Výroba elektřiny fotovoltaikou k pokrytí vlastní spotřeby pasivního domu – parametrická studie
Uvažujete-li nad pořízením fotovoltaické elektrárny na střechu svého domu, nejspíš vás zajímá, jaký podíl roční spotřeby elektřiny vám elektrárna může pokýt a jaké úspory tím vzniknou.
Příspěvek zazněl na konferenci Passivhaustagung 2016 v Darmstadtu (SRN) pořádané německým Institutem pro pasivní domy (Passivhaus Institut).
1. Úvod
V rámci modelových výpočtů byl analyzován rodinný dům, který z hlediska tepelné ochrany odpovídá standardu pasivního domu a jehož potřeba tepla na vytápění je kryta tepelným čerpadlem na elektřinu. Dostupná plocha střechy budovy je pokryta fotovoltaickými (FV) panely. Cílem této studie je určit, jaký podíl vyrobené elektřiny může být využit přímo v budově a jaké existují závislosti parametrů budovy a předpokladů uplatněných v bilanci. Detaily k metodice a výsledkům najdete v [1].
2. Krytí vlastní potřeby v hodnocení podle EnEV1
Při hodnocení dle platné německé legislativy, tj. dle nařízení EnEV, lze podíl krytí vlastní potřeby fotovoltaikou zohlednit snížením potřeby. Podle DIN V 18599 má být proveden měsíční výpočet, který je na Obrázku 1 znázorněn pro modelový pasivní dům. Mezi březnem a říjnem je celá potřeba elektřiny kryta fotovoltaickou instalací. V zimních měsících podíl krytí potřeby z vlastních zdrojů rapidně klesá. V rámci celého roku činí podíl krytí potřeby pomocí vlastních zdrojů 69 %. Také hodnoticí metodiky jiných evropských zemí uplatňují započtení přímo použité elektřiny z fotovoltaiky – zpravidla, stejně jako v Německu, měsíčním výpočtem (v ojedinělých případech také ročním) [2].
Obrázek 1: Měsíční výpočet (výpočet podle DIN V 18599, resp. EnEV)
3. Posouzení při podrobnějším časovém rozdělení
Podíváme-li se na křivky energetických potřeb v podrobnějším časovém rozlišení, ukazuje se oproti měsíčnímu výpočtu výrazně odlišný obrázek (viz Obrázek 2).
![Obrázek 2: Modelový pasivní dům: Krytí potřeby elektrické energie fotovoltaikou během dvou odlišných zimních dní (Klima: TRJ Potsdam, další podrobnosti viz [1])](/docu/clanky/0157/015701o3.png)
Obrázek 2: Modelový pasivní dům: Krytí potřeby elektrické energie fotovoltaikou během dvou odlišných zimních dní (Klima: TRJ Potsdam, další podrobnosti viz [1])
Obrázek 2 ukazuje průběh rozložení energetické zátěže pro vytápění, teplou vodu, pomocnou energii a elektřinu pro potřeby domácnosti během jednoho pošmourného zimního týdne (hodinová data). Nejvyšší střední hodnoty zátěže dosahující téměř 1 kW patří vytápění místností. Produkce elektřiny leží kolem poledne vždy v rozsahu od 200 do 400 W a zůstává tím pádem výrazně pod celkovou potřebou. Malá vyrobená množství elektřiny se plně spotřebují v budově. Spodní graf ukazuje průběh rozložení energetické zátěže pro slunečný zimní týden: nejprve je potřebný topný výkon podobný jako u pošmourného týdne. Díky pasivním solárním ziskům se ale v průběhu týdne snižuje až k nule. Produkce elektřiny činí během dne od 2 do 6 kW a výrazně tudíž překračuje potřebu elektřiny. Většina vyrobené elektřiny se tedy nedá přímo použít a je dodávána do elektrické sítě. V rámci roku je při zde znázorněném hodinovém výpočtu dosažen podíl vyrobené elektřiny na pokrytí vlastní potřeby 36 %, čili asi polovina hodnoty z měsíční bilance (viz výše). Při ještě menším časovém kroku tento podíl nadále klesá.
4. Roční krytí vlastní potřeby dosažitelné fotovoltaikou
V průběhu parametrické studie byla velikost fotovoltaické instalace v několika krocích měněna (až na desetinu, resp. na desetinásobek dostupné střešní plochy). Obrázek 3 ukazuje dosažené roční krytí vlastní potřeby v závislosti na vyrobeném množství elektřiny – pokaždé vztaženo na roční potřebu elektrické energie budovy. Na levé straně jsou zobrazeny výsledky modelového rodinného domu (RD) pro časové kroky výpočtu ‚měsíc‘, ‚den‘ a ‚hodina‘ (navíc ještě ‚rok‘ jako referenční údaj). Podíl vyrobené elektřiny na krytí vlastní potřeby je v rozsáhlé části grafu u měsíčního výpočtu přibližně dvakrát vyšší než u hodinového. Zajímavé je, že výsledky výpočtu s denním krokem leží skoro stejně vysoko jako ty měsíční – rozhodující skok k vysokým podílům krytí vlastní potřeby u pasivního domu tedy nastává, když může být denní vyrobené množství elektřiny použito ke krytí potřeby elektřiny pro vytápění, teplou vodu a odběr domácnosti v průběhu celého dne.
RD – rok / měsíc / den / hodina
![Obrázek 3: Vybrané výsledky parametrické studie [1]; podíl vyrobené elektřiny na krytí vlastní potřeby jako funkce produkce elektřiny fotovoltaikou vztažené k potřebě elektrické energie (podíl krytí vlastní potřeby odpovídá potřebě elektrické energie, která je kryta fotovoltaikou)](/docu/clanky/0157/015701o5.png)
RD / ŘRD / BD – den / hodina
![Obrázek 3: Vybrané výsledky parametrické studie [1]; podíl vyrobené elektřiny na krytí vlastní potřeby jako funkce produkce elektřiny fotovoltaikou vztažené k potřebě elektrické energie (podíl krytí vlastní potřeby odpovídá potřebě elektrické energie, která je kryta fotovoltaikou)](/docu/clanky/0157/015701o7.png)
Volba délky časového kroku výpočtu je primárně otázkou bilance nebo výpočtu/vyúčtování. Efekt délky kroku je ovšem podobný jako u úložiště elektrické energie, které je dimenzováno tak, aby dokázalo pojmout množství elektřiny vyrobené v daném časovém úseku. I bez konkrétního modelu akumulace elektřiny lze z provedených analýz vyvodit závěr, že úložiště, které by bylo schopno pojmout množství elektřiny pro pokrytí denní potřeby, by dosáhlo podílu krytí vlastní potřeby kolem 60 % - což odpovídá hodně vysokému stupni energetické soběstačnosti (samozřejmě za předpokladu pasivního standardu).
Na pravé straně Obrázku 3 jsou znázorněny výsledky pro další dva modelové pasivní domy. Průběh křivky pro řadový rodinný dům (ŘRD) i pro bytový dům (BD) se téměř neliší od křivky pro rodinný dům (RD). Vztažením produkce elektřiny k potřebě elektrické energie vzniká jasná charakteristika, která zjevně nezávisí na typu budovy ani na její velikosti.
5. Zjednodušený postup k určení odhadu
Výsledky parametrické studie byly shrnuty v tabulce, která jednoduchým způsobem umožňuje odhadnout podíl vyrobené elektřiny na krytí vlastní potřeby (Tabulka 1). Podobné hodnoty byly pro pasivní domy také stanoveny na základě zjednodušeného měsíčního výpočtu [3].
| Poměr vyrobené elektřiny k potřebě elektřiny | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0,01 | 0,1 | 0,25 | 0,5 | 1 | 1,5 | 2 | 3 | 5 | 10 | |
| Časový krok výpočtu | Podíl krytí vlastní potřeby [%] (Poměr vyrobené elektřiny spotřebované v budově k potřebě elektřiny) | |||||||||
| Hodina | 1 | 10 | 21 | 28 | 34 | 37 | 40 | 43 | 46 | 49 |
| Den | 1 | 10 | 25 | 46 | 60 | 67 | 72 | 77 | 84 | 92 |
6. Dopad na náklady spotřebitele
V PHPP2 jsou fotovoltaické instalace považovány za součást soustavy pro výrobu elektrické energie a jsou hodnoceny jako příspěvek pro zásobování energií založené v budoucnosti na obnovitelných zdrojích energie. Vedle tohoto energetického pohledu je z hlediska uživatele ale zajímavá také otázka úspory nákladů díky spotřebě energie vlastní výroby. Kompenzace za dodávku energie z obnovitelných zdrojů do sítě jsou už totiž pro rodinné domy v Německu jen asi poloviční než tarif za elektřinu pro domácnosti. Pro pasivní dům kategorie ‚Plus‘3 zobrazený na Obrázku 4 jsou v Tabulce 2 uvedeny dopady různého stupně krytí vlastní potřeby. Fotovoltaická instalace tohoto rodinného domu vyrobí během roku přibližně tolik elektřiny, kolik budova spotřebuje pro vytápění, teplou vodu, pomocnou energii a pro domácnost. Zjednodušeně jsou zde zohledněny jen náklady závislé na množství elektrické energie – tabulka tedy neposkytuje žádné ekonomické hodnocení fotovoltaického zařízení.
Bez fotovoltaického zařízení leží očekávané roční náklady na elektřinu podle výpočtu v PHPP na částce 1516 €/a. Při dodávce veškeré elektřiny vyrobené fotovoltaikou do veřejné sítě lze roční náklady snížit o 600 €/a. V závislosti na stupni krytí vlastní spotřeby fotovoltaikou vycházejí výrazně vyšší úspory od 800 do 1100 €/a. Za 10 let přinese elektřina z vlastních zdrojů při 20% podílu krytí celkové spotřeby cenové zvýhodnění 1800 €, krytí vlastní spotřeby fotovoltaikou v rozsahu 60 % dokonce úsporu 6000 €.
Příklad rodinného domu
Pasivní rodinný dům
Obytná plocha: 160 m2
Energeticky vztažná plocha (PHPP): 198 m2
Zemní tepelné čerpadlo
FV: jižní střecha (ca. 50 m2)
| Příklad rodinného domu (EVP 198 m²) Hodnocení výdajů závislých na spotřebovaném množství elektřiny; bez zohlednění základních poplatků / fixních nákladů / nákladů na údržbu / daně z příjmu | bez FV | s FV | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| bez vlastní spotřeby | s vlastní spotřebou | ||||||
| Podíl fotovoltaiky na krytí potřeby elektrické energie | 60%* | 34%* | 20%** | ||||
| Ukazatele spotřeby elektřiny | Potřeba elektřiny (vyt. + TV + dom.) | 25,5 | kWh/(m2a) | ||||
| Produkce elektřiny | 25,1 | kWh/(m2a) | |||||
| Přímé využití | 0,0 | 15,3 | 8,7 | 5,1 | kWh/(m2a) | ||
| Odběr | 25,5 | 25,5 | 10,2 | 16,8 | 20,4 | kWh/(m2a) | |
| Dodávka do sítě | 25,1 | 9,8 | 16,4 | 20,0 | kWh/(m2a) | ||
| Náklady: odběr elektřiny ze sítě + dodávka el. do sítě | Náklady za odběr (cena: 0,30 €/kWh) | 7,7 | 7,7 | 3,1 | 5,1 | 6,1 | €/(m2a) |
| Příspěvek za dodávku el. do sítě (–0,12 €/kWh) | –3,0 | –1,2 | –2,0 | –2,4 | €/(m2a) | ||
| Náklady za odběr celkově | 1516 | 1516 | 606 | 1001 | 1213 | €/a | |
| Příspěvek za dodávku el. do sítě celkově | –596 | –232 | –390 | –474 | €/a | ||
| Bilance ročních nákladů na elektřinu | 1516 | 920 | 375 | 611 | 738 | €/a | |
| Úspora fotovoltaikou | –596 | –1142 | –905 | –778 | €/a | ||
| Za časový úsek 10 let | –5958 | –11416 | –9051 | –7777 | € | ||
*) odpovídá hodnotám pro interval výpočtu ‚den‘ a ‚hodina‘ v pomocné tabulce k odhadu podílu krytí potřeby z vlastních zdrojů
**) „okamžité“ (bezprostřední započtení): konzervativní předpoklad pro podíl krytí vlastní potřeby ve výši 20%, hodnota nebyla určena modelem
Tabulka 2: Vliv využití elektřiny vlastní výroby na roční náklady na elektřinu. EVP: energeticky vztažná plocha, FV: fotovoltaika, vyt.: vytápění, TV: teplá voda, el.: elektřina, dom.: elektřina pro domácnost
7. Shrnutí
Z hlediska spotřebitele je na místě otázka, jaký podíl roční spotřeby elektřiny pasivního domu může pokrýt fotovoltaické zařízení a jaké úspory tím vzniknou. Se zjednodušenou metodou odvozenou z provedené parametrické studie se pro objekty s již existujícím výpočtem energetické bilance (např. z PHPP) otevírá možnost odhadnout očekávaný podíl krytí potřeby z vlastních zdrojů, resp. stupeň energetické soběstačnosti při menších časových krocích výpočtu.
V provedené studii mohl být kvůli dostupným časovým profilům snížen krok výpočtu nanejvýš na hodinu. V praxi ale probíhá započtení hned. U spotřebitelů elektrické energie, kteří krátkodobě používají zařízení s velkým výkonem (např. kuchyňské spotřebiče), je proto podíl spotřeby vlastní energie i při hodinovém kroku výpočtu nadhodnocen. Žádoucí by proto bylo rozšíření analýzy směrem k ještě podrobnějšímu časovému rozdělení (např. sekundy), k čemuž by pak byly potřeba odpovídající průběhy energetické zátěže a klimatická data. V předloženém hodnocení nebyla ještě zohledněna ani úložiště elektrické energie – jejich vliv na krytí spotřeby elektřiny z vlastních zdrojů se jeví podobně jako časový krok výpočtu. Úložiště, která akumulují průměrnou hodinovou potřebu elektrické energie, dosáhnou přibližně stejné podíly krytí vlastní spotřeby, jako zde bylo uvedeno pro hodinový časový krok. Další zajímavou otázkou je, jak lze zvýšit krytí spotřeby pomocí vlastních zdrojů a tím i stupeň soběstačnosti díky optimalizaci rozložení energetické spotřeby.
Díky, na rozdíl od starých nezateplených domů, velmi vyrovnanému rozložení spotřeby energie (menší rozdíly mezi dny, kdy se topí a kdy ne) má pasivní dům ideální předpoklady pro dosažení vysokého stupně krytí spotřeby elektřiny z vlastních zdrojů.
8. Zdroje
| [1] | Frank, M.: Analyse der Eigenbedarfsdeckung durch PV- und KWK-Anlagen in Wohn¬häusern; bakalářská práce na Institut für Massivbau / Fachbereich Bauingenieurwesen, Technische Universität Darmstadt (Univ.-Prof. Dr.-Ing. C.-A. Graubner), ve spolupráci s Institut Wohnen und Umwelt (IWU); Darmstadt 2014. |
| [2] | Stein, B.; Loga, T.; Diefenbach, N. (Hrsg.); EPISCOPE project team: Inclusion of New Buildings in Residential Building Typologies – Steps Towards NZEBs Exemplified for Different European Countries – EPISCOPE Synthesis Report No. 1; IWU, Darmstadt, 2014. http://episcope.eu/fileadmin/episcope/public/docs/reports/EPISCOPE_SR1_NewBuildingsInTypologies.pdf |
| [3] | Lichtmeß, M.: Vereinfachte Bestimmung der Eigenstromnutzung von PV-Anlagen in einer Monatsbilanz; EnOB Forschung für energieoptimiertes Bauen, 2015. http://www.enob.info/fileadmin/media/Publikationen/EnOB/Fachartikel/Eigenstromnutzung_PV_-_Bilanz_-_Lichtmess_X5.pdf |
| [4] | Frank, M.; Loga, T.; Schaede, M.; Weißmann; C.: Eigendeckung des Strombedarfs von Niedrigstenergiehäusern durch Photovoltaik-Anlagen - Verrechnung mit unterschiedlichen Zeitschrittweiten ergänzend zur EnEV; Bauphysik 37, Heft 2, 2015. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bapi.201510008/abstract |
1 EnEV – Energieeinsparverordnung, tj. německé nařízení o úsporách energií
2 PHPP je zkratka pro PassivHausProjektierungsPaket, nástroj pro návrh a plánování pasivního domu vyvinutý Passivhaus Institutem
3 Pozn. překladatele: Pasivní dům „Plus“ (Passivhaus Plus) je klasifikační kategorií při certifikaci pasivního domu stanovenou Passivhaus Institutem, pro kterou platí, že kromě požadované maximální potřeby tepla na vytápění ve výši 15 kWh/(m2.a) nesmí objekt potřebovat více než 45 kWh/(m2.a) obnovitelné primární energie, současně musí – vztaženo na zastavěnou plochu – vyrobit min. 60 kWh/(m2.a) energie.
