Domáca výroba elektriny: cesta k nezávislosti alebo ekonomický nezmysel?

Slnko, vietor či bioplyn – inovácií v oblasti energetiky pribúda ako húb po daždi, no ich aplikácia v praxi je omnoho pomalšia. Pozreli sme sa, ktoré z nich môžete skutočne využiť, ak sa aspoň čiastočne chcete stať nezávislými od energetických sietí. Čítajte ďalej.

Fotovoltické panely si už môže dovoliť každý

Fotovoltické panely (to sú tie vyrábajúce elektrinu) i solárne panely (slúžia na ohrev teplej vody a vykurovanie) sú vďaka klesajúcim cenám dostupnejšie pre čoraz viac slovenských domácností. Ich prevádzka nemá negatívny vplyv na životné prostredie, je relatívne bezhlučná a bezúdržbová, ak nepočítame výmenu batérií či komponentov vplyvom poruchy.

Ich používaniu na Slovensku praje aj podnebie, slnečných dní pribúda a slnečné žiarenie je každým rokom intenzívnejšie. Základným predpokladom pre ich využitie je strecha s dostatočne veľkou plochou orientovanou na juh. Pri rodinných domoch to nebýva problém, horšie to môže byť v prípade menších chát alebo moderných minidomov (tzv. tiny house).

Obrovskou výhodou fotovoltiky je škálovateľnosť výkonu a parametrov. Ak nie ste nároční, na chate môžete využívať jednoduchý systém s jedným alebo viacerými 100 Wp panelmi (p = peak, teda špičkový výkon) a 12 V regulátorom, ktorý bude dobíjať trakčnú batériu (podobná ako autobatéria, ale na trvalé zaťaženie). LED osvetlenie na 12 V je bežne dostupné, 230 V pre väčšie spotrebiče potom získate z malého meniča. Takúto zostavu vyskladáte za niekoľko stoviek eur.

Samozrejme, pre dlhšie pobyty na chate alebo nebodaj celoročné využitie fotovoltiky v dome majú zmysel robustnejšie systémy s regulátorom a veľkým striedačom. Ten vyrába priamo 230 V, resp. trojfázových 400 V, pričom takéto zostavy dokážu trvale dodávať výkony v rádoch kW i vyšších.

Pre ilustráciu – mierne predimenzovaná zostava s výkonom 4 kWp dokáže počas dlhého letného slnečného dňa vyrobiť 30 kWh energie. Ak je však celý deň zamračené, môže to byť iba 0,3 kWh. Všetko záleží na miestnych podmienkach, výkone panelov a striedača, ale aj na kapacite batérií – energiu totiž potrebujete niekde aj uskladniť. Samozrejme platí, že čím lepšie parametre, tým vyššia bude musieť byť vaša investícia.

Tabuľka – Orientačná spotreba elektriny bežných spotrebičov v domácnosti.

Pre ilustráciu, fotovoltickú zostavu na rodinný dom s výkonom panelov 3 kWp môžete vrátane montáže zohnať za cenu 5 000 € bez batérií, resp. 9 000 € s 5 kWh batériou. Ušetriť môžete 1 500 € vďaka dotácii z programu Zelená domácnostiam III (500 € za každý kW výkonu, max. však 1 500 €).

Ak nebudete fotovoltický systém s batériami využívať v ostrovnom (off-grid), ale v hybridnom režime s napojením na rozvodnú sieť, bude vám stačiť nižšia kapacita batérií. V prípade prevádzky v tzv. on-grid režime, teda s fotovoltikou trvalo pripojenou k rozvodnej sieti, nemusíte batérie kupovať vôbec. Distribútori elektriny totiž ponúkajú službu tzv. virtuálnej batérie. Prebytočnú energiu, ktorú nemáte kde uskladniť, jednoducho pošlete do rozvodnej siete. Neskôr si ju môžete vziať späť v rovnakom objeme, pričom zaplatíte len poplatky za distribúciu (určuje regulátor ÚRSO), prípadne malý mesačný poplatok za poskytovanie služby.

Účinnejšie fotovoltické panely aj vďaka inovatívnym materiálom

Z troch používaných typov sa v súčasnosti používajú prevažne monokryštalické fotovoltické panely, ktoré majú najvyššiu celkovú účinnosť – takmer 20 %. Polykryštalické a amorfné sa kvôli ich nízkej celkovej účinnosti prestávajú vyrábať. Ich výhodou bol vyšší výkon pri slabšom slnečnom svite, túto výhodu však už monokryštalické panely vďaka vysokej celkovej účinnosti zmazali.

Moderným trendom je využívanie half-cell článkov (označované aj half-cut) s nižším vnútorným odporom a nižšou náchylnosťou na mikrotrhliny. Technológia PERC s odrazovou vrstvou na zadnej strane panela umožňuje článkom absorbovať aj časť takto odrazeného svetla a zvýšiť účinnosť o 1 – 2 %.

Existujú aj obojstranné fotovoltické panely (bifacial) so solárnymi článkami aj na zadnej strane – využívajú odraz svetla z plochy za panelom. Ich cena a vyššie náklady na montáž na strechu domu však prevyšujú ich benefity (využitie majú v iných typoch prostredia).

Väčšina súčasných fotovoltických panelov je z kremíka, sľubným inovatívnym materiálom je tzv. perovskit (titaničitan vápenatý), ktorý ponúka síce nižšiu účinnosť, no omnoho nižšie náklady na výrobu. V kombinácii perovskitu s inými materiálmi, napr. práve s kremíkom, však vedci predpokladajú účinnosť panelov až 30 %, čo je o 50 % viac než pri kremíkových. Navyše, takéto fotovoltické panely sa budú dať vyrobiť ako priehľadné, takže ich budete môcť umiestniť aj do okenných skiel či na fasády domov.

Veterné turbíny na Slovensku nevyužijete

Naša krajina je na tom síce dobre, čo sa týka slnečného žiarenia, no s vetrom je to už horšie. Rozumným minimom pre uplatnenie veternej energie je priemerná ročná rýchlosť vetra aspoň 4 m/s pre malé turbíny a aspoň 5,8 m/s pre veľké turbíny vo veterných elektrárňach.

V našich končinách túto podmienku spĺňa vo výške 10 m nad zemou iba oblasť západného Slovenska pri hraniciach s Českom a Rakúskom (4 m/s), ak nepočítame horské hrebene (Chopok a Krížna s 5,4 m/s). Najslabší vietor je v údoliach a na juhovýchode, kde dosahuje priemer iba 3 m/s. To sú hlavné dôvody, prečo je u nás veterných turbín ako šafranu.

Inovácie pre veterné turbíny spočívajú najmä vo vylepšovaní konštrukcie rotorov. Kým pre veľké veterné elektrárne sú typické horizontálne rotory (HAWT, os otáčania rovnobežne so zemou) s priemerom v desiatkach metrov, v menšom meradle sú čoraz obľúbenejšie aj tie vertikálne (VAWT) s osou otáčania kolmo k zemi.

Rotor potom cez prevodovku poháňa generátor, v domácich podmienkach najčastejšie s permanentnými magnetmi. Výstupné napätie je najčastejšie 12, 24 alebo 48 V. Nevyhnutnosťou je špeciálny regulátor, ktorý zaručí, aby bolo napätie plus-mínus konštantné pri rôznych otáčkach (rôznej rýchlosti vetra). Dôležitou súčasťou systému je umelá záťaž, ktorá slúži ako brzda. V stave naprázdno (bez odberu prúdu) by mohol rotor ľahko prekročiť max. konštrukčné otáčky a mohol by sa poškodiť. Ak chcete napájať 230 V elektroinštaláciu, budete tak ako pri fotovoltike potrebovať aj vhodný striedač.

Aj v segmente veterných turbín nájdete menšie modely s výkonom v desiatkach či stovkách W, alebo v rádoch kW. Rozumným maximom je podľa názorov odborníkov 1 kW, pretože čím výkonnejšia je turbína, tým intenzívnejší vietor potrebuje, aby dosahovala rozumnú účinnosť. Napr. veterná turbína s nominálnym výkonom 1 kW pri 11 m/s dosahuje pri 7 m/s iba 300 W. A ani takéto vetry nevejú na Slovensku tak často, ako by sa mohlo zdať.

Veterné turbíny vyrábajú energiu skôr nárazovo. Príklad z praxe ukazuje, že 1 kW turbína vyrobila za celý rok 92 kWh elektriny, no z toho 16,5 kWh (takmer 20 %) počas 9 najveternejších dní roka. Veterná turbína teda môže byť ďalším vaším krokom k energetickej nezávislosti, sama osebe toho však veľa nezmôže. Doplniť ňou fotovoltický systém má význam iba v prípade, ak máte prebytočnú energiu kde uskladniť, napr. disponujete predimenzovaným batériovým úložiskom pre fotovoltiku.

Čo sa týka ceny, 2 kW veterná turbína s regulátorom stojí cca 2 200 eur, po doplnení batérií sa dostaneme na podobnú cenu ako pri fotovoltike. Aj na veterné turbíny môžete získať dotáciu z programu Zelená domácnostiam III vo výške 500 € na kW výkonu, max. však 1 500 €. Problémom je, že v zozname zariadení, na ktoré môžete dotáciu čerpať, nájdete iba jedinú turbínu od čínskeho výrobcu, ktorej certifikát a parametre nepôsobia príliš dôveryhodne.

Štedrá štátna podpora fotovoltiky a zanedbávanie veternej energie je ďalší dôvod, prečo je na slovenskom trhu veterných turbín a firiem, ktoré sa zaoberajú ich montážou, tak málo. Povedať, že na Slovensku veterná energia nemá budúcnosť, by bolo príliš trúfalé. Určite však platí, že v súčasnosti je stále na okraji záujmu a nepredpokladáme, že sa to v najbližších rokoch zmení.

Vytlačia kogeneračné jednotky elektrocentrály?

Samozrejmým riešením nezávislosti na el. rozvodnej sieti je pre mnohých elektrocentrála. Tá má však niekoľko nevýhod. V prvom rade je to vysoká hlučnosť a emisie, ale aj relatívne nízka účinnosť a tým pádom neekonomická prevádzka. Okrem toho, pre trvalý chod potrebujete spoľahlivé riešenie v podobe stacionárnej elektrocentrály, ktorá bude mať vyriešený prívod vzduchu, odvod spalín a odhlučnenie. Bežné elektrocentrály používané napr. na staveniskách či pri kempovaní totiž nie sú určené na nepretržitú prevádzku.

Ekonomickú a ekologickú stránku môže čiastočne riešiť použitie alternatívneho paliva, ako napr. zemný či kvapalný plyn alebo bioplyn. Účinnosť spaľovacieho motora však stále dosahuje max. 40 %, zvyšok sa vyžiari ako teplo. Tento problém riešia tzv. kogeneračné jednotky, ktoré sú takisto osadené spaľovacími motormi, no prebytočné teplo odvádzajú do vykurovacej sústavy objektu. Ak započítame teplo i elektrinu, ich celková účinnosť dosiahne aj 95 %.

Nevýhodou je, že výkon kogeneračných jednotiek začína niekde na 6 kW elektrických a 14,9 kW termických. To je pre bežné rodinné domy jednoducho príliš veľa – moderný a dobre zateplený dom s rozlohou 100 m² potrebuje trvalo cca 0,5 kW elektriny a 7 kW tepla. Uvažovať o nich má teda zmysel iba v prípade väčších objektov, v lokalitách s dlhou vykurovacou sezónou alebo tam, kde prebytok tepla zužitkujete, napr. na vyhrievanie bazéna.

Pre rodinné domy je zaujímavou alternatívou mikrokogeneračná jednotka s palivovým článkom. Tá vyrába elektrinu z vodíka, ktorý si zase sama vyrába z dodaného zemného plynu. Pri el. výkone 1 kW vyrobí 1,8 – 3,3 kW tepla, čo je omnoho priaznivejšie (zvyšok tepla dodá plynový kotol).

Existujú aj mikrokogeneračné jednotky na báze tichého jednovalcového spaľovacieho motora pracujúceho v Atkinsonovom cykle či na báze Stirlingovho motora s vonkajším spaľovaním. Prvé prototypy už boli otestované a sú v predaji, no masové rozšírenie ich ešte len čaká.

Víťazmi sú fotovoltické panely a kogeneračné jednotky

Možností domácej výroby elektriny je veľa a ich správna kombinácia závisí nielen od výšky investície, ale aj od miestnych podmienok. Najlepšie a najuniverzálnejšie zatiaľ vychádzajú fotovoltické panely, prípadne doplnené o kogeneračnú jednotku, ktorá pobeží počas vykurovacej sezóny.

Situáciu môžu zmeniť technológie podporujúce decentralizovanú výrobu elektriny doma. Medzi ne patrí napr. už spomínaná virtuálna batéria, ukladanie elektriny do batérií elektromobilov,  inteligentne riadené rozvodné siete, rotačné úložiská so zotrvačníkmi a pod.

K úspore a energetickej nezávislosti vám však môže dopomôcť aj optimalizácia spotreby. Pri súčasných prebytkoch energie totiž úsporné spotrebiče často zabúdame používať racionálnym spôsobom bez plytvania.