Elektrárenský gordický uzel II: Nicnedělání je zdarma

Ve střední Evropě někdy skoro zápasíme s přebytky elektřiny. Mnozí ale upozorňují, že v budoucnu by mohl hrozit opačný problém. Chybět by mohly zejména flexibilní zdroje k vyrovnání výkyvů ve výrobě ze solárních panelů a větrných turbín.

Jakub Kučera 30.5.2015
V praxi se převis poptávky nad nabídkou řeší na burze opakováním aukce v naději, že někdo zapojí další zdroj nebo sníží poptávku... | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy V praxi se převis poptávky nad nabídkou řeší na burze opakováním aukce v naději, že někdo zapojí další zdroj nebo sníží poptávku... | foto: Reuters
V praxi se převis poptávky nad nabídkou řeší na burze opakováním aukce v naději, že někdo zapojí další zdroj nebo sníží poptávku... | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy

Řada odborníků a politiků kvůli vyrovnání výkyvů ve výrobě ze solárních panelů a větrných turbín navrhuje i pro střední Evropu zavést takzvané kapacitní mechanismy, které by pomocí dodatečných plateb zajistily, že se flexibilní zdroje opět vyplatí provozovat. Než se pustíme do rozličných kapacitních mechanismů, podívejme se, jestli by dodatečné příjmy zaručily současné, takzvaně čistě energetické trhy.

Nedostatkem ke stabilitě

Někteří odborníci vidí řešení problému s nedostatečnými kapacitami flexibilních zdrojů poněkud paradoxně v tom, že v principu neuděláme nic. Co ale pokryje fixní náklady flexibilních elektráren, když žádnou speciální platbu nezavedeme? Není jisté, jestli ceny na burze budou převyšovat jejich variabilní náklady po dostatečně dlouhou dobu. A i kdyby ano, vždy bude logicky existovat jedna elektrárna, ta poslední v nyní uplatňovaném systému merit-order, u které i velmi vysoká cena elektřiny pokryje právě jen její variabilní náklady (palivo a emisní povolenky).

Odpovědí jsou takzvané scarcity prices (volně přeloženo ceny v nedostatku), které jsou výrazně vyšší než variabilní náklady i té nejdražší elektrárny dodávající právě do sítě. Jak k nim může dojít? Odpověď je vcelku jasná, ačkoli zároveň hrozivá: poptávka po elektřině jednoduše převýší nabídku. Nerozsvítí si pak někteří z nás? Ano a ne – záleží na časovém horizontu a velikosti převisu. Vezměme to popořadě.

  • Dojde-li k převisu jen v rámci obchodování na burze, což pro následující úvahy plně postačuje, může výpadkům zabránit provozovatel přenosové soustavy (u nás ČEPS) pomocí takzvaných podpůrných služeb a vyrovnávacího trhu. To nicméně v konečném důsledku znamená, že stále existují dostatečné výrobní kapacity, které poptávku pokryjí. Anebo má provozovatel možnost snížit poptávku po elektřině, případně si vypomůže dodávkami ze zahraničí.
  • Ve střednědobém výhledu je možností ještě více: rychlejší zprovoznění elektráren v servisu, aktivizace dočasně odstavených elektráren, takzvaných studených rezerv, anebo včasné naplnění přečerpávacích elektráren.
  • V dlouhodobém horizontu samozřejmě připadá v úvahu stavba nových elektráren a lepší propojení se sousedními zeměmi, aby šlo importovat více. Pokud je kapacita opatření, která jsou v daném časovém horizontu k dispozici, nedostatečná, někdo si opravdu nerozsvítí.

A co spotřebovávat méně?

Klíč ke vzniku scarcity prices je na straně poptávky, konkrétně v jejím utlumení. Nesmí se ovšem jednat o dobrovolné snížení spotřeby, kdy dochází k přesunu poptávky z hodiny s drahou elektřinou do hodiny levnější. Například provozovatel chladírenských mrazáků drží průměrnou teplotu na -30 ̊C, ale skladovanému zboží nevadí kolísaní mezi -28 a -32 ̊C. Může zainvestovat do zařízení, které podle situace na trhu chlazení na nějakou dobu vypne. Nebo dokonce může nechat v hodině s levnou elektřinou zboží zmrazit na -32 ̊C, aby přečkal delší dobu s vysokou cenou elektřiny.

Dobrovolné snížení odběru, které je finančně výhodné, nás totiž vrací na začátek – snížená spotřeba se sice protne s nabídkou elektřiny, ale cenu opět stanoví variabilní náklady poslední potřebné elektrárny

V hodinách s drahou elektřinou se tímto způsobem sníží poptávka a na trhu snáze zavládne rovnováha. Dodejme, že dnes se tak často neděje ze dvou hlavních důvodů. Jednak není spotřeba elektřiny příliš flexibilní (ať už z ekonomických, nebo „psychologických“ důvodů) a ani sítě na to nejsou připravené. Situaci by pomohl rozhýbat mechanismus, který by podobné snížení odběru dodatečně ocenil jako službu ve prospěch trhu jako celku.

Ale i kdyby současná poptávka po elektřině byla takto flexibilní, gordický uzel (podrobně popsaný v předchozím článku) to neřeší. Dobrovolné snížení odběru, které je finančně výhodné, nás totiž vrací na začátek – snížená spotřeba se sice protne s nabídkou elektřiny, ale cenu opět stanoví variabilní náklady poslední potřebné elektrárny. Její fixní náklady opět nebudou pokryty – viz následující graf. Na tento začarovaný kruh (tzv. rebound-effect) narazíme ještě několikrát. Není nepodstatné, že jednou namontovaná zařízení na flexibilní odběr elektřiny mají nízké variabilní náklady. K jejich nasazení bude proto docházet i při cenách o málo vyšších než průměr.

Křivky, spojte se: Rovnováha na trhu s elektřinou

Křivky, spojte se: Rovnováha na trhu s elektřinou.

Pramen: Sven Bode (arrhenius Institut für Energie- und Klimapolitik), prezentace (Praha, listopad 2014)

Zcela jiné je vynucené snížení poptávky. Protože veškeré výrobní kapacity jsou vyčerpány, nabídka elektřiny se stoupající cenou už neroste a odběratelé se o ni začínají přetahovat. Tím se začne cena elektřiny zvyšovat, až se pro některé odběratele stane neúnosnou. Při příliš vysoké ceně se jim už jejich provoz nevyplatí, svou továrnu zastaví a elektřinu neodeberou vůbec.

Nedobrovolným odpojením některých odběratelů dojde k průniku poptávky s nabídkou a na trhu opět zavládne rovnováha

V našem příkladu s mrazicími boxy se jejich provozovatel rozhodne některý z nich vypnout. Cena elektřiny již totiž bude vyšší než utrpěná ztráta v důsledku zkaženého zboží, tzv. value of lost load (VoLL, volně přeloženo ztráta v důsledku nedostatku elektřiny).

V tomto modelu se cena na burze odvozuje od mezních ztrát za neodebranou megawatthodinu způsobenou odběratelům (konečnou cenu určí mezní ztráta posledního odběratele, který ještě bude muset svůj provoz vypnout). Nedobrovolným odpojením některých odběratelů dojde k průniku poptávky s nabídkou a na trhu opět zavládne rovnováha. Nyní ovšem při daleko vyšších cenách. Tyto ceny jsou právě ony scarcity prices, které převyšují variabilní náklady i té nejdražší dodávající elektrárny. Proces ukazuje následující graf.

Křivky, spojte se lépe: Tvorba scarcity prices

Křivky, spojte se lépe: Tvorba scarcity prices.

Pramen: Sven Bode (arrhenius Institut für Energie- und Klimapolitik), prezentace (Praha, listopad 2014)

V praxi se převis poptávky nad nabídkou řeší na burze opakováním aukce v naději, že někdo zapojí další zdroj nebo sníží poptávku

V praxi se převis poptávky nad nabídkou řeší na burze opakováním aukce v naději, že někdo zapojí další zdroj nebo sníží poptávku. Pokud ani opakovaná aukce nevede k rovnováze, začnou ceny prudce stoupat, až jejich výše vytlačí část poptávky z trhu nebo až narazí do cenového stropu, který burzy stanovují. Na burze EPEX, která provozuje spotové trhy pro Německo a Francii, je to 3000 eur/MWh na denním trhu a 10 000 eur/MWh na trhu vnitrodenním.

Náraz do cenového stropu ovšem neřeší převis poptávky nad nabídkou. Pokud se následně situaci v síti nepovede vyrovnat podpůrnými službami nebo na vyrovnávacím trhu, musí někdo přijít zkrátka. Někdy se používá pravidlo, že každému poptávajícímu nebude uspokojena procentuální část jeho celkové poptávky. Co ale pak učiní dodavatelé elektřiny pro koncové zákazníky? Jelikož mnozí z nich nemají možnost snížit dodávky elektřiny svým zákazníkům stejným způsobem, opět tedy jen o poměrnou část, musejí některé zákazníky odříznout zcela.

Problémy: Model v ringu s realitou

Model čistě energetických trhů se scarcity prices má několik háčků. Ostatně studie, které dokazují, že může zajistit optimální investice do výrobních kapacit elektřiny, mluví o podmínkách dokonalé konkurence a dalších předpokladech. Co lze tomuto na papíře fungujícímu modelu vytknout?

Výrazné výkyvy lze očekávat zejména směrem dolů, kdy trh zaplaví elektřina z obnovitelných neflexibilních zdrojů a ceny mohou být až záporné

a) První problém je, že se scarcity prices nemáme alespoň ve střední Evropě příliš mnoho zkušeností. Ani na německé burze ani na českém trhu provozovaném OTE v posledních letech nedošlo k „nárazu“ do cenového stropu. Celý region spíše trpí nadkapacitami ve výrobě elektřiny, takže výrazné výkyvy lze očekávat zejména směrem dolů, kdy trh zaplaví elektřina z obnovitelných neflexibilních zdrojů a ceny mohou být až záporné.

b) Další problém je nabíledni. Pokud někteří odběratelé elektřiny, zejména podniky, budou nuceni omezit svou výrobu kvůli příliš vysokým cenám elektřiny, řešení problémů elektrického trhu pomocí scarcity prices povede k ekonomickým ztrátám.

  • Vodítkem k tomu, kolik by případné výpadky mohly stát, nám může být studie týmu z Hamburg Institute of International Economics. Ten vyčíslil náklady black-outu v německých regionech. Ztráty se výrazně liší podle denní doby, dne v týdnu a regionu, protože například hustota průmyslu není všude stejná. Co se týče ztrát v ekonomice, vede bavorský Rosenheim, kde sídlí německý výrobce satelitů a antén Kathrein. Každá ztracená kilowatthodina přijde v tamním hospodářství v průměru na 10,8 eura. Jen kousek po proudu Innu jsme v Altöttingu, který je přesně na opačném konci žebříčku – ztracená kWh má pro tamní ekonomiku hodnotu pouhých 0,7 eura.
  • Podíváme-li se na ztráty domácností, kraluje s 13,4 eura/kWh dolnosaský Wolfsburg, kde sídlí Volkswagen. To není náhoda, protože součástí výpočtu je mimo jiné hodnota volného času, o který výpadkem elektřiny domácnosti přijdou, a ta se odvozuje od výše mezd. Nejmenší ztráty pak vědci vypočítali pro domácnosti v zemědělských Předních Komořanech – Meklenbursku, kde najdeme řadu okresů se ztrátou okolo šesti eur/kWh.
  • Celkově největší absolutní hodinové ztráty na obyvatele dosahuje Mnichov. Pokud zde elektřina vypadne na jednu hodinu v pravé poledne, přijde každý Mnichovan o 16 eur. Pokud se tak stane v sedm ráno, kdy i během Oktoberfestu drtivá většina Mnichovanů spí, je průměrná ztráta jen sedm eur. Pro úplnost dodejme, že když hodinovou ztrátu spočítáme za celé město, nepřekvapivě vede největší německé město Berlín s celkovou ztrátou téměř 23 milionů eur při hodinovém výpadku v poledne.

c) Tento problém je úzce provázaný s tím předchozím. Je hezké, že model se scarcity prices, cenami v nedostatku, funguje a vlastně i value of lost load, alias ztráta v důsledku nedostatku elektřiny, k němu tak nějak patří. Avšak vyžaduje to značnou politickou odvahu, aby se politik postavil před národ a hájil systém, jehož pevnou a žádoucí součástí jsou nedobrovolná omezení odběru elektřiny a ceny dosahující 3000 eur/MWh, ne-li více.

d) Není ani stoprocentně jisté, že scarcity prices budou dostatečné, aby se investice do nových elektráren vyplatily. Values of lost load, tedy ztráty spotřebitelů způsobené nedobrovolným snížením poptávky, totiž nijak nesouvisejí s investičními náklady nových elektráren. To dále komplikují cenové stropy na některých burzách. Navíc, i kdyby scarcity prices vedly k novým investicím, zvýšená nabídka elektřiny povede k jejich vymizení. Budeme opět tam, kde jsme dnes – existence dostatečných výrobních kapacit a současně hrozící bankrot některých z nich.

Teoreticky by mohlo dojít k dlouhodobé stabilizaci systému, kdyby se podařilo nedostatek výrobních kapacit udržovat ve velmi úzkém pásmu

Teoreticky by mohlo dojít k dlouhodobé stabilizaci systému, kdyby se podařilo nedostatek výrobních kapacit udržovat ve velmi úzkém pásmu. Scarcity prices na burze by byly dostačující pro nové investice, ale současně by zřídka docházelo k fyzickým výpadkům (nebo nejlépe vůbec). Riziko, že se systém bude spíše potácet mezi nedostatkem kapacit a jejich přebytkem, je ale značně vysoké.

To si myslí i autoři studie o kapacitních mechanismech z hamburského institutu Arrhenius für Energie- und Klimapolitik, kteří se scarcity prices obšírně zabývají. Dodávají ovšem, že poslední slovo mají zainteresované strany, včetně politiků, aby rozhodly, jak významnou roli má hrát jistota dodávek. Třeba si na život s nedobrovolným omezením spotřeby zvykneme.

e) Na papíře funkční systém by nebylo snadné uvést do praxe. Současné trhy dobře neumožňují vzdát se spotřeby elektřiny – většina odběratelů má dlouhodobé smlouvy, které nejsou časově flexibilní. Možnost vzdát se spotřeby zatím mají jen velké podniky, které jsou aktivní na burze a jsou samostatnými subjekty zúčtování. Teprve rozsáhlá přestavba elektrických sítí spojená se zavedením inteligentních měřičů odběru, domácích spotřebičů schopných reagovat na tržní situaci a flexibilních tarifů by vedla k průlomu.

Nějakému typu chytřejších sítí se stejně nevyhneme, protože kromě možného problému nedostatečných kapacit budeme muset řešit stabilitu sítě jako takové

Není jasné, jestli vybudování této infrastruktury je levnější než například prosté postavení nových elektráren. Na druhou stranu nějakému typu chytřejších sítí se stejně nevyhneme, protože kromě možného problému nedostatečných kapacit budeme muset řešit stabilitu sítě jako takové.

f) Systém je značně nevypočitatelný. Odhadnout, jak často a v jaké výši se scarcity prices objeví, není snadné. To snižuje atraktivitu nových investic. Konstantní, i když třeba nižší příjem by byl vhodnější. Už nyní příjmy zdrojů, které běží jen ve špičce, z roku na rok extrémně kolísají – viz následující graf. Výrobní jednotky s variabilními náklady 100 dolarů/MWh, tzv. špičkové elektrárny pro pokrytí spotřeby ve špičkách (peak units), mají šestkrát vyšší rozkolísání příjmů než jednotka s variabilními náklady na úrovni 25 dolarů/MWh, tzv. elektrárny pro základní vytížení (baseload units). Mimoto scarcity prices pomáhají hlavně stávajícím elektrárnám, protože po připojení nových zdrojů jejich četnost a výše poklesne.

Rozdílní ježkové: Simulace hodinových příjmů pro špičkové elektrárny (peak units) a elektrárny pro základní zatížení (baseload units) podle dynamiky spotových cen na německé burze EEX

Rozdílní ježkové: Simulace hodinových příjmů pro špičkové elektrárny (peak units) a elektrárny pro základní zatížení (baseload units) podle dynamiky spotových cen na německé burze EEX.

Pramen: Reliability payments to generation capacity in electricity markets, Olsina et al., Energy Policy 73 (2014)

g) Scaricty prices vytvářejí dobré podmínky pro zneužití tržního postavení. Zejména na malých anebo koncentrovaných trzích mohou někteří producenti elektřiny uměle omezovat svou nabídku. Scarcity prices, které získají za prodaný zbytek své elektřiny, jim totiž plně vynahradí nižší prodané množství elektřiny. Je otázka, zdali bychom byli schopni tuto tržní manipulaci odhalit a případné pachatele usvědčit z odstavení svých elektráren bez objektivních důvodů.

Decentralizace může mít kladný efekt v podobě větší stability sítě, ale snížení poptávky na burze opět povede k postupnému vymizení scarcity prices

h) V neposlední řadě mohou scarcity prices dohnat některé spotřebitele k reakci, která se v konečném součtu ekonomice nemusí vyplatit. Provozovatel mrazících boxů z našeho příkladu si například může pořídit záložní dieselový generátor, jehož náklady budou menší, než kolik by ztratil znehodnocením zboží. Roztroušená výroba v generátorech nemusí být pro celou ekonomiku tak výhodná jako výroba v menším počtu zdrojů, které využívají úspory z rozsahu. Sice tato decentralizace může mít kladný efekt v podobě větší stability sítě, ale snížení poptávky na burze opět povede k postupnému vymizení scarcity prices. Začarovaný kruh se opět uzavírá.

Závěrečný účet

Model čistě energetických trhů počítá s tím, že v některých hodinách dochází k takzvaným scarcity prices, které jsou vyšší než variabilní náklady i té nejdražší elektrárny v systému.

Scarcity prices ovšem znamenají, že část poptávky není uspokojena. Někteří odběratelé přicházejí zkrátka.

Nerovnováha na trhu zvyšuje pravděpodobnost nekontrolovaných výpadků (black-out, brown-out).

Cenový strop není řešením, situaci jen činí méně politicky výbušnou. Naopak vyvstává problém jeho správného nastavení.

Systém se scarcity prices lze na malých trzích anebo trzích s nedokonalou konkurencí zneužít, když někteří provozovatelé úmyslně omezí svojí nabídku.

Časový přesun spotřeby není řešením, protože nově dosažená rovnováha znamená, že opět jsou pokryty jen variabilní náklady nejdražší potřebné elektrárny, nikoli její fixní náklady.

Scarcity prices jsou jen těžko predikovatelné, což omezuje investice do nových výrobních kapacit.

Celý systém je značně náchylný k tzv. reboud-effectu (začarovaný kruh). Systém se na nějaký čas vyrovná, scarcity prices zmizí a jsme tam, kde jsme byli. To dále snižuje predikovatelnost scarcity prices v budoucnosti.

Ze scarcity prices profitují hlavně již stojící elektrárny. Ty nové méně, protože právě jejich uvedením do provozu se scarcity prices sníží. Dlouhodobě rovnovážný systém se scarcity prices „tak akorát“ by patrně vyžadoval značné plánování, které je jen stěží slučitelné s volnými trhy.

Politicky je tento systém hůře hájitelný.

  • Čistě energetické trhy problém možného nedostatku flexibilních zdrojů elektřiny v budoucnu neřeší, nebo jen s obtížemi. V příštím článku proto pojednám o kapacitních mechanismech, které by měly návratnost investic do těchto zdrojů zajistit.