Renesance DC napájení

Napájení stejnosměrným proudem (DC) je v současné době mezi odborníky velmi diskutované téma. Stejnosměrné napájení poskytuje především obrovský potenciál úspor, a to jak v oblasti budov, tak v průmyslu.

Elektrické napájení budov a průmyslu je dosud standardně řešeno na bázi střídavého proudu (AC). Toto je dáno historickým vývojem. Již koncem 19. století umožnily Teslovy vynálezy v oblasti střídavého proudu přenos elektrické energie na velké vzdálenosti, což pomocí stejnosměrného proudu nebylo po mnoho desítek let možné realizovat. V důsledku toho se tak střídavý elektrický systém rozšířil po celém světě. V současné době však vyspělá výkonová elektronika poskytuje nové možnosti pro téměř bezztrátovou přeměnu stejnosměrného proudu, a přináší tak další potenciál pro efektivnější přenos a přeměnu elektrické energie. Pro současnou ekologickou výrobu stejnosměrného proudu lze navíc plně využít obnovitelné zdroje energie (OZE).

Obnovitelné zdroje energie

Vývoj cen za elektřinu v posledních letech vedl k tomu, že stále více domácností investuje do obnovitelných zdrojů energie. Trend většího využívání OZE je podporován i energetickou politikou Evropské unie, k jejímuž prosazování se hlásí i Česká republika. Strategie Evropa 2020 je stěžejním dokumentem EU pro období let 2010 až 2020 a vytyčuje pět vzájemně provázaných cílů týkajících se zaměstnanosti, výzkumu a vývoje, změny klimatu a energetiky, vzdělávání a snižování chudoby. V oblasti změny klimatu a energetiky by mělo být dosaženo deklarovaných cílů tzv. koncepce 20-20-20, tedy snížení energetické náročnosti ekonomiky o 20 %, zvýšení podílu obnovitelných zdrojů energie v energetickém mixu na 20 % a snížení emisí skleníkových plynů o 20 % oproti úrovním roku 1990. Pilířem této strategie je iniciativa nazvaná Evropa méně náročná na zdroje. Jejím záměrem je mj. podpořit posun směrem ke společnosti méně náročné na zdroje a s nízkou produkcí uhlíku využívající efektivně všechny zdroje.

Na vnitrostátní úrovni budou muset členské státy např.:
– přestat používat dotace škodlivé pro životní prostředí,
– používat regulační nástroje, normy energetické náročnosti budov a tržně orientované nástroje, jako jsou daně, dotace a veřejné zakázky, ke snižování spotřeby energie a zdrojů, a také využívat strukturální fondy k investicím do energetické účinnosti ve veřejných budovách a do účinnějšího recyklování,
– podněcovat vznik nástrojů na úsporu energie, jež by mohly zvýšit energetickou účinnost energeticky náročných odvětví, např. nástrojů založených na využívání informačních a komunikačních technologií.

Obr. 1. Fotovoltaické systém jsou stále častěji integrovány do fasád budov

Toto má za následek ovšem také vzrůst nákladů vlastníků či provozovatelů administrativních budov na instalace a využití obnovitelných zdrojů energie. Tito vlastníci a provozovatelé jsou tak postaveni před rozhodnutí, zda vůbec investovat do OZE, popř. jakou formu OZE přitom zvolit. Mezitím přicházejí architekti a projekční kanceláře s novými koncepcemi na využívání fotovoltaických zařízení v technickém vybavení budov (TVB). Obecně jde o instalace fotovoltaiky nejen na střechu a do střechy, ale také stále častěji do fasády budov (obr. 1).

Nepřímé využití vyrobené energie včetně ukládání

U tohoto způsobu využití je fotovoltaická energie přeměněna pomocí střídače na střídavé napětí a poté je buď spotřebována v místě výroby na pokrytí vlastní potřeby, nebo vedena dále jako přebytečná energie do veřejné rozvodné sítě. Současně s tím lze využít standardní systém pro ukládání přebytečné solární elektřiny do baterií (střídačem vyrobené střídavé napětí je však třeba napřed usměrnit). Přestane-li fotovoltaické zařízení z důvodu nedostatku slunečního záření vyrábět elektrickou energii, může uživatel tohoto systému použít elektřinu uloženou v bateriích. Elektrická energie uložená v bateriích se pomocí střídače opět přemění na střídavé napětí a uzpůsobí se síťové frekvenci 50 Hz. Využitím systému pro ukládání elektrické energie se tak zvyšuje podíl vlastního využití OZE.

Z výše uvedeného je zřejmé, že je třeba více procesů přeměny střídavého proudu na stejnosměrný a naopak (AC/DC a DC/AC), aby bylo možné zajistit funkčnost celého systému. V této souvislosti je střídavé napětí vlastně použito pouze pro přenos energie uvnitř systému, neboť většina koncových přístrojů (výpočetní technika, LED osvětlení, chytré telefony, elektrovozidla atd.) je vybavena napájecími zdroji, které přeměňují střídavý proud na stejnosměrný a teprve poté ho elektronicky dále „zpracovávají“. Tento zdánlivě nekonečný procesní řetězec je znázorněn na obr. 2.

Obr. 2. Nepřímé využití vyrobené energie včetně úložného systému

Obr. 3. Přímé využití vyrobené energie včetně úložného systému

Přímé využití vyrobené energie včetně ukládání

Fotovoltaická zařízení vyrábějí stejnosměrné napětí. Elektrické systémy pro ukládání elektrické energie pracují také se stejnosměrným napětím a koncové přístroje rovněž interně fungují na stejnosměrné napětí. Toto vede nutně k úvaze, zda by nebylo výhodnější vyrobené stejnosměrné napětí přímo rozvádět a využívat uvnitř budovy, tedy „vynechat“ přeměnu na střídavé napětí. Tím by se procesní řetězec značně zredukoval, protože by odpadlo mnoho procesů energetických přeměn AC/DC a DC/AC (obr. 3).

Energetická účinnost

Aby bylo možné porovnat účinnost stejnosměrných a střídavých instalací v poměru 1 : 1, bylo by třeba provozovat obě soustavy paralelně za stejných podmínek a příslušné údaje metrologicky zaznamenávat. Tento způsob by byl však značně neekonomický, a tedy nesmyslný. Proto postačí vycházet při tomto porovnání z údajů účinnosti uváděných výrobci napájecích zdrojů, UPS zdrojů, střídačů atd. Tím lze získat na základě zmíněného procesního řetězce přibližný odhad účinnosti celé soustavy.

Nejprve se podívejme na procesní řetězec střídavé soustavy znázorněný na obr. 4.

Použitím obecného vzorce pro výpočet účinnosti: η = η1·η2·…·ηn
dostaneme po dosazení údajů z obr. 4
η_AC = 0,97·0,95·0,85 = 0,783 ⇒ ca 78 %

Stejným způsobem lze vypočítat celkovou účinnost u procesního řetězce stejnosměrné soustavy znázorněné na obr. 5:
_ηDC = 0,97·0,96·0,95 = 0,884 ⇒ ca 88 %

Při porovnání obou procesních řetězců je patrné, že se vypuštěním některých článků energetické přeměny zvýší účinnost stejnosměrné soustavy oproti střídavé přibližně o 10 %.

Obr. 4. Procesní řetězec střídavé soustav

Obr. 5. Procesní řetězec stejnosměrné soustavy

Technický pokrok

Moderní společnost čelí v současné době stále dynamičtějšímu vývoji nových technologií a novým technickým trendům. Toto platí jak pro vybavení informační a komunikační technikou, jako jsou např. počítače, laptopy, telefony aj., tak také pro moderní technologické trendy, které ovlivňují technické vybavení budov a jejich využívání (obr. 6). Statisticky se intervaly elementárních technických změn zkracují, protože zdvojnásobení stupně integrace integrovaných obvodů činí v průměru asi 18 měsíců (Moorův zákon). Z tohoto důvodu je stále těžší pořizovat dlouhodobě vhodné vybavení výpočetní techniky pro kancelářské pracovníky a integrovat ho do stávající infrastruktury kancelářských budov. Jako příklad lze uvést stále rostoucí požadavky na přenosové rychlosti/výkony či napájení po Ethernetu PoE (Power over Ethernet). Chce- -li si moderní firma udržet konkurenceschopnost, musí se rychle přizpůsobovat a v obou výše zmíněných případech reagovat flexibilně a hlavně včas.

Obr. 6. Výkon současných špičkových chytrých telefonů odpovídá výkonu běžných laptopů – v budoucnu by je měly nahradit

Změna trendu směrem k DC

Napájení stejnosměrným proudem je v praxi vyžadováno na nesčetných místech. Ve stále větší míře se prosazuje DC napájení u elektrických přístrojů a zařízení. Čím častěji dochází v procesním řetězci přenosu energie k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný a opačně, tím výhodnější je energetické napájení stejnosměrným proudem.

Stěžejní součást v oblasti zásobování elektrickou energií představují pro budoucnost obnovitelné zdroje energie. S jakou účinností se toto bude dít, v podstatě rozhodne o tom, zda budou dosaženy stanovené ekonomické a ekologické cíle Evropské unie a jejích členských států. V popředí zájmu jsou především výpočetní střediska, protože tam je potřeba elektrické energie stále větší a je zde také legitimní tlak na využívání stejnosměrného napětí.

Tak např. ve výpočetním středisku se základní plochou 1 000 m2 je instalováno nezřídka až 8 000 přístrojů výpočetní techniky, které interně pracují většinou se stejnosměrným napětím 5 až 24 V. Všeobecné elektrické napájení výpočetních středisek odpovídá svými napěťovými parametry 400 V AC běžnému standardu. Za napájecím bodem budovy následuje výše popsaný procesní řetězec střídavé soustavy s nekonečně se opakujícími procesy energetických přeměn AC/DC a DC/AC. Na základě velkého počtu přístrojů ve výpočetních střediscích a konstrukčního řešení těchto budov většinou s plochou střechou se přirozeně nabízí použití fotovoltaiky jako doplňkového obnovitelného zdroje energie. Tento trend sleduje mnoho velkých koncernů z oblasti telekomunikací. Tyto podniky používají pro své systémy již delší dobu napájení 48 V DC, a nemusejí tak řešit problémy s dotykovým napětím, jak je tomu u nové techniky využívající napájení 380 V DC.

Nová soustava 380 V DC přináší zase oproti dříve používanému napětí 48 V DC dodatečný potenciál úspor, a to především u kabeláže. Pokud bylo třeba dosud přenést např. 100 kW výkonu od zdroje napájení ke koncovému přístroji, muselo se k tomu použít 20 měděných kabelů s průřezem 325 mm2 – enormní zátěž jak finanční, tak pracovní. Pokud by se měl stejný výkon přenést v soustavě 380 V DC, byly by k tomu třeba pouze dva měděné kabely s průřezem 200 mm2 . Méně měděných kabelů ve výpočetním středisku znamená méně kabelových tras nad serverovými racky uloženými u stropu nebo ve dvojité podlaze. Obojí by vedlo k optimalizaci větrání, a tedy k účinnější klimatizaci výpočetního střediska. Toto by dále přineslo synergický efekt, i když ten souvisí s DC technikou jen nepřímo.

Tato témata jsou v současné době živě diskutována na mezinárodních konferencích a kongresech, kde jsou mj. také prezentovány referenční projekty a doporučená řešení.

Soustava 380 V DC a bezpečnost

Téma stejnosměrného napětí není v podstatě ničím novým (pomineme-li počátky aplikované elektřiny, tj. dobu T. A. Edisona), neboť již delší dobu existuje mnoho dobře fungujících aplikací. Jako příklad lze zde uvést telekomunikace (48 V DC), drážní zabezpečovací techniku (24/60 V DC), elektrobusy (obvykle 600 V DC) nebo tramvaje (600/750 V DC). Zkušenosti s používáním stejnosměrného napětí tedy existují. To, co je nové, to jsou pouze případy použití DC napájení v administrativních budovách a výpočetních střediscích.

V těchto objektech je však třeba respektovat jiné požadavky s ohledem na ochranu osob a elektrických zařízení a na ochranu před požárem. Zde se koncoví uživatelé (laici) nacházejí např. při zapínání/vypínání světel nebo při připojování elektrických přístrojů do zásuvek v bezprostřední blízkosti stejnosměrného napětí. Laik v těchto činnostech obvykle nevidí žádné nebezpečí, protože pro něj představují běžnou rutinu používanou ve „světě“ střídavého napětí. Z elektrotechnického hlediska jde však o dva odlišné „světy“.

U střídavého napětí prochází sinusová křivka 100krát za sekundu nulovým bodem, což zjednodušuje zhasínání světla, rozpojování zásuvných spojení nebo zaúčinkování jističů vedení. Naproti tomu stejnosměrné napětí (jak vyplývá již ze samotného názvu) má jednu konstantní napěťovou hladinu (tedy žádný průchod nulou), což v důsledku energetického potenciálu představuje pro spínání, rozpínání a vypínání skutečný elektrotechnický problém – jde o výzvu hodnou moderního řešení. Touto problematikou se zabývají standardizační grémia po celém světě a v prvních veřejně podporovaných projektech se testují vhodné typy přístrojů. Tento výzkum je však zaměřen spíše na budoucnost než na přítomnost.

Jak bylo již zmíněno, již nyní jsou k dispozici bohaté zkušenosti s používáním stejnosměrné techniky, a také existuje vhodné elektrické vybavení pro realizaci stejnosměrných instalací např. ve výpočetních střediscích. Kromě toho jsou v současné době např. za spolupráce s vybranými koncovými zákazníky prováděny praktické testy s autonomními psacími stoly a prezentačními obrazovkami napájenými z baterií na bázi stejnosměrného napětí 24/48 V (obr. 7 a obr. 8).

Obr. 7. Technologie autonomního způsobu práce – příklad 1: flexibilně použitelný psací stůl napájený z baterie s kapacitou na dva pracovní dny

Obr. 8. Technologie autonomního způsobu práce – příklad 2: flexibilně použitelný monitor napájený z baterie s kapacitou na šest až osm hodin

Závěr

DC napájení je pro blízkou budoucnost považováno odborníky za nevyhnutelné. V současné době probíhají nejrůznější výzkumné projekty, které se zabývají využitím DC napájení v celém spektru aplikací, mj. také v budovách i v průmyslu. V této souvislosti se dostává stále více do popředí využívání obnovitelných zdrojů energie. Nejde přitom pouze o výrobu co největšího možného množství zelené elektřiny (především ze slunce a větru). Stejně tak důležitý je potenciál úspor, který umožní přechod na udržitelné zásobování elektrickou energií na bázi stejnosměrného napětí. Tento potenciál vznikne odpadnutím (neexistencí) ztrát z mnoha energetických přeměn AC/DC a DC/AC. Využívání a skladování elektřiny z obnovitelných zdrojů energie na jedné straně a požadavek na energetické úspory na druhé straně tak představují nové výzvy pro projektování a provoz výpočetních středisek a administrativních budov.

Také v průmyslu existují již nyní pilotní projekty pro kompletní napájení výrobních jednotek výhradně stejnosměrným proudem. Součástí těchto řešení je rovněž krátkodobé skladování přebytečné elektrické energie v bateriových úložištích. Napájení DC proudem je také velmi vhodné pro rekuperaci brzdné energie např. z průmyslových pohonů zpět do stejnosměrné sítě. Stranou pozornosti nezůstávají ani kabely určené pro stejnosměrný proud. V Německu startuje projekt DC průmysl 2, který je zaměřen především na výzkum dlouhodobé stability izolačních materiálů pro DC kabely a vedení.

S DC technikou je naplňována základní myšlenka na přímé využívání stejnosměrného napětí vyrobeného ve fotovoltaických zařízeních, jakož i snížení procesů energetické přeměny AC/DC a DC/AC. Toto mj. také přispívá významným podílem k minimalizaci provozních nákladů a snižování uhlíkové stopy.

DC napájení – téma na Hannover Messe 2019
Na světovém technologickém veletrhu Hannover Messe 2019 byl celý jeden pavilon, jehož zřizovatelem byl svaz ZVEI (Ústřední svaz německého elektrotechnického průmyslu), věnován elektrickému stejnosměrnému napájení. Kromě vystavujících velkých elektrotechnických firem byly zde prezentovány také poznatky získané z výzkumného projektu DC průmysl, který se zabývá dvěma ústředními tématy, a to:
1. Jak lze v průmyslové praxi prosadit stejnosměrné sítě s centrální přeměnou jako energeticky úspornou alternativu především pro pohony ve výrobě.
2. Jak lze lépe do výroby elektřiny integrovat obnovitelné zdroje energie.

Literatura:
[1] Německý odborný časopis pro elektrotechniku de, č. 20/2017 a 19/2019, vydavatelství Hüthig & Pflaum Verlag GmbH München (www.elektro.net/heftarchiv).
[2] www.msmt.cz/vyzkum-a-vyvoj/strategie-evropa-2020