane tudi po ponovnem zagonu, se obrni na svojega monterja in ne posodabljaj programske opreme sam.

Ali sistem za shranjevanje energije deluje brez internetne povezave?

Da, pri večini sistemov. Lokalno upravljanje, torej polnjenje, praznjenje in omejevanje povratnega toka, deluje tudi brez interneta. Ob izgubi povezave ne delujejo le funkcije v oblaku: mobilno spremljanje, daljinska diagnostika ter optimizacija na podlagi vremenskih napovedi in napovedi cen. Podatki se običajno sinhronizirajo po ponovni vzpostavitvi povezave. Nekateri monterji pogojujejo garancijo zmogljivosti z dostopnostjo prek spleta, zato je to vredno preveriti v pogodbi.