Po bezmála padesátiletém vývoji se solárně-termické věžové elektrárny přiblížily výkonům uhelné a plynové „klasiky“. V hybridním provedení i jako menší jednotky nejnověji aspirují na spojení energetiky s řadou efektivních procesů – s vytápěním i chlazením, odsolováním vody, výrobou vodíku a možná i s produkcí biopaliv. Koncentrování sluneční energie Na každý m2 osluněné plochy naší planety dopadá v podobě tepelných, světelných a UV-paprsků výkon teoreticky kolem 1 kW. Pro život nesmírně důležitá, čistá a věčně se obnovující energie je však pro přímé energetické využití příliš „řídká“, takže historii solární techniky provází hledání způsobů, jak ji co nejúčinněji koncentrovat a přeměnit na užitečnější formy tepla a elektřiny. Archimédes (287–212 př. Kr.) prý naleštěnými štíty lučištníků dokázal soustředit sluneční paprsky na římské lodě obléhatelů Syrakus tak, že je zapálil. Francouzský učenec Louis de Buffon a po něm alchymisté na konci středověku tavili v ohnisku parabolických zrcadel stříbro, olovo a jiné kovy. Na pařížské výstavě roku 1883 se jako atrakce tiskly noviny „La Soleil“ tiskařským strojem poháněným párou z kotle, ohřívaného parabolickým zrcadlem soustředěnými slunečními paprsky. Teprve v šedesátých letech 20. století se k heliotechnice vrátili vědci stavbou slunečních pecí v Odeillu v Pyrenejích. Teplotou až 4000 °C, dosaženou v ohnisku obřích parabolických zrcadel, se naučili tavit některé vzácné zeminy a vyrábět keramické slitiny. Vůbec první „sluneční“ kilowatthodiny do italské sítě ENEL dodala roku 1980 malá italská věžová elektrárna Eurelios, soustřeďující paprsky 180 heliostatů na trubkový absorbér na 55 m vysoké věži. O dva roky později francouzský profesor Felix Trombé v pyrenejském vědeckém středisku Thémis částí tepla získaného absorbérem, na který směřovalo 200 zrcadel, prodloužil chod solární „elektrárničky“ (2 MW) tím, že část ve dne získaného tepla akumuloval do zásobníku roztavené soli, kterou použili v roli teplosměnného média. Vývoj zpočátku jen pokusných solárně-termických elektráren se odtud rychle přenesl do nejvíce osluněných oblastí Kalifornie, Španělska a Izraele. Směřoval jednak k systémům s natáčivými zrcadly, soustřeďujícími paprsky na trubkové ohřívače vody nebo vzduchu na vysokých věžích, jednak k zrcadlovým žlabům, koncentrujícím paprsky na médium, cirkulující skleněným potrubím v jejich ohnisku. Koncem dvacátého století se pomocí zrcadlových heliostatů dařilo koncentrovat sluneční paprsky i víc jak 500násobně a trubkové absorbéry dokázaly produkovat páru s teplotou kolem 500 až 900 °C při tlaku kolem 60 barů. O přesné sledování Slunce a řízení odraženého paprsku se už tehdy dokázaly postarat mikroprocesory a počítače, zabezpečovací automatika musela umožnit rychlé sklopení zrcadel směrem k zemi při náhlém náporu větru nebo při dešti. Průmyslové měřítko odstartovala kalifornská Solar One Americké ministerstvo energetiky podpořilo kalifornskou společnost SCE roku 1980 ke stavbě testovací termické elektrárny o výkonu 10 MW v Mojavské poušti nedaleko Barstowu. Na zdálky zlatavě svítící absorbér na 90 m vysoké věži bylo nasměrováno 1818 naklápěcích konkávních zrcadel 7 x 6 m. Kotel při plném poledním osvitu dodával turboalternátoru pod přístřeškem páru o teplotě 500 °C. Po šesti letech experimentů, při nichž se mj. podařilo vyřešit mechanizované omývání zrcadel heliostatů, byla první solární elektrárna světa roku 1995 totálně rekonstruována, aby podle úspěšných izraelských pokusů jako dvoustupňová ohřívala v nové věži místo vody cirkulující směs roztavené směsi solí dusičnanů draselného a sodného, která vytápěla parogenerátor zásobující turbinu o výkonu 10 MW. Část tepla akumulovala do 1540 tun tekuté soli v zásobníku, umožňujícího vyrovnávání výkonu dle odběru elektřiny a až osmihodinový provoz elektrárny po západu Slunce. Na testování i vývoji se podílelo ministerstvo energetiky DOE, Národní laboratoř Sandia a společnost Edison SCE až do roku 2009, kdy byla i druhá věž odstřelena. Přibližně stejné výkony byly instalovány v rámci testování v přilehlých „farmách“ se žlabovými zrcadly. Hybridní sluneční elektrárny s plynovými turbinami Cesty jak zvýšit účinnost termických věžových elektráren začal už od roku 1995 hledat Weizmannův ústav v Izraeli ve spolupráci americkými společnostmi přechodem od parního cyklu k hybridnímu systému s plynovými turbínami. Funkce věží se změnila. Mohou být lehčí, menší a levnější, neboť část koncentrátorů a strojovny jsou umístěny u jejich paty. Heliostaty sledující Slunce ve dvou osách soustřeďují světlo na vrcholový reflektor, který je soustřeďuje a koncentruje směrem dolů osou věže až na desetitisícinásobnou intenzitu s níž dopadají na absorbér s keramickými „jehlami“, které ohřívají proháněný stlačený vzduch až na teplotu kolem 1100 °C, pohánějící upravenou plynovou turbínu s generátorem. Termodynamickou účinnost lze až ke 40 % zlepšit využitím horkého vzduchu z výfuku plynové turbíny k výrobě páry, jejíž energie využije parní turbína s dalším generátorem. V noci a při zamračené obloze lze přepnout elektrárnu na hybridní provoz s ohřevem vzduchu zemním plynem, bioplynem nebo kapalným palivem. K výzkumu možností této technologie přispívá v Německu od roku 2009 v Jülichu u Aachenu vybudovaná demonstrační 60 metrů vysoká věž s 2000 heliostaty, ohřívající vzduch na 700 °C. V čele evropských „solárek“ stojí Gemasolar Španělsko kontrovalo roku 2007 věžovými elektrárnami PS 10 (11 MW) a o dva roky později PS 20 s dvojnásobným výkonem. Od roku 2011 je v centru pozornosti techniků „Hi-Tech“ elektrárna Gemasolar nedaleko Sevilly. 2650 zrcadel, každé s plochou 120 m2, ohřívá solný roztok absorbérem na vrcholu 140 m věže na 500 °C. Tekutá sůl je složena z 60 % dusičnanu draselného a 40 % dusičnanu sodného. Heliostaty, 52 koncentrátorů a strojovna řídí systém od Schneider-Electric. Ročním elektrickým výkonem 110 GWh pokrývá provozovatel Torresol potřebu 27 500 domácností po 24 hodin denně. Ekologové si pochvalují, že proti konvenčním tepelným elektrárnám ušetří ročně na emisích 10 000 tun CO2. Kalifornský Ivanpah drží 400MW světový rekord Koncem října 2010 po mnohaletém jednání mohl guvernér Schwarzenegger s pompou zahájit stavbu kontroverzní zatím největší solárně-termické elektrárny světa na rozhraní Kalifornie a Nevady u jezera Ivanpah. Na třech kruhových polích o rozloze 14 km2 je rozloženo podkovovitě 175 heliostatů s párem zrcadel o ploše 7 m2. Pohyb Slunce sledují autonomně, řídicí systém je v případě deště či vichřice sklopí zrcadly k zemi a znemožňuje jakékoliv vybočení soustředěného paprsku mimo „terč“ absorbéru na vrcholku věže, jinak by koncentrovaná energie mohla roztavit zasažený objekt nebo popálit člověka. Uprostřed každého ze tří polí se tyčí 140 m vysoké příhradové věže. Absorbér, na který se paprsky heliostatů automaticky zaměřují, produkuje páru s teplotou 538 °C, která se přivádí do strojovny u paty do dvoutělesových turbín Siemens SST-900 s mezipřehříváním s výkony po 150 MW. Vzhledem k nutným úsporám vody v pouštní oblasti jsou na výstupu použity vzduchové kondenzátory. Účinnost přeměny sluneční energie dopadající na heliostaty na elektřinu se pohybuje podle osvitu od 16 do 23 %, takže zhruba dvojnásobně překonává dosahované účinnost nových žlabových elektráren, postavených na Mojavské poušti. Pomocná plynová kotelna se nesmí podle podmínek získané státní podpory na roční produkci podílet víc jak čtvrtinou. Projekt přišel na 2,5 mld. dolarů. Stavba byla několikrát přerušena vzhledem k protestům místních obyvatel a „zelených“ zejména kvůli ochraně zde žijícího ojedinělého druhu pouštních želv, dožívajících se až 80 let. Najatí biologové je museli přemístit a v oblasti je kontrolují pomocí čipů. Elektrárna zahájila plný provoz 20. 2. 2014, zaměstnává 100 pracovníků a sítěmi California Edison a Pacific Gas Electric zásobuje elektřinou 140 000 domů. Stavební konsorcium, v němž převažuje izraelská společnost Bright Source s vývojovým centrem v Negevu, si vysloužilo nejen uznání prezidenta Baracka Obamy, ale současně i objednávku dvou obřích solárních termických elektráren pro Kalifornii a Nevadu s výkony po 1300 MW. Nové technologie na obzoru Podle internetových přehledů je začátkem roku 2014 na světě v Evropě, USA, Číně a Indii v provozu teprve desítka převážně demonstračních a testovacích věžových solárních elektráren s instalovaným výkonem kolem 600 MW. Dalších 300 MW budou mít rozestavěné elektrárny v Kalifornii, Izraeli a Jižní Africe. Do roku 2020 však má přibýt nejméně 5000 MW v Kalifornii, Mexiku, Maroku a Indii a zejména v Číně, která plánuje jednotky s výkony až po 1000 MW. Řada známých světových strojírenských, energetických i elektronických výrobců založila pro očekávaný „boom“ vývojová oddělení, specializující se na komponenty, z nichž budou věžové elektrárny sestavovány. Siemens např. připravuje parní i plynové turbíny s vysokou termodynamickou účinností, snášející mnohem častější spouštění a zastavování než v klasických tepelných a jaderných elektrárnách. Americký Rocketdyne na objednávku DOE vyvíjí technologii nového složení solných roztoků a izolaci zásobníků, které by dokázaly snížit denní ztrátu tepla až k 1 %! Společnost Thermata nabízí intuitivně řízené heliostaty, napájené fotovoltaickými terčíky integrovanými do zrcadel. Německá Industrie Keramik v Rödentalu se zaměřila na vývoj volumetrických absorbérů z karbidů křemíku. Na Solárním technoparku v Yokohamě společnost Sun Tower představila heliostaty s kulatými zrcadly na panelech ve formě květinových listů. S největším překvapením roku 2013 v solární energetice však přišel opět Izrael. Modulární hybridní „solárka“ integrované do průmyslových procesů. Nově založená izraelská společnost Aora rozhodla jít roku 2009 revoluční cestou malých hybridních věžových elektráren, které 30 nebo 50 heliostaty nasměrovanými na koncentrační absorbér uvnitř cibulovitého vrcholku 33 m vysoké věže (tvarem připomínající tulipán – odtud i název systému). Na 1000 °C ohřátý vzduch pohánějící speciální plynovou mikroturbinu dokáže dodávat elektrický výkon 100 kW. Dalších 170 kW v podobě odpadního vzduchu s teplotou až 650 °C lze na místě bezprostředně užívat pro jakékoliv průmyslové účely: k topení či absorpčnímu chlazení, k odsolování mořské vody, zpracování bioodpadu, výrobě bioplynu (použitelného pro noční provoz elektrárny), výrobě vodíku či metanu apod. Jak ukazují první realizace uvedené do provozu loni v Almerii a v izraelském Samaru, výstavba z modulárních jednotek trvá jen půl roku a přijde jen na 0,5 mil. amerických dolarů. Aora předpokládá, že z modulů bude možno sestavovat energetické „farmy“ s výkonem až 5 MWel. Obrovskou předností je, že se obejdou bez kondenzátorů a potřeby vody, která v pouštních oblastech obvykle chybí.
Ing. Jan Tůma