Fotovoltaika bez oslnění

Je používání fotovoltaických kolektorů na úkor fototermických selháním Státního fondu životního prostředí? Jaká jsou fakta a zkušenosti s jednotlivými typy výrobků?

Pro získávání energie ze slunečního záření pro menší zařízení, např. rodinné domy, jsou v současnosti bezdůvodně preferovány fotovoltaické kolektory (většinou ve formě plochých panelů, ale může jít i o fólie či šindele a střešní tašky), před fototermickými, tedy klasickými teplovodními, zpravidla plochými či trubkovými solárními kolektory. Které kolektory se tedy opravdu vyplatí a kdy?

Nevýhody fotovoltaických kolektorů

Nevýhody fotovoltaických kolektorů, dá se říct, převyšují jejich výhody. Výrobci uváděná jmenovitá účinnost přeměny slunečního záření na energii samotných fotovoltaických panelů se pohybuje od sedmnácti do dvaceti procent, tedy hluboko pod účinností termických solárních kolektorů, která je běžně až čtyřikrát vyšší.

Tato účinnost ovšem platí až při slunečním záření přes 500 W/m², při nižší intenzitě záření klesá až k pětaosmdesáti procentům původních hodnot. Každoročně navíc ubývá kolem půl procenta jmenovitého výkonu panelu, tedy za deset let kolem pěti procent, za dvacet let je to už i přes deset procent (pokud nedojde k degradaci dalšími vlivy).

Pokud nejsou panely zapojeny optimálně, tedy s tzv. sledovačem maxima, skončí zhruba deset procent dopadající energie zcela nevyužito. Bohužel zmíněný tzv. sledovač maxima stojí i pro malé instalace přes 20 000 Kč, nicméně bez něj fotovoltaika už vůbec nedává smysl.

Dalších až několik procent účinnosti se ztrácí se stoupající teplotou panelu zejména tedy v létě (až o 0,4 %/1 °C) – i proto vznikly tzv. hybridní solární kolektory, kde ty fotovoltaické jsou na straně přivrácené ke slunci a z druhé strany jsou ochlazovány fototermickými kolektory (toto komplikované technické řešení se neosvědčilo, fotovoltaická část sice získala pár procent účinnosti navíc, ale fototermická část pracovala s hluboce nízkou účinností skoro na úrovni svých tepelných ztrát, přičemž investiční náklady byly dvojnásobné.

Jejich použití by tak bylo snad vhodné jen u rekreační samoty s malou střechou, kam se nevyplatí zavést elektřinu. Pak ale vyvstává otázka, kdo bude v zimě shrnovat sníh z fotovoltaických panelů v době nepřítomnosti majitele, aby se dobíjely baterie či nahřívala voda?

Dalších až pět procent z vyrobené elektrické energie se ztrácí ve střídačích a rozvodech, takže celková skutečná účinnost je ještě minimálně o jedno procento nižší. I v pohotovostním stavu, tedy když nesvítí slunce a střídač je mimo provoz, se ztrácí kolem jednoho procenta elektrické energie (cca 5 W na zařízení).

Pokud slouží fotovoltaika i k ohřevu teplé vody, je třeba mít elektrické topné těleso, drahou akumulační nádrž a expanzní nádrž. Bez optimalizace přímé spotřeby solární energie se navíc může ztratit dalších až třicet procent energie. A nabití a vybití zpravidla drahé baterie (tedy jeden cyklus) spotřebuje dalších pět procent vyrobené energie za podmínky teploty 25 °C, při vyšší teplotě nebo vyšších proudech se tyto ztráty dále zvyšují. Při vybíjení baterie pod dvacet procent její kapacity se pak navíc účinnost cyklů snižuje až o dalších deset procent.

Životnost akumulátorů Li-ion se pohybuje od osmi set do osmi tisíc cyklů v závislosti na druhu, kvalitě, a především hloubce vybíjení baterie (nejvhodnější je proto okamžité dobíjení mezi dvaceti a osmdesáti procenty kapacity). Takže někdy je bude nutné vyměnit i po pár letech. Jmenovitá kapacita baterií se i při kvalitní péči časem snižuje a účinnost jejich dobíjení též klesá – zvláště pak při rychlém vybíjení či dobíjení velkými proudy, kdy se část elektrické energie mění na teplo – velmi dobře to všichni známe např. z baterií mobilních telefonů.

Ve výsledku lze proto říct, že záruka na fotovoltaické panely se sice papírově pohybuje od osmi do pětadvaceti let, ale samozřejmě se sníženým výkonem na přibližně osmdesát procent původního jmenovitého výkonu.

Souhrn nevýhod

Skutečná účinnost přeměny slunečního záření na elektřinu se tak ve fotovoltaických zařízeních v součtu všech výše uvedených ztrát pohybuje od devadesáti procent u těch nejlepších zařízení. Za ideálních podmínek se někdy jedná i jen o padesát procent jmenovité účinnosti udávané výrobcem u méně kvalitních starších kolektorů při zhoršených podmínkách, tedy mezi třinácti až pouhými pěti procenty celkové účinnosti.

Je naprosto iluzorní si myslet, že se budou moci pro fotovoltaické instalace používat starší, vyřazené baterie z elektromobilů – ty nevyhovují jak sníženou kapacitou a sníženou účinností nabíjení, tak především svým tvarem, kopírujícím různou podvozkovou platformu automobilů, který se nevejde do běžných bateriových boxů.

Podobně iluzorní je i často výrobci panelů uváděná možnost domácího dobíjení baterií elektromobilů, neboť přes den, kdy svítí slunce, je elektromobil většinou mimo dům na cestách či v práci, a navíc dopředu nikdo spolehlivě neví, jak a zda vůbec bude příští den slunce svítit.

V létě, kdy je více slunečního svitu, není kam ukládat přebytky elektřiny (pokud nejsou připojeny k veřejné elektrické síti, což ale znamená další komplikace s povolováním připojení a vhodnými střídači). Pokud při připojení k veřejné síti vypadne proud, ne každá instalace dokáže pracovat i v tzv. ostrovní izolaci. Navíc pokud se neodebírá proud, při silném oslunění se fotovoltaický kolektor silně zahřívá a rychleji degraduje. K tomu všemu je nutné přičíst riziko požáru střechy ze zkratu elektrické instalace fotovoltaických kolektorů a následný problém s hašením elektrického zařízení pod proudem, který nejde jednoduše vypnout jako u veřejné sítě!

Výhody fotovoltaických kolektorů

Elektrická energie je oproti té tepelné ušlechtilejší energií a hlavně je univerzálněji využitelná. Vyprodukovanou elektřinou lze nahřát vodu i v zimních měsících na vyšší teplotu než u termických plochých kolektorů, nicméně hodnoty jsou srovnatelné s vakuovými trubicovými termickými kolektory.

Fotovoltaické kolektory lze využít i jako částečné přistínění místností. Lze je využít i esteticky – jak pro jejich tvar, tak i barevnost. A i při vzdálených instalacích od úložiště, což je velký bonus, dochází v elektrických vodičích k minimálním ztrátám.

Nevýhody fototermických kolektorů

Tyto typy kolektorů mají zpravidla větší tloušťku, jsou těžší a z odvrácené strany musí být tepelně izolovány. Při nízkých teplotách navíc hrozí zamrzání – pokud není použita mrazuvzdorná kapalina. U trubicových vakuových kolektorů je v zimě i další problém – sníh sám nesjede, což u plochých samozřejmě nehrozí, přesto je občas třeba tomu trochu pomoci krátkodobým obrácením toku kapaliny z akunádrže zpět do kolektorů.

Při poškození kolektoru tato kapalina může vytéct. A mimo to je samozřejmě nutné ji pravidelně po několika letech měnit. Rovněž je třeba zdůraznit, že v zimním období mají ploché kolektory vysoké tepelné ztráty a nízkou účinnost, takže nevyhřejí teplonosnou kapalinu na potřebou vyšší teplotu (lze ale použít trubicové vakuové, které mají vysokou účinnost i v zimě).

Nekvalitní kolektory se navíc mohou poškodit vysokou teplotou při neodebírání tepla – tzv. stagnační stav, kvalitním kolektorům teplota zpravidla nevadí, což bylo vyzkoušeno několikrát i přes 200 °C s tlakovou akunádrží zahřátou až do 130 °C, navíc moderní solární regulátory mají funkci tzv. vychlazování, tedy že v noci obrátí automaticky chod kapaliny zpět do kolektorů a tím v akumulační nádrži částečně sníží teplotu.

Soustava musí zpravidla obsahovat drahou akumulační nádrž (existují ale i mnohem levnější beztlaké nerezové akumulační nádrže) a tlakovou expanzní nádobu (těm beztlakým stačí menší beztlakové). Pro ohřev teplé užitkové vody musí mít i tepelný výměník (výhodou ale je, že nemůže dojít k rozmnožení a šíření smrtelně nebezpečné bakterie legionelly, jak je tomu v málo využívaných bojlerech s teplotou vody pod 50 °C).

Pokud jsou navíc kolektory umístěny daleko od místa spotřeby či akumulace, je přívodní potrubí dražší než elektrické vodiče u fotovoltaických panelů a i přes dobrou izolaci existují v něm nemalé tepelné ztráty.

Výhody fototermických kolektorů

Fototermické kolektory jsou podstatně účinnější než fotovoltaické panely, ke stejnému výkonu jim proto stačí až pětkrát menší plocha. Pokud se navíc použijí vestavěné typy a zakomponují přímo do střechy, tak esteticky nehyzdí dům a mají navíc a dalších několik procent vyšší účinnost, neboť nejsou ochlazovány ze spodní strany, a ještě se ušetří spousta peněz za tepelnou izolaci a krytinu.

Při ohřevu topné vody nemusí mít kolektory drahý mezičlánek (baterii), jen levnější výměník. K jejich provozu navíc nejsou třeba žádné elektroinstalační zkoušky a jejich provoz sám o sobě není potenciálně nebezpečný. Existují i samotížné sestavy, které ke svému provozu nepotřebují žádné čerpadlo ani elektřinu.

Fototermickým kolektorům stačí minimální údržba (ani čistit se nemusí – sníh při oteplení sjíždí dolů a čistí je), jsou odolnější vůči vandalům a poškození. Při jejich ekologické likvidaci lze získat zpět nemalé peníze za jejich měděné či hliníkové části (absorber, trubky).

Závěr: rodinné domy

Pro menší instalace (rodinné domky) je ve většině případů vhodnější fototermika, zvláště pokud v nich bydlí více osob, takže mají větší spotřebu teplé vody, či již mají akumulační nádrž kvůli krbu, kotli, tepelnému čerpadlu, nebo dokonce mají bazén, kam je možné ukládat přebytky tepla v létě.

Fotovoltaika je vhodná pro rodinné domky či chalupy pouze tam, kde často vypadává veřejná elektrická síť nebo jejím výpadkem či kolísáním napětí dochází k nežádoucímu přerušování důležité činnosti vyžadující energii – anebo kolektory nelze umístit na střechu či jsou velmi vzdálené od domku, takže by byly vysoké ztráty ve vedení potrubí. Jinak je samotný ohřev užitkové vody fotovoltaikou méně efektivní, a tudíž nepříliš logický, a to ani při nízkých teplotách – zkrátka když slunce i v zimě svítí, při nízkoteplotním vytápění či ohřevu vody z vodovodu trochu tepla vyprodukují i fototermické kolektory (zvláště pak ty vakuové trubicové), a když nesvítí, tak jsou na tom oba typy kolektorů zhruba stejně, neboť mají minimální výkon.

Závěr: průmyslové instalace

Jiná situace je samozřejmě u velkých průmyslových instalací, kde se vysoké fixní náklady rozmělní mezi vysoký počet panelů a existuje jejich pravidelná profesionální údržba (např. fotovoltaické elektrárny). Případně lze využít kolektory s velkými bateriemi s určitou výhodou tam, kde případné přerušení výrobního procesu výpadkem veřejné sítě je nepřijatelné (např. nemocnice, lakovny). Stejným způsobem lze vykrýt i špičky ve spotřebě elektřiny, tedy z bateriového úložiště, a tím podstatně snížit tzv. rezervovaný příkon z veřejné sítě, a tím i platby za něj.

Závěr: veřejná síť

Naopak výstavbu obrovských a drahých bateriových úložišť pro účely regulace veřejné sítě lze považovat za obrovské a zbytečné mrhání peněžními i materiálními prostředky distributorů elektrické energie (ČEZ apod., nakonec to ale v ceně elektřiny zaplatíme stejně my všichni).

Tzv. „black-outům“ veřejné sítě zabránit nemohou, protože mají přes obrovskou cenu a rozměry kapacitu pouze na pár minut provozu, a několikasekundové výpadky několikrát do měsíce, kvůli nimž jsou prý stavěny, lze okamžitě řešit využitím naakumulované mechanické energie roztočených těžkých turbín a generátorů s následným okamžitým krátkodobým zvýšením jejich výkonu až o desítky procent ve stávajících tepelných elektrárnách.

V budoucnu pak lze brát v úvahu levnější ultrakapacitory (kondenzátory) a přečerpávací či akumulační vodní elektrárny, které jsou schopny najet na plný výkon během půl minuty.

Udržování těchto zmíněných pohotovostních baterií nabíjením stále na plné kapacitě a jejich vybíjení obrovskými proudy během pár sekund maximálně párkrát do měsíce způsobuje vysoké ztráty – a především velmi rychle snižuje jejich kapacitu.

A upřímně řečeno, tyto krátké výpadky zdrojů (havarijní odpojení elektrárny či poškození vedení vysokého napětí) mívají díky zokruhování a připojení k ostatním sítím v sousedních zemích za následek zpravidla pouze krátké miniaturní snížení běžné frekvence sítě 50 Hz, což nikdo z nás kromě dispečinku nepozná – televize nám kvůli tomu rozhodně nezhasne, neboť většina spotřební elektroniky má stejně hned na začátku usměrňovač – a tepelným spotřebičům či motorům to nevadí. A když shoří transformátor vysokého napětí, jako před pár lety v Praze v rozvodně na Chodově, tak je stejně půlka Prahy i několik hodin zcela bez proudu.

Celkový závěr

Pokud tedy máme splnit program úspor energií a snížení oxidů uhlíku, ke kterým jsme se zavázali na úrovni Evropské komise a který jsme k roku 2020 nesplnili o dvacet procent, tak z výše uvedeného jasně vyplývá, že jednou z hlavních a rychlých cest je podstatně vyšší podpora fototermických soustav pro občany, kteří by byli pak schopni během pár let uvést do provozu a řádně využívat desetitisíce dalších fototermických soustav a dostat nás tak na úroveň sousedního Rakouska nebo Německa.

Je proto naprosto nepochopitelné, proč Státní fond životního prostředí podporuje pro občany zcela nesmyslně fotovoltaické panely s drahými bateriovými úložišti, které se ani se státní dotací nemohou nikdy vyplatit, na úkor fototermických kolektorů.