Dukovanská fotovoltaická elektrárna

Příkladem instalace fotovoltaických článků je i první česká fotovoltaická elektrárna o výkonu 10 kW a o celkové účinné ploše 75 m2 účinné plochy v areálu Jaderné elektrárny Dukovany. Tvoří ji 200 fotovoltaických panelů osazených monokrystalickými křemíkovými články. Špičkový výkon je 53 W/čl., optimální napětí 17,5 V/čl.

Z historie na Mravenečníku
Historie dukovanské fotovoltaické elektrárny sahá až do devadesátých let minulého století. V roce 1994 byla zahájena výstavba komplexu obnovitelných zdrojů společnosti ČEZ v Jeseníkách poblíž přečerpávací vodní elektrárny Dlouhé Stráně. V rámci technologického celku větrné farmy Mravenečník byla vystavěna i fotovoltaická elektrárna o výkonu 10 kW. V roce 1995 dodala dnes už neexistující firma Tesla Trimex z Rožnova pod Radhoštěm fotovoltaické panely. Celkové investiční náklady dosáhly 6,2 milionu korun. Výstavba celého komplexu, kterou řídila firma Energovars pod inženýrským dohledem společnosti Energotis, se však protáhla až do roku 1998. Bylo to vlivem nepříznivých klimatických podmínek v dané lokalitě (komplex leží v nadmořské výšce 1160 m), kde mohly stavební práce probíhat jen po omezenou část roku. Fotovoltaická elektrárna byla v této lokalitě provozována od října 1998 do října roku 2002 [1].

Problémy
Úloha této fotovoltaické elektrárny byla především výzkumná a ověřovací. Provoz provázely zejména problémy s proudovými měniči, které byly během prvních třech let provozu velmi poruchové. Musely být zasílány k opravě k výrobci do Německa, některé kusy dokonce i dvakrát ročně. To mělo významný vliv na výrobu elektrárny, protože v důsledku oprav měničů byly jednotlivé sekce neprovozuschopné. Průměrná možná roční výroba (pokud by pracovaly obě sekce) za období fungování elektrárny v lokalitě Mravenečník byla stanovena extrapolací na úrovni 6650 kWh.

Působení fotovoltaické elektrárny na Mravenečníku zasadila poslední ránu krádež několika panelů v roce 2001. Ani zlepšení ostrahy kamerovým systémem nezabránilo rozkrádání fotovoltaických panelů, protože toto drahé zařízení bylo instalováno v neosídlené oblasti a poptávka po komponentech byla vysoká. Celkem bylo neznámými pachateli odcizeno 28 panelů. Bylo jasné, že fungování fotovoltaické elektrárny je v takové lokalitě neudržitelné, a proto bylo rozhodnuto o jejím přemístění do lokality Jaderné elektrárny Dukovany.

Stěhování do Dukovan
V říjnu roku 2002 bylo zařízení elektrárny demontováno a převezeno. Projektovou dokumentaci stavby zpracovala pro ČEZ, a. s., firma EGP Invest z Uherského Brodu. Při projektování se vycházelo především z původní dokumentace elektrárny na Mravenečníku, protože se použila většina původních komponent. Tehdy ještě existující firma Tesla Trimex dodala chybějící fotovoltaické panely. Hlavním dodavatelem stavby byla společnost ESE, dodavatelem stavební část firma V-stav Hrotovice. Stavba byla projektována především s ohledem na její hlavní účel, tedy pro demonstrační účely – elektrárna je součástí Informačního centra Jaderné elektrárny Dukovany. Komunikační a prezentační software vyvinula firma I&С Energo. Elektrárna byla dokončena v říjnu 2003. Celková doba výstavby činila 3 měsíce. Náklady na výstavbu v nové lokalitě bez původních komponentů byly 3 miliony korun, celková investice dosáhla 4 milionů korun [2].

Provoz v nové lokalitě

Fotovoltaická elektrárna má tyto parametry:

počet sekcí solárního pole - 2
úhel sklonu pole - 45°, jih
nastavení úhlu sklonu - pevné
jmenovitý výkon - 2 x 5 kW
jmenovité napětí ss sběrnice - 330 V 
výstupní střídavé napětí - 230 V 
celkový počet FV panelů - 2 x 100
typ FV panelů - M-S 36-53
maximální výkon FV panelu - 53 W
celková plocha FV panelů - 75 m²
rozměry elektrárny - 18 m x 32 m
celková zastavěná plocha - 580 m²

Novým umístěním v těsné blízkosti Jaderné elektrárny Dukovany se vyřešil především problém s ostrahou zařízení. Fotovoltaická elektrárna vhodně doplňuje svou větší sestru, zejména z pohledu demonstračních účelů Informačního centra. Návštěvníci elektrárny si mohou udělat představu o ploše, ze které je možné získat ze slunce 10 kW elektřiny, v porovnání s 1760 MW sousedního jaderného zdroje. Pro demonstrační účely byl vyvinut informační systém, který na panelu návštěvníkům ukazuje základní údaje o provozu elektrárny. Jsou to aktuální výstupní výkon obou sekcí, vstupní napětí, teplota panelů, teplota okolí a rychlost větru, elektřina vyrobená v daném dnu, za týden a od počátku instalace, a tok sluneční energie. Čidla vlastní meteostanice se nacházejí na stožáru v oploceném areálu fotovoltaické elektrárny. Kromě zmíněných údajů prezentovaných na panelu se sledují a archivují data o atmosférických podmínkách včetně zaznamenávání maximálních, průměrných a minimálních hodnot za den, týden, měsíc a rok (teplota, tlak, relativní vlhkost, rychlost a směr větru, intenzita slunečního svitu a množství srážek).
Fotovoltaická elektrárna byla postavena v rámci programu dlouhodobého ověřování provozu a životnosti alternativních zdrojů energie, takže neslouží pouze k demonstračním účelům. Vyrobená elektřina je dodávána do sítě. Vedle dat o množství vyrobené elektřiny je možné díky střídačům získávat hodnoty všech potřebných elektrických veličin (stejnosměrné napětí, střídavé napětí a proud, okamžitý výkon, frekvence sítě). Na dálku lze sledovat provozní stav, evidovat poruchová hlášení a zaznamenávat dobu provozu. Návštěvníci informačního centra mohou na LCD monitoru u recepce sledovat stejné údaje jako na panelu fotovoltaické elektrárny, ale také společně údaje o fotovoltaické a jaderné elektrárně – vyrobenu energi za aktuální rok a odhad počtu domácností, které svou energií dokážou zásobovat.

Srovnání původní a nové lokality
Obě místa se liší především nadmořskou výškou a intenzitou a délkou slunečního svitu. Dukovany leží ve výšce 300, zatímco Mravenečník bezmála 1200 metrů nad mořem. Je známo, že se intenzita slunečního záření průchodem atmosférou zmenšuje. Mírou snížení intenzity je tzv. součinitel zeslabení, který je pro místa nad 1000 metrů nad mořem 2,5, zatímco pro venkov bez průmyslových exhalací v nižších nadmořských výškách (Dukovany) dosahuje hodnoty 3. Z tohoto pohledu by na tom Dukovany byly hůře. Z pohledu fotovoltaické elektrárny jsou však kromě intenzity významné i údaje o délce slunečního svitu. Dlouhodobá měření Meteorologické observatoře Dukovany udávají průměrnou roční délku slunečního svitu 1781 hodin, což je zhruba o 200 hodin více než v horských oblastech republiky. Výrazný rozdíl mezi oběma lokalitami je i v intenzitě slunečního svitu. Mravenečník leží v oblasti, kde se udává průměrný roční úhrn globálního záření přibližně 3400 MJ/m2, což jsou oblasti pro využívání energie slunce krajně nepříznivé. Naproti tomu Dukovany leží z tohoto pohledu v ideální lokalitě s hodnotou přesahující 4100 MJ/m2; je to oblast, kde jsou pro fotovoltaickou elektrárnu jedny z nejlepších podmínek v celé ČR. Ovšem o slunečních podmínkách například v Kalifornii si i taková lokalita může nechat jenom zdát.

Z pohledu intenzity a délky slunečního svitu bychom mohli odhadnout, že jsou v lokalitě Dukovany zhruba o 20 procent lepší podmínky. Při velkém zjednodušení bychom tedy mohli předpokládat, že i výroba bude v nové lokalitě o 20 procent vyšší.
Na obrázku vidíme, že výroba v lokalitě Dukovany je zhruba o 10 procent vyšší, než tomu bylo na Mravenečníku. Čím může být dán rozdíl mezi očekávanou a skutečnou výrobou? Napoví nám pohled na tabulku ukazující výrobu jednotlivých sekcí za prvních 9 měsíců provozu v nové lokalitě:

dodaná energie
sekce A - 2738 kWh
sekce B - 2859 kWh

Sekce B se od začátku instalace v Dukovanech vyznačuje vyšší výrobou. Je to dáno zřejmě tím, že je to sekce, ve které bylo nainstalováno 28 nových fotovoltaických panelů (namísto odcizených). Panely dodala stejná firma jako panely původní, i technologie nových panelů je stejná. Vyšší výroba sekce, která má část nových panelů, je zřejmě dána stárnutím panelů původních, u kterých garantuje výrobce plný výkon během prvních deseti let provozu. Poté může výkon panelů postupně klesat. Panely se k této hranici blíží, takže můžeme předpokládat zhoršování jejich fotoelektrických vlastností.
Musíme také uvést, že v nové lokalitě se panely nijak nečistí (nepodařilo se zjistit, jak to bylo v lokalitě původní) a tak například na jaře můžeme pozorovat jejich silné znečištění pylem.

Další obrázek ukazuje výrobu fotovoltaické elektrárny po jednotlivých měsících. Vidíme, že v zimě je její výroba zhruba o dvě třetiny nižší než v letních měsících. Zásadní nevýhodou zdrojů tohoto druhu je kolísání výroby během dne a během roku.

Ekonomika fotovoltaické elektrárny
Celkové investiční náklady fotovoltaické elektrárny v lokalitě Mravenečník byly 6,2 milionu korun. Cena za její přemístění do Dukovan, spolu s doplněním chybějících panelů, vývojem nového software a samotnou stavbou dosáhly 4 milionů korun. Cena nezahrnující chybějící panely byla 3 miliony korun. V současnosti se vyrobená elektřina prodává do rozvodné sítě za cenu 6 korun za kilowatthodinu. Roční tržby tak vychází na 45 tisíc korun. Při těchto cenách by se celkové náklady na výstavbu dukovanské fotovoltaiky vrátily za bezmála 70 let. V lokalitě Mravenečník, kde byla výroba nižší, se dostáváme při investici 6,2 milionu korun k návratnosti závratných 155 let. Při těchto úvahách jsme však nebrali v úvahu fakt omezené životnosti fotovoltaických panelů, která se pohybuje podle optimistických odhadů kolem 20 let. Z toho vyplývá, že výstavba fotovoltaické elektrárny při současných výkupních cenách je bez dotací na výstavbu přijatelná pouze pro silnou společnost, která si takový přepych může dovolit. Společnost ČEZ od začátku brala provoz fotovoltaického zdroje jako demonstrační a ověřovací, tuto funkci dukovanská sluneční elektrárna plní bezezbytku.

Slunce versus jádro
Společnost ČEZ nechápe obnovitelné zdroje jako konkurenci pro zdroje klasické (uhlí a jádro). Oba typy zdrojů mají své výhody a nevýhody, žádného z nich bychom se neměli zříkat. Slunce, voda, vítr, biomasa, jádro, uhlí a plyn musí tvořit vyvážený energetický mix. ČEZ tuto skutečnost pochopil, což dokazuje založení dceřiné společnosti ČEZ Obnovitelné zdroje.
V žádném případě spolu klasické a obnovitelné zdroje nesoupeří, ale vhodně se doplňují. Obnovitelné zdroje mohou jen stěží zajistit stále rostoucí poptávku po elektrické energii, nedokážou zajistit dodávku elektřiny 24 hodin denně po 365 dní v roce, jako je tomu u zdrojů klasických. Na druhou stranu si lze těžko představit elegantnější způsob výroby elektřiny na horské chatě v odlehlé oblasti než s využitím fotovoltaiky ve spojení s vhodnou akumulací vyrobené energie.

Pro pokrývání základního zatížení je fotovoltaická elektrárna nevhodná. Důležitou vlastností pro energetický dispečink je predikovatelnost výroby daného zdroje. Jaderná elektrárna Dukovany (stejně jako ostatní velké zdroje výroby elektřiny v ČR) předkládají pravidelný týdenní plán výroby, což je například pro fotovoltaickou elektrárnu velmi složité. Předpověď počasí má smysl jen pro nejbližší dva nebo tři dny a lokální sluneční podmínky jsou stěží předvídatelné. Vlastník sluneční elektrárny má tak jen jedinou jistotu, že nebude vyrábět v noci.

Zastavěná plocha a další hlediska
Neodpustím si ještě několik srovnání, která výstižně porovnávají sluneční a jaderný zdroj. Zastavěná plocha Jaderné elektrárny Dukovany (včetně parkovišť) je přibližně 1,4 milionu m2. Celkový instalovaný výkon je 1760 MW. Jednoduchým výpočtem docházíme k údaji 1,25 kW/m2. Fotovoltaická elektrárna má instalovaný výkon 10 kW na ploše 580 m2, čemuž odpovídá výkon na jednotku plochy 0,02 kW/m2. Vezmeme-li navíc v úvahu desetkrát nižší koeficient využití výkonu, zjistíme, že pro stejné množství vyrobené elektřiny by musela fotovoltaická elektrárna zabírat 600krát větší plochu než elektrárna jaderná.

S hustotou výkonu souvisí i ukazatel, který charakterizuje návratnost energie spotřebované při výrobě a výstavbě energetického zdroje. Víme, že výroba křemíkových fotovoltaických panelů je extrémně energeticky náročná. Americká studie “The energy payback time of photovoltaic modules”, která čerpala data od renomovaného výrobce fotovoltaických panelů Siemens Solar Industries, došla k závěru, že na vyrobení solárních panelů pro jeden instalovaný megawatt sluneční elektrárny se spotřebuje 2325 MWh elektrické energie. Pokud bychom spočítali energetickou náročnost výroby panelů pro fotovoltaickou elektrárnu v Dukovanech a vzali v úvahu roční výrobu, zjistili bychom, že spotřebovanou energii elektrárna vyrobí za zhruba 7 let. U jaderného zdroje se návratnost energie spotřebované pro výrobu zařízení a výstavbu pohybuje mezi 2 až 3 měsíci.

A poslední srovnání: elektřina z fotovoltaické elektrárny se vykupuje za cenu 6 korun za kilowatthodinu, zatímco Jaderná elektrárna Dukovany vyrábí silovou elektřinu za cenu necelých 70 haléřů za kilowatthodinu.

Z uvedeného je jasné, že fotovoltaická elektrárna nemůže soutěžit s jaderným zdrojem v žádném ohledu. Jsem přesvědčen, že namísto štědrých výkupních cen, které provozovatele a výrobce nijak nemotivují k vývoji nových technologií, by bylo prospěšnější podporovat výzkum a vývoj. Je to jediná cesta k tomu, aby v budoucnu mohly obnovitelné zdroje alespoň zčásti konkurovat zdrojům klasickým.

Poděkování
Závěrem bych rád poděkoval Marii Dufkové ze sekce komunikace ČEZ, a. s., a Kristýně Vohlídkové z oddělení komunikace Jaderné elektrárny Dukovany za poskytnutí podkladů a informací, a dále pánům Františkovi Vaňkovi z divize výroba ČEZ, a. s. a Ladislavovi Dohnalovi ze společnosti I&C Energo za konzultace.

---

Literatura
[1] Vaněk, F.: Aktivity Skupiny ČEZ v oblasti fotovoltaiky. 2. česká fotovoltaická konference. Brno, 2006.
[2] Dohnal, L.: Zkušenosti z výstavby a provozu FVE v JE Dukovany. Mezinárodní setkání provozovatelů fotovoltaických elektráren. Dukovany, 2004.