SLNECNA ENERGIA
Slnko je jedinym zdrojom energie, na ktory sa ludstvo moze plne spolahnut. Slnecna energia nam dokaze poskytnut vsetko ,co z hladiska energie potrebujeme a to casto velmi jednoducho.
SLNKO JE ZAKLAD
Slnko je obrovska jadrova pec vyzarujuca svoju energiu do vesmiru. Jedna tisicina miliontiny slnecneho vykonu t.j. cca 400 000 000 000 000 000 000 MW dopada na Zem. Priblizne 30 percent tejto energie sa odraza spat do vesmiru. Zvysok je absorbovany atmosferou, podou a oceanmi. Ludia od nepamati vyuzivali slnecne ziarenie na ohrev vody v nadobach. Zaciatky experimentalneho vyuzivania absorpcie slnecnej energie spadaju do 17. storocia, kedy sa v Severnej Europe rozsirili sklenniky na pestovanie tropickych rastlin. O dvesto rokov neskor sa objavil prvy komercny "slnecny produkt" - ohrievac vody v USA. Obrovsky rozmach slnecnych aplikacii nastal po ropnej krize v roku 1973 - za sedemnast rokov sa len v USA zvysil obrat firiem ponukajucich slnecne kolektory, fotovoltaicke clanky alebo solarne termalne elektrarne z dvoch milionov na 200 milionov dolarov. Rozlisujeme tri zakladne sposoby vyuzitia slnecnej energie:
- Pasivna slnecna architektura, kde tvar a vystavba budov je navrhnuta tak, aby dopadajuce ziarenie, jeho skladovanie a distribucia po budove dosiahla maximalneho efektu.
- Aktivne slnecne systemy - kolektory - na zohrievanie vody a vykurovanie priestorov resp. parabolicke zrkadla a ine systemy koncentrujuce slnecne ziarenie.
- Fotovoltaicke clanky - vyrabajuce elektricky prud priamo zo slnecneho ziarenia.
PASIVNA SLNECNA ARCHITEKTURA
Predstavme si, ze chceme postavit dom, ktory bude mat co najnizsiu spotrebu energie. Pasivne vyuzitie slnecneho ziarenia znamena, ze pomocou vhodnej architektury a umiestnenia budovy mozeme vyrazne znizit spotrebu energie. Napr. miesto pre takuto stavbu by malo byt slnecne a chranene pred vetrami. Stromy alebo prirodzeny val dokazu chranit dom pred studenymi vetrami. Vhodne umiestnene listnate stromy chrania dom pred prehriatim v lete a nebrania slnecnemu svitu v zime. Budovy, s velkymi na juh orientovanymi oknami a s malymi, na sever orientovanymi oknami , mozu pri dobrej tepelnej izolacii absorbovat znacnu cast dopadajuceho ziarenia. Toto bezplatne teplo je mozne dalej rozvadzat po budove vedenim alebo salanim, udrzujuc pri tom dostatocnu teplotu vo vnutri i pri poklese teplot vonku. Vyuzivanie denneho svetla sucasne znizuje naroky na umele osvetlenie a na klimatizaciu.
V priemernom dome s oknami z dvojiteho skla,orientovanymi na juh, je priblizne 90% tepelnych strat cez okna domu kompenzovanych dopadajucim slnecnym ziarenim. Integrovanie pasivneho slnecneho designu s opatreniami na zvysenie ucinnosti vyuzitia energie moze , pri minimalnych dodatocnych nakladoch , znacne znizit spotrebu energie na teplo a osvetlenie. V existujucich budovach je mozne za tymto ucelom zriadovat (napr. pocas rekonstrukcie) tzv. zimne zahrady alebo presklene priestory.
Architektura: orientacia budovy vychodo-zapadnym smerom umoznuje umiestnit, velke na juh orientovane okna ,fasady i strechu a absorbovat takto velku cast dopadajuceho ziarenia. Bez akychkolvek dodatocnych uprav potrebuje takto orientovany dom o 5% menej energie na vykurovanie, ako dom orientovany severo-juznym smerom, nehovoriac o dalsich moznostich vyuzitia slnecneho svitu. Takto je mozne jednou ciarou v projekte noveho domu usetrit velku cast energie.
Umiestnenie miestnosti: by malo umoznit tok slnecneho ziarenia tam ,kde je to najpotrebnejsie. Napr. vchodove dvere by mali byt umiestnene na sever alebo vychod, aby sa neobetovala vyhodna juzna strana. Kuchyna orientovana na sever moze znizit spotrebu energie chladnicky (spotreba je podstatne vyssia, ak na chladnicku svieti slnko). Spalna by mala byt orientovana na vychod, aby obyvatelov domu mohlo zobudzat ranne slnko. Obyvacka na juh, aby mohli uzivat slnko i pocas vecerneho oddychu. Vsetky uvedene opatrenia nestoja buduceho uzivatela ziadne dodatocne financne prostriedky.
Okna: by mali byt velke, hlavne v pripade, ked su orientovane na juh. Tymto sa vytvara v miestnosti sklennikovy efekt. Pri odchyleni orientacie okien z juzneho smeru o 20% sa znizuje zisk energie o 5%. Na oknach by mali byt rolety, cim sa zabrani prehriatiu miestnosti v lete a stratam energie v zime. Obzvlast vyhodna je tepelna izolacia stien, tak aby teplo neprenikalo von, ale bolo odrazane spat do miestnosti. Zimne zahrady (presklene priestory zvonku budovy) umoznuju vytvarat dodatocny sklennikovy efekt a zamedzuju stratam tepla cez steny budovy. Vyuzitim takto presklenych priestorov moze znizenie spotreby energie v domoch dosiahnut az 20%.
SLNECNE KOLEKTORY
Okrem tepla v miestnostiach potebujeme pre svoju potrebu i teplu vodu zvycajne 40 az 60 st. Celzia. Je to podstatne viac ako je izbova teplota , ktoru nam ciastocne moze zabezpecit pasivne vyuzitie slnecneho ziarenia. V tomto pripade je potrebne urobit "cosi viac" ,aby sme dokazali slnko vyuzit aj pre tento ucel. Riesenim su tzv. slnecne kolektory.
Ak sa vam stalo,ze ste sa v lete popalili na volante v aute, tak ste sa takto vlastne nedobrovolne zoznamili s cinnostou slnecneho kolektora v praxi. Slnecne ziarenie prechadzajuce sklom sa absorbuje v materiali a v nom sa premiena na teplo. V slnecnom kolektore sa toto teplo absorbuje napr. vo vode prudiacej v trubkach kolektora ,ktora energiu dalej odovzdava zasobniku teplej vody. Absorbator je zo spodnej casti tepelne izolovany a do vody sa casto primiesava nemrznuca zmes ,co umoznuje zohrievat vodu i v zime. Tepelny vymennik je v takomto pripade nevyhnutny (nemrznucu kvapalinu predsa nechceme mat v teplej vode). Na pripravu teplej vody pre jednu stvorclennu domacnost je potrebnych cca 6-8 m2 slnecnych kolektorov. Teplu vodu tymto sposobom dokazeme zabezpecit prakticky od aprila az do oktobra. Bojler na pripravu teplej vody v zime je sice nevyhnutny,ale uspora energie a penazi moze dosiahnut az 40% ,nehovoriac o ekologickych prednostiach slnecneho "paliva". Na trhu existuje vela roznych typov slnecnych kolektorov, ktore sa lisia svojou konstrukciou aj parametrami. Nasledujuce rozdelenie vychadza z mnozstva vyrobenej energie.
Nizkoteplotne kolektory schopne vyrobit 300-400 kWh/m2 za rok: su kolektory z plastickych hmot, dolne voci ultrafialovemu ziareniu s pracovnymi teplotami od 15 do 30 st. Celzia. Pouzitie: vyhrievanie bazenov. Vyhoda: nizka cena. Nevyhoda: kratka zivotnost.
Strednoteplotne kolektory schopne vyrobit 400-500 kWh/m2 za rok: su standardne kolektory s kovovym absorberom , priesvitnym pokrytim a teplelnou izolaciou. Kolektory zohrievaju vodu az na 60 st. Celzia. Pouzitie: priprava teplej uzitkovej vody.
Vysokoteplotne kolektory schopne vyrobit 500-600 kWh/m2 za rok: su kolektory s vakuovymi trubkami s vysokocitlivym kovovym absorberom zohrievajuce vodu az na 150 st. Celzia. Pouzitie: priprava teplej a horucej vody. Vyhoda: teplo je vhodne aj pre technologicke procesy v priemysle. Nevyhoda: vysoka cena.
POUZITIE NIZKOTEPLOTNYCH KOLEKTOROV
Je az trestuhodne, ze v case ked slnko svieti najintenzivnejsie a vzduch je najteplejsi, stale spalujeme fosilne paliva na zohrievanie vody napriklad na kupaliskach alebo v bazenoch. Slnecne absorbatory (foliove kolektory z umelych hmot) su najlacnejsou formou slnecnych zariadeni pricom navratnost vlozenych investicii je velmi rychla.
Problemom vsak zostava, tak ako u mnohych dalsich aplikacii, ze prevadzkovatelia kupalisk alebo vyrobcovia tovarov si zvysene naklady na energiu radsej premietnu do ceny sluzby alebo tovaru, ako by instalovali alternativne zariadenie na usporu energie napr. na baze slnecneho kolektora.
POUZITIE STREDNOTEPLOTNYCH KOLEKTOROV
Priprava teplej uzitkovej vody v obytnych domoch je v sucasnosti najrozsirenejsim sposobom vyuzitia slnecnych kolektorov vo svete. Najcastejsie sa kolektory montuju na strechy budov, pricom najlepsie su juzne orientovane strechy so sklonom 30-50 st. Sirsiemu pouzitiu slnecnych kolektorov u nas brani ich relativne vysoka cena - 20 az 30 tisic Sk pre priemerny dom. Rozhodujuca vsak je navratnost vlozenych investicii, ktora sa pohybuje od troch do desiatich rokov, pricom prevadzkove naklady su zanedbatelne. Moznosti vykurovania domov slnecnou energiou su v strednej Europe znacne obmedzene. Obzvlast v zime , ked je spotreba energie na vykurovanie najvacsia , je prikon slnecneho ziarenia najnizsi. Pokial niekto uvazuje o vykurovani domu slnecnou energiou je treba vziat do uvahy nasledujuce skutocnosti:
Plocha kolektorov musi byt omnoho vacsia, ako je to v pripade kolektorov na ohrev teplej vody. Tato predstavuje priblizne 50% vykurovanej obytnej plochy. Tiez zasobnik teplej vody musi byt primerane velky - 2000 az 5000 litrov. Na vykurovanie je mozne pouzit len velkoplosne vykurovacie telesa (podlahove kurenie), ktore umoznuju vyuzivat vodu s nizsou teplotou. V jarnych a jesennych mesiacoch je slnecna energia velkou pomocou pri vykurovani domu. V zime je vsak nutne mat aj zalozny system. Uvedene tazkosti individualnych stavitelov riesi zapojenie viacerych slnecnych kolektorov na spolocny zasobnik a system dialkoveho rozvodu tepla (pozri kapitolu sezonne skladovanie teplej vody).
VYUZIVANIE SLNECNYCH KOLEKTOROV VO SVETE
Najvacsi podiel vyuzivania slnecnej energie na jedneho obyvatela je v sucasnosti na Cypre , kde az 90% obytnych budov ma instalovane slnecne kolektory. V Izraeli je viac ako 700 000 domacnosti vybavenych jednoduchymi slnecnymi kolektormi v cene cca 500 dolarov. Na podporu rozvoja tejto technologie, s cielom znizit zavislost na dovoze ropy, izraelska vlada prijala v roku 1980 zakon,podla ktoreho je povinnostou zabezpecit slnecny ohrev vody vo vsetkych novych budovach, ktore maju viac ako styri poschodia. Vyuzitie slnecnych kolektorov ma svoje opodstatnenie aj v oblastiach s miernou klimou, prikladom moze sluzit Rakusko, kde len v jednej spolkovej krajine ( Steiermark ) je instalovanych 77 000 m2 slnecnych kolektorov. Takto ziskana energia tu predstavuje cca 7 % energie pouzivanej na pripravu teplej uzitkovej vody.
S cielom pokryt v buducnosti priblizne 60% spotreby energie na tieto ucely, tu rocny prirastok slnecnych kolektorov predstavuje 10 000 az 15 000 m2. Okrem vody moze v kolektoroch prudit aj vzduch ako teplonosne medium. Toto riesenie je velmi rozsirene hlavne v USA ,nakolko tieto "vzduchove" slnecne kolektory sa daju vyhodne kombinovat s klimatizacnymi zariadeniami. V nasich podmienkach by bolo vyhodne namiesto klimatizacnych zariadeni vyuzivat taketo kolektory v susiarnach napr. v rezorte sluzieb ,lesneho hospodarstva alebo polnohospodarstva. Predovsetkym v polnohospodarstve a v lesnom hospodarstve by bolo mozne znizit spotrebu energie vyuzitim slnecneho ziarenia v letnych mesiacoch, napriklad na susenie dreva alebo polnohospodarskych plodin. Tieto lacne zariadenia mozu byt aj velmi jednoduchej konstrukcie napr. z folii z umelych hmot. Poslednym "vykrikom mody" v oblasti slnecnych kolektorov su tzv. zasobnikove kolektory (vyvinute v Frauenhoferovom Institute pre slnecnu energiu vo Freiburgu). V tychto zariadeniach su zasobnik teplej vody a absorbator integrovane do jedneho stavebneho dielu kolektora, ktory sa takto stane cca 50 cm hruby. Zasobnik pozostava z jednej alebo z viacerych tlakuvzdornych ciernych rurok. Kolektor je pokryty priesvitnou izolaciou, ktora spolu s teplou vodou v kolektore zabranuje zamrzaniu. Z tohoto dovodu moze byt zasobnikovy kolektor pripojeny priamo na vodovodne potrubie ,cim sa vytvori mimoriadne ucinny system. Odpada nutnost instalacie zasobnika vody , tepelneho vymennika, cerpadla a regulacnych obvodov. Instalacia je nenarocna, vyuzitie energie je vyssie a cena je nizsia ako u klasickych kolektorov.
FOTOVOLTAICKE CLANKY
Fotovoltaicke clanky umoznuju priamu premenu slnecneho ziarenia na elektricku energiu. Tento proces je zalozenny na tzv. fotovoltaickom efekte objavenom v roku 1839 Edmundom Bequerelom. Uvedeny jav je charakterizovany priamym vyrazenim elektronu zo svojej obeznej drahy fotonom slnecneho ziarenia. Prvy fotovoltaicky clanok bol vyvinuty firmou Bell Telephone Labs. (USA) v roku 1954. Fotovoltaicky clanok velkosti 100 cm2 s 10 % ucinnostou dokaze za jasneho dna vyrobit 1 watt elektrickej energie. Po prvykrat bol tento proces vyuzity vo vesmirnych druziciach ako zdroj energie pre instalovane pristroje. V dnesnej dobe jednoznacne dominuje uplatnenie v pozemskych podmienkach. V sucasnosti sa na trhu presadzuju tzv. amorfne kremikove clanky nanesene na podklad vo forme tenkeho filmu o hrubke tisiciny milimetra.Tym , ze sa vyzaduje len tak malo aktivneho materialu, je jeden gram kremika schopny , pocas svojej zivotnosti vyrobit porovnatelne mnozstvo elektriny ako jeden gram uranu v atomovej elektrarni!
Navyse kremik sa v zemskej kore vyskytuje 5000 krat castejsie ako uran a pri jeho vyuziti sa neprodukuje radioaktivny odpad. Kremika je na zemi viac ako dost - az polovicu hmotnosti piesku predstavuje kremik. Jeden gram uranu je schopny, pocas svojho stiepenia v jadrovom reaktore uvolnit energiu, z ktorej sa pri 33 percentnej ucinnosti da ziskat 3800 kWh elektrickej energie - t.j. asi tolko elektriny, kolko jej spotrebuje jedna domacnost rocne. Tento potencial je tak velky, ze viedol k tazbe uranu , ktoreho zastupenie v zemskej kore je len 5 : 100 000. Mnozstvo energie, ktore je vsak mozne ziskat z jednej tony uranovej rudy , sa rovna spaleniu 70 ton uhlia. Ako moze amorfny kremik vo fotovoltaickom clanku konkurovat tejto technologii? Obzvlast ked energia uvolnena pri jednom stiepeni jadra uranu je 100 milion krat vacsia ako energia uvolnena fotonom slnecneho ziarenia v kremikovom clanku.
Odpoved je v tom, ze jadro uranu sa moze stiepit len raz, kym fotovoltaicky clanok moze absorbovat fotony a premienat ich na elektrinu az 30 rokov. 15 -percentna ucinnost premeny znamena , ze napr. v Kalifornii , kde slnecne oziarenie dosahuje 250 W na meter stvorcovy, moze jeden gram kremika pocas svojej zivotnosti vyrobit asi 3300 kWh , co je priblizne tolko , kolko ho vyrobi jeden gram uranu. Dnes neexistuje ziadne fyzikalne obmedzenie, ktore by limitovalo mnozstvo vyrobenej elektrickej energie fotovoltaickymi clankami. Teoreticky by vsetku v sucasnosti na Slovensku vyrabanu elektricku energiu (cca 24 miliard kWh) bolo mozne vyrobit fotovoltaickymi clankami dostupnymi uz dnes, pricom plocha potrebna pre tieto ucely by neprekrocila 1% rozlohy polnohospodarskej pody. Prakticka realizacia takehoto projektu by vsak v sucasnosti bola obmedzena vysokou cenou a problemami zviazanymi so skladovanim energie. Navyse ani polnohospodarska poda nie je vhodnou plochou - alternativnym riesenim by mohlo byt vyuzitie striech a stien budov. Ocakava sa, ze sucasna ucinnost fotovoltaickych clankov dostupnych na svetovom trhu - cca 12,5% - sa v najblizsich 20-tich rokoch zvysi na viac ako 50%, co by znamenalo dalsie znizenie narokov na plochu a cenu zariadeni.
Skutocne obmedzenie vyuzitia tychto clankov v dnesnej dobe predstavuje ich cena a poziadavky na cely system. Pri sucasnej urovni cien vychadza elektrina z fotovoltaickych clankov priblizne 3 az 7 krat (v zavislosti na miestnych podmienkach) drahsie ako z uholnej elektrarne. Tento pomer by sa mohol vyrazne zmenit v blizkej buducnosti v prospech fotovoltaickych clankov, ak by sa zvysila ich ucinnost a ak by sa na medzinarodnej urovni pristupilo k zahrnutiu externych nakladov na vyrobu energie z uhlia do jej ceny. Podobne i nove systemy skladovania energie vo forme ucinnych baterii alebo vyuzitia vodika, vznikajuceho pri elektrolyze vody ucinkom jednosmerneho prudu, ako nosica energie mozu eliminovat obmedzenia vyplyvajuce z fluktuacie slnecneho ziarenia v prirode (den-noc, leto-zima). Podla informacii ministerstva energetiky Velkej Britanie by mohla fotovoltaika pokryt spotrebu elektrickej energie v tejto krajine za predpokladu instalovania 6000 km2 fotovoltaickych clankov. Podla tohto zdroja by takato investicia mohla byt efektivna v buducom storoci, pricom sa uvazovalo len s pokrytim stien a striech novych budov. Plocha potrebna na pokrytie celej spotreby by si nevyzadovala dodatocny zaber pody. Avsak aj v pripade poklesu cien fotovoltaickych clankov by zostali problemy so sezonnou variaciou slnecneho ziarenia. Riesenim moze byt tzv. vodikove hospodarstvo (pozri nasledujucu kapitolu).
FOTOVOLTAICKE ELEKTRARNE
Vyvoj fotovoltaickych systemov zabudovanych do elektrickych sieti prebieha velmi aktivne hlavne v USA. Elektricku energiu tu dodavaju spotrebitelom zariadenia s vykonom 700-5200 kW. Podobne fotovoltaicke elektrarne s vykonom 300-3000 kW sa v sucasnosti stavaju aj v Europe. Od roku 1989 je v cinnosti prva rakuska slnecna fotovoltaicka elektraren v Loseri v stajerskych Alpach (vo vyske 1850 metrov). Vykon tejto elektrarne je 30 kW a za dva roky vyprodukovala 56 984 kWh elektrickej energie. Celkove investicne naklady dosiahli 6 milionov silingov, z toho 2 miliony za fotovoltaicke clanky. Cena takto vyrobenej elektrickej energie je asi 7 krat vyssia ako z inych zdrojov. Fotovoltaika dnes uspesne konkuruje klasickym zdrojom energie hlavne v odlahlych miestach, kde naklady na elektricke siete a vybudovanie elektrarne su vysoke. Vdaka instalacii fotovoltaickeho systemu bolo nedavno elektrifikovanych stovky domcekov v odlahlych oblastiach Talianska a Spanielska. Okrem toho je v sucasnosti vo svete instalovanych niekolko tisic slnecnych cerpadiel na cerpanie vody.
PERSPEKTIVA FOTOVOLTAICKEJ ENERGIE
Vyvoj fotovoltaickych clankov zaznamenal v poslednych desatrociach znacny pokrok. Ucinnost sa zvysila zo 6% u prvych kremikovych clankov na dnesnu uroven 12,5% pre seriovo vyrabane zariadenia a 37 % pre laboratorne typy. Je zaujimave, ze z kratkodobeho hladiska sa ceny tychto clankov zvysia, pretoze na trhu existuje po nich znacny dopyt.
Do roku 1995 by vsak mali byt k dispozicii velmi ciste kremikove slnecne moduly s cenou 1,70 USD/W (spickovy) oproti cene 5 USD/W z roku 1991. V nasledujucej tabulke je uvedeny odhad vyvoja nakladov na vyrobu 1 kWh z fotovoltaickych systemov pre tri krajiny Europskeho spolocenstva: SRN Francuzsko Taliansko
Slnecny svit
(kWh/m2/rok) 1100-1400 1100-1900 1300-1900
Rok CENY V USD/kWh
1990 0,56-0,45 0,56-0,34 0,48-0,34
1995 0,21-0,15 0,21-0,12 0,17-0,12
2000 - 0,09 -
Sucasna cena elektrickej energie z fotovoltaickych clankov v USA predstavuje 0,30 USD/kWh, cena elektrickej energie z klasickych zdrojov sa je cca 0,10 USD/kWh. Vyhodou slnecnych fotovoltaickych clankov je, ze pracuju bezpecne, ticho a nemaju ziadne pohyblive casti a daju sa vyrobit z kremika jedneho z najcastejsie sa vyskytujucich prvkov v zemskej kore. Hoci v sucasnosti tieto clanky generuju elektrinu drahsie ako ine zdroje ,konkuruju velmi vazne v aplikaciach kde je zavedenie elektrickej energie obmedzene alebo nemozne (druzice, telekomunikacne zariadenia, vysokohorske budovy, cerpanie vody na pustach a i.). Cena fotovoltaickych clankov v poslednych rokoch klesa. Predpoklada sa, ze uplatnenie tejto technologie v buducom storoci moze nahradit fosilne paliva.
AKUMULACIA SLNECNEJ ENERGIE - VODIKOVE HOSPODARSTVO
Slnecne ziarenie je v nasich podmienkach v decembri asi 7-krat slabsie ako v juli. Rozdiel den-noc je este markantnejsi - energiu dopadajucu z Mesiaca nie je mozne prakticky nijako vyuzit. Tym sa dostavame k zakladnemu problemu slnecnej energie. Ako akumulovat energiu dopadajucu napriklad na jeden dom, ktora iba v lete je taka velka ,ze niekolkokrat prevysuje jeho celorocnu spotrebu? Alebo ako preniest slnecnu energiu do takej kompaktnej formy, aby ju bolo mozne vyuzit ako palivo pre automobily? Riesenim pre buducnost moze byt tzv. vodikove hospodarstvo.
VODIK - ako energeticky zdroj je:
- univerzalne pouzitelny na vyrobu tepla alebo elektriny
- mnohymi sposobmi vyrobitelny (aj z obnovitelnych zdrojov)
- vysokoucinny (jeden diel vodika obsahuje energiu troch dielov zemneho plynu, potrebuje ale 3-krat vacsi objem)
- netoxicky
- plynovodmi lahko transportovatelny
- dlhodobo skladovatelny
Elektricky prud, vyrobeny napr. z obnovitelnych zdrojov, je mozno pouzit na elektrolyzu vody. Ucinnost rozkladu vody elektickym prudom (napr. z fotovoltaickych clankov) dosahuje az 90%.
Voda sa pri tomto procese rozklada na vodik a kyslik. Vodik sa zachytava a ako palivo sa potom spaluje za pritomnosti kyslika. Pri tomto procese sa uvolnuje uzitocna energia a cely cyklus sa uzatvori za vzniku maleho mnozstva dusika a vody, ktora predstavuje odpad a sucasne surovinu z ktorej je mozne opatovne zistavat vodik.
Ak by sa vodik vyrabal z nefosilnych zdrojov napr. fotovoltaickymi clankami, nedochadzalo by k ziadnej emisii CO2 a inych "sklenikovych" plynov. Pretoze pre jeho vyrobu su potrebne len obnovitelne suroviny (voda, slnecne ziarenie) a v hojnej miere sa vyskytujuce prvky v zemskej kore (v pripade vyroby fotovoltaickych clankov - kremik), vodik sa moze stat palivom buducnosti s neobmedzenymi zasobami pre cele ludstvo. Vodikovym hospodarstvom by bolo mozne pokryt energeticku spotrebu v kazdej krajine. Pociatocna aplikacia vodikoveho hospodarstva v praxi bude pravdepodobne v sektore dopravy. Prve pokusy s autami spalujucimi vodik prebehli v mnohych krajinach (Nemecko, Japonsko, USA, Svedsko). Vyhliadky pre tuto aplikaciu su velmi dobre , nakolko fosilne paliva pouzivane v doprave patria k najdrahsim, a sucasne najznecistujucejsim palivam v sucasnosti. Zakon o "Cistom vzduchu" prijaty v USA si bude vyzadovat postupne zavadzanie aut na trh s nulovymi emisiami. V tomto pripade mozu automobily pohanane vodikom , hlavne v mestskych aglomeraciach, byt jednym z mala moznych rieseni. Vodik je mozne pri teplote -253 st. Celzia skvapalnit (zhustit) tak,ze sa da pouzit ako palivo v motorovych vozidlach alebo lietadlach. Nadrz je ovsem nutne dodatocne izolovat a medzipriestor vakuovat. Vodik sa bezne transportuje plynovodmi. V Poruri existuje uz viac ako 50 rokov 210 km siet, ktorou sa transportuje vodik - do dnesnej doby bez akejkolvek nehody sposobenej vodikom. Prechod na vodikove hospodarstvo by si, predovsetkym s ohladom na vysoke kapitalove naroky spojene so zavednim takehoto systemu, vyzadoval niekolko desatroci. Ohranicenost zasob fosilnych paliv a ich ekologicky neunosne spalovanie , by sa vsak mali stat hlavnymi argumentami pre zmenu doposial uplatnovanej energetickej politiky.
TERMALNA SOLARNA VYROBA ELEKTRICKEJ ENERGIE
Na dosiahnutie teplot vyssich ako 200 st. Celzia sa pouzivaju zariadenia, ktore koncentruju slnecne ziarenie z velkej plochy do absorbatora. Tieto zariadenia dosahuju podobny ucinok ako lupa, ktorou je mozne prepalit list papiera. Namiesto lupy sa vyuzivaju parabolicke zrkadla, koncentrujuce slnecne ziarenie do zasobnika oleja,ktory sa takto zohrieva az na 400 st. Celzia.
Svoju tepelnu energiu olej odovzdava v parogeneratore a vyprodukovana para pohana turbinu ,ktora vyraba elektricku energiu. Viacero z takychto zariadeni je instalovanych uprostred kalifornskej pusti Mojave v polovici cesty medzi Los Angeles a Las Vegas. Prva elektraren, ktora tu dodava elektricku energiu do verejnej siete s vykonom 14 MW, je v cinnosti od roku 1984. Majitelom je spolocnost LUZ International, ktora do oktobra roku 1990 insatalovala dalsich devat takychto elektrarni s celkovym vykonom 354 MW , ktore vyrobili viac ako 2 miliardy kWh elektrickej energie.Do roku 1993 je planovana vystavba dalsich 200 MW , pricom celkovy vykon 600 MW bude dostatocny na zasobovanie elektrinou pre take mesto ako je San Francisco alebo Washington. Zariadenia firmy LUZ ,ktore su zalohovane plynovou kotolnou , su dnes ekonomicky konkurencieschopne. Elektrina vyrabana v tychto slnecnych elektrarnach nie je drahsia ako elektrina z uholnych elektrarni, ktora je v USA najlacnejsia ( podstatne lacnejsia ako elektrina vyrabana z jadrovych elektrarni ). Je kalifornsky projekt pouzitelny v inych oblastiach ? Kalifornia je z hladiska mnozstva dopadajuceho slnecneho ziarenia (250 W/m2) idealnym miestom, dokonca aj Saharska pust (severna cast) je na ziarenie o malo chudobnejsia.Krajiny na pobrezi Stredozemneho mora ako napr. Spanielsko vykazuju az o 20% nizsie slnecne oziarenie ako Kalifornia. Napriek tomu existuju uvahy o takomto vyuziti slnecneho ziarenia v Maroku s naslednym prenosom elektrickej energie cez 14 km siroky prieplav Gibraltar. Jednotna Europa by takto mohla v buducnosti poskytnut moznost vyuzit aj europskemu odberatelovi relativne lacnu a ekologicky cistu elektrinu vyrobenu v podmienkach podobnych kalifornskej oblasti.
SEZONNE SKLADOVANIE TEPLEJ VODY
Teplu vodu zohriatu slnecnymi kolektormi v lete je mozne s podstatne vyssou ucinnostou vyuzivat v zimnych mesiacoch, ak sa namiesto individualnych zasobnikov vyuzije centralizovany system. Slnecne kolektrory umiestnene na strechach viacerych obytnych budov su v tomto pripade napojene na spolocny velky tepelno-izolacny zasobnik. V zasobniku sa v letnych mesiacoch akumuluje tepla voda , ktora je v zimnych mesiacoch rozvadzana k uzivatelom systemom dialkoveho kurenia. V Europe existuje 21 takychto projektov , v ktorych su casto cele obce zasobovane teplom vyrobenym v letnych mesiacoch. Parametre niektorych existujucich systemov sezonneho skladovania vo svete su uvedene v nasledujucej tabulke.
Miesto Stat Od roku Objekty zasobovane teplom
Groningen Holandsko 1984 96 radovych domov
Kullavik Svedsko 1983 40 bytov
Lyckebo Svedsko 1983 550 obytnych jednotiek
Scarborough Kanada 1985 30 000 m2 v uradoch
Stutgart SRN 1986 1 375 m2 v uradoch
Sunclay Svedsko 1981 15 000 m2 skola
Treviglio Taliansko 1982 100 bytov
Vaulruz Svajciarsko 1983 3 200 m2 ucelova budova
System slnecneho vykurovania instalovany vo svedskom meste Kunglav ma nasledujuce parametre: voda zohriata vysokoteplotnymi slnecnymi kolektormi s plochou 126 000 m2 sa celorocne skladuje v izolovanej velkoobjemovej nadrzi o objeme 400 000 m3 umiestnenej v podzemnom skalnom masive. Uspory dosahuju az 75% spotreby energie, co v tomto pripade predstavuje priblizne 42 milion kWh rocne. Teplota skladovanej vody je v zavislosti na rocnom obdobi 40 az 90 st. Celzia. Tento projekt sa vyznacuje aj financnou vyhodnostou, nakolko cena takto ziskaneho tepla je len 0,09 DM/kWh (1,8 Sk/kWh), co je o malo viac ako pri konvencnom vykurovani. Celkove investicne naklady boli 59 000 DM (1,18 mil. Sk). Z toho 53% predstavovali slnecne kolektory, 19% podzemna skladovacia nadrz a 18% system dialkoveho kurenia.
Predpokladana zivotnost systemu skladovania je 40 rokov, slnecnych kolektorov 20 rokov a 15 rokov pre ostatne casti. Cenu vysokoteplotnych slnecnych kolektorov (250 DM/m2) by v pripade masovej vyroby bolo mozne znizit na 150 DM/m2, cim by sa takyto system slnecneho vykurovania so sezonnym skladovanim teplej vody stal v mnohych krajinach cenove zrovnatelnym s vykurovanim zalozenym na fosilnych palivach. Podla svedskych udajov by 150 az 200 velkych slnecnych zariadeni so sezonnym skladovanim teplej vody mohlo v tejto skandinavskej krajine pokryt az 10% rocnej spotreby energie v systemoch dialkoveho kurenia.
SLNECNE DOMY
Pozoruhodne je vyuzivanie slnecnej energie v tzv. slnecnych domoch. Jedna z takychto experimentalnych budov stoji vo svajciarskom Oberburg-Burgdorfe. Jaenni-Solarhaus, ako sa tento objekt nazyva , si pokryva celu energeticku spotebu tepla aj elektriny z "vlastnych zdrojov". Na pripravu teplej vody sa vyuzivaju slnecne kolektory s plochou 84 m2 a vyroba elektrickej energie je zabezpecena fotovoltaickymi clankami s velkostou 43 m2. Zasobnik vody ma objem 93 m3. Taketo domy okrem vyuzitia slnecnych technologii sa vyznacuju aj extremne kvalitnou izolaciou stien , okien a striech ,co umoznuje znizit straty energie na minimum. Prvy solarny , energeticky sebestacny, dom v Nemecku bol postaveny v Baden-Wurtenbergu na zaklade projektu Ustavu pre solarnu techniku vo Freiburgu. V dome je okrem pasivneho slnecneho designu a fotovoltaickych clankov zabudovanych do strechy budovy instalovany aj system vyssie popisaneho vodikoveho hospodarstva (varenie na vodikovom sporaku, vykurovanie ai.) Naklady na vystavbu dosiahli 600 000 DM.
SOLARNE AUTOMOBILY
Doprava predstavuje znacnu cast spotreby energie v kazdej vyspelej krajine. V zapadnej Europe tento podiel dosahuje 25%. Takmer cela energia ktora sa na transport vyuziva pochadza z fosilnych paliv, pricom ucinnost premeny energie paliva na mechanicku energiu je len 30%, zvysok je odpadSolarne automobily (lahke elektricke vozidla) poskytuju moznost zvysenia ucinnosti vyuzitia primarnej energie, a tym usetrit znacnu cast energie, ktora je v sucasnosti v doprave spotrebovavana. Hlavnou prednostou vsak je ich ekologicky nezavadna prevadzka. Solarne automobily su elektroautomobily s optimalizovanou spotrebou energie - vyrobenou fotovoltaickymi clankami. Ked sa hovori o solarnych automobiloch, casto dochadza k nejasnostiam vyplyvajucim z rozdielu medzi solarnymi a elektroautomobilmi. Nazov solarny automobil je odvodeny od vozidiel, ktore nosili na strechach solarne (fotovoltaicke) clanky. Nakolko tieto vozidla sa vzhladom na velke plochy, ktore clanky zaberali (8-10 m2) v praxi neosvedcili, boli tieto zdroje energie stabilne instalovane na jednom mieste (slnecna elektraren), z ktorej sa energia cerpa pri dobijani akumulatorov slnecnych automobilov. V pripade, ked vyroba presahuje spotrebu, dodavaju tieto zdroje elektrinu do elektrickej siete. Solarne automobily dnes spotrebovavaju take mnozstvo energie zo siete, ake vyrobia fotovoltaicke clanky v slnecnej elektrarni. Rozdiel medzi cisto elektrickym automobilom a solarnym automobilom je len v optimalizacii ucinnosti vyuzitia energie a minimalizacii spotreby energie vyrobenej fotovoltaickymi clankami. Na zabezpecenie energie pre automobilovy park pozostavajuci z 10 solarnych vozidiel je potrebnych cca 100 m2 fotovoltaickych clankov s vykonom 10 kW. Solarne automobily mozu byt vyuzite vsade tam, kde sa nevyzaduje doprava na vacsie vzdialenosti. Idealnym pripadom je doprava v mestach. Na zaklade zahranicnych udajov (SRN) je az 70% ciest, ktore denne absolvujeme automobilmi v mestach, kratsich ako 12,7 km. Len kazda 50. cesta je dlhsia ako 50 km. Vacsina tychto ciest moze byt uskutocnena solarnymi automobilmi. Niektore parametre solarnych automobilov:
Dosah na jedno nabitie akumulatorov: 60 - 100 km
Najvyssia rychlost: 50 - 90 km/h
Cena: od 170 000 rak. silingov
Spotreba: 10-20 kWh / 100 km
Spotreba energie na jeden kilometer je v pripade solarneho vozidla 3 az 6 krat nizsia ako pre klasicke vozidlo. Pre porovnanie spotreba energie pre VW Golf Diesel s priemernou spotrebou 6,2 litra natfy na 100 km je 62 kWh (1 liter nafty =10 kWh , 1 liter benzinu = 9 kWh)
Vo februari 1991 otvoril rakusky motoristicky klub ARBO vo Viedni prvu slnecnu cerpaciu stanicu pre auta na elektricky pohon. Elektricka energia ziskavana z fotovoltaickych clankov,ktora sa nespotrebuje na dobijanie akumulatorov solarnych automobilov sa v pripade mimoriadne slnecnych dni dodava do elektrickej siete resp. sa z nej cerpa v pripade nepriazniveho pocasia. Slnecna cerpacia stanica poskytuje vykon 1,6 kW z 18 m2 fotovoltaickych clankov clankov. Idealnym prikladom ekologickej dopravy je tzv. SUN and RIDE koncept, pri ktorom sa vyuziva kombinacia zeleznicnej medzimestskej dopravy s mestskou dopravou zabezpecovanou solarnymi automobilmi. SUN and RIDE system funguje vo Svajciarskom Liesthale, kde slnecna elektraren spolu s pozicovnou solarnych automobilov je umiestnena pri zeleznicnej stanici. Vzhladom na to, ze miestne organy tento ekologicky system dopravy podporuju je SUN and RIDE pre uzivatelov vyhodny aj financne.
MOZNOSTI VYUZITIA SLNECNEJ ENERGIE NA SLOVENSKU
Mnozstvo dopadajucej slnecnej energie na uzemie Slovenska je priblizne 200 nasobne vacsie ako je sucasna spotreba primarnych energetickych zdrojov u nas. Tok slnecneho ziarenia v nasich podmienkach predstavuje zhruba 1100 kWh/m2 za rok. Z energetickeho hladiska sa teda jedna o mimoriadne zaujimavy zdroj. Obmedzenia pri jeho vyuzivani vsak predstavuju technologicke a ekonomicke problemy.
PARAMETRE SLNECNEHO ZIARENIA V PODMIENKACH SLOVENSKA
Tok slnecneho ziarenia predstavuje:
3 800 MJ / m2 / rok, z toho 2 900 MJ / m2 , v obdobi april-september. Pri 60%-nej ucinnosti vyuzitia (kolektory), zisk dosahuje:
2 280 MJ / m2 / rok, co predstavuje: 633 kWh/ m2 / rok, ( 1 kWh = 3,6MJ )
C E N Y
Ceny slnecnych kolektorov su limitujucim faktorom ich dalsieho rozsirenia u nas. Aj ked investicne naklady na instalaciu slnecnych kolektorov pre jeden rodinny dom mozu predstavovat 20 az 30 000 Sk, tieto naklady sa stavitelovi nielen vratia , ale pocas zivotnosti kolektorov (cca 20 rokov) mu prinesu aj zisk v podobe uspor energie. Problemom, ktory potencialnych stavitelov odradza a ktory je mozne jednoducho preklenut uverovou politikou statu , tak ako sme toho svedkami vo vyspelych krajinach, je ze celu investiciu je nutne realizovat jednorazovo casto uz pri vystavbe. Prevadzkove naklady pocas zivotnosti systemu ( naklady za palivo) su prakticky nulove. Nevyhodou je aj nutnost zalohoveho systemu vykurovania. Napriek tomu sa navratnost vlozenych investicii casto pohybuje na urovni 5-7 rokov. Ceny slnecnych kolektorov sa v roku 1992 pohybovali od 800 do 4 000 Kcs/m2. Napr. doskovy kolektor OSP Kromeriz stal cca 1000 Kcs/m2 (ucinnost 50%) ,doskovy kolektor Elektrosvit Nove Zamky - 800 Kcs/m2, kolektor zo ZSNP Ziar/Hr. 1600 Kcs/m2, vakuovany kolektor VU skl.
Trencin stal cca 3800 Kcs/m2 (ucinnost 80%). Prototyp folioveho kolektora p. Bakarova vhodny na pripravu teplej uzitkovej vody vychadzal na 40-90 Kcs/m2. Taketo foliove kolektory ,ktore su pre slnecne ziarenie priesvitne, je mozne zavesit zvnutra pod zasklenny priestor napr. sklennikov. Len v Bratislave existuje cca 50 000 m2 sklennikovej plochy - z tejto plochy by bolo mozne rocne tymto sposobom ziskat viac ako 24 milion kWh. Navratnost takehoto systemu by bola na zaklade uskutocnej analyzy kratsia ako jeden rok. Mnozstvo slnecnej energie, ktore dopadne na Zem za jeden rok, je ekvivalentne stonasobku energie uchovavanej vo svetovych zasobach fosilnych paliv. Ak by sa nam podarilo zachytit len jednu tisicinu tejto energie vyuzitim slnecnych kolektorov,osobitne navrhnutych budov a fotovoltaickymi clankami mohli by sme ziskat viac energie rocne, ako spotrebovavame spalovanim uhlia,ropy a plynu dohromady. Na rozdiel od fosilnych paliv, slnecna energia je nevycerpatelna.
