Energetická flexibilita chytrého domu (2/4)

V následujícím článku ze seriálu na téma flexibility a smart home se zaměříme na to, jak je možné flexibilitu z jednotlivých technoligií identifkovat. Na technologie a spotřebiče instalované v domě lze totiž nahlížet i dle možností, jak lze řídit jejich spotřebu. Prakticky každý spotřebič je možné nějakým způsobem řídit, ale možnost řízení zde chápejme ve vztahu k charakteru technologie a k omezením a požadavkům na komfort plynoucích od uživatelů. 

Potenciál bateriových úložišť a elektromobilů, i kdyby nebyly integrovány do smart home, je v oblasti flexibility zřejmý. Nejprve se proto zaměřme na HVAC, ohřev TUV, bazén a další spotřebiče v kontextu určení objemu spotřeby, její řiditelnosti a příspěvku k celkové energetické flexibilitě domu. 

HVAC a ohřev TUV 

Problematika vytápění, ohřevu TUV s recirkulací, chlazení a nuceného větrání je z perspektivy flexibility netriviální oblastí. Spektrum systémů a zdrojů pro vytápění, chlazení a nucené větrání je široké. V konkrétní realizaci se může jednat o jednu nebo několik technologií, každá i s několika zdroji tepla nebo chladu s vlastní úrovní řízení a s regulací teplot a kvality vzduchu na úrovni místností. V běžném domě je obvykle vytápění, chlazení a nucené větrání na sobě nezávislé s vlastními systémy řízení a teploty nejsou regulovány zónově. Řízení bývá založeno na časovém plánu. Doplněním nadřazeného smart home řízení lze dosáhnout efektivnějšího provozu a technologie mohou začít kromě přednastaveného časového plánu reagovat na provozní režimy domu, přítomnost uživatelů, aktuální počasí, osvit a na jejich předpovědi. Navíc je možné využít synergického efektu stínící techniky v kombinaci s vytápěním i chlazením.

Flexibilitu vytápění, chlazení a ohřevu TUV ovlivňuje objem instalované akumulační nádrže pro vytápění, chlazení a TUV, tepelná setrvačnost a stabilita budovy a požadavky na teploty v místnostech, pro které lze uvažovat uživatelsky nastavitelné tolerance. Vlastní dodání tepla nebo chladu do místností lze flexibilně snížit nebo zvýšit. Zdroj tepla nebo chladu v kombinaci s akumulací může poskytovat flexibilní spotřebu. Flexibilní energie je závislá kromě technologie na tepelných vlastnostech domu. Její detailní popis je nad rámec tohoto článku (model budovy, machine learning, MPC a další oblasti).

Akumulace tepla

U flexibility vázané na dodávku tepla je také nutno uvažovat vliv tzv. rebound efektu, kdy snížení dodávky tepla v určitém časovém intervalu má za následek kompenzaci v podobě zvýšené potřeby dodávky v pozdějším časovém intervalu a naopak. Jednodušší je se předně omezit na flexibilitu akumulační nádoby pro teplo (případně chlad), kdy změna teploty 1m3 vody o 1°C odpovídá 1,2kWh tepelné energie. S využitím tepleného čerpadla s COP=3 se objem flexibilní spotřeby zredukuje na 0,4kWh/m3.K. Potenciál flexibilní spotřeby vázané na ohřev vody může dosahovat jednotek až malých desítek kWh. 

Bateriové úložiště 

Bateriová úložiště, ve velké míře dnes instalovaná společně s FVE, jsou důležitým zdrojem flexibility a jsou pro ni primárně určena. V případě požadavku na vyšší spotřebu se mohou nabíjet a naopak. Součástí BES může být vlastní EMS, který dokáže v kombinaci s FVE řídit nabíjení a vybíjení baterií. Integrací do smart home lze získat další benefity nadřazeného řízení, kdy strategie využití BES může být měněna v závislosti na provozních režimech domu. Příkladem může být různé využívání baterie po dobu dovolené, dle očekávané nepřítomnosti, před a při plánovaném výpadku dodávky z distribuční sítě nebo i v závislosti na předpovědi počasí. Smart home může reagovat například na výpadek v síti nebo na stav nabití BES úsporným režimem technologií a spotřebičů. 

Baterie určitou mírou vyrovnává nesoulad výroby a spotřeby v čase. Její kapacita nemusí být vždy využívána v plném rozsahu. Vhodnou strategií řízení stavu nabití BES lze přizpůsobovat objem flexibility na straně spotřeby nebo dodávky různým potřebám. Při využitelné kapacitě úložiště  10kWh může být k dispozici dle stavu nabití až 10kWh flexibilní energie pro dodávku nebo spotřebu. 

Elektromobil 

Vedle bateriového úložiště má významný potenciál flexibility elektromobil. Dle schopnosti obousměrného nabíjení (V2H, V2G) je k dispozici flexibilní spotřeba nebo i možnost flexibilní dodávky, jejíž objem bude z důvodu potřeby elektromobil nabít menší. Při kapacitách akumulátorů v řádu desítek kWh se jedná o významný objem energetické flexibility. Její dostupnost v čase závisí na aktuálním připojení elektromobilu k nabíjecí stanici. 

Nabíjení elektromobilu je obvykle zahájeno po připojení k nabíjecí stanici a regulace výkonu zohledňuje další spotřebu, aby nedocházelo k překročení rezervovaného příkonu. Typicky lze elektromobil nabít za kratší dobu, než po kterou je elektromobil připojen k nabíjecí stanici. Vzniká flexibilní spotřeba rozložitelná v čase, omezená specifiky nabíjení a provozu elektromobilu (přístup uživatelů k plánování, požadavek na ukončení nabíjení, minimální stav nabití, parametry wallboxu). Integrací do systému smart home se zvýší celkově objem flexibilní energie a možnosti jejího využití v kontextu dalších zařízení a technologií v domě. 

Bazén 

Bazén je zpravidla vybaven technologií pro úpravu vody a může být doplněn o ohřev vody. Bazénová technologie je v provozu cca 4-8 hodin denně, běžně dle pevného časového plánu nastaveného uživatelem. Integrací do systému smart home lze přejít k variabilnímu provozu, který může zohledňovat různé provozní režimy domu, teplotu vody nebo přítomnost osob při současném splnění požadavku na minimální dobu provozu. Ohřev vody je v zásadě řízen dle rozdílu požadované a aktuální teploty bazénu a s hysterezí spínání. Integrací do smart home lze realizovat odlišné způsoby řízení, například při snížení požadavků na komfort lze zvýšit objem flexibilní energie.  

Spotřeba bazénové technologie je v daném dni pevně daná a flexibilní je její rozložení v čase. Při zmiňované době provozu a dle výkonu čerpadla se může jednat o objem energie cca 2,5-6kWh flexibilní spotřeby denně. Navíc bazén s ohřevem má významný potenciál flexibilní spotřeby. Pro ohřátí 36m3 (6x4x1,5m) vody o 1°C je potřeba 42,6 kWh teplené energie, což při použití tepelného čerpadla s COP=5 odpovídá 8,5kWh elektrické energie flexibilní spotřeby. Udržování teploty vody v bazénu v určitém rozmezí teplot může potenciál flexibility ještě zvýšit. 

Spotřebiče 

Čím dál častěji spadají domácí spotřebiče do kategorie IoT a mohou být integrovány do smart home. Pro flexibilní provoz by měl spotřebič poskytovat základní informace o nastaveném programu jako jsou odhadovaná spotřeba energie, požadovaný nejzazší čas konce programu a indikaci stavu, že je program připraven pro spuštění. Smart home pak spustí program spotřebiče v optimální časový okamžik a při dodržení parametrů nastavených uživatelem. 

Provoz spotřebičů uvedeným způsobem lze v jisté míře očekávat u pračky, sušičky prádla a myčky nádobí. Vzniká ad-hoc flexibilita o omezeném objemu energie a vázaná na určitý časový interval dle preference uživatele. Moderní spotřebiče v kategorii A se vyznačují nízkými energetickými nároky (pračka nebo myčka 0,5kWh/cyklus, sušička 1kWh/cyklus) a objem flexibilní spotřeby tak není významný. Provoz dalších spotřebičů jako lednice, varná deska nebo trouba je neflexibilní.

V dalším díle série se zaměříme na technologické aspekty domácí flexibility a začneme řešit také finanční pohled na věc.

O autorovi

Martin Hatka se dlouhodobě věnuje problematice smarthome a efektivnímu využívání energií v chytrém době. Profesně působí v roli senior konzultanta v oblasti energetiky pro společnost Unicorn, kde se aktuálně věnuje tématu energetické flexibility. Fungování smarthome a potenciál flexibility v něm lze aplikovat i na větší objekty nebo areály s významným potenciálem flexibility, která může být využita přímo nebo agregována do větších objemů. Společnost Unicorn poskytuje v oblasti flexibility rodinu produktů Flexigy. Martin je součástí týmu, který Flexigy vyvíjí.