Jak kombinace kogenerace a fotovoltaiky zvyšuje energetickou nezávislost a snižuje emise při výrobě energie

Fotovoltaické systémy v současné době zdaleka nedokážou pokrýt veškerou potřebu elektřiny. Využití instalovaného výkonu fotovoltaické elektrárny je pouze kolem 12 %, což představuje zhruba 1000 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 % 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. 

Graf 1 – Měsíční spotřeba v ČR 

 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.  

Graf 2 – Průměrné využití výkonu FVE a KJ během celého roku v procentech.   

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

Graf 3 – Porovnání spotřeby elektřiny v ČR a výroby KJ + FVE 

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. 

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 4 – Průměrná hodinová cena elektřiny

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 snižuje 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.