Kombinace kogenerace a fotovoltaiky zvyšuje energetickou nezávislost a snižuje emise při výrobě energie

S rostoucím počtem nainstalovaných obnovitelných zdrojů energie, zejména fotovoltaických elektráren, se očekává, že v následujících letech dosáhneme až 17 gigawatt výkonu z těchto zdrojů, uvedla společnost Tedom. To by znamenalo, že výroba elektřiny bude primárně závislá na zdrojích, které jsou dostupné pouze v omezených časových intervalech.

Taková situace povede k problémům se stabilitou energetického systému a spolehlivostí dodávek. Je proto klíčové postupně a s rozmyslem budovat celý mix energetických zdrojů tak, aby se vzájemně doplňovaly a zajišťovaly stabilní provoz.

Kombinace kogenerace a fotovoltaiky zvyšuje energetickou nezávislost a snižuje emise při výrobě energie

Fotovoltaické systémy v současné době zdaleka nedokážou pokrýt veškerou poptávku po elektřině. Využití instalovaného výkonu fotovoltaické elektrárny je pouze kolem 12 procent, což představuje zhruba tisíc hodin ročně z celkových 8760. Tento nedostatek ještě zesiluje fakt, že většina elektřiny je produkována v letních měsících, kdy je slunečního svitu dostatek.

Naopak v zimních měsících dosahuje produkce elektřiny z fotovoltaických systémů zhruba 15 procent ve srovnání s letními měsíci. Tato nerovnoměrná produkce elektřiny je v našich klimatických podmínkách zásadní problém, protože potřeba elektřiny v zimě je mnohem vyšší než v létě. To je způsobeno především zvýšenou potřebou vytápění v domácnostech, kancelářích a veřejných budovách. Rozložení spotřeby elektřiny do měsíců zobrazuje graf č. 1.

Akumulace energie pro stabilní využití obnovitelných zdrojů

Během slunečných dnů solární elektrárny pracují naplno a vyrábějí dostatek levné elektřiny. Zde ale tkví problém: tato energie musí být buď okamžitě spotřebována, nebo nějakým způsobem uložena. U obnovitelných zdrojů energie je kolísavá produkce energie typická, což vede k situacím, kdy vzniká nadbytek zelené energie, který nelze okamžitě zužitkovat. S ohledem na rychlý rozvoj těchto zdrojů je proto klíčové hledat efektivní způsoby, jak tento nadbytek energie účinně uskladnit a uchovat pro pozdější využití.

Nejběžněji využívanou a zároveň nejmodernější technologií pro krátkodobé ukládání energie jsou baterie. Tato zařízení jsou využívána již delší dobu a pro určité situace zůstávají nejvhodnější volbou. Baterie skvěle plní svou roli při vyrovnávání produkce elektřiny v rámci několika dní.

Jednou z perspektivních metod pro dlouhodobou akumulaci energie je výroba vodíku. Tato dlouhodobá forma akumulace umožňuje uskladnění energie vyrobené během letního období a její pozdější využití v zimních měsících. U fotovoltaických elektráren může být přebytečná energie, kterou vyrobíme v době, kdy je více slunečního záření, využita pro elektrolýzu vody za pomoci elektrolyzéru. Tento proces rozloží vodu na vodík a kyslík. Získaný vodík může být uložen pro budoucí potřeby a následně využit k výrobě elektřiny, tepla nebo dokonce jako palivo pro dopravu.

S postupujícím technologickým pokrokem bude výroba vodíku stále efektivnější a cenově dostupnější. Nicméně, technologie elektrolýzy, která slouží k výrobě vodíku, zatím není běžně rozšířená a stále prochází vývojem, včetně nutné infrastruktury a technických norem.

Prozatím je tedy sezónní akumulace energie pro fotovoltaické elektrárny prakticky neexistující. Do doby, než dosáhneme dostatečné akumulace energie, mohou posloužit k pokrytí energetických potřeb v zimním období kogenerační jednotky. Tyto jednotky umožňují současnou výrobu elektřiny a tepla z jednoho zdroje energie. Kogenerační jednotka v tomto případě funguje jako doplňkový zdroj elektřiny pro fotovoltaický systém, který majiteli umožní pokrýt celou svou spotřebu elektřiny.

Jednotka funguje tak, že spaluje palivo, aby poháněla elektrický generátor a zároveň využívá odpadní teplo z tohoto procesu pro vytápění nebo průmyslové účely. I když byly kogenerační jednotky tradičně napájeny fosilními palivy, moderní technologie nyní umožňují jejich provoz s využitím zelených alternativ, jako je vodík nebo bioplyn. Tím dochází k podpoře udržitelnosti a snižování emisí skleníkových plynů.

Synergie kogeneračních jednotek a fotovoltaických elektráren

Kogenerační jednotky se s fotovoltaickými elektrárnami skvěle doplňují díky jejich odlišným sezónním charakteristikám, jak ilustruje graf č. 2. Fotovoltaické elektrárny jsou nejvýkonnější v letních měsících, kdy je sluneční záření nejsilnější. Kogenerační jednotky jsou pak nejlépe využitelné právě v zimních měsících, kdy je zapotřebí vyššího množství tepla. 

Kogenerační jednotky jsou zcela nezávislé na počasí a jiných vnějších vlivech, což jim umožňuje flexibilně produkovat energii dle aktuální poptávky. I přesto, že jsou tyto jednotky často v létě odpojeny, dokážou efektivně nahradit nedostatek energie z fotovoltaické elektrárny v případě jejího výpadku. Díky rychlé aktivaci a schopnosti okamžitě generovat elektřinu a teplo jsou schopny vyrovnat nedostatečnou produkci elektřiny téměř okamžitě.

Data z grafu naznačují, že se tyto formy výroby energie skvěle doplňují.

Graf č. 3 ukazuje, že spojení fotovoltaické elektrárny a kogenerační jednotky odpovídá přesně spotřebě elektřiny v České republice. To znamená, že průměrný spotřebitel by si s vhodně navrženým výkonem této kombinace dokázal kompletně pokrýt svou spotřebu elektřiny. Toto propojení by tak prakticky odstranilo závislost na vnější síti a externích dodavatelích elektřiny. Jedinou potřebou by v tomto případě zůstalo zajištění paliva pro provoz kogenerační jednotky.

„Spojením fotovoltaiky a kogenerace lze získat energetické centrum, které využívá silných stránek obou řešení k maximálnímu zajištění nízkoemisní energie pro provoz podniků. Solární panely pokryjí část spotřeby elektřiny a flexibilní kogenerační jednotky umí běžet kdykoliv je potřeba bez ohledu na počasí či roční dobu. Bezemisní stopu lze do budoucna posílit využití zelených plynů - ať už biometanu nebo vodíku vyrobeného z obnovitelných zdrojů energie,“ komentuje výhody kombinace těchto zdrojů Martin Sedlák, programový ředitel Svazu moderní energetiky.

Ekonomické problémy nevyváženého energetického mixu

Pokud se většina investorů rozhodne spoléhat na stejný zdroj elektřiny, tedy na fotovoltaické panely, a budou všichni generovat elektřinu ve stejných časech během slunečných dnů, vznikne závažný problém. V období, kdy je poptávka po elektřině nízká, ale produkce z těchto panelů je vysoká – například během slunečných víkendů – mohou ceny elektřiny klesnout dokonce pod nulu.

Tím by se provozovatelé solárních elektráren ocitli v situaci, kdy by museli platit za elektřinu, kterou vyrobili. V minulosti byly tyto situace vzácnými a krátkodobými výjimkami, avšak s rapidním nárůstem počtu fotovoltaických systémů se tyto scénáře stávají stále častějšími.

Graf č. 4 s průměrnými cenami elektrické energie znázorňuje optimální příležitosti pro provoz kogeneračních jednotek během dne. V ranní a večerní špičce je pro kogeneraci optimální období. V zimě, kdy fotovoltaické elektrárny téměř nevyrábějí elektřinu, a kogenerační jednotky jsou v provozu po dobu 16 hodin denně, aby zajistily potřebné množství energie. V létě naopak kogenerační jednotky produkují elektřinu pouze v krátké špičce, která trvá 2 hodiny ráno a 2 hodiny večer.

Než bude sezónní akumulace energie dostatečně rozvinutá, je důležité vyhnout se nadměrné závislosti na solárních fotovoltaických systémech a vytvářet harmonický mix různých zdrojů energie. Propojením fotovoltaické elektrárny a kogenerační jednotky vzniká synergický efekt mezi oběma systémy, který poskytuje stabilní přísun energie, zatímco se zároveň snižuje závislost na neobnovitelných zdrojích a snižují emise proti výrobě elektřiny čistě z fosilních paliv. Využití zemního plynu k řízení nestability v dodávkách energie může být pomocníkem k úspěšnému úplnému přechodu na obnovitelné energie v budoucnu.

Text a foto: Tedom