Energetske zajednice – tehnička pozadina

Sredinom listopada ove godine objavljen je Zakon o tržištu električne energije (ZTEE) kojim se uvode brojne novine od kojih nam je, za potrebe ovog teksta, interesantan dio koji se odnosi na Energetske zajednice. Radi se o mogućnosti udruživanja građana u formacije koje bi im omogućile zajedničku proizvodnju električne energije (ovdje pretpostavljamo energiju proizvedenu tehnologijom fotonaponskih elektrana) te međusobno dijeljenje proizvedene energije u obuhvatu iste trafostanice. Zakon izaziva podijeljene stavove u pogledu njegovog potencijala ubrzavanja individualne mikro-proizvodnje električne energije te međusobnog dijeljenja (trgovanja) proizvedenim viškovima energije među članovima energetske zajednice. U ovom prvo dijelu donosimo tehničku pozadinu finkcioniranja fotonaponskih postrojenja.

Uvod

U posljednjih nekoliko godina, od kada su se cijene solarnih panela značajnije smanjile, fotonaponske elektrane postale su financijski samoodrživi projekti. Mogućnost postizanja profitabilnosti ulaganjem u fotonaponske elektrane opravdano usmjerava pozornost građana na ulaganje. Također, u posljednje vrijeme često se nailazi i na pojam ‘’prosumer’’, riječ sastavljena od riječi ‘’producer’’ i ‘’consumer’’, a označava subjekta koji troši (consumer) električnu energiju, ali je ujedno i proizvodi (producer).

Uloga subjekta u potrošnji električne energije je poznata, ali pitanja, osobito ona praktična, provedbena, otvaraju se upravo u pogledu procesa proizvodnje i dijeljenja električne energije. U energetske zajednice, čija je svrha proizvodnja i dijeljenje proizvedene električne energije, mogu se udruživati građani međusobno, ali, s njima ili samostalno, i ostali subjekti poput jedinica lokalne, područne (regionalne) samouprave, ustanova, komunalnih društava i drugih subjekata okupljenih oko jedne transformatorske stanice. Ovdje je najintrigantnija ta ograničena mogućnost udruživanja na lokaciji obuhvaćenoj jednom transformatorskom stanicom koja značajno ograničava smisao dijeljenja proizvedene električne energije, pogotovo u hrvatskom kontekstu male gustoće naselja što uzrokuje relativno veliki broj transformatorskih stanica s malim brojem priključaka. Naglašava se da članovi energetske zajednice proizvedenu energiju mogu dijeliti, ali ne i prodavati. Tako se, barem, dade zaključiti iz nedovoljno jasnih formulacija iz propisa.

U većini EU država je praksa da se ne gleda transformatorska stanica već fizička udaljenost (1 km ili sl.)

COMPILE Project

Proizvodnja energije iz fotonaponskih sustava

Tehnološka revolucija donijela je u proteklih sto godina demokratizaciju i proliferaciju brojnih proizvoda ili usluga koje su bile do tada dostupne vrlo uskom krugu privilegiranih. Dovoljno je samo se prisjetiti ekspanzije korištenja osobnih vozila, putovanja zrakoplovom ili dostupnosti računala i mobilnih uređaja. Primjera ima još na stotine, no sada je još jedan visoko centralizirana grana privrede na putu masovne decentralizacije – a to je proizvodnja i distribucije električne energije.

Fotonaponske elektrane nisu nova tehnologija, no značajne promjene dogodile su se u proteklih deset godina dramatičnim padom cijena solarnih panela i kontrolne opreme, pa je tako tipično fotonaponsko postrojenja za kućne instalacije snage 10 kW prije deset godina vrijedilo preko pola milijuna kuna, dok je danas cijena postrojenja sa instalacijom oko sedamdeset tisuća kuna što, čime postaje dostupno i prosječnom kućanstvu, odnosno cijena je sumjerljiva primjerice instalaciji centralnog grijanja ili toplinske pumpe.

Osim fotonapona, veliki razvoj prisutan je i u kontekstu skladištenja energije – baterijama, pri čemu baterijska postrojenja više nisu velikih dimenzija i ne zahtijevaju posebno održavanje. Ne treba zanemariti ni sve veći broj osobnih automobila na električni pogon, koji će također imati velikog utjecaja na potrošnju ali i skladištenje električne energije u vlastitim baterijama koje su često vrlo velikog kapaciteta. Pored ovih tehničkih inovacija pojavili su se i inovativni eksploatacijski modeli u kojima se nastoji sagledati cjeloživotni trošak postrojenja, pa se onda otvaraju i neke druge mogućnosti u kontekstu vlasništva i nadzora samog postrojenja, odnosno novi dugoročno održiviji financijski modeli.

Konačno, u sve nestabilnijem svijetu, biti će posebno važno osigurati si stabilne i sigurne izvore energije, čime si smanjujemo ovisnost i utjecaj eksternalija, pri čemu je kritično da su ti izvori energije i ekološki prihvatljivi, da ne povećavaju ugljični otisak i da su dugoročno ekonomski isplativi.

No, svaka nova tehnologija donosi i svojevrsne rizike (tehničke i financijske), a za razumijevanje rizika važno je razumjeti i njeno funkcioniranje, pa za početak pogledajmo koje su to osnovne komponente fotonaponskog postrojenja.

Vrste fotonaponskih sustava

Ključna zadaća FN sustava je izravno pretvaranje sunčane energije u električnu energiju kojom se omogućava rad određenog broja izmjeničnih (AC) ili istosmjernih (DC) trošila. FN sustav može imati i dodatni pričuvni sustav, tipično bateriju ili agregat što omogućava izolirani rad. Fotonaponski sustavi sastoje se od FN modula, pretvarača energije i kontrolne elektronike. Jednostavniji sustavi (za vikendice i sl.) napajaju samo istosmjerna trošila (manje lampe, radio uređaji i sl.), no uz dodatak DC/AC konvertera tada takav sustav može proizvoditi električnu energiju za sva uobičajena izmjenična trošila.

Generalno FN sustav možemo podijeliti na sljedeće skupine:

1. Samostalni (autonomni) – posve neovisni od mreže

2. Mrežni, spojeni na električnu mrežu:

• aktivni (interaktivni) – dvosmjerni, mogu iz mreže preuzimati energiju ali i slati viškove iz FN
• pasivni – jednosmjerni, mreža služi (samo) kao pričuvni izvor kad nema proizvodnje u FN

3. Hibridni, u biti samostalni uz dodatak obnovljivih izvora energije (najčešće vjetroelektrana).

Autonomni sustavi su po kapitalnoj vrijednosti najznačajniji od fotonaponskih sustava priključenih na distribucijsku mrežu. Razlika u kapitalnoj vrijednosti nastaje uslijed postojanja baterijskog sustava, dodatne kontrolne opreme te regulatora. Osim toga, mrežni pretvarač za fotonaponske sustave spojene na mrežu je jednostavniji po funkciji i tipično je manje snage u odnosu na autonomne
sustave.

Naravno, veće kapitalne vrijednosti takvih projekata uzrokovat će i veće operativne troškove u životnom vijeku fotonaponske elektrane.

Samostalni (autonomni) FN sustav

Samostalni sustavi svu energiju za potrebe potrošača samostalno proizvode i to stvara značajne izazove. Primjerice kad električnu energiju treba isporučivati tijekom noći ili u razdobljima s malim intenzitetom Sunčevog zračenja svakako je  potrebna baterija odgovarajućeg kapaciteta koja služi kao spremnik električne energije.

Ključna komponenta sustava je regulator za kontrolirano punjenje i pražnjenje baterije, a dodavanjem izmjenjivača (=12 V na ~230 V) sustav je sposoban napajati i regularna trošila poput perilica, televizora, hladnjaka, računala i manjih kućanskih aparata – naravno u skladu sa instaliranim kapacitetom FN sustava i baterija. Tipično se primjenjuju na izoliranim područjima, otocima ili udaljenim planinskim naseljima, kako za privatne tako i za poslovne primjene  (npr. telekomunikacijske bazne stanica, svjetionici, sustavi nadgledanja prometnica itd.). Primjer ovog sustav prikazan je na Slika 1. Zbog manjih gubitaka poželjno je imati što više istosmjernih trošila.

Hibridni FN sustavi

Osnovna ideja Hibridnog FN sustava je povećati raspoloživost i pouzdanost sustava sa povezivanjem samostalnih FN postrojenja s drugim rezervnim izvorima električne energije, poput vjetroturbina, malih hidroelektrana, pomoćnih benzinskih ili dizelskih agregata.

Suvremeni izmjenjivači omogućavaju povezivanje vjetroturbine i fotonaponskih sustava bez većih problema dajući veću sigurnost i raspoloživost isporuke električne energije te omogućavajući manje kapacitete baterija kao spremnika električne energije. Kod rješenja koja koriste benzinske i dizelske agregate sustavi se dimenzioniraju tako da se agregati minimalno koriste čime se štedi gorivo, smanjuju troškovi održavanja agregata i produžava njihov vijek trajanja. Primjer hibridnog fotonaponskog sustava prikazan je na Slika 2.

Pasivni i aktivni mrežni FN sustav

Kompleksnost FN sustava određena je razinom automatizacije. Generalno razlikujemo pasivne mrežne FN sustave koji električnu mrežu koriste samo uvjetno, u razdobljima kada FN moduli ne mogu proizvesti dovoljne količine električne energije, primjerice noću kada su istodobno baterije prazne (Slika 3). Obično je sva regulacija ručna.

Aktivni, interaktivni mrežni FN sustavi mrežu koriste dinamički, uzimajući energiju  iz javne mreže u slučaju većih potreba ili kada je energija jeftina, odnosno vraćajući je u javnu mrežu u slučaju viškova električne energije proizvedene u FN modulima ili kada je energiju isplativo prodavati (Slika 4). Tipično su takvi sustavi automatizirani i autonomni, a ako su povezani sa nekom AI/ML logikom mogu izvoditi i kompleksnije algoritme za trgovanje električnom energijom.

Spajanje sustava na mrežu

Fotonaponski sustavi spajaju se preko izmjenjivača na distribucijsku mrežu, pri čemu sami proizvode istosmjernu struju u FN panelima koju treba naknadno pretvoriti u izmjenični napon mrežne frekvencije kako bi napajali trošila ili radili paralelno s elektroenergetskom mrežom. Za održavanje kvalitete frekvencije i napona zadužena je javna elektroenergetska pri čemu se u slučaju odstupanja automatski isključuje odnosno prekida rad izmjenjivača.

Problematika stabilnosti mreže vrlo je kompleksna i prelazi okvire ovog članka, no treba napomenuti da su mogući i loši utjecaji FN sustava spojenih na distribucijsku mrežu (ukoliko nije izvedeno po standardima), primjerice povećavanje struje kratkog spoja, narušavanje osjetljivosti zaštite u elektroenergetskoj mreži, utjecaj na kvalitetu električne energije, raspoloživost distribucijske mreže, te povećanje gubitaka u mreži. Utjecaji ovise o snazi izvora (FN sustava), njegovoj potrošnji na mjestu priključka i osobini postrojenja, te karakteristikama distribucijske mreže na koju se spaja. Povezivanje FN sustava na mrežu predstavlja i nove izazove za mrežne operatore koji sada imaju tokove snage u dva smjera, a ne samo prema potrošaču stoga nužno zadovoljavanje svih pozitivnih zakonskih normi.

Osim problematike fizičke proizvodnje električne energije važno je i pravilno mjerenje, evidencija viškova ili manjkova, te cijeli kontekst trgovanja energijom. Kod uobičajenog načina spajanja FN sustava na mrežu, izlazna struja iz FN sustava služi za snabdijevanje primarno potrošača u kućanstvu, a proizvedeni višak predaje u mrežu (Slika 5).

Inteligentno upravljanje sustavom (proizvodnja, potrošnja i trgovina električnom energijom)

Važan element uspostave održivog FN postrojenja je upravljanje (ako je moguće automatizirano) za procesima proizvodnje, potrošnje i prodaje električne energije.

Jezgra sustava je pametno električno brojilo (Prosumer mjerilo) koje omogućava kontrolu energetskih tokova u FN postrojenju. Prosumer može biti relativno jednostavan sa logikom koja je bazirana na manjim pravilima (vremenska sklopka ili neka jednostavna pravila poput donošenja odluka na osnovi stanja napunjenosti baterije) ili potpomognut kompleksnijim eksternim sustavom (obično u oblaku sa AI/ML svojstvima povezan sa relevantnim izvorima informacija o cijenama energije u realnom vremenu) koji će određivati najbolji trenutak za kupnju ili prodaju električne energije u skladu sa potražnjom i cijenom. Osim Prosumera ključna su i pametna trošila kojima je moguće daljinski upravljati. Ta pamet može biti ugrađena u uređaje ili se (za stariju opremu) mogu koristiti pametne utičnice koje omogućavaju i kontrolu kvalitete električne energije.

Možemo dakle identificirati sljedeće tipične scenarije:

---

Kriteriji za odabir opreme

Fotonaponski sustavi vrlo se razlikuju od svih konvencionalnih izvora električne energije, a ponajviše po:

• odabiru individualnog i nipošto rutinskoga tehničkog rješenja
• kritičnom odabiru veličine fotonaponskog i konvencionalnog sustava, o čemu najviše ovisi ekonomičnost
• vrlo kritičnom odabiru opreme koja bez popravka mora odraditi 25g.
• vrlo važno kome podvrgnuti izvođenje radova.

Najvažniji dio svakog fotonaponskog sustava su fotonaponski moduli, koji moraju zadovoljiti odgovarajuća tehnička svojstva. To znači da mora postojati sva potrebna tehnička dokumentacija kojom se dokazuju ispitivanja, funkcionalnost i godišnja proizvodnja po točno određenim uvjetima.

Kriteriji za odabir opreme su:

• poznato podrijetlo opreme
• tehnička dokumentacija opreme
• atesti i tehnička jamstva opreme
• upute za upravljanje i montažu
• ugovor o tehničkim i proizvodnim jamstvima za opremu
• određena cijena, rok i način plaćanja, trajanje jamstva
• popis referenci proizvođača ili njihovog ovlaštenog zastupnika

Isplativost, prihodi, rashodi, troškovi postrojenja

Isplativost  svih  tehnologija  proizvodnje  energije,  pa  tako  i  fotonaponskih sustava, određuju:

• prihodi i uštede od korištenja sustava
• troškovi ulaganja (investicije)
• pogonski troškovi
• troškovi servisa i održavanja
• troškovi raspremanja na završetku radnog vijeka postrojenja
• neizravni (preventivni i sanacijski) troškovi očuvanja okolice.

Troškovi ulaganja u fotonaponsku opremu načelno se mogu podijeliti na:

• troškovi ulaganja u fotonaponske module
• troškovi ulaganja u izmjenjivače
• troškovi ulaganja u regulatore napona i punjenje baterija
• troškovi ulaganja u akumulatore
• troškovi ulaganja u ostalu opremu
• troškovi projektantsko-konzultantskih usluga
• troškovi montaže opreme.

Tri ključne stavke u ukupnim troškovima izgradnje fotonaponskog sustava su:

• fotonaponski moduli s udjelom  u troškovima od 77.3 %,
• izmjenjivač s udjelom u troškovima od 9.97 %,
• konstrukcija s udjelom troškova od 4.15 %.

Pitanja o efikasnosti sustava

Koliki je temperaturni koeficijent solarne ploče?

Solarni paneli su najučinkovitiji na temperaturi od 25 stupnjeva C. Za svaki stupanj C iznad te vrijednosti učinkovitost pada za postotak između 0,3% i 0,5% u prosjeku. Ovaj postotak poznat je kao koeficijent temperature ploče.

U PVGIS-u gubitci fotonaponskog sustava zbog povišene temperature sa modulima postavljenim uz sam krov kuće iznose 15,2%, a sa modulima postavljenima na nosivu konstrukciju 10,5% . Razlog tome je zbog veće prozračenosti, a samim tim manji pad maksimalne snage modula. Tu se još nalaze gubitci zbog  refleksije 2,4% i gubitci izmjenjivača i kabela od 4%.

Kako mogu povećati izlaz svog solarnog panela?

PWM ili MPPT regulator? Uvijek koristite MPPT solarni regulator – oni su do 30% učinkovitiji od PWM tipa. Redovito održavanje i čišćenje pomaže u održavanju izlazne snage solarnih panela. Osigurajte da je niz solarnih panela na izravnoj sunčevoj svjetlosti bez zasjenjenja. Solarni reflektori mogu pomoći u povećanju izlazne snage, ali morate paziti da se ploče ne pregrije, što će smanjiti izlaz.

Koji su solarni paneli najbolji poli ili mono?

Monokristalni solarni paneli su učinkovitiji od polikristalnih, ali su i skuplji. Međutim, relativni troškovi i učinkovitost se približavaju i nema velike razlike.

Da li se isplati ugradnja Solar Tracking sustava?

Kod fiksnih instalacija je potrebno odabrati optimalni kut za maksimalnu godišnju energiju ili za maksimalnu energiju tijekom razdoblja u kojem nam je potrebna veća proizvodnja električne energije. Teoretski je najbolje rješenje sa dvoosnim praćenjem prividnog kretanja Sunca. Time se može povećati dobivena energija za 25-40%. No da li je baš to točno?

Proračunski primjer za područje južne Hrvatske dan je na Slika 1, iz njega je evidentno da praćenje kretanja sunca ima određenih prednosti, no to onda treba staviti u kontekst ekonomske isplativosti, kako investicije tako i eksploatacije. Sustavi za praćenje su složeni, imaju brojne pokretne elemente – motore ili sklopke koji osim što povećavaju investiciju, kasnije su i značajan potrošač energije. Time se povećava i mogućnost kvarova na sustavu, a takva postrojenja su bitno manje otporna na udare vjetra što je u našim uvjetima značajan faktor.

U nastavku (Slika 2) donosimo realistični primjer nastao na osnovi realnih mjerenja na postrojenju u Portugalu.

Graf prikazuje upotrebu fotonaponskog sustava sa sustavom za praćenje koji ima jednoosni pogonski aktuator koji pomiče fotonaponsku ploču kako bi pratio smjer sunčeve svjetlosti. Ovaj aktuator troši električnu energiju kao svoj izvor, a potrošena električna energija dolazi iz solarnih panela koje pokreću aktuatori što uzrokuje smanjenje energije koja je na raspolaganju potrošačima.

Zaključno, u usporedbi sa sustavima s fiksnim panelima, fotonaponski sustav sa sustavom za praćenje solarne energije manje je učinkovit za korištenje.

Više o ovoj temi možete saznati iz izvrsnog priručnika (možete ga naručiti besplatno) Schrack Technik – Fotonaponski priručnik.

---

Ovo je prvi dio proširene verzije teksta originalno objavljenog u Časopisu Centra za Razvoj javnog i neprofitnog sektora, Tim4Pin br.1 2022

Drugi dio dostupan je na:

---

Prikazi: 336