Elektřina a vytápění v Českém soběstačném domě

Redakce TZB-info a Estav.cz navštívila Český soběstačný dům v létě 2021. První dojmy si můžete přečíst zde. V tomto článku se podrobněji podíváme na energetiku Českého soběstačného domu, tedy odkud jeho obyvatelé získávají elektřinu, teplo a teplou vodu.

Spotřeba Českého soběstačného domu

Dům je vybaven jako běžná domácnost. Elektřina je zde potřeba nejen na napájení domácích spotřebičů (celá kuchyň, osvětlení, pračka atd.), osvětlení a zásuvek, ale i na provoz technologií, které jsou nutné pro fungování domu. Sem patří vodní čerpadlo, oběhová čerpadla pro vytápění, čistírna odpadních vod, řídicí systém kotle, ale i internet a vlastní spotřeba elektroniky a střídačů fotovoltaické elektrárny. Tyto technologie mají oproti domácím spotřebičům jen nízkou spotřebu, ale zase jsou v provozu neustále. Dům má tak permanentní spotřebu 100–200 W a za den takto spotřebuje okolo třech kilowatthodin.

Největším spotřebičem v domě je 1 000l akumulační nádrž pro vytápění a přípravu teplé vody. Ještě větší zátěž by k domu přidalo nabíjení elektromobilu.

Rozvod v domě je jednofázový, v domě nejsou žádné spotřebiče, které by tři fáze potřebovaly.

Jediný spotřebič v domě, který nepotřebuje elektřinu, jsou krbová kamna.

Domácí elektrárna

Elektrárna českého soběstačného domu.

Hlavním zdrojem energie pro Český soběstačný dům je velká fotovoltaická elektrárna s instalovaným výkonem 15 kWp, která je doplněna 21 kWh baterií.

Fotovoltaika je takto dimenzována zejména pro podzim a zimu. Díky své velikosti je i za mlhy a nízké oblačnosti schopna dodat několik set wattů a pokrýt tak základní spotřebu domu. Při takovém výkonu není nutné pro ostrovní provoz instalovat větší baterii – chvíle, kdy by takto velká fotovoltaika nedávala vůbec nic, netrvají dlouho. Výsledky z první zimy to potvrzují, přiblížíme si je v příštím článku.

Elektrárna byla stavěna ve spolupráci firem GWL a Asolar přímo na míru Českého soběstačného domu. Cílem bylo najít takové technické řešení, které bude maximálně bezpečné, dlouhodobě spolehlivé a v případě poruchy snadno opravitelné. Elektrárna proto není závislá na technologii jednoho výrobce, všechny komponenty jsou zaměnitelné za jiné s podobnými parametry.

Osazená elektronika je velmi robustní a naddimenzovaná, zdvojená až ztrojená, aby porucha nebo výpadek jednoho komponentu neohrozily dodávku elektřiny. Zároveň není moc sofistikovaná podle hesla „čím jednodušší to bude, tím méně se toho pokazí a tím snadněji to půjde opravit”.

Fotovoltaická elektrárna v Českém soběstačném domě

Fotovoltaika je nejen hlavním energetickým zdrojem, ale tvoří i polovinu střechy domu, od které se odvíjela veškerá ostatní architektura.

Současně bylo nutné nalézt takové řešení pro uchycení panelů, které bude pevné, vodotěsné, s provětrávanou mezerou, aby se mohly panely chladit a také přístupné, kdyby bylo potřeba něco na elektrárně opravit nebo vyměnit panel. A to vše muselo být navíc estetické.

Hlavním zdrojem energie pro Český soběstačný dům je velká střešní fotovoltaická elektrárna.

Elektrárnu tvoří 48 monokrystalických panelů o výkonu 330 Wp v celočerné designové úpravě. Střecha je bez nerovností, které by mohly stínit a panely jsou přes den rovnoměrně osvícené. Odpadá zde tak potřeba optimizérů, což elektrárnu dále zjednodušuje.

Elektřina z panelů je přivedena do třech regulátorů, ze kterých pokračuje do baterie a odtud do střídačů a spotřebičů v domě. Odborně se této architektuře říká „DC coupling“. Je-li uspokojena spotřeba domu a stále je elektřiny přebytek, začnou se dobíjet baterie, a to zcela přirozeně na základě Kirhoffových zákonů, aniž by bylo třeba tyto toky energie řídit. Je-li pokryta spotřeba a baterie jsou nabité, jde elektřina ze střechy přes regulátory rovnou do topné tyče v akumulační nádrži. A když je v létě uspokojena veškerá spotřeba i akumulace, elektrárna přestane z panelů odebírat elektřinu a ty se dál jen ohřívají na střeše jako běžná krytina.

Trojice fotovoltaických regulátorů zpracovává elektřinu z fotovoltaických panelů pro nabíjení baterie, nahřívání akumulační nádrže a pokrytí spotřeby v domě.

Nabíjení baterií i nahřívání akumulační nádrže probíhá stejnosměrným proudem bez účasti střídače, čímž se šetří elektřina i střídač. Při třech regulátorech je zároveň zajištěno napájení domu, i když se některý z nich porouchá.

Ze stejného důvodu obsahuje elektrárna tři střídače – hlavní, záložní a nouzový. Kromě zálohy pro případ poruchy jednoho z nich umožňuje přepínání mezi střídači ještě účinnější využití elektřiny v domě. Hlavní střídač poskytuje výkon 8 000 W (20 000 W špičkových) v době, kdy je elektřiny z panelů dostatek – tedy hlavně v létě. Vysoký výkon se může hodit třeba pro nabíjení elektromobilu. Zároveň má ale hlavní střídač nejvyšší vlastní spotřebu 80–120 W, která by v zimě neustále ubírala cennou elektřinu.

Proto se na zimní období elektrárna přepíná na záložní střídač, který má výkon omezený na 4 000 W (10 000 W špičkových), ale má také nižší vlastní spotřebu 30–50 W. A nakonec je zde třetí nouzový střídač o výkonu 1 300 W (2 800 W špičkových) a vlastní spotřebou 5 W, který zajišťuje napájení základních technologií v domě, osvětlení a několika zásuvek.

Hlavní a záložní střídač, úplně vzadu se skrývá nejmenší střídač „nouzový“.

Na nouzový střídač se elektrárna přepne automaticky buď v případě poruchy obou silnějších střídačů, anebo nejčastěji při vyčerpání 70 % kapacity baterie.

Za určitých okolností lze ale i potom využívat plný výkon elektrárny. Manuál elektrárny uvádí: „Pokud poklesne zásoba energie v baterii pod 30 %, vypnou se velké měniče, tím se automaticky odpojí napájení méně důležitých spotřebičů… Většina spotřebičů v domě je tak vypnutá, ale uživatel má k dispozici „nouzové” tlačítko, kterým si opět může na dalších 5 hodin velké měniče (a tím i většinu spotřebičů) zapnout. To se hodí v případě, pokud sice baterie vyčerpám, ale vím že za pár hodin vysvitne slunce a baterie během několika hodin dobije.”

Lithiové baterie – hlavní energetické úložiště Českého soběstačného domu

Baterii tvoří 16 LiFePO4 článků o celkové kapacitě 21 kWh, která je elektronicky omezena na 18 kilowatthodin využitelných. Je to z důvodu prodloužení životnosti baterie, ale pokud by bylo nutno, dá se softwarově zpřístupnit plná kapacita. Baterie je hlídána battery management systémem (BMS) Elerix CPM, který sleduje napětí jednotlivých článků, aby se nedostalo mimo stanovené hodnoty. Pokud se tak stane, systém na to uživatele upozorní a pokud uživatel nereaguje a je to nutné, tak baterie samočinně odpojí. Napětí celé baterie je bezpečných 51–55 V.

Baterii tvoří 16 lithiových článků o celkovém napětí 51 V

Pokud jde o životnost, baterie v kombinaci s výkonnou fotovoltaikou baterie udělá v průměru jen 1–2 plné cykly týdně. Je umístěna stacionárně v místnosti při teplotě okolo 20 °C. Zároveň je provozována ve velmi komfortním pásmu 30–95 % nabití a není nabíjena ani vybíjena vysokými proudy. Jinak řečeno, baterie v Českém soběstačném domě odpočívá. Vzhledem k tomu, že lithium-železo-fosfátové baterie mají životnost několik tisíc cyklů, měly by s tímto režimem pohodlně vydržet desítky let. A kdyby náhodou odešly dříve, dají se snadno vyměnit za nové – ať už všechny nebo po jednotlivých článcích.

Stirlingův motor

Dalším zdrojem elektřiny pro dům je peletový kotel se Stirlingovým motorem, který byl do Českého soběstačného domu zapůjčen na testování.

Běží-li kotel, je Stirlingův motor schopen dodat až 1 000 W elektřiny.

Stirlingův motor vyrábí elektřinu z tepla a je schopen dodat až 1 000 Wattů. Jedná se o maximální hodnotu, v Českém soběstačném domě se jeho výkon běžně pohybuje okolo 300–700 W. Spouští se automaticky po 15 minutách provozu peletového kotle. Motor dodává střídavý proud o frekvenci 50 Hz a napětí 230 V, je tak připojen přímo do střídače. Je-li výroba stirlingu vyšší než spotřeba domu, nabíjí stirling přes střídač baterie.

Výkon tohoto kotle je 10 kW, což je víc, než dům těchto rozměrů potřebuje. Dům je navíc slušně izolovaný, kotel, a s ním i stirling, tak obvykle v zimě běží jen pár hodin denně nebo ani to ne.

Elektrocentrála

Kdyby bylo úplně nejhůř, má dům připravený vstup na připojení benzínové elektrocentrály, která je v domě pro jistotu také přítomna. Během prvního roku provozu si však dům vystačil bez ní, a to i během zimy.

Jak si ukážeme v příštím článku, období nepříznivého počasí a vysoké spotřeby elektřiny jednak netrvají dlouho a jednak je obvykle jednodušší se krátkodobě trochu uskromnit a třeba se obejít bez vaření, než se obtěžovat s připojováním a spouštěním elektrocentrály.

Vytápění a příprava teplé vody v Českém soběstačném domě

Tepelná ztráta domu je 6,5 kW. Vytápění probíhá teplovodním systémem z akumulační nádrže do dvou okruhů – v přízemí do podlahového vytápění a v patře do radiátorů. Elektrický ohřev nádrže zajišťuje trojice topných patron o celkovém výkonu 7,5 kW. Když je v zimě elektřiny málo a teplota vody v nádrži klesne pod 60 °C, pomůže s ohřevem peletový kondenzační kotel o výkonu 10 kW.

Akumulační nádrž zajišťuje ohřev vody pro vytápění i teplou vodu v domě. Primárním zdrojem energie pro vytápění je fotovoltaická elektrárna, sekundárním peletový kondenzační kotel.

Ukazatel teploty a termostat akumulační nádrže

Fotovoltaika s kotlem zvládnou s velkou rezervou vytopit celý dům, ale pro dobrou pohodu a jako záloha jsou v hlavní místnosti ještě krbová kamna na dřevo.

Teplá voda je získávána tak, že voda z místní studny je vedena přes výměník v horní části akumulační nádrže, kde se ohřeje a pak je k dispozici v domě.

Přečtěte si také Komfortní nezávislost – sezónní tepelné úložiště využívá přelévání energie Přečíst článek

Soběstačnost pro náročné

Dům slouží primárně jako běžný rekreační objekt a na jeho poměry je elektrárna v domě obrovsky naddimenzovaná. Je to proto, že účelem elektrárny je kromě napájení domu i prezentace a testování, takže je zde přítomno více technologií, než by bylo potřeba. Zároveň je zde požadavek se pokud možno obejít zcela bez fosilních paliv a mít spolehlivou dodávku elektřiny jak při horším počasí, tak při poruše některých komponentů.

Kdyby se slevilo z těchto nároků, stačila by celému domu poloviční elektrárna, která by si v zimě častěji pomáhala elektrocentrálou. Takto koneckonců funguje řada jiných ostrovních domů už dnes. Český soběstačný dům je ale jiný příběh.