Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola 

BME Gépészmérnöki Kar, Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék

Témavezető: Dr. Csoknyai Tamás

Nettó nulla energiamérlegű és karbonsemleges épületek kutatása

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A kutatás fókusza a lakóépületek korszerű és hatékony energiaellátásának vizsgálata. Mivel ez leggyakrabban napelemes villamosenergia-termeléssel és hőszivattyús hőtermeléssel valósul meg, a kutatás legfőképpen ezen épülettechnikai rendszerelemek működésének egyidejűségére fókuszál, mivel köztudottan akkor is használunk fel energiát, mikor nincs napelemes termelésünk, illetve akkor is termelhetünk energiát napelemes rendszerünkkel, amikor éppen nincs jelentős energiafelhasználásunk ( 1. ábra, 2. ábra) [1].

 

1. ábra
A napeleme termelés és az épület energiafelhasználásának egyidejűségi problémája sémavázlaton bemutatva

A kutatóhely rövid bemutatása

A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen működő Épületenergetika Kutatócsoport számos európai és nemzeti kutatási programban vett részt, kapcsolatokat ápol európai kutatóintézettel és egyetemmel. Kutatási területei az energiahatékonyság és a megújuló energiarendszerek az épületekben: közel nulla és nettó nulla energiaigényű épületek, intelligens épületek és közösségek, fogyasztói magatartás elemzése és modellezése, dinamikus épületenergetikai szimuláció, épületállomány-modellezés.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Lakóépületeink szerepe az energiaállátási rendszerekben jelentős változáson ment keresztül az elmúlt években. A háztartási méretű kiserőmvek (HMKE) száma már számottevő, közel 1.500 MW beépített kapacitással rendelkeznek hazánkban. A napelemes rendszerek méretezése azonban rendre gazdasági, mintsem műszaki alapon történik. Ennek következményeképpen, míg éves átlagban sokszor “nettó nulla energiamérlegű” épülettechnikai rendszert alakítunk ki, mivel napelemes termelésünk éves szinten megegyezik (villamos)energia-felhasználásunkkal, valójában a villamosenergia-hálózat számára azt a nehézséget okozzuk, hogy bizonyos időszakokban intenzíven visszatáplálunk a hálózatra, míg más időszakokban éppen vételezünk onnan. Mivel a probléma forrása maga az épülettechnikai rendszer is (ami látható a napelemes rendszer teljesítményének és a háztartási fogyasztók teljesítményigényének eltérésén is, amit a 2. ábra szemléltet), épületgépészeti oldalról úgy tudjuk támogatni annak feloldását, hogy feltárjuk milyen lehetőségek rejlenek a megtermelt energia minél nagyobb mértékű lokális felhasználásában. Ezt tehetjük passzív eszközrendszer – például napelemes méretezési keretrendszer kialakításával, vagy aktív megoldások – például hőtárolók, akkumulátorok rendszerbe iktatása, vagy akár fogyasztóoldali befolyásolás révén [2].

2. ábra
Napelemes termelő (bal) és épület felhasználásának teljesítménye egy év során

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések.

A kutatás célja az eddigi fázisban a problémarendszer feltárása, lehetséges műszaki kihívások azonosítása volt. Ezek közül arra a kérdésre, hogy

műszaki elven hogyan lehetne érdemes a háztartási méretű napelemes rendszerek beépített teljesítményét megválasztani,

az öntermelés és hálózathasználati tényező mutatókat adtuk válaszul. További kérdések azonban a következők:

·        Hogyan viselkednek az egyes rendszerek fogyasztóoldali befolyásolás során?

·        Milyen lehetőségek vannak a hőszivattyús rendszerek különböző időszakokban, eltérő terheléssel való működtetésében?

·        Mennyivel növelhető meg a helyben közvetlenül felhasznált napelemes termelés?

Összességében tehát az, hogy a terjedni látszó, megújuló energiaforrások összehangolásában milyen lehetőségek rejlenek? Illetve ezt hogyan tudja megtámogatni a jogi, illetve elszámolási keretrendszer, a szaldó elszámolás kivezetésével.

Módszerek

Mivel a problémakör a rendszerek időbeliségén (például az időjárási körülmények változásán) alapszik, célszerűen olyan módszert és eszközt választottunk, melyben számos alternatívát vagyunk képesek vizsgálni, jó felbontású adatokkal, változó paraméterek mentén. Célszerűen dinamikus épületenergetikai szimulációs szoftvereket (TRNSYS, DesignBuilder) alkalmazunk a probléma vizsgálatára, melyek lehetővé teszik a rendszerek fizikai modelljeinek felépítését. Emellett lehetőséget biztosítanak arra is, hogy egyféle épület esetében többféle épülettechnikai rendszert vizsgáljunk meg, vagy éppen többféle épülettípus viselkedését hasonlítsuk össze azonos rendszerek mellett. Megemlítendő az is, hogy épületszimulációs szoftverekben lehetőség van különböző fogyasztói viselkedési mintázatok felvételére is.

A megközelítés során a hazai épületállomány egyes elemeit vesszük figyelembe és ezek esetére modellezünk hőszivattyús, napelemes épülettechnikai rendszereket, szabványos fogyasztói profilok mellett. A szimulációs szoftver emellett lehetővé teszi, hogy ne csak adott időjárási mintázatokat, hanem akár eltérő klímazónákat, vagy várható globális felmelegedés esetén kialakuló szcenáriókat vegyünk figyelembe. Ennek eredményeképpen fel tudjuk tárni azokat a tényezőket, melyek legnagyobb mértékben hatással vannak a rendszerek működésének egyidejűségére.

3. ábra
Öntermelés és hálózathasználati tényező különböző napelemes beépített kapacitások függvényében. A szaldó elszámolás méretezésének problémája.

Eddigi eredmények

A szakirodalomban ezidáig nem voltak jelen olyan terhelésillesztési mutatók (a termelés és a felhasználás egyidejűségét elemző mérőszámok), melyek műszaki optimumot adnának a háztartási méretű napelemes rendszerek beépített kapacitásának megválasztása esetében. A rendszerek méretezését így gyakorta az a gazdasági megfontolás motiválta, hogy éves szaldó elszámolás mellett célszerű volt akkora napelemes rendszert telepíteni, mely az év során annyi villamosenergiát termel, amennyit a háztartás éves szinten felhasznál.

Kutatásunk eddigi szakaszában a problémát felismertük, válaszul bevezettünk két új indikátort, a hálózathasználati tényezőt és az öntermelés mutatót, melyek a gyakorta használt önfogyasztás és önellátás mutatókkal ellenben rendelkeznek optimummal a beépített napelem kapacitás függvényében [3,4].

A “hálózathasználati tényező” kijelöli azt a napelemes kapacitást, mely esetében a legnagyobb mértékben függetlenedünk a hálózattól. Segítségével tehát azt tudjuk megmutatni, hogy egy napelemes rendszer nélküli alapesethez viszonyítva (mennyivel változik háztartásunk és a villamosenergia-rendszer energiaforgalma adott napelemes kapacitás mellett. A mutató tehát figyelembe veszik, hogy túlméretezett rendszerek esetében nagy mértékben visszatáplálunk a hálózatra, növeljük az interakciót. A mutató értékkészlete [0,∞), optimuma -1. Napelemes kapacitás szempontjából 0 érték esetén éppen annyi az interakció a hálózattal, mint napelemes rendszer nélkül. -1-es értéknél teljesen függetlenedik a rendszer a hálózattól – energiafelhasználását minden esetben saját napelemes rendszeréből (és annak tárolásából) fedezi. Míg a felső korlát hiánya azt fejezi ki, hogy a rendszerek esetleges indokolatlan túlméretezése esetén hiába fedezzük minden energiaigényünket napelemes rendszerünkből, ha emellett rendkívüli mennyiségű energiát táplálunk vissza a hálózatba.

Az 1. ábra jelöléseinek megfelelően a mutató kiszámítása a következőképpen lehetséges:

Másik indikátorunk a fogyasztó szemszögéből közelíti meg ugyanezen problémarendszert. Az “öntermelés” mutató azt hivatott tükrözni, hogy mekkora a helyben felhasznált energia aránya az épület összes (hálózatból vételezett + visszatáplált + közvetlen felhasznált) energiaforgalmához képest. A mutató értékkészlete a [0,1] intervallum. 0 érték esetén nincs helyben felhasznált napelemes termelés, az optimum, azaz 1 esetén pedig minden megtermelt energiát helyben hasznosítunk és ez éppen elegendő az energiaigény fedezésére – azaz nincs visszatáplálás sem a hálózatba.

A mutató javul, ha a beépített napelemes kapacitás nagyobb része fordítódik saját felhasználásunk kiszolgálására. Ellenkező esetben, azaz, ha nagyobb arányban növekszik a hálózati visszatáplálás, vagy úgy csökkentjük a beépített kapacitást, hogy ezalatt nagyobb arányban növeljük a hálózatból vételezést, a mutató romlik.

Az öntermelés a következőképpen írható le:

Sikeresen megmutattuk azt is, hogy a bevezetett mutatók a fogyasztóoldali befolyásolás vizsgálatakor is hasznosan alkalmazhatók. Napelemes termeléshez igazított rendszerüzemelés, például többlet napelemes termelés hőként, használati melegvíz formában történő tárolása során, az egyes mutatók értékei rendre kedvezőbben alakulnak. Emellett az eddigi eredményekből már látszik az is, hogy az indikátorok alkalmasak arról is nyilatkozni, hogy a megváltozott vezérléshez eltérő méretű napelemes beépített kapacitás lesz a legkedvezőbb.

4. ábra
Használati melegvíz készítésének teljesítményigénye a normál (bal) és a fejlesztett (jobb) vezérlési logikával.

Impakt, további kutatás

Az eredmények várhatóan segítik a problémarendszer elmélyültebb megértését, lehetőséget adnak új, műszakilag megalapozottabb napelem méretezési keretrendszer kialakításában, illetve elszámolási keretrendszerek kialakításában, az ahhoz legkedvezőbb napelemes rendszerek méretezésében. A kutatók számára emellett segítséget nyújtanak az egyes rendszerkialakítások, vezérlési opciók mélyebb megértésében, értékelésében.

A kutatás eddigi visszhangját jól tükrözi, hogy az eddigi eredményeket a kutatási terület egyik legkiemelkedőbb folyóiratában, a 11.446 impakt faktorú Applied Energy-ben sikerült publikálnunk [3].

Hivatkozások, köztük a kapcsolódó publikációk

[1]       L.Z. Gergely, Z. Szalay, T. Csoknyai, Nearly zero energy buildings with air-source heat pumps across Europe, in: 2022: pp. 1–7. https://doi.org/https://doi.org/10.34641/clima.2022.48.

[2]       D. Fischer, H. Madani, On heat pumps in smart grids: A review, Renew. Sustain. Energy Rev. 70 (2017) 342–357. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.11.182.

[3]       L.Z. Gergely, T. Csoknyai, M. Horváth, Novel load matching indicators for photovoltaic system sizing and evaluation, 327 (2022) 0–9. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2022.120123.

[4]       L.Z. Gergely, T. Csoknyai, M. Horváth, Terhelésillesztési mutatók háztartási méretű napelemes rendszer méretezésére, Magy. Épületgépészet. (2022) 3–8.

 Linkek, melyeken a kapcsolódó kutatások szabadon elérhetőek

Magyar nyelven:

·        http://www.epgeponline.hu/online_cikkek/reszletek/31

·        https://www.e-gepesz.hu/cikkek/18823-terhelesillesztesi-mutatok-haztartasi-meretu-napelemes-rendszer-meretezesere

 

Angol nyelven:

·        https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261922013800