VADEMECUM FOTOVOLTIKY
Na Slovensku v rokoch 2009 až 2011 zažiarila technologicko-obchodná hviezda s názvom fotovoltika - výroba elektriny zo slnečného svetla. Našťastie u nás sa z nej nestala supernova ako u našich susedov v Českej republike. Či má táto technológia šancu na ďalšie pokračovanie, alebo dokonca zmysluplný rozvoj, skúsim odpovedať v tomto článku.
Malý historický úvod
O celkovej histórii fotovoltiky sa môžete dočítať v množstve informačných zdrojov, preto len krátko zhrniem jej slovenskú časť. Počiatky reálneho využitia solárnych panelov na Slovensku sa začínajú okolo roku 2007 a 2008, kedy sa začali dovážať a montovať prvé systémy s pár panelmi. Inšpirácia prichádzala z Nemecka, USA, ale najmä z Čiech, ktoré pár rokov predtým prijalo zákonnú podporu obnoviteľných zdrojov energie. Tento zákon sa netýkal len fotovoltiky, ale celkovo obnoviteľných zdrojov. Vzhľadom na prijatú legislatívu Európskej únie aj náš parlament prijal zákon (č. 309/2009 Z.z.), ktorý dal možnosť obnoviteľné zdroje - Slnko, vietor, vodu, biomasu, bioplyn a iné - využívať rentabilne. Množstvo odborníkov a nadšencov sa potešilo. Bohužiaľ podobne (aj keď v menšej miere ako v Čechách) sa z fotovoltiky stal „veľký biznis".
Po prijatí zákona v septembri 2009 sa naplno rozbehli inštalácie. V priebehu roka 2010 bolo nainštalovaných vyše 200 MW. Kvôli predstave - je to viac ako výkon MVE Liptovská Mara a asi polovina jedného bloku AE Mochovce. Aj keď väčšina výkonu bola vo väčších projektoch - do a nad 1 MW - tak čo sa týka množstva inštalácií, prevažovali projekty na strechách budov. Podobný trend pokračoval aj v prvej polovici roku 2011, keď sa inštalovaný výkon zdvojnásobil.
Naša vláda a parlament sa zľakli českého vývoja a v priebehu rokov 2010 a 2011 zmenili názor na podporu rozvoja slnečnej energetiky. Tomu odpovedala aj zmena legislatívy a cenovej podpory, s tým, že v súčasnej dobe už nie je možné na budovanie fotovoltických elektrární použiť voľnú plochu. Budovať FVE je možné iba na budovách a iba do výkonu 100 kW. Navyše regulačný úrad (ÚRSO) svojou najnovšou vyhláškou znovu znížil cenu doplatku na podporu fotovoltiky.
Možnosti fotovoltiky
Z dlhodobého hľadiska sa priama premena slnečnej energie na energiu elektrickú ukazuje ako najperspektívnejší spôsob. Každý iný spôsob je zaťažený stratami v procese premeny. Na dobu, keď budeme mať technológie s účinnosťou premeny nad 95 % si ešte dlho počkáme, a preto sa budem venovať krátkodobým a strednedobým horizontom.
Rozvoj využitia solárnej energie je, okrem iného, určovaný jej návratnosťou. Energetická návratnosť výroby samotných panelov sa v našom regióne pohybuje na úrovni troch rokov. Samozrejme je to ovplyvnené správnou inštaláciou a ďalšími okolnosťami, avšak pri ich optimálnom nasadení panel s viac ako 20 ročnou životnosťou vyrobí za tri roky toľko energie, koľko bolo vložené celkom do jeho výroby.
Pri finančnej návratnosti treba brať do úvahy viac faktorov. Treba uvažovať s celkovými nákladmi na výrobu energie. Znamená to nielen panely, ale aj celý reťazec až ku spotrebe elektriny vrátane nákladov na obsluhu, údržbu a prípadné opravy. Preto sa síce dá vypočítať finančná návratnosť jednotlivých projektov, ale je prakticky nemožne stanoviť akékoľvek jednotné číslo. Z tohto dôvodu sa najmä pri štandardnom spôsobe výroby elektriny (bežná FVE pripojená do elektrickej distribučnej siete) používa pojem „Grid Parity". Tento pojem vyjadruje okamih, kedy cena elektriny vyrobenej zo Slnka bude rovná cene na trhu, to znamená bežnej komerčnej elektriny vyrobenej z klasických (konvečných) zdrojov - uhlie, plyn alebo jadrové elektrárne. Na Grid Parity má vplyv nielen klesajúca cena FV technológie, ale aj opačný proces - nárast cien konvenčných zdrojov. Bohužiaľ nerastné zdroje majú svoje limitované množstvo, a ukazuje sa, že ich vyčerpanie je bližšie ako sa v počiatku ich využívania zdalo. Narastajúce bezpečnostné opatrenia na ochranu týchto zdrojov sa tiež prejavujú v cene elektriny - jadrové havárie, odstavovanie atómových elektrární a pod. Dosiahnutie tejto Grid Parity sa očakáva v priebehu blízkej budúcnosti - 3 až 10 rokov. Dokonca odborníci hovoria, že napr. Havajské ostrovy už dospeli k tomuto okamihu. Tam kde sa energia musí dovážať je zákonite drahšia.
Použiteľné technológie a ich budúcnosť na Slovensku
Najskôr skúsim vymenovať technologické možnosti, a následne ich ohodnotiť z hľadiska použiteľnosti a perspektívy rozvoja.
Premena fotónov na elektrinu je doména najmä fotovoltiky. Avšak i v súčasnej dobe sa používajú (a rozvíjajú) ďalšie spôsoby, ktoré používajú medzistupne premeny.
Koncentrovaná slnečná tepelná elektráreň
Najčastejšie je medzi svetlo a elektrinu vložené teplo a pohyb. Tento spôsob sa nazýva CSP - Concentrated Solar Power (Sústredená slnečná energia). Slnečná energia sa sústredí do menšieho priestoru napr. bodu alebo priamky. Sústredenie sa vykoná pomocou zrkadiel alebo šošoviek. Koncentrované slnečné žiarenie ohrieva (na vysoké teploty) iné médium. Aj tu viac možností: para, teplonosná kvapalina, roztopená kamenná soľ a ďalšie. Pokiaľ sa použije para, ide priamo do parných generátorov obdobných ako v tepelnej elektrárni (uholnej, plynovej, ale aj jadrovej).
Pri použití iného média sa energia zväčša uchová vo forme tepla, na čas keď ju treba. Následne sa teplo odvedie do pary a v parných elektrogenerátorch sa premení na elektrinu.
Potiaľ je táto myšlienka jednoduchá, ale: teploty v ohnisku koncentrácie sú aj vyššie ako 1 000 °C. Kedže sa Slnko celý deň pohybuje po oblohe (obrazne, ja viem, že sa pohybuje Zem), zabezpečenie, aby slnečné lúče smerovali do správneho bodu a nie inde, vyžaduje natáčanie zrkadiel (šošoviek). Koncentrácia množstva energie potrebuje taktiež veľkú plochu, z ktorej sa energia zberá. Aj keď tento systém je uvedený ako prvý, je to najmä pre jeho veľkosť. Osobne nepredpokla-dám, využívanie na Slovensku. Z viacerých dôvodov. Prvý je cena pozemkov, ktorá oproti nevyužiteľnej púšti, napr. v Afrike je podstatne vyššia. Použiteľnosť pôdy a horizontálna členitosť je u nás tiež iná ako v plochých častiach Španielska alebo Kalifornie. Vývoju podobných rozľahlých projektov bráni aj územná rozdrobenosť našich katastrov. Pomerne veľkou prekážkou je tiež vyššia priemerná vlhkosť nášho geopriestoru. Hmly, nízka oblačnosť alebo sneh môžu ekonomiku túto technológiu narušiť. Okrem toho je súčasná legislatíva dosť striktne postavená, a nie je prakticky možné takýto projekt ani začať.
Koncentrovaná fotovoltika
I napriek postupnému trendu lacnejších technológií pre fotovoltiku je polovodičový základ (kremík, gálium, telur, kadmium, ...) stále drahý a je-ho premena na koncový výrobok je tiež drahá. Preto, ako jeden zo spôsobov znižovania cien technológie, bol vyvinutý systém koncentrova-nej fotovoltiky - CPV (Concentrated Photo Voltaics).
Princíp je veľmi jednoduchý: dnes bežne používané materiály vedia premeniť približne 10 % až 20 % voľne dopadajúceho svetla a zvyšovanie tejto účinnosti je nákladné. Potom na miesto zlepšovanie účinnosti premeny priveďme na polovodič viac svetla. Na jeden meter štvorcový plochy dopadá rádovo 1 000 W slnečnej energie. Pokiaľ pokryjeme túto plochu polovodičom vieme získať aj 200 W elektrického výkonu. Potrebujeme však 1 m2 polovodiča (pri vrstvách tisícin až milióntin milimetra). Pokiaľ by sa pred ďaleko menší polovodič dala lupa (šošovka) je možné plochu polovodiča zmenšiť približne na desatinu a menej. V takto zjednodušenom podaní je to takmer geniálne. Nastavajú však ďalšie obtiaže (výzvy). Pri koncentrácii svetelných lúčov vzniká okrem ostrejšieho svetla aj viac tepla a polovodičové materiály vo všeobecnosti pracujú horšie so stúpajúcou teplotou, preto je treba chladenie. Ďalší problém je so samotnou šošovkou a jej optickými vlastnosťami. Aby sústredené svetlo dopadalo na polovodič je potrebné zabezpečiť, aby os šošovky smerovala priamo k Slnku.
Práve tieto okolnosti nezvýhodňujú náš región pri masovejšom nasadení CPV. Aj keď sledovače Slnka (trakery) boli nasadené aj na južnom Slovensku, stále sa od nich očakáva vyššia presnosť. Poľnohospodárska a industriálna prašnosť tak ako v predchádzajúcom prípade je problematickým faktorom.
BIPV - fotovoltika integrovaná do budovy
Building Integrated Photovoltaics je veľmi sľubný odbor fotovoltiky. Technológia je v podstate štandardná fotovoltika, len samotný systém je od začiatku navrhovaný ako časť stavebného objektu. Ide o náhradu strešnej krytiny, fasádu budovy vo forme panelov, použitie čiastočne priesvitných, alebo prehliadaných, panelov. Použitie iných farieb v polovodičoch, netradičné tvary - oblúky, trojuholníky; toto všetko spadá do BIPV.
Najčastejšie sa s takýmito možnosťami uvažuje už pri návrhu budovy, avšak aj pri renovácii a prestavbe je možné tieto prvky použiť. Samozrejmosťou je precízne uschovanie kabeláže a iných inštalačných prvkov. Niekedy je použitý opačný prístup, namiesto skrývania, umelecké zvýraznenie.
Francúzsko je krajina, ktoré je najväčším propagátorom a používateľom tohto prístupu. Ale aj na Slovensku máme pekný príklad - plavecký bazén v Poprade na aqua centre má v stene zabudované FV panely. Tie cez deň tienia a súčasne vyrábajú elektrinu. Práve v tejto a ďalších oblastiach očakávam najväčší rozvoj.
Ostrovné systémy
Ostrovný systém je FVE, ktorá nie je pripojená do veľkej elektrickej siete - distribučnej sústavy. Všetka elektrina je spotrebovaná v mieste výroby, a pokiaľ treba elektrinu na čas kedy Slnko nesvieti, musíme ju uskladniť. Na tento účel sa používali pomerne veľké batériové zostavy. A aj keď je tento systém drahší ako FVE pripojené do distribučnej siete, je stále veľa miest, kde predstavuje jednu z nemnohých možností mať miesto elektrifikované.
Ostrovné systémy boli veľmi populárne v Nemecku v začiatkoch používania fotovoltiky ako alternativného zdroja elektriny, najmä tam, kde zavedenie elektrickej siete nebolo možné alebo neúčelne drahé. Postupom času sa takéto miesta zaplnili, ale fotovoltika aj vďaka nim, začala byť považovaná za pomerne stabilný zdroj energie. Čím ďalej viac sa začali objavovať FVE pripojené k distribučnej sieti a drahšie ostrovné systémy začali ustupovať. V súčasnosti väčšina nových FV systémov je realizovaná ako pripojená do siete.
V poslednom čase však ostrovné systémy začínajú zažívať opätovný, aj keď pozvoľný, nárast. To je spôsobené najmä rozvojom lacnejších techník uskladňovania elektriny. Okrem gélových elektrolytov sú to rôzne typy palivových článkov, vodíkové hospodárstvo a iné.
Komunálna fotovoltika
Komunálna fotovoltika znamená využitie takejto energetiky v obciach a mestách. Na rozdiel od „jednoduchej" elektrárne pripojenej na distribučnú sieť je použitý ostrovný, alebo hybridný fotovoltický systém. Taktiež štandardný výkon sa bude pohybovať v desiatkach a stovkách wattov. Často ide o jeden, dva FV panely, ktoré napájajú malú aplikáciu. Je možné napájať napr. jednotlivé lampy pouličného osvetlenia, bezpečnostné kamery mestskej polície (často s bezdrôtovým pripojením), orientačné merač príjazdovej rýchlosti, parkovacie automaty. Zvláštnosť takýchto systémov je, že fotovoltická časť je často len malou súčasťou, ktorá umožňuje umiestnenie na miesta, ktoré sú inak bez prístupu k elektrine. Dôležitý bod pre takéto systémy je dobre plánovaná spotreba. Napríklad pre pouličné osvetlenie ba už pri systémovom návrhu rátať s nízko príkonovými ultra jasnými LED svietidlami.
Napájanie zariadení
V tejto oblasti je zrejme fotovoltika považovaná užívateľmi ako stabilná a rozvinutá technológia. Málokto nepozná kalkulačku s malým solárným panelíkom na jej napájanie. Bežne sa používajú už pomerne dlhú dobu. V posledných dvoch, troch rokoch sa začali predávať rôzne solárne nabíjačky pre mobilnú elektroniku. Veľkosťou, účelnosťou, ale aj životnosťou naplňujú celú škálu zariadení od malých pre mp3 prehrávače až k zariadeniam schopným predĺžiť čas práce na notebooku. Čoraz častejšie sa na trhu objavujú tašky na notebook, brašňy na fotoaparát, alebo batohy s integrovaným FV panelom. Výrobcovia notebookov, alebo smartfónov si tiež uvedomujú že ich výrobky majú veľkú plochu a často ležia len tak na stole v kancelárii, alebo inde na Slnku. Preto sa pokúšajú integrovať FV panely do zadných krytov, na zadné strany displeja a podobne.
Zhrnutie a záver
Vyššie vymenované oblasti: koncentrovaná slnečná tepelná elektráreň, koncentrovaná fotovoltika, BIPV - fotovoltika integrovaná s budo-vou, ostrovné systémy, komunálna fotovoltika a napájanie zariadení majú každá svoje špecifiká.
Prvé dve technológie využívajúce koncentráciu slnečného svetla nemajú asi v našej oblasti veľkú budúcnosť. Osobne si myslím, že aj vďaka legislatíve v oblasti obnoviteľných zdrojov, nebude záujem investorov na ďalšie veľké investície do ich masového rozvoja. Navyše obe technológie potrebujú pomerne komplexné pohyblivé konštrukcie, a preto sú prednostne umiestňované na voľné plochy, ktoré sú dosť rozľahlé.
BIPV má veľkú budúcnosť avšak vo väčšine prípadov pôjde o architektonický doplnok stavby. BIPV systémy, práve vďaka ich špecifickosti, sú drahšie ako klasická komerčná (masová) fotovoltika. To ju predurčuje najmä na budovy, kde majú „zelená" architektúra a dizajn primárny účel, a tým pádom vedia zhodnotiť tieto investície.
Pri napájaní zariadení som veľký optimista v oblasti použitia. Skôr či neskôr sa väčšina z nás stane používateľom týchto technológií. Budeme nosiť tašky, vetrovky, čapice a iné doplnky, ktoré nám pomôžu napájať naše večne „hladné" technológie. Integrácia fotovoltiky do zariadení bude štandardným krokom návrhu. Avšak z hľadiska účasti Slovenska, slovenského priemyslu a vývojárov budeme na okraji tohto diania.
Dva najperspektívnejšie obory vidím v ostrovných systémoch a komunálnej fotovoltike.
Ostrovné systémy dovolia mať elektrinu tam, kde sa s ňou dlho nepočítalo - záhradné kolónie, horské chaty, záhradné búdy, odľahlé usadlosti a kdekoľvek kde elektrická sieť bola nedostupná. Ako sa k takému systému dostať: najmä sa treba obrátiť na odborníkov - to môže ušetriť, ako aj peniaze, tak problémy v budúcnosti. Kedže toto nie je reklamný článok, tak okrem „googla" vás odporučím na Slovenskú asociáciu fotovoltického priemyslu.
Ako bolo písané, komunálna fotovoltika je určená pre obce, mestá. Tie budú rozhodovať o jej nasadení a využití pre občanov. Pri napätých rozpočtoch samospráv je ťažko hovoriť o investičných programoch, ale niektoré aplikácie nevyžadujú veľké investície, a iné pomôžu ušetriť množstvo peňazí a rýchlo svoju investíciu splatiť. Navyše i v počiatočnej investícii je možné využiť fondy a granty. Odrazovým mostíkom môže byť štátna Slovenská inovačná a energetická agentúra, ktorej časť zodpovednosti je práve v podpore takýchto projektov. Treba sa skúsiť obrátiť aj na vašu distribučnú spoločnosť, každá jedna mala záujem na podpore takýchto projektov.
Pri písaní tohto článku som si kládol za cieľ dať rýchly náhľad kam sa fotovoltika pohne v priebehu nasledujúcich pár rokov najmä na Slovensku. Nakoľko je to oblasť značne rozsiahla nepostihol som zrejme všetky možnosti, a i tieto som len naznačil preto celý text berte ako inšpiráciu a odrazový bod kam sa pohnúť ďalej.
Ing. Pavel Šimon, CSc.
Pridať komentár
Prefinancujte si verejné solárne osvetlenie
Rozhodli ste sa pre energeticky úsporný projekt pre vaše mesto alebo obec, ale nestihli ste požiadať o dotáciu z EÚ fondov? Nič nie je stratené, pretože je tu ďalšia možnosť ako získať prostriedky na jeho realizáciu.