Slnečná prúdová elektráreň je perspektívna, ale neoverená technológia

Foto: energia.sk/Michal Jesenič

Koncept slnečnej prúdovej elektrárne sa vymyslel už pred mnohými desaťročiami, no hlasnejšie sa o ňom začalo hovoriť až v posledných rokoch, najmä v súvislosti s rozmachom zelenej energie. Na akom princípe funguje?

Slnečná prúdová elektráreň pozostáva z komína, podľa možnosti čo najvyššieho a z veľkej presklenej plochy, pod ktorou sa zohrieva vzduch prúdiaci do komína. Presklená plocha by preto mala pozostávať z materiálu schopného tepelne oddeliť vrstvy vzduchu, a cez ktorý sa dostane slnečné žiarenie. Najlacnejšie sú plastové fólie, alebo sklené tabule. Zohriaty vzduch následne stúpa smerom hore. V ústí komína sa vytvorí pomerne mohutný prúd, môže dosahovať rýchlosť až 50 kilometrov za hodinu. Ten potom roztáča turbínu a generuje elektrickú energiu.

Princíp fungovania je teda z pohľadu fyziky veľmi jednoduchý. Pomocou preskleného povrchu sa zohreje vzduch, k tomu sa pristaví veľký komín, teda sa využije známy komínový efekt alebo aj Bernoulliho rovnica. Modelový príklad hovorí o tom, že ideálna výška komína je 1.000 metrov a skleník naokolo by mal mať priemer asi 7 kilometrov, čo sú desiatky tisíc metrov štvorcových.

Aký by bol inštalovaný výkon takto naprojektovaného zdroja?

Približne 200 MW. Takýto zdroj už postačuje na to, aby zásoboval elektrinou stredne veľké mesto so zhruba 900-tisíc obyvateľmi.

Kde by boli najvhodnejšie podmienky na umiestnenie takejto elektrárne?

Pravdepodobne v púštnych oblastiach. Jednak je tam dostatok pôdy, ktorá nie je poľnohospodársky zaujímavá. Ďalším plusom je blízkosť rovníka. Je tam dostatok slnečného žiarenia a v priebehu dňa sa dokáže vyhriať celý terén.

Myšlienka postaviť takúto elektráreň na inak neužitočných poliach sa spája s megalomanským európskym projektom Desertec v Afrike. Celá púšť na severe Afriky by sa dala využiť na energetické účely. Postavili by sa tam fotovoltaické elektrárne, ale aj iné zdroje, okrem iného práve vežové slnečné elektrárne.

Podarilo sa už vo svete postaviť a prevádzkovať vežovú slnečnú elektráreň v reálnych podmienkach?

Ako technický experiment sa takéto zariadenie postavilo začiatkom 80. rokov minulého storočia v Španielsku. Nemeckému inžinierovi Jörgovi Schlaichovi sa podarilo zohnať finančné granty. Elektráreň pozostávala z komína vysokého 195 metrov a skleníka s priemerom 244 metrov. Zdroj s inštalovaným výkonom len 50 kW by teoreticky dokázal zásobovať iba zopár domov. Táto elektráreň sa ale nikdy nepripojila do elektrizačnej sústavy. Napriek tomu išlo o dôkaz, že stanovený inštalovaný výkon je možné reálne dosiahnuť. Po 8 rokoch sa zariadenie rozobralo a v projekte sa ďalej nepokračovalo. Zrejme v dôsledku problémov s financovaním.

Komerčné zámery existujú aj dnes. Vyvíjajú sa už pomerne dlho, na rysovacích doskách sú nakreslené možno už jedno storočie. Napríklad aktuálny projekt spoločnosti EnviroMission sa rozvíja už 10 rokov v Austrálii, kde sa uvažuje o výstavbe zariadenia s inštalovaným výkonom 200 MW. Rovnaký projekt chce firma realizovať v Kalifornii. Doteraz som ale nepočul, že by výstavba začala.

Celkom ma prekvapila informácia z Číny. V roku 2010 sa vo vnútornom Mongolsku spustil pilotný projekt s inštalovaným výkonom 200 kW. Číňania majú údajne v pláne postaviť aj väčšiu verziu takejto elektrárne, ktorej výkon by mal dosiahnuť až 30 MW. Správa hovorila, že v roku 2013 bude v prevádzke. Nikde som však nenašiel relevantný dôkaz, alebo podrobnejšiu aktualizáciu tohto projektu.

V čom by bol najväčší prínos takéhoto zdroja pre súčasnú elektronenergetiku?

Na rozdiel od povedzme fotovoltaických elektrární ide o veľmi stabilný zdroj. Slnečná prúdová elektráreň dokáže fungovať nezávisle na priamom slnečnom žiarení, aj počas miernej oblačnosti alebo dokonca počas noci. V skleníkovej časti sa môžu uložiť napríklad nádrže s vodou alebo iné tepelné absorbéry. Tie sa počas dňa zohrejú a v noci sálajú naakumulované teplo.

Ďalšou výhodou je viacúčelovosť takéhoto zariadenia. Skleník sa nemusí položiť na úplne neužitočnej pôde, kde sa len zohrieva vzduch. Pod sklom môže byť naozajstný skleník, taký ako si bežne predstavujeme, so zeleninou alebo niečím užitočným poľnohospodárskym. Časť výkonu, ktorý sa vyrobí vo vežovej elektrárni môže slúžiť na pohon čerpadiel, ktoré by mohli čerpať závlahovú vodu alebo odsoľovať morskú vodu v púštnych oblastiach. Môžu tak vyrábať pitnú vodu pre obyvateľov a časť vody využiť na poľnohospodárske účely v skleníkoch pod elektrárňou.

Princíp fungovania slnečnej veže. Foto: Wikimedia Commons

Zatiaľ samé pozitíva, prečo sa vežové slnečné elektrárne nestavajú?

Problémom je, že sa stále jedná o neoverenú technológiu. Nikto sa ju neodhodlal postaviť a prevádzkovať v reálnych podmienkach. Je technicky veľmi náročné postaviť kilometrový komín, ktorý je dvojnásobkom toho, čo sa doteraz postavilo. Je zložité presvedčiť investora, aby do takého projektu vôbec išiel.

Aké sú odhadované náklady na výstavbu a prevádzku takejto elektrárne?

Pre investora predstavuje takýto projekt veľkú neistotu. Radšej investuje rovnaké peniaze do výstavby dostatočne známej technológie, hoci aj jadrovej elektrárne. Slnečná prúdová elektráreň je spojená s vysokými počiatočnými nákladmi na vybudovanie skleníka a ešte väčšieho komína. Pre projekt s inštalovaným výkonom 200 MW sa náklady za vyrobenú kilowatthodinu odhadujú na zhruba 20 až 30 eurocentov. Ide o pomerne vysokú cenu v porovnaní s tým, koľko stojí vyrobená energia napríklad z klasických fotovoltaických panelov. Táto technológia stále nie je konkurencieschopná.

Na druhej strane, prevádzkové náklady sú veľmi nízke. Nie je potrebné žiadne palivo ani špeciálna údržba. Ďalšou výhodou je pomerne vysoká životnosť takéhoto zariadenia. Ak ide o jednoduchý komín s oceľovou konštrukciou, ktorý neobsahuje zložité súčiastky, neexistuje tu ani potreba kontroly pomocou špeciálnych elektronických systémov. V podstate to celé funguje výhradne na fyzikálnom princípe.

Ak by sme sa nechali uniesť fantáziou, dala by sa konštrukcia vežovej elektrárne prispôsobiť slovenským geografickým podmienkam?

V stredných šírkach by sa namiesto púšte mohli využiť napríklad šikmé plochy kopcov. Teoreticky si môžeme predstaviť južný svah nejakého štítu, ktorý je naklonený k slnku lepšie ako rovná plocha. V takomto prípade by sa dokonca nemusel stavať ani vysoký komín, od úpätia smerom nadol by sa po povrchu kopca položilo šikmé potrubie. Ušetrili by sa náklady na výstavbu vysokej veže. Samozrejme, stále sa tu bavíme len v teoretickej rovine.

Existujú aj obmeny celého systému. Teoreticky by sa slnečná prúdová elektráreň dala postaviť aj na vodnej ploche, niekde na mori. V prípade komína totiž nemusí ísť o pevnú štruktúru, ktorá je odolná voči vetru. Čítal som už o návrhoch urobiť akýsi „komínový rukáv“ bez potreby opory. V takomto prípade by nevadilo, že počas bezvetria takýto rukáv klesne nadol.  Naopak, v prípade dostatočného prúdu vzduchu by sa komín udržoval hore. Dala by sa dokonca vymyslieť aj alternatíva komínového rukáva, ktorý bude vo vzduchu udržiavať balón. Nemuselo by tak nevyhnutne ísť o pevne ukotvenú stavbu. Vo všetkých prípadoch ide pochopiteľne o exotické projektové návrhy. V prvej fáze je potrebné pripraviť reálny projekt s udržateľným financovaním, aby sa postavil prvý prototyp takejto elektrárne.

Môžu sa pod skleníkovú časť elektrárne položiť napríklad fotovoltaické panely?

Ku chodu samotnej elektrárne nie sú potrebné, ale možné to samozrejme je. Fotovoltaické panely by fungovali nezávisle na vežovej elektrárni.

Ak by sa technológia masovo rozšírila, hrozia nejaké negatíva?

Reálne sa vyhodnocoval vplyv takýchto elektrární na globálne otepľovanie. Fyzikálne sa dá vychádzať z toho, že ak postavíme komín, ten nám bude dopravovať veľké objemy vzduchu s teplotou až 60 °C do výšky jedného kilometra. Treba si uvedomiť, že bežne v tej výške vzduch dosahuje teplotu zhruba 10 °C, v praxi je tak o 50 °C teplejší. V prípade, že by takýchto elektrární bolo vo svete niekoľko desiatok tisíc, ten vplyv by sa teoreticky mohol prejaviť ohrievaním vyšších vrstiev atmosféry. Vo výške jeden kilometer nad zemou ide ešte stále o hlbokú troposféru. Došlo by ale k tomu, že by sa inak premiešavali prúdenia vzduchu. Je však málo pravdepodobné, že raz bude existovať viac než zopár stoviek takýchto elektrární. Musíme vychádzať z toho, že zatiaľ nemáme v prevádzke ani jednu.

Aj keby sa rozšírili, je tu ešte jeden významný jav, a síce slnečné prúdové elektrárne môžu nahrádzať fosílne zdroje energie. Tepelná elektráreň vypustí isté množstvo emisií, takže ten rozdiel by sa v konečnom dôsledku zmazal. Prúdová elektráreň síce premiešava vzduch, do vyšších vrstiev sa ho však dostane len zanedbateľne málo a navyše sa ušetria emisie z fosílnych palív. Slnečná prúdová elektráreň dokáže ročne ušetriť až 900-tisíc ton emisií oxidu uhličitého (CO2).

S Jurajom Kubicom sa zhováral Michal Jesenič (energia.sk). Juraj Kubica je výskumným pracovníkom Ústavu elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky, FEI STU v Bratislave. Rozhovor autorizoval. Nadpis a perex: energia.sk

© energia.sk

K téme