Od domácej fotovoltiky až po veľké BESS, ktoré pomáhajú stabilizovať elektrizačnú sústavu
Batérie nie sú dôležité iba pre elektromobily. Čoraz významnejšiu úlohu majú aj v energetike, kde umožňujú uložiť elektrinu v čase jej prebytku a použiť ju neskôr, keď je potrebná. Od niekoľkokilowatthodinového úložiska pri rodinnom dome až po megawattové kontajnerové systémy ide o rovnaký základný princíp: oddeliť čas výroby elektriny od času jej spotreby.
Téme praktického využitia batériových systémov sa venoval Ing. Daniel Hrčka zo spoločnosti Viessmann Climate Solutions v prednáške Batériový systém ukladania energie v praxi v rámci webinára Battery Value Chain, ktorý SEVA pripravila pre Pohár mladých konštruktérov ako súčasť vzdelávacej platformy SEVA Academy.
Cieľom webinára bolo priblížiť študentom a mladým konštruktérom celý hodnotový reťazec batérií – od výskumu a výroby cez elektromobily a energetiku až po zber, bezpečnú prepravu, recykláciu a návrat surovín späť do obehu.
Prečo vôbec elektrinu ukladať?
Výroba a spotreba elektriny sa prirodzene nestretávajú vždy v rovnakom čase. Najjednoduchšie to vidieť pri fotovoltike. Počas slnečného dňa môže elektráreň vyrábať viac energie, ako budova práve potrebuje, večer alebo v noci však nevyrába vôbec.
Batériové úložisko umožňuje tento časový nesúlad preklenúť. Prebytok elektriny sa uloží do batérie a využije neskôr – napríklad večer, počas energetickej špičky alebo pri výpadku siete.
Význam batérie však nie je iba v samotnom ukladaní energie. Dobre navrhnutý systém dokáže koordinovať fotovoltiku, tepelné čerpadlo, nabíjanie elektromobilu a ostatnú spotrebu budovy tak, aby sa čo najväčšia časť vyrobenej elektriny využila priamo na mieste.
Výsledkom môže byť nižší odber elektriny zo siete, nižšie prevádzkové náklady, vyššie využitie obnoviteľných zdrojov a vyššia energetická bezpečnosť.
Domáca batéria maximalizuje využitie fotovoltiky
V rodinných domoch sa čoraz častejšie využívajú hybridné energetické systémy, ktoré kombinujú fotovoltickú elektráreň, batériové úložisko a inteligentné riadenie spotreby.
Daniel Hrčka predstavil ako príklad systém Viessmann Vitocharge VX3. Jeho úlohou nie je iba ukladať prebytočnú elektrinu. Systém sleduje výrobu a spotrebu, rozhoduje o nabíjaní alebo vybíjaní batérie a môže spolupracovať s ďalšími technológiami v domácnosti.
Princíp je jednoduchý. Ak fotovoltika počas dňa vyrába viac elektriny, ako domácnosť spotrebuje, prebytok sa uloží do batérie. Večer alebo v noci, keď výroba klesne na nulu, domácnosť využíva uloženú elektrinu namiesto odberu zo siete.
Čím väčšiu časť vlastnej elektriny domácnosť dokáže spotrebovať na mieste, tým efektívnejšie svoju fotovoltiku využíva.
Od 5 do 30 kWh podľa potrieb domácnosti
Rezidenčné batériové systémy majú modulárnu konštrukciu. Kapacita preto nemusí byť rovnaká pre malý rodinný dom a pre domácnosť, ktorá elektrinou vykuruje, chladí a zároveň nabíja elektromobil.
V prezentovanom riešení predstavuje základ 5 kWh batériový modul. Dva moduly vytvoria úložisko s kapacitou 10 kWh, tri moduly 15 kWh a maximálne kaskádové zapojenie umožňuje dosiahnuť až 30 kWh.
Takýto princíp je dôležitý aj z pohľadu návrhu energetického systému. Úložisko sa nemusí dimenzovať na maximálnu možnú veľkosť. Jeho kapacita sa môže prispôsobiť reálnej spotrebe domácnosti, veľkosti fotovoltiky a spôsobu využívania elektriny.
Iné potreby bude mať dom s bežnými elektrickými spotrebičmi a iné domácnosť s tepelným čerpadlom, klimatizáciou a elektromobilom.
LFP batérie: bezpečnosť a tisíce cyklov
V prezentovanom riešení sa využíva technológia LFP – lítium-železo-fosfát. Ide o jednu z rozšírených lítiovo-iónových chemických technológií pre stacionárne batériové úložiská.
Medzi jej hlavné vlastnosti patrí chemická a tepelná stabilita, odolnosť voči prehrievaniu a vysoká cyklická životnosť. Prezentácia uvádza viac ako 6 000 nabíjacích a vybíjacích cyklov pri zachovaní kapacity.
Pri stacionárnom úložisku je práve cyklická životnosť veľmi dôležitá. Batéria môže byť počas rokov prevádzky nabitá a vybitá tisícekrát, preto jej hodnotu neurčuje iba nominálna kapacita, ale aj schopnosť túto kapacitu dlhodobo poskytovať.
Hybridný systém nemusí automaticky znamenať záložný zdroj
Jednou z praktických tém prednášky bol rozdiel medzi batériovým systémom a skutočným záložným zdrojom.
Nie každý systém s batériou dokáže pri výpadku distribučnej siete pokračovať v napájaní domácnosti. Pri plnohodnotnom backup riešení musí systém výpadok siete automaticky rozpoznať, bezpečne sa od siete oddeliť a prepnúť budovu do ostrovného režimu.
Batéria potom napája vybrané alebo všetky spotrebiče podľa výkonu a konfigurácie systému. Po obnovení dodávky zo siete systém automaticky prejde späť do normálnej prevádzky.
Batériové úložisko tak môže plniť dve rozdielne úlohy: optimalizovať každodennú spotrebu elektriny a zároveň slúžiť ako energetická záloha pri výpadku.
HEMS riadi celý energetický systém domácnosti
Samotná batéria je iba jednou časťou riešenia. Čoraz dôležitejšiu úlohu má softvér, ktorý rozhoduje, kedy energiu vyrábať, ukladať, spotrebovať alebo odoberať zo siete.
Na tento účel slúži HEMS – Home Energy Management System.
Takýto systém môže v reálnom čase zobrazovať tok elektriny medzi fotovoltikou, batériou, domácnosťou a distribučnou sieťou. Zároveň dokáže nastavovať časy nabíjania a vybíjania, pracovať s tarifami elektriny a umožniť používateľovi vzdialený prístup cez mobilnú aplikáciu.
V domácnosti s elektromobilom a tepelným čerpadlom už nejde o jednoduchú otázku „mám alebo nemám batériu“. Dôležité je koordinovať viacero veľkých spotrebičov tak, aby sa elektrina využila v ekonomicky a energeticky najvhodnejšom čase.
Rovnaký princíp, úplne iná mierka: BESS
To, čo môže v rodinnom dome predstavovať 5 alebo 10 kWh batéria, existuje v priemyselnej energetike v tisícnásobne väčšej mierke.
Takéto systémy sa označujú skratkou BESS – Battery Energy Storage System.
Komerčné BESS môžu pomáhať podnikom optimalizovať spotrebu a odberové špičky, ale ich význam siaha ďalej. Veľké batériové úložiská môžu poskytovať regulačné a podporné služby elektrizačnej sústave, pomáhať stabilizovať frekvenciu a napätie a vytvárať priestor pre integráciu väčšieho množstva obnoviteľných zdrojov energie.
Práve schopnosť veľmi rýchlo energiu odoberať aj dodávať robí z batérií zaujímavý nástroj pre modernú energetiku.
Považská Bystrica: 16,7 MWh energie v šiestich kontajneroch
Prednáška predstavila aj konkrétny slovenský projekt BESS realizovaný pre Tepláreň Považská Bystrica.
Systém má podľa prezentácie výkon 10,350 MW a kapacitu 16,732 MWh pri hĺbke vybitia 95 %. Tvorí ho šesť 20-stopových batériových kontajnerov s napätím 1 500 V DC. Každý kontajner obsahuje desať batériových stojanov s kapacitou 278,8 kWh. Súčasťou riešenia je systém energetického manažmentu EMS, kvapalinové chladenie a výkonové meniče.
Projekt dobre ukazuje rozdiel medzi domácim úložiskom a veľkým BESS. Kým pri rodinnom dome sa pracuje s jednotkami až desiatkami kilowatthodín, pri veľkých energetických systémoch ide o megawatty výkonu a megawatthodiny uloženej energie.
Systém v Považskej Bystrici bol podľa Daniela Hrčku uvedený do prevádzky na konci roka 2025 a od roku 2026 slúži aj na poskytovanie podporných služieb.
Batériový kontajner je malá elektráreň plná techniky
Pri pohľade zvonka môže BESS pripomínať obyčajný prepravný kontajner. Vo vnútri však ide o komplexný elektrotechnický systém.
Základom sú batériové moduly a racky, ktoré dopĺňa BMS – Battery Management System. Ten dohliada na stav batérií a ich bezpečnú prevádzku.
Ďalšou základnou súčasťou sú obojsmerné AC/DC meniče. Elektrizačná sústava pracuje so striedavým prúdom, kým batéria uchováva energiu v jednosmernej forme. Meniče preto zabezpečujú tok energie oboma smermi – pri nabíjaní zo siete do batérie aj pri vybíjaní späť do siete.
Súčasťou kontajnera je aj komplexné požiarne zabezpečenie, detekcia teploty a dymu, alarmové systémy a hasiace zariadenia.
Teplotu batérií stráži kvapalinové chladenie
Jednou z technicky dôležitých častí moderného BESS je tepelný manažment.
Prezentovaný systém využíva dvojokruhové kvapalinové chladenie. Primárny chladiaci okruh odvádza teplo z kontajnera do vonkajšieho prostredia, sekundárny okruh s vodou a glykolom distribuuje chlad priamo k batériovým modulom.
Udržiavanie batérií v správnom teplotnom rozsahu ovplyvňuje ich výkon, životnosť aj bezpečnosť. Zároveň umožňuje do rovnakého fyzického priestoru umiestňovať stále väčšiu energetickú kapacitu.
Jeden približne 20-stopový kontajner prezentovaný Danielom Hrčkom predstavuje rádovo 2,8 MWh uloženej energie, pričom má stupeň krytia IP55.
Batérie pomáhajú meniť spôsob fungovania energetiky
Rezidenčné a veľké komerčné úložiská majú odlišnú veľkosť a ekonomiku, spája ich však rovnaká základná vlastnosť – umožňujú rozhodnúť, kedy sa vyrobená elektrina spotrebuje.
Pri domácnosti môže byť cieľom maximalizovať vlastnú spotrebu fotovoltiky, znížiť účet za elektrinu a vytvoriť záložné napájanie.
Pri veľkom BESS môže byť cieľom stabilizácia elektrizačnej sústavy, presúvanie spotreby medzi jednotlivými časťami dňa, využívanie prebytkov výroby alebo poskytovanie regulačných služieb.
S rastom výroby elektriny zo zdrojov, ktorých výkon závisí od počasia, sa schopnosť energiu ukladať stáva stále dôležitejšou súčasťou energetického systému.
Nové technológie potrebujú aj nových odborníkov
Daniel Hrčka svoju prednášku zakončil témou vzdelávania. Viessmann sa spolu so Štátnym inštitútom odborného vzdelávania zapojil do vybavenia odborných pracovísk energetiky na siedmich stredných odborných školách na Slovensku.
Študenti tam môžu pracovať s technológiami z oblastí fotovoltiky, batériových úložísk, tepelných čerpadiel, vodíka a smart energetických riešení.
Je to dôležitá súčasť transformácie energetiky. Nové technológie totiž nevytvárajú iba nové zariadenia, ale aj potrebu ľudí, ktorí ich dokážu navrhovať, inštalovať, programovať, prevádzkovať a servisovať.
Batéria tak nie je iba súčasť elektromobilu. Stáva sa jedným zo základných prvkov moderného energetického systému – od rodinného domu až po veľkú elektrizačnú sústavu.