Přímá (i nepřímá) výroba elektrické energie

Prezentace na téma: "Přímá (i nepřímá) výroba elektrické energie"— Transkript prezentace:

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

2 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

3 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

4 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)

5 Mapa slunečního svitu v Evropě

6 Výroba OZE v ČR - zdroj: Český regulační úřad

7 Výkon fotovoltaických elektráren v ČR Zdroj: tzb-info

8 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

9 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

10 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

11 Nepřímá výroba elektrické energie

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

13 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

14 Princip fotovoltaického článku
Princip: zde

15 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%)

16 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, …

17 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

18 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

19 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

20 Vývoj účinnosti

21 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

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

23 Perspektivy vývoje solárních panelů a ceny
Hlavní perspektivy vývoje: * snižování tloušťky destiček na ( ) 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.

24 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

25 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

26 Ostrovní systém grid-off
Sestava firmy Solartek

27 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.

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

29 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

30 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)

31 Příklad kompletního schématu zapojení (zdroj: OEZ)

32 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. …

33 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.

34 Příklady realizace fotovoltaické panely ve škole
Fotovoltaické články: 12 x FV panel RADIX72 maximální výkon 1,117 kW celkové náklady 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 ,7 kWh

35

36

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

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

39

40 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

41 Zelený bonus

42 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

43 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

44 Přímý prodej

45 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

46 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

47 Ekonomický rozbor pro plátce DPH zdroj: www.nemakej.cz
Předpokládaný výkon P = 10kWp, investiční náklady 36 Kč/Wp prvotní investice Kč, předpokládaná roční výroba kWh. Zprovoznění od do 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 kWh * investor utrží 22,8 tisíc Kč za rok * investor ušetří x náklady na nákup 1 kWh od distribuční společnosti, zhruba 4 Kč, celkem tedy ,- 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

48 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 ) * 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

49 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

50 Materiály Data Český regulační úřad
Světová mapa slunečního svitu Internetový odkaz Mapa svitu v ČR Atlas Česka Wikipedie Otevřená encyklopedie Simulace Petr Mastný Obnovitelné zdroje energie Petr Novotný Fotovoltaika, prezentace TU Liberec