Sluneční tepelné elektrárny

 

Vladimír Wagner

 

Jednou z velmi dobrých a perspektivních možností získávání elektrické energie pro oblasti s intenzivním slunečním svitem jsou sluneční tepelné elektrárny. O těchto elektrárnách se hodně mluví i v souvislosti s projektem DESERTEC, který by chtěl v oblasti Středomoří vybudovat velké množství slunečních elektráren a pomocí stejnosměrných vedení extrémně vysokého napětí dodávat elektrickou energii do Evropy. Podívejme se na to, jak taková sluneční tepelná elektrárna vypadá, jaké jsou její výhody a nevýhody a jaké jsou ve světě zkušenosti s jejím provozem.

 

 

Sluneční elektrárna Andasol 1 ve Španělsku (zdroj Solar Millenium AG).

 

Princip sluneční tepelné elektrárny

 

Sluneční elektrárna v tomto případě pracuje jako klasická tepelná elektrárna. Elektřina se tak vyrábí pomocí parní turbíny. Pára se však produkuje pomocí slunečního záření. Počítačem řízená zrcadla vhodného tvaru odrážejí sluneční paprsky na zásobník nebo absorpční trubice, kterými protéká speciální syntetický olej. Ten se může ohřát na teploty až 400oC. Pomocí tohoto oleje se pak vytváří v parogenerátoru pára pro pohon turbíny. Stejně jako u uhelné či jaderné elektrárny pak musí pára kondenzovat v kondenzoru, který je potřeba chladit. Pokud jsme v blízkosti moře tak se obejdeme bez chladících věží, ale pokud ne, tak i v případě této sluneční elektrárny budou její dominantou. První testovací prototyp byl projekt Solar One v Mohavské poušti. Jednalo se o věžový typ, kdy zrcadla koncentrují sluneční paprsky do jednoho společného místa na vysoké věži. Tato elektrárna byla postavena v roce 1981 a provozována v letech 1982 až 1986. Pak byla modernizována na projekt Solar Two.

I tato elektrárna za normálních podmínek pracuje jen v době, kdy svítí v daném místě slunce. Proto u těch dříve postavených za ně v době, kdy nebyl sluneční svit dostatečný, většinou zaskakoval plynový zdroj, který byl v záloze. Novější stavby mají další důležitou komponentu, která zálohovací zdroj do značné míry zastoupí. Jedná se o velký zásobník s tekutými solemi. Těmi bývají například dusičnan amonný a dusičnan sodný. V průběhu slunečního svitu se část získaného tepla ukládá do ohřevu zásobníku s tekutými solemi až na teplotu téměř 400oC. V průběhu noci nebo zamračeného počasí se pak ohřáté tekuté soli používají  pro výrobu páry nutné k pohonu turbíny. Při dostatečném objemu tekutých solí (desítky tisíc tun) je možné zajistit téměř kontinuální provoz elektrárny. Jedním z prvních testovacích modelů elektrárny s touto možností byl už zmíněný Solar Two v Mohavské poušti. Ten pracoval v letech 1995 až 1999 a po ukončení činnosti byl předělán na detektor vysokoenergetického záření gama z vesmíru. Po ukončení jeho činnosti pak bylo v roce 2009 veškeré zařízení demontováno.

Z popsaných vlastností jsou vidět i základní výhody a nevýhody slunečních tepelných elektráren oproti fotovoltaickým elektrárnám. Výhodou je, že v příhodných podmínkách mohou být téměř stabilním zdrojem s ročním využitím celkového výkonu přesahujícím 40 %. Fotovoltaika v ideálních podmínkách se blíží 20 %. Můžeme ještě doplnit, že větrné farmy mají podle podmínek tento parametr v rozmezí 20 až 40 %, fosilní a jaderné zdroje pak i přes 90 %. Nevýhodou pak je, že je potřeba mít dostatečný vodní zdroj k chlazení. Což může být v pouštních slunečních oblastech problém. Řešením může být výstavba na mořském břehu a využití mořské vody. Další nevýhodou je, že tyto zdroje je efektivní stavět spíše větší a nedají se jako fotovoltaika stavět jako malé distribuované zdroje třeba na střechách budov. Ale podobné problémy s vodou a spíše větší velikostí mají i zdroje fosilní a ještě více jaderné.

 

 

Zrcadla systému elektráren SEGS v Mohavské poušti (Autor Burning7Chrome).

 

Sluneční elektrárny v Mohavské poušti

 

První komerční velký systém slunečních tepelných elektráren byl postaven v Mohavské poušti v Kalifornii. V této oblasti jsou nejlepší sluneční podmínky ve Spojených státech, je zde v průměru ročně i přes 340 slunečních dní. Systém s označením SEGS (Solar Energy Generating Systém) je složen z devíti elektráren, které byly vybudovány v letech 1984 až 1990. První má výkon 14 MW a plochu přes 80 m2, dalších šest má výkon 30 MW a plochy okolo 200 m2 a dvě nejnovější pak výkon 80 MW a plochu přes 450 m2. Instalovaná kapacita je tak 354 MW.

Elektrárny jsou v tomto případě zálohovány plynovými zdroji, takže je efektivita jejich využití nižší. Roční koeficient využití celkového výkonu je 21 %. I když v daném případě to nemusí být tolik na závadu, protože energetické špičky, které jsou u obyvatelstva v dané oblasti dány hlavně potřebou klimatizace, docela dobře odpovídají průběhu výkonu elektrárny. Plynové zdroje tak reprezentují pouze zhruba 25 % elektřiny dodávané systémem SEGS.

Je třeba ještě zmínit, že ani těmto elektrárnám se nevyhýbají havárie. V únoru 1999 explodovala a vzplála nádrž s olejem u elektrárny SEGS II. Řadu hodin museli hasiči bojovat s požárem. Kromě pracovníků elektrárny bylo potřeba evakuovat obyvatelé z okolí o velikosti zhruba kilometr čtverečný.

 

 

Zásobníky elektrárny Andasol 1(zdroj Solar Millenium AG).

 

Nejmodernější sluneční tepelné elektrárny

 

První elektrárna tohoto typu byla v Evropě uvedena do provozu koncem roku 2009 ve Španělsku. Jedná se o elektrárnu Andasol 1 ve španělské provincii Granada. V Evropě mají vhodné podmínky pro stavbu těchto elektráren právě jižní středomořské státy jako je Španělsko a Itálie. Elektrárna má výkon 50 MW. V tomto případě se sluneční paprsky nesoustřeďují na jedno místo, kde by byl na věži umístěno zařízení pro absorpci tepelné energie, ale elektrárna je rozdělena do jednotlivých kolektorů. Každý z nich obsahuje 28 parabolických zrcadel, která sluneční paprsky soustřeďuje do tří absorpčních trubic. Horký olej z nich se odvádí do parogenerátoru. Kolektorů o rozměru 12 x 6 m2 je 7488 a celkově je rozloha solárních jednotek 510 120 m2.

 

 

Obrázek z elektrárny Andasol 2 (zdroj FLAGSOL GMBH).

 

Zásobník tepla s tekutými solemi se v tomto případě skládá ze dvou nádrží o průměru 36 m a výšce 14 m, které dohromady obsahují 28 500 tun media. Jeho tepelná kapacita je obrovská 1,35 TJ. Umožňuje tak provoz na plný výkon po dobu 7,5 hodiny. I díky němu je roční využití celkového výkonu okolo 41 %. Celková účinnost solární části je 70 % a špičková účinnost parní turbíny je 40 %.  Maximální celková účinnost tak je 28 %, roční průměr pak zhruba 15 %. Připomeňme si, že současné běžně používané fotovoltaické články mají účinnost podle podmínek zhruba do 15 %. Důležité je také, že životnost elektrárny by neměla být menší než čtyřicet let. Velmi pěkný popis této elektrárny uveřejnil na svém blogu Petr Nejedlý.

 

 

Výstavba elektrárny Andasol 3 (zdroj FLAGSOL GMBH).

 

Na stejném místě byla také v roce 2009 spuštěna i další elektrárna Andasol 2 a pracuje se na výstavbě dalších elektráren Andasol 3 a Andasol 4 se stejnými parametry. Také v dalších místech Španělska se nedávno dokončily, dokončují nebo plánují velice podobné projekty. Například projekt Solnova má už dokončené tři elektrárny a dvě další jsou ve výstavbě. Také část z trojice elektráren Extrasol je už dokončena. Dokončená, ve výstavbě i v plánu je i řada dalších skupin elektráren o výkonu 50 MW u každé z nich. Hodnota výkonu je dána zákonnými omezeními ve Španělsku. Dohromady už projekty reprezentují pro Španělsko celkový výkon v jednotkách GW.

 

 

Stavba nových slunečních tepelných elektráren Valle 1 a Valle 2 ve Španělsku (zdroj Torresol Energy)

 

Menší zatím spíše testovací sluneční tepelná elektrárna Archimede je v italských Syrakusach. Její výkon je 5 MW. Itálie je další z evropských zemí, které by byly ideální pro výstavbu těchto typů elektráren. Právě v těchto jižních zemích je rozumné tyto projekty v rámci Evropy podpořit.

 

 

Celkový pohled na elektrárnu Nevada Solar One.

 

Další velká moderní sluneční tepelná elektrárna byla v roce 2007 spuštěna v americké Nevadě. Projekt Nevada Solar One má nominální výkon 64 MW a maximální 75 MW. Počet zrcadel je v tomto případě 219 000. I ve Spojených státech amerických se v jižních slunečných částech dokončilo, buduje nebo je v plánu řada dalších projektů. Tím největším, na kterém se pracuje, je Ivanpah Solar Electric Generating System s výkonem 392 MW. Opět bude v Mohavské poušti v Kalifornii a elektrárna bude zaujímat plochu 16 km2.

 

Solar technologies.

 

Sluneční tepelná elektrárna Nevada Solar One (zdroj Isaac Brekken pro The New York Times)

 

Možnosti a perspektivy.

 

Jak už bylo zmíněno, tak sluneční tepelné elektrárny jsou ideální pro horké oblasti s velmi vysokým  slunečním svitem. Lze využít i toho, že jejich maximální výkon je v době, kdy je potřeba nejvíce klimatizace. Vzhledem k nutnosti chlazení u elektrárny je potřeba mít dostatečné zásoby vody. Z toho důvodu je výhodná přímořská poloha. Velice vhodná je pro budování těchto elektráren oblast Středomoří. I z toho hlediska projevují zájem o tuto technologii některé bohaté státy Perského zálivu. Například Abu Dhabi v Spojených arabských emirátech pracuje na projektu ekologického města Masdar, které by bylo zaměřeno i na vývoj obnovitelných zdrojů. Snaží se proto o velice úzkou spolupráci se Španělskem právě pro převzetí zkušeností s budováním slunečních tepelných elektráren.

Bylo by velice pozitivní, kdyby bohatí vývozci ropy byly ochotni část zisků investovat do projektů těchto elektráren v oblasti arabského světa. To je důležité, protože stavba těchto elektráren není lacinou záležitostí. Pochopitelně se cena u konkrétních projektů liší, ale ne zase tak podstatně. Cena elektrárny Andasol 1 byla 300 milionů eur. Protože výkon je 50 MW a roční využití výkonu 40 %, tak pro nahrazení výkonu jaderného bloku EPR s výkonem 1600 MW a více než 80 % ročního využití výkonu bychom potřebovali 64 elektráren Andasol I. Jejich cena by byla přes 19 miliard eur. To je více než 3,5krát více než cena bloku EPR stavěného ve Finsku i po všech dosavadních zdraženích. Je sice pravda, že u jaderného bloku je třeba platit palivo, ale jeho cena za celou dobu provozu je vůči ceně výstavby malá. Provozní náklady vzhledem k velké ploše a počtu slunečních elektráren nebude oproti jaderné elektrárně nižší. Pokud se Evropa rozhodne pro projekt DESERTEC, bude muset do nákladů započítat i výstavbu extrémně dlouhého stejnosměrného vedení s velmi vysokým napětím. V případě, že by se do stavby slunečních elektráren zapojily i bohaté ropné státy v oblasti a pojaly by to i jako cestu k průmyslovému rozvoji arabské části Středomoří a Perského zálivu, mohly by sluneční tepelné elektrárny velice výrazně přispět do energetického mixu právě těchto států a částečně i Evropy. Vzhledem ke zmíněným omezením, bude možné je mít jako dominantnější část energetického mixu jen ve velice specifických oblastech s vhodnými podmínkami, ale v každém případě se jedná o velice zajímavou a perspektivní oblast energetiky.

 

V Řeži 19. 4. 2011

Zpet