FN postrojenja za proizvodnju električne energije

FN postrojenja za proizvodnju električne energije

Zvonimir Meštrović, mag.ing.el.techn.inf

Program stručnog usavršavanja ovlaštenih inženjera elektrotehnike u graditeljstvuXIV. tečaj

TVZ 9.veljače 2013.

SadržajSadržaj

• Uvod: Sunce kao izvor energije– Sunčevo zračenje; snaga i energija – Geometrijski odnos Sunca i Zemlje

• Načini korištenja sunčeve energije• Fotonaponski efekt• Komponente fotonaponskog sustava• Tehnologije fotonaponskih ćelija• Vrste fotonaponskih postrojenja

– Integrirane, neintegrirane FN elektrane– On-grid, off-grid– Hibridna rješenja– Velike FN elektrane

• Stanje tržišta u svijetu i Hrvatskoj– Status povlaštenog proizvođača i poticajne cijene

• Zaključak

Edison o Suncu…Edison o Suncu…

„Ja bih stavio novac na Sunce i sunčevu energiju. Kakav izvor energije!

Nadam se da ne moramo čekati da nafte i ugljena nestane prije nego

što se uhvatimo u koštac sa time!”

Thomas A. Edison, 1931.

Prognoza korištenja energije do 2100Prognoza korištenja energije do 2100

*1EJ = 1018 J

Sunce Sunce

• Središnja zvijezda našeg sustava• Užarena kugla – 15 mil °C u središtu• Fuzija

– spajanjem vodikovih atoma nastaje helij – oslobađanje velike količine energije– još 5 milijardi godina!

Promjer: 1.392.000 km

Masa: 1,9891 1030 kgProsječna gustoća: 1,411 g/cm3

Površinska temperatura: 5780 K

Geometrijski odnosSunca i ZemljeGeometrijski odnosSunca i Zemlje

• Zemlja se vrti oko svoje osi (24h)– izmjene dana i noći

• Vrtnja Zemlje oko Sunca (365 d)– izmjena godišnjih doba

• Položaj Sunca određuje se iz 3 osnovna kuta:– zemljopisna širina ϕ– satni kut Sunca ω– deklinacija Sunca δ

Prividno gibanje Sunca – Sunčev dijagram Prividno gibanje Sunca – Sunčev dijagram

Cilindrični dijagramPolarni dijagram

Snaga i energija SuncaSnaga i energija Sunca

• Sunce izotropno u prostor emitira 3,8 1026 W

• Na Zemlju dolazi 1,7 1017 W

• Ekstraterestičko zračenje:– Sunčevo zračenje na

ulazu u Zemljinu atmosferu

• Ozračenje– Gustoća snage G [W/m2]– Srednja vrijednost; solarna konstanta: G0=(1367±2)W/m2

• Ozračenost– Gustoća energije H [Wh/m2] (insolacija)

Sunčevo zračenje na površini tlaSunčevo zračenje na površini tla

Ogromni potencijalOgromni potencijal

Crne točke predstavljaju potrebnu površinu solarnih panela (efikasnosti 8%) za pokrivanje ukupne svjetske

potrošnje primarne energije!A tijekom noći?!

Potencijal Sunčevog zračenja za HRPotencijal Sunčevog zračenja za HR

• Sunce na površinu Hrvatske dozrači oko 670 puta više energije nego je ukupna godišnja potrošnja!

Površina Hrvatske (kopneni dio): 56.594 km²

Godišnja potrošnja energije: ~ 400 PJ (111 TWh)

Prosječna dnevna ozračenost: 3,6 kWh/m²

Godišnje dozračena energija Sunca na površinu Hrvatske iznosi: 74.364 TWh/god

Prostorna distribucija ozračenostiProstorna distribucija ozračenosti

• Godišnja ozračenost Hrvatske

• Hrvatska ima duplo više sunčanih dana od Njemačke!

• Najbolji sunčani dan u Njemačkoj je naš najgori sunčani dan!

• Njemačka je vodeća zemlja za sunčevu energiju

• U Njemačkoj trenutno više ljudi radi u industriji OIE nego u auto-industriji!

Vremenska distribucija ozračenostiVremenska distribucija ozračenosti

• Vremenski profil ozračenosti ovisi o nagibu i orijentaciji plohe

• Posljedica prividnog kretanja Sunca

• Godišnji profil, dnevni profil…

• Optimalni kut nagiba za RH:– Godišnji: 25° – 30°– Sezonski (zimski): 55° – 60°

• Optimalna orijentacija– Jug

Vremenski profi ozračenosti po mjesecima

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

siječanj veljača ožujak travanj svibanj lipanj srpanj kolovoz rujan listopad studeni prosinac

mjesec

Sred

nja

dnev

na o

zrač

enos

t (kW

h/m

2)

Vodoravna Optimalno nagnuta Optimalno nagnuta (zima)

0

200

400

600

800

1000

1200

0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00

Vrijeme (h:mm)

Zrač

enje

(W/m

2)

Pretežno vedar dan

Pretežno oblačan dan

Izvor: EIHP, Potencijal Sunčevog zračenja RH 2012

Načini korištenja energije SuncaNačini korištenja energije Sunca

• Toplinska energija– Pasivno: arhitektura– Aktivno: solarni kolektori

• Električna energija– Indirektno: Solarne termoelektrane

– Direktno: fotonaponska pretvorba

Fotonaponske elektraneFotonaponske elektrane

Zašto fotonapon?Zašto fotonapon?

• Besplatno gorivo• Ne proizvodi buku• Izravna pretvorba• Zaštita okoliša• Modularna karakteristika • Korištenje i održavanje jednostavno• Mogućnost napajanja udaljenih lokacija

(bez pristupa mreži)• Vrijeme povrata investicije se stalno

smanjuje• Nova radna mjesta

Fotonaponska elektrana – komponenteFotonaponska elektrana – komponente

FN ćelija FN modul Izmjenjivač Konstrukcija FN polje

Znamo li…Znamo li…

Albert Einstein, njemački fizičar, 1921. godine dobiva Nobelovu nagradu za fiziku zbog:

a. Postavljanja opće teorije relativnosti (E=mc2)b. Objašnjenja fotoelektričkog efektac. Objašnjenja Maxwellovih jednadžbi

Fotonaponski efektFotonaponski efekt

• Generiranje nosioca električnog naboja (elektrona) u poluvodičkom materijalu pod djelovanjem svjetla (fotona)

• Energija fotona: Rad izlaza:

Dop

iranj

e Si

licija

Fotonaponska elektrana – komponenteFotonaponska elektrana – komponente

FN ćelija FN modul Izmjenjivač Konstrukcija FN polje

FN ćelijaFN ćelija

• Temeljni gradivni blok FN sustava– poluvodički materijal; p-n spoj– najčešće Silicij

• Proizvode istosmjernu ele. en. neposredno iz sunčeve svjetlosti

• Tipične veličine:– Napon: ~ 0,5 V– Struja: ~ 6 A– Površina: ~ 15 x 15 cm

• Busbar – rešetka za sakupljanje elektrona na površini ćelije

Fotonaponski modulFotonaponski modul

• FN ćelije se povezuju u cjeline s ciljem osiguravanja prikladnog napona i struje– paralelno složene daju veću struju,

a serijski viši napon

• Fotonaponski modul– gotov (iskoristiv) uređaj– Serijski spoj 36, 48, 72 ćelije…– Snaga 100 – 300 W

FN ćelija (2) – nadomjesna shemaFN ćelija (2) – nadomjesna shema

• Osvijetljena FN ćelija ponaša se kao izvor konstante struje

Faktor punjenja: pokazuje koliko se realna ćelija približava idealnoj

FN ćelija (3) – strujno naponska karakteristikaFN ćelija (3) – strujno naponska karakteristika

FN ćelija (4) – Različite tehnologijeFN ćelija (4) – Različite tehnologije

• Kristalični silicij– Monokristalni silicij (c-Si)– Polikristalni silicij (mc-Si)

• Tanki film – Amorfni silicij (a-Si)– Kadmij-telurid (CdTe)– Bakar-indij-selenid (CIS)– Bakar-indij-galij-selenid (CIGS)

c - Si mc - Si CdTe

FN ćelija (5) – Način izradeFN ćelija (5) – Način izrade

FN ćelije (6) – Efikasnosti raznih tehnologijaFN ćelije (6) – Efikasnosti raznih tehnologija

FN ćelije (6) – Kretanje cijenaFN ćelije (6) – Kretanje cijena

• „Up to date” cijene: i ispod 0,5 €/W

FN ćelije (6) – Višeslojne ćelijeFN ćelije (6) – Višeslojne ćelije

• Kod jednoslojnih ćelija velik dio energetskog spektra ostaje neiskorišten

• Višeslojne ćelije omogućuju “hvatanje” većeg spektra– Povećava se efikasnost– Najveća teorijska efikasnost dvije

ćelije je 41,9%– Za beskonačan broj 86,6%

Koncentrirani fotonapon (CPV)Koncentrirani fotonapon (CPV)

• Spoj visokokvalitetnih ćelija,koncentriranja Sunca i njegovog praćenja

Fotonaponska elektrana – komponenteFotonaponska elektrana – komponente

FN ćelija FN modul Izmjenjivač Konstrukcija FN polje

IzmjenjivačIzmjenjivač

– Srce FN sustava

– Pretvara istosmjerni napon u izmjenični

– Odabire se prema snazi FN polja

– Razne konfiguracije:

Izmjenjivač (2) – Master-Slave konfiguracijaIzmjenjivač (2) – Master-Slave konfiguracija

Fotonaponska elektrana – komponenteFotonaponska elektrana – komponente

FN ćelija FN modul Izmjenjivač Konstrukcija FN polje

Konstrukcija i sustavi praćenja SuncaKonstrukcija i sustavi praćenja Sunca

– 1-osni 25-30% više ene.– 2-osni 35-45% više ene.

– Poskupljuje instalaciju– Otežava održavanje– Veća masa, površina…

Sustavi praćenja SuncaSustavi praćenja Sunca

• Različita rješenja na tržištu:a) Pasivno praćenje (spremnici fluida)b) Manualno c) Aktivno praćenje (motori)

– Senzorski– Astronomski

• Upravljanje motorima:– PLC-ovima– mikrokontrolerima (znatno jeftinije)

Praćenje SuncaPraćenje Sunca

• Za pravilno projektiranje tracking sustava potrebno je znati položaj Sunca kroz dan!

• Ulazni podaci:– Zemljopisna širina φ– dan i vrijeme

deklinacija δ i pravo sunčevo vrijeme ts

– satni kut Sunca ω

• Izlazni podaci:

– visina Sunca as

– azimut Sunca gs

Vrste fotonaponskih postrojenjaVrste fotonaponskih postrojenja

Smještaj fotonaponskog polja

Na građevini

KOSI KROV RAVNI KROV

Na tlu

FIKSNO JEDNOOSNO DVOOSNO

Vrste fotonaponskih postrojenja (2)Vrste fotonaponskih postrojenja (2)

Sustavi priključeni na mrežu(on-grid)

Autonomni sustavi(off-grid)

• samostalni• hibridni

Autonomni sustav napajanja –KONČAR Hybrid Power SupplyAutonomni sustav napajanja –KONČAR Hybrid Power Supply

– Objedinjuje energiju vjetra, sunca i vodika

– 99,9% raspoloživost energijom

– Napajanje Vipnet/HT baznih stanica

– 4 primjerka– prvi završen za 10 mj.

Vipnet-ova stanica LadimirevciVipnet-ova stanica Ladimirevci

Velike FN elektraneVelike FN elektrane

• Instalirane snage >500 kW– Ogromne površine – Puno brža izgradnja od fosilnih

nekoliko mjeseci

– Modularnost– Ne zagađuju okoliš– Nema buke Instalirana snaga: 97 MW

Faktor opterećenja: 14,1%Godišnja proizvodnost: 120 GWhPovršina: 380 ha

Sarnia, Ontario

Agua Caliente Solar Project

Puštanje u pogon 2014.Instalirana snaga: 290 MW (397 MW)Broj modula: 5.200.000 (75 Wp tanki film)Površina: 970 ha

Velike FN elektrane (2) – instalirano stanjeVelike FN elektrane (2) – instalirano stanje

Izvor: PV Power Plants 2011 Industry guide

Velike FN elektrane (3) – Pometeno Brdo 20 MWVelike FN elektrane (3) – Pometeno Brdo 20 MW

• Instalirana snaga: 20 MW• Broj modula: 85.100 (235 Wp)

– 4.255 nizova (20 modula u nizu)

• Proizvodnost: 27.901.675 kWh/god• Ukupna površina: 45 ha

• Završetak 2014?

Cijena kW i kWh izfotonaponaCijena kW i kWh izfotonapona

• Primjer Njemačka

Izvor: A.T. Kearney; PV System Cost Reductions 2012

FN elektrane “ključ u ruke” cijena: 1,18 €/Watt

Konkurentnost kWh iz FN elektranaKonkurentnost kWh iz FN elektrana

2009.

2014.

Maloprodajna cijena el.en (grid parity):

Njemačka: 0,2541 €/kWhAustrija: 0,1988 €/kWhHrvatska: 0,133 €/kWh (~1 kn)

Principal Solar Institute: Investing in The Power of the Sun 2012

Kumulativno instalirani kapaciteti FNu svijetu (MW)

Stanje tržišta fotonapona - SvijetStanje tržišta fotonapona - Svijet

• Najdinamičniji OIE– stopa rasta ~50%

• Ukupno do 2012: 70 GW– treći po redu OIE

(iza hidro i vjetra)– 51 GW u EU

U HR svega nekoliko MW!

Izvor: Global market outlook for PV until 2016; 2012

Europa: 51 GWJapan: 4,7 GWSAD: 4,2Kina: 2,9Australija: 1,2Ostali: ostatak

Stanje tržišta fotonapona (2) - EuropaStanje tržišta fotonapona (2) - Europa

• Njemačka prva– 25 GW

• Italija druga, ali ubrzava– 13 GW

Kumulativno instalirani kapaciteti FNu EU (MW)

Udio EU država u 2011.

Izvor: Global market outlook for PV until 2016; 2012

Očekivana kretanja tržištaOčekivana kretanja tržišta

• Predviđanja EPIA do 2016:– do 340 GW globalno– ~100 GW u EU

• FN tehnologija pokriva:– 12% el.en. do 2020.– 28% el.en. do 2040.

• Hrvatska– 45 MW do 2020.– 250 MW do 2030.

Izvor: Global market outlook for PV until 2016; 2012

Kumulativno instalirani kapaciteti FNu EU (MW) - predviđanja

Povlašteni proizvođač električne energijePovlašteni proizvođač električne energije

• Novoizgrađena postrojenja koja koriste OIEiK mogu ostvariti pravo na otkup isporučene električne energije pod povlaštenim uvjetima tijekom razdoblja od 14 godina

• Investitor sklapa ugovor o otkupu el.en. s • Priključak na mrežu

• Administrativna procedura je uvelike olakšana– za jednostavne građevine (npr. FN na krovu)

nije potrebna lokacijska dozvola

• Koraci:1. Ishođenje Prethodne elektroeenergetske suglasnosti (PEES) i sklapanje

Ugovora o otkupu el.en (Idejni projekt i dokaz o pravu gradnje)…Izgradnja postrojenja, izgradnja priključka…

2. Zahtjev za izdavanje Elektroenergetske suglasnosti (EES) i priključenje (Glavni projekt…)

Svaki potrošač na računu HEP-a plaća stavku za poticanje obnovljivih izvora

energije (0,005 kn/kWh)

Iz tih se sredstava isplaćuju poticajne

otkupne cijene

Tarifni sustav za sunčane elektraneTarifni sustav za sunčane elektrane

• Trajanje ugovora: 14 godina

• Korekcijski faktori vrijede za elektrane do 300 kW!

• k1:– korektivni koeficijent za

integrirane elektrane

• k2:– korektivni koeficijent za

korištenje topl. sustava– određen minimalni udio

toplinske snage 0.25, 0.20, 0.15 za a1, a2, a3

• Udio domaće komponente:– povećanje do 15%

Definirana kvota Stanje popunjenosti Siječanj 2013

Integrirane 15 MW 15,01 MWNeintegrirane 10 MW 0,23 MW

ZaključakZaključak

Procjene rezerviUgljen: 200 g

Nafta: oko 40 gPlin: oko 60 g

Cijena nafte i plina!

Rast stanovništva Potreba za energijom!

Sigurnost opskrbe!

CO2!

Zaključak (2)Zaključak (2)

• Plan 20-20-20 do 2020.g mijenja kontekst pitanja:

• Obnovljivi izvori moraju pomoći konvencionalnim izvorima kao dio ukupnog energetskog miksa– Sunce predstavlja ogromni potencijal i najperspektivniju budućnost– Fotonapon je poznata tehnologija uz veliki prostor za dodatni razvoj

• Ulazak u područje iskorištavanja sunčeve energije (i ostalih OIE) može se promatrati s dva aspekta:– kratkoročno: ulazak je motiviran financijskim razlozima– dugoročno: ulazak na ovo područje nema alternative!

Kako OIE mogu doprinijeti u proizvodnji energije?

Kako ostvariti porast proizvodnje energije iz OIE?