Jaké technologie zajišťují elektřinu a teplo v Českém soběstačném domě (2/2)?

Poslední díl seriálu je zaměřen na detail použitých technologií a technického řešení domu – popíšeme si použitý DC rozvaděč. Přiblížíme si to, jak dům vytápíme a jak při vytápění, když nesvítí slunce vyrábíme elektřinu. Dojde také na další zajímavosti z testování a ladění použitých technologií.

DC rozvaděč

Nejzajímavějším a do jisté míry unikátním prvkem technické místnosti je právě baterie a DC rozvaděč. Oboje se nám podařilo se integrovat do jedné kompaktní plechové skříně. Na dně je 16 článků o kapacitě 400 Ah. Nad nimi modul ELERIX CPM, který hlídá baterii proti nadměrnému vybití či přebití, ale záměrně baterii průběžně nebalancuje. Důvody budou popsány dále.

Baterie je ke zbytku systému připojena přes pojistková pouzdra a havarijní odpojovač. Vše musí být dimenzováno pro stejnosměrné proudy až do 300 A, což není jednoduchá věc. Stejnosměrný proud totiž při odpojení vytváří elektrický oblouk, který teplotně namáhá kontakty (opaluje je). Všechny odpojovací prvky musí být tedy vybaveny tzv. zhášečem oblouku a nelze použít standardní jističe a ochrany pro střídavé napětí 230 V.

Za odpojovačem a pojistkami je připojen tzv. měřící „shunt“ připojený k modulu BMV-700 (viz dále) pro sledování toku energie z/do baterie a dále již společné šíny (DC sběrnice), kam jsou připojeny všechny tři měniče a tři regulátory nabíjení.

Blokové schéma střídače a bateriového úložiště. Zdroj: ASOLAR

Výstup ze střídačů (ať již dvou velkých či jednoho malého) již má standardní parametry síťového napětí, tedy 230 V a 50 Hz. Právě k tomu výstupu je připojen Stirlingův motor, který paralelně se střídači pomáhá napájet domovní rozvody a v případě nadbytku elektrické energie umožňuje díky funkci „AC Coupling“ zpětně přes střídač dobíjet baterii.

Výběr mezi velkými měniči (pouze 10 kW nebo pouze 5 kW nebo jejich paralelním 15kW provozem) provádíme ručně pákovým přepínačem, jejich vypnutí a přepnutí na záložní 1200W střídač probíhá automaticky s možností odvrácení. O důvodech použití tří měničů jsme psali v minulých dílech, takže jen ve zkratce – redundance pro případ poruchy a úspora v zimním standby provozu).

Pro případ fatální poruchy celého systému je zde další pákový mechanický přepínač, kterým je možné celý DC rozvaděč odpojit a zapojit dům přímo na benzínovou elektrocentrálu s výstupem 230 V. Pomocí této elektrocentrály je dokonce (opět díky funkci AC coupling) možné baterii i nabíjet.

Pro úplnost uvádíme, že v běžném provozu s elektrocentrálou vůbec nepočítáme, za dva roky reálného provozu domu, kdy se zde nonstop střídají návštěvy na pobytech nebylo nutné elektrocentrálu spustit ani jednou. Je zde jen jako záloha zálohy pro případ fatální poruchy a zároveň extrémního počasí.

Blokové schéma centrála, Stirlingův motor a střídač. Zdroj: ASOLAR

Baterie je za běžných podmínek dobíjena třemi MPPT regulátory výkonem až 15 kW. Ty jsou připojeny k solárním panelům přes DC jističe. Za opravdu slunného dne tedy dobijeme i zcela vybitou baterii za přibližně hodinu a půl. Tato zásoba energie nám pak při úsporném provozu domu vydrží asi na pět dnů. Není to skvělé? Hodina a půl slunce výměnou za pět dní energie?

Množství skutečné energie v baterii je nutné měřit na základě rozdílu energie dodané a odebrané. Na rozdíl od baterií olověných, Li-Pol či Li-NMC nelze u LiFePO4 baterie poznat zbývající energii podle napětí. To je většinou dobrá a chtěná vlastnost, ale zrovna u měření se nám moc nehodí. Proto na to používáme jednoduché a levné zařízení BMV-700 od Victron Energy, které pomocí měřícího rezistoru (tzv. shuntu) měří proud, který do baterie teče nebo je z ní odebírán. Součtem těchto dvou hodnot ukazatel nabití kdykoliv vypočte, kolik energie v baterii zbývá.

Stav nabití baterie (SoC = State Of Charge) je v ostrovním domě poměrně důležitá veličina a je dobré ho znát. Na základě % SoC totiž v domě řídíme jednotlivé spotřebiče. Střídače, regulátory a měřič SoC jsou navzájem propojeny s hlavní jednotkou Victron Energy Cerbo, která sbírá informace o stavu jednotlivých komponent a na jejich základě dokáže ovládat dvě základní události:

• přepnutí celého domu z velkých měničů (10/5 kW) na malý (1,2 kW) při poklesu zásoby energie v baterii pod 30 %
• sepnutí až třech topných tyčí do akumulační nádoby při SoC > 95 %

Zdroj tepla

Původně jsme počítali s dřevoplynujícím kotlem, ale náhoda tomu chtěla, že celý projekt Českého soběstačného domu  uchvátil spolumajitele rakouské společnosti ÖkoFEN, pana Stefana Ortnera, který se rozhodl bezplatně a časově neomezeně zapůjčit do domu špičkový peletový kotel Pellematic v provedení se Stirlingovým motorem, který při provozu dokáže vyrábět až 900 W elektrické energie.

To je nabídka, která se neodmítá, a tak bylo jasno – topit budeme peletami. Elektrický zdroj o výkonu 900W elektrický zdroj se navíc v zimním období bude výborně hodit. K této specialitě se vrátíme později.

Kromě přídavného Stirlingu se jedná o běžný peletový kotel o maximálním výkonu 16 kW, s integrovaným zásobníkem pelet na cca jeden den provozu, automatickým doplňováním z externího zásobníku, automatickým zážehem a integrovanou regulací celého topného systému domu.

Spalováním pelet kotel ohřívá vodu v 1000litrové akumulační nádobě. Ta je rozdělena na dvě části – spodní cca ⅔ slouží pro zásobu vody pro topný systém a horní ⅓ je zdrojem tepla pro ohřev teplé užitkové vody. Tou prochází nerezový výměník (v podstatě trubka stočená do spirály/šneku) se studenou vodou ze studny a předává jí teplo z nádrže.

Protože jsme pro rozvod tepla z akumulační nádoby do domu zvolili kombinaci podlahového vytápění a radiátorů, je v systému ještě trojcestný ventil, který reguluje teplotu vody do podlahy na max. 36 stupňů, zatímco do radiátorů může jít voda až 60 stupňů horká.

Součástí akumulační nádoby jsou také tři již zmíněné topné tyče na stejnosměrné napětí 50–60 V napájené přímo z baterie bez účasti měniče. Spínají se postupně podle přebytku elektrické energie, jakmile je baterie nabitá alespoň na 95 %. Horní tyč se sepne jako první (pro ohřev horní třetiny nádrže pro TUV), pak teprve tyč spodní a střední.

Zkušenost ukázala, že kotlem není potřeba topit téměř od konce února do začátku prosince. Dům má tepelnou ztrátu cca 4 kW / -10 oC, a tak by ho slunce mělo po zbytek roku společně s 16 kWp solárních panelů pohodlně vytopit.

Jako bivalentní zdroj tepla jsou dále projektovány malá krbová kamna v hlavní obytné místnosti a kuchyňském koutu. Mají spíše emocionální (oheň v místnosti) a bezpečnostní funkci – kotel, regulátor, nabíječ, čerpadlo, to vše se může teoreticky porouchat. Ale kamna hoří vždy a nějaké dřevo v okolních nevyčerpatelných lesech najdeme vždy. Svým výkonem by v nouzi dokázala dům vytopit samostatně.

Stirlingův motor

Jednalo se o bezplatnou zápůjčku, takže jsme spíše chtěli vyjít vstříc našemu dobrodinci a otestovat použití tohoto řešení v ostrovním provozu. Uznáváme, že pro replikovatelnost celého projektu je to spíše překážka.

Schématické znázornění kotle a Stirlingova motoru. Zdroj: www.organicenergy.co.uk

Stirlingův motor je podobný parnímu stroji – využívá teplotní expanze plynu (horké spaliny) a jejich deprese (redukce) při ochlazení a tuto energii transformuje na energii pohybovou. Jeho konkrétní provedení od britské společnosti Microgen se umisťuje na horní stranu peletového kotle a vyžaduje přifázování k síti 230 V / 50 Hz. Bez zdroje točivého pole (sinusovky) není schopné samostatného/ostrovního provozu.

To je pro náš systém trochu oříšek, ale naštěstí měniče Victron Energy disponují funkcí „AC Coupling“ a dokáží tak poskytovat dostatečně tvrdé napětí 230 V / 50 Hz pro podobné (podřízené) generátory elektřiny. Navíc, z tohoto pomocného zdroje umožňuje Victron také zpětně dobíjet baterie – máme tedy vše potřebné pro integraci Stirlingu.

Co řící závěrem?

Provedli jsem čtenáře celým příběhem vzniku soběstačného domu a představili klíčové technologie domu. Pokud bychom měli shrnout náš projekt do pár vět, tak lze říct, že dosažení téměř úplné  soběstačnosti je v podmínkách ČR možné. S ohledem na současné ceny elektřiny a plynu ekonomika provozu takovéhoto řešení není vůbec špatná. Naopak svým způsobem je za aktuální situace na trhu s energiemi takovéto řešení racionální volbou se stabilní cenou elektrické energie. S energetickou krizí takovýchto rozměrů samozřejmě nikdo při zahájení projektu nemohl počítat. Na druhou stranu aktuální dění umožňuje dobře vyčíslit za běžné situace jinak těžko ocenitelnou hodnotu energetické soběstačnosti a nezávislosti obdobných řešení.

Cesta k náročné realizaci Českého soběstačného domu vedla k vytvoření týmu velmi zkušených, technicky hluboce znalých profesionálů. Bez tohoto domu by se možná nikdy společně nepotkali a to je také velmi důležitý vedlejší efekt celého projektu. Díky tomu Český soběstačný dům nyní (www.csdum.cz) dokáže zájemcům pomoci s realizací FVE pro rodinné domy (připojené i nepřipojené) vychazející ze stejné technické architektury. Zároveň tým Českého soběstačného domu pomohl rozběhnout vývoj českých, průmyslových bateriových úložišť pod názvem AMVOLT.energy, které nyní vstupují na trh až do velikosti 1MWh kontejneru. Český soběstačný dům je sice malý domek uprostřed louky, ale snažili jsme se opravdu ze všech sil, aby jeho přesah byl co nejužitečnější a nejširší.