Přímá (i nepřímá) výroba elektrické energie Energie Slunce Přímá (i nepřímá) výroba elektrické energie

Možnosti využití sluneční energie Jak lze vyrobit elektrickou energii ze Slunce ? a) přímo * fotovoltaické články b) nepřímo * ohřev média a následná výroba elektrické energie Jak lze vyrobit tepelnou energii ze Slunce ? * solární kolektory Míra využití sluneční energie je dána: * intenzitou slunečního svitu * technologickými možnostmi * všestranným využitím získané energie * ekonomickou návratností * možností investic a mírou zisku

Mapa slunečního svitu v ČR V ČR za rok 1kWP  1MWh Solární záření v České republice Zdroj: Atlas podnebí Česka Světová mapa slunečního svitu – matematický model

Světová mapa slunečního svitu Pojmy: - technologie CIS amorfní panel - měď, indium, selen - tabulka Ed denní výroba (kWh) Em měsíční výroba (kWh) Hd průměrné denní záření na plochu (kWh/m2) Em průměrné měsíční záření na plochu (kWh/m2)

Mapa slunečního svitu v Evropě

Výroba OZE v ČR - zdroj: Český regulační úřad

Výkon fotovoltaických elektráren v ČR Zdroj: tzb-info

Největší fotovoltaické elektrárny v ČR zdroj: ERU lokalita výkon (MW) spuštění výroba 2011 (GWh) provozovatel FVE Ralsko 38,3 2010 40 ČEZ – Obnovitelné zdroje FVE Vepřek 35,1 40,4 FVE CZECH NOVUM s.r.o. FVE Ševětín 29,9 32,5 FVE Brno letiště 21,2 2009, 2010 18 BS Park s.r.o. FVE Mimoň 17,5 17,6

Nepřímá výroba elektrické energie * V ohnisku (pec) je teplota až 3000oC * Voda se mění v páru a pohání turbínu (na obr. je varianta s olejem, nutný výměník * Zrcadla (heliostaty) jsou pohyblivá a natáčí se za sluncem

Nepřímá výroba elektrické energie * Je tvořena řadami naklápěcích slunečních kolektorů, sluneční záření je směřováno na trubku * V trubce proudí teplonosné médium * V Kalifornii pracuje elektrárna s výkonem 30 MW

Nepřímá výroba elektrické energie

Největší solární elektrárna na světě zdroj: MIT Technology Review, Phys.Org, Ivanpah Solar, Wikipedia Místo - Mohavská poušť, Kalifornie Výkon - 380 MWe Počet zrcadel - 170 tisíc Počet věží - 3 Rozloha - 14 km2

Princip fotovoltaického článku * po dopadu fotonu (musí mít dostatečnou energii) na polovodič typu N se uvolní z mřížky elektron, po kterém zůstane kladná "díra" * volný elektron nemůže vlivem přechodu PN přejít do vrstvy P * elektrony uvolněné ve vrstvě P mohou volně přecházet do vrstvy N * tím se vytvoří rozdíl potenciálů mezi spodní a vrchní vrstvou  na článku naměříme napětí asi 0,5 V * po připojení zátěže začne procházet proud * z 1m2 lze získat stejnosměrný výkon přibližně 150W * pro praktické využití je třeba sério-paralelní zapojení článků

Princip fotovoltaického článku Princip: zde

Materiály pro fotovoltaické články 1. Generace - základem jsou krystalické křemíkové desky Křemík teoretická maximální účinnost 31 % multikrystalický * účinnost (11-14) % * výhody nižší cena difúzní světlo * energetická návratnost 2,2 let monokrystalický * reálná účinnost (12-16) % * energetická návratnost 2,7 let Obě technologie jsou dnes zcela rovnocenné. V současné době nejvíce využívaná technologie (zhruba 90%)

2. Generace Hlavním aspektem je úspora křemíku při plánovaném růstu výroby článků Tenkovrstvé technologie Aktivní polovodičová vrstva se nanáší na podložku (sklo nebo fólie) a je 100 – 1000 tenčí. a) na bázi křemíku * polykrystalická technologie, účinnost (okolo 10%) * amorfní křemík nanesený na skle, tloušťka 0,5m, účinnost (6 - 7)% b) bez křemíku * CIGS moduly – měď, indium, galium, diselenid, účinnost až 20% * Cd-Te ( kadmium-telurid) moduly, účinnost (9 - 11)% Obecné vlastnosti tenkovrstvé technologie: * lehkost a snadná manipulace * citlivost na denní světlo i při nepřímém slunečním svitu * menší citlivost na vysoké teploty * nižší výrobní náklady a rychlejší zhodnocení investice * předpoklad zvyšování účinnosti Použití - fólie na ohebný podklad, fasády domů, vrstvy na skle, …

Vlastnosti – současná účinnost 1,3%, cílová hodnota okolo 5% Tenkovrstvé technologie Jedna z možných realizací technologie – solární články na fólii a papíře. 1. nastříkání fotocitlivých vrstev ve vakuové komoře na fólii (papír) - USA 2. tisk pomocí speciálních barev na list běžný papíru (technologie 3PV) - Německo Vlastnosti – současná účinnost 1,3%, cílová hodnota okolo 5% Výhoda – běžný tisk  nízká cena

Fotovoltaické fólie (zdroj: www.ekobydleni.eu) Fólie může být nanesena na libovolný skleněný povrch. Tvoří zároveň tepelnou izolaci a zvyšuje ochranu skla před mechanickým poškozením. Účinnost - (3 - 5) % Měrná cena - zhruba dvojnásobná v porovnání s klasickými panely

Další generace a perspektivy vývoje solárních panelů Vícevrstvé solární články (dvoj-, trojvrstvé články) * ultratenké materiály s různou citlivostí na sluneční spektrum * některé fotony „uvíznou“ ve vrchní vrstvě, jiné projdou hlouběji * teoretická účinnost je až 72 % * problémy s krystalickou mřížkou, maximální dosažená účinnost okolo 30 % * jednotlivé vrstvy by měly být zdrojem stejného proudu * výsledné napětí je dáno součtem jednotlivých napětí vrstev. V současné době existuje několik dalších technologií - organické články - články na bázi nanočástic

Vývoj účinnosti

Nové články - perovskit * Jedná se o skupiny látek, sloučenin halogenů (chlór, jód nebo bróm), které jsou naneseny na základní vodivé desce (sklo) * na podzim 2013 se podařilo dosáhnout účinnosti okolo 15% v laboratorních podmínkách * do budoucna se předpokládá i stejná účinnost v normálních podmínkách * mohou být i průhledné * cena nových článků by měla být výrazně nižší než u stávajících křemíkových modulů * uvažuje se i "tisku" perovskitu na současné křemíkové články, což by vedlo ke zvýšení účinnosti

Popište jednotlivé solární články (momokrystalický a polykrystalický křemík, organický solární článek.)

Perspektivy vývoje solárních panelů a ceny Hlavní perspektivy vývoje: * snižování tloušťky destiček na (150-200) m  snižování spotřeby materiálu a potřebné energie na výrobu * výrazný pokles ceny křemíku, za 5 let na 10% původní částky * pokles ceny modulů na 1,5 euro/WP.

Ostrovní systém (off – grid) S přímým napájením - napájení letního čerpadla - letní atrakce, ohřev - nabíjení akumulátorů Systém s akumulací - dopravní značky, obytné karavany, malé meteorologické stanice, odlehlé chaty, zahradní svítidla, světelné reklamy, … Hybridní systém s akumulací - velké odlehlé stanice pro různé účely

Ostrovní systém grid-off * Výhodné zejména v místech, kde není přímé připojení k soustavě a zhotovení přípojky by bylo nákladné * v nejjednodušších aplikacích není třeba další přídavné zařízení, jinak nutný speciální akumulátor s regulátorem nabíjení * investiční náklady – (100 – 150) Kč/WP (z roku 2013) * v případě potřeby lze kombinovat s dalšími nezávislými zdroji

Ostrovní systém grid-off Sestava firmy Solartek

Ekonomika - příklad (zdroj: Alter – eko) OSTROVNÍ SYSTÉM Os 1200 Sestava je určena pro místa bez elektrické přípojky, lodě, karavany a mnoho dalších autonomních aplikací Panel FTV 230 Wp TRINA SOLAR 24V 15.588,- Kč                                               2x Aku 100 Ah 12.824,- Kč Regulátor CX 10 1.406,- Kč Měnič napětí 24V/230V SP 1200 W 5.796,- Kč Celkem 35.614,-Kč s DPH  Takto navržená sestava zajistí napájení pro osvětlení, televizi, notebook, nabíječky mobilů, čerpadlo pro plnění zdrojové nádrže vody, menší elektrické ruční nářadí, ale i např. rychlovarnou konvici 800W.

Ohřev vody Výkon – 1,47kWP (6 panelů po 245 WP), Umax=260V, cena 76 000 Kč

Síťové systémy (on–grid) Systém je propojen s rozvodnou soustavou Možnosti realizace: * výroba z fotovoltaických panelů slouží i pro samotný objekt - zelený bonus * výroba z fotovoltaických panelů jde přímo do rozvodné soustavy - výkupní cena

Systémy na síť grid-on a) jsou součástí budovy a přednostně napájí objekt, přebytečná část vyrobené energie je dodána do sítě b) tvoří samostatný celek, dodávají energii přímo do sítě * podmínkou je střídač s dostatečným výkonem (zhruba o 10% více než je výkon panelů) * spínání řídí střídač * náklady (instalace střecha) – (30 – 40) Kč/WP (údaj z roku 2013)

Příklad kompletního schématu zapojení (zdroj: OEZ)

Příklad zapojení stringů (zdroj: OEZ) V praxi se panely zapojují sério-paralelně. Jednotlivé větve - stringy lze v případě potřeby samostatně spínat. Výhody: - možnost odpojit samostatné části v případě poruchy, zastínění, opravy. …

Fotovoltaika integrovaná do budov Fotovoltaika je integrována do pláště budovy (střecha, fasáda). Využití je zejména v USA, Japonsku, západní země EU. U nás se používají „fotovoltaické fólie“ pro rovné střechy.

Příklady realizace fotovoltaické panely ve škole Fotovoltaické články: 12 x FV panel RADIX72 maximální výkon 1,117 kW celkové náklady 500 000 Kč Parametry jednoho panelu: výkon 100,6 W napětí naprázdno 21,4 V napětí při maximálním výkonu 16,6 V účinnost 11,5 % Dosažené hodnoty: maximální výkon 1,075 kW vyhodnocená doba provozu 5/2001 – 4/2011 celková vyrobená energie 11 307,7 kWh

Olmedila, Španělsko – 60 MW (2008) Puertoliano, Španělsko – 47 MW (2008)

FVE Ralsko – 4 dílčí elektrárny, celkem 38,24 MW (29. 12. 2010) Vepřek, okres Mělník – 35,1 MW (2010). investice 2,7 mld. Kč

Mechanismus výkupních cen a zelené bonusy V současné době lze volit cenu, za kterou lze prodávat: 1. Zelený bonus - (příspěvek - energie vyrobená z obnovitelného zdroje se nemusí vyrobit z fosilních paliv) vyrobenou elektrickou energii využívá majitel pro svou vlastní spotřebu, případné přebytky odevzdává do sítě - úspora stavebních nákladů (panely na střeše, …) - většinou se jedná o menší výkony 2. Výkupní cena - vyrobená elektrická energie se prodává přímo do veřejného rozvodu - zpravidla se jedná o sluneční farmy o velkých výkonech - umístění na volném prostranství

Zelený bonus

Princip a podmínky zeleného bonusu * za veškerou vyrobenou energie je hrazen zelený bonus (sazba ERU), který byl platný v době výstavby * výroba z panelů je měřena samostatným elektroměrem * vyrobenou energii lze využít pro vlastní spotřebu, přebytek prodat obchodníkovi s elektřinou, dodavatel ale nemá za povinnost přebytky vykupovat * přebytky dodané do distribuční sítě jsou měřeny čtyřkvadrantním elektroměrem (měří odebranou a dodanou elektřinu samostatně) * cena za energii dodanou do sítě je smluvní, v současné době zhruba (60-70) hal./kWh

Novela energetického zákona pro malovýrobce (zdroj Energetika 4/16, The Power Self-generation) Výroba bez licence, zejména pro vlastní spotřebu a) zjednodušené připojení - výroba do 16 A (nebo 10 A na fázi), nulový přetok do sítě, bez žádosti o připojení, obousměrný elektroměr (kontrola neoprávněné dodávky) - problematické zajištění nulové dodávky do sítě b) standardní připojení - do 10 kW, výroba pro vlastní spotřebu s možnými přetoky do sítě, obchodní vyrovnání, žádost o připojení, obousměrný elektroměr Princip obchodního vyrovnání - Net metering Porovnání rozdílu mezi odběrem a dodávkou elektrické energie do sítě, obchodní vyrovnání probíhá v měsíčním (ročním) zúčtování. V ČR se týká pouze silové elektřiny. Výrobce hradí fixní poplatek na pokrytí administrativních nákladů. V současné době se řeší zejména právní a ekonomické vztahy výrobce x obchodník a stanovení ceny elektřiny vyrobené z vlastního zdroje - standardní maloobchodní cena - velkoobchodní tržní cena - cena stanovená vyhláškou

Přímý prodej

Princip a podmínky pro přímý prodej * podmínky připojení jsou dány před zahájením výstavby formou „zamluvení výkonu“ mezi výrobcem a provozovatelem (studie připojitelnosti – možnosti distribučních a přenosových linek, rezervy ve stávajících rozvodnách) * veškerá vyrobená energie je odváděna do distribuční sítě * za tuto energii je pevná výkupní cena (ERU), která byla platná v době výstavby * k ceně se připočítává "inflační doložka" – (2 – 4)% * vyrobená energie se měří elektroměrem * provozovatel soustavy musí tuto energii ze zákona vykoupit Obecné povinnosti (neplatí pro novelu do 10 kWP) * každý měsíc je třeba dodat provozovateli výkaz o výrobě * jednou za ¼ roku poslat výkaz na ERU * jednou za rok poslat distributorovi odhad výroby na další rok

Ceníky pro výkup Datum uvedení výrobny do provozu Instalovaný výkon výrobny [kW] Jednotarifní pásmo provozování od (včetně) do (včetně) od Výkupní ceny [Kč/MWh] Zelené bonusy [Kč/MWh] 1. 1. 2010 31. 12. 2010 30 - 12 903 11 973 1. 1. 2011 31. 12. 2011 7 803 7 253 100 6 141 5 211 5 723 4 793 1. 1. 2012 31. 12. 2012 6 284 5 734 1. 1. 2013 30. 6. 2013 5 3 410 2 860 2 830 2 280 1. 7. 2013 31. 12. 2013 2 990 2 440 2 430 1 880

Ekonomický rozbor pro plátce DPH zdroj: www.nemakej.cz Předpokládaný výkon P = 10kWp, investiční náklady 36 Kč/Wp prvotní investice 360 000 Kč, předpokládaná roční výroba 10 000 kWh. Zprovoznění od 1. 1. do 1. 6. 2013. 1. Přímá dodávka * investor utrží 28,3 tisíc Kč za rok * návratnost = 360 / 28,3 = 12,7 let * výkupní cena je garantována na 20 let * FVE dalších 7,3 let bude tedy generovat zisk. * celkově za 20 let je částka cca 570 tisíc Kč 2. Zelený bonus * předpoklad vlastní spotřeba 8 000 kWh * investor utrží 22,8 tisíc Kč za rok * investor ušetří 8 000 x náklady na nákup 1 kWh od distribuční společnosti, zhruba 4 Kč, celkem tedy 32 000,- Kč * celkově fakturace + úspora je za 54,8 tisíc * návratnost = 360 / 54,8 = 6,6 let * celkově za 20 let je částka cca 456 tis. Kč a dalších 640 tisíc ušetří

Technické problémy Jaké technické problémy přinesl rychlý rozvoj fotovoltaických elektráren ? * Z důvodů snížení ekonomické návratnosti investice (5 – 7 let) došlo na našem území v roce 2010 k extrémnímu zájmu investorů. Do konce roku 2010 byl rezervován výkon 8 GW, realizovaný výkon je ale zatím pouze zhruba 2 GW (k 1. 6. 2011) * Zatím není zcela jasný vliv nových zdrojů (slunce a vítr) na rozvodnou soustavu. Proto je uzavírání nových smluv zatím pozastaveno * Analýza dopadů: - udržení frekvence v důsledku kolísání poměru výroba x spotřeba - dostatek jalového výkonu (fotovoltaické elektrárny vyrábí pouze činný výkon) - vznik vyšších harmonických - zvýšení zkratových výkonů On-line výroba fotovoltaických elektráren v ČR (zdroj: sollaris – on-line monotorig FV): zde

Technické problémy * Jedná se o neregulované zdroje s výrobou zejména v letních měsících * Transformátory pro připojení do vn a vvn výrazně zhoršují účiník sítě, střídače kvalitu napětí * Při změnách slunečního svitu dojde k výraznému kolísání výkonu i napětí * Extrémní nárůst výkonu zvyšuje požadavky na distribuční (vn) a přenosovou (vvn) soustavu, která není na takovou změnu připravena. Hrozí přetěžování sítí, s následným vypínáním * Jaderné elektrárny se prakticky nedají regulovat, parní elektrárny jen omezeně (zhoršování jejich účinnosti a efektivity) a vodní elektrárny na vše nestačí  v budoucnu se musí stavět nové zdroje s regulací výkonu (50 – 100)% *  požadavek - výstavba nových „regulačních“ elektráren

Materiály Data Český regulační úřad Světová mapa slunečního svitu Internetový odkaz Mapa svitu v ČR Atlas Česka Wikipedie Otevřená encyklopedie Simulace http://www.leifiphysik.de Petr Mastný Obnovitelné zdroje energie Petr Novotný Fotovoltaika, prezentace TU Liberec