Rok 2007 byl rokem kdy fotovoltatická přeměna sluneční energie (dále jen fotovoltaika) přešla z oblasti převážně výzkumné do oblasti silně expandující průmyslové hromadné výroby, alespoň v některých průmyslově vyspělých zemích jako Německo, Japonsko či Kalifornie. Exponenciální růst (tempo růstu každoročně okolo 40%) již začíná být vidět, především pro ty co často navštěvují Německo. Nejenom samé „větrníky“ ale i statisíce fotovoltaických instalací, na vesnicích i v Berlíně.

Jejich výkon přesáhl již výkon našeho 1 GW bloku v Temelíně (to je špičkový výkon, vhodný například pro posouzení aplikací jako je klimatizace budov, která je době kdy slunce nejvíce svítí nejvíce potřeba). Když bychom chtěli vyrobit stejně GWhodin jako Temelín potřebujeme ovšem výkon cca 5x větší – slunce nesvítí na určitém místě celých 24 hodin).

Důležité je, že se jedná o plně udržitelný růst, růst výroby čisté energie, že energetická návratnost již odzkoušených, průmyslově vyráběných slunečních článků je 1-3 roky (a dále se zkracuje), při životnosti přes 25 let, podrobný rozbor je ukázán níže. Cena vyrobené elektrické energie neustále klesá, dlouhodobé sledování od roku 1976 ukazuje, že s každým zdvojnásobením produkce (měřené ve „Watt peak“, tj výkon který sluneční článek dává při osvětlení zhruba odpovídajícímu letnímu dni) cena poklesne o 20%.

To ovšem neznamená, že vše již je objeveno a že další rozvoj fotovoltaiky bude spočívat pouze v technickém vylepšování. Nástup nanotechnologií sebou přináší nové objevy a technologické možnosti, firmy jako kalifornská Nanosolar jsou v centru zájmu finančních investorů, nanotechnologie přinesou urychlení celého vývoje fotovoltaiky.

Přední světoví výrobci zařízení pro polovodičový průmysl, jako Applied Materials (největší světový výrobce zařízení pro elektronický průmysl z Kalifornie) či Oerlikon Solar ze Švýcarska byly v nedávné době největšími světovými dodavateli zařízení továren pro výrobu LCD televizí a počítačových monitorů. Tyto špičkové firmy, respektive jejich vedení a akcionáři si uvědomili, že trh je již nasycen výrobními linkami na výrobu LCD a že obrovský trh budoucnosti je nyní trh fotovoltaických panelů.

Vezmeme-li v potaz jejich velké firemní „know how“ a skutečnost, že před 10-15 lety byly tehdy velmi drahé LCD displeje k vidění jen v některých bankách a nyní je má na stole prakticky každý, přičemž jejich cena poklesla zhruba desetinásobně, pak podobný vývoj můžeme do roku 2020 očekávat i u tenkovrstvých křemíkových fotovoltaických slunečních článků, s obdobnou technologií výroby a nízkou spotřebou materiálu.

Často rozšiřovaný mýtus o fotovoltaice je následující:

„Výroba křemíku pro fotovoltaické články je natolik energeticky náročná, že jakýkoli fotovoltaický článek nikdy nedokáže vyrobit tolik elektrické energie, kolik je jí zapotřebí na jeho vlastní výrobu“.

Jaká jsou ale vědecky ověřená fakta z průmyslové výroby:
Vše záleží na tom, o jaké křemíkové články se jedná, jakou technologií se vyrábí a kam je umístíme (po dobu jejich předpokládané 20-40 let životnosti – běžná záruka od prodejce je 20 let).

V současnosti existují dlouhodobá statistická data o oslunění povrchu země v různých oblastech. Pro naše úvahy rozlišíme 3 oblasti: 1) oblast silného sluneční záření (2200kWh/m2/rok) – na 1 čtvereční metr povrchu dopadne za 1 rok 2,2 megawatthodin energie ze slunce. To je například oblast Sahary nebo pouští na jihozápadě USA

2) oblast středního oslunění (1700 kWh/m2/rok). To je například jih Evropy.

3) oblast nízkého oslunění (1100 kWh/m2/rok), příkladem je jih Německa.

Energeticky nejvíce náročné jsou články z monokrystalického křemíku o typické tloušťce Si destičky 0,3 mm. Ty v současné době již nedominují, nejvíce se vyrábí z tak zvaného multikrystalického křemíku (solar grade multicrystalline Si) který je méně energeticky náročný než vysoce čistý monokrystalický materiál pro polovodičový průmysl. Tenkovrstvé články z amorfního, nanokrystalického a mikrokrystalického křemíku jsou asi 100-1000 krát tenčí a tedy i spotřeba křemíku je úměrně nižší. Jejich účinnost v hromadné výrobě je však zatím zhruba třetinová až poloviční.

Všechny tyto články jsou již v seriové výrobě. Typická továrna v Německu či Japonsku vyrobí za 1 rok tolik článků (zapouzdřených do solárních panelů, nejnovější trend je jejich integrace do stavebních prvků budov – pak je energetická návratnost ještě kratší neboť se ušetří za započtení energie potřebné na zasklení slunečního panelu), že jejich výkon představuje 30 – 100 MW (tj takový výkon dávají při úrovni dopadajícího slunečního záření 1kW/m2) V Japonsku byla oznámena stavba továrny s produkcí tenkovrstvých křemíkových slunečních článků 1 GigaWatt/rok. Čím hromadnější výroba, tím levnější články a rychlejší energetická návratnost.

Lze tedy udělat energetický audit pro každý typ slunečních panelů (počítá se nejen energie potřebná pro Si články ale i zasklení a hliníkový rám, invertor, ...) a pro typické úrovně slunečního záření uvedené výše. Nové výsledky byly presentovány například v práci E.A. Alsema et al, Proc. 21st European PV Solar Energy conference, Dresden, Germany 2006, p.3201-7. Ze zdrojů na internetu doporučuji zprávu EPIA_SG_IV_final.pdf dostupnou na ZDE

Pro energeticky nejnáročnější monokrystalické sluneční články je pro oblast nízkého oslunění (Německo) celková energetická návratnost 3,5 roku. Čtenář si lehce spočítá že tedy v oblasti pouští s dvojnásobným osvitem je tato doba poloviční. Tato doba se dále ještě zkracuje přechodem na multikrystalický křemík a na stále tenčí články (jsou již experimentálně zvládnuty krystalické články o poloviční tloušťce).

Pro tenkovrstvé sluneční články (tloušťka okolo 1 mikrometru) umístěné na jihu Evropy je tato doba menší než 1 rok. Takže již dříve než za 1 rok po uvedení do provozu jsou v jižní Evropě tenkovrstvé sluneční články čistým výrobcem čisté energie a vyrábějí ji déle než 20 let (to je záruka, a většinou to bude více, viz zkušenosti z prvých elektráren z 80-tých let a ze studie ISPRA). Toto je vynikající, silně nadprůměrná energetická návratnost, lepší než pro uhelné či jaderné elektrárny, viz nedávný přehledný článek v časopise Vesmír 2008, č.2, str. 113-6, a tato návratnost se bude neustále zlepšovat.

Nejčastější námitky proti fotovoltaickým slunečním článkům lze shrnout do 3 bodů, které bych rád osvětlil či vyvrátil v tomto příspěvku, podobně jako byl vyvrácen mýtus o nízké energetické návratnosti:

1) fotovoltaické články jsou a budou drahé, neschopné konkurence na trhu s elektrickou energií

2) dodávky energie jsou nespolehlivé, závislé na slunečním osvitu

3) fotovoltaika nemůže být nikdy hlavním zdrojem výroby elektrické energie, tak jako jsou již dlouhou dobu uhelné elektrárny.

Ad 1): Produktem elektrotechnického průmyslu bylo zpočátku drahé a luxusní zboží (rádia, televize, počítače, mobilní telefony,....) ale platí zde obecná zákonitost, kterou lze vyjádřit matematicky – nebo slovně: s rostoucím počtem vyrobených kusů jejich výrobní a s jistým zpožděním i prodejní cena klesá. Na druhé straně existuje empirická zkušenost každého konsumenta, že cena elektrické energie, uhlí, benzinu a plynu roste každý rok. Tyto dvě závislosti se musí protnout. Kdy se tak stane závisí na klimatickém pásmu (v jižní Evropě dříve než v Evropě střední) a na požadované aplikaci (bude-li maximum spotřeby v době maximálního slunečního svitu, jako například při klimatizaci místností, pak se protnou dříve).

Cena slunečních článků se snižuje třemi způsoby: a) pokračující výzkum vede ke stále účinnějším křemíkovým slunečním článkům (zde je rezerva daná přibližně faktorem 2)

b) hromadná automatizovaná výroba ve stále rostoucích výrobních kapacitách je hlavním činitelem snížení ceny (faktor 2-5, záleží na materiálových nákladech,které jsou rozdílné pro různé technologie)

c) Nové typy slunečních článků založených na zvládnutí nanotechnologií mohou přinést zcela dramatický pokles ceny (faktor lze těžko odhadnout, můj odhad 2-5)

Oproti tomu cena nafty, zemního plynu, uhlí a především jaderného paliva extrémně roste.

Po těžbě zůstává silná ekologická zátěž, jejíž likvidace představuje obrovské náklady (viz nedávno českou vládou schválených 40 miliard korun na likvidaci ekologické zátěže po těžbě uranu v letech 1976-1996 ve Stráži pod Ralskem). Navíc kdyby měli podnikatelé v jaderné energetice budovat i vlastní trvalé úložiště a platit pojistku proti havarii či si zajišťovat sami jadernou bezpečnost, nikdy by v tomto oboru pro obrovské náklady nepodnikali. Bez státních přímých a nepřímých dotací nemůže jaderná energetika existovat.

Oproti tomu i v tak pokročilé zemi, co se týče obnovitelných zdrojů energie (OZE) jako je Německo, jsou dotace do OZE zanedbatelné vůči státním dotacím do uhelných a jaderných elektráren, zvláště pak do jaderné bezpečnosti. Výše PV dotací je garantována, ale každý rok se dotační částka pro nové instalace snižuje, až okolo roku 2020 zcela zmizí.

Minulý a předpokládaný budoucí cenový vývoj je následující: V letech 1976-2005 bylo dosaženo poklesu ceny na 1/20. V dlouhodobém sledování klesá cena slunečních článků s jejich kumulovanou produkcí, cena klesla vždy o 20% s každým zdvojnásobením celkové produkce. Extrapolací současného vývoje výrobních kapacit (dlouhodobý exponenciální růst okolo 40% ročně), úspěšného prodeje (sluneční články byly „nedostatkové zboží“, poptávka z důvodů omezených výrobních kapacit na polykrystalický křemík v letech 2006-7 přesahovala nabídku) a snahy EU zvýšit průměrný podíl OZE v roce 2020 na 20% (a Německo toto číslo jistě překročí, jak ukazuje současný vývoj, nehledě na střídání politických stran u vlády), lze očekávat, že okolo roku 2020 se fotovoltaické sluneční články stanou cenově konkurence schopné bez jakýchkoliv dotací a budou představovat nejčistší a nejvýhodnější zdroj elektrické energie pro domácnosti. EU si vytyčila cíl dosáhnout podílu alespoň 3% elektrické energie z fotovoltaiky do roku 2020, viz ZDE

V roce 2000 dosáhla akumulovaná produkce slunečních článků 1GW špičkového výkonu, v roce 2009 to již bude 10 GW a v roce 2015 to již bude přes 200 GigaWattů, především v Německu, USA, Japonsku, Španělsku a Číně. Aktuální ceny můžeme sledovat na těchto stránkách

Ad 2) Nyní jsme v přechodném období počátečního růstu fotovoltaiky, kdy tento problém kolísavého výkonu není omezující. To se může stát až v okamžiku, kdy více než 25% elektrické energie bude vyráběno ve fotovoltaických elektrárnách. Do této úrovně je napojení na multi-zdrojovou rozvodnou elektrickou síť postačující, jak o tom svědčí praktické zkušenosti z Dánska, kde jiný „nepravidelný“ zdroj elektřiny- větrné elektrárny dodává přes jednu čtvrtinu elektrické energie. Dále většinou fotovoltaika a větrná energie se časově nepřekrývá ale naopak doplňuje.

Navíc, nejrychleji rostoucím segmentem spotřeby elektrické energie v Evropě jsou klimatizační jednotky. Pro ně představuje fotovoltaika ideální zdroj, který je k disposici přímo na místě (budově) a v době kdy je nejvíce třeba.

Poznatky z obecné teorie sítí ukazují že robusnost sítí je vyšší u distribuovaných sítí typu Internet ve srovnání se sítěmi s velkými centralizovanými počítači – obdobnou analogii lze vést i pro energetické sítě. V horizontu 10-15 let se významným „úložištěm“ elektrické energie z fotovoltaických panelů stanou akumulátory a superkapacitory stále narůstajícího počtu hybridních automobilů.

Elektrická energie je ovšem jen minoritní částí energie kterou lidstvo spotřebovává, na pohon automobilů, vytápění a v průmyslu je třeba více energie a proto je zapotřebí celosvětově vyřešit akumulaci energie s obdobnou kvalitou jako to umožňuje ropa. Proto se intenzivně pracuje na výrobě, skladování a distribuci vodíku, nových bateriích a superkapacitorech.

Co se týče fotovoltaiky, ve velmi vzdálené budoucnosti si lze představit též následující scénář: celosvětově (či ve velkých oblastech) propojená elektrická rozvodná síť se slunečními elektrárnami zabírajícími cca 4% rozlohy pouští a dodávající bez přerušení veškerou energii. Slunce svítí neustále, kdyby nesvítilo, život na zemi velmi rychle vymizí.

Ad 3)
Hlavní výhodou PV je její provozní spolehlivost, žádné vysoké teploty, žádné pohyblivé součástky jako turbiny či čerpadla, nehrozí nebezpečí výbuchu. Je to modulární technologie, nechají se budovat lokální elektrárny všech velikostí, od typických 4 kW na střechách rodinných domů po budoucí gigawattové v polopouštních oblastech například Španělska.

Technologická revoluce která proběhla v druhé polovině 20. století (po průmyslové revoluci uhlí, páry a oceli ve století osmnáctém a devatenáctém) je založená na polovodičích, z nichž nejvýznamnější je křemík, na počítačích s křemíkovými mikroprocesory a paměťmi - je to významná civilizační změna. Na moderní sluneční články se můžeme dívat jako na vedlejší produkt výroby velkoplošných křemíkových diod, i když nové principy jsou již ve stádiu vědeckého výzkumu. Zhodnocení jednotlivých technologií a potenciálních nových technologií bude presentováno v dalším přehledném příspěvku.

Celé lidské civilizaci dodává energii a potraviny slunce. I když energetická účinnost těchto procesů je velmi nízká (fotosynthesa pod 1%) množství energie dopadající v každém okamžiku na zeměkouli přesahuje více než 10 000 násobný výkon všech elektráren světa. Ostatní zdroje energie (uhlí, uran, nafta, plyn) jsou tedy vůči energii přicházející ze slunce v globálním hledisku zcela zanedbatelné.

Jako tři hlavní výhody fotovoltaické přeměny sluneční energie vidím:

1) Vynikající energetická návratnost (energie vyrobená za dobu životnosti elektrárny ku energii vložené do stavby elektrárny a na udržování jejího chodu = 25 i více pro tenkovrstvé křemíkové články na jihu Evropy), která se s časem neustále zlepšuje a je vyšší než u uhelných či jaderných elektráren. Palivo je zdarma, je to jediné palivo jehož cena neporoste.

Je to jediný, již odzkoušený a bezpečný globální zdroj energie schopný uspokojit potřeby celého lidstva (na rozdíl od dosud na Zemi nerealizované jaderné fůze – tu nám vědci slibují, již přes padesát let, vždy říkají: „bude to do 50 let“. Nám stačí jaderná fůze probíhající na Slunci), bez omezení použitou plochou či dostatkem surovin.

2) Fotovoltaika nenarušuje životní prostředí, přírodní či energetickou rovnováhu planety, nevytváří emise nečistot či radioaktivní odpad. Je to jev podobný přírodním jevům jako fotosyntéza (jen s téměř stonásobně vyšší účinností).

3) Není zapotřebí obrovských investic na stavbu elektrárny, elektrárna je modulární, bezpečná, nenáročná na údržbu. Stejně tak výzkum nových a vylepšených slunečních článků lze dělat v rámci malých navzájem propojených evropských skupin, není potřeba obrovských technických zařízení jako pro výzkum štěpení či jaderné fůze.

Kam by se mohla ubírat energetická politika České republiky?

Historicky v Evropě vznikly dvě krajní alternativy. Jednak je to Francie, kde za doby prezidenta Charlese de Gaulla vznikala nová atomová velmoc. Obrovské množství státních prostředků se nejprve dalo do vývoje atomové pumy a potom do vývoje atomových elektráren, které zcela dominují (státem vlastněné) francouzské energetice.

Druhý protipól představuje Německo. Zde dominuje soukromý sektor. Německo se rozhodlo využít technického pokroku při výzkumu obnovitelných zdrojů energie (iniciovaného především naftovou krizí, stálým zdražováním energie, snahou o kvalitní životní prostředí a v současné době i snahou o snížení emisí CO2) k vytvoření nového, perspektivního hospodářského odvětví, které představují obnovitelné zdroje energie. Jako jeden z netradičních, nejvíce „high tech“ oborů, je to fotovoltaická přeměna sluneční energie přímo na energii elektrickou.

Zatímco atomová elektrárna je stále jen obrovská tepelná elektrárna, fotovoltaika je technologie nového věku křemíku, počítačů a globální sítě. Řídí se zákonitostmi polovodičových technologií, s narůstajícím počtem vyrobených zařízení (procesorů, počítačů, televizí, ...) se snižuje poměr cena/výkon (cena klesá, výkon roste). A tak to bude i se slunečními články, je již dostatečně dlouhá historie jejich výroby pro analýzu tendencí růstu jejich účinnosti při snižování ceny. Již okolo roku 2020 bude fotovoltaika ve střední Evropě cenově na úrovni elektrické energie v energetické špičce. Toto vše již bez dotací výkupní ceny. Nakonec bude fotovoltaika představovat nejlepší volbu i z hlediska ceny (viz scénář EPIA – European Photovoltaic Industry Association).

Nejrychleji rostoucím segmentem spotřeby elektrické energie v Evropě jsou klimatizační jednotky. Pro ně představuje fotovoltaika ideální zdroj, mnohem výhodnější než centrální, 24 hodin provozovaný zdroj, jako je jaderná elektrárna, kde jsou navíc problémy s distribucí tohoto velkého výkonu k spotřebitelům. Ještě dříve než by mohly být postaveny další bloky v Temelíně, bude fotovoltaika v této aplikaci i cenově výhodná, bez dotací.

Kdyby se obrovské sumy peněz, potřebné na stavbu nových atomových elektráren (cca 200 miliard na nové 2 GW v Temelíně + x miliard na trvalé jaderné úložiště) daly na vzdělání a výzkum a podporu fotovoltaiky, nebyla by Česká republika „montovnou“ ale byla by jednou z vyspělých zemí vyrábějící výrobky s vysokým podílem „know how“. Zatímco nemůžeme konkurovat výrobou mikroprocesorů či polovodičových pamětí (kde vítězí miniaturizace), fotovoltaika, jako makroelektronika (potřebujeme vyrábět levně čtvereční kilometry slunečních článků, s výhodou s pomocí nanotechnologií) nám dává ještě šanci. I když už je asi pozdě, když porovnám obrovské nasazení vědeckých a výrobních kapacit v Německu, Švýcarsku, Španělsku a jinde se situací u nás.

O tom co bude v České republice ovšem pravděpodobně rozhodnou střednědobé obchodní plány nejsilnější české firmy ČEZ a politická rozhodnutí o vládních dotacích do jaderné energetiky nepřímou formou: stát platí a garantuje velmi nákladnou jadernou bezpečnost, likvidaci jaderných havárií (například bloku A1 v Jaslovských Bohunicích, nyní naštěstí na Slovensku), hledání a stavbu jaderných úložišť a další věci.

Energetickou soběstačnost České republiky v případě nouze umožňují pouze velké zásoby uhlí, které máme na našem území a z kterého se dá vyprodukovat i plyn či benzin (viz naše historie v 20. století), dále pak voda, vítr, slunce a biomasa. I když máme uran, nikdy nebudeme mít možnost vyrábět jaderné palivo; pokus o rusko-americký hybrid (JE Temelín) byl z hlediska naší energetické nezávislosti neúspěšný a výsledkem je naše 100% jaderná závislost na Rusku.

Energetická soběstačnost České republiky může být zajištěna pouze za předpokladu úspor energie a elektrické energie především (pro veškerou spotřební elektroniku či automobilový průmysl je toto samozřejmostí, nové výrobky musí být stále energeticky úspornější). Energetickou soběstačnost České republiky může zajistit pouze uhlí (za předpokladu nejmodernějších kogeneračních a CO2 konzervujících technologií) a obnovitelné zdroje energie, při současném zvyšování bezpečnosti a prodlužování doby života našich existujících jaderných elektráren.

Proto je ve strategickém zájmu České republiky energetická politika, kterou prosazuje Evropská Unie, orientující se na úspory, se silnou podporou obnovitelných zdrojů energie. Je lépe dát přes 200 miliard do nových technologií, podpory úspor energie, do obnovitelných zdrojů, do vědy a výzkumu na vysokých školách či AV, než je dát do stavby dalších 2 GW zastaralé elektrárny.

Milan Vaněček
Autor pracuje ve Fyzikálním ústavu AV ČR v oblasti materiálového výzkumu slunečních článků (amorfní, nanokrystalický a mikrokrystalický křemík)

Rozsáhlější verze tohoto přispěvku byla vyžádána časopisem Vesmir, kde vyjde za několik měsiců