Domácí zdroje energie a elektrárny

V době, kdy ceny elektrické energie spíše stoupají, než klesají, a naše společnost je na elektřině existenčně závislá, je uvažování o soběstačnosti v tomto směru více než na místě. Stále častěji jsou k tomuto účelu využívány obnovitelné energetické zdroje, v našem článku se budeme kvůli obsáhlosti tématu věnovat pouze solárním, větrným a malým vodním elektrárnám.

Nejdostupnějšími, a tedy i nejčastěji volenými jsou elektrárny, využívající energii slunce. Solární kolektory na střechách rodinných či bytových domů nejsou již ničím neobvyklým, počet subjektů, které se pro ně rozhodnou, se každý rok zvyšuje. A to i přesto, že v podmínkách střední Evropy není střední celoroční sluneční aktivita tak vysoká, jako v některých zemích blíže rovníku, a návratnost je tedy o něco delší.

Nižší sluneční aktivita má však i příznivý vliv. Účinnost polovodičových panelů totiž znatelně klesá s rostoucí teplotou a díky místním nižším teplotám se zde tento nedostatek tedy neprojevuje tak markantně. Častější déšť navíc snižuje náklady na údržbu panelů.

Solární zařízení

Obecně lze říci, že solární panely jsou energetická zařízení, která přeměňují dopadající sluneční záření na jinou formu energie. V praxi jsou využívány dva typy. Jednak to jsou solární termická zařízení, u kterých sluneční záření ohřívá absorpční plochu trubicové nebo deskové sběrnice kolektoru. Od ní se ohřívá teplonosná kapalina (což může být voda, ale častěji je to olejovitá nemrznoucí kapalina s vysokou teplotou varu až 200 °C – většinou typu glykol) pro potřeby daného objektu.

Dále to jsou solární fotovoltaická zařízení, která využívají dopadající sluneční záření přímo na výrobu elektřiny a jsou základem fotovoltaických (slunečních) elektráren.

Při rozhodování, zda si takové zařízení pořídit, musíme vědět, k čemu by mělo sloužit. Jestliže předpokládáme spotřebu velkého množství teplé vody, pak je – především díky výrazně nízkým investičním nákladům – výhodné termální zařízení. Z pohledu výroby elektřiny jsou výhodné fotovoltaické solární systémy. Lze samozřejmě instalovat obě zařízení, pokud máme dostatek plochy. Z obou solárních zdrojů se v tomto článku zaměříme na fotovoltaiku.

Domovní sluneční elektrárny

Před nákupem a instalací fotovoltaického zařízení je nezbytné splnit následující náležitosti. Na prvním místě je nutné ověřit, zda taková elektrárna může být v daném místě napojena na elektrifikační soustavu. Provozovatelé distribučních elektrifikačních soustav mají na svých internetových stránkách žádosti a dotazníky, jejichž prostřednictvím lze požádat o vyjádření, zda je možné určitý typ zařízení připojit. Záleží i na použité technologii – v případě rodinných domů jde nejčastěji o instalace na střechy stávajících či nově budovaných objektů, zařízení mohou být otočná sledovací nebo naopak fixní.

Následně je nezbytný souhlas stavebního úřadu, který podle legislativy rozhoduje o tom, zda stačí pouze požádat o územní souhlas či zda je nutné stavební povolení. V případě instalací na rodinné domy je zpravidla nutný pouze územní souhlas a souhlas sousedů. Součástí této žádosti je projekt, který si zákazník může obstarat sám nebo například u firmy, která zařízení nabízí.

Pokud jde o technologickou část, je možné zakoupit pouze technologické komponenty a elektrárnu nainstalovat svépomocí, zapojení elektroinstalace a připojení do sítě může však již provést pouze firma či pracovník, který splňuje odborné předpoklady podle vyhlášky č. 50/1978 Sb. o odborné způsobilosti v elektrotechnice, §6 a výše. Dále je nutná revize elektrického zařízení a protokol nastavení ochran. Revizi je třeba opakovat každé tři roky. Další možností jsou projekty na klíč, kdy má zákazník vyřízen územní souhlas a dodavatelská firma zařídí vše od veškeré potřebné dokumentace přes dodávku a instalaci komponent až po uvedení do provozu.

Elektrárna na střeše i na stěnách

Z hlediska instalace na objektu mohou být fotovoltaické elektrárny umístěny na střeše, ať už šikmé nebo pultové atd., či na obvodové zdi. Základní orientace střech by měla být od JV po JZ s optimem k jihu, sklon pak nejlépe 30 až 35°, což je současně hodnota v našich geografických podmínkách nejčastější, vhodné jsou ale i střechy se sklonem v rozpětí od 20 do 45°. Na pultových střechách lze panely umístit na šikmou konstrukci do jednotlivých řad v příslušných odstupech za sebou. Specifický význam má jižně orientovaná svislá, např. fasádní plocha. Ta vykazuje dobrý sluneční energetický zisk v zimě, na jaře a na podzim, ale poměrně velmi malý v létě, jak ukazuje tab. 1. Je ale třeba vzít v úvahu, že v zimě bývá slunce častěji zahaleno mraky.

Pro jakoukoli střešní instalaci musí být střecha v naprostém pořádku, a to pokud jde o izolaci i konstrukci, v některých případech je nutné také její statické posouzení.

Vedle střešních instalací je možné umístit panely i na obvodové stěny domu. Zde se často uplatňují amorfní fotovoltaické články. Jejich výhodou je poloviční cena na instalovaný kWp, nevýhodou pak zhruba poloviční účinnost na danou plochu, vyšší hmotnost, a také nestálost výkonu v čase. Lze je umístit vodorovně i svisle, z hlediska orientace vůči světovým stranám mohou být čistě na západní či východní straně, u moderních novostaveb se mohou stát součástí konstrukce fasády. Některé prameny uvádějí [1], »že na rozdíl od systémů založených na krystalickém křemíku mohou amorfní fotovoltaické panely fungovat (pochopitelně s menší účinností než při ideálních podmínkách) i za zhoršených klimatických podmínek a dokonce i v zastínění. To ve svých důsledcích zvyšuje deklarovanou účinnost tohoto systému, neboť se prodlužuje doba jeho funkčnosti (ve stínu).« Určitou nevýhodou amorfních panelů jsou vyšší nároky na plochu, složitější bývá i montáž – úchyty na fasádě a prostupy stěnami a podobně. U stávajících objektů se proto obvykle jedná pouze o okrajové řešení.

Efektivita sluneční elektrárny

Efektivita sluneční elektrárny, tedy množství vyprodukované energie vzhledem k vloženým investicím, závisí na několika faktorech.

Důležitou hodnotou je celoroční množství zářivé energie dopadající na 1 m² zemského povrchu. Je to statisticky zprůměrovaná veličina, která zahrnuje i dobu, kdy je slunce za obzorem (noc) nebo pod mrakem, a tedy nesvítí. V našich zeměpisných podmínkách se pohybuje od 950–1340 kWh/m² za rok, což odpovídá průměrné celoroční intenzitě záření od 108 do 153 W/m², které dopadá na (vodorovnou) zem.

Dalším užitečným parametrem je intenzita slunečního záření při slunečném bezmračném počasí, která činí cca 1 kW/m². Je to vlastně zářivý výkon, který protéká plochou 1 m² kolmou na sluneční paprsky. A konečně je dobré znát i to, že počet slunečních hodin v České republice je v průměru 1330–1800 za rok.

Jestliže se rozhodneme pro instalaci sluneční elektrárny, měly by nás zajímat i údaje vztahující se přesně k danému místu. To je zejména délka a intenzita slunečního záření, oblačnost a další místní klimatické podmínky (smog, četnost ranních mlh...), nadmořská výška a podobně. Část z nich poskytuje Český hydrometeorologický ústav, některé vyplynou z místního ohledání. To je třeba existence vysokých stromů, budov nebo přírodních útvarů, které mohou clonit sluneční záření.

Zásadní důležitost má také kvalita použitých komponent. Ing. Michal Šváb z firmy Terms, a.s. k tomu říká: „Renomovaní výrobci, kteří se výrobou zabývají dlouhodobě, garantují technické parametry, rychlejší servis a jistotu stabilní společnosti zpravidla také s vlastním vývojovým centrem. Na druhém konci spektra jsou výrobci, kteří koupili výrobní linku na výrobu fotovoltaických panelů, nemají však další zázemí. Co ovšem žádný výrobce neovlivní a s čím je třeba také počítat, je postupné snižování účinnosti fotovoltaických panelů, způsobené vlastnostmi křemíku, z něhož jsou vyrobeny. Obecně se udává pokles výkonu o 10 % za deset let. Platí však, že výrobci panelů renomovaných značek mají toleranci výkonových parametrů -0% /+3%, pokles výkonu tedy není tak strmý.” S uvedenými podmínkami souvisí také kapacita vlastní elektrárny vzhledem k požadavkům investora, to znamená, kolik panelů bude třeba instalovat a současně kolik se jich na střechu vejde.

Přibližně platí jednoduchá úměra, že 1 instalovaný kWp zabere na střeše plochu cca 8 m², vyrobí ročně cca 1000 kWh a pořizovací cena je 90 000 až 110 000 Kč bez DPH. Na objektech určených pro bydlení je možné instalovat fotovoltaickou elektrárnu se sníženou sazbou DPH.

Obvykle jsou na rodinné domy instalovány fotovoltaické elektrárny o výkonu kolem 5 kWp, což při použití panelů s vysokou účinností odpovídá ploše asi 40 m².

V případě panelů s nízkou účinností rostou nároky na odpovídající plochu. Běžná domácnost, která ohřívá vodu pomocí elektřiny, ale topí například zemním plynem, spotřebuje 4 až 6 tisíc kWh elektřiny za rok. Fotovoltaická elektrárna s uvedeným výkonem vyrobí srovnatelné množství. Zdánlivě tedy pokryje spotřebu tohoto objektu, ale elektrická energie je spotřebovávána zpravidla večer a ráno, a více v zimě, než v létě. Oproti tomu však fotovoltaická elektrárna funguje pouze ve dne, a daleko více v létě, než v zimě. V tomto případě se dá předpokládat, že zařízení, které vyrábí elektřinu, je schopno pokrýt něco mezi 30 a 50 % vlastní spotřeby, a zbytek je dodán do soustavy jako přebytek.

Využití elektřiny a její prodej

Pokud jde o využití vyrobené energie a její užití či prodej, může si investor vybrat ze dvou možností. Buď lze elektřinu čistě jen vyrábět, vše prodat a dostat za ni státem garantovanou cenu – až dosud to bylo 12,79 Kč/kWh. Pro majitele rodinných domů je však daleko výhodnější takzvaný zelený bonus, kdy investor dostane zaplaceno za každou kWh, kterou vyrobí, bez ohledu na to, zda ji spotřebuje nebo odevzdá. V obou případech musí mít investor s distributorem uzavřenou smlouvu, v případě, kdy má zelený bonus, má smlouva dvě části – na dodávku elektřiny do sítě a na výrobu fotovoltaické elektřiny. Existuje zde dvojí měření a fakturuje se zvlášť to, co majitel dodá distributorovi do sítě jako přebytek elektřiny nespotřebované v daném objektu, a pak to, co vyrobil. Navíc jsou tyto příjmy 5 let osvobozeny od daně z příjmu. Podmínkou je ovšem instalace zařízení na nemovitosti s vlastní spotřebou energie.

Vedle tohoto, tzv. síťového řešení, existuje možnost realizovat ostrovní systém. Ten je se síťovým uspořádáním kompatibilní, ale zároveň zajistí dodávku nezbytné elektrické energie v době výpadku sítě. Vypadne-li dálková síť, je pomocí speciálního přepínacího stykače přesměrován tok elektrické energie z fotovoltaických panelů do domovních elektrických rozvodů. Součástí řešení je i záložní zdroj, tedy akumulátory, které jsou průběžně dobíjeny. Ten je především určen pro napájení nouzového okruhu, z něhož při výpadku dálkové sítě a snížené produkci z fotovoltaických panelů jsou přednostně vybrané spotřebiče (čerpadla vytápění, osvětlení, lednice, modem, telefon, počítače atp.). V České republice taková zařízení dodává firma FRONIUS s.r.o. [2]. Je třeba ovšem dodat, že vysoká, státem garantovaná cena za odkup fotovoltaické elektřiny odsunula ostrovní systémy (a tím i snahu po vyšší individuální energetické nezávislosti) na okraj zájmu.

Větrné a malé vodní elektrárny

Dalším, ovšem méně častým obnovitelným zdrojem energie jsou takzvané malé vodní elektrárny, které mají v našich zemích staletou tradici. Za 1. republiky bylo evidováno více než 10 000 provozovaných vodních elektráren, dnes je jejich počet několikanásobně menší.

Podle typu výstavby lze MVE dělit na:

• přehradní a jezové, ty využívají vzdouvacího zařízení,
• derivační – voda je z koryta odváděna přivaděčem a poté se opět vrací do původního toku,
• přehradně-derivační – vzdouvací zařízení nahrazuje přehrada a vodní motor je instalován mimo stavbu.

Jako domácí energetický zdroj jsou nejčastěji voleny MVE s výkonem do 35 nebo do 100 kW. Stavba MVE je však mnohem složitější, než instalace fotovoltaické elektrárny. Je třeba absolvovat územní řízení, protože jde o stavbu, je nutné získat stavební povolení na budovu a elektrickou přípojku, povolení vodoprávního úřadu k nakládání s vodami, povolení pro podzemní stavby, musí také proběhnout vyřízení licence, nutné jsou i smlouvy na připojení, odběr a dodávku elektřiny, a v neposlední řadě i žádosti o dotace a jejich schvalování.

„Naše firma staví takových elektráren přibližně 20 ročně, jak u nás, tak v zahraničí,” říká Ing. Martin Vysoký z firmy Alva Strakonice, spol. s r.o. „V případě MVE je nejdůležitější lokalita s vodním právem. To se dědí po generacích, může patřit soukromým i právnickým osobám, velké množství patří povodím. Udává nejen to, že lze brát vodu, ale také kolik jí v řece musí zůstat, jaký se musí nechávat průtok přes korunu jezu, aby v řece vždy zůstalo tolik vody, kolik tam má být. Ty původní elektrárny bývají nefunkční nebo zastaralé, čas od času se postaví i nové vodní dílo, ale to není časté. Jestliže nejde o kulturní památku, jsou tyto vodní elektrárny rekonstruovány a modernizovány. Aby majitel nemusel jezdit elektrárnu kontrolovat a čistit, součástí zařízení je čištění vody na česlích, automatická regulace či samostatná obnova funkce při výpadku, zasílání zpráv o stavu elektrárny na mobil nebo přes internet.”

Větrné elektrárny

Poněkud na okraji zájmu stojí v rámci obnovitelných zdrojů větrné elektrárny. V obecném hodnocení jde spíše o kontroverzní zdroj energie, jehož zatím zřejmě jedinou předností v našich podmínkách je skutečnost, že jde právě o obnovitelný zdroj energie. V České republice je velice málo lokalit, kde by se vyplatilo větrnou elektrárnu postavit – ke svému provozu potřebuje průměrnou stabilní rychlost větru vyšší než 6 m/s. Jde tak především o návětrné strany některých hor, ve vnitrozemí je efekt tohoto zařízení malý.

K negativům patří nestabilní výkon, velmi diskutovaný je i estetický efekt elektráren. Na vyvýšených místech či otevřených prostranstvích hyzdí krajinu, a například v průmyslové zóně, kde by takové zařízení tolik nevadilo, je nemá smysl stavět. K tomu je třeba dodat, že v některých sousedních zemích a zejména v přímořských oblastech je krajinotvorný vliv větrníků vnímán mnohem smířlivěji a jejich rozšíření je mnohem větší. U nás má zatím taková výstavba největší opodstatnění asi v lokalitách, jejichž elektrifikace by byla příliš nákladná, ale kde je přesto třeba zajistit zdroj elektrické energie.

Problematické je umístění větrných elektráren v blízkosti bytové zástavby. Mezi negativní vlivy většiny těchto zařízení patří totiž hluk, který vydávají. Jeho hladina sice obvykle odpovídá hygienickým normám, to však nic nemění na tom, že působí nepříjemně a lidé i zvířata na něj nepříznivě reagují. V zimě od lopatek odletují kusy ledu, za jasných dnů odráží lopatky vrtule sluneční záření a vytvářejí tzv. stroboskopický efekt. K jejich masivnějšímu rozšíření by mohlo dojít až s výrazným zdokonalením dané technologie.

Text byl připraven ve spolupráci s firmami Terms, a.s., Alva Strakonice, spol s r.o. a Fronius Česká republika s.r.o.

Literatura a zdroje:

[1] Ušák Ivo: Fotovoltaické panely TEGOSOLAR, Stavebnictví a interiér 4/2008, str. 88, www.stavebnictvi3000.cz/c2607.

[2] Křivda Bohumil: Fotovoltaika i pro případ nouze, Stavebnictví a interiér 5/2009, str. 58, www.stavebnictvi3000.cz/c3088.