Navigace
Zpět na: Home / Úložiště / Články

Fotovoltaika

Krátká historie

Po objevu fotoelektrického jevu v roce 1839 francouzským fyzikem A. E. Becquerelem byly první praktické články vyrobeny až Bellovými laboratořemi v roce 1954 jako vedlejší produkt výroby tranzistorů. Velmi tenká vrstva křemíku byla impregnována minimálním množstvím dalších elementů a po vystavení slunečnímu osvitu vyráběla malé množství elektřiny. Až do šedesátých let se jednalo o laboratorní kuriozitu, poté se, v době počínajících kosmických letů ve fotovoltaických článcích rozpoznal efektivní a dlouhodobě pracující zdroj energie pro satelity. Fotovoltaické články stály v 60. letech okolo 40.000 USD/W, zatímco dnes jejich cena poklesla na cca 4 USD/Wp.

Typy článků a jejich účinnost

Nejrozšířenějším materiálům pro výrobu je v současné době křemík a v menší míře se prosazují i další materiály (CIS - copper indium diselenid – CuInSe2 a CdTe- kadminum telurid) a organické Grätzelovy barvivové články (např. rutheniové komplexy a oxid titaničitý)

Účinnosti fotovoltaických článků jsou následující:

  • monokrystalický křemík: cca 24% v laboratoři a 14 až 17% ve výrobě
  • polykrystalický křemík: cca 24% v laboratoři a 13 až 17% ve výrobě
  • amorfní křemík: cca 13% v laboratoři a 8 až 10% ve výrobě
  • tenkovrstvá technologie (CIS, amorfní křemík): cca 13% v laboratoři a 5 až 7% ve výrobě

Současný stav fotovoltaického trhu

Především díky Německu dosahuje evropský fotovoltaický trh neobyčejných výsledků. Celková instalace fotovoltaiky v EU dosáhla v roce 2006 celkových 3418,5 MWp, z čehož bylo k síti připojeno 96,9%. Z toho většina, celých 3063 MWp, je instalována v Německu. Cíle dané Bílou knihou EU o fotovoltaice pro rok 2010 byly dosaženy o čtyři roky dříve. V ČR bylo v roce 2005 instalováno pouhých 111 kWp a v roce 2006 241 kWp.  Průměr na občana v EU činil v roce 2005  3,94 Wp, přičemž v ČR činil 0,05 Wp. Největší instalace byla v Lucembursku 51,47Wp,  následovala  SRN s 18,56 Wp na hlavu.  V roce 2006 byl průměr v EU 7,38 Wp, přičemž v BRD dosáhl 37,16 a v  ČR činil 0,08Wp na hlavu.  Světová produkce fotovoltaických panelů se během dvou let zdvojnásobila, když v roce 2004 byla 1256 MWp a v roce 2006 2535,6 MWp.

Rozvoj fotovoltaiky by byl zřejmě ještě větší, kdyby nedošlo díky velikému nárůstu výroby k nedostatku křemíku. Přechodný nedostatek křemíku ve světě bude však brzy překonán. Na základě tržního průzkumu časopisu Sun & Wind Energy z roku 2006 vyplynulo, že čtyři největší světoví výrobci křemíku - Hemlock Semiconductor (US), Wacker Polysilicon (D), REC Silicon (US) und Tokuyama (J) zvýší svou produkci, a přidají se další menší výrobci v Číně a Rusku.  V roce 2010 bude dostatečný potenciál pro roční výrobu 12 GWp fotovoltaických článků.  Podle jiného zdroje o rok později (PHOTON solar anual 2007)  se předpokládá ztrojnásobení výroby křemíku z 50,000 tun na 150,000 tun. Ve spojení se zvyšující se účinností se v roce 2011 předpokládá roční výroba přes 20 GWp. (1)

Pro EU je významná kvalitní pozice fotovoltaických evropských producentů na světovém trhu. Nejlépe z nich je etablován německý sektor, který měl v roce 2006 obrat 3,7 miliardy € (v roce 2005 3,0 miliardy) a zaměstnával 35,000 osob ve srovnání s 30,000 v roce 2005. Celkem je v BRD registrováno v této branži 5000 firem včetně 50 velikých průmyslových.

Stále podceňované  odhady fotovotaiky

V roce 2005 předpovídala renomovaná švýcarská banka Sarasin & Cie AG, která se zabývá investováním ekologických projektů,  trh s fotovoltaikou v roce 2010 ve  velikosti 2350 MWp a v roce 2020 5800 MWp což odpovídá ročnímu nárůstu 13%. (2)

Podle studie v roce 2006 ale již v období mezi léty 2005 až 2010 očekává meziroční nárůst 26% a pro období 2011 až 2020 meziročně 21% a v tomto roce 31GWp. (3)

Odhady cenových relací v budoucnu

Jakkoliv se často uvádí, že fotovoltaické články jsou drahé a stejně drahá je i vyrobená elektřina, ukazuje nejnovější vývoj na reálnou tendenci snižování nákladů. Studie „The True Cost of Solar Power“ (4) naznačuje, že ceny fotovoltaických systémů neklesnou na úplnou hodnotu nákladového snížení, protože nabízejí „vynikající možnost podstatně zvýšit výdělky fotovoltaických firem v přicházejících letech“. Ceny solární elektřiny se v roce 2004 odpojily od výrobních nákladů, protože  poptávka převyšuje nabídku, nebude se cena automaticky snižovat. Díky veliké poptávce tato situace zřejmě vydrží několik let.

V roce 2006 bylo typická cena zahrnující výrobní náklady, výzkum a vývoj (R&D), instalaci a provozování slunečních fotovoltaických systémů zhruba 3,6 USD/watt, což odpovídá sluneční elektřině za 0,25 USD/kWh. Při  ceně 0,25 USD/kWh může být v zemích OECD 5-10% rezidentní elektřiny vyráběno  ze slunce, což by odpovídalo 150 až 300 GW slunečních elektráren.

V roce 2010 poklesne typická cena nejméně o 40% na 0,15 USD/kWh což odpovídá 2,5 USD na watt instalovaného výkonu.  Nejlepší výrobci a instalace sníží cenu na 0,12 čili 1,85 USD/watt v „normálních“ slunečních podmínkách a pod 0.10 USD/kWh ve výhodných slunečných lokalitách. S cenami od 0,1 až 0,15USD/kWh v roce 2010 bude cena slunečního proudu nižší než síťová elektřina pro nejméně 50% rezidentů v zemích OECD, což by otevřelo trh za uvažovaných podmínek pro 1500 GW.

Konečná cena podle stejného zdroje byla v roce 2006 2,88 € (u velmi dobrých investorů a stavitelů 2,144 €/kW) a do roku 2010 klesne až na 2,08.

Vize fotovoltaiky pro rok 2030

  • 0,05 až 0,12 €/kWh, ploché panely mají účinnost min. 25% a životnost 40 let,
  • roční výroba v Evropě 20 – 40 GW 
  • nová pracovní místa pro 200.000 až 400.000 osob
  • v Evropě instalováno 200 GW
  • fotovoltaika zprostředkuje přístup k elektrickému proudu pro 100 milionů rodin, což je půl miliardy lidí

Když srovnáme tuto předpověď se současnou nejnovější předpovědí světové výroby z roku 2008 (viz níže v tabulce), můžeme usuzovat, že vize pro rok 2030 je zřejmě podceněná.

Postoj české veřejnosti

Fotovoltaika má z obnovitelných zdrojů jednu z největších EPBT a cca 60 g C02/kWh, i když nižší než v současné chvíli jaderná energie (2007 - 65 g/kWh). Se zvyšujícím se účinností ale energetické návratnost klesá a se snižujícím se podílem fosilní energie budou klesat i nepřímé emise oxidu uhličitého. Fotovoltaika se zdá být z hlediska akceptace veřejností nejméně problematickým zdrojem obnovitelné energie, i když v průběhu léta 2007 se objevily denním tisku zprávy o protestech proti fotovoltaické elektrárně na jižní Moravě. (5)

Velmi pomalu ustupují a stále se ještě občas objevují názory, že fotovoltaický článek nevyrobí za dobu své životnost tolik energie, kolik jí je třeba na jeho vlastní výrobu. To již dávno není pravda. Nejefektivnější články mají dnes energetickou návratnost ne vyšší než 1,5 roku z celkové garantované životnosti minimálně 15-20 let.

Jistým problémem jsou instalace fotovoltaiky na starší či historické budovy, i když takové instalace jsou známy z některých kulturních evropských zemí. Při hlubším pohledu je zřejmé, že z hlediska přístupu ke kulturnímu dědictví a památkové péče je nutné fotovoltaiku, jako i ostatní obnovitelné zdroje, vehementně podporovat, což ovšem nevylučuje citlivě a odpovědně zpracovaný záměr.

Veliké fotovoltaické instalace

V současné době stále rostou možnosti fotovoltaiky a na výhodných polohách se staví stále větší fotovoltaické elektrárny. V září 2007 byla u španělské Beneixamy v provincii Alicante dána do provozu největší fotovoltaická elektrárna o výkonu 20 MWp.  Celková investice činila 120 milionů € a elektrárna byla postavena během jednoho roku.(6) U městečka Moura v portugalském regionu Antalejo bude do konce roku 2009 spuštěna poslední část největší  fotovoltaické elektrárny na světě s celkovým výkonem 64 MW. Náklady  budou 250 milionů €  a elektrárna bude zabírat 100 ha. (7)

Nové materiálové možnosti fotovoltaiky

Výzkumný tým University Delaware pod vedením Allena Barnetta a Christiany Honsbergové  dosáhl v průběhu roku 2007 významného milníku ve vývoji velmi účinných fotovoltaických článků  VHESC (Very High Efficiency Solar Cell), konstruovaných na základě krystalického křemíku. Za standardních pozemských podmínek bylo dosaženo účinnosti 42,8%. Výzkumný tým se spojil s firmou Du Pont, která investovala do dalšího výzkumu 100 milionů dolarů. Cílem sdružení je dosáhnout solárního článku s účinností 50% a Barnett oznámil, že nové vysoce účinné fotovoltaické články by mohly být dány do výroby v roce 2010.(8)

Krystalický křemík není jedinou materiálovou možností fotovoltaických článků, uvádějí se ještě další materiálové možnosti. V takzvané druhé generaci se jedná o tenké vrstvy křemíku nebo i jiných polovodičů na bázi především kombinace CIS (Cooper Indium Diselenide) nebo kadmium teluridu. Jsou levnější, ale jejich účinnost je díky defektům nižší. U Grätzelových článků, které nepoužívají křemík, ale barvivové systémy pro  absorpci fotonů a nanomateriál pro  transport vzniklých elektronů, se očekává 4 - 5 násobné snížení ceny ve srovnání s články křemíkovými.  Mají nižší účinnost, ale současně několik výhod. Tyto články nejsou tepelně závislé a mohou pracovat oboustranně. Mezi jeho pozitiva patří i pohodlná možnost přímé integrace do  fasád a oken budov. Umí zpracovávat i nepříznivé úhly dopadu pro ranní a podvečerní světlo. To staví jeho výtěžnost na roveň běžným článkům křemíkovým. (9) Grätzlův tým dosáhl v případě barvivových článků v roce 2007 nejvyšší účinnosti 11% a již v tomto roce bude v Cardiffu ve firmě G24 Innovations zahájena výroba těchto fotovoltaických článků.

Ekonomické odhady

Evropská technologická platforma pro fotovoltaiku zveřejnila v červenci 2007 strategickou agendu. Dokument „Strategic Research Agenda“ bude významný pro dosažení cílů 7. rámcového programu EU. V jižní Evropě může být solární proud konkurenceschopný do roku 2015 a v roce 2020 v celé Evropě. (10)

  1980 dnes 2015 2030 dlouhodobě
průměrná cena systémů bez daně (2006 €/Wp) > 30 5 2,5 1 0,5
průměrné náklady na výrobu slunečního proudu v jižní Evropě (2006 €/kWh) > 2 0,3 0,15 0,06 0,03
průměrná účinnost standardních FV modulů (%) až 8 až 15 až 20 až 25 až 40
průměrná účinnost modulů s koncentrátorem (%) cca 10 až 25 až 30 až 40 až 60
průměrná doba energetické amortizace v letech (jižní Evropa) > 10 2 1 0,5 é,25

Firma PHOTO Consulting hodnotila jednotlivé největší výrobce fotovoltaiky  (Conergy, First Solar, Hemlock, LDK, M.Setek, Motech, Q-Cells, REC, SolarWorld, SunEdison, SunPower, Suntech a Wacker) a jejich výrobní potenciál; sumarizované výsledky jsou uvedeny v následující tabulce: (11)

  2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
výroba (Gwp) 2005
výroba (Gwp) 2008

1,7

2,6 4 6,1
7,1
10,2
14,1
15,1
28,8
20,5
40,9

52,3
nárůst výroby (YoY%) 2005
nárůst výroby (YoY%) 2008
44 58 53

54
82

66
107
48
96
36
42

28
průměrná VO cena (USD/Wp)
průměrná VO cena (USD/Wp)
3,7 4,3 4,1 3,8
3,98

3,7
3,55

3,5
3,17

3,3
2,91

2,66
nárůst ceny modulu (YoY%) 14 16 -5 -7 -4 -4 -6  
průměrná cena instalace (USD/Wp)
průměrná cena instalace (USD/Wp)
7,1 7,8 7,5 7
7,65
6,6
6,74
6,2
6,05

5,9
5,66


5,30
nárůst ceny instalace (YoY%) -2 9 -3 -8 -6 -5 -6  

Je pozoruhodné, jak se mění ekonomické a výrobní odhady s postupem doby – nárůst výroby se v rámci pětiletého období za tři roky změnil na dvojnásobek.

Potenciály fotovoltaiky ve světě

Ve starších scénářích pro 100% zásobování obnovitelnými zdroji se podíl fotovoltaiky pohybuje v různých zemích od 9,4% z roku 1982 až po 35% z roku 2003. Někdy se užívají pro dokreslení potřebné plochy groteskní příměry. Podle „Environmental & renewable energy information centre“ by bylo při dnešní technologii možné pokrýt celou spotřebu Spojených států z fotovoltaických článků na celkové ploše  13.125 čtverečných mil, což je méně než  12% státu Nevada. To je méně než v tomto státě kontroluje armáda. (12)

Jak veliký potenciál může být k dispozici, dokládá studie Newcastle Photovoltaic Application Centre.(13) Kdyby se fotovoltaické zařízení začlenilo do struktury budov, postačovalo by 10 % jejich celkové plochy, aby byla pokryta veškerá spotřeba elektrické energie Velké Británie. Při tom byl zohledněn prakticky využitelný potenciál, tedy různá denní a roční nabídka sluneční energie a různá spotřeba během dne. Těchto 10 % plochy budov postačuje, jak říká zpráva, také v zimě, obtíže nastávají pouze v zimní večerech.

Ve roce 1993 byla ve spolupráci Institutu pro elektrické teplo Univerzity v Hannoveru a Městských podniků Aachen (STAWAG) obhájena diplomová práce o názvu  "Možný příspěvek  fotovoltaiky k elektrickému zásobování města“ . Tato práce rozebírala různé scénáře zásobování elektřinou v městě  Aachen. Nejprogresivnější scénář za použití zásobníků energie vyrovnávajících denní a noční rozdíly výroby poskytl 65% pokrytí celkové spotřeby včetně průmyslové, pouze ze slunečního proudu. (14)Na tiskové konferenci uspořádané v rámci fotovoltaického setkání představilo rakouské technologické ministerstvo (BMVIT) fotovoltaický plán pro Rakousko. Do roku 2050 by mělo Rakousko pokývat spotřebu elektřiny z dvaceti procent ze slunečního proudu z panelů integrovaných do budov. Technický potenciál fotovoltaiky integrované do budov představuje cca 140 km2 střech a 50 km2  fasád, přičemž 20% celkové elektrické spotřeby v roce 2050 představuje pouze 85 km2  střech a 28 km2 fasád. To je jenom 60% uvedených potenciálů. (15)

Podle studie, kterou zpracovala kolínská firma Ecofys GmbH je v současných německých městech asi třikrát více ploch pro instalaci slunečních panelů nebo solárních kolektorů, než se soudilo před deseti lety. Tolik výsledky výzkumného projektu, který se zabývá vzorovými projekty a potenciály solární městské výstavby v rámci programu „Udržitelné městské struktury“.  Největší plochy představují panelové domy a sociální výstavba z padesátých až sedmdesátých let. V celém Německu se jedná o 2344 milionů čtverečných metrů. Podle vedoucí projektu Dagmar Everdingové odpovídá  tento potenciál elektrárně o výkonu 40 GW což představuje téměř polovinu dnes instalovaného výkonu v Německu. V České republice nebude situace v tomto ohledu zásadně odlišnou. (16)

Americká agentura  Energy Information Administration  ve svém Annual Energy Outlook 2005  predikuje do roku 2025 snížení ceny instalovaného kWp fotovoltaiky z 8600 USD v roce 2004 na 3180 v roce 2025 (při přepočtu na USD 2003), což reprezentuje pokles na 37%, ale v odhadu účinnosti je studie velice zdrženlivá – za 20 let počítá s účinností 22%, čemuž současné výsledky nenasvědčují. (17)

Odhad potenciálu pro ČR

Při současné fotovoltaické technologii lze získat z jednoho metru čtverečního, na nějž  v průměru u nás ze slunce dopadne 1000 kWh/rok, asi 120 kWh/rok. Pro odhad plochy počítáme v tuto chvíli se současnou účinností, jakkoliv je jisté, že vysoce účinné fotovoltaické systémy budou k dispozici během několika let. Pro uspokojení celkové spotřeby v roce 2005 59 TWh/rok je při dnešní účinnosti potřeba plocha 491 km2. Jakkoliv se v současné chvíli podíl fotovoltaiky pohybuje v řádu setin až desetin procenta, je zřetelný neobyčejný nárůst výrobních kapacit, stálý nárůst účinnosti produktu a stále vyšší zájem veřejnosti.

Plocha pro aplikaci fotovoltaiky není příliš omezena – fasády a střechy střechy s výjimkou historických objektů, protihlukové stěny dálnic, železnic. Jediným konkurentem  budou sluneční kolektory pro výrobu teplé vody. Jak již bylo ukázáno, kvalifikované odhady odborných i investičních expertů velmi často podhodnocují fotovoltaický potenciál a lze předpokládat, že se tak děje neustále. Na základě těchto faktů se lze domnívat, že fotovoltaika může v průběhu 30 až 40 let dosáhnout  desítek procent, přičemž konkrétní velikost tohoto podílu bude v deseti následujících letech záviset především na společensko-politické podpoře. Pak se stanou fotovoltaické články na vlastním domě ekologickým standardem, společenskou nutností a výrazem solidárnosti se Zemí a jejími obyvateli. Dosáhne-li cena fotovoltaické proudu hladiny stále rostoucí ceny elektřiny z fosilně jaderného mixu, bude pouze limitou zásadní integrace fotovoltaiky pouze výrobní kapacita.  Do roku 2050 je možné přijmout rakouský model s tím, že jsou pravděpodobné vyšší výsledky.

facit - fotovoltaika

Sluneční energie má mnohem větší potenciál než se v současnosti uvažuje. Výzkumné  výsledky i cíle poskytují  naději pro vstup do sluneční éry. Odhad potenciálu je v tomto případě velmi zavádějící, protože spolu s akumulační kapacitou  může fotovoltaika prakticky všude ve dlouhodobém časovém horizontu pokrývat veškerou spotřebu elektřiny. Podle rakouského modelu  na rok 2050 uvažujeme s něco nižší výrobou, což by odpovídalo cca 10 TWhel. Rozvojové možnosti jsou ale prakticky neohraničené.

Literatura:

  1. Photovoltaic energy barometer, Euroobserver 49, April 2007
    http://www.energies-renouvelables.org/observ-er/stat_baro/observ/baro172.pdf
  2. http://www.intersolar.de/61+M5f537f4e346.html
  3. http://www.newvalue.ch/files/Bank%20Sarasin_20061207.pdf
  4. The True Cost of Solar Power,  Photon, April 2007  http://www.photon-consulting.com/en/true_cost_2007/index.htm
  5. Znojemský týden 33/2007, www.znoj-tyden.cz
  6. http://www.city-solar-ag.com/index.php?id=185
  7. http://www.solarserver.de/solarmagazin/newsa2004m04.html
  8. http://www.udel.edu/PR/UDaily/2008/jul/solar072307.html
  9. Kevin Bullis: Auf dem Weg zur wettwerbsfähigen Solarenergie, Technology Rewiew 9/2006
  10. http://www.eupvplatform.org/fileadmin/Documents/MG_SRA_Complete_070604.pdf
  11. PHOTON Consulting 2005/2008
  12. Environmental and renewable energy information centre , www.solareco.com
  13. Hermann Scheer: Sluneční strategie str.115, Nová Země, 1999
  14. Ralf Bischof, "Möglicher Beitrag der Photovoltaik zur elektrischen Energieversorgung einer Stadt", Diplomarbeit am  Institut für Elektrowärme der Universität Hannover, Juni 1993, in:
    http://www.sfv.de/druckver/artikel/2007/eigenerz.htm
  15. Solarserver.de, Arsenal Research,
    http://www.solarserver.de/solarmagazin/newsa2007m09.html
  16. http://www.ecofys.de/
  17. http://tonto.eia.doe.gov/FTPROOT/forecasting/0383(2005).pdf
© eurosolar.cz 2017