Solární energie a automobil

doc. Ing. Josef Kameš, DrSc., ČZU, TF, Praha

Úvod

Elektrická energie získaná přímou přeměnou slunečního záření fotovoltaickými (PV – photovoltaic) články je známa již z 19. století. V současnosti je jednou z nejznámějších technologií produkce elektrické energie využíváním OZE (obnovitelných zdrojů energie), jejíž význam je výlučně lokální, zejména v místech odlehlých od běžné civilizace. PV prostředky za rozvoj vděčí značné publicitě mnoha aplikací a četných stimulačních programů na podporu vývoje této techniky pro stacionární účely, jako je ohřev budov, osvětlení dopravních a jiných výstražných světel, k pohonu čerpadel, k chlazení léčiv a potravin apod. V poslední době velmi pozvolna dochází k využívání PV článků i pro mobilní účely, tedy v automobilovém průmyslu.

Obr. 1. Výhled vývoje ceny PV elektrické energie (zeleně - příspěvek vládních dotací, modře - hybridní provoz (plyn, uhlí))

Základním prvkem přeměny slunečního záření na elektrickou energii je solární článek, v podstatě polovodičový velkoplošný prvek (polovodičová dioda). Na rozhraní materiálů P a N vzniká přechodová vrstva, v níž existuje elektrické pole vysoké intenzity. Toto pole uvádí do pohybu volné nosiče náboje, vznikající absorpcí světla. Vzniklý elektrický proud odvádějí z článku elektrody. V ozářeném solárním článku jsou fotony generovány elektricky nabitými částicemi (pár elektron – díra). Některé elektrony a díry jsou poté separovány vnitřním elektrickým polem PN přechodu. Rozdělení náboje má za následek napěťový rozdíl mezi „předním„ (-) a „zadním„ (+) kontaktem solárního článku. Zátěží (elektrospotřebičem) připojenou mezi oba kontakty protéká stejnosměrný elektrický proud, jenž je přímo úměrný ploše solárních článků a intenzitě dopadajícího slunečního záření.

PV solární články se rozlišují podle použitého materiálu a způsobu zpracování. Nejčastěji používaným materiálem je křemík. U článků z monokrystalického křemíku se v laboratorních podmínkách dosahuje účinnosti přeměny slunečního záření na elektrickou energii až 24 %, u sériově vyráběných 14 až 15 %. U polykrystalického křemíku je to v laboratoři až 18 % a v podmínkách hromadné výroby méně než 14 %. Výrobní náklady jsou tedy oproti předchozímu nižší.

Obr. 2. Napájení dálničního telefonu z PV panelu

Amorfní křemík se používá především v systémech spotřební elektroniky a pro pokrývání velkých ploch – je levný. Experimentální moduly dosahují účinnosti 10 % a sériově vyráběné moduly 5 až 7 %. Životnost je kratší. K méně obvyklým solárním článkům patří Galium Arsenid s účinností 25 až 28 % a dlouhou životností. Úměrně ke kvalitě je vysoká i jeho cena. Další je Kadmium-Telurid, opak předchozího. Levná technologie, laboratorní účinnost 16 %, komerční více než 8 %. Obdobné vlastnosti má článek na bázi mědi, india a selenu, který je předmětem výzkumu – laboratorní účinnosti pod 18 %. Jednotlivé články se skládají do modulů, v nichž se serioparalelním řazením dosahuje proudů a napětí použitelných v praxi. Typický současný článek má plochu okolo 1 dm², napětí (při intenzitě slunečního záření 1 000 W) je 0,5 V i více a proud do 2,5 A. U amorfních forem se modul neskládá z článků, ale vytváří se celý.

Cenová bilance PV zařízení

Ačkoliv je PV transformace slunečního záření jednou z nejznámějších technologií produkce elektrické energie nejuniverzálněji použitelnou a je spojena s nejsnazší instalací zařízení a údržbou, představuje patrně nejdražší technologii (Kč/kW·h). Přesto, pro cílené životní prostředí a zásobování OZE, je nutné investovat potřebné náklady, neboť elektrický proud je vysoce ceněný produkt v místě konečné spotřeby.

Vyjadřování hodnoty PV zdrojů jen v nákladech na vyprodukovanou jednotku elektrické energie (Kč/kW·h) nedoceňuje mnohé atributy této univerzálně využitelné technologie. Velká PV zařízení v současnosti produkují elektrickou energii v ceně 6 Kč/kW·h (zahrnuje pořizovací cenu i provozní náklady). Vzhledem ke stále se zdokonalující technologii i růstu účinnosti konverze bude cena během příštích deseti let klesat na 1,5 Kč/kW·h (podle prognózy Sun-Lab) – obr. 1.

Obr. 3. Využití sluneční energie k nabíjení akumulátorů automobilu elektro-hybrid VW Golf

Protože je sluneční světlo volné, výdej počátečního kapitálu pro PV zařízení je ekvivalentní koupi zásob paliva (tepelné elektrárně) za dobu existence zařízení. Doba odběru PV elektrické energie je omezena pouze životností zařízení dvacet i více let. Nemusí se počítat s prostory, manipulací ani s náklady na uskladňování paliva; kromě jiného je to jediná bezemisní technologie. Naproti tomu současná zařízení na výrobu elektrické energie z fosilních paliv, např. plynu, která jsou pro životní prostředí příznivé vzhledem k nízké nákupní ceně, nesou riziko budoucího stupňování nákladů fosilních paliv. Náklady na výrobu elektrické energie v tepelných elektrárnách jsou zatěžovány náklady na odsiřování plynů a rovněž poplatky vznikajícími v rámci světového obchodu s emisemi oxidu uhličitého.

V poslední době není ani oprávněná kritika přerušované dodávky PV energie (např. v noci), neboť použití slunečního záření se může kombinovat s fosilními palivy, popř. biopalivy. Moderní PV zařízení pracující nepřetržitě v hybridní činnosti se spalováním plynu (během 24 h maximálně po dobu 25 %).

Zavádění PV v automobilismu

Elektrickou energii je možné využít pro veškeré spotřebiče napájené 24/12 V. Jestliže je třeba připojit běžný spotřebič na 220 V, stačí mezi PV panel a zmíněný spotřebič zapojit napěťový měnič. Zatím nejrozšířenější použití PV panelů je k napájení parkovacích automatů (Ostrava) nebo nouzových telefonů podél dálnic (obr. 2). Zde může cena za 1 kW·h značně přesáhnout 1 euro, avšak celkové náklady na provoz telefonu mohou být o 5 000 eur/telefon nižší než při nutnosti podzemním kabelem nebo nadzemním vodičem napájet telefon za telefonem.

Obr. 4. Solární panel střešního okna automobilu VW Phaeton (foto autor)
Obr. 5. Solární panel střešního okna automobilu Škoda Superb
Obr. 6. Solární panel integrovaný do větracího okna autobusu, Webasto

Dalším příkladem využití PV elektrické energie je větrání osobních automobilů VW Phaeton (obr. 3). PV čidla jsou integrována do prosklené střechy. Zařízení se stará o efektivní vyrovnání teploty ve vozidle a zlepšuje komfort osádky. Vydýchaný teplý vzduch je tímto systémem odstraněn. Vzduch je měněn nuceným odvětráním vozidla. Pro uvedený systém je v zasklené střeše umístěno 24 solárních článků s maximálním výkonem 18 W, které pohánějí šest ventilátorů umístěných ve střeše vozidla. Jejich maximální výkon odpovídá asi stupni 3 (u stupnice 1 až 4) obvyklého větracího systému. Solární větrání je ovládáno samočinným spínačem nebo manuálně. Proudící čerstvý vzduch redukuje teplotu vnitřního prostoru o 15 až max. 20 oC, aniž by byla zatěžována baterie vozidla. Zároveň umožňuje rychlejší snížení teploty vnitřního prostoru i při zapnuté klimatizaci. Tento systém byl představen letos na Autosalonu v Lipsku. Poprvé byl podobný systém použit ve vozidle Mercedes Benz 500 v roce 1998. Pozadu nezůstává ani český automobilový průmysl, PV panely jsou na přání zákazníka montovány do střechy automobilu Superb Škoda (obr. 4). Na obr. 5 je solární panel integrovaný ve střeše autobusu od Webasto, největšího evropského výrobce PV panelů pro automobilový průmysl.

Hysolární technologie

Jde o spojení vodíku a sluneční energie (hydrogen+solar) jako základu pro rozvoj moderních bezemisních technologií i v automobilismu. Problém pohonu automobilů již nespočívá ve využití konstrukce nových akumulačních baterií typu Ni-Cd nebo Zn-Br, popř. N-S, které omezovaly dojezd vozidla. Dnes jde o využití nízkoteplotních palivových alkalických nebo membránových článků připojených na zásobníky plynného či kapalného vodíku nebo vodíku v podobě práškových hydridů kovů.

Obr. 7. Model GM solární výroby vodíku (foto autor)

Některé kovy a slitiny kovů mohou vytvořit hydridy, a tak pojmout velké množství vodíku. Tyto kovy absorbují vodík při nízkých teplotách a mohou ho opět vydat, aniž by se ohřály. Za materiál pro metalhydridové zásobníky je většinou používáno magnesium nebo slitiny dvou či tří následujících prvků: Ti, Va, Cr, Mg, Fe, Co, Ni, Zr, La a Pd. Uvedené hydridy jsou velmi vhodné jako zásobníky vodíku. I při tisícinásobném použití se nekontaminují cizími atomy. Během nabíjení hydridního zásobníku difundují vodíkové molekuly velmi rychle do meziprostoru kovových částic velikosti 5 až 10 µm, k tomu roste tlak plynu. Difundující vodík se postupně ukládá do kovové mřížky. Tak se tvoří vysoká hustota balíčků vodíku v metalhydridu. Reakce vodíku v kovu probíhá exotermicky, proto musí být odváděno teplo. Při ochlazování zatíženého hydridního zásobníku je nahromaděný vodík opět uvolňován.

Příklad použití bezemisní hysolární technologie je zřejmý z demonstračního modelu firmy General Motors, poprvé uveřejněného na IAA ve Frankfurtu nad Mohanem 2005. Účelem modelu je demonstrovat perspektivy využití sluneční energie pro vodíkové hospodářství. Na obr. 6 je sluneční záření nahrazeno světlometem osvětlujícím PV panel složený z dvanácti článků. Elektrický proud panelu je využit k elektrolýze vody, kyslík je vypouštěn do atmosféry, vodík je jímán do nádrže, ze které je přepouštěn do nádržky modelu vozítka (obr. 7 až obr. 9). Z nádrže vozítka (obr. 9) plynný vodík jako palivo proudí do palivového článku, z něhož je proud veden přes vypínač ke dvěma elektromotorům integrovaným do kol zadní nápravy. Oxidantem je kyslík ze vzduchu, rovněž přiváděný do palivového článku. Vodík není pod tlakem, je to demonstrační model, takže doba činnosti palivového článku je krátká (několik přejezdů po desce stolu). Model je určen k předvedení využití sluneční energie na generaci proudu a následně vodíku.

Pro skutečný provoz palivového článku vozidla je nutný zásobník vodíku, jenž je buď v podobě již zmíněných hydridů, nebo stlačený (v lahvích či nádrži), popř. zkapalněný. Tato následná úprava spotřebuje energii, a proto klesá celková účinnost. Použití vodíku, který je vyroben v tepelných elektrárnách, pro pohon vozidel se v současné době celkovou účinností ztěží vyrovná klasickým spalovacím motorům, a není tedy perspektivní.

Obr. 8. Plnění nádrže vozítka vodíkem (foto autor)

Systém pohonu automobilů elektromotorem a palivovými články není předmětem tohoto příspěvku. Pouze je vhodné připomenout, že všechny velké automobilky světa již mají vyrobeny prototypy, které dnes v podstatě končí s ověřovacími zkouškami a nastává proces sériové výroby. Například Mercedes A v minulém roce vyrobil 80 prototypů, které najely 1,5 milionu kilometrů, Honda již v roce 2003 počala dodávat osobní vozidla poháněná vodíkem státním úřadům, prototyp automobilu BMW s pohonem vodíku dosáhl rychlosti 300 km/h atd.

Vysoce výkonné vodíkové palivové články poskytnou možnost nahradit světový automobilový park se spalovacími motory parkem elektromobilů. Počátkem této velmi pozvolné přeměny jsme nyní svědky; a změna se bude týkat všech mobilních prostředků.

Na obr. 7 je názorná představa elektrolýzy vody proudem z PV panelu, který je osvětlen světlometem.

Palivovému článku je (na rozdíl od baterií) stále kontinuálně přiváděn redukční prostředek – palivo a oxidační prostředek – zvenčí. Článek sám zůstává nezměněn. To je pro vozidlo neocenitelná výhoda. Palivový článek dodává v principu neomezeně energii, dokud je účastná chemická substance přiváděná zvnějšku. Pro proud 1 A palivový článek PEM za minutu spotřebuje asi 7 cm³ vodíku a 3,5 cm3 kyslíku. Škodlivé emise zcela odpadají, i oxid uhličitý – v případě, že je palivový článek napájen vodíkem. Účinnost zařízení s palivovým článkem je téměř dvojnásobná oproti účinnosti spalovacího motoru. Vezme-li se v úvahu současná výroba vodíku, účinnost „od nádrže ke kolu„ je u plynného vodíku jen o 5 % vyšší, u kapalného vodíku je dokonce o 1 až 2 % nižší oproti konvenčnímu vozidlu.

Je-li palivový článek napájen vodíkem, vůbec nevznikají škodlivé emise, ani oxid uhličitý; tento palivový článek má kromě jiného nejvyšší účinnost až 83 %.

Obr. 9. Model vozítka GM poháněný palivovým článkem s palivem vodík

Dalším rozhodujícím faktorem je výroba vodíku Cesta k solární vodíkové variantě je sama o sobě zdlouhavá a nákladná, přičemž jde až o terciální zdroj energie:

• za prvé je nutné primární energii ze slunce a větru přeměnit na elektrický proud,

• ze sekundárního zdroje – elektrického proudu musí být elektrolyticky vyroben vodík,

• terciální nositel energie – vodík musí být komplikovaně upraven chlazením na –253 °C, a tudíž zkapalněn, aby se jeho objem zmenšil pro bezpečnou přepravu a další rozdělování do spotřebičů. Tím prodělává primární energie ze slunce nebo větru třetí proměnu, přičemž je vodík – přísně vzato – vlastně kvartérním nosičem energie. Každým krokem přeměny a transportními náklady mezi kroky roste cena energie připravené ke konečnému využití. Každá forma sluneční energie zužitkovatelná přímo bez proměn bude mít přednost před ostatními ZOE, které musí podstoupit sekundární, popř. terciární změnu před zužitkováním. Pravděpodobné hlavní použití palivového článku bude v mikroenergetických (asi do 50 kW) systémech, které umožní vlastní fotovoltaickou výrobu proudu v přístroji s trvalým provozem, v němž bude prostřednictvím minielektrolyzéru vyráběn proud; to učiní kabelové spojení zbytečným, a proto bude možné se zříci spojovacích sítí.

Závěr

Rozvoj aplikací solárních systémů je umožněn především technickým pokrokem ve výrobě struktur PV solárních článků a v důsledku toho i snižováním ceny takto získávané sluneční elektrické energie. Využívání PV energie vděčí značné publicitě mnoha aplikací a stimulačních programů na podporu vývoje této technologie pro stacionární účely, jako je ohřev budov, osvětlení dopravních světel, k pohonu čerpadel, k chlazení léčiv a potravin apod. V poslední době velmi pozvolně nastává využívání této technologie i pro mobilní účely, tedy v automobilovém průmyslu. Zatím nejrozšířenějším použitím PV panelů je k napájení parkovacích automatů nebo nouzových telefonů podél dálnic. Největší výrobce PV panelů Webasto dodává automobilovému průmyslu solární panely integrované do střech osobních automobilů i autobusů.

Problém pohonu automobilů již nespočívá ve využití konstrukce nových akumulačních baterií typu Ni-Cd nebo Zn-Br, popř. N-S, které omezovaly dojezd vozidla. Dnes jsou lidé na počátku využití nízkoteplotních palivových článků s vodíkem, který může být ve vozidle buď stlačený, nebo zkapalněný, popř. v podobě metalhydridového zásobníku. Rychlost zavádění vodíkové, popř. solárně-vodíkové varianty bude záviset mimo jiné na infrastruktuře vodíkových čerpadel, která je již plánována. V Německu je v provozu zatím pět čerpacích stanic, do roku 2010 mají být tyto stanice vybudovány na hlavním dálničním okruhu v délce 1 800 km každých 50 km, tedy ještě asi 40 čerpacích stanic (podobný plán má Kalifornie). Do roku 2020 je plánováno tuto síť rozšířit na další hlavní evropská města od Madridu po Varšavu a z Londýna, resp. Kodaně po Řím (včetně Prahy).

Perspektivou rozvoje moderních bezemisních technologií v automobilismu je hysolární technologie demonstrovaná na modelu General Motors; zde jde o spojení vodíku a sluneční energie jako základu pro rozvoj moderních bezemisních technologií i v automobilismu.

Literatura:
Firemní literatura VW, Webasto, Škoda, GM.
European Hydrogen Highway Linde Technology, Juli 2005.