Fotovoltika a jej postavenie na Slovensku
Fotovoltika ako technológia priamej výroby elektrickej energie zo slnečného žiarenia je na Slovensku zatiaľ veľmi málo rozšírená. Dôvodov je viac – zásadný je však nedostatok informácií, ktorý – naopak – sprevádza mnoho mýtov. Samozrejme, dlho očakávaná podpora zo strany štátu sa nakoniec ukazuje tiež ako faktor, ktorý využívaniu tohto obnoviteľného zdroja energie veľmi nepomôže.
Fotovoltika je technológia, ktorou sa vyrába elektrická energia zo slnečného žiarenia. Začala sa vyvíjať v 50. rokoch minulého storočia v súvislosti s nástupom polovodičov, ktoré umožňujú priamu premenu slnečného žiarenia na elektrickú energiu. Ďalším impulzom jej rozvoja sa stala potreba zabezpečiť satelity energiou. Výrazné zníženie cien polovodičov umožnilo komerčné nasadenie fotovoltiky v pozemných aplikáciách, pričom od roku 1995 sa postupne naštartovali programy na uvedenie tejto technológie na trh v Nemecku, Japonsku, USA, Španielsku a v ostatných rokov aj v ďalších krajinách Európy a sveta. Vo väčšine prípadov v minulosti išlo najmä o systémy inštalované na budovách a pripojené do elektrickej siete, v súčasnosti sa postavilo veľa elektrární na otvorených plochách.Fotovoltické (FV) systémy nevyžadujú na svoje fungovanie priame slnečné žiarenie, sú schopné vyrábať elektrickú energiu aj pri oblačnom počasí. Na rozdiel od konvenčných systémov ich efektivita prakticky nezávisí od ich veľkosti, takže FV elektrárne môžu byť škálovateľné – od malých domácich až po rozsiahle centrálne elektrárne. Veľký potenciál majú FV aplikácie, ktoré fungujú v samostatnom režime (nie sú pripojené na sieť, majú vlastnú batériu ako záložný zdroj) v odľahlých oblastiach a vo vidieckych oblastiach tretieho sveta. V súčasnosti sú známe najmä pevne inštalované alebo sledovacie systémy (trackery).
Používané materiály
Z polovodičových materiálov sa v súčasnosti najbežnejšie používa kremík. Hoci je široko dostupný, jeho spracovanie je stále technologicky náročné, takže sa mu venuje vo svete len niekoľko špecializovaných firiem.
Základnou jednotkou FV solárnych systémov sú články (solar cells), z ktorých sa budujú základné stavebné prvky – fotovoltické panely. V minulosti sa vyrábali najčastejšie z kryštalického kremíka, v súčasnosti sa rozširujú výrobné kapacity technológií tenkých vrstiev, ktoré majú veľkú perspektívu z hľadiska lepších možností integrácie do stavebných prvkov budov (fasády, zatieňovanie, sklené komponenty). Panely z tenkých vrstiev sú ľahšie, odolnejšie a majú aj lepšie vizuálne vlastnosti. Účinnosť premeny slnečnej energie na elektrickú je pri súčasných paneloch s technológiou tenkých vrstiev od 5 do 13 % a pri paneloch s použitím kryštalického kremíka od 12 do 17 %.
Posledným objavom vo fotovoltickom sektore sú organické FV systémy (OFV), ktoré využívajú schopnosť niektorých polymérov správať sa za prítomnosti ďalšej látky ako polovodič. Ich jednoznačnou prednosťou by mala byť nízka cena, hlavnou prekážkou je stále veľmi nízka účinnosť (okolo 5 %).
Výkon a účinnosť systému
Veľkosť fotovoltického systému Pk sa vyjadruje wattmi špičkového výkonu (Watt-peak, Wp) a charakterizuje nominálny energetický výkon (Peak Power) konkrétnej plochy FV panelov (m2) v štandardných testovacích podmienkach (príkon žiarenia 1 000 W/m2 pri povrchovej teplote 25 °C). V prípade kryštalického kremíka obsahuje typická zostava s výkonom 1 kWp niekoľko panelov s celkovou plochou 8 až 10 m2. Reálny výkon FV systému je oproti nominálnemu približne o 20 až 25 % nižší, 8 až 12 % strát vzniká z poklesu výkonu panelov vplyvom vyššej teploty prostredia (v prípade kryštalického kremíka) a zvyšok (okolo 10 – 15 %) predstavujú systémové straty spôsobené variabilitou slnečného žiarenia, meničom napätia, kabelážou a podobne.
Celková účinnosť systému (rp), t. j. pomer medzi reálnym a nominálnym výkonom, býva okolo 0,75 až 0,80. Vyrobenú slnečnú elektrinu E (kWh) z FV zariadenia s nominálnym výkonom Pk (Wp/1 000 W/m2) a celkovou účinnosťou rp možno odhadnúť z globálneho slnečného žiarenia G (kWh/m2) takto:
E = Pk . rp . G
Konkrétne v Európe možno počítať s intenzitou slnečného žiarenia 800 až 1 800 kWh/m2.
Fotovoltika sa vyznačuje vysokou spoľahlivosťou, FV panely sú schopné pracovať bez poruchy dlhé roky. Výrobcovia panelov zaručujú ich životnosť zvyčajne na 20 rokov, na základe skúseností z prevádzky najstarších panelov sa však predpokladá životnosť od 25 až do 30 rokov. Nižšiu životnosť majú meniče.
Typy FV systémov
Systémy pripojené na sieť
Tieto systémy sa používajú najmä v krajinách s plne rozvinutou elektrickou rozvodnou sieťou. Sú priamo prepojené na miestnu elektrickú sieť, čo im umožňuje vyrobenú elektrinu dodávať do siete alebo v prípade potreby ju z nej odoberať. Tieto systémy obsahujú menič napätia.
Systémy nepripojené na sieť (samostatné systémy)
Súčasťou väčšiny z nich je batéria na uskladnenie energie na použitie v tom čase, keď nesvieti slnko, kontrolný mechanizmus, ktorý chráni pred nadmerným nabíjaním a vybitím batérie, a prípadne aj menič napätia.
Hybridné systémy
Hybridné systémy kombinujú solárne systémy s inými zdrojmi energie – napríklad z biomasy, veterných turbín, dieselových generátorov. Môžu byť pripojené na sieť alebo sú samostatné.
Prioritou pri inštalácii malých FV systémov (inštalovaných na súkromných domoch, verejných budovách, obchodoch a podobne) je okrem funkčnosti aj estetická hodnota a rozumná cena. Vývoj smeruje k materiálom, ktoré možno zakomponovať do striech a konštrukcií budov, kde majú plniť tiež funkciu architektonického prvku.
Pri inštalácii fotovoltického systému treba zohľadniť typ strechy, fasádu, pozemok či špeciálne inštalácie. |
Náklady a ceny
Podpora systémov zo strany štátov spočíva najmä v čiastočnej úhrade investičných nákladov a vo výkupných cenách (tzv. „feed-in“ tarify), teda v pevných sadzbách za nákup vyprodukovanej energie. Výška výkupných cien závisí od veľkosti nainštalovaného výkonu a v jednotlivých štátoch sa odlišuje. V priemere sa tieto ceny pohybujú v rozmedzí od 0,15 do 0,50 €/kWh s investičnou podporou od 0 do 75 % nákladov. Uvedené spôsoby podpory majú za cieľ umožniť širšie aplikované rozšírenie fotovoltiky ako aj výrobných kapacít, čoho výsledkom je pokles cien technológií. Prvú métu predstavuje dosiahnutie stavu sieťovej parity, tzv. Grid Parity, pri ktorom bude mať elektrická energia vyrobená z fotovoltiky rovnakú hodnotu ako cena elektrickej energie dodávanej distribučnou spoločnosťou konečnému spotrebiteľovi. V niektorých oblastiach štátov južnej Európy (Španielsko, Taliansko) sa podarilo tento stav dosiahnuť už v tomto roku, na Slovensku sa očakáva v horizonte najbližších 5 rokov. Tu funguje momentálne iba systém výkupných cien, ktorých výšku medzi obdobiami nie dlhšími ako 3 roky (spravidla 1 rok) stanovuje Úrad pre reguláciu sieťových odvetví (ÚRSO). Výška cien zohľadňuje súčasné investičné náklady na technológiu, intenzitu slnečného žiarenia na území Slovenska a zahŕňa aj tvorbu primeraného zisku pre investora.
Návratnosť investície na kľúč sa pri súčasných cenách technológie, dodávky a montáže (približne 3 000 až 4 000 €/kWp) pohybuje od 8 do 15 rokov v závislosti od veľkosti, lokality, spôsobu inštalácie ako aj použitej technológie. Hodnota výkupných cien sa síce medzi obdobiami znižuje, zo zákona č. 309/2009 Z. z. o podpore obnoviteľných zdrojov energie (OZE) a vysoko účinnej kombinovanej výroby maximálne o 10 %. Po uvedení zariadenia na výrobu elektrickej energie z OZE (v našom prípade slnečnej energie) do prevádzky sa však stáva od dodávky prvej kWh do verejnej siete pre konkrétnu inštaláciu fixnou, a to na 15 rokov. Toto obdobie garantuje zákon č. 309/2009, ktorý však umožňuje, aby URSO zvýšil hodnotu výkupnej ceny koeficientom jadrovej inflácie a koeficientom, ktorý zohľadňuje použitú technológiu. Takáto možnosť nie je v zákone stanovená ako povinnosť.
Podľa aktuálneho výnosu ÚRSO č. 7/2009 tak ide celkovo o medziročné zníženie o zákonom povolených 10 %. Pokles cien technológií sa však v roku 2010 z dôvodu zvýšeného dopytu na svetových trhoch a kurzového pohybu medzi dolárom a eurom zastavil, v niektorých prípadoch došlo dokonca k ich zvýšeniu. Budúcoročné výkupné ceny z tohto pohľadu znevýhodnili postavenie fotovoltiky pri tvorbe energetického mixu, čím sa ďalší rozvoj fotovoltického priemyslu na Slovensku stáva otáznym. Ďalším problémom sú aj pretrvávajúce mýty a polopravdy, ktoré tu o výrobe elektriny zo slnka kolujú.
Mýty a fakty o výrobe elektriny zo slnka
Na Slovensku patrí fotovoltika ešte stále na okraj pozornosti, pretože ju vytrvalo sprevádzajú napríklad aj takéto mýty:
- máme málo slnečného žiarenia,
- celú plochu Slovenska by sme museli pokryť panelmi,
- fotovoltika spotrebuje viac energie, ako sama vyrobí,
- materiály na výrobu panelov sú škodlivé pre životné prostredie,
- fotovoltika je drahá, občania budú platiť viac za energiu,
- táto technológia je nestabilná a nepredikovateľná,
- veľké fotovoltické elektrárne sú zdrojom obohatenia niekoľkých jednotlivcov, ktoré musí platiť občan.
Výsledkom takýchto myšlienkových pochodov je potom vždy záver, že treba počkať, kým si budeme môcť fotovoltiku dovoliť. Skúsme sa teda pozrieť na to aj z iného uhla pohľadu.
Máme málo slnečného žiarenia?
Územie Slovenska má viac žiarenia ako Nemecko, Česko, Belgicko alebo Veľká Británia, čiže krajiny, v ktorých existuje reálna podpora fotovoltiky. Na porovnanie: na juhu Slovenska je intenzita slnečného žiarenia 1 200 až
1 300 kWh/m2, na juhu Českej republiky je to 1 100 až 1 200 kWh/m2.
O „dôležitosti“ tohto faktora vypovedá veľa aj nárast inštalácií v severných krajinách Európy. Nástroje na zistenie potenciálu slnečného žiarenia a odhad výkonu fotovoltických systémov možno nájsť napríklad na stránke http://solargis.info.
Aké veľké územie sa pokryje FV panelmi?
Plocha FV panelov potrebná na pokrytie celkovej ročnej spotreby elektriny v jednotlivých štátoch EÚ závisí od spotreby elektriny a slnečného žiarenia a pohybuje sa v rozmedzí od 0,1 % (baltické krajiny, Rumunsko, Turecko) po 3,6 % (Benelux, Malta) celkovej rozlohy územia. Slovensko by na pokrytie celkovej ročnej spotreby elektriny z FV panelov potrebovalo teoreticky okolo 0,6 % z celkovej rozlohy územia, pričom, na porovnanie, asi 4, 6 % pokrýva obytná plocha. Logicky sa preto FV strešné systémy javia ako vhodná alternatíva v obytných, priemyselných a komerčných zónach. Zamerať sa však treba na výber vhodných segmentov strechy a výpočet ročného potenciálu výroby elektrickej/tepelnej energie.
Výkupnú cenu tvorí súčet ceny elektriny na straty a hodnoty doplatku. Pre zariadenia uvedené do prevádzky do konca roka 2010 platí výnos ÚRSO z 9. septembra 2009 č. 7/2009, podľa ktorého sa bude elektrická energia vyrobená zo slnečnej energie s celkovým inštalovaným výkonom zariadenia výrobcu elektriny do 100 kWp vrátane vykupovať počas ďalších 15 rokov za minimálne 430,72 €/MWh a pri zariadeniach s celkovým inštalovaným výkonom nad 100 kWp za 425,12 €/MWh.
Pre inštalácie uvedené do prevádzky od 1. januára 2011 platí nový výnos ÚRSO z 23. júna 2010 č. 2/2010, ktorý rozdelil dosiaľ platné dve kategórie na päť kategórií, pričom okrem výkonu (ktorý sa už zohľadňoval) zohľadnil aj spôsob inštalácie (tab. 1): Tab. 1 Stanovenie výkupných cien podľa výnosu ÚRSO č. 2/2010 |
Kategória | Charakteristika | Výkupná cena |
1. | výkon do 100 kW vrátane, umiestnenie na budove | 387,65 €/MWh |
2. | výkon do 100 kW vrátane, umiestnenie mimo budovy | 387,65 €/MWh |
3. | výkon od 100 kW do 1 MW vrátane | 382,61 €/MWh |
4. | výkon od 1 MW do 4 MW | 382,61 €/MWh |
5. | výkon od 4 MW vrátane a viac | 382,61 €/MWh |
Koľko energie sa spotrebuje pri výrobe FV panelov?
Spolu s otázkou vplyvu na životné prostredie ide o jeden z najčastejších argumentov proti rozšíreniu fotovoltickej technológie. Energetická návratnosť v Európe má pritom klesajúci trend, v súčasnosti sa odhaduje iba na približne 1 až 3,5 roka. K tomu treba dodať, že panely vyrobia počas prevádzky 6- až 16-krát viac energie, ako spotrebujú. Vzhľadom na ochranu životného prostredia si treba uvedomiť aj to, že:
- FV panely sa recyklujú,
- na výrobu sa používa a neutralizuje odpad z ťažkých kovov,
- táto technológia sa vyznačuje veľmi nízkou produkciou skleníkových plynov,
- fotovoltika je bezpečná a dlhodobo spoľahlivá (po 25 rokoch prevádzky produkuje stále 80 % počiatočnej energie),
- fotovoltika integrovaná do fasád budov nahrádza stavebné materiály a plní aj rozličné ďalšie funkcie.
Akú cenu platíme za fotovoltiku?
Túto veľmi diskutovanú tému možno zhrnúť do nasledovných bodov, ktoré charakterizujú ekonomickú stránku výroby elektrickej energie fotovoltikou:
- vyrába a dodáva sa tzv. špičková elektrina, ktorá je niekoľkokrát drahšia ako cena základovej elektriny,
- zvyšuje sa zamestnanosť v regiónoch (130 tisíc priamo a 60 tisíc nepriamo v Európe v roku 2008),
- výroba prebieha v mieste spotreby, čím sa radikálne znižujú náklady na prenos a distribúciu a eliminujú sa vplyvy na životné prostredie,
- vplyv na rodinný rozpočet je minimálny – skúsenosti ukazujú priemerne 3 až 4 % nákladov rodiny na elektrinu v Nemecku,
- ceny výroby sú blízke spotrebiteľským cenám už dnes (okolo 0,22 €/kWh v niektorých krajinách),
- cena za fotovoltiku je investíciou do nových ekonomických príležitostí na Slovensku.
Výpočet zvýšenej ceny elektrickej energie pri inštalovaní výkonu 120 MWp solárnych elektrární
|
Je slnečná elektrina nestabilná?
K otázke stability slnečnej elektriny možno povedať, že:
- výroba elektriny z fotovoltických elektrární sa vhodne dopĺňa s nárastom spotreby v denných hodinách, keď treba najmä v čase špičky využívať hydroenergiu alebo elektrinu dovážať,
- vplyvy a krátkodobé zmeny výroby slnečnej elektriny sa vzájomne na regionálnej úrovni kompenzujú a vytvárajú predikovateľnú dennú krivku výroby,
- existujú a už sa vyvíjajú modely na predikciu výroby v časovom horizonte niekoľkých hodín až dní.
Veľké elektrárne
Jednotkové náklady pri väčších FV elektrárňach sú v porovnaní s malými strešnými systémami nižšie, čím prispievajú k celkovému znižovaniu cien FV komponentov. Ich umiestňovanie však má podliehať pravidlám rozumnej regulácie. FV elektrárne majú svoju pozíciu v energetickom portfóliu, pomáhajú rýchlo naštartovať trh a urýchľujú empirický proces učenia sa pri narábaní s novou technológiou (learning curve).
Potenciál slnečnej energie na výrobu elektriny na Slovensku
|
Potenciál výroby slnečnej elektriny na Slovensku
Slnečná energetika môže prispieť k výrobe elektriny aj v klimatických pomeroch Slovenska. Slnečnej energie dopadajúcej na zemský povrch je veľký prebytok, má však nízku hustotou a vyznačuje sa sezónnou a dennou variabilitou ovplyvnenou aj počasím. Pri väčšine FV systémov sa však nevyžaduje priame slnečné žiarenie, ich výkon závisí od sklonu a orientácie panelov.
Tab. 2 poskytuje prehľad o energii slnečného žiarenia dopadajúceho na horizontálnu a naklonenú rovinu, ako aj o potenciáli výroby slnečnej elektriny na Slovensku. FV panely sa najčastejšie montujú pri optimálnom sklone (na Slovensku 34 až 37°) s južnou orientáciou, s cieľom maximalizovať energetický zisk zo slnečného žiarenia.
Najvhodnejšie klimatické podmienky má juh Podunajskej nížiny, menej priaznivé Kysuce, Orava a Nízke Beskydy (mapka na obrázku). FV panely sa montujú aj vertikálne, ako obkladový materiál na fasády budov, v tomto prípade však majú nižší príkon slnečného žiarenia. Väčšie slnečné elektrárne využívajú sledovacie systémy (tracking systems), ktoré maximalizujú príkon slnečnej energie natáčaním FV panelov v smere pohybu Slnka počas celého dňa.
Tab. 2 Ročná energia globálneho žiarenia a potenciál výroby slnečnej elektriny v zastavanom území Slovenska
Pri optimálnom sklone FV panelov sa 52 až 57 % celoročnej produkcie elektriny vyrobí v mesiacoch máj až august. Sezónne výkyvy možno ovplyvniť naklonením FV panelov. Zo sezónnej a dennej variability a výkyvov počasia vyplýva, že celoročná využiteľnosť FV systémov (capacity factor) sa na Slovensku pohybuje približne vo výške 7 až 15 %, čo je menej ako pri tradičných energetických technológiách (jadrová elektráreň dosahuje približne 90 %).
Teoreticky (t. j. odhliadnuc od sezónnych výkyvov) by na pokrytie celkovej spotreby elektriny na Slovensku bolo potrebných asi 30 GWp inštalovaného výkonu, čo predstavuje približne 285 km2 FV panelov z kryštalického kremíka naklonených v optimálnom uhle. V horizonte niekoľkých rokov možno na Slovensku reálne dosiahnuť 1-percentný podiel výroby slnečnej elektriny z celoročnej spotreby, potrebná inštalovaná kapacita (300 MWp) by predstavovala približne 0,6 m2 FV panelov na obyvateľa. Takýto podiel slnečnej elektriny nenaruší bezpečnosť dodávok v existujúcej štruktúre rozvodných sietí, naopak, pomôže pokryť zvýšený dopyt po elektrine počas dňa. Distribuovaný spôsob výroby zabezpečuje, že elektrina sa vyrába v mieste spotreby a v regionálnej mierke vyrovnáva krátkodobé fluktuácie spôsobené dynamickou oblačnosťou. Ďalšie zvyšovanie podielu fotovoltiky bude vyžadovať dobudovanie infraštruktúry prenosových sietí, lepšiu integráciu s inými zdrojmi a posilnenie kapacít na skladovanie elektrickej energie [8].
(sf)
Foto: Dano Veselský
Obrázok: GeoModel, s. r. o.
Článok vznikol z podkladov RNDr. Marcela Šúriho, CSc., zo spoločnosti GeoModel, s. r. o.,
RNDr. Karola Galeka zo spoločnosti GENERM, s. r. o., a z podkladov Slovak RE Agency.
Literatúra
1. Šúri, M.: Slnečná elektrina a perspektívy jej výroby na Slovensku. In: Životné prostredie, 40, 2006, č. 3, p. 127 – 132.
2. Compared Assessment of Selected Environmental Indicators of Photovoltaic Electricity in OECD Cities, 2006. European PV Technology Platform, EPIA, IEA PVPS, http://www.eupvplatform.org/.
3. Dunlop, E., Wald, L., Šúri, M. (eds.): Solar Energy Resource Management for Electricity Generation from Local to Global Scale. Hauppauge: Nova Science Publishers, 2006 (v tlači).
4. EPIA Roadmap, 2004, http://www.epia.org/.
5. Eurobserver: Photovoltaic Energy Barometer, No. 172, 2006, http://www.energies-renouvelables.org/.
6. Jäger-Waldau, A.: Photovoltaics and Renewable Energies in Europe. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2005 (v tlači).
7. Jäger-Waldau, A. (ed.): Proceedings of the Workshop on Life Cycle Analysis and Recycling of Solar Modules – the “Waste” Challenge, 18 – 19. 3. 2004, Brussels, Belgium.
8. Jäger-Waldau, A., Huld, T., Šúri, M., Cebecauer, T., Dunlop, E., Ossenbrink, H.: Challenges to Realise 1% Electricity from Photovoltaic Solar Systems in the European Union by 2020. In: 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 7. – 12. 5. 2006, Waikoloa, USA.
9. Šúri M., Huld T. A., Dunlop, E. D., Ossenbrink, H.,A.: Potential of Solar Electricity Generation in the European Union Member States and Candidate Countries. In: Solar Energy, 81, 2007, č. 1 295 – 1 305.
10. Šály, V., Ružinský, M.: Fotovoltika v kontexte vývoja na začiatku 3. tisícročia a SR. In: Časopis pre elektrotechniku a energetiku, 2005, č. 2, s. 17 – 20.
11. http://www.skrea.sk
12. http://ozeport.sk
13. http://www.epia.org/
14. http://www.eurobserv-er.org/downloads.asp
15. http://solargis.info
Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik.