Německý solární park Waldpolenz s špičkovým výkonem 52 MWp (zdroj Wikimedia).

Sluneční světlo je zdrojem energie pro velkou většinu dějů na povrchu Země, včetně téměř všech forem života. Rozmach civilizace v posledních stoletích je umožněn využitím fosilních paliv, tedy sluneční energie v palivech uskladněné. Lidé spotřebovávají v průměru energetický výkon okolo 18 TW, tedy jen malý zlomek z asi 174 000 TW výkonu, které posílá Slunce k Zemi.

Pro srovnání, fotosyntetická aktivita na Zemi odpovídá střednímu výkonu asi 130 TW, tedy jen několikrát více než spotřebovává lidská civilizace. Je třeba dodat, že lidé z fotosyntézy probíhající na Zemi využívají pro své účely asi jednu čtvrtinu, tedy o mnoho více než výkon všech dosud nainstalovaných slunečních elektráren, který dosáhl na začátku roku 2017 cca 300 GW_p (jednotka W_p, anglicky watt peak, označuje maximální výkon fotovoltaického článku nebo systému při plném osvětlení a v optimálních podmínkách).

Je také zajímavé, že soudobé fotovoltaické články dosahují podstatně vyšší účinnosti přeměny energie než fotosyntéza. Ve výzkumu, který vedl k současným vysoce účinným slunečním článkům, lze vysledovat příběh, který obsahuje překvapivé inspirace i dramatické zvraty, a stojí za to ho vyprávět.

Historie využití sluneční energie pomocí fotovoltaických článků

Objev fotovoltaické přeměny se datuje do roku 1839, kdy ve svých 19 letech Alexandre-Edmond Becquerel v laboratoři svého otce pozoroval elektrické děje v elektrolytickém článku vyvolané dopadajícím světlem. Jev brzy našel i praktické uplatnění v expozimetrech pro fotografii, ale účinnost přeměny energie tehdejších článků založených na amorfním selenu nebo oxidu měďném byla příliš malá pro praktické použití. Ještě v roce 1931, kdy Thomas Alva Edison v rozhovoru s Henry Fordem prohlásil, že by investoval do sluneční energetiky, účinnost nepřekročila 1 %.

Trojice objevitelů prvního křemíkového článku (zdroj J. Perlin, NREL, 2004).

Přelomový moment přišel v roce 1953 v Bellových laboratořích, tedy výzkumném středisku telefonní společnosti AT&T (American Telephone and Telegraph Company). Telefonní linky potřebují zdroje energie pro opakovací zesilovače a používané baterie byly nespolehlivé. Společnost proto požádala Daryla Chapina, aby prověřil jiné možné energetické zdroje (zadání zmiňovalo větrníky, termoelektrické zdroje i parní generátory). Chapin navrhl použití fotovoltaických článků, ale existující selenové články poskytly max. 5 W ze čtverečního metru. Bellovy laboratoře ale také byly místem, kde vznikly první polovodičové součástky (včetně transistoru v roce 1947). Chapinovi přátelé, Gerald Pearson a Calvin Fuller pracovali na metodách dopování křemíku a dokázali připravit plošný pn přechod v křemíkových destičkách. Cílem bylo dosáhnout 6% účinnosti, a to se skutečně podařilo použitím křemíkových destiček dopovaných arsenem a s povrchovou vrstvou dopovanou fosforem. Připravený článek měl plochu přibližně jako klasická žiletka, poskytoval napětí přes 0,5 V a výkon ~60 W/m².

Objev byl ohlášen na tiskové konferenci 25. dubna 1954 a tisk označil objev za „počátek nové éry využití neomezené energie Slunce” (Times) a spekuloval, že „jednoho dne mohou sluneční články vyrobit více energie než zdroje založené na uhlí, ropě či jádru” (New York Times). Každý z trojice autorů pak dostal symbolickou odměnu 1 $ za převod patentových práv na zaměstnavatele.

Testy použití prvních slunečních panelů s bellovskými solárními články ve městě Americus v Georgii (zdroj J. Perlin, NREL, 2004).

Tou dobou bylo připraveno méně než 1 W_p křemíkových článků, ale i přes jejich vysokou cenu se rozběhla výroba prototypů prvních slunečních panelů. Nicméně testy praktického použití v městě Americus ve státě Georgia byly zklamáním – panely fungovaly, ale trpěly problémy při zastínění a především při ceně stovek dolarů za W_p byly prostě příliš drahé. Po nějaké době to vypadalo, že fotovoltaické články zůstanou kuriozitou. Ostatně i Chapin, Fuller a Pearson již tou dobou pracovali na jiném tématu (na výkonových polovodičových součástkách).

Dramatický zvrat v příběhu fotovoltaiky přišel na přelomu let 1957 a 1958 poté, co Sovětský svaz vypustil 4. října 1957 na oběžnou dráhu Sputnik, první umělou družici Země. V době závodů v jaderném zbrojení znamenala tato zpráva pro obyvatele Spojených států nečekaný šok. Spojené státy reagovaly urychlením svého kosmického programu (a také posílením rozpočtu grantové agentury NSF a výuky přírodovědných a technických oborů na školách). O půl roku později byl na oběžnou dráhu vypuštěn Vanguard 1 (oproti Sputniku asi 50x lehčí). Vanguard 1 byl vybaven šesticí malých solárních panelů, které napájely 5 mW radiový vysílač. Ten fungoval až do roku 1964, podstatně déle než u předcházejících družic Sputnik 1 a 2 a Explorer 1 napájených chemickými bateriemi. Napájení kosmické techniky solárními panely se stalo standardem a fotovoltaika tak získala první komerční aplikaci, kde vysoká cena článků nebyla překážkou. Podrobný populární článek o historii i budoucnosti fotovoltaických článků ve vesmíru vyšel zde.

Vizualizace sondy k Jupiteru JUICE, kterou připravuje evropská organizace ESA. Bude také využívat fotovoltaické panely (zdroj ESA).

Vlastnosti současných fotovoltaických článků

Účinnost fotovoltaické přeměny křemíkových slunečních článků se od roku 1957 do konce století zvýšila více než čtyřikrát a v roce 1998 dosáhla 25 %. Tento rekord dosáhla laboratoř prof. Martina Greena z Univerzity v Novém Jižním Walesu v Sydney použitím speciálního laboratorního článku s plochou 4 cm², který byl připraven s využitím celé řady opatření ke zlepšení účinnosti. Horní povrch článku je strukturován do mikroskopických pyramid pokrytých dvojitou antireflexní vrstvou. Pyramidy zlepšují záchyt světla a vedou k vysoké hustotě fotogenerovaného proudu. Dopanty na zadní straně článku byly soustředěny do lokálně difundovaných bodových kontaktů. Tato struktura vstoupila i do výroby v čínské firmě Suntech.

Sluneční článek označovaný jako PERL (Passivated Emitter Rear Locally-diffused) z laboratoře Martina Greena z australské univerzity v Novém Jižním Walesu [upraveno z http://www.pveducation.org/pvcdrom/manufacturing/high-efficiency].

Rekord v účinnosti křemíkových deskových článků byl překonán teprve po 16 letech průmyslovými laboratořemi na článcích s plochou používanou při skutečné výrobě. Rekord byl vyrovnán společností Sunpower a pak hned několikrát překročen japonskými články s heteropřechodem vyvinutým firmou Sanyo (nyní Panasonic). Současný rekord drží s hodnotou 26,6 % firma Kaneka. Prostor pro další zvyšování účinnosti je však již velmi omezený, protože současné hodnoty se již blíží fyzikální hranici, známé jako Shockley-Quiesserova mez, která má pro křemík hodnotu 29,4 %.

Pro pochopení Shockley-Quiesserovy meze je třeba vysvětlit základní děje, které probíhají v polovodičových článcích při fotovoltaické přeměně. Každý foton slunečního světla pohlcený v polovodiči vygeneruje elektron ve vodivostním pásu a zanechá ve valenčním pásu odpovídající díru, která se chová jako kladný náboj. Jak elektron, tak díra velmi rychle termalizují (tj. sníží svoji potenciální energii na hranice odpovídajících pásů). Bez ohledu na původní energii tak lze využít z každého fotonu maximálně energii rovnou velikosti zakázaného pásu, tedy rozdíl mezi hranou vodivostního a valenčního pásu (pro křemík 1,1 eV). Z toho také logicky vyplývá, že není možné pohltit a tedy zužitkovat fotony o energii menší než velikost zakázaného pásu. Velká část světla z infračervené oblasti proto zůstane zcela nevyužita. Další ztráty nastávají na kontaktech a plynou také z nevyhnutelné zářivé rekombinace elektronů a děr.

Rekordní účinnosti různých typů slunečních článků zaznamenávané Národní laboratoří pro obnovitelnou energii ve Spojených státech [viz http://www.nrel.gov/].

Pochopení Shockley-Quiesserovy meze ukazuje také cestu k získání vyšší účinnosti. Přehled o rekordních článcích vede Národní laboratoř pro obnovitelné energie v Goldenu v Coloradu a hodnoty jsou publikovány v pravidelně aktualizovaném grafu. Na první pohled zaujme, že nejvyšší účinnosti dosahují podstatně vyšších hodnot než pro křemík, a to až 46 %. Podrobnější pohled do grafu ukazuje, že k překonání účinnosti pro křemík vede několik cest. Je možné volit jiný polovodič s vhodnějším zakázaným pásem a skutečně, např. pro GaAs se dosažená účinnost blíží 29 % při mezní účinnosti 33,5 %. Účinnost fotovoltaické přeměny také roste při koncentraci slunečního svitu (obvykle udávané jako počet sluncí x). Pro křemík tak byla dosažena účinnost 27,6 % při koncentraci 92x, pro GaAs 29,1 % při 117x. Podstatně vyššího zvýšení účinnosti je možno dosáhnout při použití tandemových článků s více zakázanými pásy: světlo nejdříve prochází článkem s větším zakázaným pásem, který dovolí využít větší část energie absorbovaných fotonů. Přitom fotony s energií menší než je zakázaný pás prvního článku projdou k dalšímu článku s menším zakázaným pásem. Články jsou řazeny za sebou a jejich napětí se tak sčítají. Podmínkou, aby tandemový článek dobře fungoval jako celek, je sladění fotoproudů generovaných v jednotlivých článcích. Stejný princip lze použít opakovaně a rekordní účinnost 46 % byla dosažena při použití čtyřnásobného tandemu GaInP/GaAs; GaInAsP/GaInAs a koncentraci světla 508x.

Nicméně tyto rekordní články nejsou vhodné pro běžné použití, protože vyžadují speciální konstrukci panelů s přesným sledováním Slunce během dne, nejsou vhodné pro použití v situacích, kdy sluneční světlo je rozptylováno např. aerosoly v ovzduší, ale hlavně, jejich příprava vyžaduje mimořádné náklady.

Z jiného úhlu pohledu mohou být zajímavější naopak články, které se ve zmíněném grafu nacházejí ve spodní části. Zde nalezneme pestrý peloton článků připravených typicky jako tenké vrstvy polovodičů nebo organických barviv ve směsi s anorganickou matricí, např. TiO₂. Jejich hlavní výhodou je především možnost připravit je s daleko menšími náklady i nároky na energii potřebnou na jejich vlastní výrobu. Z toho pak plyne doba, za kterou odpovídající fotovoltaické panely dosáhnou energetické návratnosti. Ta se pohybuje v typických podmínkách střední Evropy na úrovni dvou let pro panely s křemíkovými deskami, ale může být i kratší než jeden rok pro tenkovrstvé panely. Při očekávané životnosti panelů cca 25 let z toho plynou poměrně vysoké hodnoty energetického zisku (na úrovni 10 až 20 násobku). V tomto srovnání vycházejí tenkovrstvé panely významně lépe, protože energeticky nejdražší součástí běžných panelů jsou právě křemíkové desky. Příprava křemíkových desek s potřebnou úrovní čistoty je z hlediska vynaložené energie asi desetkrát náročnější než všechny ostatní součásti panelů. Přitom běžné tenkovrstvé panely používají jen asi 1 mikrometr silnou vrstvu křemíku (na rozdíl od typické tloušťky křemíkových desek od 100 do 250 μm).

Přes tuto výhodu je v současné době velká většina fotovoltaických panelů založena právě na křemíkových deskách. Důvod je samozřejmě ekonomický. Masová výroba slunečních článků vedla v posledních letech k jejich výraznému zlevňování, které se označuje jako Swansonův zákon solární energetiky. Podobně jako Mooreův zákon pro vývoj počítačů, je Swansonův zákon ve skutečnosti empirické pozorování, že zdvojnásobení výroby fotovoltaických modulů vede ke snížení ceny o 20 %. Zákon je pojmenován po Richardu Swansonovi, zakladateli firmy SunPower, a vystihuje tzv. učební křivku fotovoltaiky.

Učební křivku využili především výrobci panelů založených na křemíkových deskách a díky tomu se výrobní náklady pro tyto panely v současnosti pohybují na úrovni 0,5 $/W_p nebo méně (zde je však třeba zmínit, že zvláště v posledních letech byla část snížení ceny dosažena přesunem velké části výroby do zemí s nízkými náklady, především do Číny a nedávné uzavření některých znečišťujících provozů v Číně tlačí na zvýšení ceny).

Hodnota výrobních nákladů 0,5 $/W_p je důležitá v několika směrech. Až do nedávna byly náklady na panely hlavním důvodem, proč fotovoltaická elektřina nebyla schopná přímé ekonomické soutěže s klasickými zdroji. To se však v posledních několika málo letech změnilo a v řadě zemí bylo dosaženo tzv. parity se sítí, tedy vyrovnání cen fotovoltaické elektřiny (se započtením všech nákladů během životního cyklu elektrárny) s cenou, za kterou by elektřina byla nakoupena z rozvodné sítě.

Swansonův zákon, tedy učební křivka fotovoltaiky.

Druhým důsledkem je, že cena panelů je již jen menší částí nákladů na fotovoltaický systém a celkově převažují náklady na tzv. zbytek systému, tedy na konstrukce, střídače, připojení a provoz. Tyto náklady jsou většinou přímo úměrné ploše systému a to zvýhodňuje panely s vyšší účinností. Naopak tenkovrstvé panely se, i přes jejich vyšší energetický zisk, postupně staly díky menší účinnosti neschopné konkurence a jejich výroba relativně i absolutně klesá. Dochází tak k jevu zamrznutí technologie, kdy panely s křemíkovými deskami dominují trhu a využívají rychlého růstu k dalšímu zlevňování.

Jak k vyšší účinnosti - perovskity

Aby měly ostatní články šanci se prosadit, musela by se objevit cesta, jak dosáhnout vysoké účinnosti i pro ně. V tomto směru došlo před několika málo lety opět k překvapivému zvratu, a to díky nástupu organicko-anorganických perovskitových slunečních článků s chemickým vzorcem CH₃NH₃PbX₃ , kde X je Cl, Br nebo I. První pokusy provedla skupina prof. Miyazaky v roce 2009 a získala účinnost 3,8 %. Od té doby se hodnoty dosažené účinnosti mimořádně rychle zvyšují. Optimalizací přípravy a struktury článku se podařilo dosáhnout aktuální rekordní účinnosti 22,7 % ve skupině prof. Seoka. Tato hodnota je o to pozoruhodnější, uvědomíme-li si, že se jedná o jen 200–300 nm tlusté aktivní vrstvy připravované z roztoků za běžných teplot (do 100° C). Perovskity by se tak mohly stát základem pro levnou a jednoduchou výrobu velmi účinných slunečních článků.

Moderní produkce fotovoltaických panelů ve firmě JinkoSolar (zdroj JinkoSolar).

Na druhou stranu je třeba zdůraznit, že perovskitové sluneční články mají i své neduhy. Prvním zásadním problémem je interakce se vzdušnou vlhkostí, která způsobuje chemický rozklad perovskitové struktury, čímž se obvykle na časové škále měsíců postupně snižuje výsledná účinnost fotovoltaické přeměny. Druhým problémem je obsah těžkého kovu – olova, které může být i přes relativně malé používané množství potenciálně nebezpečné.

Je tak zřejmé, že příběh hledání cesty pro využití Slunce jako obnovitelného zdroje elektřiny ještě bude pokračovat dalšími kapitolami.

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 megawatt. 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.

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.

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).

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).

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).

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 MW_p, v roce 1984 byla následována instalací s výkonem 5,2 MW_p v Carrizo Plain.

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 MW_p a více než padesát s výkonem přesahujícím 50 MW_p. Podobný systém dotovaných cen přijalo Španělsko v roce 2008 a vedl k instalaci přes 60 farem s výkonem přesahujícím 10 MW_p. 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 GW_p. Jde o elektrárnu Tengger Desert Solar Park, která je v pouští Gobi a její instalovaný výkon je 1547 MW_p. Plocha, kterou zaujímá, dosahuje zhruba 40 km². Ještě větší by měla být elektrárna Datong Solar Power, která má zatím v první fázi 1000 MW_p a po dokončení třetí fáze by měla mít celkový výkon 3000 MW_p. Za ní následuje fotovoltaická elektrárna Kurnool Mega Solar Park v Indii, který dosahuje 1000 MW_p.

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 MW_p z 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).

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

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

Pokud jde o celkový instalovaný výkon, překročil na konci roku 2016 hodnotu 300 GW_p. V čele je Čína se 77 GW_p, za ní je Japonsko se 42,8 GW_p, Německo se 40,8 GW_p a USA se 40 GW_p (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).

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 GW_p, 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).

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.

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

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.

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 MW_p. 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 MW_p na téměř 2000 MW_p. 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 MW_p a Ševětín s výkonem 29,9 MW_p.

Podíl instalací podle výkonu (zdroj studie ENACO).

Zhruba na hodnotě 2 GW_p 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 GW_p výkonu 11 GW_p, 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

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/ ).

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.

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 dvě části byly věnovány jaderným zdrojům a větrné energii.

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