NyrdenCore & Výroba elektřiny

Pokud je technologické jádro NyrdenCore součástí ostrovního neboli off-grid řešení, obsahuje mimo jiné i výrobu elektřiny pro autonomní provoz objektu. Kombinuje tři různé zdroje, přičemž cílem je pokrýt co největší podíl spotřeby z obnovitelných zdrojů energie.

Energie Slunce

Solární panely jsou integrované do jižní fasády objektu a představují zatím méně obvyklou variantu umístění ostrovní fotovoltaické elektrárny. Svislá poloha se může na první pohled jevit jako nešťastné řešení, ale bližší rozbor ukazuje její výhodnost pro systémy navrhované na maximální autonomii během celého roku, a to hned z několika důvodů.

Prvním je tenkovrstvá technologie CIGS (P-N přechod je složen ze čtyř prvků - měď, indium, galium a selen) schopná lépe reagovat na difúzní složku světla, která převládá při zatažené obloze nebo mlze. To představuje velkou výhodu v oblastech s počasím typickým pro střední Evropu, kde difúzní složka dosahuje až 70% podílu na celoročním globálním ozáření. Celkové množství elektřiny vyrobené CIGS technologií proto bude pravděpodobně větší než při použití panelů s křemíkovými moduly, jejichž deklarovaná účinnost bývá jinak vyšší.

Druhým důvodem je skutečnost, že zatímco v zimě je výtěžnost jižních fasádních panelů téměř totožná s výtěžností panelů instalovaných v ideální poloze (v našich podmínkách směr jih a sklon 49°), v létě je jejich výkon vzhledem k vysokému postavení slunce na obloze výrazně redukován a nedochází tak k nadvýrobě elektřiny, pro kterou není u ostrovních aplikací využití. Díky tomu je křivka ročního výkonu PV daleko plošší, jak je patrné z obrázku č. 1, a více se přibližuje průběhu skutečné potřeby elektřiny v objektu. Letní špička zde neexistuje a na zimní propad se reaguje omezením provozu tepelného čerpadla. Nadprodukce tak vzniká převážně v přechodných obdobích, kdy je možné elektřinu využívat i ohřevu teplé vody nebo k vaření, kdežto v průběhu zimy se vaří na propan butanu.



Obrázek č. 1: Produkce elektřiny ze Slunce (8 kWp), větru (2 kW) a palivového článku (0,25 kW) během roku 2016 v Praze

Třetím důvodem je údržba. Na panelech ve svislé poloze ulpívá podstatně méně prachu a nevyžadují zdaleka takovou frekvenci čištění, jako panely s obvyklým sklonem. Problémy spojené s občasným zasněžením se fasádních panelů netýkají vůbec.

A konečně berme v úvahu také prostorové nároky. Elektrárna s výkonem 8 kWp vyžaduje 56 panelů o celkové ploše 54 m2, které lze bez problému instalovat na fasádu o rozměrech 12 x 6 m. Půdorysný zábor činí při tloušťce panelů 4 cm pouhých 0,45 m2. Stejné množství panelů se sklonem 45° instalovaných na ploché střeše zabere zhruba 86 m2, tedy 190 krát více. V praxi to znamená dilema, zda mít střešní terasu nebo nemít. Kupříkladu při současné velkoměstské ceně 30 tisíc Kč/m2 u balkónů a teras bude mít i tento faktor velký vliv.

V naší zeměpisné poloze je třeba počítat s obdobím kolem zimního slunovratu, kdy solární záření dosahuje pouhý zlomek průměrného ročního výkonu. Proto pokud chceme být energeticky soběstační, musíme nutně uvažovat o doplňkovém zdroji elektřiny. Jednou z možností je větrná turbína.

Energie větru

Při pohledu na obrázek č. 1 je zřejmé, že v tuzemsku je vítr ve srovnání se Sluncem skutečně jen doplňkovým zdrojem energie. Nicméně jeho předností je, že fouká převážně v době, kdy se nedostává slunečního záření. I když to není pravidlem, i tak představuje vítr vhodný doplněk k fotovoltaice. Na tomto místě je nutné zdůraznit, že graf na obrázku č. 1 je vygenerovaný pro Prahu, která rozhodně nepatří mezi větrné oblasti. V jiných lokalitách může být podíl mezi oběma zdroji pro vítr příznivější.

Použité turbíny typu wind-lens se od tradičních vrtulí liší přítomností kruhové difuzoru, který díky aerodynamickému tvaru vytváří ve svém středu podtlak, čímž zrychluje proud vzduchu a ten usměrňuje přímo na lopatky turbíny. Vyvinuty a odzkoušeny byly ve Výzkumném ústavu aplikované mechaniky při Univerzitě v Kjúšú a oproti dosavadním technologiím přinášejí řadu pozitiv.

Turbína funguje při rychlosti vzduchu v rozmezí od 3 do 12 m/s, což umožňuje její využití i v oblastech s průměrnými ročními parametry větru. Zesílením proudění se podařilo zvýšit produkci elektřiny na dvojnásobek až pětinásobek ve srovnání s běžnými turbínami shodné velikosti. Nominální výkon wind-lens o průměru 1,8 m při rychlosti větru 12 m/s činí 1 kW.

Nevýhodou klasických větrných turbín bývá jejich nepříjemný zvukový projev vznikající vířením vzduchu na konci lopatek. Tento jev byl použitím difuzoru a inovativním tvarováním lopatek zredukován na minimum, díky čemuž došlo k výraznému snížení aerodynamického hluku. Turbíny je proto možné instalovat i v běžné zástavbě, aniž by jejich provoz obtěžoval lidi žijící v okolí. Na kruhový rám lze uchytit ochrannou síť bránící srážce letících ptáků s rotujícími lopatkami, k čemuž u tradičních produktů běžně dochází a významně se tak snižuje jejich ekologický přínos. Kruhový rám rovněž zvyšuje všeobecnou bezpečnost provozu, protože je schopen zastavit let ulomené lopatky. Turbína se vlivem sil působícím na difuzor při průtoku vzduchu automaticky otáčí vždy proti větru, a proto nepotřebuje korouhev. Svým specifickým designem nejenže neruší, dokonce může působit jako výrazný architektonický prvek.

Elektrocentrála

Každý bezpečný ostrovní energetický systém potřebuje záložní zdroj pro případ, kdy je hlavní zdroj mimo provoz, ať už z důvodu nepříznivých klimatických podmínek, anebo z důvodu servisního zásahu do zařízení. Standardně se používají elektrocentrály poháněné spalovacími motory na benzín, naftu nebo LPG. V našem jádru používané „tiché“ výrobky mají redukovaný hluk na pouhých 62 dB, přesto vzhledem k produkci spalin nemohou být umístěny v obytném prostoru. Právě proto, ale i z důvodu větší míry bezobslužnosti, nabízíme v jádru NyrdenCore jako alternativu palivový článek, získávající vodík pro výrobu elektřiny ze stlačeného zemního plynu nebo LPG.

Kompaktní jednotka velikosti krabice od bot se automaticky spouští vždy, když se kapacita baterií dostane na limitní mez. Po dobu své životnosti, která se podle míry využití pohybuje mezi 8 a 15 roky, nevyžaduje žádnou údržbu, pouze se mění tlakové láhve s palivem. Protože cena vyrobené kWh je v případě palivového článku vyšší než u fotovoltaiky nebo větru, a životnost článku je omezena počtem hodin provozu, je praktické v zájmu nízkých provozních nákladů, aby palivový článek fungoval co nejméně. Proto je objekt vybaven informačním systémem, který upozorňuje uživatele na stav výroby, spotřeby a zásob elektřiny, a pomáhá využívat spotřebiče ve vhodnou dobu a optimalizovat její využívání.

V modelovém středoevropském případě, viz obrázek č. 1, byl článek v provozu pouhých 294 hodin za celý rok 2016, což je za posuzované desetiletí průměrný výsledek.

Závěr

Fotovoltaika i větrné turbíny jsou závislé na počasí. Pokud se ale využívají současně, dá se během celého roku dosahovat vcelku rovnoměrných energetických zisků s minimálními výpadky. Ty se zcela vyloučit nedají, nicméně jsou bezpečně vykrývány pomocí elektrocentrály, jejíž činnost je na meteorologických podmínkách absolutně nezávislá. Velkou roli u autonomního systému samozřejmě hraje lokalita, nominální výkon všech zdrojů, kapacita akumulátorů a způsob hospodaření s elektrickou energií v objektu.

Modelový příklad dokládá, že denní spotřeba běžně používaných spotřebičů, mezi které řadíme domovní technologie, ledničku, osvětlení, výpočetní, komunikační a audio-video techniku, by neměla přesáhnout 5 kWh, v ideálním případě ještě o pětinu méně. V úspornější variantě totiž zůstává rezerva pro spotřebiče s vysokými energetickými nároky, jako je pračka, sušička nebo myčka nádobí. Ty lze pochopitelně využívat i při méně úsporném provozu, ale čas spouštění a případný souběh několika takovýchto spotřebičů je třeba obezřetně plánovat s ohledem na aktuální stav baterií.

V modelovém středoevropském objektu se ročně spotřebuje 4 383 kWh elektřiny. Z toho 74 kWh se vyrábí v záložním zdroji, zbývajících 99,98 % pochází z obnovitelných zdrojů – ze Slunce a větru. Dalších 1 384 kWh činí nadvýroba využitelná pro provoz zařízení s vlastními akumulátory – elektrokola, zahradní sekačka, vysavač, apod.

Ostrovní systém NyrdenCore je specifický v tom, že se nežene za maximálním výkonem někdy, ale upřednostňuje dobrý výkon pořád. Není velké umění vyrobit spoustu elektřiny v krásný letní sluneční den a pak si lámat hlavu co s ní, především jde o to mít dostatek elektřiny i kolem Vánoc, kdy se slunce několik dní pomalu neukáže. Z tohoto důvodu podrobně posuzujeme každou lokalitu v delším časovém úseku, abychom systém navrhli na nejnepříznivější podmínky, které mohou byť i jen málo pravděpodobně během provozu nastat.