Bezpečnosť zásobovania elektrinou a teplom v zemepisnej polohe Slovenska je viazaná na spoľahlivosť prevádzky energetických zdrojov v oblasti ich inštalovaného výkonu pri poklese vonkajšej teploty vzduchu pod bod mrazu. Zariadenia, ktoré takouto schopnosťou disponujú, sú považované za „základné energetické zdroje“. 

Vzhľadom na to, že inštalovaný výkon zdrojov na báze slnečnej energie je v období mínusových teplôt vonkajšieho vzduchu negarantovaný, najčastejšie „nulový“, tieto energetické zdroje sa musia v plnej miere zálohovať. Takéto zdroje preto nazývame „doplnkové energetické zdroje“ a ich návratnosť by sa preto správne mala posudzovať vo vzťahu k variabilnej zložke ceny elektriny a tepla základného zdroja.           

Podmienky výroby elektriny a tepla zo slnečnej energie

Zem sa pri obehu okolo Slnka zároveň otáča okolo vlastnej osi, ktorá zviera s ekliptikou konštantný uhol (23°27´). Takéto nastavenie nebeskej kinematiky je príčinou striedania dňa s nocou, ročných období a určuje klimatické podmienky v zásobovanej oblasti. Neustále sa meniaci dopad slnečného žiarenia na 47° až 50° severnej zemepisnej šírky je príčinou, prečo nie je možné slnečné žiarenie využívať ako základný zdroj energie na zásobovanie teplom a elektrinou. Práve deficit slnečného žiarenia je príčinou, prečo musíme vykurovať objekty, v ktorých sa zdržujú ľudia. Potreba tepla na vykurovanie trvá priemerne 221 dní počas jesene, zimy a jari, keď je severná pologuľa odvrátená od Slnka. Budovy sú navrhnuté tak, že pri poklese priemernej dennej teploty pod +12 °C sa tepelné straty rovnajú tepelným ziskom pri vykurovacej teplote v bytoch (+20 °C). Udržanie normovanej teploty v budove pri vonkajšej teplote nižšej ako +12°C zabezpečuje vykurovací systém. Všeobecne platí, že výkon vykurovacej sústavy musí pokryť tepelné straty budovy do priemernej vonkajšej teploty ‒15 °C (výpočtová teplota). Na udržanie 1° C vnútornej teploty teda potrebujeme priemerne 3,6 % výkonu pri výpočtovej teplote, ktorý nazývame aj menovitý tepelný príkon. Ak je vo vykurovacej sústave z akýchkoľvek príčin deficit 3,6 % menovitého príkonu, teplota v bytoch poklesne o 1 °C.  

Obrázok 1 Priemerná ročná hodnota slnečného žiarenia

Na ožiarenú časť zemského povrchu dopadá zo Slnka trvalo 120-tisíc TW, t. j. 1,2 x 10¹¹ MW výkonu. Pri tomto výkone za necelú hodinu dopadne na zemský povrch také množstvo energie, ako spotrebuje ľudstvo vo všetkých primárnych zdrojoch a všetkých činnostiach za rok, t. j. celosvetová hrubá spotreba energie. Priebeh dopadu slnečného žiarenia na zemský povrch ilustruje obr. 1. Problém je v tom, že rozdiel v priemernej ročnej hodnote dopadajúceho slnečného žiarenia v polohe SR je o 300 % nižší ako v tropickom pásme. Rozdiel v rámci roka v polohe SR je ďalších 500 % (21 .6. oproti 21. 12). V tropickom pásme je počas celého roka len malý rozdiel v trvaní dňa a noci do 8,0 %, zatiaľ čo v polohe SR rozdiel dosahuje až 67 % (21. 6. je 16 hodín deň/8 hodín noc) a naopak. Takýto rozdiel v trvaní dňa a noci je príčinou, že výkon zdrojov na báze slnečnej energie nie je možné stabilizovať akumuláciou energie a musia sa zálohovať základnými energetickými zdrojmi, obyčajne na báze fosílnych palív, jadrových zdrojov alebo biomasy. Ak by tieto základné zdroje neboli k dispozícii, akumulátor by bol v lete trvalo „nabitý“ a v zime (cca 2 000 hodín) trvalo „prázdny“. V nížinách tropických oblastí neklesá vonkajšia teplota pod bod mrazu, nie je ohrozené zdravie ľudí a infraštruktúra (vodovod, kanalizácia, kúrenie).    

Technicky využiteľný potenciál slnečnej energie na Slovensku

Na územie Slovenska (Oravská Polhora/Patince) dopadne priemerne 975,5 až 1134,5 kWh/m²/rok, t. j. asi 3,5-4,0 GJ/m²/rok, pozri obr. 3. Sklon zemskej osi pri obehu Zeme okolo Slnka spôsobuje, že v polohe Slovenska dopadne počas 182 dní zimného slnovratu, keď je severná pologuľa odvrátená od Slnka, (21. 9. až 21. 3.) 25 % z ročného množstva slnečnej energie, pričom viac ako 5 000 hod. počas roka je slnečná energia pre slnečné zariadenia úplne nedostupná. Môžeme zovšeobecniť, že slnečné žiarenie závisí od viacerých faktorov: zemepisnej polohy, miestnej klímy, ročného obdobia, sklonu povrchu k dopadajúcemu žiareniu atď. Na ilustráciu uvádzame mesačné úhrny výroby elektriny zo slnečného žiarenia dopadajúceho na panely fotovoltických elektrární, ktoré sú zapojené do elektrizačnej sústavy a sú optimálne rozmiestnené na juhu SR za roky 2016 – 2020 ilustruje obr. 2.

Obrázok 2 Výroba elektriny priamou premenou slnečnej energie 2017-2020

Celkový využiteľný potenciál slnečnej energie bol pre územie Slovenska stanovený podľa globálneho žiarenia dopadajúceho na šikmo sklonenú plochu pod uhlom 30° na juh v hodnote 7 555 GWh (27,2 PJ) ročne. Predstavuje asi 11 % z celkového využiteľného potenciálu z obnoviteľných zdrojov energie na Slovensku. Predpokladá sa, že z celkového množstva 80 % bude využívaných vo forme termickej energie slnečnými kolektormi, zvyšok sa využije na priamu premenu slnečnej energie vo fotovoltických elektrárňach. Nižšie využitie priamej premeny vyplýva z nižšej účinnosti premeny. Hoci máme k dispozícii zariadenia s konkurencieschopnou účinnosťou, nerieši to problém využívania slnečnej energie, pretože je ním nedostupnosť slnečnej energie počas vykurovacieho obdobia. Ročné využitie inštalovaného výkonu je priemerne síce 12,5 %, t. j. inštalovaný 1,0 kW_p získa 1 100 kWh/rok (1,1 MWh/rok) energie. Priemerný dlhodobý dopad slnečného žiarenia na Slovensku je 1 055 kWh/m²/rok, z toho 800 kWh/m²/polrok dopadne v období apríl – september, za rovnaké obdobie 182 dní október – marec dopadne 255 kWh/m²/polrok.

Obrázok 3 Ročná hodnota globálneho slnečného žiarenia na území Slovenska

Priebeh ročnej spotreby elektriny v SR, ako aj ilustrácia mixu zdrojov výroby je na obr. 4. V zimnom období zaťaženie ES SR dosahuje maximum, na úrovni 4 500 MW. Mesačná spotreba elektriny v zime sa pohybuje na úrovni 3 000 GWh/mes. Dvadsaťpercentný podiel fotovoltických elektrární na inštalovanom výkone však vyrobí počas zimy iba 0,6 % zo spotrebovanej elektriny v SR. Priama premena slnečnej energie v mesiacoch december, január dosahuje vo fotovoltických elektrárňach 530 MWh/deň, t. j. využitie inštalovaného výkonu fotovoltiky je približne 1,0 hod/deň, zatiaľ čo základné zdroje dosahujú využitie inštalovaného výkonu počas zimy viac ako 23 hod./deň.

Obrázok 4 Priebeh výroby elektriny ES SR v mixe zdrojov energie 

Graf na obr.4 ilustruje podiel výroby fotovoltickej elektriny zlatou farbou. Ak by sme zvýšili inštalovaný výkon fotovoltiky povedzme aj na úroveň súčasného inštalovaného výkonu elektrizačnej sústavy SR (7290 MW), v zimných mesiacoch nerozoznateľný zlatý prúžok by sa zmenil maximálne na úroveň súčasného letného podielu na výrobe, t. j. do 5,0 %, celoročný podiel by bol 25 %, pričom by vznikal neriešiteľný letný prebytok elektriny.

EÚ preferuje v rámci systémov CZT využívanie termoslnečných zariadení v kombinácii so zdrojom VÚKVET na biomasu ako 100 % domáceho OZE. V prípade využívania fotovoltických elektrární je zase efektívna spolupráca s akumulačnými vodnými elektrárňami, ktoré počas disponibility slnečnej energie môžu šetriť vodnú energiu alebo ju na vodnú energiu konvertovať. Elektrinu z akumulačných vodných elektrární, resp. prečerpávacích elektrární potom môžu dodávať v čase špičky záťažového diagramu. Z analýzy diagramov je zrejmé, že priama premena slnečnej energie rannú špičku „ešte“ a večernú „už“ nepokrýva. Ak by vodné elektrárne v sústave neboli, najdrahšia slnečná elektrina by bola importovaná za cenu „base load“ odberateľom na Balkáne. Problém s dostupnosťou slnečnej energie je aj v letnom období počas noci, tento problém sa rieši zvýšením výkonu vodných elektrární, zdrojov na biomasu alebo fosílnych zdrojov.

Využívanie slnečnej energie v miernom podnebnom pásme je rovnako problematické ako pestovanie tropického ovocia, t. j. individuálne je možné, ale pre hromadnú výrobu je neefektívne. Otázne sú aj environmentálne dôsledky. Potreba úplného zálohovania slnečných zdrojov znižuje využitie základného zdroja. Ekonomický dosah sa prejaví platbou navyše o fixné náklady súvisiace s duplicitnou technológiou a so zvýšenou cenou paliva. Zvyšuje sa aj merné environmentálne zaťaženie o emisie spotrebované pri výstavbe zdroja, 1,0 MW_p fotovoltiky má hmotnosť 85,0 ton a je z materiálov, ktoré majú vysoký emisný faktor, pričom emisie sa na rovine pri Patinciach počas životného cyklu určite vrátia, ale pri umiestnení v hlbokej doline pri Oravskej Polhore sa emisie vložené do zariadenia na báze slnečnej energie vrátiť nemusia, dôležitá je aj zemepisná poloha a topológia v rámci SR.  

Efektívny zdroj tepla pre SCZT so slnečným systémom na Slovensku 

Efektívne využívanie slnečnej energie v zemepisnej polohe Slovenska najviac spĺňa spolupráca termoslnečného systému dimenzovaného ako doplnkový zdroj tepla, ktorý spolupracuje so základným zdrojom VÚKVET pre SCZT na báze OZE (biomasa, tepelné čerpadlo na geotermálnu energiu...). Potrebu tepla kryje zdroj kombinovanej výroby elektriny, ktorá môže efektívne, t. j. v súlade s potrebou elektrizačnej sústavy eliminovať sezónny alebo nočný pokles výroby fotovoltických elektrární v SR. Na obr. 5 je priebeh premeny slnečnej energie v termoslnečných systémoch na ohrev TÚV pre SCZT mesta s vykurovaním 17,0-tis. bytov, zodpovedajúcou občianskou vybavenosťou a priemyslom, t. j. mesta s 50-tis. obyvateľmi. Zdroj na báze slnečnej energie vyrobí 27 000 MWh tepla zo slnečnej energie, pričom inštalovaný tepelný výkon zdroja bude 20,0 MW a predpokladané investičné náklady na výstavbu zariadenia sú 15,0 mil. €. Úspora nákladov na nákup biomasy, resp. ZPN, s cenou energie 20,0 €/MWh, predstavuje 600-tis. €/rok, teda jednoduchá návratnosť investície bude 25 rokov. Prevádzkovateľ SCZT môže zariadenie efektívne (bez dopadu na cenu tepla) inštalovať, ak cena paliva stúpne o 100 % alebo získa 95 % podiel nenávratnej finančnej pomoci povedzme z EŠIF EÚ na výstavbu termoslnečného zariadenia.

Pri individuálnej výstavbe termoslnečného zariadenia vlastníkom bytového domu sa investícia javí ako efektívna, pretože vlastník (odberateľ tepla z SCZT) sa porovnáva s koncovou cenou tepla vrátane DPH, teda 80 až 95 €/MWh. Takéto riešenie je spoločensky neprijateľné a nespravodlivé, pretože inštalovaný zdroj tepla zaplatia ostatní odberatelia zásobovaní zo systému CZT, ktorým sa rozpočíta „investorom“ ušetrená fixná zložka a úmerne tomu sa im zvýši koncová cena tepla.

Obrázok 5 Efektívny zdroj tepla na báze OZE pre SCZT mesta s 50 tis. obyvateľmi

V zdroji tepla na báze zemného plynu sa zvýši aj variabilná zložka ceny, pretože jej fixná časť (poplatok za distribúciu, platba za denné maximum, atď.) sa zrejme nezmení, keďže odberateľ, ktorý si bude v letnom období teplú úžitkovú vodu pripravovať na vlastnom termoslnečnom zariadení, bude „musieť“ počas zimného maxima teplo z SCZT odoberať. V prípade spravodlivého vyriešenia problému by tomuto odberateľovi tepla mal prevádzkovateľ SCZT prepočítať fixnú zložku ceny tepla, keďže sa mu znížilo využitie inštalovaného výkonu z 5 300 hod./rok na 4 505 hod./rok, pretože asi na 15,0 % tepla súvisiaceho s prípravou TÚV počas leta nebude hradiť príspevok na stále náklady základného zdroja tepla pre SCZT. Inštalovaný výkon SCZT sa nezmení, pretože výkon termoslnečného zariadenia v období zima _max. je „0“, teda „nula“.

Emisie škodlivých látok a skleníkových plynov sa „znížia“, ale prečo by to mali hradiť platbou naviac práve obyvatelia zásobovaní zo zdroja tepla SCZT, ktorý má v cene tepla kalkulované náklady na moderné koncové technológie, keďže podľa legislatívy zdroj musí plniť predpísané emisné limity pre škodlivé látky a nakupovať povolenky za emisie skleníkových plynov. Je takmer isté, že emisie vyčistených spalín sa nezmenia na imisie vo vykurovanej lokalite. Možno práve obyvatelia, ktorý hradia environmentálne najvhodnejší spôsob zásobovania teplom musia dýchať imisie z individuálneho zdroja tepla, ktorý v ich susedstve emituje emisie z tuhého paliva s podielom obsahu smetného koša. Zdroj tepla do 300 kW totiž nemusí mať ani len odlučovanie tuhých znečisťujúcich látok. Zarážajúce je, že ani individuálne zdroje tepla na zemný plyn nemusia mať napr. likvidáciu oxidov dusíka a certifikát o absolvovaní akejsi STK o tom, že zariadenie niekto pravidelne kontroluje, keďže tieto stacionárne zdroje emitujú do dýchateľnej vrstvy ovzdušia škodlivé emisie v takom ročnom objeme, ako emituje automobil pri najazdení niekoľkoročného množstva kilometrov. Automobil iba časť kilomerov najazdí v obci a musí raz za dva roky absolvovať emisnú kontrolu, aj keď má inštalovaný FAP filter a DENOX. Úplný vrchol z pohľadu emisií škodlivých látok je používanie plynových sporákov s otvoreným ohňom v uzavretom priestore kuchyne. Milióny obyvateľov EÚ inhalujú rádovo násobky koncentrácií škodlivých emisií vo svojej kuchyni. Pri procese horenia spontánne vznikajú karcinogénne oxidy dusíka, jedovatý oxid uhoľnatý a plyn bez farby chuti a zápachu kysličník uhličitý. Tieto zdraviu škodlivé látky substituujú kyslík v ovzduší a následne v krvi. Zdá sa, že ochranou životného prostredia a zdravia obyvateľstva je biznis, pri ktorom sa opatrenia vyžadujú iba od tých, ktorí majú z čoho platiť. Deje sa tak pod zámienkou odvrátenia tisícov úmrtí, hoci koncentrácia imisií na ulici je nemerateľným zlomkom oproti imisiám z plynového sporáka v kuchyni, akých sa v SR používajú desaťtisíce.       

Ing. Július JANKOVSKÝ, PhD.,

energetický audítor

www.apertis.eu