Wstęp
Gwałtowny wzrost w ostatnich latach ilości prosumenckich instalacji PV spowodował problemy lokalnych sieci energetycznych z wchłanianiem tak dużych, chwilowych ilości energii. Brak magazynów wielkoskalowych w wielu miejscach kraju, zmusza w takich chwilach do drastycznych posunięć, w celu ochrony sieci przed przepięciami, z wyłączaniem falowników włącznie. Pewnym rozwiązaniem tego problemu jest magazynowanie energii bezpośrednio w miejscu jej wytworzenia, u prosumenta, w domowym magazynie energii. Najnowsze systemy wsparcia instalacji PV oferują dopłaty do takich magazynów. Należy się więc spodziewać gwałtownego ich wzrostu w najbliższych latach.
Na rynku dostępnych jest szereg rozwiązań bateryjnych magazynów energii znanych na zachodzie pod skrótem ESS (energy storage system). Najczęściej korzysta się tutaj z technologii ogniw litowo-jonowych, ale nie tylko. Magazyn taki, podobnie jak ogniwa w elektrykach, ma szereg wymogów związanych z jego bezpiecznym użytkowaniem. Poniżej w artykule postaram się przybliżyć przepisy z tym związane, jak też omówić możliwe zagrożenia. Materiał powstał na bazie webinarów w firmie Fronius i poradnika PPSRF-001/2022 „Wymagania ppoż. dla systemów magazynowania energii”.
W artykule skupię się jednocześnie na takich zagadnieniach jak:
- temperatura pracy magazynu energii
- wymagania dla pomieszczeń
- zagrożenie pożarowe
Nie będę natomiast opisywał zasad działania, czy doboru ESS. Jest to temat na osobny artykuł.
Temperatura pracy bateryjnych magazynów energii
Każdy akumulator ma swoje specyficzne parametry użytkowe, przy których pojemność magazynowanej energii, czy trwałość, są najwyższe. Wiedzą o tym doskonale właściciele samochodów elektrycznych. Projektant domowego magazynu energii musi więc przestrzegać wymagań producenta w tym zakresie. Przekroczenie dopuszczalnej temperatury pracy może bowiem prowadzić do zapłonu ogniwa i wywołać pożar całego budynku.
Dla większości ogniw litowo-jonowych optymalna temperatura pracy mieści się w granicach 20-40°C. Przekroczenie temperatury 40°C powoduje spadek żywotności baterii i wzrost zagrożenia pożarem. Na ogół ESS projektowane są do pracy w temperaturach dochodzących do 55-60°C, sporadycznie do wartości 85°C. Zawsze jednak przy tak wysokich temperaturach należy się liczyć z obniżoną mocą baterii. Niskie temperatury w miejscu montażu magazynu powodują z kolei straty energii związane z pracą układu autonomicznego wspomagania. Każdy współczesny magazyn wyposażony jest w tzw. „system zarządzania energią”. System ten monitoruje wszystkie parametry pracy, optymalizując je, aby uzyskać maksymalną wydajność baterii. Przy spadku temperatury w pomieszczeniu, spada np. pojemność magazynu, wydłuża się też czas jego ładowania. Aby temu zapobiec system kontroli temperatury podnosi wewnętrznie temperaturę (rozgrzewa baterię zużywając do tego cześć jej energii). Przeczytanie w ulotce informacji, że nasz magazyn może pracować do temperatury -10°C oznacza więc, że to tej temperatury system zarządzania energią będzie w stanie podtrzymywać działanie magazynu, ale zawsze będzie to związane z dużymi stratami energii.
Rys. Wzrost temperatury pracy podnosi pojemność ogniw nawet o 20%, ale sprzyja przyspieszonemu ich starzeniu się. Na wykresie przykładowy ubytek pojemności akumulatorów litowo-jonowych w zależności od ilości cykli pracy w danej temperaturze. (źr. greentechrenewables.com)
Co z przechowywaniem?
Zdarza się, że zakupiony magazyn energii z różnych przyczyn nie może być podłączony do instalacji i z konieczności jest magazynowany u inwestora. Czy to wpływa na jego jakość pracy? Zdecydowanie tak. Magazyny energii nie mogą być wiecznie składowane. Nawet nie podłączone do sieci akumulatory tracą powoli swoją pojemność i wymagają z tego powodu okresowego ładowania. Czas po jakim należy naładować akumulator zależy od temperatury przechowywania. Poniżej, w tabeli, podaję przykład magazynu LUNA 2000 firmy HUAWEI
Tabela. Interwały ładowania baterii litowej.
Warto też zwrócić uwagę, że istnieją granice takiego postępowania. Maksymalny czas magazynowania baterii określa jej producent. W przypadku opisywanej wyżej baterii Luna 2000 nie powinien przekraczać 3 lat. W tym czasie można ja doładować maksymalnie 3 razy.
Wewnątrz czy na zewnątrz budynku?
Teoretycznie magazyny energii mogą być montowane tak wewnątrz jak i na zewnątrz budynku. Decyduje o tym klasa szczelności magazynu. Jeśli magazyn posiada klasę IP65 i wyższą, może być instalowany w przestrzeni zewnętrznej. Pamiętajmy jednak, że w naszym klimacie temperatura powietrza na zewnątrz budynku będzie mogła spadać znacznie poniżej dopuszczalnej temperatury pracy magazynu. Jego pojemność i żywotność będą więc mocno ograniczone.
Podsumowując, z powyższych rozważań wynika, że domowy magazyn energii, dla zapewnienia optymalnej pracy, powinien być przechowywany w temperaturach dodatnich (>0°C), ale nie wyższych niż 40°C. Jeśli ESS nie posiada wbudowanych wentylatorów pomieszczenie takie powinno być jednocześnie wyposażone w aktywną wentylację.
Wewnątrz, czyli gdzie?
Pozostaje pytanie, w jakim pomieszczeniu umieścić magazyn? Czy może to być pomieszczenie mieszkalne, garaż, czy może lepiej piwnica budynku? Z punktu widzenia temperatury pracy najbardziej optymalne byłoby pomieszczenie mieszkalne, z temperaturą na poziomie 20°C. Niebezpieczeństwo wydzielania się szkodliwych substancji z akumulatorów, jak i teoretycznie ich samozapłonu wyklucza jednak takie rozwiązanie.
Przepisy odnośnie lokalizowania domowych ESS reguluje norma NFPA 855. Poniżej przytaczam jej najważniejsze aspekty.
- Pomieszczenie to powinno być pomieszczeniem technicznym, nie przeznaczonym na stały pobyt ludzi, z łatwym dostępem z zewnątrz.
- Ściany i stropy powinny być wykonane z materiałów niepalnych o klasie minimum EI30
- Do montażu ESS dopuszcza się garaż, jednak z uwagi na bezpieczeństwo magazynu, powinien on być w tym przypadku chroniony odbojnikami, aby uniknąć uszkodzenia w czasie parkowania samochodu
Fot. Przykład odbojnicy przy kanale wentylacyjnym (Laccery S.A.)
- Należy sytuować magazyny w pomieszczeniach suchych, nie narażonych na okresowe zalanie, a jeśli nie da się tego uniknąć, należy magazyn umieścić na podeście lub innym podwyższeniu
Na ścianie czy na podłodze?
Norma NFPA 855 podaje minimalne odległości magazynów od ścian, a także miedzy dwoma lub więcej magazynami. Przyjmuje sie przy tym, że pojemność pojedynczego stosu ogniw nie powinna przekraczać 50kWh. Magazyny o takiej pojemności powinny być w pomieszczeniu oddalone od siebie o 3 stopy, czyli w przybliżeniu 0,9m. Taka sama odległość powinna być zastosowana między magazynem, a ścianą. Wartości te wynikają z badań ppoż. przeprowadzanych w ramach certyfikacji magazynów. Poniżej zamieszczam oryginalny rys.
W przypadku domków jednorodzinnych należy liczyć się z magazynami o mniejszej pojemności niż 50kWh, stąd ilość jednostek nie przekroczy jednej na całe pomieszczenie. Z uwagi na to, przy montażu należy przestrzegać ściśle zaleceń producenta baterii. Zwykle producenci dopuszczają tutaj zarówno montaż ścienny jak i wolnostojący. Przy montażu ściennym należy pamiętać, że magazyn ma duża masę i wymaga ścian wykonanych z betonu lub cegły. Na ścianie pod magazynem nie należy nic więcej montować. Magazyn powinien być z dala od materiałów łatwopalnych, jak i urządzeń wytwarzających ciepło (zwykle min. 1,0m odległości). Należy zapewnić minimalne odległości od stropu i ściany bocznej, dla swobodnego odprowadzania nadmiaru ciepła.
Czy magazyn energii można zamontować w piwnicy?
Piwnica jest miejscem problematycznym pod względem montażu magazynów energii. Największe zastrzeżenia budzi wśród strażaków. Jakikolwiek pożar magazynu wiąże się tutaj z dużym zagrożeniem dla ekipy gaszącej. Piwnica jest trudna w wentylacji, dym pochodzący z pożaru zawiera szereg trujących substancji, które mogą bardzo utrudniać akcję gaśniczą. Piwnice są też w największym stopniu narażone na zalanie wodą w wyniku:
- lokalnych podtopień wynikających z podnoszenia się poziomu wód gruntowych
- podbijania ścieków w kanalizacji ogólnospławnej (jeśli w piwnicy znajduje się kratka ściekowa połączona z taką siecią)
- braku lub wadliwej izolacji przeciwwilgociowej ścian i intensywnych opadów deszczu, skutkujących infiltracją wody przez ścianę
Projektowanie magazynu w piwnicy musi uwzględniać wszystkie ww. aspekty i skutkować dodatkowymi rozwiązaniami w budynku, jak np. czujkami dymu.