Malé poučenie z histórie rozvoja FV – pre baterky

V utorok, stredu a štvrtok prebehlo ďalšie (a tento rok jediné) školenie inštalatérov OZE, ktoré organizovalo SAPI. Keď som budúcim inštalatérom FV systémov prednášal, tak som im hovoril aj o druhoch FV technológií a v skratke aj o ich podielu. Keďže všetci prešli preskúšaním, praktickým, písomným aj ústnym, tak dnes už sú to všetci inštalatéri s osvedčením MH SR, len im ešte musí MH SR poslať ten dôležitý papier.

Aká je je podobnosť rozvoja technológií batérií a FV panelov?

Krátko z histórie vývoja FV technológií

Monokryštalický panel

V začiatkoch fotovoltických technológií sa používali najviac monokryštalické kremíkové panely. Tie, ale pre svoju výrobu, potrebujú veľmi veľa čistého kremíku a energií. Súčasne sa pri rezaní stráca množstvo materiálu, ktorý sa znovu musí roztaviť, čistiť a až potom sa dá použiť.

Typickým znakom “monokryštalu” sú biele štorčeky medzi bunkami – dôsledok optimalizovaného vyrezávanie “štvorcov” z “kruhu”.

Vzhľadom na energetickú náročnosť sa hľadali iné možnosti a tie sa našli. Jedna z prvých bola nahradiť monokryštálickú štruktúru tzv. “polykryštálom” (inde aj multikryštál) kremíka. Kremík tuhne vo vani, ktorá má štvorcový prierez a nevytvára sa jeden obrovský kryštál, ale množstvo malých vedľa seba. Takáto výroba značne znížila odpad a energetické nároky výroby. Daňou za to bolo zníženie efektivity premeny slnečného žiarenie na elektrinu.

Obe technológie majú spoločnú skratku c-Si, monokryštál (m-Si) a polykryštál (p-Si alebo mu-Si).

Monokryštalická bunka

Polykryštalická bunka

Avšak i táto technológia bola pomerne drahá a tak sa hľadalo ďalej. Dôsledkom bolo vznik celého oboru FV – Tenké filmy (Thin Film – TF). K ním patrí viacero druhov, ale najznámejšie sú: amorfný kremík (a-Si); zmesi Medi (C), India (I), Gália (G) a Selenidu (S) (CIGS) a Kadmium teluridové panely (CdTe). Ich účinnosť bola síce menej ako polovičná pri porovnaní s c-Si. Avšak cena za takú technológiu bola často aj pod 1/3 c-Si. Ich podiel na inštalovanom výkone začal slušne rásť. Vzájomný pomer možno vidieť na grafe od “Fraunhofera”:

Podiel FV techbológií Zdroj: Fraunhofer Institute for Solar Energy
Systems, ISE

Postupne však ich podiel zasa začal klesať. Svoju renesanciu zažili po roku 2008. I napriek tomu, že vyžadovali značne väčšiu plochu na inštaláciu, tak cena samotných TF panelov a aj celej FVE bola značne nižšia. To pri stavaní väčších FVE na voľnej ploche začalo mať slušný vplyv. Len po roku 2008 sa výroba FV modulov (najmä c-Si) sa začala masívne sťahovať do Číny, cena panelov s (aj) nárastom masívnosti začala klesať, a tak sa hlavná výhoda TF technológií začala strácať. Ako vidno z grafu, tak v súčasnosti je hlboko pod 10 %. Na svojom vrchole (1988) mala cez 30 % a v čase najväčšieho európskeho nárastu (2009) sa vracala k 20 %.

Prečo sa podiel TF zmenšuje

Samozrejme to má viac príčin, ale… V roku 2008 stál 1 Wp v c-Si takmer 3 €/Wp. Viaceré TF technológie dosahovali cenu (zhora) sa blížiacu 1,5 €/Wp. To je polovina ceny c-Si. V rokoch 2009 a 2010 začala cena za c-Si klesať pod 2 €/Wp. Ostatné komponenty pre FVE (striedače, nosné systémy, kabeláž, práca…) sa na celkovej cene podieľali menej ako 50 %. Vtedy sa stavali FVE s cenou cez 3,5 €/Wp (3,5 mil. € na 1 MW). Pri ušetrení 1 €/Wp na paneloch sa teda dala znížiť inštalačná cena na 1 MW výkonu silno cez 500 tis. € (bolo treba viac zeme, “železa”, konektorov, káblov, …). To malo význam.

Avšak s poklesom c-Si pod 0,5 €/Wp sa TF technológie nedostali pod polovinu ceny c-Si. Dnes sa dá zaobstarať TF s cenou asi o 0,1 €/Wp nižšou ako kryštalický kremík. Avšak je stále viac treba plochy a ostatných komponent (i keď aj tu sa rozdiely zrovnávajú). A tak na 1 MW je úspora v paneloch sotva 10 000 €. Pri väčších výdavkoch a menšej operabilite pri výmene panelov sa tak cenová výhoda TF FV technológie stráca.

Podieľ CdTe tenkých filmov od First Solaru (dnes jediný ich výrobca) je skôr o dobrom marketingu a silných projektových väzbách, ako o výhodnosti technológie. Ak má majiteľ FV elektráteň s c-Si panelmi (napr. štandardný 1,65 x 1 m s výkonom 250 Wp), tak pri ich poškodení má veľmi širokú paletu iných výrobcov pre výmenu. S panelmi CdTe je odkázaný iba na ten First Solar.

Kde je paralela s batériami

Podobnosť vývoja hlavného typu FV panelov sa dá nájsť vo viacerých rovinách – pokles ceny, podiel prevládajúcej technológie vs. iné nové. V jednom smere je určite iný  vývoj: c-Si boli od začiatku masívneho využívania fotovoltiky hlavnou technológiou. U batérií bola do nedávna najpoužívanejšou technológiou batérie založené na olove. Dnes to už však neplatí. Vo všetkých segmentoch sa presadzujú batérie založené na líthiu.

Podobnosť vývoja cien

Viacerí odborníci spomínajú paralelu medzi prudkým poklesom cien FV panelov z rokov 2008 až 2012 a súčasným vývojom cien batérií – najmä Li-ion. A moje skúsenosti im dávajú za pravdu. Ešte pred dvoma rokmi bola bežná cena vysoko cez 1 000 €/kWh (1 €/Wh). Články 18650 s kapacitou 2 Ah (okolo 8 Wh) sa predávali za 15 aj 20 €. Dnes (na e-bay, dx alebo alibabe) je možné kúpiť tieto články v rozmedzí 1,2 až 2 € za kus. Samozrejme to nie sú tie najkvalitnejšie ako Panasonic, Samsung alebo LG Chem. Ide “len” o lacnú značku “UltraFire”. Podstatné je, že cena je pod 0,25 €/Wp. V Spojených štátoch sa dokonca dajú zohnať batériové packy (10, 12 alebo viac  článkov 18650 v jednom balení) za cenu okolo 150 $/kWh – 0,15 $/Wp.

Aká je ďalšia podobnosť medzi FV a batériami

Li-ion batérie sú momentálne tou najpoužívanejšou technológiou a ukazuje sa, že im to dlho vydrží. A tak ako sa popri c-Si začali hľadať a rozširovať iné lacnejšie technológie, tak aj popri Li-ion sa stále objavujú nové technológie. Sľubujú, že budú lepšie, lacnejšie, bezpečnejšie, s dlhšou životnosťou alebo menšie, či ľahšie.

Redflow batéria Zdroj: wikipédia

Hlavým kandidátom na neustále “druhého” v pretekoch (podobne ako TF FV panely) sú kvapalinové batérie. Hovorí sa im aj redox, reidflow. Ich základný princíp je, že energia je uložená v dvoch nádržiach s kvapalinou s rozdielnym elektrickým nábojom. Ten sa pri prietoku cez elektródu (membránu) uvoľňuje a tak sa získava elektrina. Pokiaľ sa prietok otočí a na elektródu privedie elektrina, tak sa zasa obe kvapaliny regenerujú a získavajú opačný náboj.

A tu je možné nájsť silnú paralelu: redflow batérie pred rokom, dvoma sľubovali značný prielom do cien akumulácie. Na výstave Intersolar sa dokonca nemecká spoločnosť Schmid predstavila ich prototyp malej domácej batérie. Vyzerala ako bojler a mala výkon okolo 2 kW s kapacitou cez 6 kWh. Tento rok (viac tu: intersolar 2017) však už vystavovali iba ich sériový “stack” – elektróda na premenu náboja na elektrinu a naopak. Ten má 5 kW výkon a kapacita je závislá iba na veľkosti pripojených nádrží. V závislosti od veľkosti nádrži sa mení aj cena na uloženú kWh. Pri 45 kWh je už dokonca okolo 30 000 €.

A tu sa dostávame k nevýhodám iných technológií ako Li-ion: masovosť trhu a s tým spojených investícií do výskumu technológie a jej zlacňovania. Ak sa pozriete na rôzne ponúkané systémy, tak takmer absolútna väčšina sú tie založené na líthiu. Príkladom môže byť tabuľka z australského server Solar Quotes. Medzi všetkými porovnávanými je jediná redflow batéria – Z-Cell, jedna je založené na kryštalickom olove a jedna špeciálna Aquion batéria (ktorá však medzi tým stihla skrachovať a znovu sa oživiť).

Redflow batérie dávajú ako hlavnú výhodu, proti Li-ion technológii, podstatne vyšší počet nabíjacích cyklov – až dvojnásobok. Ako druhú výhodu zasa ukazujú, že ich proces samovybíjania je aj pod 1 % za rok. A sú to určite zaujímavé parametre, nie však pre baterky k domácej fotovoltike.

Súčasné slušné Li-ion batérie majú nad 5 000 cyklov nabíjania. Ak pri spojení s FV inštaláciou na dome budem predpokladať, že sa každý deň použije jeden cyklus, tak životnosť takejto batérie je cez 13 rokov. Špičkové lithiové baterky dokonca ponúkajú 8 000 a viac cyklov. Takže sľubovaných 20 000 a viac nabíjacích cyklov pri redflow akumulátoroch je v praxi pre domácnosť nevyužiteľné. Veľmi nízke samovybíjanie je na tom podobne: keďže Slnko svieti každý deň, tak batéria bude pracovať na denných cykloch a tak je tento parameter pre domácnosť zanedbateľný.

To nás dostáva k záveru, že pre masový trh bude najdôležitejším parametrom inštalačná cena. No a tu zatiaľ všetky iné technológie zaostávajú. Okrem olova (ale s malou životnosťou) sa žiadna iná technológia nedostala pod 500 €/kWh. A už vôbec sa neblíži hranici 100 €/kWh. To je hranica, na ktorej už cena denno-denného nabíjania a vybíjania počas 10 ročnej životnosti ide pod 30 €/MWh. A to by z batérií robilo súčasť energetiky domácnosti, ktorá si môže dovoliť žiť iba zo svojej energie – cca. 80 €/MWh z FVE a 30 €/MWh z batérie robí cenu elektriny nižšou ako sa bežne nakupuje od dodávateľov.

Záver

Článok je len ľahkým zhrnutím podstatne komplexnejšej problematiky. Neslúži na odsúdenie iných technológií, ktoré nie sú v súčasnosti tie nosné. Jediné čo som sa snažil, je trochu “schladiť” prílišný optimizmus z množstva nových (sľubných, lacných, bezpečných, …) oznámení o ďalších technológiách, ktoré porazia “PowerWall od TESLY”. V tomto prípade je PowerWall reprezentantom Li-ion technológií. Patrí k tým najlepším a aj so slušnou cenou. Nie je to však to úplne najlepšie na trhu.

Ja iným technológiám želám aby pomohli Li-ion batérie zosadiť z trónu najlepšej možnosti ukladať elektrinu. Víťazom by boli všetci čo chcú a potrebujú akumulátory.

Komentáre

comments

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *

Táto webová stránka používa Akismet na redukciu spamu. Získajte viac informácií o tom, ako sú vaše údaje z komentárov spracovávané.