Energetika po Fukušimě VI: Obnovitelné zdroje a stabilita sítě
Jan BeránekSeriál Jana Beránka o globálních výhledech energetiky pokračuje šestým dílem, v němž autor řeší problémy spolehlivosti obnovitelných zdrojů a stability přenosové soustavy elektřiny.
Minule jsme skončili u podrobnějšího pohledu na podobu německých vývozů elektřiny. Tím se dostáváme k otázce stability přenosových sítí a toho, co se v nich děje při vyšším podílu flexibilních OZE (typicky vítr a fotovoltaika). Opravdu kvůli nim hrozí nenadálé výpadky?
Začněme spolehlivostí dvou nejproměnlivějších zdrojů OZE, fotovoltaiky a větru. Je jasné, že jejich výkon kolísá podle okamžité síly větru a příkonu slunečního svitu (záleží na oblačnosti a na ročním období). Pokud je ale elektrárenská soustava dostatečně pružná, tyto změny výkonu nemusí být problémem — stačí, aby byly předvídatelné a operátor přenosové soustavy se na ně mohl včas připravit. Otázka pak stojí, jak spolehlivě dokážeme předvídat skutečnou výrobu elektřiny z nainstalovaných výkonů OZE: a to na den dopředu, aby se stihly rezervovat potřebné doplňkové zdroje, a také krátkodobě (cca 15 minut předem), aby dispečink mohl tyto zdroje ve správnou chvíli připojovat a odpojovat.
Díky moderním metodám sledování a modelování počasí, síly větru i pohybu oblačnosti jsou předpovědi pro potřeby dispečinku celkem přesné (a můžeme čekat, že do budoucna se ještě zlepší). Pěkně to ukazuje níže reprodukovaná sada grafů převzatých z již dříve zmiňované detailní statistiky zpracované Fraunhoferovým inistitutem. Ukazují rozptyl mezi plánovanými a skutečnými výkony větrných, solárních a konvenčních elektráren v Německu za rok 2012. Pro leckoho možná překvapivě z něj vyplývá, že vítr a fotovoltaika jsou — z hlediska předvídatelnosti a rizik nečekaných výpadků a odchylek — prakticky srovnatelné s konvenčními zdroji:
Z hlediska okamžitých změn výkonu tak obnovitelné zdroje nejsou — za předpokladu pružné soustavy a moderního dispečinku — nezvladatelným problémem.
Zcela jinou otázkou ale je, nakolik se na výrobu elektřiny OZE můžeme spoléhat v delších časových měřítcích a v průběhu celého roku. Pokud jde o sezónní výkyvy, zkušenost z Německa dokládá, že větrné a solární elektrárny se poměrně dobře doplňují: v létě více svítí slunce a méně fouká, v zimě naopak. Takto pak vypadá výroba elektřiny z větru (zelenošedá) a fotovoltaiky (žlutá) v Německu v jednotlivých měsících roku 2012:
Z hlediska velkých sezónních výkyvů je na tom — pro leckoho možná opět paradoxně — mnohem hůř Francie. Je to vidět na následujícím grafu, který ukazuje roční průběh zatížení elektrárenské soustavy ve Francii (vlevo) a v Německu (vpravo). Oba grafy jsou zobrazeny ve stejném měřítku, takže poměrně extrémní „houpačka“ zatížení ve Francii je zcela zřejmá:
V létě Francie spotřebuje asi 35 TWh elektřiny za měsíc, ale v zimních měsících spotřeba stoupne až na 55 až 60 TWh, tedy skoro dvojnásobek. Příčinou je velmi rozšířené vytápění elektřinou, které tamní vláda dlouhodobě podporovala v rámci vytváření poptávky po produkci desítek jaderných reaktorů (podobně jako ČR v letech 1995 až 1997, po schválení dostavby Temelína). Daň, kterou za to ale Francie platí, spočívá právě ve zranitelnosti celé soustavy: pokud například nastanou velké mrazy, jako se to stalo v únoru 2012, země má najednou tak velkou spotřebu, že ji domácí zdroje nestačí pokrýt a hrozí výpadky. Perličkou pak je, že během třeskutých mrazů loňského února Francii před kolapsem zachraňoval import solární elektřiny z jižních částí Německa.
Pokud jde o průběh výroby a spotřeby v rámci denního cyklu, fotovoltaické elektrárny mají velmi jasně danou charakteristiku výroby: vyrábějí od východu do západu slunce s tím, že největší výkon podávají kolem poledne. To je docela praktické, neboť největší odběr elektřiny nastává právě přes den, zatímco v noci, kdy slunce nikdy nesvítí, je spotřeba proudu vždy nejmenší.
V České republice vypadá denní průběh spotřeby zhruba takto: odběr elektřiny výrazně naroste v časných ranních hodinách, pak se přes den udržuje na zhruba stejně vysoké úrovni, načež večer začne plynule klesat. Pěkně to ukazuje graf převzatý od Energetického regulačního úřadu, jenž zobrazuje situaci v den maximálního odběru v daném kalendářním roce:
Pokud tuto charakteristiku porovnáme s reálným průběhem výroby elektřiny ve fotovoltaických panelech, vidíme, že doba maximálné spotřeby a doba maximální výroby celkem slušně korelují. Pro zajímavost vybírám údaje německých operátorů sítí právě pro tento pátek (22. březen 2013):
Dodávky solární elektřiny začínají v sedm ráno a končí v pět odpoledne, přičemž uprostřed dne dosahují maxima. To je v našem případě 15 111 MW, což by s rezervou stačilo k pokrytí odběru celé ČR i ve chvíli naší maximální okamžité spotřeby.
Jednou z věcí, na jejichž zlepšení solární průmysl intenzivně pracuje, je rozvolnění poledního maxima dodávek fotovoltaické elektřiny (tzv. „peak shaving“) tak, aby více solárního proudu bylo k dispozici odpoledne a navečer. Zejména v případě malých instalací na úrovni domácností nebo menších podniků to celkem elegantně řeší inteligentní bateriové systémy. I když se na jejich vývoji stále ještě pracuje, už dnes jsou na trhu systémy, které si drobní „samovýrobci“ mohou pořídit za dostupné ceny.
Před pár týdny publikovaná analýza banky UBS ukazuje, že ceny fotovoltaiky i bateriových systémů se snížily natolik, že zejména v situaci stoupajících koncových cen elektřiny pro odběratele se už začíná vyplácet výroba elektřiny pro vlastní potřebu — a to bez jakýchkoliv dotací nebo garantovaných výkupních cen. Studie tvrdí, že tento průlom zajistí další masivní nárůst fotovoltaických instalací v příštích letech, takže kolem roku 2020 budou solární systémy do výroby konvenčních zdrojů zasahovat ještě mnohem výrazněji — a díky bateriím dokonce i v pozdních večerních hodinách. Ilustruje to následující graf (červená barva představuje objem výroby z fotovoltaických panelů, žlutá pak dodávky solární elektřiny krátkodobě uskladněné v bateriových systémech):
J.E.
Panu Beránkovi patří poděkování za skvělý seriál a hlavně za optimismus, který nám tímto předává.
http://blog.aktualne.centrum.cz/blogy/jan-beranek.php,
kde tyto články s odstupem rovněž publikuji. Jinak také každému zájemci samozřejmě rád pošlu emailem (kontakt = jan.beranek@ecn.cz).
Hlavní výhodou obnovitelných zdrojů, jak tu čtu, je, že odrazují spotřebitele od využívání elektřiny. Díky tomu pak trpí Německo menšími výkyvy spotřeby než Francie.
Také pozoruji, že pojem flexibilita prochází v energetice podobným vývojem jako v pracovním právu. Za socialismu mnozí snili o flexibilní pracovní době, která by jim umožnila chodit do práce, kdy se jim to hodí. Moderní flexibilní prácovní doba znamená, že zaměstnanec drží dvacet čtyři hodin denně sedm dní v týdnu neplacenou pohotovost, aby na zavolání přišel pracovat, kdy se to hodí zaměstnavateli. Právě tak konvenční flexibilita zdrojů energie, stále vyžadovaná od „konvenčních‟ zdrojů, znamená, že odběratel může ze zdroje čerpat energii, kdy se mu to hodí. Moderní obnovitelné zdroje jsou oproti tomu flexibilní tím, že dodávají energii podle toho, jak se to hodí jim, zejména podle počasí; odběratel je povinen moderní flexibilní zdroje nadšeně vítat a radovat se, že meteorologové dokážou jejich rozmary již vcelku přesně předpovídat.
Skladování elektřiny je přitažlivé pro všechny výrobce energie, včetně ČEZu, v areálu Ústavu jaderného výzkumu vidím, jak utešeně roste nové výzkumné středisko SUSEN, čili SUStainable ENergy, Udržitelná energie. Jednak je ČEZu samozřejmě jedno, jak vyrábí elektřinu, jestli z jádra, uhlí, větru nebo slunce, hlavně že na ní vydělá. Za druhé pak, jestliže lze například metan vyrábět z elektřiny z větrných elektráren, když zrovna fouká vítr, lze ho stejně tak vyrábět i z elektřiny z jaderného reaktoru, když zrovna fouká vítr a distributor nemá o elektřinu z jádra zájem. Jen asi bude takový metan těžko konkurovat zemnímu plynu, aspoň dokud nepraskne americká bublina jeho těžby z břidlic. Předpokládám, že to vyřeší dotace pro „obnovitelný‟ metan.
Co je na této „moderní a flexibilní‟ podpoře vlastní výroby elektřiny zajímavé, je samotný princip samostatnosti jednotlivce a destrukce společné sítě. Je to s tou elektrickou sítí podobné jako se sítí sociální: příliš jsme zlenivěli, stali jsme se na ní závislými, určitě ji zneužíváme, místo aby tu byla jen pro potřebné, a každému musí být jasné, že dál si ji nemůžeme dovolit. Nutné a nezbytné jsou reformy, které nás od zneužívání sítě odradí. Je nutné a nezbytné síť rozbít, je naší povinností být samostatní, moderní a flexibilní. Každý sám za sebe.
V reformách obou sítí, sociální i elektrické, a v podpoře obou forem samostatnosti je Německo evropským vůdcem, anglicky řečeno leaderem, německy führerem.