Hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek energiamérlege

Megjelent az Épületgépész folyóirat 2015/3. számában

A hálózatra kapcsolt napelemes rendszerekkel akár a teljes éves villamosenergia-fogyasztást fedezni lehet. Fontos azonban hangsúlyozni, hogy a 100%-os napenergia fedezet csak az energia forrásként és felvevőként is folyamatosan rendelkezésre álló villamos hálózat, és az éves ciklusú szaldós elszámolás lehetőségének jótékony hatásaként érhető el. Mostani írásunkban a napelemekkel megtermelt, a hálózatból vételezett, az oda visszatáplált, és az elfogyasztott saját energia viszonyait vizsgáljuk meg.

Csak emlékeztetőül, hiszen lapunk 2014. decemberi számában már megírtuk: Magyarországon a VET, a villamos energiáról szóló 2007. évi LXXXVI. törvény rendelkezik arról, hogy az 50 kW teljesítmény alatti, ún. háztartási méretű kiserőművek által termelt villamos energiát az adott csatlakozási ponton értékesítő villamosenergia-kereskedő köteles átvenni, és annak méréséről gondoskodni. Fontos az is, hogy a hálózatba összesen betáplált és vételezett villamos energiát a szolgáltató és a termelő éves szaldó szerint számolhatják el. Mindaddig, amíg az éves szinten betáplált villamos energia mennyisége nem haladja meg a vételezett mennyiséget, a betáplált energiát ugyanazon az áron számolja el a szolgáltató, mint amilyen áron a vételezett energiát vásárolják tőle.

Jellegzetes üzemállapotok

A hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek az energia vételezés, termelés, felhasználás és visszatáplálás szerint az 1. ábra szerinti jellegzetes üzemállapotokban működhetnek. Ezek az üzemállapotok a napszakoktól, az évszakoktól és természetesen az időjárástól egyaránt függenek.

1. ábra
Hálózatra kapcsolt napelemes rendszer jellemző üzemállapotai

• Az a. jelű üzemállapot azt mutatja, amikor a napelemek egyáltalán nem állítanak elő villamos energiát (pl. azért mert éjszaka van, vagy nagyon sűrű felhőzet takarja el a Napot). Így ez az üzemállapot megegyezik a napelem nélküli háztartások üzemállapotával, a saját fogyasztást teljes egészében a villamos hálózatból vételezett energia fedezi. A hálózatból vételezett és az elhasznált energia nagysága megegyezik (az általában minimális mértékű kábel és egyéb veszteségeket elhanyagoltuk).
• A b. jelű üzemállapotban már a napelemek is termelnek, de az általuk előállított energia még kevés, így a saját fogyasztás biztosításához a hálózatból is kell vételezni energiát.
• A c. jelű ábra azt a pillanatnyi üzemállapotot mutatja, amikor a napelemek által előállított energia éppen megegyezik a fogyasztással. Ilyenkor a villamos hálózatból már nem történik vételezés, azonban a hálózat csatlakozás meglétére természetesen folyamatosan szükség van.
• A d. jelű üzemmódban a napelemek már többet termelnek, mint a pillanatnyi fogyasztás, így a többlet napenergia a villamos hálózatba visszatáplálásra kerül.

A fenti üzemmódok a napelemek pillanatnyi termelése és a pillanatnyi fogyasztás változásainak függvényében automatikusan váltakoznak. Az inverter biztosítja azt, hogy napelemek által előállított energia minden esetben maximálisan hasznosuljon, és elfogyasztásra, vagy visszatáplálásra kerüljön.

Akkor most mennyi áramot fogyasztottam?

A napelemes rendszerek újdonsült tulajdonosai gyakran teszik fel ezt a kérdést. A villamos fogyasztásmérőn eddig le tudta olvasni a fogyasztást, a napelemek telepítése viszont megváltoztatja az addig megszokott viszonyokat. A fogyasztásmérő ugyanis valójában nem a ház villamosenergia-fogyasztását méri, hanem a hálózatból vételezett villamos energia mennyiségét. Napelem nélküli esetben a kettő megegyezik, hálózatra visszatápláló napelemes rendszer telepítése után azonban ez már nem lesz többé igaz. Innentől a fogyasztásmérőn, az ún. ad-vesz mérőórán a hálózatból vételezett, és a hálózatba visszatáplált energia mennyiségét lehet leolvasni, ezek közül azonban egyik sem egyezik meg a fogyasztással.

Jól méretezett esetben az ad-vesz órán leolvasott vételezés és a visszatáplálás éves ciklusban megegyezik. Ilyenkor a tulajdonos örül, hiszen nem kell villanyszámlát fizetni a szolgáltatónak, megvalósul minden kormány álma, a teljes rezsicsökkentés. De mennyi volt az éves fogyasztás?

Éves energiamérleg

A fenti kérdés megválaszolásához és a hálózatra kapcsolt napelemes rendszer energia viszonyainak megértéséhez a 2. ábrán felvázoltunk egy tipikus családi házra jellemző éves energiamérleget. A példabeli ház éves villamosenergia-fogyasztása 3000kWh, a telepített napelemes rendszer éves energiahozama pedig szintén 3000kWh. 

2. ábra
Hálózatra kapcsolt napelemes rendszer éves energiamérlege

Milyen adatokat tud leolvasni a tulajdonos a példaként bemutatott rendszer esetében? Az ad-vesz mérőóráról, vagy a szolgáltató éves elszámoló számlájáról megtudhatja, hogy a hálózatból vételezett villamos energia éves mennyisége például 1800kWh, a visszatáplált energia mennyisége pedig szintén 1800kWh. Az inverterből, vagy az egyre gyakrabban alkalmazott internetre kapcsolt inverterek esetében az online adatmegjelenítő felületről meg tudja határozni az azonos időszakra vonatkozó napelem termelési adatokat is. Ez esetben tehát a tulajdonos azt is tudja, hogy a napelemes rendszerének éves energiahozama 3000kWh volt.

A veszteségeket elhanyagolva a termelési oldal és a felhasználási oldal energia mennyiségei egyenlők, így a 2. ábra jelöléseivel írható:

Q_napelem + E_vételezett = F_összes + E_{visszatáplált}

Az egyenletből a villamosenergia-fogyasztás meghatározható:

F_összes = Q_napelem + E_vételezett - E_{visszatáplált}

Ha tehát a napelemes rendszer tulajdonosa arra kíváncsi, mennyi villamos energiát fogyasztott el egy év alatt, akkor össze kell adnia a napelemes rendszer éves hozamát és a hálózatból vételezett energia mennyiségét, és ebből le kell vonnia a hálózatba visszatáplált energia mennyiségét.

Napenergia részarány a saját fogyasztáson belül

A saját fogyasztás a 2. ábra szerint két részből tevődik össze, a hálózatból fedezett, és a napelemekkel fedezett részből:

F_összes = F_napból + F_{hálózatból}

A 2. ábra szerinti, Magyarországi családi házakra jellemző példában a saját fogyasztás 40%-ban közvetlenül a napelemes rendszerből történik, 60%-ban pedig a hálózatból felvett energia fedezi azt. Lehetséges azonban a saját fogyasztáson belül kisebb, illetve nagyobb napenergia részarányokat is elérni. Az arány elsősorban attól függ, hogy a fogyasztást mennyire sikerül időben hozzá igazítani a napelemes rendszer termeléséhez.

3. ábra
Napelemmel fedezett saját fogyasztás részarányai az éves energiamérlegben

Magyarországon jelenleg a korlátlan visszatáplálás és az éves szaldós elszámolás lehetősége miatt nincs különösebb jelentősége annak, hogy napelemekkel előállított villamos energiát közvetlenül felhasználják, vagy azt visszatáplálják a hálózatba. Ott viszont, ahol nincs meg a korlátlan betáplálás lehetősége, vagy a betáplált napenergiát csak alacsony áron számolják el, lényeges a napelemekkel megtermelt energia minél nagyobb részarányú saját felhasználásáról gondoskodni. Ezt egyrészt intelligens, a fogyasztást ésszerűen szabályozó vezérlésekkel, másrészt tároló kapacitások beépítésével lehet megtenni. A jövő kulcsa minden bizonnyal a tárolás: nagy kapacitású, jó hatásfokú, és nem utolsó sorban elérhető árú akkumulátorok kifejlesztése. Nagy publicitást kapott például a közelmúltban Elon Musk, a SpaceX magánűrcég és a Tesla elektromos autókat gyártó cég tulajdonosának bejelentése a Powerwall nevű, újratölthető, 7-10 kilowattórás lítium-ion akkumulátorok gyártásának megkezdéséről. Szintén nagy érdeklődés kísérte május végén a Magyarországra látogató Danielle Fong, a LightSail nevő cég alapítójának előadását, aki a sűrített levegős energiatárolásra ígért a Tesláénál olcsóbb és a közeljövőben már piacra kerülő megoldást. Áttörést jelenthet a napenergia alkalmazásában az elektromos autók egyre nagyobb számú alkalmazása is. Az autókban ugyanis összességében óriási akkumulátor kapacitás lesz beépítve, ami ha parkoló helyzetben a hálózatra csatlakozik, akkor segíthet a napenergiából megtermelt áram eltárolásában és célszerű, nem csak közlekedési célú felhasználásában.