Grudzień 02, 2019
Systemy podtrzymywania bateryjnego w połączeniu z energią słoneczną są okrzyknięte najlepszym rozwiązaniem dla wyłączeń zasilania bezpieczeństwa publicznego w Kalifornii – nie wspominając o naszej archaicznej sieci elektrycznej.
Nie tylko te systemy są idealne do zasilania domu, gdy zabraknie prądu, ale także pomagają obniżyć koszty energii elektrycznej i zapewniają usługi wsparcia sieci, gdy są potrzebne przez lokalną firmę energetyczną. Ze względu na emisję zanieczyszczeń i koszty, konwencjonalne generatory gazowe lub dieslowskie nie wchodzą w grę.
Nie ma więc nic dziwnego w tym, że popyt na te systemy przewyższa podaż urządzeń, jak również dostępność wykwalifikowanej siły roboczej do ich instalacji.
Ograniczenia dla systemów bateryjnych w całym domu
Jest jednak pewien haczyk. Lubimy wierzyć w mit o podtrzymywaniu zasilania w całym domu lub w to, że nasz styl życia w XXI wieku będzie kontynuowany bez względu na ogień i wodę. Rzeczywistość jest inna: Typowe systemy podtrzymania bateryjnego działają najlepiej, gdy są zaprojektowane tak, aby racjonować pojemność baterii i zminimalizować użycie głównych urządzeń.
Mity często mają swoje źródła w faktach: Systemy bateryjne dla całych domów rzeczywiście sprawdzają się w zastosowaniach off-grid. Szacuje się, że w Stanach Zjednoczonych jest około 180 000 takich domów.
Ale domy te zostały zaprojektowane do życia poza siecią: są zazwyczaj mniejsze i dobrze izolowane; używają ogrzewania spalinowego z podtrzymaniem propanowym; zawierają aktywne i pasywne systemy słoneczne; i nie mają wymagających zasilania systemów klimatyzacyjnych, ładowarek EV Level 2 czy basenów.
Istnieją dwa podstawowe ograniczenia inżynieryjne, które sprawiają, że zasilanie całego domu wyłącznie z akumulatorów jest niepraktyczne. Po pierwsze, pojemność energetyczna typowych systemów akumulatorów litowo-jonowych jest niewystarczająca, aby zasilić cały dom w czasie nocnej przerwy w dostawie prądu. Po drugie, inwertery z podtrzymaniem bateryjnym nie są wystarczająco wydajne, aby uruchomić wiele dużych urządzeń.
Oczywiście, wiele akumulatorów i inwerterów może rozwiązać te ograniczenia energii i mocy. Jednak koszt ponad 20 kilowatów inwerterów i ponad 40 kilowatogodzin akumulatorów jest nie do udźwignięcia dla typowego właściciela domu.
Bardziej praktycznym podejściem jest zaprojektowanie systemu podtrzymania bateryjnego do zasilania tylko krytycznych odbiorników: żadnych dużych urządzeń, takich jak klimatyzacja, 240-woltowe ładowarki pojazdów elektrycznych czy kuchenki elektryczne. Zamiast tego wystarczy od czterech do ośmiu mniejszych obwodów w domu do chłodzenia, oświetlenia, rozrywki, komunikacji i wygodnych gniazdek.
Nasze obecne zasoby mieszkaniowe zużywają dużo energii elektrycznej, a ze względu na mnogość urządzeń podłączonych do sieci, nowsze domy często zużywają jej jeszcze więcej.
Urządzenia o wysokim zużyciu energii stanowią największe wyzwanie dla systemów podtrzymywania zasilania w całym domu. Zużycie energii przez duży centralny klimatyzator wynosi 5000 watów, ładowarkę samochodową – 7000 watów, kuchenkę elektryczną – 10 000 watów, a pompy basenowe – 2200 watów.
Ograniczenia energii akumulatorów
Jak długo typowy system solarny i akumulatorowy działa w nocy podczas obsługi tych większych urządzeń? Odpowiedź: niezbyt długo.
Matematyka jest prosta. Jeśli w nocy pojemność akumulatora spadnie do 2,5 kilowatogodzin (co jest typowe, jeśli akumulator jest używany wieczorem, aby zmaksymalizować oszczędności wynikające z samozużycia), to energii z akumulatora wystarczy tylko na zasilanie pomp basenowych przez 60 minut, centralnego klimatyzatora przez 30 minut, ładowarki samochodów przez 20 minut lub kuchenki elektrycznej przez 15 minut.
Przy uruchomieniu któregokolwiek z tych urządzeń – po stosunkowo krótkiej przerwie na automatyczne podtrzymywanie zasilania w całym domu – akumulator wkrótce padnie i nie będzie w stanie zasilać krytycznych odbiorników. Mówiąc lirycznie: Nie ma światła. Nie ma telefonu. Żadnego samochodu elektrycznego. Ani jednego luksusu. Jak Robinson Crusoe, tak prymitywny, jak to tylko możliwe.
Jednym z możliwych rozwiązań jest ręczne wyłączanie dużych obciążeń urządzeń podczas przerwy w dostawie prądu. Niestety, wiele blackoutów występuje w ciągu dnia, kiedy nikogo nie ma w domu lub w nocy, kiedy ludzie śpią. Klienci, którzy próbowali ręcznie odłączać obciążenia, zwykle kończą rozczarowani swoim systemem podtrzymania.
Innym rozwiązaniem (jeśli budżet właściciela domu i przestrzeń na ścianie na to pozwalają) jest dodanie drugiego akumulatora – efektywnie podwajając czas magazynowania energii.
W ciągu ostatnich kilku miesięcy pracowaliśmy z klientami, którzy mieli szereg dobrych i złych doświadczeń z podtrzymaniem bateryjnym. Podczas pierwszej awarii w naszym regionie, która miała miejsce około godziny 22:30, jeden z klientów korzystający z aparatu do ciągłego dodatniego ciśnienia w drogach oddechowych (CPAP) wyczerpał swój akumulator około godziny 2:00 (zaczął chrapać i żona kazała mu spać na kanapie). Inny klient używał systemu zapasowego do zasilania jednego z podrzędnych paneli w swoim domu i nie zdawał sobie sprawy z awarii zasilania, dopóki bateria nie została wyczerpana.
Rozwiązaniem dla obu klientów było usunięcie kilku uznaniowych obwodów z ich podrzędnych paneli zapasowych, aby bateria wytrzymała całą noc.
Ograniczenia mocy inwertera
Maksymalna moc wyjściowa inwertera (w kilowatach) jest drugim powodem mitu o zapasowym zasilaniu całego domu.
Większość inwerterów z podtrzymaniem bateryjnym została zaprojektowana dla 200-amperowych domowych usług elektrycznych, co oznacza maksymalną moc wyjściową 7 600 W przy podłączeniu do sieci. Przy zasilaniu z akumulatora (który ma ograniczony współczynnik rozładowania szczytowego) falowniki te mogą zazwyczaj zapewnić 5 000 watów mocy w stanie ustalonym lub 6 000 watów mocy szczytowej (około 25 amperów).
Jednakże chwilowe zapotrzebowanie na prąd rozruchowy silnika prądu przemiennego lub pompy jest często dwa lub trzy razy większe niż normalny pobór prądu – co oznacza, że falownik po prostu nie przełączy się na tryb awaryjny. Nawet jeśli akumulator jest w pełni naładowany w słoneczny dzień, pompa prądu zmiennego i pompa basenowa nie uruchomią się, a żadne z krytycznych obciążeń nie będzie zasilane.
Projektowanie systemów rezerwowych z akumulatorem sprzężonym z instalacją solarną
Niezależnie od tych ograniczeń energetycznych, mocowych i finansowych, dobrze zaprojektowany system solarny i rezerwowy może zapewniać zasilanie niemal bez końca. Trzy elementy projektu są krytyczne.
Po pierwsze, pojemność energetyczna akumulatora (kilowatogodziny) i moc wyjściowa falownika (kilowaty) powinny być dopasowane do potrzeb domu w nocy, gdy akumulator jest częściowo rozładowany. Po drugie, liczba obwodów rezerwowych powinna być ściśle ograniczona, aby nie zasilać zbyt wielu małych urządzeń lub dużych sprzętów. Po trzecie, wielkość systemu solarnego powinna być wystarczająca do częściowego naładowania akumulatora nawet w pochmurny zimowy dzień.
Nadchodzące technologie inteligentnych systemów elektrycznych dla domu pozwolą rozwiązać te praktyczne ograniczenia poprzez automatyczne zrzucanie obciążeń podczas awarii zasilania. Na targach Solar Power International 2019 firmy wystawiły inteligentne urządzenia sterujące i wyłączniki, które mogą automatycznie wyłączać duże urządzenia. Zaprezentowano również technologię inteligentnych paneli elektrycznych, które mogą automatycznie zarządzać wszystkimi obwodami w domu.
Do końca 2019 roku w Kalifornii będzie ponad 10 000 domów i firm wyposażonych w połączone systemy solarne i systemy podtrzymania bateryjnego. W miarę jak systemy te będą stawały się coraz tańsze (zarówno dzięki obniżeniu kosztów sprzętu, jak i zachętom), staną się one najbardziej celowym i skutecznym sposobem na dostosowanie się ludzi do nowej normy, jaką są wyłączenia prądu w ramach bezpieczeństwa publicznego.
Nie wspominając już o najczystszym, najbezpieczniejszym i najbardziej ekonomicznym sposobie na odbudowę naszej archaicznej sieci elektrycznej.
***
Barry Cinnamon jest dyrektorem generalnym kalifornijskiej firmy Cinnamon Energy Systems.