BOSCH: Energetický management snižuje emise skleníkových plynů a minimalizuje náklady na energii v domě

Snížení energetické náročnosti se projevuje snížením nákladů na energie a zvýšením ochrany životního prostředí. Pokud se podíváme na elektrifikovaný rodinný dům, ke kterému podle společnosti Bosch Termotechnika vývoj směřuje, tak musíme zohlednit propojení domu s veřejnou elektrickou sítí, vlastní fotovoltaickou výrobu elektrické energie například na střeše domu, systém vytápění a přípravy teplé vody a větrání, provoz různých domácích elektrických spotřebičů, nabíjení elektromobilu, provoz úložného bateriového systému vyrovnávajícího přebytky a nedostatky elektrické energie jak z vlastní výroby, tak vyplývající z provozních stavů veřejné elektrické sítě. Energetický management jako centrální systém řízení vyžaduje uplatnění chytrého, obousměrného měření toku elektrické energie včetně možnosti dálkové správy dodavatelem elektřiny, komunikační propojenost všech spotřebičů, komunikaci přes internet na cloudy pro ukládání dat a jejich využití atp. Jedině tehdy, když bude energetický management komunikačně otevřený i mimo dům, lze dosáhnout maxima možností a snížením nákladů na energie motivovat spotřebitele k jeho využití.

Podmínky a předpoklady pro uplatnění energetického managementu

Obr. Pokud hovoříme o energetickém managementu, musíme vzít v úvahu interakci mezi systémy v domě i mimo něj.

V rámci webináře ExpertTalk: Energy Management zorganizovaného společností Bosch Termotechnika citoval Stefan Kluepfel, který je analytikem procesu zavádění elektrifikace, uplatnění energetického managementu a elektrických úložných, bateriových, systémů, tuto definici (směrnice VDI-Guideline VDI 4602): „Energetický management je proaktivní, organizovaná a systematická koordinace nákupu, přeměny, distribuce a použití energie ke splnění požadavků, přičemž se zohledňují environmentální a ekonomické cíle.“

Na jedné straně stojí řízení výroby energie, řízení přeměny energie (i různé způsoby přeměny energie z obnovitelných zdrojů energie na jiné formy, např. plyn aj.) a řízení distribuce energie včetně úložišť. Na druhé straně stojí ochrana životního prostředí, ekonomická optimalizace, stabilita sítě. A pokud jsou všechny aplikace a zařízení vhodně řízena energetickým managementem, profitují z toho všichni. V oblasti vytápění lze vzít jako základní příklad řízení tepelného čerpadla podle vysokého nebo nižšího „nočního“ tarifu ceny elektřiny.

Stefan Kluepfel jako základní opatření uvedl:

• Zvýšení vlastní spotřeby: Zvyšte využití vlastní energie z obnovitelných zdrojů posunutím doby provozu flexibilních zátěží
• Minimalizace ztrát: Vyvarování se regulačního omezení výroby energie jejím ukládáním nebo spotřebováváním ve vhodné době
• Tarifně optimalizovaná spotřeba: Motivace k posunutí doby provozu flexibilních zátěží (spotřebičů) do období nízkých cenových tarifů
• Monitorování energie: Zvyšování povědomí odběratelů o spotřebě energie a poruchách systému vizualizací
• Omezení odběrových špiček: Snížením odběrového zatížení a tím i základních poplatků využitím úložišť energie a omezováním neregulovaného pružného zatížení
• Ochrana proti přetížení: Udržení spotřeby energie pod sjednaným odběrovým maximem pro předcházení výpadkům proudu
• Omezení výkonu: Vzdálené dynamické omezení spotřeby energie DSO (v českých podmínkách aktuálně používané HDO) odběratelům ke stabilizaci energetických sítí v dobách s vysokými výkyvy odběru
• Řídit dodávku/regulovat tok energie: Všesměrová kontrola nad toky energie

Našim úkolem je omezit emise skleníkových plynů na 55 % do roku 2030 nad úroveň roku 1990 a na 0 % do roku 2050. K tomu v oblasti budov vede motivace k výstavbě energeticky účinných budov, digitalizace, odolnost budov vůči působení klimatických změn a přísné vymáhání právních předpisů o energetické náročnosti budov. Je nutné zvýšit energetickou účinnost a podíl obnovitelných energií a zavést plně integrovaný, propojený a digitalizovaný trh s energií v EU.

Legislativní základ opatření ve vztahu k budovám položila evropská direktiva 2010/31/EU týkající se budov s téměř nulovou potřebou energie.

Například německá energetická legislativa předpokládá snížení roční spotřeby elektrické energie v důsledku instalace fotovoltaických systémů na střechách domů o 30 % a s bateriovým úložištěm o 45 %. K realizaci jsou vytvářeny motivační dotační programy podporující jak rozšíření vlastní výroby, fotovoltaických systémů, tak snížení spotřeby, zateplování budov, instalaci tepelných čerpadel, ale i stavbu bateriových úložišť ke stabilizaci sítě. V Česku v tomto směru v oblasti rodinných domů působí především program Nová zelená úsporám.

Na jedné straně působí ceny energie a na druhé aktivní zapojení do procesu výroby energie. Motivace k vlastní výrobě elektřiny i úsporám závisí na vztahu ceny elektrické energie a příjmů koncových spotřebitelů. K tomu Stefan Kluepfel uvedl stručný orientační přehled:

Obr. Orientační přehled cen elektrické energie pro koncové spotřebitele v některých evropských státech

Je zřejmé, že největší potenciál pro uplatnění energetického managementu se vzhledem k cenám elektrické energie vytváří v Německu. Nižší je v Itálii, Polsku i v České republice. Nicméně růst českého a polského trhu tepelných čerpadel je vnímán jako velmi pozitivní.

Příklady výhod, které přináší energetický management

Martin Weiss, který odpovídá u společnosti Bosch Termotechnika za strategický vývoj a rozvoj uplatnění energetického managementu u vlastníků budov, se zaměřil na funkci energetického managementu. V provozu domu je běžné, že v určitých hodinách se náhle a významně zvyšuje spotřeba energie, zatímco po větší část dne leží pod poměrně nízkou průměrnou hodnotou.

Obr. Jednoduchý příklad nerovnoměrnosti spotřeby energie vzhledem ke sjednanému limitu (černá vodorovná linie) a možností k přesunu spotřeby nadlimitního množství energie (šrafováno červeně) do jiných časových okamžiků (podbarveno zeleně).

Je zřejmé, že pokud energetický management umožní snížení špičkových odběrů jejich přenesením a rozložením do jiných časů, může být sjednán nižší limit na dodávku energie a tím odběratel ušetří. A současně dodavateli ulehčí jeho roli zaručit vždy dodávku energie.

Obr. Vhodné řízení nabíjení baterie snižuje výši sjednaného limitu na odběr energie

Pokud není uplatněn optimální energetický management (graf vlevo), tak může být například v důsledku volby jednoduchého řízení počátkem dne nejprve využívána energie uložená v baterii (zeleně), aby se baterie vyprázdnila a mohla do ní být ukládána energie z vlastní výroby. Pak ale nezbývá energie na pokrytí špičky (červeně) během dne, odběrem je zatížena elektrická síť a spotřebitel platí zvýšenou cenu za odebranou energii. V případě energetického managementu je akumulovaná energie (zeleně) přednostně využita na pokrytí odběrových špiček a baterie je dobíjena při poklesu spotřeby pod zvolený limit.

Využití baterií také umožňuje přenášet odběry energie z období s vysokým tarifem do období s nízkým tarifem.

Činnost energetického managementu popsaná výše může vypadat poměrně jednoduše, ale v praxi je proces řízení mnohem složitější. Protože se neporovnávají jen dva aktuální stavy, ale je jich mnohem více a také se různě kombinují. Například kombinace fotovoltaického systému a tepelného čerpadla umožňuje část vlastní elektrické energie převést na teplo a to uložit do akumulačního zásobníku při vyšší teplotě vody, než je optimální při nákupu elektrické energie ze sítě, a to s ohledem na přípustný, zvolený, topný faktor činnosti tepelného čerpadla. Toto teplo pak později využít bez činnosti tepelného čerpadla. Stejně tak je možné optimalizovat dobu přípravy teplé vody v zásobníku.

Obr: Příklad dvou rozdílných možností řízení součinnosti fotovoltaického systému a tepelného čerpadla

Optimální činností energetického managementu lze významně zvýšit nezávislost na elektrické síti a snížit náklady na energie. Pokud je tepelné čerpadlo řízeno v modelovém příkladu rodinného domu jen podle aktuální nabídky výkonu fotovoltaického systému (systémový výkon FVE 7 kWp, graf vlevo), tak je dosažitelné zvýšení nezávislosti na elektrické síti o 520 kWh/rok, tedy 20 % a snížení nákladů na energii o cca 12 %. V případě komplexního řízení se nezávislost zvýší o dalších 216 kWh, tedy 9 %. Přitom úspora nákladů na energii při přechodu na dokonalejší energetický management může být více než dvojnásobná.

Energetický management musí být otevřený systém

Jaké jsou možnosti energetického managementu? Názorný přehled o působení energetického managementu ke spotřebičům energie v domě podává skica Christiana Heise, který je zástupcem ředitele projektu „Ekonomika věcí“ a Jarede Weinfurtnera, který je hlavním architektem projektu.

Obr. Skica vzájemných energetických vztahů v domě a mezi ostatními domy

Systém energetického managementu uvnitř domu nemůže být uzavřený. Musí přes vhodnou bránu, gateway, komunikovat se systémy ostatních domů i s dodavateli energií řízením provozu sítí. Proto jsou základem využití potenciálu, který nabízí energetický management, podle Bosch Termotechnika tyto tři zásady:

• Soutěžit o přízeň zákazníků, pokud se jedná o vlastnosti výrobků
• Podílet se na provozu důvěryhodné, decentralizované základny
• Spolupracovat při vývoji systémů

I v oblasti energetického managementu se předpokládá uplatnění technologie blockchainu známé u virtuálních měn. Očekává se zjednodušení, minimálně, platebních vztahů mezi všemi subjekty, které energii spotřebovávají nebo vyrábí, a to v obou směrech toku energie. I pro vyhledání nejvhodnější nabídky. Tento směr je zahrnut do strategického vývojového inženýrského projektu „Ekonomika věcí“, aneb EoT, na kterém Bosch Termotechnika aktivně pracuje. EoT tak lze chápat i jako ekonomickou nadstavbu nad internetem věcí IoT.

Pozn. autora:
Je nutné si uvědomit, že elektřina je jedinou, pro provoz budov univerzálně použitelnou energií, kterou si může většina obyvatel pro sebe sama získávat. A to prostřednictvím fotovoltaických systémů. Ostatní způsoby získání elektrické energie jsou vyhrazeny jen velmi úzké části obyvatelstva.

Zpracováno na základě webináře Bosch Thermotechnology, ExpertTalk, Energy Management uskutečněného 16. 2. 2021 a doplňujících pramenů společnosti Bosch.