Lakossági villamos energiatároló rendszerek  1.RÉSZ - Inverter kiválasztása a bruttó elszámolási rendszerben

Jelen cikk keretében arra a kérdésre keressük a választ, hogy energia tárolás megjelenése a napelemes rendszerek méretének meghatározásával kapcsolatosan milyen változásokat generál, a gondolkodásunkat hogyan célszerű megváltoztatnunk. A következőkben azt a kérdést fogjuk vizsgálni, hogy hogyan építsünk olyan napelemes rendszereket, melyek minimalizálják a hálózat használatát, a helyi fogyasztást a lehető legnagyobb mértékben a helyben előállított energiából fedezik. 

Energiaforradalom Európában és Magyarországon

Azt gondolom nyugodtan kijelenthetjük, hogy világunk gyorsan változik, kiváltképp, ha a megújuló energia területén tevékenykedünk. Újabb és újabb technológiák jelennek meg, válnak megfizethetővé, illetve biztosítanak új lehetőségeket az emberiség energiaellátása számára, az új technológiák megjelenése pedig magával húzza a szabályozói környezet folyamatos változását is. A villamos energia hagyományos centralizált nagyerőműves előállítása mellett és részben helyett megjelentek a decentralizált erőművek. A magyarországi HMKE-k száma meghaladja a 250.000 db-ot, beépített teljesítményük Paks teljesítményével vetekszik, míg az összes telepített napelemes rendszer beépített teljesítmény elérte az 5500 MW-os étéket, így napjainkra a napenergia meghatározó szereplővé nőtte ki magát. 

Az utóbbi években gyors terjedésnek indultak az energiatárolóval kombinált napelemes rendszerek, melyek a napsütéses órákon túl is lehetővé teszik a napelem rendszer által termelt energia felhasználását. A 2022-es évben Németországban megvalósított 20 kW alatti teljesítményű rendszerek több mint 70%-a energiatároló csatolásával került megvalósításra, az egy év alatt telepített tároló kapacitás meghaladta az 1500 MWh-t. 

A magyarországi fejlődő piac lemaradással követi a német piacot, igaz a lakosság számára elérhető, európai viszonylatban kedvező áron biztosított villamos energia a rendszerek megtérülési idejét kitolja, azonban a 2024-ban induló 66%-os vissza nem térítendő állami támogatással megtérülővé válnak az energiatárolós beruházások is – így az energiabiztonság, a stabiltás, és a CO2 semlegesség mellett a megtérülés is az energiatárolók telepítése mellett szólhat. 

Más rendszer - más gondolkodásmód!

Jelen cikk keretében arra a kérdésre keressük a választ, hogy energia tárolás megjelenése a napelemes rendszerek méretének meghatározásával kapcsolatosan milyen változásokat generál, a gondolkodásunkat hogyan célszerű megváltoztatnunk. A szaldós rendszerben jellemzően a rendszer méretét az éves villamos energia fogyasztás alapján határoztuk meg – akkora rendszereket terveztünk, melyek a meglévő, illetve a várható villamos energia fogyasztásnak megfelelő mennyiségű energiát állították elő éves szinten. A rendszer megtérülése akkor volt a legkedvezőbb, ha közel nulla volt az éves megtermelt és elfogyasztott energia mérlege. A 2024.01.01-től bevezetett bruttó elszámolási rendszerben történő elszámolás módja a cikk megírásának pillanatában még nem volt egyértelmű. Egyrészről a 460/2023. (X. 5.) kormányrendelet értelmében az egyidőben a fázisokon betáplált és kitáplált energiamérleg alapján fog történni az elszámolás, a részletszabályokat az elosztói szabályzat tartalmazza, azonban a cikk írásakor elérhető 23. számú 2023. június 06-i dátumú elosztói szabályzat az energiamérleg szerinti elszámolás részletszabályait még nem tartalmazza. Másrészről az MVM honlapján a következő információ található az elszámolással kapcsolatosan: "Bruttó elszámolás esetén az MVM Next a hálózatból vételezett (fogyasztott) villamos energiát teljes mértékben kiszámlázza, hasonlóan a HMKE nélküli villamosenergia-fogyasztás elszámolásához, míg az ügyfél a hálózatba betáplált teljes villamosenergia-mennyiség után kérheti az elszámolást".

A jelenlegi villanyóra beállítások szerint az energia mennyiségének mérése fázisonként történik, abban az esetben ha egy fázison vételezünk, a másik két fázison betáplálunk az óra mindkét irányú energia áramlást egyidejűleg rögzíti.

Az "optimális" rendszer kiépítése

A következőkben azt a kérdést fogjuk vizsgálni, hogy hogyan építsünk olyan napelemes rendszereket, melyek minimalizálják a hálózat használatát, a helyi fogyasztást a lehető legnagyobb mértékben a helyben előállított energiából fedezik.

Az energiatárolóval kombinált napelemes rendszerben az összekötő kapocs az inverter – újonnan kiépítésre kerülő rendszerek esetén a legcélszerűbb megoldás a hibrid inverter használata. Kezdjük az inverter méretének meghatározásával egy gyakorlati példán keresztül 3800 kWh éves energia fogyasztású háztartás esetére. A szaldós gyakorlat alapján hozzávetőlegesen 3,4 kWp teljesítményű napelem és 3 kW teljesítményű inverter elegendő az éves energia mennyiség előállításához. Az energiatárolással kombinált rendszerek esetében ezt a gondolkodásmódot át kell alakítanunk, mivel az invertert célszerű alkalmassá tennünk a háztartás fogyasztásának kielégítésére a hálózat használatának minimalizálása érdekében. 

Amennyiben a méretezést a fogyasztók irányából kezdjük a következőre jutunk: A háztartási gépek közül a nagy energia igényű berendezések 1-1 fázison a gyakorlatban 10-13A körüli teljesítményt vesznek fel. Amennyiben a terhelés a fázisok között lehető legszimmetrikusabban van elosztva, a használói igények figyelembe vételével (pl. R fázison mosógép, szárítógép, klíma, főzőlap egyik fázisa, S fázison mosogatógép, mikrosütő, főzőlap másik fázisa, T fázison sütő, klíma, konnektorok nagy fogyasztóknak) úgy relatíve ritkán fordul elő 16A feletti terhelés egy-egy fázison, viszont a 10A-t gyakran meghaladja az egyes fázisok terhelése. 

A gyakorlatban a fázisok terhelése minden időpillanatban aszimmetrikus, így abban az esetben, ha a hálózat használatát (betáplált és vételezett energia mennyiségét) minimalizálni szeretnénk olyan inverterre van szükségünk, mely alkalmas az aszimmetrikus működésre (minden fázisra a fogyasztó igényének megfelelő áramerősséggel teljesítményt képes biztosítani). Az aszimmetrikus működésre alkalmas inverter is beállítható szimmetrikus működésre, így könnyen vizsgálható a gyakorlatban, hogy milyen különbséget tapasztalunk a két beállítás között.  

Mérések / tények / adatok

A lenti táblázatban látható méréseket a napelemes termeléssel közel megegyező mértékű 97%-ban 1 fázison történő fogyasztás esetén végeztük. A mérés során váltottunk az inverter kikapcsolt állapota, szimmetrikus üzeme és aszimmetrikus üzeme között. A tesztelést fázisonként maximum 16,5 A terhelhetőségű 10 kW-os hibrid inverterrel végeztük el. 

A fenti táblázat értékeit megvizsgálva jelentős eltérést tapasztalhatunk a két működés hálózatra gyakorolt hatásával kapcsolatosan:

• Annak ellenére, hogy a napelemes termelés és a fogyasztás egyensúlyban van, a fogyasztás 128%-ának megfelelő hálózat használatot mérhetünk szimmetrikus működésű inverterek esetén (3,86 kW a 3,01 kW helyett).

• Aszimmetrikus működésre beállított inverter a szimmetrikusan működőhöz képest elhanyagolható mértékben használja a hálózatot (0,05 kW a 3,86 kW helyett).

• A 2024.01.01-én bevezetett bruttó elszámolási rendszerben a betáplált energiáért 5 Ft-ot fizet a szolgáltató, a vételezett energiáért 40/70 Ft-ot számol fel a szolgáltató, akkor a fenti példa értékeivel kalkulálva aszimmetrikus működés esetén nem használjuk a hálózatot, így költségmentesen üzemelünk, míg szimmetrikusan működő inverter esetén egy óra alatt 2 kWh betáplálás után 10 Ft bevétellel számolhatunk, és közel 2 kWh vételezés után 80/140 Ft költséggel, így a szimmetrikus inverter többletköltsége óránként 70/130 Ft-ra adódik annak ellenére, hogy a ház fogyasztásnak megfelelő 3 kW-nyi energiát a napelem biztosította.

• Az aszimmetrikus üzemmód esetén a hálózati feszültség nem emelkedik meg, mivel a fogyasztás és a termelés egyensúlya esetén nem történik a hálózatba betáplálás. Így azokon a területeken, ahol a napelemek nagy száma végett a hálózati feszültség eléri a megengedett 253V-os értéket az aszimmetrikus inverter kisebb feszültségszintje lehetővé teszi a nagyobb arányú működést. A magas hálózati feszültség végetti inverter megállások száma a szimmetrikusan működő inverterekhez viszonyítva csökken – várhatóan a transzformátor körzet szimmetrikusan működő inverterei előbb fogják elérni a 253V-ot, azok lekapcsolnak, nem emelik tovább a feszültséget, míg az aszimmetrikus inverterek (főképp ha az előírásnak megfelelően 250V felett elkezdik csökkenteni a teljesítményüket) várhatóan ezekben az időszakokban is folyamatosan, esetlegesen csökkentett teljesítménnyel fognak energiát előállítani.

A fenti kísérletben az energiatároló egység nem játszott szerepet, mivel a napelemes termelés és a fogyasztás teljesítménymérlege egyensúlyban volt – kizárólag az inverter beállítása okozta a különbségeket.

Szimmetrikus vagy aszimmetrikus működés energiatárolóval

A lenti példákban megvizsgáljuk, mit tapasztalunk abban az esetben, mikor az energiát az akkumulátor biztosítja. Szimmetrikus inverter beállítással az akkumulátorból vételezett energia megegyezik az összes fogyasztó által vételezett energia mennyiségével, felszínesen vizsgálva az inverter az energia mérleget egyensúlyban tartja, ahhoz, hogy lássuk mi történik pontosan a fázisonkénti energia áramlását kell megfigyelnünk: Az egyik fázison megjelenő 3kW-os fogyasztás esetén az inverter 3KW teljesítményt fog felvenni az akkumulátorból, ebből 2 kW-ot ki fog táplálni a hálózatra (a saját tárolónkban eltárolt energia 66%-át szolgáltatjuk a hálózat felé), és 1 kW-ot az egyik fázison megjelenő 3kW-os fogyasztónak fog juttatni. A 2kW-os kitáplálás mellett 2 kW-os vételezés fog megjelenni. A lenti ábra szemléltet egy életszerű állapotot: 

Aszimmetrikus működés esetén az inverter képes arra, hogy a fogyasztók felé irányítsa az igényelt energiát, így az eltárolt energia a saját fogyasztásunkat fedezi, a hálózatot nem használjuk.

A korábbiakban említettem, hogy célszerű energia tárolós rendszerek esetében az inverter méretének megválasztását a fogyasztók igényei alapján meghatározni – vegyük azt, hogy a 3800 kWh éves fogyasztás fedezéséhez 4 kW-os hibrid invertert választunk (a lakossági energiatárolós pályázatot 4-5kW-os inverterre és 7,5-10 kWh-s tárolóra írták ki). Az aszimmetrikus működésre alkalmas inverterek 100-150%-kal terhelhetőek fázisonként, a leggyakoribb a ~110%-os érték, így a 4kW-os három fázisú inverter egy fázison 6,7A áramerősség és ~1,5 kW teljesítmény leadására képes. Az előző példánál maradva a 4kW-os inverterrel az energia áramlása a következő módon fog alakulni: 

A 4kW-is inverter teljesítménye korlátozza a tároló kihasználhatóságát, a fogyasztókon megjelenő 3 kW-os fogyasztásból 1,7 kW-ot fog a rendszer az akkumulátorból vételezni (energiaigény 57%-a), a többlet energia kiszolgálása érdekében a hálózatot fogja igénybe venni 1,3 kW teljesítménnyel (energiaigény 33%-a). Az inverter fázisonként kiadható teljesítményét meghaladó fogyasztói igény megjelenésével a rendszer a hálózatból kezd el energiát vételezni akkor is, amennyiben az akkumulátor képes lenne az energiaigény kielégítésére, ezzel egy szűk keresztmetszetet képez, korlátozza az akkumulátor használhatóságát. Az inverter teljesítményének 4 kW helyett 5 kW-ra történő növelésével a fázisonként leadott áramerősség jellemzően 8.3 A, a teljesítmény 1,9kW, a fenti példával élve az akkumulátor 2,1 kW-ot fog biztosítani (energiaigény 70%-a), míg a hálózatból 0,9 kW teljesítménnyel történik vételezés (energiaigény 30%-a). A gondolatmenetet tovább gördítve azt látjuk, hogy a vételezett energia mennyiségének csökkentése érdekében érdemes az inverter méretet a fogyasztók áramfelvételéhez igazítani, ez a gyakorlatban minimálisan 10 kW-os inverter teljesítényt eredményez fázisonként 16.5 A/3,8 kW terhelhetőséggel. 

Amennyiben a hálózati betáplálás nem engedélyezett a helyzet még kritikusabb, hiszen a szimmetrikus üzemre beállított inverter a legkisebb fázis teljesítményére fog szabályozni – ezzel a fogyasztók energiaigényének nagy részét a hálózatból vételezett áram elégíti ki (a lenti példában 90%-át), így a napelemes termelés mennyisége szimmetrikus üzemű inverter esetén nem fogja beváltani a hozzáfűzött reményeket: 

A lenti kíséret során azt vizsgáltuk, hogy 1-1,5 órás egyenletes terhelés mellett kizárólag akkumulátorról üzemelve az elszámolás alapját képező hálózati engedélyes tulajdonát képző villanyóra milyen energia áramlást regisztrál.

Mit "lát" a villanyóra?

A fenti példákhoz hasonló aszimmetrikus terheléssel összehasonlító mérést végeztünk aszimmetrikus/szimmetrikus üzemmód beállításával 10 kW-os hibrid inverter esetén. A hálózatba táplált/vételezett energia mennyiségének mérését Sanxing SX631/S34U18 villanyórával végeztük. A kísérletben ~3,3 kW összes terhelés és akkumulátoros energia szolgáltatás mellett szimmetrikus működés esetén 4 kWh betáplált, és 4 kWh vételezett energiamennyiséget rögzített a mérő, míg aszimmetrikus üzemben 0 kWh volt a betáplált és a vételezett energia mennyisége. 

A telepítés helyének pontos meghatározása

Energiatárolóval történő kombinálás esetén az inverter telepítés helyét is jobban végig kell gondolnunk, több okból kifolyólag:

• Az inverter akár napi 24 órában is működhet, így amennyiben aktív hűtéssel rendelkezik az éjszakai pihenés nyugalmát zavarhatja a ventilátorok által okozott zaj.

• Az akkumulátor cellák optimális működési hőmérséklete 25 °C, a hőmérséklet emelkedésével csökken az élettartamuk (az élettartam maximalizálása érdekében 35-38°C alatt érdemes tartani a cellák hőmérsékletét, melyet a gyakorlatban úgy érhetünk el, ha maximálisan ~28 °C környezeti hőmérsékletet biztosítunk), a hőmérséklet csökkenésével csökken a kapacitásuk, illetve lassabban tölthetőek – 0°C hőmérséklet alatt jellemzően a töltésüket a vezérlésük tiltja.

• Az akkumulátor és az inverter között egyenáram folyik, célszerű az inverter és az akkumulátor közötti távolságot minimalizálni a vezetéken keletkező veszteségek csökkentése érdekében, főleg 51.2 V-os akkumulátor használata esetén (2 m hosszú 35mm2 vezetéken 100A áram esetén 20,2 W veszteség keletkezik). Nagy feszültségű rendszerek esetén (450V, 2m hosszú 10mm2 vezeték, 11A áram esetén 0,86 W veszteség).

Konklúzió

Röviden összefoglalva az inverter választásával kapcsolatos következtetéseket:

• Az akkumulátorban eltárolt energiát akkor tudjuk megfelelően hasznosítani, amennyiben az inverter teljesítménye alkalmas a fogyasztók közvetlen kiszolgálására – a Napenergia Plusz pályázatban mindenképp a lehető legnagyobb méretű – 5 kW-os invertert célszerű használni, pályázaton kívüli telepítésnél célszerű minimum 10 kW-os inverter telepítése még abban az esetben is, ha a napelemes beépített teljesítmény 10 kWp alatt marad.

• Az inverter választásakor fontos szempont az aszimmetrikus üzemmódra való alkalmasság mind hálózatos, mind hálózaton kívüli üzem esetében (egyes inverterek csak backup üzemmódban képesek aszimmetrikus üzemmódra), hiszen ezen inverterekkel tudjuk minimalizálni a hálózat használatát.

Miután az invertert kiválasztottuk a következő lépés az akkumulátor típusának kiválasztása, és méretének meghatározása, illetve a fogyasztási szokásainkhoz illesztett napelem teljesítmény meghatározása, mellyel a következő számban megjelenő cikk keretében foglalkozunk. 

Szerző: 2024.01.11 - Molnár Gábor Miklós, Bomo Energy Kft.