Solárne elektrárne – energia hviezdy pulzujúca v sieti

Niektoré veci stvorené v predstavách fantastov sa priblížia k realite len na vzdialenosť filmového plátna a možno je šťastím, ak tam zostanú navždy. Hviezdne vojny sa však stávajú realitou, hoci trochu inak, než si autori sci-fi predstavovali. Odohrávajú sa paradoxne medzi pozemšťanmi.

  inhabitat.com

foto: inhabitat.com

Pozrite si: „Arabská jar“ naštartuje solárnu energetiku

Naše Slnko je hviezda, ktorú máme v kozmickom meradle takmer na dosah. Jeho žiarenie preletí 150 miliónov kilometrov k Zemi približne za 8 minút a neustále zahaľuje dennú polguľu modrej planéty životodarnou silou. A nie je to hocijaká sila – energetický tok slnečného žiarenia dopadajúceho na Zem predstavuje viac ako 170 Petawattov výkonu. Aj keď sa z neho cca 70 percent vďaka albedu (odrazivosti telesa, resp. atmosféry) vracia späť do vesmíru, 103 Petawattov (1,03×1017 Watt), ktoré Zem absorbuje, je výkon niekoľko tisícnásobne prevyšujúci celosvetovú spotrebu energie. Podpis našej materskej hviezdy však nájdeme na pozadí väčšiny energetických zdrojov na Zemi s výnimkou jadrových elektrární, ale ani tam sa hviezdny rodokmeň nezaprie. Ťažké prvky vrátane uránu pochádzajú z výbuchov supernov. V ostatných prípadoch vedie stopa k Slnku úplne zreteľne: fosílne palivá sú len konzervou slnečnej energie, aj veterné a vodné elektrárne poháňa médium „pumpované“ Slnkom. Polemizovať by sme mohli azda len nad geotermálnymi a slapovými silami.

 SunPower corp

SunPower Corp. Vyrába kremíkové PV panely s účinnosťou 24 percent. Organické tenkovrstvové panely nájdu skôr uplatnenie skôr na strechách a fasádach budov, ale možno aj na automobiloch a pod. Obr.: Gizmag

 Pozrite si: Články s účinnosťou 50% možno otočia solárnu ekonomiku

BEZ SLNKA TO NEJDE

Pri bezoblačnej oblohe dosahuje slnečné žiarenie ekvivalent výkonu asi 1 kWm-2 plochy, pod mrakmi klesá táto hodnota na 80 až 100 Wm-2 (tzv. difúzne žiarenie). Prečo túto energiu nevyužiť priamo? Nakoniec rastliny to cez fotosyntézu úspešne praktizujú už stovky miliónov rokov. Problém spočíva v tom, že oproti fosílnym alebo jadrovým palivám ide o zdroj tzv. difúznej povahy, t.j. s nízkou koncentráciou. Kvôli dostatočnému výkonu je preto potrebná relatívne veľká plocha solárnych panelov na priamu premenu slnečnej energie na elektrickú, alebo kolektorov, ktoré zhromažďujú teplo na ohrev vody či kúrenie. Veľké zábery pôdy v solárnych elektrárňach sú preto predmetom kritiky. Treba súhlasiť, že nejde o optimálne riešenie, aj keď na druhej strane určite nedochádza k vymiznutiu flóry, ako sa niektorí obávali. Tým, že stúpa účinnosť a klesajú ceny solárnych panelov, stáva sa táto technológia prístupnejšou aj pre domácnosti, čo je zrejme rozumná cesta k využívaniu fotovoltaiky.

Pozrite si: Organická fotovoltaika hlási rekordnú účinnosť

Isofoton

foto: Isofoton.com

Účinnosť solárnych článkov na báze kryštalického kremíka vzrástla z prvotných 6% na viac ako 15% u komerčne dostupných panelov, pričom v laboratórnych podmienkach dosahujú viacprechodové Si články účinnosť konverzie až 43,5% (zdroj: NREL). Na zabezpečenie rovnakého množstva energie preto postačí čoraz menšia plocha panelov.

Pozrite si: Vedci vyvinuli solárny článok s rekordnou účinnosťou

NA ZAČIATKU BOL SELÉN

Fotovoltaický jav objavil v roku 1839 Edmund Bequerel, ktorý si všimol, že pôsobením slnečného žiarenia je pri určitých elektrochemických konfiguráciách možné vyrábať elektrickú energiu. Z fyzikálneho hľadiska dochádza k vyrazeniu elektrónu zo svojej obežnej hladiny fotónom slnečného žiarenia, pričom najlepšie výsledky dosahujú materiály na báze polovodičov. Prvý fotovoltaický článok bol zostrojený v roku 1883, keď Charles Fritts potiahol polovodivý selén tenkou vrstvou zlata. S účinnosťou konverzie 1% bol na výrobu energie nepoužiteľný, ale pomerne dlho sa podobné články používali vo fotometrii.

 Pozrite si: Je vhodná vodná? (slnečná elektráreň)

 Selen

foto: Wikimedia

Prelomom bol rok 1954, keď firma Bell Telephone Labs vyvinula prvý kremíkový článok, čím sa otvorila cesta k praktickému uplatneniu fotovoltaiky. Najskôr v špeciálnych odvetviach ako armáda a kozmonautika, neskôr aj v drobnej elektronike a následne pri komerčnej výrobe elektriny. Vývoj od 2. polovice 20. storočia priniesol explóziu technológií fotovoltaických článkov. Najvýkonnejšie a zároveň najúčinnejšie (komerčné aplikácie dnes okolo 15%-17%, laboratórne riešenia až 43%), hoci nie najlacnejšie, sú technológie na báze monokryštalického kremíka. Nižšiu účinnosť majú články vyrobené z amorfného, polykryštalického a multikryštalického kremíka (v závislosti od technológie 9,5% až 15%), sú však lacnejšie.

 Pozrite si: Elektrinu dokáže generovať aj uhlík

fotovoltaicky clanok

Princíp fungovania fotovoltaického článku, foto: Elektrika.cz

 Pozrite si: Spectrolab ohlásil solárne články s účinnosťou až 37,8%

Úspešne sa však využívajú aj ďalšie typy polovodičových materiálov. Telurid kadmia (CdTe) je vhodný najmä na tenkovrstvové články pre aplikácie v spotrebnej elektronike. Veľmi zaujímavým materiálom je arzenid gália (GaAs). Má účinnosť až 20%, vysokú odolnosť proti kozmickému a inému tvrdému žiareniu a znesie pracovné teploty aj nad 100°C. Napriek vyššej cene sa preto uplatnil nielen v kozmickom výskume, ale aj v armáde. Kombináciou s kremíkovými článkami sa dá dosiahnuť účinnosť panelu až 30%, pretože obidva materiály majú odlišnú spektrálnu citlivosť – kremíkové články hlavne smerom k modrej farbe, články GaAs smerom k červenej farbe. Okrem toho sa na experimentálnej úrovni pracuje na množstve technológií fotovoltaických článkov s cieľom znížiť náklady na jednotkový výkon a zlepšiť ich účinnosť.

 Pozrite si: Dáme solárne panely do okien a displejov?

Vývoj účinnosti solárnych článkov

Vývoj účinnosti solárnych článkov rôznych technológií v laboratórnych podmienkach (aktualizácia 12/2011), foto: National Renewable Energy Laboratory (NREL)

KONIEC ZLATÝCH ČASOV?

Slnečná energia „zapriahnutá“ do výroby elektriny v paneloch fotovoltaických elektrární (FVE) je dnes na Slovensku horúcou témou. Presnejšie povedané „horúcou“ bola táto problematika možno ešte pred rokom, pretože odvtedy sa fotovoltaika na Slovensku, ale aj v ďalších krajinách, stretáva s útlmom. Ochota vlády dotovať výkupnú cenu fotovoltaickej elektriny chladne a ofenzíva proti solárnym farmám spustená na širokom fronte odrovnala elán potenciálnych investorov natoľko, že solárny biznis na Slovensku prakticky zamrzol. Poviete si: „Je to možné v čase, keď sa toľko zdôrazňuje zvyšovanie podielu výroby energie z obnoviteľných zdrojov a znižovanie emisií oxidu uhličitého?“ Áno, je to tak, každá minca má totiž dve strany. Určite môžeme na fotovoltaické elektrárne (FVE) relevantného významu, t.j. s výkonom od 100 kWp vyššie, predbežne zabudnúť. Úrad pre reguláciu sieťových odvetví (URSO) totiž postupne znižuje dotáciu za výkup FV elektriny, ale zároveň aj znižuje výkonový strop pre jednotlivé elektrárne. A tlačí ešte ďalej, keď minimalizovanú dotáciu poskytuje už len na panely umiestnené na fasádach a strechách budov. Pre FVE s výkonom do 100 kW tak klesla cena elektriny od 1.1.2010 do 1.7.2011 o 40% zo 430,72 €/MWh na 259,17 €/MWh.

Pozrite si: Bosch a Siemens „dezertovali“ z púšte

zrkadla

 Desertec má používať namiesto fotovoltaických panelov, parabolické zrkadlá a parné turbíny. Foto: WIRED

 Pozrite si: Sharp dosiahol v účinnosti solárnych článkov rekordných 43,5 percent

Graf cien

 Regulované ceny elektriny zo solárnych elektrární za posledné 2 roky podľa výnosov URSO. V súčasnosti už majú fotovoltaické elektrárne s výkonom nad 100 kWh nulovú podporu a do 100 kW len v prípade, že sú inštalované na fasádach alebo strechách budov s pevným základom. Zdroj: URSO

Pozrite si: Keď uhlíková stopa zmizne bez stopy

 Solar Floating Resort

Navyše pre výkonnejšie (nad 100 kWp), alebo na voľných pozemkoch postavené elektrárne klesla dotovaná výkupná cena na nulu. Solárna zlatá horúčka na Slovensku predbežne skončila. Aj pri padajúcich cenách fotovoltaických panelov a zvyšovaní účinnosti konverzie sa za takýchto podmienok v našich geograficko-ekonomických pomeroch stáva výroba elektriny zo slnka nerentabilnou. Návratnosť investície totiž pri nedotovanej cene aktuálne presahuje životnosť elektrárne. Potvrdil nám to aj Ing. Maroš Hudoba, konateľ spoločnosti HTMAS s.r.o., ktorá je okrem iného prevádzkovateľom niekoľkých FVE a zároveň ich dodávateľom doma aj v zahraničí. FVE Vlkanová, ktorú sme mali možnosť navštíviť, by v súčasnosti už dotáciu na produkovanú elektrinu nezískala napriek tomu, že je z väčšej časti umiestnená na streche výrobnej haly. Má totiž výkon viac ako 800 kW a teda osemnásobne presahuje výkonový limit stanovený URSO. Našťastie pre investora bola prifázovaná do siete zhruba pred rokom a vzťahuje sa na ňu vtedy platný výnos. Aktivity HTMAS však manažéri presmerovali za hranice SR a projekty fotovoltaických elektrární rozvíjajú napr. na Cypre, v krajinách juhovýchodnej Ázie či Latinskej Ameriky. Výroba solárnej elektriny na Slovensku samozrejme nekončí, FVE postavené v minulosti fungujú ďalej a elektrinu dodávajú za zmluvné ceny platné v čase ich pripojenia k sieti. Nová výstavba sa však obmedzí na malé aplikácie, ktoré neprispejú hmatateľným spôsobom k zmene energetickej bilancie SR v prospech obnoviteľných zdrojov.

 Pozrite si: Nanoškrupinky uväznia slnko

Solarshell

Štruktúra „nanoškrupinkového“ kremíkového fotovoltaického článku snímaná elektrónovým rastrovacím mikroskopom. Jeho hrúbka je menšia ako pol mikrometra. Foto: Yan Yao

Na Slovensku je podľa URSO v súčasnosti sprevádzkovaných 857 fotovoltaických elektrární (FVE) s celkovým výkonom 492 MW. Z toho 33 FVE s výkonom nad 1 MW má výkon 100 MW (20% celkového výkonu FVE v SR). Väčšina fotovoltaických elektrární má výkon v rozpätí 0,9-1,0 MW (336 FVE, 67% výkonu), zvyšných 488 malých FVE má súhrnný výkon 59,2 MW. Ide o výsledok solárneho boomu v posledných rokoch. Pre porovnanie v Česku je v súčasnosti inštalovaných už približne 2 GW výkonu FVE.

 Pozrite si: Bonsaj, ktorý nabije váš mobil

electree+1

SIEŤOVÁ PARITA NIE JE FIKCIA

Vysoké náklady na výrobu elektriny zo slnka sú predmetom kritiky. Skutočne, neregulovaný boom výstavby solárnych elektrární produkujúcich množstvo dotovanej elektriny môže negatívne zasiahnuť do fungovania ekonomiky. Stalo sa to aj na Slovensku, kde kvôli fotovoltaike stúpla cena elektrickej energie pre koncových odberateľov a v omnoho väčšej miere v Česku. Reakciou politikov, ktorí nekvalitnou legislatívou nekontrolovaný rast slnečných plantáží umožnili, je tvrdá reštrikcia. Nad solárnou energetikou však netreba lámať palicu. Skôr či neskôr dosiahnu solárne panely tzv. sieťovú paritu, súčasné dotácie sú potrebné len na naštartovanie globálneho biznisu. Znamená to, že elektrina vyrobená zo slnka nebude drahšia, ako energia z konvenčných zdrojov. Sieťová parita je pritom funkciou viacerých premenných. Ovplyvňuje ju samotná cena fotovoltaických panelov na jednotku výkonu, cena elektriny na konkrétnom trhu a tiež množstvo slnečného svitu podmieňujúce množstvo generovanej energie v danej lokalite. Iná je preto rentabilita fotovoltaiky v Škandinávii a iná v Stredomorí či v Afrike. Niektoré krajiny takto dosahujú sieťovú paritu už dnes.

 Pozrite si: Odpojiť sa od siete? Školáci to dokázali!

Produkcia elektriny vo FVE

Produkcia elektriny vo FVE počas roka kopíruje krivku vývoja intenzity slnečného svitu a dĺžku dňa , Zdroj: HTMAS

 Pozrite si: Plávajúci hotel s energetickou autonómiou

Príkladom je, ako prezradil M. Hudoba, napr. Cyprus, kde fotovoltaické elektrárne bez problémov dosahujú sieťovú paritu už dnes. Cena elektriny produkovanej väčšinou z dieselagregátov je tam vysoká, no intenzita slnečného svitu tiež. Pritom vďaka masívnemu využívaniu klimatizácií odberová krivka elektriny na subtropickom ostrove kopíruje množstvo dopadajúcej slnečnej energie v priebehu dňa. Odberová špička sa potom zhoduje s generovaným maximom FVE. Na druhej strane vysoká cena elektriny v Dánsku zatiaľ nestačí na dosiahnutie sieťovej parity FVE, pretože množstvo a intenzita slnečného svitu je na tomto území nižšia. Po dostatočnom poklese ceny panelov však bude výroba elektriny rentabilná prakticky kdekoľvek. V Japonsku sa očakáva dosiahnutie sieťovej parity samotných panelov okolo roku 2013 (zdroj: Fuji Keizai) a v kombinácii so záložnými akumulátormi po roku 2020. K zmenám kritérií v prospech rýchlejšieho dosiahnutia sieťovej parity prispieva paradoxne aj katastrofa v japonskej jadrovej elektrárni Fukušima, pretože prehodnotenie jadra pravdepodobne zdvihne ceny elektriny vo svete.

 Pozrite si: Geniálna klimatizácia funguje bez elektriny

Santorini

Obyvatelia subtropických krajín vedia o odrazivosti povrchov na budovách svoje. Grécke Santorini, foto: Wikimedia

Nech to už bude akokoľvek, je úplne zrejmé, že energia neživí len ekonomiky a domácnosti, ale aj vášne a záujmy energetických loby. Obnoviteľné zdroje na čele s fotovoltaikou preto netreba vnímať ako zlo podporované „ekoteroristami“ a „zlatokopmi“, ale ako rozumnú cestu k obnoveniu prostredia priateľského k planéte aj k životu.

 

Pozrite si: Solárny laptop, ktorý po dvoch hodinách na slnku vydrží 10 hodín

 Sol

foto: Sol

Komentáre k článku