Solarna energija: Deset sunčanih godina

Kako optimalno iskoristiti sunčevu energiju u porodičnoj kući? Izložićemo desetogodišnje iskustvo i tok projekta koji je u periodu realizacije morao da napravi više „zaokreta“.

Porodična kuća na periferiji Beograda koristi se za stanovanje petočlane porodice, kao i za obavljanje samostalne delatnosti. Kuća ima podrumske prostorije površine oko 40 m2, prizemlje površine 60 m2 i potkrovlje površine 90 m2. Na placu površine 15 ari nalazi se i garaža površine 36 m2. Tokom izgradnje kuće dosta pažnje je posvećeno energetskoj efikasnosti i prilagodljivosti različitim izvorima energije. Kuća se greje na čvrsto gorivo – dakle, koristi se jedan od ekološki najproblematičnijih izvora energije, ali drugih opcija naprosto nije bilo.

Prilikom izgradnje instalacija u kući obezbeđeno je centralno snabdevanje toplom vodom, uz bojler postavljen u podrumskim prostorijama – već tada je postojala ideja korišćenja sunčeve energije. Kuća je izgrađena tako da je maksimalna površina krova orijentisana prema jugu. Najekonomičniji način za poboljšanje energetske efikasnosti je bila ugradnja solarnih kolektora za grejanje vode.

Na krov su postavljeni solarni kolektori efektivne površine 3 m2, zatim cevovod, pumpa i ostali delovi neophodni za priključenje na izmenjivače toplote u bojleru zapremine 180 litara. Sistem je napunjen nesmrzavajućom tečnošću i u funkciji je više od 15 godina bez ikakvog održavanja. U sunčanim periodima godine voda se greje bez upotrebe električne energije. Isti sistem je povezan i sa izmenjivačem u kotlu na čvrsto gorivo, što omogućava grejanje vode u periodu korišćenja centralnog grejanja. Sistem se u potpunosti otplatio nakon 5 godina, ali je rešio samo problem utroška energije za grejanje vode u sunčanoj polovini godine. U zimskim mesecima voda se greje pomoću izmenjivača u kotlu – sve u svemu, praktično je nadomešćeno korišćenje električne energije za grejanje vode tokom čitave godine.

Shodno finansijskim mogućnostima, u međuvremenu je izolovana fasade kuće, tako da je potrošnja uglja za grejanje svedena na 5 tona godišnje, što odgovara potrošnji 25.000 kWh. Uzevši u obzir efikasnost kotla, procena je da je za grejanje kuće potrebno oko 20.000 kWh godišnje.

Prema obnovljivim izvorima

Dugo sam želeo da koristim obnovljive izvore energije. Ispitali smo mogućnost korišćenja energije vetra, ali se pokazalo da je na prihvatljivim visinama prosečna brzina vetra suviše mala, pa bi se eventualno veća količina energije mogla proizvesti u kratkim intervalima, i to uz vetro‑generator veoma velike snage. Zbog toga sam odustao od te ideje.

Izgradnja solarne elektrane na krovu objekta je ekološki najkvalitetnije rešenje proizvodnje energije, koje je ekonomski isplativo u relativno kratkom roku. Masovnijom izgradnjom ovakvih elektrana mogao bi se povećati ukupni kapacitet elektroenergetskog sistema bez infrastrukturnih ulaganja

Sledeća mogućnost su fotonaponski solarni paneli. Njihova cena je bila dosta visoka, preko 2 evra za vat instalirane snage. U leto 2012. izgrađena je mini fotonaponska centrala. Postavljeni su fotonaponski paneli različitih dimenzija, snaga i tipova (polikristalni i monokristalni), shodno mogućnosti nabavke. Kako bi se povećala proizvodnja energije, konstruisan je sistem koji rotira panele oko jedne ose kako bi pratili prividno kretanje Sunca, sa konstantnim nagibom ose rotacije. Predviđeno je i postavljanje ogledala – koncentratora na rotor, čime se više sunčeve energije usmerava na panele i time povećava proizvodnja struje.

Nekako u to vreme uvedena je zakonska mogućnost priključenja na elektrodistributivni sistem, u svojstvu povlašćenog proizvođača. Zbog toga sam povezao panele na mrežne invertere, i na taj način proizvedenu energiju direktno ubacivao u postojeću električnu mrežu. Nažalost, zakonska rešenja su nedorečena, postojala je dilema može li fizičko lice biti povlašćeni proizvođač, pa nisam uspeo da se registrujem kao proizvođač. Na sastanku u Ministarstvu sam predlagao da barem omoguće priključak bez ikakvih povlastica, da im isporučujem preko dana ono što proizvedem, a da noću to mogu da koristim (potrebno je bilo samo povezati dvosmerno brojilo). Na kraju od svega toga nije ispalo ništa.

Prvi rezultati

Moja centrala snage 750 W je uspešno proizvodila električnu energiju koju sam većim delom trošio preko kućne instalacije. Dalje povećanje snage i proširenje kapaciteta nije imalo ekonomskog smisla, tako da nisam postavio ogledala niti sam dodavao nove panele. Jedini način primene veće solarne elektrane bio bi da se višak energije akumulira, tj. da se investira u sistem baterija. To je za moj budžet bila velika a ne baš brzo isplativa investicija.

Centrala je tokom više od dve godine rada omogućila da izmerim i procenim potencijale korišćenja sunčeve energije za proizvodnju električne energije na postojećoj mikrolokaciji, da procenim mogućnosti raznih modela fotonaponskih panela, doprinos rotora itd. Zaključak je da se ovim sistemom instalirane snage 750 W u toku godine može proizvesti oko 1000 kWh električne energije. Kako je moja prosečna mesečna potrošnja 600‑700 kWh, dakle između 8000 i 9000 kWh godišnje, ovaj sistem pokriva tek 10 do 15 posto potrošnje.

Na jedan vat instalirane snage panela, godišnje se primenom rotora može proizvesti 1,2 kWh, dok se montažom stacionarnih panela proizvodi oko 1 kWh. Imajući u vidu da je cena fotonaponskih panela bila u padu, kao i da se stacionarni paneli mogu montirati na krovu objekta (za montažu na rotorima potrebna je adekvatna površina zemljišta), najracionalnije rešenje je instalacija panela na krovu. Povećanje efikasnosti 10‑20% može se postići primenom u međuvremenu unapređenih MPPT elektronskih sistema.

Kako proizvoditi više

Problemi me nisu obeshrabrili, bio sam spreman da realizujem svoju ideju jer verujem da je to najčistiji vid energije, a pomoglo je to što su cene fotonaponskih panela naglo pale. Da ne bih postavljao panele na krov kuće, iz bojazni od prokišnjavanja, odlučio sam da garažu pokrijem krovom površine preko 60 m2 orijentisanim prema jugu i postavljenim pod uglom od oko 30 stepeni.

Ova površina je dovoljna za postavljanje 36 standardnih fotonaponskih panela 1650×990 mm, nazivne snage 250‑260 W. Kako nisam imao iskustva u postavljanju panela kao ni u izboru invertera, angažovao sam kompaniju koja je obezbedila materijal i izvela kompletne radove na postavljanju i povezivanju 18 panela na krov garaže. Takođe je povezan i trofazni mrežni inverter snage 10 kW, i na taj način je izgrađena elektrana snage oko 4,6 kW. Cena ovakve elektrane bila je oko 7000 evra.

Prema podacima prikupljenim višegodišnjim korišćenjem, elektrana za 12 meseci proizvede oko 11.000 kWh električne energije

U međuvremenu su stigli i neki zakonski akti, u jednom kratkom periodu bilo je omogućeno priključenje kućne elektrane na mrežu, ali su se zakoni brzo menjali dok smo kasnili za evropskim trendovima, pa je onemogućeno priključenje kao povlašćenog proizvođača. Cena panela na tržištu i dalje je padala, pa su se oni i u Srbiji mogli kupiti za oko 0.5 evra po vatu. Stoga odlučujem da kompletiram elektranu u sopstvenoj režiji, dodajući još 18 panela na postojeći krov. Nabavljeni su originalni elementi za montažu, postavljeni na krov, na njih su postavljeni paneli i povezani sa postojećim inverterom.

Na taj način je kompletirana elektrane snage oko 9.2 kW, koja je preko trofaznog invertera priključena na mrežu. Prema podacima prikupljenim višegodišnjim korišćenjem, elektrana za 12 meseci proizvede oko 11.000 kWh električne energije. Na žalost ta proizvodnja nije ravnomerno raspoređena – u letnjim mesecima ona ide do 1.500 kWh mesečno, dok je u najnepovoljnijim zimskim mesecima svega 350‑400 kWh, što zavisi od trajanja snežnog pokrivača na samim panelima.

Održavanje ovakvog sistema sam praktično zanemario, mada bi povremeno pranje panela svakako doprinelo efikasnosti. Pokazalo se da kišne i snežne padavine u velikoj meri doprinose rešavanju problema. Prema dosadašnjem iskustvu, najveći pad efikasnosti panela javlja se usled povećanja njihove temperature, ali je njihovo hlađenje praktično neizvodljivo i neisplativo.

Prema megavatima

Na krovu kuće na južnoj strani dostupna je površina od barem još 60 m2, tako da je moguće proširiti snagu elektrane na 19‑20 kW. To bi značilo da je godišnja proizvodnja energije 20‑22 MWh. Najveća količina bila bi proizvedena tokom leta, pa bi tu energiju trebalo nekako uskladištiti da bi se mogla koristiti tokom zime. Skladištenje električne energije je izuzetno skupo, akumulatorske baterije za vreme svog eksploatacionog veka mogu uskladištiti energiju u približnoj vrednosti cene samih baterija, dakle takav sistem je prihvatljiv samo u uslovima gde nije dostupan priključak na elektrodistibutivnu mrežu. Jedino je racionalno da se EDB sistem koristi kao akumulator viška proizvedene električne energije. Takav predlog sam izneo i prilikom sastanka u ministarstvu, i on je konačno formulisan u novom zakonskom rešenju.

Najekonomičniji način za poboljšanje energetske efikasnosti je bila ugradnja solarnih kolektora za grejanje vode

Potrebna energija za godišnje grejanje objekta je oko 20 MWh. Ta energija je u rangu ukupne proizvodnje planirane elektrane. Najbolje rešenje je implementacija sistema grejanja toplotnom pumpom, kada se na 1 kWh uložene električne energije može dobiti 3‑4.5 kWh toplotne energije. U konkretnom slučaju ne postoji mogućnost uzimanja toplote od vode (postojeći bunar ima dnevni kapacitet od oko 1000 litara, što nije ni približno dovoljno), pa je najjeftiniji način uzimanje toplote od vazduha. Efikasnost tog sistema drastično opada sa padom spoljne temperature, a posebno kada je spoljna temperatura ispod nule. A upravo tada je utrošak energije za grejanje najveći, pa bi sistem morao biti ili predimenzionisan ili imati i alternativni sistem koji bi obezbedio dodatnu energiju.

Najefikasniji sistem bi bio geotermalno grejanje, sistem koji bi energiju uzimao iz zemlje preko sistema zatrpanih HDPE cevi kroz koje cirkuliše fluid koji oduzima toplotnu energiju zemlje i uz pomoć toplotne pumpe (koja povećava temperaturu) predaje je sistemu centralnog grejanja. Osnovna prednost ovog sistema je relativno konstantna temperatura zemlje, 10‑12 stepeni, što povećava efikasnost u periodima niskih spoljnih temperatura. Pored efikasnog grejanja, sistem omogućava posebno efikasno pasivno hlađenje objekta tokom leta, samo cirkulacijom vode, što donosi uštedu i do 90%. Predavanjem toplote zemlji povećava se njena temperatura i tako skladišti toplotna energija, koja se koristi tokom zime. Realizacijom ovog sistema godišnja potrošnja energije za grejanje smanjila bi se 3 do 4 puta, dakle na 5‑6000 kWh godišnje.

Završni bilans

Ukupna godišnja potrošnja električne energije objekta bila bi oko 16‑18.000 kWh. Da bi se zadovoljile te potrebe, trebalo bi instalirati fotonaponske module snage 16‑18 kW. Ovako instaliranim sistemom, vezanim preko MPPT invertera na električnu mrežu, može se proizvesti električna energija dovoljna da podmiri ukupnu potrošnju objekta.

Toplotna energija može da se akumulira u samom objektu, zahvaljujući načinu gradnje i velikoj masi zidova. Pošto se u okviru objekta nalazi i zatvoren bazen sa oko 40.000 litara vode, toplota se može akumulirati zagrevanjem vode, a kasnije koristiti za zagrevanje objekta. Svaki stepen promene temperature vode odgovara energiji od oko 40 kWh, tako da se za promenu temperature od 10 C može akumulirati 400 kWh toplotne energije.

Druga mogućnost ja akumulacija električne energije u paket baterija na DC naponu od oko 400 V, kako bi se jednostavnije pretvorila u naizmeničnu struju. Za punjenje ovog paketa baterija paneli se mogu vezati direktno, pomoću MPPT kontrolera, čime bi se postigao nešto veći stepen korisnog dejstva i količina proizvedene energije. Kapacitet paketa baterija zavisi od ekonomskih mogućnosti i eventualne neophodnosti napajanja u slučaju prekida napajanja objekta iz mreže. Paket od 200 Ah bi akumulirao oko 80 kWh energije, sto je više nego dovoljno za dnevne potrebe.

Predaja električne energije ubacivanjem u elektrodistibutivni sistem u vreme proizvodnje, a zatim njeno korišćenje prema potrebi je najjednostavniji način za „akumulaciju“ električne energije, ali je potrebna ugradnja dvosmernog brojila. Na taj način elektrodistribucija bi dobila kvalitetnu energiju kod samih potrošača (u niskonaponskoj mreži, dakle bez gubitaka prenosa, transformacije itd.) u letnjem dnevnom periodu, što je veoma povoljno, posebno imajući u vidu tendenciju porasta potrošnje energije za rashlađivanje.

Ukoliko se omogući priključenje na elektrodistributivnu mrežu, izgradnja fotonaponske elektrane na krovu objekta bi bila ne samo ekološki najkvalitetnije rešenje proizvodnje energije, nego i ekonomski isplativo u relativno kratkom roku. Masovnijom izgradnjom ovakvih elektrana mogao bi se povećati ukupni kapacitet elektroenergetskog sistema bez infrastrukturnih ulaganja (dalekovoda, transformatora itd.), jer se proizvedena energija praktično bez ikakvih gubitaka predaje najbližim potrošačima u niskonaponskoj mreži. Jedino ograničenje je stabilnost sistema, imajući u vidu da se sinhronizacija mrežnih invertera vrši pomoću napona EDB mreže, pa ukupna snaga proizvedene energije na području jedne trafostanice mora biti ograničena.

Verujem da bi bilo svrsishodno zakonsko rešenje gde bi posebna javna kompanija preuzela izgradnju ovog tipa elektrana. Najpre bi trebalo sagledati trenutno stanje, odnosno za svaki objekat koji ima povoljnu orijentaciju odrediti snagu moguće elektrane. Sve to prilagoditi niskonaponskoj mreži i snazi transformatora. Zatim vlasnicima objekta ponuditi ugovor po kom bi kompanija instalirala centralu i priključila je na mrežu. Kompanija i vlasnik objekta bi imali određeni udeo u proizvedenoj energiji tako da bi svi imali značajnu korist od elektrane. Na taj način bi se, bez ulaganja vlasnika objekata, mogla bitno povećati proizvodnja čiste energije, koja ne zahteva investicije u elektrodistributivnu mrežu jer se proizvodi direktno kod potrošača.

Autor:  Radovan Jevtić