Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad ENERGETICKO-EKONOMICKÁ ANALÝZA HYBRIDNÍCH FOTOVOLTAICKO-TEPELNÝCH KOLEKTORŮ Tomáš Matuška Energetické systémy budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad ANOTACE Příspěvek představuje energeticko-ekonomickou analýzu provozu solárních hybridních fotovoltaicko-tepelných (FVT) kolektorů v bytovém domě. Cílem analýzy je určit jaká maximální tržní cena uvažovaných FVT kolektorů by umožnila jejich konkurenceschopnost s konvenční kombinací fotovoltaických modulů a fototermických kolektorů pro stejný účel. SUMMARY The paper presents performace and economic analysis for the application of solar hybrid photovoltaic-thermal (PVT) collectors in a multifamily residential building. Target of the analysis was to determine the maximum market price of the respected PVT collectors to compete with conventional combination of photovoltaic modules and solar thermal collectors for the same usage. ÚVOD Pro vývoj nového výrobku zaskleného solárního hybridního FVT kolektoru do komerčního stádia je v první řadě nutné znát potenciální trh a maximální tržní cenu kolektoru, se kterou obstojí v konkurenčním prostředí. Ze stanovené konkurenceschopné ceny, potenciálních výrobních nákladů a dalších ekonomických parametrů lze pak odvodit, zda má cenu ve vývoji pokračovat, případně za jakých podmínek. Dnešní výzkum a vývoj prvků solární energetiky musí jednoznačně směřovat k ekonomicky konkurenceschopným řešením. Nelze vyvíjet prvky, které jsou sice technicky sofistikované, s vysokou účinností, avšak není pro ně trh nebo jsou jednoduše neprodejné. ANALÝZA Za účelem stanovení konkurenceschopné tržní ceny solárních hybridních FVT kolektorů byla provedena energetická a ekonomická analýza pro bytový dům se 45 byty a celkem 100 obyvateli. Tepelná energie ze solárních kolektorů je využita pro přípravu teplé vody, elektrická energie je využita pro spotřebu v domě. Zjednodušené schéma solárního systému pro produkci tepla a elektřiny je uvedeno na obr. 5. Potřeba tepla na přípravu teplé vody je 96.3 MWh/rok. Potřeba elektrické energie bytového domu je 112.5 MWh/rok. Analýza byla provedena pro různé (typické) klimatické oblasti v Evropě s různým ročním úhrnem dopadajícího slunečního záření: Praha (1096 kwh/m 2.rok), Stockholm (1206 kwh/m 2.rok), Milano 1367 kwh/m 2.rok) a Marseille (1760 kwh/m 2.rok). Solární systém s různými konstrukcemi hybridních kapalinových FVT kolektorů byl porovnán s konvenčním solárním systémem kombinujícím solární tepelné kolektory a fotovoltaické moduly se stejnými křemíkovými články jako jsou použity ve srovnávaných hybridních FVT kolektorech. Dostupná plocha pro instalaci kolektorového pole na střeše bytového domu je 100 m 2. Tato plocha je v analýze uvažována jako celková plocha kolektorů srovnávaných solárních systémů. Konvenční solární systém kombinující fotovoltaickou a fototermickou 179
technologii je uvažován v 5 variantách lišících se poměrem plochy mezi fotovoltaickými moduly a fototermickými kolektory. Varianty jsou následující: 100% FV (100 m 2 FV modulů, 0 m 2 FT kolektorů); 75% FV 25% FT (75 m 2 FV modulů, 25 m 2 FT kolektorů); 50% FV 50% FT (50 m 2 FV modulů, 50 m 2 FT kolektorů); 25% FV 75% FT (25 m 2 FV modulů, 75 m 2 FT kolektorů); 100% FT (0 m 2 FV modulů, 100 m 2 FT kolektorů). Pro solární systém s hybridními kolektory byly uvažovány následující varianty: nezasklený FVT kolektor v kvalitě dostupné na trhu; zasklený FVT kolektor v kvalitě dostupné na trhu; zasklený neselektivní FVT kolektor (prototyp ČVUT); zasklený selektivní FVT kolektor (prototyp ČVUT). VÝSLEDKY Pro analýzu energetického chování variant solárního systému pro bytový dům byla použita počítačová simulace v prostředí TRNSYS. Tepelná část solárního systému se, kromě kolektorů, skládá z několika hlavních prvků: tepelně izolovaného solárního zásobníku teplé vody, výměníku tepla a tepelně izolovaného potrubí mezi kolektory a zásobníkem. Objem solárního zásobníku a dimenze potrubí a jeho izolace se mění podle plochy solárních kolektorů použité v dané variantě (viz tab. 1). Tepelná izolace byla navržena na základě dimenze potrubí. Délka potrubí vedená venkovním prostředím je 130 m, délka potrubí vedená uvnitř domu je 30 m. Tab. 1 Parametry prvků solárního tepelného systému uvažované v analýze. Varianta Plocha kolektorů [m 2 ] Objem solárního zásobníku [m 3 ] Dimenze potrubí [mm] Tloušťka izolace potrubí [mm] 100% FV - - - - 75% FV 25% FT 25 1.25 22x1 19 50% FV 50% FT 50 2.50 22x1 19 25% FV 75% FT 75 3.75 28x1.5 25 100% FT 100 5.00 28x1.5 25 FVT systémy 100 5.00 28x1.5 25 Solární FV systém je konvenční fotovoltaický systém napojený na síť s měničem. Celkové systémové ztráty byly uvažovány jednotně 10 %. Pro zjednodušení bylo uvažováno, že celá produkce elektřiny se spotřebuje v budově. 180
Tab. 2 Výsledky energetické analýzy pro zkoumané solární systémy (Praha). Varianta Popis Úspory tepla [kwh/rok] Úspory elektřiny [kwh/rok] 100% FV konvenční pouze fotovoltaický systém - 13 514 75% FV 25% FT 50% FV 50% FT 25% FV 75% FT konvenční kombinace 75 m 2 FV + 25 m 2 FT 17 608 10 136 konvenční kombinace 50 m 2 FV + 50 m 2 FT 31 133 6 757 konvenční kombinace 25 m 2 FV + 75 m 2 FT 42 606 3 379 100% FT konvenční pouze fototermický systém 51 733-100% FVT-UNGL 100 m 2 nezasklených FVT kolektorů 12 751 13 361 100% FVT-GL 100 m 2 zasklených FVT kolektorů 35 033 10 859 100% FVT-GLNS 100 m 2 neselektivních FVT kolektorů (ČVUT) 40 966 11 137 100% FVT-GLSE 100 m 2 selektivních FVT kolektorů (ČVUT) 46 293 11 016 Obr. 1 Výsledky energetických zisků jednotlivých solárních systémů se stejnou celkovou plochou 100 m 2. 181
Příklad výsledků počítačové simulace pro jednotlivé varianty systému přípravy teplé vody a produkce elektřiny v bytovém domě jsou pro klimatickou oblast Praha uvedeny v tab. 2. Pro srovnání výsledků s jižní částí Evropy s výrazně vyšším úhrnem energie slunečního záření jsou výsledky pro Prahu uvedeny v grafu na obr. 1 společně s výsledky pro Marseille (jižní Francie). Ze srovnání vyplývá energetická výhoda zasklených hybridních solárních kolektorů. I přes nižší efektivitu pro produkci tepla než konvenční solární tepelné kolektory a nižší efektivitu pro produkci elektřiny než konvenční fotovoltaické moduly lze zasklenými selektivními FVT kolektory získat vždy více energie než při odděleném řešení. Otestovaný neselektivní FVT kolektor vykazuje v podmínkách Prahy ve srovnání s čistě fototermickým systémem nižší celkovou produkci, nicméně nezanedbatelná část produkované energie je elektřina, která má vyšší využitelnost než teplo. V oblasti Marseille je celková produkce vyšší. Cílem analýzy bylo určit rozmezí, ve kterém se může pohybovat tržní cena uvažovaných FVT kolektorů (EUR/m 2 ), aby solární systémy s FVT kolektory byly konkurenceschopné. Cena solárních systémů je dána cenou solárních tepelných kolektorů a FV modulů a cenou zbylé části systému (nosné konstrukce, zásobník potrubí, výměník, kabeláž, měnič, elektrické napojení na síť, apod.). Bylo použito zjednodušení platné právě pro větší systémy, jak v oblasti fotovoltaických tak fototermických technologií. Cena konvenčních solárních kolektorů tvoří vždy polovinu ceny systému. Pro solární tepelné kolektory byla uvažována cena 350 EUR/m 2 a stejné náklady byly uvažovány jako systémové náklady. Pro solární fotovoltaické moduly byla uvažována cena 120 EUR/m 2 a stejné náklady byly uvažovány jako systémové náklady. Obr. 2 Konkurenceschopná cena nezasklených hybridních FVT kolektorů Dalšími vstupy do ekonomického výpočtu je cena tepla a elektrické energie. Cena elektřiny pro domácnosti v Evropě se pohybuje mezi 0,08 EUR/kWh a 0,30 EUR/kWh v závislosti na regionu [1]. Cena tepla se pohybuje podobně v širokém rozmezí od 0,04 EUR/kWh do 0,16 EUR/kWh v závislosti na palivu a technologii použitých pro jeho produkci, případně místní 182
legislativě jako jsou např. zvláštní daně na fosilní paliva [2]. Pro uvedenou ekonomickou analýzu byly zvoleny ceny energií pro Německo, které v oblasti solárních technologií představuje největší trh v Evropě. Cena elektřiny je zvolena 0,16 EUR/kWh a cena tepla 0,08 EUR/kWh. Konkurenceschopná cena hybridních FVT kolektorů byla odvozena z bilance investičních nákladů a provozních úspor za 20 let provozu solárního systému s konvenčními kolektory/moduly a hybridními FVT kolektory. Podmínkou pro zpětné určení maximální konkurenceschopné ceny kolektorů je stejná ekonomická bilance obou systémů po 20 letech. Diskontní míra (cena investovaných prostředků) a roční nárůst ceny energie jsou uvažovány shodné na úrovni 5 %. Výsledky konkurenceschopné ceny byly získány pro všechny uvažované koncepty hybridních FVT kolektorů a pro uvažované klimatické oblasti. V grafu na obr. 2 jsou pro zajímavost uvedeny výsledky pro nezasklené FVT kolektory, které jsou dostupné na současném evropském trhu od dodavatelů v cenové hladině mezi 200 a 400 EUR/m 2. Z grafu je patrné, že za daných ekonomických podmínek jsou velmi obtížně konkurenceschopné i v teplé a slunné jižní části Evropy. Systémy s levnějšími variantami nezasklených FVT kolektorů mohou konkurovat pouze čistě fotovoltaickým nebo čistě fototermickým systémům. Ve střední a severní Evropě nejsou konkurenceschopné v podstatě vůbec kvůli velmi špatným tepelným vlastnostem. Nezasklené solární kolektory obecně mají v systémech přípravy teplé vody po většinu roku velmi nízké tepelné zisky. Obr. 3 Konkurenceschopná cena zasklených selektivních hybridních FVT kolektorů Situace je výrazně jiná u pokročilých zasklených selektivních FVT kolektorů, které jsou cílem výzkumu a vývoje probíhajícího v UCEEB ČVUT. Výsledky jsou uvedeny v grafu na obr. 3. Konkurenceschopná cena zaskleného kvalitního FVT kolektoru se pohybuje v průměru zhruba od 350 do 450 EUR/m 2 ve střední a severní Evropě a od 400 do 600 EUR/m 2 v oblasti jižní Evropy. To jsou čísla, která zní relativně optimisticky vzhledem ke vstupním ekonomickým 183
parametrům analýzy (relativně pesimistický trend růstu cen energie, relativně vysoká cena peněz pro oblast residenčního bydlení). ZÁVĚR Výzkum a vývoj v oblasti solárních hybridních FVT kolektorů na UCEEB ČVUT se dostává do fáze pilotního testování prototypů v reálných podmínkách a ekonomických analýz, které zatím potvrzují životaschopnost konceptu. Hybridní FVT kolektory se mohou uplatnit především v oblasti bytových domů (omezená plocha střech) nebo kombinované výroby tepla a elektřiny s využitím sluneční energie (úspora zastavěné plochy solárními kolektory). Ke komerčně dostupnému výrobku však ještě stále vede klikatá cesta přes cenovou optimalizaci výrobku a především certifikaci. LITERATURA [1] Eurostat Electricity prices for household consumers. Dostupné na http://epp.eurostat.ec.europa.eu. 2013. [2] Euroheat & Power District heating and cooling statistics country by country survey. Dostupné na http://www.euroheat.org. 2013. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 184