ENERGIJA

Pripremio: Mr. sci. Jozef Baruhović

Solarna fotonaponska postrojenja u Srbiji

Rad na sunce

Srbija ima dobre klimatske uslove z uvođenje solarnih fotonaponskih postrojenja, ali taj izvor nije dovoljno iskorišćen

Fotonaponski (FN) efekat ,tj. pretvaranje svetlosne u električnu energiju poznat je od 19. veka. Otkrio ga je francuski fizičar Edmund Bekerel 1839. godine kada je utvrdio da pojedini materijali izloženi svetlosnim zracima proizvode električnu struju slabog intenziteta. Albert Ajnštajn je 1905. opisao prirodu svetlosti i dao teorijsko tumačenje fotonaponskog efekta. Savremeni razvoj solarne tehnologije započeo je 1954. kada je u Belovim laboratorijama napravljena fotonaponska ćelija (FNC) sa poluprovodnicima od silicijuma sa primesama kojima se pojačao FN efekat. FNC proizvedena u Belovim laboratorijama bila je suviše skupa i zato tada nije našla praktičnu primenu. Tek 1960, zahvaljujući razvoju industrije orijentisane ka svemirskim istraživanjima, naglo je poraslo interesovanje za FNC. Satelite i kosmičke brodove trebalo je opremiti izvorom električne energije. Kroz svemirske programe tehnologija izrade FNC naglo je napredovala.

Individualna stambena zgrada sa postavljenim FTN modulima

  Solarna fotonaponska postrojenja (SFNP) mogu se svrstati po upotrebi, na zemaljska i svemirska; po konstrukciji, na ravna i koncentrična, i fiksna i pokretna u odnosu na kretanje Sunca. Stepen korisnosti pokretnih SFNP je veći s obzirom da se panel postavlja pod pravim uglom na upadne sunčeve zrake. Stepen korisnosti može biti veći, zimi do 20% a leti do 50%.

Glavne sirovine za izradu FN solarnih ćelija danas su monokristalni, polikristalni i amorfni silicijum. Komercijalni stepen korisnosti kod FN solarnih ćelija kreće se u granicama 10-18 %, gde je viši kod FNC proizvedenih od monokristalnog silicijuma. FNC proizvedene od amorfnog silicijuma imaju stepen korisnosti 6-8%.

Fizički, to se odigrava tako što energentski kvant sunčevog zračenja, foton, pada na FN ploču i izbija elektron iz atoma FN materijala. U FN ćeliji formiraju se slobodni elektroni a u atomima šupljine. Mrežasta elektroda i puna elektroda, postavljene sa prednje i zadnje strane FN ćelije, prikupljaju slobodne elektrone i, pri zatvaranju električnog kola, javlja se struja. Osnovna FNC ima površinu od oko 100 cm 2 i daje napon 0,5-0,6 V. Da bi se dobili viši naponi i jače struje, više FNC povezuje se redno i paralelno i formiraju panel ili FN kolektor. Više FN panela povezuju se u mrežu FN panela.

FNC nose naziv i solarne ćelije kada je njihova namena isključivo pretvaranje sunčeve u električnu energiju. Uobičajene komercijalne dimenzije FN panela su 1-1,5 m 2 a njihova izlazna snaga je 150-200 Wp. Monokristalni panel UP - M185M, dimenzija 1580x808 mm i stepena korisnosti 17,2% u letnjim uslovima može da da snagu od 122 W. Solarne FNC proizvode jednosmernu struju (JS). Da bi se priključile na javnu mrežu, potrebno je pretvoriti JS u naizmeničnu, napona 220 V. Tu funkciju obavljaju konverteri ili pretvarači. Njihova uloga je nezaobilazna, ali to smanjuje stepen korisnosti postrojenja za 10–25%.

Nezavisno od javne mreže

Brzi razvoj FN ćelija poslednjih godina uticao je i na pad cena, tako da je trenutna cena na tržištu EU i kod nas ispod 1 evra/Watt sa tendencijom daljeg pada.

Preko sto zemalja, pretežno u Evropi, poseduju SFN elektrane snage 15-200 MW. U izgradnji je velika solarna elektrana (Kalifornija, SAD) snage 550 MW, na površini od 25 km 2 , čija investiciona vrednost treba da bude milijardu dolara i da proizvodi 1100 GWh/godišnje. Solarne FN elektrane izgrađene su pretežno na pustinjskom zemljištu. Ali, u gusto naseljenim evropskim državama teško je obezbediti toliko slobodnih površina pa kao mogućnost ostaju krovovi i fasade u velikim urbanim sredinama. Kao primer može da posluži Nemačka, gde je tokom 2010. više od 4/5 od 9000 MW ugrađenih SFN postrojenja postavljeno na krovove i fasade zgrada. Trenutno (juni 2013) u Nemačkoj, preko milion SFN postrojenja postavljeno je na krovne površine i fasade zagrada. Postoje dve osnovne konfiguracije postrojenja: kada se SFN postrojenje priključuje na javnu mrežu i električna energija prodaje javnom preduzeću i autonomna SFN postrojenja nezavisna od javne mreže.

Pravna regulativa

Pravna regulativa u svetu uglavnom se odnosi na nadoknadu koju dobija isporučilac električne energije, “povlašćeni proizvođač” za proizvedenu električnu energije iz postrojenja OIE. To je tzv. stimulativna “feed-in-tarifa”. Nadoknada za proizvedenu električnu energiju u SFN postrojenju veća je 3-4 puta od cene koju naplaćuje javni isporučilac.

Pravna regulativa kod nas, koja se odnosi na OIE, regulisana je uredbama koje su stupile na snagu januara 2013. Njima se određuje status “povlašćenog proizvođača” električne energije, zatim iznos nadoknade za stimulativnu feed-in-tarifu u trajanju ugovora od dvanaest godina.

Prema podacima iz 2011. u Hrvatskoj su na javnu mrežu priključena četiri “povlašćena proizvođača” električne energije, ukupne snage 52,86 kW, a status “povlašćenog proizvođača” steklo je njih trinaest.

Isplativost FNP

Procena investicije u jedno solarno FN postrojenja snage 5 kWp, koje bi se postavilo na krovnu površinu ukazuje na: pri sadašnjoj ceni solarnih panela od 0,85 evro/Watt, odnosno ukupno 240 din/W, ukupna vrednost postrojenja iznosila bi 1.200.000 dinara (parametar je kursna lista krajem avgusta). Cena podrazumeva solarne FN panele i električnu opremu potrebnu za realizaciju projekta (pretvarač JS/NS, brojila, rasklopne aparate, ožičenje, rad i PDV). Solarno FN postrojenje snage 5 kWp pokriva površinu oko 35 m 2 i sastavljeno je od 27 solarnih panela čiji je stepen korisnosti 17,2%. U Beogradu, gde je prosečno godišnje zračenje Sunca 1.446,8 kWh/god/m 2 . uz stimulativnu cenu od 20,66 din/kWh - investitor, fizičko ili pravno lice, može da očekuje dobit na godišnjem nivou od bruto 134.244,5 din. Navedena dobit izračunata je na bazi procenjene proizvedene električne energije za jednu godinu, tj. 6.497,8 kWh/god.

Ali, “povlašćeni proizvođač” električne energije je istovremeno i kupac, koju sada otkupljuje po ceni od 5,34 din/kWh. Taj iznos umanjen je za potrošene kWh sa javne mreže.

Kredite za OIE (obnovljive izvore energije) banke odobravaju pod sledećim uslovima: maksimalan iznos je 800.000 dinara, na rok od 5 godina sa kamatnom stopom od 18% godišnje. Mesečni iznos otplate kredita je 20.000 dinara.

Uvođenje SFN postrojenja

Srbija se nalazi između 42. i 48. stepena geografske širine, bogata je sunčevim zračenjem i ima dobre prirodne uslove za izgradnju SFN postrojenja. Srednje sunčevo zračenje jače je za 30% od zračenja u Evropi. Srednji intenzitet sunčevog zračenja na severu zemlje, za vreme zimskih dana, iznosi 1,1 kWh/m 2 /dan a na jugu zemlje 1,7 kWh/m 2 /dan. Za vreme letnjih meseci srednji intenzitet sunčevog zračenja iznosi 5,9 kWh/m 2 /dan na severu zemlje i 6,6 kWh/m 2 /dan na jugu zemlje. Srednje godišnje sunčevo zračenje iznosi 1.440 kWh/m 2 /god. Za Beograd iznosi 1.446,8 kWh/m 2 /god. Srbija ima 270 sunčanih dana, trajanje osunčavanja iznosi godišnje 2.300 sati. Trajanje osunčavanja u Beogradu godišnje iznosi 2.200 sati.

Autonomna SFN postrojenja mogu se postavljati na udaljenim mestima, gde ne postoji električna mreža. Takvih je lokacija manje, budući da je javna mreža u Srbiji dosta razgranata. Veći je interes za izgradnju SFN postrojenja koja se priključuju na mrežu.

Jedan od glavnih nedostataka sunčeve energije je neravnomernost zračenja tokom zimskih i letnji dana. U konfiguraciji SFN postrojenja priključenih na javnu mrežu ovaj problem je manje izražen, budući da jaka električna mreža može da apsorbuje neravnomernosti nastala kod isporučioca OIE. Sledeći problem je lokacija, odnosno mesto postavljenja SFN postrojenja. SFN postrojenja zahvataju velike površine zemljišta a raspoloživi zemljišni fond ograničava lokacije gde se mogu graditi. Veći interes trebalo bi da postoji za izgradnju velikog broja SFN postrojenja (instalisanih snaga Pv 5-100 kWp) po krovovima i fasadama zgrada gradskih i prigradskih naselja. Približno 75% energije koja se koristi u razvijenim zemljama, troši se u gradovima, od čega se skoro 40% troši u stambenim zgradama. Može se pretpostaviti da je tako i kod nas.

Prednosti i nedostaci

Prednosti uvođenja SFN postrojenja su brojne: koriste besplatnu i svuda prisutnu energiju koja ne zagađuje čovekovu okolinu (manje ispuštanje CO 2 u atmosferu). Mogu se postaviti na krovne površine i fasade u gradskim sredinama, tako da ne zahvataju nove površine zemljišta. Obezbeđuju električnu energiju u vreme najveće potražnje (preko dana) i tako rasterećuju prenosnu i gradsku distributivnu mrežu. Mogu da zamene konvencionalne građevinske materijale na krovovima i fasadama zgrada, ne zahtevaju posebno održavanje. Ne zahtevaju dodatne fluide, vodu ili vazduh i imaju radni vek 20-30 godina. Direktna korist je i otvaranje novih radnih mesta za proizvodnju opreme i montažu, uz podsticaj domaćoj industriji.

Nedostaci su: nema proizvodnje noću i kada su dani oblačni, proizvodnja traje 7 do 8 časova dnevno za vreme letnjih, a 3 do 4 sata za vreme zimskih dana. Neravnomerna proizvodnja otvara problem skladištenja energije. Problem se rešava na dva načina: ugradnjom akumulatorskih baterija koje mogu biti kapaciteta od 240 Ah (2,88 kWh) do savremenih akumulatorskih postrojenja 26 MWh, koji daju autonomiju rada od 15 minuta do 2-3 sata. Drugi način je priključak na javnu mrežu. U prilog SFN instalacija ide srećna okolnost da se “vršno opterećenje” u mreži dobrim delom poklapa sa maksimalnom proizvodnjom iz FN solarnih postrojenja. Nedostatak je i to da SFN postrojenja/elektrane zahvataju velike površine zemljišta, koja se mere kvadratnim kilometrima. Npr. SFN elektrana snage 100 MW zauzima površinu od 2,6 km 2 . Solarna elektrana snage 280 MW zauzima površinu od 7,6 km 2 .

Grupa profesora sa Tokijskog univerziteta izradila je studiju izvodljivosti za izgrdnju SFN solarnih elektrane snage 100 MW i odredila osnovne parametre pri kojima bi cena kWh iz SFN solarne elektrane bila konkurentna ceni električne energije iz elektrana sa fosilnim gorivom. Ulazni podaci su bili: nominalna snaga elektrane 100 MW, mesto izgradnje pustinje sveta: Sahara u Africi, Negev u Izraelu, Tar u Indiji, Great Sandy u Australiji, Gobi u Kini. Za stepen korisnosti solarnih panela u ovoj studiji uzeto je skromnih 12,5%, a broj procenjenih solarnih panela oko 850.000. Vek elektrane: 30 godina, cena proizvedenog kWh 5,3-7 Ec/kWh.

U međuvremenu (studija je rađena 2003/4) stepen korisnosti za solarne ćelije sa monokristalnim silicijumom porastao je na 15-18% i cena po vatu pala je na manje od 1evra/W. Ostali su nejasni uslovi finansiranja. Ali, uz svu privlačnost izgradnje SFN elektrana u pustinjama sveta gde je jačina sučevog zračenja vrlo visoka (1.945- 2.685 kWh/m 2 /godišnje) ostaje problem udaljenosti od velikih gradskih sredina, tj. prenos energije do potrošača što iziskuje izgradnju dalekovoda, kablovskog razvoda, trafo-stanica itd.

Dalji napori u razvoju FN ćelija odvijaju se u dva pravca: povećanju stepena korisnosti i snižavanju cene solarnih ćelija. U laboratorijskim uslovima stepen korisnosti 35-40% postignut je tehnologijom dvoslojnih i troslojnih FNC i sa sočivima - koncentratorima sunčeve svetlosti. Trenutna cena FNC je ispod 1 evro/W, tačnije 0,84 evra/W. Procenjuje se da će do 2017. god. cene opasti na 0,3 evra/W.

Mr. sci. Jozef Baruhović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja