Toto je druhý díl článku o potenciálu využití fotovoltaických zdrojů ve světě a Česku. První díl naleznete zde.

Vlastnosti fotovoltaických elektráren – jejich výhody a problémy

Obrovskou výhodou fotovoltaických zdrojů je možnost budování ve všech možných velikostech, od malých decentralizovaných instalací na střechách jednotlivých budov až po rozsáhlé fotovoltaické farmy s výkonem stovek megawattů. I ty lze instalovat postupně, což snižuje prvotní náklady i rizika investora. Jak bylo zmíněno, využívají se v současné době dominantně klasické křemíkové články s celkovou účinností zhruba mezi 14 až 22 %. Roční efektivita využití fotovoltaického zdroje závisí silně na konkrétních podmínkách daného regionu i konstrukci elektrárny a pohybuje se mezi 10 až 35 % (horní limita je pro opravdu ideální podmínky a konstrukci). V průběhu času dochází k degradaci článku a snižování výkonu panelu. U současných využívaných modelů je však na úrovni pouhých 0,5 %/rok.

Kritickým prvkem pro využití fotovoltaiky je možnost ukládání energie a tím i kvalita i cena bateriových systémů. Bateriové úložiště firmy E.ON. (Zdroj E.ON).
Kritickým prvkem pro využití fotovoltaiky je možnost ukládání energie a tím i kvalita i cena bateriových systémů. Bateriové úložiště firmy E.ON. (Zdroj E.ON).

Existují stabilní pevné systémy, které je dobré nasměrovat co nejvhodnějším směrem, aby na ně sluneční paprsky dopadaly co nejvíce kolmo po nejdelší vhodné části dne. Pokud však máme větší počet instalací, je výhodnější, když se jejich směr i náklon od sebe mírně liší. Čas maxima jejich výkonu se tak u konkrétních instalaci různí. Celkové maximum výkonu celé soustavy fotovoltaických elektráren při optimálním slunečním svitu je tak sice nižší než suma špičkového výkonu jednotlivých částí systému, ale rozšíří se v čase. Špičkový výkon v ideálních podmínkách je tak například v Německu i Česku jen 70 % sumy deklarovaných nominálních výkonů elektráren, ale produkce elektřiny z nich je v čase lépe rozložena. Jde o přibližnou hodnotu získanou srovnáním deklarovaného instalovaného špičkového výkonu a maximálního výkonu v optimálních podmínkách v posledních letech a je ovlivněna i dalšími jevy.

Panely se také dají instalovat na pohyblivé konstrukce, které zajistí jejich natáčení směrem ke slunci. Toto řešení je méně časté, protože zvyšuje náklady na instalaci a provoz systému a je nutné zvažovat, zda se v dané situaci vyplatí. Používá se zejména pro koncentrátorové sluneční články instalované v oblastech s velkým podílem přímého slunečního záření.

Jak už bylo zmíněno, cena fotovoltaických panelů klesá s množstvím vyrobených kusů a vylepšováním technologií. V současné době už začíná být cena panelu menší částí ceny celé elektrárny, stále větší vliv mají další části konstrukce a elektroniky, kde se náklady mění daleko méně. Stejně tak začíná mít stále větší vliv na cenu elektrárny cena pozemků. Je tak důležité stavět fotovoltaické farmy na místech, která nejsou zemědělská a nejsou vhodná pro jiné využití. Proto se největší sluneční elektrárny budují v pouštních oblastech, které pro ně navíc mají často velmi vhodné klimatické podmínky. Jako zajímavost lze tak uvést, že stavba velké solární elektrárny s výkonem v jednotkách gigawattů se připravuje v oblastech v blízkosti Černobylské jaderné elektrárny nebo na územích ohrožených cunami v Japonsku, u nichž se možností využití také těžko hledají.

Německá produkce elektřiny a pravidelné fluktuace solární produkce v ideálním červencovém týdnu. (Zdroj Agora).
Německá produkce elektřiny a pravidelné fluktuace solární produkce v ideálním červencovém týdnu. (Zdroj Agora).

Výhodou u fotovoltaické elektřiny je dobře předvídatelný průběh svitu slunce v případě, že není ovlivněno oblačností. V tomto případě má elektrárna přesně daný cyklus denní špičky a noci, kdy se elektřina nevyrábí. Pro oblasti v blízkosti rovníku, kde neovlivňuje délku a velikost denní špičky tak silně roční cyklus, by tak stačilo pokrýt ukládáním energie pouze několik hodin bez slunce. Pro mírné pásmo však v průběhu podzimu a hlavně zimy dodávají fotovoltaické elektrárny jen velmi omezené množství elektřiny. Navíc je v těchto obdobích i daleko větší pravděpodobnost výskytu oblačnosti či mlh.

Odběrový diagram řady oblastí obsahuje denní špičky, spotřeba elektřiny je největší během dne. Polední špička je větší v horkých regionech, kde se intenzivně využívá klimatizace. A právě tato území mají i velmi vhodné podmínky pro produkci solární elektřiny. Proto je velice výhodné využívat solární systémy pro vykrývání těchto špiček.

Instalovaný výkon fotovoltaických zdrojů ve světě (zdroj Solar Power Europe).
Instalovaný výkon fotovoltaických zdrojů ve světě (zdroj Solar Power Europe).

Fotovoltaická elektrárna je závislá na slunečním svitu, nemůže tak zaručit zvýšení výkonu v případě potřeby, naopak regulace pomoci snížení výkonu či odstavení elektrárny je možné a podpora regulace těmito zdroji poroste s tím, jak se bude zvyšovat jejich podíl v energetickém mixu jednotlivých regionů.

Historie, současnost i budoucnost solárních parků ve světě

Fotovoltaické systémy začaly být výhodné nejdříve v místech s intenzivním slunečním svitem a vhodným stabilním počasím, kde nebyla dostupná elektrická síť. Postupně, jak se cena panelů snižovala, zvyšoval se i počet instalací v různých místech a na budovách. Využívalo se toho, že v místech s problematickým přístupem k elektrické síti a vysokou cenou elektřiny z jiných dostupných zdrojů začala být cena z fotovoltaiky konkurenceschopná.

Hlavně ve slunečných oblastech tak začalo být reálné budovat větší fotovoltaické parky pro dodávky elektřiny do sítě. První fotovoltaickou farmu vybudovala v Kalifornii v USA v roce 1982 firma Arco Solar a měla výkon 1 MWp, v roce 1984 byla následována instalací s výkonem 5,2 MWp v Carrizo Plain.

Solární park Erlasee v Německu (zdroj Wiki, Rainer Lippert).
Solární park Erlasee v Německu (zdroj Wiki, Rainer Lippert).

Zlom v jejich budování však znamenalo teprve zavedení dotovaných cen v Německu v roce 2004, které vzhledem ke své energetické koncepci Energiewende potřebovalo rychle zvýšit výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů. Díky tomu se instalovalo několik stovek instalací přesahujících 1 MWp a více než padesát s výkonem přesahujícím 50 MWp. Podobný systém dotovaných cen přijalo Španělsko v roce 2008 a vedl k instalaci přes 60 farem s výkonem přesahujícím 10 MWp. V současné době jsou největší solární parky v Číně, Indii a USA.

Největší fotovoltaické elektrárny se budují v Číně a Indii, některé z nich už překročily instalovaný výkon 1 GWp. Jde o elektrárnu Tengger Desert Solar Park, která je v pouští Gobi a její instalovaný výkon je 1547 MWp. Plocha, kterou zaujímá, dosahuje zhruba 40 km2. Ještě větší by měla být elektrárna Datong Solar Power, která má zatím v první fázi 1000 MWp a po dokončení třetí fáze by měla mít celkový výkon 3000 MWp. Za ní následuje fotovoltaická elektrárna Kurnool Mega Solar Park v Indii, který dosahuje 1000 MWp.

Roční přírůstky výkonu z nových instalací ve světě. Je vidět, že Evropa už má maximum za sebou, ale ve světě roční instalace významně rostou. (Zdroj Solarpower Europe).
Roční přírůstky výkonu z nových instalací ve světě. Je vidět, že Evropa už má maximum za sebou, ale ve světě roční instalace významně rostou. (Zdroj Solarpower Europe).

Čínská elektrárna Longyangxia Dam se budovala ve dvou etapách, k výkonu 320 MWpz první fáze se přidalo 530 MW z té druhé. Celkově zaujímají plochu zhruba 23 km2. V tomto případě je velkou výhodou, že fotovoltaická elektrárna je na stejném místě jako stejnojmenná vodní elektrárna. Ta má čtyři turbíny o výkonu 320 MW. Produkce v obou elektrárnách se koordinuje a vodní elektrárna nahrazuje výkon té sluneční v době, kdy slunce nesvítí.

Jedna z největších evropských fotovoltaických elektráren je francouzská Cestas s výkonem 300 MWp (zdroj Gimball Prod).
Jedna z největších evropských fotovoltaických elektráren je francouzská Cestas s výkonem 300 MWp (zdroj Gimball Prod).

Pátá největší fotovoltaická elektrárna je opět v Indii, jedná se o Kamuthi Solar Power Project s výkonem 648 MWp. Pak následují čtyři fotovoltaické elektrárny ve Spojených státech amerických s výkonem mezi 550 až 570 MWp. Jedná se o zařízení Solar Star, Topaz Solar Farm, Copper Mountain Solar Facility, Desert Sunlight Solar Farm. Výkon 500 MWp má ještě Huanghe Hydropower Golmud Solar Park v Číně.

V Evropě jsou největšími fotovoltaickými instalacemi francouzská Cestas Solar Farm v Bordeaux s výkonem 300 MWp a německá Solarpark Meuro s výkonem 168 MWp.

Pokud jde o celkový instalovaný výkon, překročil na konci roku 2016 hodnotu 300 GWp. V čele je Čína se 77 GWp, za ní je Japonsko se 42,8 GWp, Německo se 40,8 GWp a USA se 40 GWp (konec roku 2016). Toto pořadí se ovšem bude měnit, protože Německo růst nových instalací omezuje a naopak rozvíjející se země, které potřebují zvýšit produkci elektřiny, budují nové fotovoltaické zdroje stále rychleji. Využívají i toho, že je lze budovat decentralizovaně, což je výhodné v případě nedostatečně rozvinuté elektrické sítě a propojení. Současným trendem ve světě, na rozdíl od nás, je růst podílů velkých solárních farem na úkor malých zdrojů na budovách, který je dán právě zvyšováním nových kapacit v rozvíjejících se zemích, kde se buduje průmysl.

Roční nově instalovaný výkon fotovoltaických elektráren má v Evropě za sebou maximum v letech 2010 až 2012. Vývoj tehdy udávalo hlavně Německo a Itálie. Nyní se situace po poklesu stabilizovala. V roce 2015 bylo instalováno 8 GWp, v roce 2016 pak 6,7 GWp a v roce 2017 je výhled instalovat zhruba 7,5 GWp. (Zdroj Solarpower Europe).
Roční nově instalovaný výkon fotovoltaických elektráren má v Evropě za sebou maximum v letech 2010 až 2012. Vývoj tehdy udávalo hlavně Německo a Itálie. Nyní se situace po poklesu stabilizovala. V roce 2015 bylo instalováno 8 GWp, v roce 2016 pak 6,7 GWp a v roce 2017 je výhled instalovat zhruba 7,5 GWp. (Zdroj Solarpower Europe).

Dalším významným trendem jsou plovoucí fotovoltaické parky. Umisťují se na vnitrozemské vody a kromě využití plochy se tak dosahuje efektivnějšího chlazení. Při přehřívání se totiž snižuje efektivita fotovoltaických článků. Zároveň snižují odpar z hladiny. V polovině roku 2017 byla v Číně v prefektuře Chauj-nan zprovozněna zatím největší taková elektrárna, která byla instalována na jezeře, které vzniklo v důsledku těžební činnosti. Výkon této elektrárny postavené firmou Sungrow je 50 MWp. Další podobná se dokončuje a testuje nedaleko od ní. Řada takových elektráren, i když menších, se vybudovala nebo buduje v Japonsku, které má nedostatek volných ploch. Existují i v Austrálii nebo Velké Británii.

Speciálním případem ve využívání fotovoltaiky je již zmíněné Německo. To má již nyní celkový výkon instalovaný v decentralizovaných systémech na budovách i fotovoltaických farmách 40,7 GWp, což už je velká část potřebného okamžitého výkonu, který se většinou pohybuje mezi 60 až 80 GW. Fotovoltaické instalace se v daném regionu chovají jako jedna velká elektrárna. Zároveň má Německo velký instalovaný výkon ve větrných elektrárnách, které jsou také závislé na povětrnostních podmínkách.

Střešní systémy jsou ideální komponenty decentralizovaného využití fotovoltaických zdrojů. Na obrázku je nejmodernější systém firmy BELECTRIC v Berlíně. (Zdroj BELECTRIC).
Střešní systémy jsou ideální komponenty decentralizovaného využití fotovoltaických zdrojů. Na obrázku je nejmodernější systém firmy BELECTRIC v Berlíně. (Zdroj BELECTRIC).

Pokud jsou tak podmínky vhodné pro oba tyto preferované zdroje a elektřinu se nepodaří exportovat, je třeba i jejich výrobu omezovat. I to je důvod, proč se nárůst instalací i produkce fotovoltaických zdrojů v Německu v posledních letech omezil. Německo už tak ukazuje na limity ve využívání fotovoltaických zdrojů v současné elektroenergetice. Pokud se nepodaří vyřešit efektivní dlouhodobé ukládání energie, bude podíl výroby ve fotovoltaických zdrojích omezený. V Německu produkují solární zdroje v současnosti okolo 7 % celkové produkce elektřiny. Německo plánuje postupně do roku 2030 dosáhnout instalovaného výkonu 66 GWp, což znamená v ideálních podmínkách možnost pokrytí až celého potřebného výkonu pomocí čistě fotovoltaických zdrojů.

Regulace sítě v podmínkách vysokého podílu fotovoltaických elektráren je mimořádně důležitá a stále významnější její komponentou je ukládání energie. Decentralizované solární zdroje i velké fotovoltaické parky se tak začínají stavět s bateriovými systémy, které dokáží pokrýt i několikahodinový výpadek slunečního svitu. Pro míru využití fotovoltaický zdrojů bude vyřešení efektivního a levného ukládání energie klíčové. Pro krátkodobé ukládání a regulaci by mohlo pomocí snížení cen baterií, kde se dramaticky zvyšuje kapacita jejich výroby. V čele rozvoje instalací velkých bateriových uložišť je i známá firma Tesla Elona Muska. Otázka dlouhodobějšího (sezónního) ukládání energie je však mnohem náročnější.

Průběh instalace fotovoltaických zdrojů v České republice (zdroj ERÚ, studie ENACO)
Průběh instalace fotovoltaických zdrojů v České republice (zdroj ERÚ, studie ENACO)

Co to znamená pro Českou republiku?

Česká republika je v mírném pásu a její podnebí není pro využívání sluneční energie ideální. Roční koeficient využití se u fotovoltaických elektráren u nás pohybuje mezi 9 až 13 %. V našich podmínkách lze na jednom kilometru čtverečném instalovat elektrárnu s výkonem zhruba 50 MWp. Na druhé straně však jsou geografické podmínky podobné těm německým a v Německu je jeden z největších relativních poměrů instalovaného fotovoltaického výkonu k potřebnému výkonu.

Boom instalace fotovoltaických systémů nastal v letech 2009 a 2010 kvůli nezvládnutému systému dotovaných cen. Ten byl nastaven tak, že neumožňoval rychlé a jednoduché snížení výšky dotovaných výkupních cen při rychlém snížení cen panelů, ke kterému v té době došlo. V těchto letech tak vzrostl instalovaný výkon fotovoltaických zdrojů v Česku z hodnoty v jednotkách MWpna téměř 2000 MWp. V té době byly vybudovány i téměř všechny fotovoltaické farmy s výkonem větším než 5 MWp. Tři největší jsou Ralsko RA 1 s výkonem 38,3 MWp, Vepřek s výkonem 35,1 MWp a Ševětín s výkonem 29,9 MWp.

Podíl instalací podle výkonu (zdroj studie ENACO).
Podíl instalací podle výkonu (zdroj studie ENACO).

Zhruba na hodnotě 2 GWp se udržuje instalovaný výkon až do současnosti. Zrušení garantovaných cen totiž vedlo k tomu, že se nyní většinou instalují jen malé decentralizované zdroje na budovách, které nejsou primárně určené pro dodávku elektřiny do sítě. Zatímco malé instalace do 30 kWp tvoří 92 % z celkového počtu zařízení, jejich výkon je pouze 12 % ze zmíněných 2 GWp.

Instalovaný špičkový výkon 2 GWp vede v letních optimálních podmínkách v maximu k hodnotám až téměř 1,6 GW solární elektřiny. Různá umístění, orientace a sklon plochy panelů elektráren rozloží jejich maxima výkonu do různého času a rozdělení jejich produkce v době špičky je rovnoměrnější. V současné době tak od jara do podzimu v době příznivého počasí docela dobře pokrývají naše instalované fotovoltaické zdroje velkou část denní špičky spotřeby. Celkově vyrobí fotovoltaické zdroje u nás v současné době okolo 2,1 TWh ročně, což reprezentuje zhruba 2,5 % naši výroby.

Velmi vysoký instalovaný výkon v Německu a hlavně v sousedním Bavorsku, které má z německých 40 GWp výkonu 11 GWp, zhoršuje podmínky pro využití sluneční energie pro výrobu elektřiny u nás. Sluneční svit bývá většinou podobný u nás i v Německu. Takže v případě ideálních podmínek u nás je trh zaplaven přebytky německé fotovoltaické elektřiny.

Podíl instalací s různým výkonem na celkovém instalovaném výkonu v České republice
Podíl instalací s různým výkonem na celkovém instalovaném výkonu v České republice

Stále sice zůstává prostor pro zvyšování fotovoltaiky u nás, ale měl by se prioritně využít pro decentralizované instalace na budovách. Zde jsou odhady technického potenciálu dány možnostmi instalací střech budov. Podle odhadů studie firmy ENACO se v horizontu roku 2045 jedná u bytových a rodinných domů o 4,5 GWp a u ostatních budov až 7,3 GWp. Reálný potenciál je však mnohem omezenější. Nelze tak předpokládat, že by se bez dramatického zlomu ve skladování energie (např. při nabíjení elektromobilů) u nás daly překročit německé výsledky. Fotovoltaické zdroje tak ještě dlouhou řadu let i desetiletí u nás nepřekročí 10 – 15 % výroby elektřiny.

Elektrárna Ralsko Ra1a je součástí jedné z největších fotovoltaických elektráren v Česku (zdroj http://www.sudop.cz/).
Elektrárna Ralsko Ra1a je součástí jedné z největších fotovoltaických elektráren v Česku (zdroj http://www.sudop.cz/).

Stejně jako u větru, nelze odstranit negativní vliv vysokých instalovaných výkonů ve fotovoltaice v Německu, hlavně pak v Bavorsku. Lze však odstranit byrokratické překážky pro instalaci fotovoltaických panelů na budovách. Je také třeba najít efektivní možnosti podpory takových instalací na současném deformovaném trhu.

Státní energetická koncepce České republiky s podporou efektivních fotovoltaických instalací počítá. Stejně jako u ostatních zdrojů, které jsou nutnou součástí efektivního energetického mixu, je však třeba nalézt její nejvhodnější variantu.

 

Autoři článku: Vladimír Wagner, Antonín Fejfar, Martin Ledinský


Poznámka

Článek je třetí z cyklu, který bude rozebírat možnosti jednotlivých energetických zdrojů u nás, a jehož cílem je iniciovat diskuzi o budoucím rozvoji české elektroenergetiky a jeho úskalích i možnostech. Hlavně v souvislosti s tím, že od poslední aktualizace energetické koncepce uplynulo již pár let a v oblasti energetiky se u nás reálně nic moc neudělalo. Zároveň se objevuje řada rizik a tak je velmi důležité udělat si přehled o vývoji a stavu energetiky ve světě i u nás. První část věnovaná větrné energii je dostupná zde (díl 1.) a zde (díl 2.). Druhá část věnovaná jaderným zdrojům je dostupná zde (díl 1.) a zde (díl 2.).

Článek byl původně publikován na webu OSEL.CZ

Práce rozebírající potenciál fotovoltaiky u nás:

J. Jakubes a V. Járka: Studie „Potenciál solární energetiky v České republice“, firma ENACO pro Českou fotovoltaickou průmyslovou asociaci

Část textu vychází z článku:

A. Fejfar, M. Ledinský, Fotovoltaické využití energie světla ze Slunce, Československý Časopis pro Fyziku. 65 (2015) 384–388

Doporučené zdroje:

Solarpower Europe Global Market Outlook

National Renewable Energy Laboratory

Komentáře

0 komentářů ke článku "undefined"

Přidat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *