Hlavní vývojové trendy ve fotovoltaice

Fotovoltaika je v současné době jedním z celosvětově nejrychleji rostoucích segmentů energetiky. Za posledních 20 let pokrok v technologii vedl k impozantnímu snížení ceny fotovoltaických modulů a dalších komponentů, zvýšení účinnosti a výrazného zlepšení spolehlivosti a výnosu systému, což se projevilo v následném poklesu ceny vyráběné elektřiny. S tím je spojený rychlý růst instalovaného výkonu fotovoltaických elektráren.

V roce 2018 byl instalován výkon přesahující 100 GW_p a celkový instalovaný výkon přesáhl v roce 2018 500 GW_p [1]. Vývoj celkového instalovaného výkonu je znázorněn na obr. 1a, vývoj výkonu instalovaného v jednotlivých letech v období 2007 až 2018 je znázorněn na obr. 1b. Jak je zřejmé z obr. 1a, celkový instalovaný výkon v období 2009 až 2018 vzrostl 25krát, takže koncem roku 2018 přesáhl 500 GW_p.

Roční produkce (instalovaný výkon) se zvýšila za totéž období 15krát na úroveň 110 GW_p, jak je zřejmé z obr. 1b. Tento rychlý vývoj je možný pouze za podmínek, že cena vyráběné elektřiny je již natolik nízká, že může konkurovat ceně elektřiny vyráběné ostatními zdroji.

Stanovení ceny elektřiny

Cena elektřiny vyrobená určitým systémem (např. fotovoltaickým) se obvykle stanoví pomocí analýzy z hlediska životnosti systému (LCOE), který umožňuje porovnávat různé způsoby výroby.

Pokud je životnost systému n let, ve zjednodušené formě je možno cenu energie vyjádřit jako podíl součtu všech nákladů na pořízení a provoz systému (investičních nákladů PC_k, zahrnujících rovněž úrokové sazby a inflaci v jednotlivých letech, a provozních nákladů PN_k v jednotlivých letech provozu) a součtu energie vyrobené v jednotlivých letech.

Protože délka výstavby fotovoltaických systémů obvykle nepřesahuje jeden rok, je možno vyjádřit LCOE v jednodušší formě

kde:

PC je celková pořizovací cena,
PN jsou průměrné roční provozní náklady,
n životnost systému (v letech),
VE je celková energie vyrobená zařízením za dobu životnosti.

Vlivem prostředí dochází k degeneračním procesům ve fotovoltaických modulech a jejich účinnost s dobou provozu klesá. Je-li životnost n uvažována jako počet let do snížení účinnosti modulů na 80% počáteční hodnoty, zjednoduší se (při lineárním poklesu účinnosti s časem a zanedbání fluktuace slunečního záření v jednotlivých letech) výpočet LCOE a cenu vyráběné elektřiny je možno aproximovat [3]

kde: VE₁ je energie vyrobená za první rok provozu.

Závislost funkce f(n) na životnosti n je znázorněna na obr. 2. Je zřejmé, že při životnosti systému kratší než 15 let se zkracováním životnosti rychle roste cena vyrobené energie.

Účinnost modulů

Pozornost je obvykle věnována dosažení minimálního poměru pořizovací ceny systému a vyrobené energie. Zjednodušené schéma PV systému je znázorněno na obr. 3. Fotovoltaický systém se obvykle rozděluje na fotovoltaické moduly a ostatní zařízení, tzv. BOS (balance of system), což je určitý relikt z doby, kdy fotovoltaické moduly představovaly největší část nákladů na výstavbu fotovoltaické elektrárny.

Cena modulů se sice udává jako cena za jednotku instalovaného nominálního výkonu, na účinnosti modulů však závisí plocha potřebná ke generaci stanoveného výkonu.

S potřebou plochy na jednotku výkonu souvisí potřebná plocha podpůrných konstrukcí a délka kabeláže, tedy část ceny BOS. Účinnost fotovoltaického generátoru má významnou roli pro pořizovací cenu části BOS (cena invertorů, transformátorů, ochran a výpočetní techniky nezávisí na ploše PV systému).

Zvyšování účinnosti modulů je možno dosáhnout zkvalitňováním konstrukce a technologie, např. snížením optických ztrát (snížením odrazivosti, zmenšením plochy zastíněné kontakty), snížením rekombinačních ztrát (zvýšením kvality materiálu, snížením povrchové rekombinace) a snížením elektrických ztrát (optimalizací sběrnic, snížením kontaktních odporů).

K realizaci je pak třeba větší počet technologických operací a kvalitnější technologické vybavení. To se projevuje ve zvýšení ceny technologie článků. Na druhé straně umožňuje velkosériová výroba snižovat materiálové náklady a optimalizovat využití technologických zařízení.

Účinnost modulů je důležitá z hlediska optimalizace pořizovací ceny PV systému. Se zvyšováním účinnosti modulů klesají náklady na BOS, na druhé straně roste cena modulů. Možnosti optimalizace ceny PV systému jsou naznačeny na obr. 4.

Na komponenty fotovoltaických systémů, zejména na fotovoltaické moduly, jsou kladeny požadavky:

• nízká cena,
• vysoká účinnost,
• dlouhá životnost.

Dále pak je třeba, aby fotovoltaické moduly byly realizovány z dostupných materiálů, aby mohla být zvyšována produkce. Tyto požadavky v současné době splňují nejlépe moduly z krystalického křemíku. Tyto moduly mají v současné době účinnost 16 až 22 %.

Vývoj průměrné účinnosti modulů z krystalického křemíku je znázorněn na obr. 5.  V současné době roste zájem o oboustranné (bifacial) moduly, u kterých je možno využít odražené záření ke zvýšení výkonu.

Křemíkové moduly

Životnost modulů závisí na materiálech a technologiích použitých při laminaci, zejména na materiálu zadní stěny. Při použití plastových fólií dosahuje 25 let, při použití skla je životnost vyšší a dosahuje 30 až 40 let.
Zároveň je současná cena modulů z krystalického křemíku, vzhledem k velkosériové výrobě, nižší než cena modulů z jiných materiálů.

Vývoj ceny modulů v závislosti na celkovém objemu výroby je znázorněn na obr. 6 [1]. V lednu 2019 byla podle [7] cena modulů z multikrystalického křemíku 0,212 až 0,275 USD/W_p, cena modulů z monokrystalického křemíku byla 0,247 až 0,360 USD/W_p, cena modulů z monokrystalického křemíku typu N byla 0,273 až 0,380 USD/W_p.

V současné době moduly realizované tenkovrstvými technologiemi zaostávají za moduly z krystalického křemíku jak v účinnosti, tak v ceně a mají i poněkud nižší životnost. Jediná výhoda tenkovrstvých modulů je nižší pokles účinnosti s teplotou, což je výhodné pro oblasti s vysokou intenzitou slunečního záření.

Podíl tenkovrstvých modulů na celkové produkci klesá, v současné době je na úrovni 5 % celkové produkce, největší pokles je u modulů z amorfního křemíku. Podíl jednotlivých technologií na celkové produkci v roce 2017 [1], [3], [4] je znázorněn na obr. 7.

Pořizovací cena fotovoltaiky

Fotovoltaické zdroje představují z hlediska instalovaného výkonu velmi širokou škálu – od malých systémů s výkonem jednotek Wp až k velkým elektrárnám a výkonem do 1 500 MW_p. Více než polovina celkového instalovaného výkonu připadá na elektrárny s instalovaným výkonem nad 100 kW_p.

Pokles ceny s rostoucí produkcí probíhá rovněž v oblasti měničů a dalších částí BOS. Podle [1] je současná pořizovací cena střídačů v úrovni 0,12 EUR/W_p. V současné době klesá podíl ceny modulů na celkové ceně systémů [2], jak je znázorněno na obr. 8.

Další snížení ceny BOS je možno dosáhnout zvýšením napětí ve stejnosměrném rozvodu na 1 500 V. Při této vyšší napěťové úrovni je možno snížit počty střídačů a také náklady na kabely a konstrukce, a tak snížit náklady na instalaci i údržbu.

Vývoj fotovoltaického průmyslu byl od počátku vždy závislý na dotacích. Vzhledem ke snižování pořizovací ceny, zvyšování účinnosti a životnosti fotovoltaických systémů se stává fotovoltaika konkurenceschopnou z hlediska porovnání LCOE s ostatními energetickými zdroji. Porovnání předpokládané ceny elektrické energie vyráběné různými zdroji uváděnými do provozu v roce 2022 (očištěné od dotací) [6] je uvedeno v tabulce 1.

Závěr

Výkon fotovoltaických elektráren závisí na intenzitě slunečního záření a je ovlivňován jak denní dobou, tak oblačností. Tyto neurčitosti komplikují dispečerské řízení fotovoltaických systémů. Nízkou produkci energie v průběhu času s nízkou intenzitou ozáření je možno řešit kogenerací s elektrárnami na fosilní paliva (např. zemní plyn), případně hydroelektrárnami.

Dalším řešením je přidání úložiště do systému, který by ukládal generované energetické špičky a dodával energii do rozvodné sítě při vysoké poptávce. Ve stále větší míře se bude uplatňovat digitalizace řízení a flexibilní propojení elektrických sítí [4], [5].

Literatura
[1] Photovoltaics Report – Fraunhofer ISE, March 2019. https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf
[2] International Technology Roadmap for Photovoltaics (ITRPV), Results 2017 including Maturity report 2018, September 2018, http://www.itrpv.net/Reports/.
[3] Benda, V. Photovoltaic cells and modules towards Terawatt Era. In: Journal of Electronic Science and Technology, 2017, 15(4), 351–357.
[4] Jäger-Waldau, A. 2018. PV Status Report 2018, EUR 29463 EN, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2018.
[5] European Technology and Innovation Platform for Smart Networks for the Energy Transition, Vision 2050. https://www.etip-snet.eu/etip-snet-vision-2050/.
[6] Levelized Cost and Levelized Avoided Cost of New Generation Resources in the Annual Energy Outlook 2019, February 2019, https://www.eia.gov/outlooks/aeo/pdf/electricity_generation.pdf
[7] https://www.energytrend.com/pricequotes/20190131-13309.html

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 1/2019.