Fotovoltika a úspory energie

Čo je mikrosieť v rodinnom dome a prečo o nej uvažovať

Mikrosieť v rodinnom dome je lokálna elektroenergetická sústava, ktorá prepája fotovoltické (FV) panely, batériové úložisko, meniče, meranie, riadiaci systém (EMS – Energy Management System) a spotrebiče tak, aby vedela fungovať v bežnej prevádzke pripojená k distribučnej sieti (on-grid), ale aj autonómne počas výpadkov (ostrovná prevádzka). Cieľom je maximalizovať samovýrobu, znížiť špičky odberu, riadiť spotrebu podľa cien a udržať bezpečnosť a kvalitu napájania.

Architektúra: kľúčové komponenty a ich úlohy

• FV pole – zdroj jednosmernej energie; parametre: DC napätie, výkon, orientácia, teplotný koeficient.
• Meniče – stringové, mikromeniče alebo optimalizéry; AC- alebo DC-coupling s batériou.
• Batériové úložisko – najčastejšie LiFePO₄; dôležité parametre: využiteľná kapacita (kWh), max. nabíjací/vybíjací výkon (kW), DoD, teplotné limity, počet cyklov.
• Riadiaci systém (EMS) – zber dát, predikcie, optimalizácia a vykonávanie povelov (nabíjanie, spínanie záťaží, obchodné stratégie).
• Meranie a senzory – obojsmerný elektromer, prúdové transformátory (CT), meranie kvality siete, teploty, irradiancie.
• Riadené záťaže – tepelná čerpadlá, bojler, akumulačné nádrže, EV nabíjačka, inteligentné zásuvky, flexibilné spotrebiče.
• Komunikácia – Modbus/TCP, Modbus RTU, CAN pre batérie, MQTT pre IoT, OCPP pre wallboxy, Zigbee/Thread/Matter pre smart prvky.
• Ochrany a prepínače režimov – ATS (Automatic Transfer Switch) pre zálohovaný okruh, ochrany proti spätným prúdom, SPD (prepätie), RCD, MCB, anti-islanding.

Topológie zapojenia: AC-coupled, DC-coupled a hybrid

• AC-coupled – FV stringový menič vyrába do AC zbernice a samostatný hybridný/ostrovný menič spravuje batériu na AC strane. Výhody: modularita, jednoduché doplnenie k existujúcej FV; Nevýhody: dvojité konverzie pri nabíjaní/vybíjaní.
• DC-coupled – FV a batéria zdieľajú spoločnú DC zbernicu hybridného meniča. Výhody: menej konverzií, vyššia účinnosť; Nevýhody: menšia flexibilita pri rozširovaní.
• Hybridná topológia – kombinácia oboch pre rozšírenie výkonu alebo redundanciu.

Režimy prevádzky mikrosiete

• On-grid bez exportu – prioritná vlastná spotreba, zákaz pretokov do DS (napr. pri jednostrannom meraní).
• On-grid s limitovaným exportom – export do povoleného limitu (napr. 3,68 kW), zvyšok do batérie alebo riadených záťaží.
• On-grid s arbitrage – nabíjanie v lacných tarifách/časoch s nízkou cenou, vybíjanie v drahých.
• Ostrovná prevádzka (backup) – ATS odpojí dom od DS a vybrané okruhy sú napájané z meniča a batérie; pripojenie DS po obnove.
• Demand response – reakcia na externé signály (cena, frekvencia, napätie); redukcia špičiek, oneskorenie spínania záťaží.

Riadiace scenáre EMS: od jednoduchých pravidiel po optimalizáciu

EMS môže fungovať na škále od jednoduchých pravidiel (if-then) po modelovo prediktívne riadenie (MPC). V rodinnom dome sa osvedčuje kombinácia predikcií výroby/spotreby s pravidlami a obmedzeniami zariadení.

• Maximalizácia samospotreby – počas dňa najprv kryť aktuálnu záťaž, prebytok do batérie, potom do ohrevu vody (PWM/SSR), prípadne do EV.
• Peak shaving – udržiavať príkon domu pod definovaným limitom, batéria dorovnáva krátke špičky (štarty kompresorov, varné dosky).
• Tarifná optimalizácia – pri dynamickej cene: v lacných hodinách nabíjať batériu a ohrievať vodu, v drahých hodinách vyhadzovať energiu z batérie do záťaže.
• Backup rezerva – držať SoC ≥ R% v čase s vyšším rizikom výpadku (búrky, plánované odstávky).
• Prediktívne presuny energie – využitie predpovede irradiancie a známych profilov (EV príjazd 18:00, práčka 19:00) na plán nabíjania.
• V2H/V2L – pri kompatibilnom EV využiť vozidlo ako doplnkový zdroj; EMS vyrieši konflikty s nabíjaním a SOC minimom.

Praktický príklad denného grafu rozhodovania

1. 00:00–06:00: nízka cena – nabíjanie batérie na 80 %, dohrev TUV na 55 °C, limit domu 3 kW.
2. 06:00–08:00: ranná špička – batéria dorovnáva, zamedziť import > 2 kW.
3. 08:00–16:00: výroba FV – prioritne spotreba domu, potom batéria do 95 %, prebytok do bojlera/EV.
4. 16:00–22:00: drahá elektrina – vybíjať do 40 % SoC, potom udržiavať min. rezervu pre backup.
5. 22:00–24:00: re-nabitie podľa zajtrajšej predpovede (ak má byť zamračené, dobiť viac).

Hierarchia priorít a konflikty

Typická prioritizácia:

1. Bezpečnosť a sieťové limity (napätie, prúd, teplota, SoC min/max).
2. Dodržanie zákazu exportu alebo exportného limitu.
3. Stabilita napájania zálohovaných okruhov.
4. Ekonomická optimalizácia (tarifa, arbitrage).
5. Komfort (TUV, teplota interiéru, nabitie EV).

Sizing: ako naddimenzovať s rozumom

• FV výkon (kWp) – približne ročná spotreba [kWh] / 1000–1200 s korekciou na orientáciu a strechu.
• Batéria (kWh) – cieľ: pokryť večerný profil + požadovanú rezervu; bežne 0,5–1,0-násobok priemernej dennej spotreby z DS.
• Výkon meniča (kW) – súčet kritických súčasných výkonov × koeficient simultánnosti (0,5–0,7) + rozbehové prúdy (kompresory).
• Wallbox – s dynamickým riadením prúdu podľa dostupného prebytku a rezervy ističa.

Meranie a dátová vrstva

• Meracie body – hlavný prívod (import/export), vetvy kritických okruhov (kuchyňa, TČ, bojler, EV), napätie a frekvencia, teploty akumulácií.
• Frekvencia vzorkovania – 1–10 s pre riadenie, 1 min pre ukladanie trendov; agregácia na 15 min pre fakturáciu.
• Predikcia – krátkodobá výroba (nowcasting + jednoduchý model irradiancie), spotreba (ARIMA/ml jednoduché), pravdepodobnosť výpadku (externé signály).
• Integrácie – Modbus mapy meničov a batérií, MQTT broker, Home Assistant/Node-RED pre scénáre a vizualizácie.

Riadenie tepelných spotrebičov a úložísk tepla

Tepelné čerpadlo, bojler a akumulačná nádrž sú „energetické špongie“. Strategické preklápanie výkonu šetrí cykly batérie:

• Pri prebytkoch FV zvýšiť teplotný setpoint TUV/AN v hraniciach hygieny a komfortu.
• Pri drahej elektrine znížiť výkon alebo dočasne posunúť odbery (defrost, legionella cyklus plánovať na lacné hodiny).
• Komunikácia s TČ cez SG-Ready, Modbus alebo bezpotenciálové kontakty.

EV nabíjanie: od prebytkov k flexibilite

• PV-only režim – wallbox sleduje prebytok na fáze/fázach a plynule moduluje prúd.
• Hybridný režim – kombinácia prebytku a batérie pri obmedzení hlavného ističa.
• Tarifný plán – v noci lacný import, cez deň PV; minimá SoC vozidla nastaviteľné podľa potreby odjazdu.

Kybernetika a bezpečnosť

• Oddelené VLAN pre energotechnológie, silné heslá a aktualizácie firmvéru.
• MQTT s TLS a autentifikáciou, minimálny otvorený prístup z internetu.
• Fail-safe režimy: ak EMS vypadne, zariadenia prejdú do bezpečného prednastaveného stavu (napr. zákaz exportu, min. SoC).

Ochrany, selektivita a kvalita elektriny

• Anti-islanding podľa požiadaviek distribútora; dohľad frekvencie/napätia.
• SPD typ 1/2/3 na DC aj AC vetve; RCD typu A alebo B podľa meniča a wallboxu.
• Selektivita ističov, kontrola skratových prúdov v ostrovnom režime.
• Monitorovanie THD, flicker a asymetrie pri jednofázových záťažiach.

Prevádzkové limity batérie: ako predĺžiť životnosť

• Prevádzka v okne SoC 20–80 % pri každodennej arbitrage; plné nabitie len pre kalibráciu.
• Obmedziť C-rate pri nízkych teplotách, predhrievať v zime (ak je k dispozícii).
• Minimalizovať počet hlbokých cyklov a dlhý pobyt pri 100 % SoC v teple.

Komisionovanie a testy pred spustením

1. Kontrola zapojenia, krútiace momenty svoriek, smer CT.
2. Parametrizácia meničov (limity exportu, napäťové/frekvenčné ochrany).
3. Kalibrácia merania a validačný skúšobný deň so simuláciou prebytkov/deficitu.
4. Test ATS: prechod na ostrov a späť, doba prerušenia, zálohované okruhy.
5. Bezpečnostný checklist: SPD, RCD, uzemnenie, dokumentácia.

Monitorovanie a KPI mikrosiete

• Podiel samovýroby (%), samospotreby (%), mesačná bilancia import/export (kWh).
• Peak shaving – počet a výška zrazených špičiek (kW) vs. baseline.
• Účinnosť cyklovania batérie (round-trip, %), počet cyklov/deň.
• Ušetrené náklady podľa taríf a dynamických cien.
• Dostupnosť backupu: % času s rezervou > X kWh.

Najčastejšie chyby a ako sa im vyhnúť

• Nesprávna orientácia priorít – lovenie maximálneho exportu namiesto stabilnej prevádzky a komfortu.
• Poddimenzovaná komunikácia – chýba spätná väzba z TČ alebo wallboxu, EMS „riadí naslepo“.
• Ignorovanie hlavných ističov – bez dynamického limitu dochádza k vybíjaniu istenia.
• Nezohľadnenie teploty – batéria v mraze alebo horúčave degraduje a obmedzuje výkon.
• Zanedbanie anti-islandingu – bezpečnostné riziko a nesúlad s pripojovacími podmienkami.

Príklad jednoduchého pravidlového riadenia (logika v prirodzenom jazyku)

• Ak import > limit, potom zvýš výkon vybíjania batérie do maxima alebo zniž výkon TČ.
• Ak prebytok > 1 kW a SoC < 90 %, nabíjaj batériu; ak SoC ≥ 90 %, ohrej TUV na 58 °C.
• Ak dnes má byť zamračené, nastav nočné nabíjanie na 70 %.
• Ak čas 17:00–21:00 a cena > prah, vybíjaj do 40 % SoC.

Integrácia do smart domácnosti

• Home Assistant ako nadstavba vizualizácie a automatizácií (Blueprints, Dashboard).
• Node-RED pre rýchle toky „meranie → rozhodnutie → príkaz“.
• Prepojenie s vykurovaním (OpenTherm/Modbus) a tienením (žalúzie) na redukciu chladiacich špičiek.

Legislatívno-technické rámce a kompatibilita s distribútorom

Pred inštaláciou je potrebné overiť pripojiteľnosť, exportné limity a požadované ochrany podľa miestnych pripojovacích podmienok. Pri prevádzke bez pretokov je nutná presná regulácia výkonu meniča v reálnom čase a správne osadené meracie transformátory.

Prevádzka počas porúch a výpadkov

• Definujte kritické okruhy (osvetlenie, IT, chladnička, obehové čerpadlá) na zálohovanú pod-rozvodnicu.
• Nastavte ostrovné limity (max. výkon, štarty kompresorov, priorita bojlera = vypnutá).
• Po návrate DS riešte re-synchrón a riadené dobíjanie batérie, aby sa zabránilo skokovému importu.

Budúce trendy

• Agregácia domácich mikrosietí do virtuálnych elektrární s odmeňovaním za flexibilitu.
• Rozšírenie V2G/V2H s obojsmernými nabíjačkami.
• Lepšia interoperabilita cez otvorené štandardy a semantické modely zariadení.
• MPC a reinforcement learning pre jemné doladenie arbitrage a komfortu.

Zhrnutie

Mikrosieť v rodinnom dome spája výrobu, úložiská a inteligentné riadenie do robustného celku. Kvalitná architektúra, meranie a dobre navrhnuté riadiace scenáre prinesú vysoký podiel samovýroby, zníženie špičiek a komfort s istotou zálohy. Kľúčové je dodržať bezpečnosť, správne dimenzovať komponenty a venovať čas komisionovaniu, aby mikrosieť fungovala spoľahlivo v každodennej prevádzke aj počas nečakaných udalostí.