TOP EnergyprogramSolární energie

Solární energie

O využití solární energie začíná být u nás díky usilovné propagaci a veřejné podpoře stále větší zájem. Důkazem je postupně rostoucí počet instalací solárních systémů s fotovoltaickými panely či termickými kolektory pro výrobu elektřiny resp. tepla na budovách z veřejné, ale i komerční sféry.

Na zvyšující se poptávku rovněž nepřímo ukazuje i široká nabídka těchto systémů na trhu. K dispozici jsou modulová řešení, která jsou schopna splnit široké požadavky investorů od nejmenších zařízení o velikosti jednotek metrů čtvereční absorpční plochy systému až po instalace v řádech desítek či dokonce stovek m².

Energetický potenciál solární energie přitom není bezvýznamný, spíše naopak. Na každý metr čtvereční zemského povrchu dopadá v našich podmínkách v období slunečního maxima více než 1 kW dále využitelné energie, v ročním souhrnu pak disponibilní množství solární energie dle konkrétní lokality dosahuje od 1 tis. až do 1250 kWh/rok.  

Podobně jako u jiných obnovitelných zdrojů je i v případě tzv. solární energetiky hlavním limitujícím faktorem jejího většího rozvoje vyšší cena vyráběné energie, na níž se největší měrou podílejí vysoké investiční náklady instalací solárních systémů obecně.

Pro představu, u solárních termických systémů, tj. systémů pro výrobu tepla, dosahují měrné investice běžně 20 a více tis. Kč/m² kolektorové plochy, což je vzhledem k obvyklé účinnosti celého systému 40-50 % minimálně 2krát více při přepočtu na jednotku tepelného výkonu jeden kilowatt (dosažitelného při normalizované intenzitě slunečního záření 1000 W).

U fotovoltaických systémů pro výrobu elektřiny začínají měrné investice v současných cenách od hranice 130-140 tis. Kč/kWp (kilowatt špičkového el. výkonu, který je panel schopen dávat opět při normalizovaném oslunění 1 kW).

A tak i při minimálních provozních nákladech a obvyklé životnosti celého systému alespoň 15-20 let vychází cena vyráběné energie, ať už ve formě elektřiny či tepla, významně nad téměř všemi jinými energetickými zdroji.

Ekonomickou efektivnost systémů využívajících solární energii může nicméně v pozitivním i negativním smyslu ovlivnit řada dílčích faktorů. A pokud jim investor věnuje pozornost, mohou investované prostředky do solárního systému učinit významně lepší investicí.

Poznámka: samostatnou „kapitolou“ ve využívání solární energie jsou tzv. pasivní zisky budov, dané jejich architektonickým a stavebním řešením, do značné míry využívané například u nízkoenergetických staveb.

1. Solární termické systémy (a klíčové faktory jejich lepší ekonomiky)

(Aktivní) solární systémy, které přeměňují sluneční záření na teplo, mají dnes mnoho technologických variant, jež se liší (i) v účelu využití získávané energie, (ii) způsobu přenosu tepla a (iii) pracovního média, který tento přenos zprostředkovává.

V našich podmínkách nalézají nejčastější uplatnění solární systémy pro ohřev bazénové vody a/nebo pro ohřev teplé vody v letním a přechodovém období, kdy je dostatečná sluneční aktivita.

V budoucnu se však začnou i u nás objevovat stále častěji instalace využívající solární energii pro přitápění a dokonce i pro výrobu chladu (kombinací s chladící jednotkou absorpčního typu).

Ke klíčovým faktorům, jež ovlivňují ekonomickou efektivnost a následnou ekonomiku systému patří:

• umístění systému (zejména pokud jde o aktivní jímací plochu)
• volba a dimenzování dílčích komponent (odpovídající potřebám tepla)
• provozní parametry (zvláště pokud jde o střední teplotu pracovního média)

1.1 Umístění systému

Rozhodnutím o umístění systému determinujeme disponibilní množství solární energie, které pak bude moci systém každoročně ve formě tepla dále využít.

Regionální odlišnosti v intenzitě dopadajícího slunečního záření na území naší republiky dosahují 20 – 25%. K lokalitám s nejvyšším osluněním patří střední Čechy a jižní Morava, k nejnižším pak regiony s vyšší nadmořskou výškou (viz obrázek níže).

Stejný efekt pak má i správná orientace a sklon kolektoru. Optimem je jih příp. s mírnou odchylkou na západ o 8-15° a sklon kolektoru 45-50° pro celoroční provoz nebo 30° resp. 60° při preferenci letního respektive zimního provozu.

Při optimální poloze, jak regionální, tak i prostorové, je možné dosáhnout v našich podmínkách souhrnného množství solární energie až 1.250 kWh/rok. A naopak, při instalaci systému do lokality s méně vhodnými podmínkami (region s vyšší nadmořskou výškou a nevhodný sklon kolektoru) může systém počítat i jen s méně než 60 procenty tohoto u nás dosažitelného maxima.

 

Obr. -  Průměrný roční úhrn globálního záření v ČR (v MJ/m², vztaženo na horizontální rovinu)

Zdroj: Atlas podnebí (ČHMÚ, 2007) 

 

Tab. – Obvyklé hodnoty disponibilního množství solární energie v našich podmínkách v průběhu roku (na horizontální rovinu) a přepočtové koeficienty upravující solární zisk na plochu různé orientace  

Měsíc	Energie na horizont. rovinu [kWh]	Přepočtový faktor
		Jih				Jihovýchod/jihozápad
		30°	45°	60°	90°	30°	45°	60°
1	24	1,44	1,57	1,63	1,55	1,37	1,48	1,52
2	40	1,4	1,5	1,54	1,31	1,33	1,42	1,43
3	78	1,17	1,19	1,15	0,99	1,15	1,16	1,12
4	116	1,08	1,05	0,98	0,73	1,07	1,05	0,99
5	154	1	0,94	0,85	0,56	1	0,95	0,88
6	154	0,96	0,9	0,81	0,50	0,97	0,91	0,82
7	166	0,97	0,91	0,83	0,52	0,98	0,92	0,84
8	139	1,03	1	0,92	0,66	1,03	1	0,93
9	91	1,17	1,18	1,14	0,90	1,15	1,16	1,12
10	62	1,3	1,37	1,38	1,28	1,25	1,31	1,3
11	27	1,47	1,61	1,68	1,39	1,4	1,51	1,55
12	18	1,42	1,55	1,61	1,49	1,36	1,46	1,49
Rok	1069	109%	108%	102%	76%	108%	106%	101%

1.2 Volba a dimenzování dílčích komponent

Efektivnost systému dále zásadním způsobem výběr aktivní jímací plochy, tzv. absorbéru či také kolektoru (je-li opatřen zasklením). Existuje několik konstrukčně i materiálově odlišných typů kolektorů, které se liší v konečném výsledku mírou energetické účinnosti, se kterou jsou schopny dopadající záření transformovat v dále využitelné teplo. Vyšší účinnost mají obecně kolektory s aktivní plochou z kovu (mědi) a opatřenou dobrou izolací od okolí (nejlépe vakuem). 

Celková účinnost systému je dále podmíněna vhodným řešením akumulace tepla (předpokladem je dostatečně dimenzovaný solární zásobník umožňující stratifikaci) a také úrovní systému regulace.

Pro dobrý a efektivní provoz celého solárního systému je v konečném důsledku velmi důležitá volba velikosti kolektorové plochy (tepelného výkonu) tak, aby se za pomoci odpovídající akumulační schopnosti systému blížila předpokládané (s)potřebě tepla zejména v letním období, kam připadá velká část solárních zisků.

1.3 Provozní parametry systému

Vedle typu kolektoru a dalších komponent má na celkovou energetickou efektivnost solárního systému významný vliv rovněž rozdíl teplot média proudícího v kolektoru a okolí (viz obrázek níže).

Může-li systém pracovat s nízkou střední teplotou pracovního média, významně se snižují ztráty tepla do okolí. Tento efekt relativně dobře omezují kolektory mající absorbér pokryt zvláštním, spektrálně-selektivním povrchem, jenž významně omezí zpětné sálání přijaté energie zpět do okolí, a pro minimalizaci tepelných ztrát nejlépe současně navíc ještě uloženým do vakua (jako nejlepšího izolantu).   

Při použití kvalitní kolektorů se selektivním povrchem a nízkou teplotou ohřevu vody (na 30-40 °C) je pak možné počítat s efektivním ročním energetickým ziskem 500 či dokonce ještě více kilowatthodin tepla (z 1 metru čtverečního plochy kolektoru).

 

Obr. - Křivky účinnosti různých typů solárních kolektorů dle rozdílu střední teploty média v kolektoru (Tm) a okolí (Ta)

 

Autor: Matuška, 2005

 

1.4 Závěrečná doporučení (z pohledu ekonomické návratnosti)

Přestože je volba komponent a provozních paramterů solárního systému pro jeho efektivní provoz velmi důležitá, konečným determinantem ekonomické výhodnosti jeho případné instalace jsou dva jiné faktory - účelné využití získávaného tepla (primárně v období maxima sluneční aktivity, tj. v letních měsících) a nákladovost výroby tepla stávajícím či jiným způsobem (tj. z jakého zdroje by solární systém potřebnou energii nahrazoval).

V případě prvního faktoru lze doporučit solární systém instalovat nejlépe do těch míst, kde je odběr tepla celoroční, případně v průběhu celé letní sezóny nepřerušovaný dovolenými a podobně, a kde výkon instalovaného solárního systému bude nižší než minimum potřeby tepla během roku (obvykle letní minimum).

Ideální jsou proto místa odběru s trvalým pobytem obyvatel či celoroční dostatečnou potřebou tepla, jako např. ústavy sociální péče, domovy důchodců nebo plavecké bazény. To je ostatně současný trend hlavního rozvoje solárních termálních soustav větší velikosti.

Druhou důležitou skutečností z pohledu ekonomické efektivnosti nasazení solárního systému je, jaké jsou či by byly náklady na jeho výrobu jiným způsobem.

Dlouhodobý výhled cenového vývoje dvou hlavních substitutů, elektřiny a zemního plynu, dává zvláště v prvním případě dobrou perspektivu, že investice do solárního systému může být s ohledem na svou životnost (20-25 let) prozíravým krokem – uživateli umožní dlouhodobě zafixovat část nákladů na teplo a navíc prokazatelně uspoří tuny emisí CO₂, které by jinak byly vypuštěny do atmosféry při alternativní výrobě tepla spalováním paliv fosilního ale i obnovitelného původu.

V případě získání veřejné podpory, která umožní krýt alespoň část (30-40 %) investičních nákladů, lze vážně uvažovat i o nasazení solárních systémů v zařízeních a objektech, jež kryjí své potřeby tepla i jinými nákladnějšími energetickými zdroji (např. zemním plynem či dálkovým teplem z něj vyráběným).

Tab. - Empirická pravidla velikosti kolektorové plochy a akumulačního zásobníku

Využití systému	Kolektorová plocha [m2]	Akumulační objem zásobníku [m2]
TV	1-1,5 na osobu	50-100 litrů na m22 kolektorové plochy
TV+Přitápění	0,08-0,16 na m22 podlahové plochy	Min. 50 litrů na m2 kolektorové plochy

   Zdroj: Skácel, 2005

 

Tab. – Příklad nákladovosti výroby tepla ze dvou solárních systémů s různými solárními kolektory

Instalace solárního systému	1	2
Celkové investiční náklady [Kč]	2 300 000	1 900 000
Plocha kolektorů	131	100
Měrná investice [Kč/m2]	17 524	19 000
Měrný energetický zisk [kWh/m2.rok]	450	500
Celkový energetický zisk [kWh/rok]	59 063	50 000
Provozní náklady [Kč/rok]	3 360	2 038
z toho:
na opravy [Kč/rok]	2 000	1 800
příkon oběhového čerpadla  [kWh]	400	70
náklady spojené s provozem čerpadla [Kč/rok]	1 360	238
Průměrná cena kWh elektřiny v Kč za:
15 let	3,81	3,70
20 let	3,18	3,09
25 let	2,82	2,74
Předpoklady: Ceny instalací při dodávce „na klíč“ bez DPH (pro objekty z bytové sféry 5 %, jinak 19 %); při „anualizaci“ investičních nákladů uvažován 5 % diskont, ceny ostatních provozních nákladů z důvodu malého vlivu na konečnou cenu jsou předpokládány jako konstantní.  1) 75 ks plochých kolektorů (1,75 m2 absorpční plochy každý) na TUV, včetně nových akum. zásobníků odpovídající velikosti 2) Instalace 40 trubicových vakuových kolektorů na ohřev TUV a přitápění, včetně nových akum. zásobníků odpovídající velikosti

 

2. Fotovoltaika (a klíčové faktory jejich lepší ekonomiky)

Získávání elektrické energie přímo ze slunečního záření patří k nejperspektivnějším způsobům její výroby.

Pomineme-li drobné aplikace fotovoltaiky (kalkulačky, solární pobíječky pro notebooky, mobilní telefony, autobaterie apod.), bylo asi nejčastějším místem nasazení fotovoltaických (FV) systémů až do nedávné minulosti zásobování objektů, které jsou mimo dosah distribuční sítě elektřiny.

Ostrovní systém vyráběl stejnosměrný proud na úrovni nízkého napětí (12/24 V), který pak byl dle charakteru spotřebičů případně transformován na vyšší napěťovou hladinu (standardních 230 V).

K vyrovnání nesoučasnosti mezi výrobou a spotřebou byly tyto systémy zpravidla vybaveny funkcí akumulace přebytečné energie do baterií (nejčastěji olověného typu).

V souvislosti s veřejnou poptávkou po výrobě elektrické energie z obnovitelných zdrojů se však v současnosti hlavní zájem investorů přesouvá k systémům typu „on-grid“, tj. těm, které vyráběnou energii dodávají do sítě.

I u nás je dnes již možné si tento typ systému nainstalovat a distribuční síť pak fakticky nahrazuje funkci akumulátoru a současně spotřebiče.

S ohledem na pravidla veřejné podpory (daná zákonem č. 185/2005 Sb.) je přitom nutné zvolit si vždy pouze jeden z modelů využití elektrické energie vyrobené FV systémem – buď veškerou elektřinu vlastník využije pro vlastní (s)potřebu nebo dá přednost její dodávce do sítě.

Z ekonomických důvodů se dnes výhodnější jeví řešení první, zvláště u malých instalací.

Zatímco při veškeré dodávce do sítě obdrží vlastník systému od místního provozovatele distribuční sítě „pouze“ úředně stanovenou výkupní cenu (viz níže), při vlastní spotřebě má nárok na tzv. zelený bonus. Jeho cena je sice snížena o pravděpodobnou tržní cenu takto vyrobené elektřiny jako komodity, ušlý výnos je však více než vynahrazen úsporami díky nižší potřebě nákupu el. energie ze sítě (jež vedle ceny elektřiny jako komodity nutně obsahuje také i náklady na přenos a distribuci). Čím je cena nakupované elektřiny ze sítě vyšší, tím je tento model podpory pro investora výhodnější. 

Z hlediska praktického využití platí, že z jedné instalované kilowaty běžného systému lze za rok získat v průměru 800 – 1100 kWh elektrické energie.

Vedle účinnosti panelů a ostatních komponent FV systému (zejména střídače) má na energetický zisk vliv opět volba lokality a orientace a sklon solárních panelů.

Solární zisky je možné dále zvýšit umístěním panelu/ů na polohovacího zařízení, tzv. “tracker”.Ten pak v průběhu dne natáčí panel(y) tak, aby v každý časový okamžik k dopadajícímu sluneční záření zaujímal(y) největší plochu. V bezoblačných dnech je možné tímto způsobem navýšit oproti pevně nainstalovanému panelu solární zisk o 30-40 %, v ročním souhrnu je v našich podmínkách reálný zisk nižší (podle prvních experimentů o 10-15 %).  

Další navýšení lze pak dosáhnout instalací koncentrátorů, které (dle velikosti své plochy) umožňují zvýšit množství solární energie dopadající na panel až o několik desítek procent.

Obě tato opatření sice umožní zvýšit výkon panelů, přinášejí však i poměrně velké vícenáklady. Je proto rozumné si ekonomický efekt těchto dodatečných řešení nechat potvrdit.

Veřejná podpora výrobě elektřiny ze slunce, která byla zavedena uvedeným zákonem č. 185/2005 Sb., umožňuje proměnit investice do fotovoltaického systému za určitých podmínek (při velmi nízkých měrných investičních nákladech a vysoké výrobě na jednotku instalovaného výkonu) návratnými v horizontu 15ti let.          

Při jejich nesplnění je pak návratnost vložených prostředků v tomto horizontu obtížně dosažitelná a bez dodatečné podpory fakticky i jen z úvěrových zdrojů nefinancovatelná. Lepší ekonomice může pomoci zmiňované využití produkované energie pro vlastní spotřebu za veřejné podpory formou zelených bonusů (viz tabulka níže).

 

Tab. - Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu č. 8/2006 ze dne
21. listopadu 2006 pro výkup elektřiny využitím slunečního záření

Datum uvedení do provozu	Výkupní ceny elektřiny dodané do sítě v Kč/MWh	Zelené bonusy v Kč/MWh
Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu po 1. lednu 2006 včetně	13460	12750
Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu před 1. lednem 2006	6410	5700

Aktuálně platné hodnoty výkupních cen a zeleného bonusu najde zde [nové okno].

Tab. - Příklad ekonomiky fotovoltaického systému využívajícího podporu formou povinného výkupu (s dodávkou vyráběné energie do distribuční sítě) respektive režimu zelených bonusů (elektřina využita pro vlastní spotřebu)

Instalace solárního systému	Var 1	Var 2
Celkové investiční náklady [Kč]	1 400 000	1 400 000
Celkový instalovaný (špičkový) výkon [kWp]	10	10
Měrná investice [Kč/kWp]	140 000	140 000
Měrný energetický zisk [kWh/kWp.rok]	1000	1000
Celkový energetický zisk [kWh/rok]	10 000	10 000
Celkové provozní náklady [Kč/rok]	14 000	14 000
z toho:	-	-
opravy a obsluha příp. ostraha [Kč/rok]	9 100	9 100
pojištění [Kč/rok]	3 500	3 500
ostatní režijní náklady  [Kč]	1 400	1 400
Ekonomika provozu [Kč/rok]
Amortizace investice	(-)134 879	(-)134 879
Provozní náklady	(-)14 000	(-)14 000
Výnos z výroby elektřiny, jež je předmětem podpory	(+)134 600	(+)127 500
Úspora za tuto elektřinu nenakoupenou ze sítě	0	(+)25 000
Roční výsledek hospodaření	-14 279	3 621
Předpoklady: V obou variantách se předpokládá větší FV systém typu on-grid stejného typu stávající se vždy z panelů, střídače, kabeláže a dalších nezbytných součástí, avšak bez akumulátorů. Ceny jsou včetně instalace bez DPH (pro objekty z bytové sféry 5 %, jinak 19 %). Amortizace investice odpovídá půjče ve stejné výši se splatností 15 let a úrokovou sazbou 5 %; náklady na opravy, obsluhu a příp. ostrahu předpokládány v běžné výši stejně jako ostatní režijní náklady; roční pojistné pak činí 0,25% investičních nákladů. Výnos z výroby elektřiny předpokládá ve variantě 1 aktuální výkupní cenu (pro rok 2007) 13,46 Kč/kWh, ve var. 2 zelený bonus v hodnotě 12,75 Kč/kWh. Úspora za stejné množství elektřiny nenakoupené ze sítě vychází z průměrné ceny 2,50 Kč/kWh.

 Ing. Andrea Hlavová, Ing. Tomáš Voříšek