10 SOLÁRNÍ ENERGETIKA V ČESKÉ REPUBLICE

10 SOLÁRNÍ ENERGETIKA V ČESKÉ REPUBLICE Ondřej Limberk ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra ekonomiky, manažerství a humanitních věd 1. Proč fotovoltaika Získání elektrické energie přímo ze slunečního záření je nyní z hlediska životního prostředí nejčistším a nejšetrnějším možným způsobem výroby elektřiny. Důležité je ovšem posuzovat výrobu elektřiny komplexně včetně výroby a likvidace daného zařízení. Technická řešení pro využití slunečního záření jsou dnes již bez větších potíží komerčně k dispozici. Účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou energii se liší dle použité technologie. V odlehlých oblastech je tento technický způsob řešení výroby elektřiny jistě výhodný. Ovšem v konkurenčním prostředí tradičních energetických zdrojů je tato alternativa stále ještě dražší a jen stěží může bez podpory státu konkurovat na trhu s elektřinou. Existuje ovšem velké množství důvodů proč fotovoltaiku rozvíjet dále. Jak již je uvedeno výše, je fotovoltaika jednou z nejšetrnějších technologií výroby elektrické energie a poskytuje časově neomezenou možnost výroby. Z těchto důvodů je po celém světě, bez rozdílů na hospodářské vyspělosti, více či méně podporováno její využití a hlavně její rozvoj. Ani ČR není výjimkou a legislativní prostředí je vhodně nastaveno, tak aby přispíval k rozvoji této technologie. Energetická politika Evropské unie nyní staví do popředí otázku snížení závislosti na dovozu energií, z čehož vyplývá nutnost maximalizace vlastních zdrojů a to i obnovitelných. Ač všechny členské státy podnikli kroky pro podporu OZE, tak výsledný efekt nebyl všude stejný. Proto vznikla další iniciativa, která má velice ambiciózní cíl zdvojnásobení příspěvku OZE do primární energetické bilance EU (21%). Také Česká republika díky závazkům k EU a vysoké energetické náročnosti svého hospodářství bude muset řešit kompozici své energetické bilance. Závazek České republiky pro podíl OZE je 8% do roku 2010. 2. Přírodní podmínky Množství slunečního záření dopadajícího na solární panely je ovlivněno zeměpisnou šířkou, roční dobou, oblačností, dobou osvitu a v neposlední řadě sklonem plochy panelů na níž sluneční záření dopadá. Česká republika má rozlohu 78 864km 2. Nadmořská výška jejího povrch z 67% nepřesahuje 500 m.n.m. V oblastech se silně znečištěnou atmosférou je nutné počítat s poklesem globálního záření o 5-10 %, v krajních případech až 20%. Pro oblasti s nadmořskou výškou od 700 do 2 000 m.n.m. lze naopak počítat s 5 % nárůstem globálního záření. Teoretický potenciál výroby elektrické energie z energie slunečního záření byl stanoven studií Ministerstva pro místní rozvoj cca 80 000TWh. Tento potenciál je samozřejmě největší potenciálně možný. Předpokládaná využitelná plocha pro fotovoltaické systémy se odhaduje na 50 200 000m 2. Dalším faktorem ovlivňujícím využití fotovoltaiky je skladba světelného záření. Spektrum záření v ČR je zhruba z 40% tvořeno difuzním světlem a zbytek tvoří světlo přímé. Difuzní záření vzniká rozptylem přímých slunečních paprsků na molekulách vzduchu, vodních

kapkách, ledových krystalcích a na různých aerosolových částečkách. Energetický potenciál difúzního záření je nižší než u světla přímého. Množství dopadajícího sluneční záření na vodorovnou plochu o velikosti 1 m 2 za rok ukazuje následující obrázek. Obr. 1: Dopad slunečního záření dopad na vodorovnou plochu v ČR kwh/m² (zdroj: http:// www.chmi.cz) Většina údajů o době osvit, průměrném dopadu slunečního záření a jeho intenzitě se v různých zdrojích velice liší. Z těchto důvodů lze veškeré údaje shrnout a formulovat přibližně takto: Celkový objem potencionálního množství využitelné energie v ČR je 80 000TWh v ČR dopadne na 1m² vodorovné plochy zhruba 950 1100 kwh energie roční množství slunečních hodin se pohybuje v rozmezí 1331 1792 hod (dlouhodobí průměr mezi roky 1961-90 ČHMÚ: hodnoty včetně oblačnosti) odborná literatura uvádí jako průměrné rozmezí 1000 1550 hod 3. Legislativní podmínky Investiční náklady na výstavbu fotovoltaických systémů (fotovoltaických elektráren FVE) neustále klesají a jejich výše se od počátků využívání významně snížily, ale i přesto ceny elektřiny, které jsou odvozeny od investičních nákladů, jsou stále vyšší než ceny zdrojů využívajících fosilní nebo jaderné palivo. Tento fakt je ovšem kompenzován vhodným nastavením legislativního prostředí. Díky tomu v posledních letech zažívá fotovoltaika v EU i v ČR velký boom. Mezi nejvýznamnější právní normy České legislativy můžeme zařadit zejména následující dokumenty: Zákon číslo 180/2005 Sb. zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů Bílá kniha o obnovitelných zdrojích energie - (1997) Směrnice 2001/77/EC směrnice Evropského parlamentu a Rady EU ze dne 27. září 2001 o podpoře výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů energie na vnitřním trhu Vyhláška č. 475/2005 (novelizovaná vyhláškou č. 364/2007 Sb.), kterou se provádějí některá ustanovení zákona o podpoře využívání obnovitelných zdrojů Vyhláška č. 150/07 Sb. vyhláška upravuje způsob regulace a postup tvorby cen v elektroenergetice a plynárenství

Cenové rozhodnutí ERÚ č. 8/2008 stanovení výkupních cen OZE Datum uvedení do provozu Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu po 1. lednu 2009 včetně o výkonu nad 30kWp Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu po 1. lednu 2009 včetně o výkonu do 30kWp Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu po 1. lednu 2008 včetně Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu od 1. ledna 2006 do 31. prosince 2007 Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu před 1. lednem 2006 Výkupní ceny elektřiny [Kč/MWh] Zelené bonusy [Kč/MWh] 12 790 11 810 12 890 11 910 13 460 12 650 13 800 12 990 6 570 5 760 Tab. 1: Výkupní ceny a zelené bonusy pro výrobu elektřiny ze slunečního záření (zdroj: http://www.eru.cz/) 4. Současný stav v ČR Instalovaný výkon v ČR za poslední rok vzrostl více než sedmkrát a v dnešním roce se očekává další významný nárůst. Garantovaná výkupní cena po dobu 20 let je jednou z hlavních příčin současného velkého rozvoje. V současné době se již v ČR nejedná o pouhé lokální projekty nebo systémy bez připojení na rozvodnou síť, ale o projekty celých solárních parků o výkonech 1 až 2 MWp a investicích v řádech stovek milionů korun. Fotovoltaika v ČR ještě není na takové úrovni jako například v Německu nebo v jižních státech, kde se ovšem využívání slunečního svitu dá očekávat vzhledem k jeho množství. O podílu solárních systémů na instalovaném výkonu v ČR hovoří obr. 2. Tento podíl by měl v budoucnu růst vzhledem k státním podporám. Celkový instalovaný výkon v ČR k 31.1.2009 činí zhruba 17 737MW, z čehož SLE se na tomto čísle podílí 54,3MW (0,31%). Elektrárny JE jaderná PE parní VTE větrná SLE solární PPE paroplynová PSE plynová, spalovací VE vodní / přečerpávací Obr. 2: Energetická bilance ČR k 31.1.2009 (zdroj: ERÚ) Kraj CELKEM Karlovarský Plzeňský Středočeský Praha Liberecký Jihočeský Královéhradecký Pardubický Vysočina Jihomoravský Ústecký Olomoucký Moravskoslezský Zlínský Počet udělených licencí 1 214 25 312 116 50 35 92 43 41 38 166 72 79 65 80 Instalovaný výkon [MWp] 54,29 0,13 5,29 3,36 0,27 0,25 14,59 1,45 2,15 0,42 17,38 3,76 1,02 0,43 3,80

Tab. 2: Struktura instalovaného výkonu v ČR po krajích k 31.1.2009 (zdroj: http://www.eru.cz/) 5. Technologie Organické polymery - (účinnost 6%) Současný nejúčinnější solární článek je vyrobený z polovodivého polymeru a molekul fulerenu. Článek je složen ze dvou subčlánků umístěných nad sebou v takzvaném tandemovém uspořádání. Každý z dvojice článků je citlivý na jinou část spektra slunečního záření. Klíčovými materiály jsou polymery P3HT, PCPDTBT, PCBM, PC70BM. Ke konverzi energie dochází v okolí heteropřechodů vytvořených sloučeninami PCPDTBT:PCBM pro infračervené i ultrafialové záření a P3HT:PC70BM pro viditelné spektrum světla. Obr. 3: Koncepce fotovoltaické technologie založené na organických polymerech (zdroj: Science Magazine ) Kapalné - (účinnost 10%) První elektroda je tvořena sklem s vrstvou SnO2 nebo ZnO, elektrolytem sloučenina TiO2-rutheninum-pyridem a druhá elektroda je tvořena opět vrstvou TiO2. Články se vyznačují nízkou výrobní cenou ve srovnání s technologií využívající Si. Dalším velmi významným faktem je zvyšování výkonu při růstu provozní teploty. Obr. 4: Koncepce kapalné solární technologie (zdroj: http://en.wikipedia.org, 3. ČFK Brno) Tandemové - (účinnost 10%) Tandemové FV články jsou konstruovány pro využití širšího spektra záření než tomu je u nejrozšířenějších článků z Si. Konstrukce spočívá v navrstvení většího počtu PN přechodů, které jsou konstruovány pro reakci na jinou vlnovou délku záření. Účinnost těchto článků závisí na použitých typech PN přechodů. Teoreticky 41 % pro jednovrstvé, 55 % pro dvojvrstvé a 63 % pro třívrstvé články, limit pro nekonečný počet vrstev je 86 %. V praxi dosáhly třívrstvé články účinnosti přes 40 %. Jejich cena je ovšem závratná.

Koncentrátorové - (účinnost až 38%) Článek využívá koncentrace záření z větší plochy například pomocí čočky nebo zrcadel a využití článku s vysokou účinností. Z tohoto principu vyplývá zlevnění celé technologie a zlepšení účinnosti, ale zároveň problémy spojené s chlazením. Nevýhoda systému je také využití pouze přímého slunečního záření. Akrylátová Fresnelova čočka/kryt Tandemový FV článek sekundární reflektor primární reflektor Obr. 5: Koncepce koncentrátorové fotovoltaické technologie (zdroj: http://www.cv21.co.jp) Současný stav technologické vyspělosti fotovoltaických systémů je velice těžko vystihnutelný protože tato technologie se vyvíjí velmi rychlým tempem, z čehož může vyplývat již neaktuálnost některých účinností. V následující tabulce jsou v přehledu uvedeny vlastnosti jednotlivých technologií ke konci roku 2008. Technologie Šířka vrstvy Účinnost monokrystal Si 0,3 mm 15-18 % polykrystal Si 0,3 mm 13-15 % amorfní Si 0,0001 mm + 1 až 3 mm substrát 5-8 % transparentní polykrystal Si 0,3 mm 10% EFG 0,28 mm 14% páskový polykrystal Si 0,3 mm 12% Apex (polikrystal Si) 0,03 až 0,1 mm + keramika, substrát 9,5% dendritický monokrystal Si 0,13 mm včetně kontaktů 13% Cadmium Telluride (CdTe) 0,008 mm + 3 mm sklo, substrát 6-9 % Copper-Indium-Diselenide (CIS) 0,003 mm + 3 mm sklo, substrát 7,5-17 % Hybrid silicon (HIT) solar cell 0,02 mm 18% Gallium arsenide (GaAs) 20% - 34% organické polymery 6% XCPV 37,5% Tekuté FV články 10% Tab. 3: Přehled existujících technologií ke konci roku 2008

6. Životní cyklus FVE [1] Životní cyklus výrobku zahrnuje všechny fáze od těžby suroviny, výroby polotovarů, konečných výrobků přes dobu užívání až po recyklaci nebo likvidaci na konci životnosti. Následující hodnocení životního cyklu předpokládá panely z krystalického křemíku. V životním cyklu FVE můžeme rozlišit následující fáze životního cyklu: těžba surovin výroba metalurgického křemíku (mg-si) výroba solárního křemíku (sg-si) výroba ingotu a desek výroba článků kompletace panelů montáž fotovoltaického systému provoz výroba elektřiny demontáž systému recyklace komponent (energeticky nejnáročnější fáze) Environmentální dopady těžby křemíku je možné rozdělit na přímé a nepřímé. Přímými dopady se rozumí vlivy, které bezprostředně souvisí s výrobním procesem. Mezi přímé dopady lze počítat spotřebu a vypouštění chemických látek nebo emise při těžbě a výrobě. Nepřímými dopady se rozumí vlivy, které souvisí s dopravou a následnou spotřebou vyrobené elektrické energie. V současnosti nejpoužívanější metodou hodnotících environmentální dopady je metoda CML, která sdružuje dopady do následujících kategorií: čerpání nerostných zdrojů [kg Sb] emise skleníkových plynů [kg CO2] (100let) poškozování ozonové vrstvy [kg CFC-11] toxicita [kg 1,4-DB] fotochemická oxidace [kg C2H4] acidifikace (oxidy síry a dusíku) [kg SO2] eutrofizace [-]

Obr. 6: Environmentální dopady výroby FVP o výkonu 1kWp (metoda CML) Energetická návratnost v podmínkách ČR lze sníží pod hranici 2 let. Předpokladem pro tento výpočet je výroba Si s rekuperací tepla, účinností výsledného systému 13,2%, stupeň využití 0,75 a osvit 1 000kWh/m 2 /rok. Vlivem tohoto faktu se stávají důležitějšími položkami i ostatní procesy, které v minulosti ve srovnání s energetickou náročností výroby Si nehráli příliš velkou roli. Spotřeba Si - 10gWp Obr. 7: Spotřeba energie při výrobě FVP & EPBT - energetická návratnost FVP Energetickou návratnost je možné snižovat následujícími opatřeními: snižování spotřeby energie ve výrobě solárního křemíku a solárních článků snižování spotřeby křemíku zvyšování účinnosti článků recyklace po konci životnosti 7. Ekonomická efektivnost FVE Při hodnocení ekonomické efektivnosti a následném rozhodnutí o investičním záměru jsou v současné době užívány metody pro hodnocení peněžních toků v budoucnu. K těmto metodám patří čistá současná hodnota (NPV), vnitřní výnosové procento (IRR) a diskontovaná doba návratnosti (PB) pro něž byla stanovena nominální diskontní sazba 11,85%. Zkoumaný projekt uvažuje konečnou investiční cenu 98,20 Kč/Wp, která se blíží tržní ceně pro instalace od 1MWp výše. Celkový instalovaný výkon je 1MWp, přičemž 70% investičních nákladů je kryto z cizích zdrojů s úrokovou sazbou 6,1%. Investiční záměr FVE nevykazuje vysoké provozní náklady a převážně se jedná o stálé provozní náklady nezávislé na výrobě elektrické energie. Pro zkoumaný projekt jsou uvažovány roční provozní náklady cca 1% z vlastního kapitálu. Podrobnější analýza investičního záměru je uvedená ve zdroji

[2], který navazuje na tuto práci. Ostatní parametry jsou nastaveny Českým legislativním prostředím nebo vlastnostmi stavem ekonomiky. Očekávaný příjem z výroby nepokrývá každý měsíc náklady na úvěr, ale v jiných měsících vznikají přebytky. Z těchto důvodů je nutné vhodně vytvářet finanční rezervu nebo s poskytovatelem úvěru vyjednat plovoucí splátkový kalendář, který není založen na anuitních splátkách. Poskytovatele úvěru obvykle vyžadují koeficient DSCR, který vypovídá o pokrytí nákladů na úvěr pomocí výroby elektrické energie. Obvyklým požadavkem poskytovatele úvěru je DSCR 1,2. Požadavek DSCR 1,2 zjednodušeně znamená, že roční čistý příjem investora musí dosahovat minimálně 120% splátky jistiny a úroků z úvěru za kalendářní rok. Výkon zkoumané FVE je určen pomocí systému PVGIS Chyba! Nenalezen zdroj odkazů., který uvažuje 14% účinnost celého zařízení.

Měsíc Vyrobená energie [kwh] Splátka [CZK] Prodej [CZK] Výkupní ceny Zůstatek po umoření úvěru [CZK] leden 30 480 493 921 389 839-106 609 únor 47 500 493 921 607 525 111 076 březen 76 420 493 921 977 412 480 963 duben 97 980 493 921 1 253 164 756 716 květen 118 620 493 921 1 517 150 1 020 701 červen 108 120 493 921 1 382 855 886 406 červenec 117 760 493 921 1 506 150 1 009 702 srpen 108 240 493 921 1 384 390 887 941 září 78 860 493 921 1 008 619 512 171 říjen 68 980 493 921 882 254 385 806 listopad 30 240 493 921 386 770-109 679 prosinec 21 820 493 921 279 078-217 371 celkem 905 020 5 927 050 11 575 206 5 617 823 DSCR 1,94300 Tab. 4: Pokrytí splátek úvěru ziskem produkce v prvním roce provozu Obr. 8: Očekávaný průběh zisku po dobu garantované výkupní ceny Obr. 9: Očekávaný průběh Cash Flow po dobu garantované výkupní ceny

Na základě výše uvedených předpokladů lze stanovit kritéria pro hodnocení investičního záměru následovně: Čistá současná hodnota (NPV): 11 mil CZK Vnitřní výnosové procento (IRR): 17,5% Diskontované doba návratnosti (PB): 10let 8. Závěr Při interpretaci těchto ukazatelů lze konstatovat ekonomickou přijatelnost investičního záměru v podmínkách ČR. Tento fakt je ovšem podmíněn podporou státu. Tato podpora se s postupným vývojem této technologie snižuje a může i naprosto skončit. V případě ukončení státní podpory se využití této technologie stává nepřijatelné. Základními faktory ovlivňující konečnou cenu FVE jsou velikost objemu výroby a vývoj technologie, která snižuje investiční náklady. V budoucnu se dá očekávat výrazný technologický posun směrem k vyšší účinnosti a nižší ceně. Vzhledem k přírodním podmínkám ČR je v současnosti tato technologie na vzestupu díky technologickému pokroku a dotačnímu titulu státu. V celkovém energetickém mixu však prozatím nehraje příliš velkou roli. Podíl solárních zdrojů elektřiny se bude jistě zvyšovat a bude hrát významnější a významnější roli. Hlavně v sítích NN a soukromích malých instalací (menších než 5kWp). Důležitou vlastností FVS je do jisté míry jakousi funkcí počasí, díky kterému dochází ke kolísání výkonu FVE. Z uvedených důvodů lze konstatovat, že fotovoltaika díky svým charakteristikám se nemůže stát primárním energetickým zdrojem v ČR. Zajisté však bude hrát svou roli v energetickém mixu. Z pohledu udržitelného vývoje jsme schopni pomocí recyklace snížit energetickou náročnost až o 70% a díky tomu i snížit dobu energetické návratnosti. Nutné je také zmínit nulové emise během výroby elektrické energie. V budoucnu by větší FVE mohli počítat i s dalším zdrojem příjmů, kterým by byli emisní povolenky. Emisní povolenky by mohli pomoci snížit provozní náklady FVE. Z pohledu dlouhodobě udržitelného stavu je tato technologie v současnosti jednou z nejšetrnějších k životnímu prostředí. 9. Seznam literatury [1] Bařinka, R, Bechník, B, Čech, P.: Analýza životního cyklu fotovoltaických systémů. 3. Česká fotovoltaická konference. 2008 [2] Bc. Limberk O.: Diplomová práce, Možnost připojení fotovoltaických elektráren v podmínkách ČR do rozvodné sítě, 2009 [3] Photovoltaic Geographical Information System: Geographical Assessment of Solar Resource and Performance of Photovoltaic Technology [online]. 2008 [cit. 2008-11-12]. Dostupný z WWW: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ [4] Czech RE Agency [online]. 2007. 2007 [cit. 2008-11-11]. Text v Češtině. Dostupný z WWW: http://www.czrea.org/cs/druhy-oze/fotovoltaika/#fv_cr [5] TZBinfo technická zařízení budov [online]. 2009. 2009 [cit. 2009-8-4]. Text v Češtině. Dostupný z WWW: <http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=4279&h=299&pl=42> [6] Český hydrometeorologický úřad [online]. 2009 [cit. 2009-03-02]. Dostupný z WWW: <http://www.chmi.cz/>