Magyarországon a háztartási méretű napelemes rendszerekre vonatkozó szaldós elszámolás megszüntetésével és a bruttó elszámolás bevezetésével megnőtt a jelentősége az energiatárolók alkalmazásának. Energiatárolásra a klasszikus megoldás az akkumulátorok alkalmazása, ezek ma már be is szerezhetők minden invertertípushoz. Energiát tárolni azonban meleg vízben is lehet, méghozzá sokkal olcsóbban, mint akkumulátorokban. Ebben a cikkben azt járjuk körül, hogy mikor és hogyan célszerű alkalmazni a napelemes rendszereket melegvíz-készítésre is.
A standard megoldás
A Magyarországon megvalósult háztartási méretű napelemes rendszerek közel 100%-a úgynevezett hálózatra kapcsolt rendszer, tehát a napelemek a közcélú hálózattal párhuzamosan táplálnak rá az adott épület villamosenergia-hálózatára. A napelemek termeléséből minden, az adott épületben lévő elektromos fogyasztó tud részesülni. Ilyen módon a nappali áramra kapcsolt villanybojler vagy elektromos fűtőpatronnal rendelkező melegvíz-tároló is rákapcsolódhat a napelemes rendszerre anélkül, hogy bármit is kellene tennünk.
Az 1. ábrán egy olyan, hálózatra kapcsolt napelemes rendszer látható, ahol a fogyasztók között egy elektromos fűtésű melegvíz-tároló is található. Ez lehet egyszerű villanybojler vagy egy bivalens fűtésű indirekt tároló, ami fűthető pl. kazánnal és elektromos fűtőpatronnal is. Ha a melegvíz-tároló elektromos fűtését csak a vízhőmérséklet alapján vezérlik, pl. egy termosztáttal, akkor a tároló elektromos fűtése bekapcsol, ha a vízhőmérséklet a beállított érték alá esik. A tárolót tehát fűtheti a napelemes rendszerrel termelt és a hálózatból vételezett áram is, attól függően, hogy a bekapcsolás időtartama alatt éppen termelt-e, és ha igen, milyen teljesítménnyel a napelemes rendszer.
Okosvezérlés
A melegvíz-tároló fűtésének időzítését azonban nem célszerű csak a véletlenre bízni. Ha az a célunk, hogy a napelemes rendszer termelésének minél nagyobb részarányát a házon belül használjuk fel (ahelyett, hogy visszatáplálnánk a hálózatba), akkor a melegvíz-készítést célszerű a napelemes rendszer termelésének és az egyéb villamos fogyasztók igényének függvényében vezérelni. Vagyis lehetőség szerint akkor felfűteni a melegvíz-tárolót, ha rendelkezésre áll elegendő teljesítményű felesleges napenergia. Ehhez két dolog szükséges: egy úgynevezett „smart meter” fogyasztásmérő, amit az ad-vesz mérő után kell beépíteni, illetve egy szintén „smart”, vagyis okos melegvíz-vezérlő, ami a melegvíz-tároló elektromos fűtését kapcsolja. Ezeknek pedig kommunikálni kell az inverterrel, ami többnyire az inverter saját wifi-hálózatán keresztül megvalósítható. Ezekhez az eszközökhöz természetesen tartozik egy applikáció, amelyet telepítve okostelefonról tudjuk kiválasztani és személyre szabni azt az algoritmust, ami biztosítja a napelemekkel megtermelt energia maximális felhasználását.
Adott mennyiségű víz felfűtéséhez szükséges energia a jól ismert hőtechnikai alapképlettel számolható:
Q = c ⋅ m ⋅ΔT
A képletben Q a hőmennyiség [Wh], c a víz fajhője [1,16 Wh/kgK], m a felmelegítendő víz tömege [kg], ΔT pedig a különbség a felfűtés előtti és utáni hőmérséklet között. Például ha 200 liter (~200 kg) vizet fűtünk fel 10 °C-fokról 60 °C-fokra, akkor ehhez az alábbiak szerinti hőenergia szükséges:
Q = 1,16 Wh/kgK ⋅ 200 kg ⋅ (60 °C – 10 °C) = 11600 Wh = 11,6 kWh
Tehát a fentiek szerint egy 200 literes melegvíz-tárolóban 11,6 kWh energiát tudunk eltárolni, ha azt 10 °C-ról 60 °C-ra fűtjük fel. Persze a tárolót általában nem teljesen hidegről fűtjük fel, de látható, hogy ekkor is közel 10 kWh energia eltárolható egy 200 literes tartályban. Egy 200 literes melegvíz-tároló ára kb. 200-300 ezer Ft. Összehasonlításként egy 10 kWh kapacitású lítium-vas-foszfát cellás akkumulátortároló ára jellemzően több mint 2 millió Ft.
Napelemes direkt vízmelegítés
Lehetséges megvalósítani olyan napelemes rendszereket is, amelyek nem csatlakoznak a ház elektromos hálózatára, hanem célzottan csak egy, esetleg több elektromos fogyasztót látnak el energiával. Ennek legegyszerűbb példája, ha a napelemek egy elektromos bojlert fűtenek. Ez lehet egy egyszerű villanybojler vagy bármilyen melegvíz-tároló, amibe elektromos fűtőpatron építhető be.
A napelemeket tulajdonképpen akár közvetlenül rá lehetne kötni egy elektromos fűtőpatronra, hiszen a fűtőpatronnak tulajdonképpen mindegy, hogy hálózati váltóáramot vagy napelemekkel termelt egyenáramot kapcsolunk rá. Ez utóbbi azonban mégsem ajánlható senkinek. A fűtőpatron ugyan a napelemek által előállított feszültséggel arányos teljesítménnyel elkezdene fűteni, de legalább két probléma mindenképpen adódna:
- A fűtőpatron kikapcsolásakor, vagyis a napelemek áramkörének megszakításakor szembesülnénk azzal, a napelemekkel termelt egyenáram megszakítása ívképződéssel jár, tehát ezt egyszerű kapcsolóval nem lehet megtenni.
- Ahhoz, hogy a napelemek megfelelő teljesítményt adjanak le, úgynevezett munkapontkövetésre is szükség van. Be kell állítani azt, hogy a változó erősségű napsütés mellett a napelemek mindig a maximális teljesítményhez tartozó feszültségű és áramerősségű munkaponton üzemeljenek. Ezt normál hálózatra kapcsolt rendszerekben az inverterekbe beépített munkapontkövető modulok (MPP-trackerek) valósítják meg.
Léteznek azonban olyan egyszerű és viszonylag olcsó napelemes inverterek is, amelyek alkalmasak a munkapontkövetésre, és kimondottan arra készülnek, hogy ohmikus fogyasztókat, tehát pl. elektromos fűtőpatronokat lehessen rájuk kapcsolni. Egy ilyen inverterrel megvalósuló rendszer sémája látható a 3. ábrán.
A direkt vízmelegítésre szolgáló inverter tehát elvégzi a munkapontkövetést, és a napelemek által előállított egyenáramot kvázi szinuszos váltóárammá alakítja át, mégpedig olyan nagyságú feszültségre, hogy azt az elektromos fűtőpatronra kapcsolva a fűtőpatron teljesítménye egyezzen meg a napelemek teljesítményével. Fontos, hogy ezekre az inverterekre csak ohmikus fogyasztók, jellemzően elektromos fűtőellenállások köthetők rá. Az inverterhez tartozik egy hőérzékelő is, amit a melegvíz-tárolóba kell elhelyezni.
De miért is használnánk olyan napelemes rendszert, ami csak vízmelegítésre használható, más fogyasztók ellátására nem alkalmas? A válasz kézenfekvő: azért, mert egy ilyen rendszer egyszerűbb és olcsóbb, mint egy „igazi” hálózatra kapcsolt rendszer. A direkt napelemes vízmelegítés tulajdonképpen ugyanúgy működik, mint egy napkollektoros rendszer: csak vízmelegítésre szolgál, és a kihasználtsága akkor megfelelő, ha a melegvíz-készítés hőigénye le tudja fedni a napelemes rendszer energiahozamát. Egy ilyen napelemes rendszer tulajdonképpen teljesen hasonlóan működik, mint egy melegvíz-készítő napkollektoros rendszer. A két rendszer hatásfokában, fajlagos energiahozamában azonban jelentős különbség van.
Példaként nézzünk meg egy családi házat, ahol a melegvíz-fogyasztás napi 250 liter, 50 °C-os a meleg víz, a cirkulációs veszteség pedig 20%. Ezekkel az adatokkal a melegvíz-készítés éves hőigénye kb. 5000 kWh. Ha erre a családi házra telepítünk egy 6 négyzetméter felületű napkollektoros rendszert, akkor a kollektorok az éves melegvíz-igény kb. 60%-át képesek fedezni, a kollektorok évi kb. 3100 kWh energiát állítanak elő. Ugyanilyen eredményt napelemes rendszerrel akkor lehet elérni, ha kb. 2,6 kWp névleges teljesítményű és kb. 12 négyzetméter felületű napelemet alkalmazunk. Tehát azonos energiahozam eléréshez a napkollektorokhoz képest kb. kétszer akkora napelemfelület szükséges. Ez nem meglepő persze, hiszen egy napelemes rendszer éves hatásfoka kb. 18%, míg a napkollektoros rendszer esetében ez kb. 36%.
A napelemes és a napkollektoros rendszer összehasonlításánál ugyanakkor el kell ismerni, hogy a kétszer akkora napelemfelület ellenére egy direkt vízmelegítésre szolgáló napelemes rendszer beruházási költsége általában alacsonyabb, mint egy napkollektoros rendszeré. További előnye a napelemes rendszernek, hogy a kivitelezése egyszerűbben megvalósítható, és a karbantartási költsége is alacsonyabb. Tehát ha van elegendő hely a tetőn, akkor reális választás lehet a direkt vízmelegítő napelemes rendszer megvalósítása. Persze a legjobb megoldás egy hálózatra kapcsolt többcélú, minden fogyasztót ellátni képes napelemes rendszer, okos fogyasztásvezérléssel és energiatárolással mind meleg vízben, mind akkumulátorban.
Varga Pál
Kiemelt kép: Canva / AI
