"Economic analysis of the profitability of upgrading the battery system to the existing grid-connected photovoltaic power plant"

"Economic analysis of the profitability of upgrading the battery system to the existing grid-connected photovoltaic power plant"

1. Tema: Analiza isplativosti nadogradnje baterijskog sustava na postojeću FN elektranu spojenu na elektroenergetsku mrežu doc. dr. sc . Mladen Bošnjaković

2. Sadržaj Komponente FN sustava Vrste baterijskih sustava POSTOJEĆA FN ELEKTRANE SNAGE 10 kW U SLAVONSKOM BRODU Analiza potrošnje kućanstva Primjenjiva zakonska regulativa Degradacija baterija i propusnost baterija Analiza varijante s olovnim baterijama Analiza varijante s Li-ion baterijama Analiza varijante sa slanovodnim baterijama Zaključak

3. Komponente FN sustava Sunčane elektrane na postojećim građevinama prema Pravilniku o jednostavnim građevinama i radovima ubrajaju se u jednostavne radove te za njihovu gradnju nije potrebna građevinska dozvola. Radovi se izvode na temelju glavnog projekta i suglasnosti HEP Operatora distribucijskog sustava (HEP-ODS). Postupak je vrlo jednostavan, posebice ukoliko je riječ  o kategoriji potrošnje  Kućanstvo  (od 01.04.2018.). Postupak dobivanja suglasnosti izgradnje solarne elektrane Izrada projekta Glavni Projekt te zahtjev koji se predaje HEP-u. Gradnja elektrane, nakon koje se predaje HEP-u zahtjev o promjeni brojila te certifikati za ugrađenu robu. HEP po primitku dokumenata stavlja dvosmjerno brojilo te izdaje ugovor o trajnom korištenju čime je cijeli postupak završen On- grid sustavi odnose se na svaki solarni sustav koji proizvodi električnu energiju za samoopskrbu kao i energiju za distribucijsku mrežu.

4. Komponente FN sustava Glavne komponente autonomnih FN sustava su: FN moduli Regulator punjenja Akumulatori (baterije) Trošila Inverter (i) (za trošila na izmjeničnu struju) Zaštitni uređaji Glavne komponente mrežnih FN sustava su : FN moduli Priključni ormarić Razvod istosmjerne struje Glavni prekidač istosmjerne struje Inverter (i) Razvod izmjenične struje Razvodni ormarić sa zaštitnim i regulacijskim elementima te dvosmjernim električnim brojilom Spoj na javnu elektroenergetsku mrežu

5. Fotonaponski moduli Fotonaponski modul je uređaj koji se dobiva međusobnim električnim povezivanjem više FN ćelija radi ostvarivanja puno veće izlazne snage nego što to omogućuje pojedinačna ćelija. FN ćelije mogu se spajati u seriju ili u paralelu. Kod spajanja u seriju ukupni napon u nizu je jednak zbroju napona na svakoj ćeliji dok je jakost struje jednaka za svaku ćeliju u nizu. Kod spajanja u paralelu napon u podmodulu jednak je za svaku ćeliju u njemu dok je ukupna jakost struje jednaka zbroju jakosti struje kroz svaku ćeliju u podmodulu . Slika: Primjer paralelnog spoja fotonaponskih modula

6. Izmjenjivač ( inverter ) Inverter je dio FN sustava čija je osnovna funkcija pretvorba istosmjerne u izmjeničnu struju kako bi se omogućio pogon izmjeničnih trošila, odnosno isporuka struje u javnu elektroenergetsku mrežu. Pri tome vrijednosti frekvencije i napona struje na izlazu iz invertera moraju odgovarati vrijednostima u javnoj mreži. Da bi se omogućila isporuka električne energije trošilima ili u mrežu s najvećom snagom, inverter mora raditi u području najveće snage (MPP). Zbog toga se inverteri u pravilu opremaju regulatorom najveće snage ili tzv. MPP- trakerom kako bi uvijek mogli biti prilagođeni trenutačnoj točki najveće snage. Različite konfiguracije za topologije PV invertora : središnji, niz, višestruki niz

7. FN elektrana koja je priključena na elektroenergetsku mrežu i uz to posjeduje spremnik energije postiže veliku fleksibilnost u korištenju električne energije jer se trošila mogu napajati iz Sunca, iz javne elektroenergetske mreže ili iz baterija u svakom trenutku. Dozračena energija Sunca može se odmah trošiti na lokaciji ili se spremati u bateriju ili u javnu mrežu. Ovakvi sustavi namijenjeni su povećanju vlastite potrošnje jer se na taj način smanjuje količina energije preuzeta iz mreže, a proizvedena električna energija se izravno predaje trošilima ili sprema u bateriju za odgođeno korištenje S obzirom da je ovakva FN elektrana stalno spojena na mrežu, lakše se pokrivaju vrhovi potrošnje ili situacije kada dođe do ispada sustava. Ovakvi sustavi obično imaju softver koji se programira tako da se višak energije koja nije potreban trošilima, a baterija je već napunjena na 100% kapaciteta, isporučuje u mrežu. Osim toga, može se programirati i na način da se predaja u mrežu ograniči ili zabrani. FN sustav s baterijom

8. BATERIJSKI SUSTAVI Baterija ili akumulator je uređaj koji omogućava pretvorbu električne energije u kemijsku i njezinu privremenu pohranu, a potom i ponovnu pretvorbu kemijske u električnu energiju što znači da služi kao reverzibilni pretvarač energije. Kada je napon baterije niži od napona priključenog izvora električne energije ( fotonaponskog generatora), u njima dolazi do pretvorbe električne energije u kemijsku, odnosno do punjenja, a kada je napon baterije viši od napona priključenog izvora, dolazi do pretvorbe kemijske u električnu energiju, odnosno do pražnjenja baterija. Nazivni kapacitet baterije je količina naboja koju baterija može predati trošilima u strujnom krugu u određenom vremenu, uz odgovarajuću nazivnu struju i pri uvjetima nazivne temperature, gustoće i stanja elektrolita, pri čemu u tom vremenu napon ne smije pasti na vrijednost manju od krajnjeg napona pražnjenja. Nazivni kapacitet baterije određen je jednadžbom [12]: pri čemu su: C n – nazivni kapacitet baterije, Ah I n – nazivna jakost struje pri punjenju ili pražnjenju baterije, t – vrijeme pražnjenja, h  

9. Vrste baterijskih sustava Postoji nekoliko vrsta baterija, a to su: Olovno-kiselinske baterije (engl. lead-acid ) Nikal-kadmij (Ni-Cd) Nikal-hibridni metali Litij-ionske Litij-polimerne Baterije na bazi slane vode U ovoj analizi razmatrana su tri različita sustava: Olovno-kiselinske baterije kao najčešće korištene, litij-ionske i baterije na bazi slane vode Baterije za FN sustave podvrgnute su učestalom procesu punjenja i pražnjenja. Životni vijek baterija ovisi o ciklusima punjenja/pražnjenja, temperaturi i drugim parametrima.

10. Neke od karakteristika baterija za FN sustave na koje treba obratiti pozornost prilikom izbora i dimenzioniranja baterije su: Nazivni kapacitet baterija Napon – krajnji napon tijekom rada baterije poznat je kao nominalni ili radni napon. Taj napon je specificiran od strane proizvođača baterije, a može biti 3 V, 6 V, 12 V, 24 V, 48 V itd. Karakteristike baterijskih sustava Životni ciklus baterije – broj završenih ciklusa punjenja/pražnjenja s kojima baterija može raditi prije nego što se nominalni kapacitet smanji ispod 80% nazivnog kapaciteta baterije. Nakon specificiranog životnog ciklusa baterije, ona će i dalje raditi, ali sa smanjenim kapacitetom što znači da se može koristiti i dalje, ali će joj kapacitet biti puno niži.

11. Dubina pražnjenja – daje količinu energije povučene iz baterije kao postotak njenog punog kapaciteta. Stanje napunjenosti baterije je razlika između punog kapaciteta i dubine pražnjenja baterije, izraženo u postotku. Dubina pražnjenja i broj ciklusa pražnjenja mjera su energije koja može biti iskorištena iz baterije u njenom životnom vijeku. Iako su solarne baterije projektirane tako da mogu izdržati duboka pražnjenja, ipak im takva pražnjenja skraćuju životni vijek. Karakteristike baterijskih sustava Pokazatelj kako se povećanjem broja punjenja smanjuje dubina do koje se baterija može isprazniti

12. Samopražnjenje – predstavlja gubitak električnog kapaciteta baterije kada se ona ne koristi, a događa se zbog elektrokemijskih procesa u samoj bateriji. Samopražnjenje se povećava s povećanjem temperature. ( Brzina samopražnjenja GEL baterije je 2% kapaciteta za mjesec dana pri 20 °C). Struja punjenja baterije – ne bi smjela prelaziti 20%. Uobičajeno se autonomni sustavi projektiraju tako da struja punjenja bude oko 15% kapaciteta baterije. Struja pražnjenja baterije – povećanjem struje pražnjenja smanjuje se kapacitet baterije pri stalnoj temperaturi. Radna temperatura – visoke i niske temperature negativno utječu na životni vijek baterije u radu. S padom temperature baterije smanjuje se kapacitet, a idealna radna temperatura je 20 °C. Karakteristike baterijskih sustava

13. Olovno – kiselinske baterije Najčešće su korištene u FN sustavima. Postoje dva osnovna tipa olovno kiselinskih baterija: Otvorene ili klasične olovne baterije – to su sve klasične akumulatorske baterije. Tijekom eksploatacije ih je potrebno održavati odnosno nadolijevati vodu. Danas se takve baterije najčešće proizvode tako da se na njih ugradi čep posebne izvedbe kroz koji će izlaziti plin iz ćelije u okolinu te se kroz njega može povremeno nadolijevati destilirana voda u ćelije. Zatvorene olovne baterije s apsorbiranim elektrolitom (AGM – Absorptive Glass Mat Recombination Batteries ) – kod njih je tekući elektrolit upijen u separatoru, Zatvorene olovne baterije s elektrolitom u obliku gela (GEL baterije) – slične su klasičnim baterijama osim što elektrolit nije u tekućem stanju zbog velike gustoće. AGM baterije se odlikuju sposobnošću većeg kratkotrajnog davanja visokih struja (struje starta zahtjevnih trošila) u odnosu na GEL, dok GEL baterija traje malo duže, a nudi i veći broj ciklusa pražnjenja u odnosu na AGM. Zatvorene, ventilom regulirane olovne baterije (VRLA – Valve Regulated Lead Acid ) potpuno su zatvorene s izuzetkom ventila kroz koji se oslobađaju plinovi u slučaju havarije tijekom punjenja.

14. Nazivni kapacitet baterije - izražava se u amper satima (Ah). Ako je V napon baterije, tada je kapacitet skladištenja energije Ah × V = vat sat (Wh). Obično se kapacitet baterije specificira za određeno pražnjenje/punjenje te označava oznakom C (stopa pražnjenja). Olovno – kiselinske baterije Oznaka za određivanje kapaciteta baterije na ovaj način zapisana je kao Cx , gdje je x vrijeme u satima potrebno za pražnjenje baterije. C10 = Z (također zapisano kao C10 = xxx) znači da je kapacitet baterije Z kada se baterija isprazni za 10 sati. Npr. baterija koja nosi oznaku 100 Ah / C10 znači da će se 100 Ah isprazniti za 10 sati, odnosno, baterija će se prazniti s 10 A tijekom 10 sati). Stope punjenja i pražnjenja utječu na nazivni kapacitet baterije. Ako se baterija prazni vrlo brzo(tj. struja pražnjenja je velika), tada se smanjuje količina energije koja se može izvući iz baterije, a kapacitet baterije je manji. Ako se baterija prazni vrlo sporo, slabom strujom, iz baterije se može izvući više energije i kapacitet baterije je veći.

15. Jedan ciklus predstavlja pražnjenje baterije sa 100% napunjenosti do neke dubine i ponovno punjenje do 100% napunjenosti sa poznatom strujom. Što je pražnjenje pliće, to će baterija imati veći broj ciklusa. S obzirom da se kod FN sustava vrlo rijetko punjenje i pražnjenje odvija istom ustaljenom strujom punjenja odnosno pražnjenja, dubina pražnjenja može se ograničiti do 50%: Trajna maksimalna struja pražnjenja također se može ograničiti čime se utječe na dugovječnost baterije. Efikasnost punjenja baterije: Olovna baterija u ispražnjenom stanju prima 98% privedene energije, što znači da se u toj fazi samo mali dio pretvara u nekorisnu toplinu. Međutim, kako se baterija približava stanju napunjenosti 80%, sve se više energije pretvara u nepotrebnu toplinu, pri čemu se svega 75% privedene energije može spremiti u bateriju. Pri kraju procesa punjenja u bateriju se može pohraniti svega 5% privedene energije. Proces punjenja olovnih baterija odvija uglavnom kontrolirano, u rasponu od 50% kapaciteta do 100% (jer bateriju ne praznimo dublje - zbog produženja životnog vijeka), pa je prosječna efikasnost punjenja oko 75%. Olovno – kiselinske baterije

16. Litij – ionske baterije (Li-ion baterije) Gustoća energije Li-ion baterija tri puta je veća od gustoće energije olovno-kiselinskih baterija. Napon pojedinačne ćelije iznosi 3,5 V pa je potrebno manje ćelija da bi se dobio zahtijevani napon baterije U svim danas poznatim i istraženim tipovima Li-ion baterija anoda je od grafita, a katoda može biti izrađena od različitih materijala i tipovi baterija se nazivaju po materijalu iz kojega je izrađena katoda. Danas je komercijalno najpodobniji tip Li-ion baterije s anodom od litij-željezo fosfata (LiFePO4) – LFP baterije. Tipovi Li-ion baterija se razlikuju po količini energije koja se može spremiti u jedan kilogram baterije

17. Dva grafikona prikazuju i zavisnost napona baterije o struji pražnjenja baterije. Vidi se kako pri povećanju struje pražnjenja napon litij-ionske bateriji manje pada u odnosu na olovnu bateriju. Punjenje baterije: Za Li-ion bateriju praktički je efikasnost u cijelom procesu punjenja 98%. Na kraju tog procesa Li-ion baterija ne zahtijeva ni fino i precizno dopunjavanje koje je izrazito neefikasno kod olovne baterije. Li-ion bateriju možemo cijelo vrijeme puniti jednakom strujom, što znači da ćemo potrebnu energiju brže spremiti u bateriju! Litij – ionske baterije (Li-ion baterije)

18. Napon osnovne ćelije LFP baterije je 3,6 V. Spajanjem 4 ćelije u seriju dobivamo nazivno bateriju od 12,8 V, a spajanjem 8 ćelija u seriju dobivamo nazivno bateriju od 25,6 V. Ako napon na nekoj ćeliji unutar baterije padne ispod 2,5 V u većini će slučajeva nepovratno razoriti ćeliju . Jednake su posljedice i kad napon na ćeliji premaši 4,2 V. Posebno je opasan upravo previsoki napon na pojedinoj ćeliji koji može izazvati i eksploziju . Važno je znati da se tijekom punjenja u svim ćelijama nadzire pravilan dotok energije i kontroliraju moguće iznenadne promjene. Naime, ćelije ni u proizvodnji nisu apsolutno jednake pa je moguće da se neka ćelija prepuni i uništi - iako je napon punjenja za cijelu bateriju u zadanim granicama. Litij-ionske ili LFP-baterije moraju imati nadzor stanja i stalno ujednačavanje rada svih ćelija, pogotovo tijekom punjenja, kad svaku pojedinu ćeliju treba stalno održavati striktno u granicama dozvoljenog napona. Jednako tako treba ćelije kontrolirati i tijekom pražnjenja, a u slučaju pada napona u nekoj ćeliji ispod dozvoljene razine, trošila se odspoje . Litij – ionske baterije (Li-ion baterije)

19. Uspoređujemo li olovne i Li-ion baterije samo po naponu i kapacitetu, mogli bismo na brzinu zaključiti da se Li-ion baterije ne isplate - jer su pet puta skuplje od olovnih! Na  slici iznad uspoređuju se dvije baterije na način da obje daju isti broj ciklusa, pri čemu postaje vidljivo da u pojedinom ciklusu trošilima daju i jednaku količinu energije.  Najprije dvije AGM baterije treba udvostručiti na 4 kako bi se uz pražnjenje do 50% kapaciteta po svakom ciklusu osiguralo jednaku energiju za trošila kao i Li-ion baterije. Potom za 2000 ciklusa treba predvidjeti ukupno 4 seta AGM baterija ili ukupno 4 x 4 = 16 olovnih baterija. Litij – ionske baterije (Li-ion baterije)

20. Baterije na bazi slane vode Baterije na bazi slane vode se upotrebljavaju u praksi dugi niz godina, međutim prilično su nepoznate u odnosu na litij-ionske i olovno-kiselinske baterije. Slanovodne baterije stoga predstavljaju novu komercijalnu tehnologiju skladištenja energije pomoću slane vode (AIB – Aqueous Ion Battery ) koja osigurava potpuno ekološko skladištenje energije uz 80% (100%) iskorištenje instaliranog kapaciteta. Baterije bazirane na ovoj tehnologiji potpuno su netoksične, nekorozivne, nezapaljive, neeksplozivne, pH-neutralne, sigurne za prenošenje i dugotrajno skladištenje te bez potrebe za održavanjem. Radni temperaturni raspon im je od 0 °C do 50 °C te ih je potrebno instalirati ili skladištiti u radnom temperaturnom rasponu kako ne bi došlo do oštećenja ili smanjenja kapaciteta uslijed smrzavanja ili isparavanja elektrolita Continuous Charge/Discharge Current 10 A (20 A up to 10 seconds)

21. ANALIZA POSTOJEĆE FN ELEKTRANE SNAGE 10 kW U SLAVONSKOM BRODU FN elektrana nalazi se na obiteljskoj kući u Slavonskom Brodu. Obiteljska kuća ima tri etaže – prizemlje, kat i potkrovlje. FN elektrana je izgrađena u veljači 2020. godine i priključena je na elektroenergetsku mrežu. Projekt FN elektrane, izrađen u rujnu 2019. godine prijavljen je na natječaj Fonda za zaštitu okoliša i energetske učinkovitosti i dobiveno je sufinanciranje za izgradnju FN elektrane u iznosu od 40% ukupnog troška investicije. Krov na kojemu su smješteni FN moduli je kosi, pokriven crijepom. Orijentacija krova je sjever-jug, moduli su smješteni na južnoj strani krova pod kutom od 33°, kut azimuta iznosi -9°. Prije postavljanja FN elektrane, kao prvi korak izrađen je Glavni elektrotehnički projekt koji je predan HEP-ODS-u da bi se ishodila Obavijest o mogućnosti priključenja na mrežu kućanstva s vlastitom proizvodnjom.

22. Inverter je opremljen sustavom za praćenje valnog oblika napona mreže, uređajem za automatsku sinkronizaciju postrojenja elektrane i mreže, zaštitnim uređajem, sustavom zaštite od injektiranja istosmjerne struje u mrežu, uređajem za isključenje s mreže u slučaju nedozvoljenog pogona i uključenje na mrežu nakon ispunjenja uvjeta za paralelni rad. Inverter proizvođača – ABB, tip PVI-10.0-TL-OUTD, čije karakteristike su prikazane u tablici   ABB PVI-10.0-TL-OUTD ULAZ (DC):   - Max snaga (DC): 11400 W - Max DC napon: 900 V - Raspon DC napona (MPPT): 250-850 V - Nazivni DC napon: 580 V - Max struja (MPPT): 17 A IZLAZ (AC):   - Max snaga (AC): 11500 VA - Nazivna AC snaga: 10000 W - Nazivni AC napon: 3×230/400 V, 50 Hz - Max izlazna struja: 16,6 A - Faktor snage ( cosφ ): 1 - Max efikasnost: 97,8% ANALIZA POSTOJEĆE FN ELEKTRANE SNAGE 10 kW U SLAVONSKOM BRODU

23. Kao primarni izvor proizvodnje električne energije, na južnu stranu krova postavljeni su fotonaponski monokristalni moduli snage 310 Wp . FN moduli su tipa SV60-310E, proizvođača Solvis , sa učinkovitosti pretvorbe energije 19,05% FN moduli su spojeni u dvije petlje te ih ukupno ima 37 komada što znači da je vršna snaga FN elektrane 11,47 kWp .   SOLVIS – SV60-310E - Nazivna (vršna) snaga ( P mpp ): Wp - Učinkovitost modula: 19,05% - Nazivni DC napon ( U mpp ): 33,28 V - Napon praznog hoda ( U oc ): 40,38 V - Nazivna struja ( I mpp ): 9,36 A - Struja kratkog spoja ( I sc ): 9,81 A - Max napon sustava: 1000 VDC - Dimenzije modula: 1640×992×40 mm - Težina modula: 18,3 kg ANALIZA POSTOJEĆE FN ELEKTRANE SNAGE 10 kW U SLAVONSKOM BRODU

24. Analiza proizvodnje postojeće FN elektrane izvršiti će se na temelju podataka proizvodnje invertera koji se mogu dobiti primjenom aplikacije Aurora Vision . U aplikaciji se mogu očitati podaci sa invertera o proizvodnji za jedan dan, tjedan, mjesec, godinu ili podaci o ukupnoj proizvodnji od puštanja elektrane u rad. ANALIZA POSTOJEĆE FN ELEKTRANE SNAGE 10 kW U SLAVONSKOM BRODU

25. U tablici je prikazana usporedba proračuna proizvodnje iz programa PVGIS sa stvarnom proizvodnjom FN elektrane za 2021. godinu Mjesec Proizvodnja PVGIS (kWh) Stvarna proizvodnja (kWh) siječanj 598 555 veljača 676 935 ožujak 1113 1414 travanj 1347 1419 svibanj 1439 1767 lipanj 1485 2027 srpanj 1609 1830 kolovoz 1560 1770 rujan 1230 1597 listopad 1028 1035 studeni 654 429 prosinac 500 510 Ukupno 13239 15288 ANALIZA POSTOJEĆE FN ELEKTRANE SNAGE 10 kW U SLAVONSKOM BRODU

26. Analiza potrošnje kućanstva Analiza potrošnje kućanstva izvršena je na temelju podataka mjernog uređaja Emporia Vue Smart Home Energy Monitor postavljenog u glavnom razvodnom ormaru kuće, a koji mjeri potrošnju svih trošila u kućanstvu Moguća kompenzacija Unutar iste tarife Iz dijagrama na slici se vidi da postoji konstantna noćna potrošnja koja se kreće oko 2 kW, s povremenim skokovima kada se upali dizalica topline. Najveća potrošnja je u popodnevnim satima kada više nema proizvodnje iz FN elektrane. Višak proizvedene energije u podnevnim satima se kompenzira u višoj tarifi.

27. Iz dijagrama na slici se vidi da je dan bio oblačan. Proizvodnja FN elektrane ne može pokriti potrebe za električnom energijom ni tijekom podnevnih sati. Očito je da ovdje neće biti niti kompenzacije u višoj tarifi niti punjenja baterije. Analiza potrošnje kućanstva

28. Iz dijagrama na slici se vidi da je dan bio sunčan s jednim malim prolaznim naoblačenjem. Proizvodnja FN elektrane u potpunosti pokriva potrebe za električnom energijom u višoj tarifi. U potpunosti će se i kompenzirati potrošnja u višoj tarifi i kada FN ne radi. kompenzacija unutar više tarife kompenzacija unutar niže tarife Također je vidljivo da je površina koja označava „predano u mrežu” puno veća od površine za kompenzaciju. To znači da će se jedan dio energije koristiti za punjenje baterije, a ako nešto preostane računa se kao višak koji se prodaje u mrežu. Analiza potrošnje kućanstva

29. Iz prethodnih dijagrama za ljetni period može se zaključiti da u vremenu između 07:00 i 18:00 sati proizvodnja uglavnom pokrije svu potrošnju odnosno u tom periodu proizvodnja se potroši na lokaciji, a višak se predaje u mrežu. Iz dijagrama se može vidjeti da bi baterijski sustav u ljetnom periodu mogao spremati višak energije koja bi se onda koristila u noćnim satima jer i u noćnom periodu postoji konstantna potrošnja, a za koju se energija preuzima iz mreže. Analiza potrošnje kućanstva

30. Procjena kapaciteta baterijskog sustava za nadogradnju FN elektrane Mjesec Potrošnja (kWh) Proizvodnja (kWh) Iz mreže (kWh) Vlastita potrošnja (kWh) U mrežu (kWh) SC (%) SS (%) Ukupno VT NT Siječanj 1056 605 678 407 271 378 227 62,48 35,80 Veljača 954 1044 496 298 198 458 586 43,87 48,01 Ožujak 1056 1572 394 236 158 662 910 42,11 62,69 Travanj 827 1688 232 139 93 595 1093 35,25 71,95 Svibanj 855 1878 203 122 81 652 1226 34,72 76,26 Lipanj 827 2097 167 100 67 660 1437 31,47 79,81 Srpanj 855 1875 213 128 85 642 1233 34,24 75,09 Kolovoz 855 1782 213 128 85 642 1140 36,03 75,09 Rujan 827 1572 255 153 102 572 1000 36,39 69,17 Listopad 1056 1255 468 281 187 588 667 46,85 55,68 Studeni 1022 270 772 463 309 250 20 92,59 24,46 Prosinac 1056 393 776 466 310 280 113 71,25 26,52 Ukupno 11246 16031 4867 2920 1947 6379 9652 47,27 58,38 Procjena se temelji na podacima o preuzetoj električnoj energiji u nižoj tarifi iz mreže. Od travnja do rujna energija preuzeta iz mreže u nižoj tarifi iznosi u prosjeku 8 kWh dnevno, dok je u zimskom periodu preuzeta energija iz mreže 16 kWh.

31. Za litij-ion baterije dubina pražnjenja iznosi 80%, odnosno litijeve baterije se prazne do 20% kapaciteta, stoga se treba uzeti u obzir da se neće koristiti 100% kapaciteta pa bi sustav od 10 kWh zadovoljio potrebe kućanstva. Ako bi se sustav nadogradio sa olovnim baterijama bilo bi potrebno oko 16 kWh jer je za olovne baterije dubina pražnjenja 50%, dok bi sustav s baterijama na bazi slane vode zadovoljio sa 8 kWh kapaciteta jer mu dubina pražnjenja iznosi 100%. Procjena se bazira na temelju podataka o energiji preuzetoj iz mreže u ljetnom periodu u kojemu postoji višak proizvedene energije koji se ne može iskoristiti za vlastitu potrošnju i šalje se u mrežu. Taj višak bi se skladištio u baterijskom sustavu i koristio za napajanje trošila tokom noći. Odabran je sustav od 8 kWh koji će u potpunosti pokriti ljetnu potrošnju u nižoj tarifi, dok će u zimskom periodu pokriti dio potrošnje u nižoj tarifi, a s obzirom da je manje sunčanih sati nego po ljeti pitanje je bi li se baterije većeg kapaciteta, koji bi pokrio u potpunosti potrošnju u noćnoj tarifi, mogle svaki dan u potpunosti napuniti. Procjena kapaciteta baterijskog sustava za nadogradnju FN elektrane

32. BMS: Victron MultiPlus-II 48/5000/70-50 GX Inverter / Charger Glavne komponente FN elektrane s baterijama

33. Regulator punjenja baterija BMS - Battery Management System Postupak punjenja baterije pomoću regulatora punjenja odvija se u fazama: Punjenje baterije najvećom jakosti struje iz FN modula, gdje napon raste u skladu s napunjenošću – glavna faza punjenja, Kontinuirano smanjivanje jakosti struje punjenja, gdje se baterija puni do postizanja napona potpune napunjenosti – faza završetka punjenja, Prekid punjenja baterije kada srednja vrijednost jakosti struje punjenja padne ispod zadane vrijednosti te regulator smatra da je baterija napunjena, nakon čega se u takvom stanju održava malim strujnim impulsima – faza održavajućeg punjenja, Kratkotrajno punjenje baterije na vrijednost iznad napona potpune napunjenosti – faza dopunskog punjenja. Regulator punjenja baterija je dio FN sustava kojim se štiti baterija od dubokog pražnjenja i prevelikog punjenja. Također, ograničava napon pri punjenju i sprječava protok struje u suprotnom smjeru od predviđenog u vrijeme kada nema proizvodnje iz fotonaponske elektrane. Za uparivanje komponenti fotonaponskih sustava bitno je da regulator punjenja baterije podržava odabrani tip baterije u sustavu i da može osigurati struju punjenja 10% do 20% kapaciteta baterije.

34. Inverter je povezan s uređajem za praćenje točke maksimalne snage (MPPT) kako bi radio u točki maksimalne snage u svim uvjetima zračenja i temperature. Sustav upravljanja baterijama (BMS) mjeri istosmjernu struju i napon te temperaturu baterija. Stanje napunjenosti baterija (SOC) kontinuirano se izračunava kako bi se procijenio preostali kapacitet baterije. Na taj način (BMS) izbjegava abnormalnu degradaciju baterija zbog neoptimalnih obrazaca punjenja, prekomjernog punjenja, premalog punjenja i abnormalnih temperatura. DC/AC pretvarač povezuje fotonaponski sustav i sustav za pohranu baterije na AC stranu, tj. lokalna opterećenja i mrežu. Uređaj je povezan s internetom i preuzima sirovu vremensku prognozu za 1 dan unaprijed, uspoređuje privremeno opterećenje i profil proizvodnje te usvaja najbolju strategiju za smanjenje vršne potrošnje (nije u našem slučaju uključeno u analizu). Glavne komponente elektroenergetskog sustava su fotonaponski paneli elektrokemijski BMS, DC/DC i DC/AC pretvarači struje, izmjenična opterećenja i distribucijska mreža. Glavne komponente FN elektrane s baterijama

35. Sustav radi tako da se ugrađuje dodatno kontrolno brojilo iza obračunskog mjernog mjesta koje onda prati potrošnju kućanstva pri čemu se konstantno nastoji potrošnja iz mreže svesti na minimum. Optimizacija potrošnje se provodi u nadzorniku sustava na koji su spojeni svi uređaji. Sustav se može povezati sa informacijskom mrežom, kao i sa pametnim telefonom preko uređaja koji se naziva nadzornik sustava. Uređaj se priključuje kabelom na mrežni usmjerivač ili bežično putem Wi-Fi mreže. Cijeli sustav može se pratiti putem programske aplikacije na koju se prijavi nadzornik sustava i koji onda šalje podatke putem interneta na aplikaciju putem koje korisnik može daljinski pratiti rad sustava. U sustav se instalira dodatno kontrolno brojilo koje osigurava upravljanje kućnom potrošnjom, a algoritmi upravljanja nalaze se u nadzorniku sustava. Praktična učinkovitost punjenja baterije (olovna kiselina: 85%; litij: 95%) nije uzeta u obzir prilikom analize. Glavne komponente FN elektrane s baterijama

36. Troškovi investicije za promatranu FN elektranu snage 10 kW

37. Polazna varijanta bez baterija Ako se uzme u obzir da je obiteljska kuća prošla na natječaju i dobila sufinanciranje od strane Fonda za zaštitu okoliša i energetsku učinkovitost, ukupni trošak investicije (sa uključenim PDV-om) iznosi: 100637,13 x 0,6 = 60.382 kn SOLARNA ELEKTRANA Huawei 10 kW  Oprema: Solarni paneli LONGI 430 W Mono 24 kom , Mrežni pretvarač Huawei 10 kW, nosači za krov, kablovi, konektori i sva ostala oprema sa dostavom montažom i puštanjem u pogon   - 10 kW  79000 kn (10.485 €) https://www.solarno.hr/katalog/proizvod/SET-10kW/set-10kw-solarna-elektranakljuc-u-ruke 0% PDV na sol. elektrane “ključ u ruke” EPP*

38. Polazna varijanta bez baterija

39. U izračunu je zanemarena niža tarifa s obzirom da je proizvodnja i udio vlastite potrošnje u nižoj tarifi minimalan i proizvodnja u nižoj tarifi postoji samo u ljetnim mjesecima od 6:00 do 8:00 sati i na godišnjoj razini iznosi u prosjeku oko 120 kWh. Dobit od proizvodnje iz samoopskrbe (godišnja ušteda potrošnjom proizvedene energije na lokaciji): 6768 kWh/god x 1,04 kn = 7038,72 kn/god Dobit od prodaje električne energije (predaja u mrežu):  8520 kWh/god x 0,37 kn = 3152,40 kn/god S obzirom da je FN elektrana izgrađena 2020. godine, važno je napomenuti da je cijena električne energije iz mreže korištena u izračunu povrata investicije važeća do 31. 3. 2022. godine. Polazna varijanta bez baterija

40. Kuća koja je predmet rada je kupac korisnik postrojenja za samoopskrbu, što znači da je korisnik mreže koji na svojoj instalaciji ima priključenu FN elektranu koju prvenstveno koristi za podmirivanje vlastite potrošnje, a višak električne energije predaje u mrežu. Na istom obračunskom mjestu kućanstvo ima odobrenu priključnu snagu u smjeru potrošnje i u smjeru proizvodnje. Polazna varijanta bez baterija

41. CiVT – cijena ukupne električne energije isporučene u mrežu od strane proizvodnog postrojenja u vlasništvu krajnjeg kupca unutar obračunskog razdoblja, za vrijeme trajanja više dnevne tarife, kn/kWh CiNT – cijena ukupne električne energije isporučene u mrežu od strane proizvodnog postrojenja u vlasništvu krajnjeg kupca unutar obračunskog razdoblja, za vrijeme trajanja niže dnevne tarife, kn/kWh CpVT – cijena ukupne električne energije preuzete iz mreže od strane krajnjeg kupca unutar obračunskog razdoblja, za vrijeme trajanja više dnevne tarife, kn/kWh CpNT – cijena ukupne električne energije preuzete iz mreže od strane krajnjeg kupca unutar obračunskog razdoblja, za vrijeme trajanja niže dnevne tarife, kn/kWh. Predaja električne energije u mrežu u ovom modelu se određuje Ugovorom o opskrbi krajnjeg kupca korisnika postrojenja za samoopskrbu. Ta cijena se određuje prema Zakonu o obnovljivim izvorima energije i visokoučinkovitoj kogeneraciji (NN 100/15, 123/16, 131/17, 111/18, 138/21), članak 51, stavak 7 prema izrazima:   (6.1) (6.2)   Zakonska regulativa

42. Prilikom obračuna potrošnje električne energije prema ovom modelu obračunava se samo višak energije koji je isporučen u mrežu ili preuzet iz mreže u pojedinoj tarifi unutar obračunskog razdoblja (1 mjesec). Važno je napomenuti da ovakav obračun cijena vrijedi dok kućanstvo u kalendarskoj godini preuzima iz mreže više električne energije nego što je predaje. U slučaju da opskrbljivač utvrdi da korisnik postrojenja za samoopskrbu u prethodnoj kalendarskoj godini isporuči više energije u mrežu nego što je preuzme, opskrbljivač ga prebacuje u kategoriju krajnjeg kupca s vlastitom proizvodnjom u tekućoj kalendarskoj godini i u tom slučaju se za otkup električne energije koriste izrazi definirani u Zakonu o obnovljivim izvorima energije i visokoučinkovitoj kogeneraciji , članak 51, stavak 5. U Republici Hrvatskoj od 1.1.2019. godine vrijedi tzv. „ net-metering / billing “ sustav koji na razini jednog mjeseca (obračunskog razdoblja) omogućava korištenje mreže kao baterije unutar iste tarife. Zakonska regulativa

43. Za izračun troškova vezanih za baterijske sustave važno je razumjeti degradaciju baterija. Proizvođači baterija specificiraju životni vijek baterija kao kalendarsko razdoblje i kao određeni broj ciklusa ekvivalentan tom razdoblju. Obično se smatra da je baterija dosegla kraj svog životnog vijeka kada joj kapacitet padne na iznos od 80% od nominalnog kapaciteta, ali i dalje se može koristiti sa smanjenim kapacitetom Usporedba ukupne propusnosti baterija prema tehnologijama Degradacija baterija i propusnost baterija

44. Ukupna propusnost baterija računa se prema izrazu   pri čemu je: Ah tot – ukupna propusnost energije (Ah) E Nom – kapacitet baterijskog sustava (Ah) n – broj baterija DOD i – dubina pražnjenja C F – maksimalni broj ciklusa Zbog ograničenja dubine pražnjenja, stvarni kapacitet baterija treba se predimenzionirati , što rezultira većom cijenom investicije. izraz 6.1

45. Tablica: Prikaz analiziranih scenarija

46. SUSTAV S OLOVNIM BATERIJAMA Za analizu sustava s olovnim baterijama koristila se tehnologija VRLA-AGM, baterije i ostala oprema proizvođača Victron Energy. Za potrebni kapacitet baterijskog sustava od 16 kWh potrebno je 8 komada baterija od 165 Ah / 12 V. Victron MultiPlus -II 48/5000/70-50 GX Inverter /punjač s G X MultiPlus -II GX namijenjen je aplikacijama gdje je potrebno dodatno sučelje s drugim proizvodima i/ili daljinski nadzor, kao što su sustavi za pohranu energije na mreži ili izvan mreže i određene mobilne aplikacije. Inverter /punjač s ugrađenim umrežavanjem uređaja, MultiPlus -II GX komunicira sa solarnim punjačem, baterijama i drugim uređajima za upravljanje mrežnim, izvanmrežnim ili udaljenim električnim instalacijama. Sposoban je za paralelni rad za povećanje izlazne snage ili brzine punjenja baterije, MultiPlus -II GX se može konfigurirati za trofazno napajanje. Mnoštvom naprednih značajki - poput neprekinutog napajanja, postavljanja ograničenja opterećenja i dopunjavanja ograničene dostupnosti mrežnog napajanja baterijskim napajanjem - sve se može kontrolirati izravno s vašeg telefona ili pametnog uređaja. Moguće je i daljinsko praćenje. Victron 12V/165Ah AGM Deep Cycle Battery 375 € + 90 € dostava 1,878 € + 90€ dostava

47. Sustav s olovnim baterijama U nadzorniku sustava programirati će se režim rada baterija tako da se prazne samo za vrijeme niže tarife. Maksimalna propusnost baterije (uz pretpostavku da će baterija odraditi jedan puni ciklus – 50% DOD svaki dan u godini) iznosi 2889 kWh, dok će baterija stvarno propustiti kroz sebe 1983 kWh što je vidljivo u tablici (idući slajd). Vrijednosti maksimalne propusnosti u tablici dobivene su prema izrazu 6.1, a broj ciklusa je određen prema broju dana u mjesecu zbog pretpostavke da će baterije svaki dan odraditi jedan ciklus. Iznos stvarne propusnosti baterije je dobiven kao iznos viška proizvedene energije koja se spremi u bateriju za vrijeme više tarife.

48. Za vlastitu potrošnju bitna su dva omjera: samopotrošnja ( SC ) i samodostatnost ( SS ). SC se definira kao količina lokalno proizvedene i potrošene električne energije ( E lgc ) s obzirom na ukupnu lokalnu proizvodnju ( E gen ) gdje je x referentni vremenski interval za koji se omjer izračunava. Interval može biti jedan dan, mjesec ili godina. SS izražava količinu potrošnje koju isporučuje lokalna proizvodnja ( E lgc ), s obzirom na ukupnu potrošnju ( E load ). Dakle, ona kvantificira neovisnost korisnika od mreže i izračunava se prema: U praksi, SC i SS može biti od nekoliko posto do teorijski 100%, ovisno o veličini fotonaponskog sustava i profilu opterećenja korisnika. Pitanje omjera vlastite potrošnje duboko je povezano s pitanjem je li investirati u postavljanje FN sustava ili ne. Što je veći SC veća je i isplativost cijelog sustava budući da su maloprodajne cijene električne energije znatno više od otkupnih cijena električne energije.

49. Propusnost olovne baterije VRLA-AGM Napomena: Gubici punjenja i samopražnjenja su zanemareni iako mogu iznositi i 10% (u biti bi u bateriju trebalo više energije što bi smanjilo količinu energije predane u mrežu.

50. Izračun povrata investicije za sustav sa olovnim baterijama – početna investicija

51. U analizi nije uzeta u obzir viša tarifa s obzirom da se veći dio energije se troši po noći kada je niža tarifa i nema proizvodnje iz fotonapona , što se vidi i iz dijagrama potrošnje. Osim toga, u tarifi kupca korisnika postrojenja za samoopskrbu uglavnom se ne isplati koristiti baterijski sustav u višoj tarifi s obzirom da se u tom periodu elektroenergetska mreža koristi kao baterija. Analiza je pokazala da se nadogradnja sustava s olovnim baterijama ne isplati niti u jednom scenariju s obzirom na predugačak period povrata investicije. U najpovoljnijem slučaju sa sufinanciranjem Fonda za zaštitu okoliša taj rok iznosi 47 godina, a ako se uzme u obzir da je životni vijek olovnih baterija 3 - 6 godina, baterije bi se u periodu od 25 godina, koliki je životni vijek FN sustava, morale zamijeniti 4 puta što povećava iznos početne investicije, a to posljedično povećava i period povrata investicije u sva tri scenarija, što se može vidjeti u tablici na idućem slajdu.

52. Izračun povrata investicije za sustav sa olovnim baterijama – investicija sa troškovima zamjene baterija

53. Sustav s litijevim baterijama Za analizu sustava s litijevim baterijama koristila se tehnologija LiFePO4 i oprema proizvođača Victron Energy. Za litij-ion baterije dubina pražnjenja iznosi 80%, odnosno litijeve baterije se prazne do 20% kapaciteta, stoga se treba uzeti u obzir da se neće koristiti 100% kapaciteta pa bi sustav od 10 kWh zadovoljio potrebe kućanstva. Uz pretpostavku da će baterije odraditi jedan puni ciklus dnevno, odnosno tokom noći se isprazniti do 80%, tijekom jedne godine baterija će kroz sebe maksimalno propustiti 2803 kWh, dok joj stvarna propusnost iznosi 1933 kWh LiFePo4 (LFP) baterija je 60% lakša od olovne baterije istog kapaciteta. Huawei LiFePO4 model ima sve elektronske zaštite (BMS- Battery Management System). Budući da LFP baterije imaju manji unutrašnji otpor, mogu se napuniti za samo 2 sata.

54. Tablica Propusnost Li-ion baterije LiFePO4 Napomena: Gubici punjenja i samopražnjenja su zanemareni Sustav s litijevim baterijama

55. Izračun povrata investicije za sustav sa litij-ion baterijama – početna investicija

56. U tablici je prikazan je izračun povrata investicije baterijskog sustava sa litij-ion baterijama čiji životni vijek iznosi 10 godina. Kao i kod sustava sa olovnim baterijama, period povrata je predug i u ovom trenutku investicija u takav sustav nije isplativa. Također, baterije bi se u 20 godina morale jedan puta zamijeniti što povećava investiciju na 61020 kn. https://solarno.hr/katalog/44/litij-ion-lifepo4-akumulatori/ Sustav s litijevim baterijama

57. Sustav s litijevim baterijama https://solarno.hr/katalog/44/litij-ion-lifepo4-akumulatori/

58. Izračun povrata investicije za sustav sa litij-ion baterijama – investicija sa troškovima zamjene baterija

59. Sustav sa baterijama na bazi slane vode Za analizu sustava s baterijama na bazi slane vode koristile su se baterije Greenrock Home, proizvođača Bluesky Energy. Baterije se smatraju inovacijom na tržištu i nisu dugo u upotrebi. Uz pretpostavku da će se baterija u potpunosti isprazniti tokom noći (odraditi će jedan puni ciklus – 100% DOD), maksimalna propusnost baterije iznosi 5074 kWh, dok ostvarena propusnost odnosno energija kojom se tijekom više tarife napuni baterija iznosi 3264 kWh godišnje. https://greenrockbatteries.com/pricing-new/#group_596-1 £1,611.58  excl . VAT - lead time 3-6 months ! 106 Ah, 24 VDC, 2565 Wh , voltage range 17,5…30 VDC, charge current 40 A, discharge current 40 A, connection Standard4, cycles 5000, sodium ion 3 x 2565=7695 kWh 500 Eur bez PDV i carine i dostave https://www.altestore.com/blog/2016/03/the-rise-of-aquion-batteries-clean-safe-energy-storage/#.Y3I173bMJPY

60. Propusnost baterije na bazi slane vode

61. Izračun povrata investicije za sustav sa baterijama na bazi slane vode

62. Izračun povrata investicije za sustav sa Li-ion baterijam Varijanta s višom cijenom električne energije i nižom cijenom baterija – predviđanje za 2025 godinu

63. U tablici je prikazan izračun povrata investicije baterijskog sustava sa baterijama na bazi slane vode. Njihov životni vijek iznosi 20 godina prema specifikaciji proizvođača, ali mogu raditi i do 25 godina. Kao i kod prethodna dva sustava, period povrata je predugačak te u ovom trenutku investicija u takav sustav nije isplativa. Međutim, najbolji su izbor između tri analizirane tehnologije baterija, ako se gleda dugoročno jer im je životni vijek 20 i više godina. Zbog toga slijedi da ih nije potrebno zamijeniti u životnom vijeku elektrane pa neće biti dodatnih ulaganja kao u prethodna dva slučaja

64. ZAKLJUČAK U ovom radu je analizirana isplativost nadogradnje postojeće fotonaponske elektrane baterijskim sustavom optimalnog kapaciteta koji bi pokrio potrošnju kućanstva tokom noći, a po potrebi i tijekom dana. Nakon provedene analize zaključeno je da je takva nadogradnja FN elektrane, koja je u tarifi kućanstva s postrojenjem za samoopskrbu, po trenutnim tržišnim cijenama baterijskih sustava neisplativa zbog visoke početne cijene investicije. Olovne baterije su varijanta koja nije, niti će biti, isplativa ni u dogledno vrijeme. Li-ionske baterije su trenutno najisplativija opcija, a ukoliko bi došlo do pada cijene investicije mogle bi se razmatrati kao opcija za pohranu energije. Slanovodne baterije su ekološki najprihvatljivije, no još uvije su previsoke cijene. Koliko će njihove cijene brzo padati teško je predvidjeti.

65. Kao najbolja opcija za uštedu troškova i povećanje samopotrošnje iz FN sustava je upravljanje potrošnjom kućanskih uređaja . Prebacivanjem rada nekih trošila u vrijeme najveće proizvodnje energije iz FN sustava smanjuje se potrošnja u nižoj tarifi, a istovremeno se smanjuje i prodaja energije u mrežu što je u konačnici povoljno. ZAKLJUČAK

66. HVALA NA PAŽNJI Ime i prezime predavača, zvanje Kontakt podaci Ustanova, tvrtka