Samostatný ostrov v mori elektrickej energie

2. mája 2011

Partneri sekcie:

Budova SMA Solar Academy v nemeckom Niestetale má kapacitu 500 osôb, pričom energeticky tu musia byť pokryté všetky bežné systémy a vybavenia – vykurovanie, vetranie, klimatizácia, počítače, zázemie na stravovanie či moderná prezentačná technika. Vďaka technológii pre ostrovné (off-grid) systémy a inteligentnej energetickej koncepcii sa všetky energetické požiadavky zabezpečujú vlastnou výrobou a budova funguje sebestačne, bez dodávok elektrickej energie z rozvodnej siete.

Snehovobiela hliníková fasáda žiari v poludňajšom slnku a pretiahnutá silueta budovy Solar Academy pôsobí dojmom, ako by sa vznášala nad zemou. Vedľa vstupných dverí svieti údaj o aktuálnom výkone elektrickej energie, ktorú systémy práve vyrábajú – 83 kilowattov. Futuristická budova nečerpá elektrickú energiu z verejnej rozvodnej siete – miesto toho si všetku energiu, ktorú potrebuje na svoju prevádzku, vyrába vlastnými systémami. Výrobu a spotrebu elektrickej energie v budove riadia striedače Sunny Island pre ostrovné systémy. Nové školiace stredisko ako ostrov dokonca tak trochu aj vyzerá – stojí bokom od okolitej zástavby a navyše na pilieroch, keďže sa budova nachádza v záplavovej oblasti rieky Fulda. Ilúzia ostrova tak môže byť v prípade veľkej vody dokonalá… Budova spájajúca moderné technológie si dáva za cieľ názorne ukázať návštevníkom, aké možnosti prinášajú produkty spoločnosti.

Centrum sa bohato využíva – v štyroch seminárnych miestnostiach zvyčajne sedí okolo 120 účastníkov, pri väčších prednáškových akciách sa počíta s 500 osobami. Semináre sa konajú celoročne – pri 30 °C v lete a takisto aj na jeseň, keď je intenzita slnečného žiarenia minimálna. Výrazne tak kolíše nielen spotreba elektrickej energie, kolísavá je aj výroba prúdu z fotovoltického (FV) systému. Samotná spotreba elektrickej energie tejto budovy zodpovedá spotrebe 35 priemerných nemeckých domácností. Popri nezávislosti od verejnej rozvodnej siete má budova Solar Academy spĺňať ešte jeden ambiciózny cieľ: energia má pochádzať výlučne z obnoviteľných zdrojov.

Off-grid – vlastná ostrovná sieť
Výstavba a prevádzka sebestačnej elektrickej siete je vrcholnou disciplínou systémovej techniky. Koncepcia zahŕňa koordináciu najrozličnejších generátorov i spotrebičov a dôsledné dodržiavanie uhlov fázového posunu vzhľadom na aktuálne napätie a frekvencie. Nevyhnutná je zároveň inštalácia záložného zdroja energie, ktorý treba neustále monitorovať a riadiť.

Ekologická a nízkoenergetická koncepcia
Elektrická energia sa získava predovšetkým pomocou FV systémov – jeden je súčasťou južnej sklenenej fasády a druhý je umiestnený na streche budovy. Pri väčšej spotrebe alebo horšom počasí možno k ostrovnej sieti pripojiť navyše aj deväť FV polohovacích systémov (trackerov), ktoré inak dodávajú elektrickú energiu do verejnej rozvodnej siete. Každý z týchto trackerov s veľkosťou približne 45 m² je ako obrovská slnečnica, ktorá nepretržite sleduje dráhu slnka, čím zachytáva veľké množstvo slnečného svitu. Šetrne k okolitému prostrediu sa prevádzkuje aj interná tepelná elektráreň – druhý zdroj elektrickej energie pre budovu. Spaľovací agregát vyrába elektrický prúd, pričom teplo, vznikajúce pri výrobe elektriny ako vedľajší produkt, sa využíva na vykurovanie. Spojením výroby elektriny a tepla v blízkosti miesta spotreby sa zužitkuje až 90 % energie paliva – približne dvakrát viac než v bežných elektrárňach. Navyše sa ako palivo využíva aj bioplyn, ktorý je obnoviteľným zdrojom energie.

Riadiaca centrála
Riadenie a koordináciu zabezpečuje technická centrála na poschodí vybavená veľkou interaktívnou obrazovkou, kde si návštevníci môžu prezrieť schematické znázornenie energetickej koncepcie celej budovy.Ako manažéri celého energetického systému tu fungujú striedače Sunny Island, ktoré sú prepojené s akumulátorom. Stanovujú napätie a frekvenciu striedavého prúdu a riadia aj ostatné generátory elektrickej energie. Ďalšie riadiace prístroje kontrolujú mohutný akumulátor, ktorý zaberá takmer celú samostatnú miestnosť. Ak FV systémy generujú viac energie, než v danú chvíľu treba, ukladá sa prebytočná energia do akumulátora. V opačnom prípade vytvárajú striedače z jednosmerného prúdu akumulátora striedavý prúd a poskytujú ho prostredníctvom internej siete v budove. Interná elektráreň sa spúšťa len v tom v prípade, keď energia zo slnka nestačí a zároveň ani akumulátor nie je dostatočne nabitý. K tejto situácii dochádza občas v zimných mesiacoch, keď je intenzita slnečného svitu nižšia. Keďže je však elektráreň v prevádzke vždy len prechodný čas, potrebu tepla na vykurovanie priebežne pokrýva veľký vyrovnávací zásobník.

–>–>
Odvod tepelnej záťaže
Rozmerná sklenená fasáda orientovaná na juh znamená značnú tepelnú záťaž vnútorného priestoru počas letných mesiacov. Na obmedzenie prechodu tepla sa použilo kvalitné izolačné zasklenie, klimatizácia vnútorného priestoru však bola aj tak nevyhnutná. Riešila sa však atypicky a s ohľadom na ekologicky šetrnú koncepciu celej budovy – zdrojom chladu je spodná voda čerpaná z hĺbky 40 metrov pod povrchom. Prírodný zdroj chladu celoročne poskytuje studenú vodu aj s teplotou 11 °C. Miesto energeticky náročných chladiacich kompresorov tak chladenie zaisťujú len dve menšie čerpadlá.

Úspory energie „až“ na prvom mieste
Dôležitým predpokladom prevádzky budovy nezávislej od rozvodnej siete je účelné zaobchádzanie s elektrickou energiou. Popri kvalitnej izolácii budovy a maximálnom využívaní denného svetla je dôležitá najmä efektivita používania a riadenia elektrických spotrebičov. Pri návrhu školiaceho centra sa kládol dôraz nielen na komfort užívateľov, ale aj na celkovú nízkoenergetickú koncepciu. Táto snaha viedla aj k výberu spotrebičov, ktoré zodpovedajú najmodernejším štandardom úspor energie. Miesto bežných stolných počítačov tak možno v učebniach nájsť úsporné notebooky, projektory so špeciálnym hospodárnym vypínaním a osvetlenie riešené výhradne úspornými žiarovkami alebo LED lampami. Zníženiu spotreby energie napomáha aj automatizácia budovy. Riadiaca centrála sama rozpozná, kedy je príliš svetlo alebo naopak tma, prispôsobuje vetranie aktuálnym teplotám a na noc vypína všetky spotrebiče v pohotovostnom režime.

Ešte o krok ďalej ide tzv. inteligentné riadenie záťaže – časová koordinácia rozličných elektrospotrebičov. Pretože súčasné zapnutie energeticky náročných spotrebičov niekoľkonásobne zvyšuje maximálny požadovaný výkon ostrovnej siete, odber energie zo siete sa synchronizuje a niektoré požiadavky sa krátkodobo odložia. Napríklad, pri zapnutí kanvice v kuchynke pri súčasnom zapnutí výťahu a nabíjaní notebookov poslucháčov sa uprednostní požiadavka na výťah – čaj bude hotový o niekoľko sekúnd neskôr, pričom účastníci seminára vôbec nespozorujú, že ich počítače na krátky čas bežia na batériu. Prínos takýchto opatrení je však významný.

Schéma energetickej koncepcie budovy

Interná tepelná elektráreň
Bioplynom poháňaná interná tepelná elektráreň je popri fotovoltike druhým pilierom ostrovného napájania. Zariadenie s výkonom 140 kW vyrobené na mieru spoločnosťou Kirsch sa riadi spotrebou prúdu a má plynulú reguláciu otáčok. Prevádzku tepelnej elektrárne určuje požadovaný elektrický výkon a vznikajúce teplo sa ukladá do zásobníka. Striedače Sunny Island si môžu v závislosti od aktuálnej spotreby vyžiadať 30 až 100 % menovitého elektrického výkonu. Výhody sú zrejmé: jednoduchšie riadenie ostrovnej siete a minimalizácia spotreby bioplynu. Okrem toho možno akumulátory nabíjať aj napájacím prúdom, čo zvyšuje ich životnosť – prebytok energie tepelnej elektrárne by sa musel v opačnom prípade ukladať ďalej niekde inde. Premenlivé otáčky vedú k variabilnej frekvencii vyrábaného striedavého prúdu. Premenu na konštantnú frekvenciu ostrovnej siete preto zaisťuje trojfázový frekvenčný menič. Ak pri intenzívnom slnečnom svite a nízkych teplotách tepelná elektráreň vyrába teplo výlučne podľa okamžitej potreby budovy, elektrický prúd získaný z FV systémov dopĺňa ohrev tepelného zásobníka.

Sebestačná budova šetrná k okoliu
Školiace centrum spoločnosti SMA zaujme návštevníkov nielen svojím architektonickým riešením, ale aj dômyselnou koncepciou a premysleným riadením chodu všetkých integrovaných systémov. Elektrickú energiu dodávajú FV systémy na fasáde a streche budovy. Pri nízkej intenzite slnečného svitu sa k ostrovnej sieti budovy pripájajú ešte susedné FV polohovacie systémy (trackery). Pri návrhu budovy sa kládol veľký dôraz na ekologicky šetrné riešenie, interná tepelná elektráreň preto využíva bioplyn, chladenie sa realizuje zdrojom spodnej vody. Voda použitá na chladenie sa odvádza na retenčnú plochu, kde podporuje tvorbu vlhkého biotopu.

Spojenie striedačov na riadenie off-grid systému a akumulátorov zaisťuje stabilnú ostrovnú sieť, ktorá podľa okamžitej potreby dodáva elektrickú energiu pripojeným spotrebičom. Kombinácia s internou tepelnou elektrárňou s variabilnými otáčkami a so zásobníkom tepla umožňuje udržiavať budovu v energetickej rovnováhe.