Jak rozetnout elektrárenský gordický uzel

Nárůst obnovitelných zdrojů podstatně změní nároky zejména na konvenční zdroje elektřiny. Nepodaří-li vyřešit velkokapacitní akumulaci elektřiny, bude energetika budoucnosti potřebovat daleko více flexibilních zdrojů elektřiny.

Jakub Kučera 23.5.2015
Obnovitelné zdroje energie (ilustrační obrázek). | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy Obnovitelné zdroje energie (ilustrační obrázek). | foto: Alessandro CanuČeská pozice
Obnovitelné zdroje energie (ilustrační obrázek). | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy

Rozvoj obnovitelných zdrojů elektřiny (OZE) má nepochybné klady. Snižuje emise skleníkových plynů a naší závislost na energetických dodávkách z politicky problematických zemí. Zelená elektřina také není spojena s nevratnými zásahy do krajiny, ani si v jejím případě nemusíme lámat hlavu s radioaktivním odpadem.

Je tu ale i druhá strana mince a nemusí to být zrovna nepěkný pohled na „solární pole“ a lesy větrných turbín. V tomto textu se zaměříme na jiný problém spojený s nárůstem OZE: na nestabilitu dodávek z těchto zdrojů.

Když se slunce schová

Protože se odběr elektřiny zatím příliš nemění v závislosti na její ceně, značně kolísá potřeba výrobních zdrojů potřebných k vyvážení těch zelených, neflexibilních

O nulové flexibilitě dvou hlavních zdrojů zelené elektřiny, tedy slunce a větru, dnes ví asi už každý. Větru ani slunci člověk stále neporučí. Protože se odběr elektřiny zatím příliš nemění v závislosti na její ceně, značně kolísá potřeba výrobních zdrojů potřebných k vyvážení těch zelených, neflexibilních.

Tento fenomén je dobře pozorovatelný v Dánsku, kde výroba z větrných elektráren občas převýší celou tamní spotřebu. Zatímco křivka dánské spotřeby na následujícím grafu připomíná úhledný vysočinský hřebínek, po odečtení výroby z větru dostaneme alpské panorama protkané soutěskami.

Dánská spotřeba elektřiny v roce 2014

Dánská spotřeba elektřiny v roce 2014.

Dánská spotřeba elektřiny minus výroba z větrných elektráren

Dánská spotřeba elektřiny minus výroba z větrných elektráren.

Pramen: Energinet.dk (převzato od Paula-Frederika Bacha, www.pfbach.dk)

Od Vysočiny k Alpám

S nárůstem OZE se problém bude jen zvětšovat. Zajímavým úkazem v tomto ohledu bylo nedávné částečné zatmění slunce. Na většině německého území k němu došlo na azurovém nebi, takže tamní výroba elektřiny ze solárních panelů rychle a výrazně poklesla. Podle mnohých energetiků to byla dobrá ukázka, s jakými výkyvy se německá síť bude potýkat v roce 2030.

S nárůstem OZE se problém bude jen zvětšovat. Zajímavým úkazem v tomto ohledu bylo nedávné částečné zatmění slunce.

Dnes mají Němci nainstalováno přes 35 GW solárních panelů a stejně větrníků, přičemž výkon jednoho temelínského reaktoru je přibližně 1 GW. V roce 2030 by to podle studie Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik mohlo být už 58 GW solárních panelů, 71 GW větrníků na souši a dalších 15 GW na moři. Pokud totiž v roce 2014 obnovitelné zdroje vyrobily celkem čtvrtinu německé spotřeby elektřiny, za patnáct let by to podle přání spolkové vlády měl být už polovina.

Hlavní podíl na nárůstu připadne na nestabilní vítr a slunce, takže výkyvy ve výrobě narostou odpovídajícím způsobem. V minulém roce se během jedné hodiny výroba ze solárních panelů změnila maximálně o sedm GW. V roce 2030 by to podle uvedené studie mohlo být až 15 GW. Podobně tedy jako při nedávném zatmění.

Následující graf ukazuje simulaci extrémních dnů v roce 2030. Jasně vidíme, že celkový výkon neflexibilních „zelených“ elektráren nejvíce ovlivňují solární panely. Fialová křivka, zobrazující změnu celkového výkonu během jedné hodiny, v grafech tancuje, jak žluté slunce píská.

Jak si slunce píská: Německá elektrická síť v roce 2030

Jak si slunce píská: Německá elektrická síť v roce 2030.

Pramen: Die Sonnenfinsternis 2015: Vorschau auf das Stromsystem 2030, Agora-Energiewende, březen 2015

Dobře to demonstruje horní graf pro březnový čtvrtek, protože vítr vane po celý den více méně rovnoměrně. Simulace srpnového pátku pak ukazuje, co způsobí svítání doprovázené sílícím větrem. Během jedné hodiny se v elektrické síti objeví 15 GW, jako kdyby z nuly na plný výkon najelo sedm a půl Temelínu.

Elektrárenští gepardi

Nárůst obnovitelných zdrojů podstatně změní nároky na ostatní, zejména konvenční zdroje elektřiny

Nárůst obnovitelných zdrojů podstatně změní nároky na ostatní, zejména konvenční zdroje elektřiny. V roce 2013 musely během jedné hodiny svůj výkon zvýšit nebo snížit o více než pět GW 250krát. V roce 2030 to bude již 800krát, v průměru tedy více než dvakrát denně. Pokud se nepodaří vyřešit velkokapacitní akumulaci elektřiny, bude energetika budoucnosti potřebovat daleko více flexibilních zdrojů elektřiny. Místo těžkých nosorožců, kteří jsou sice schopni dlouho běžet, ale činí jim problém se rychle rozběhnout, případně zastavit, to bude chtít mrštné gepardy.

Takovým gepardem jsou nepochybně plynové turbíny, které ze studeného stavu dosáhnou plného výkonu za méně než pět minut a během pěti minut mohou svůj výkon snížit o 40 procent. O něco hůře jsou na tom paroplynové elektrárny, jimž náběh na plný výkon trvá čtyři hodiny a během pěti minut jsou schopné svůj výkon změnit asi o desetinu. Mají ale nižší energetické ztráty a stále jsou flexibilnější než například hnědouhelné elektrárny, o jaderných elektrárnách ani nemluvě. A existuje potenciál tyto zdroje ještě více „zrychlit“ – viz následující tabulka.

Z nosorožců gepardy: Flexibilita fosilních zdrojů elektřiny
černé uhlí hnědé uhlí paroplyn.
elektrárna
plynová
turbína
 nynípotenciálnynípotenciálnynípotenciálnynípotenciál
minimální
výkon
(MW)
400200600400500300500200
maximální
změna
během
5 min
(MW)
7530050200100400400750
doba nutná
k dosažení
100% výkonu
ze studeného
stavu (h)
10410645˂ 0,1

Poznámka: U prvních dvou kategorií vždy k 1000 MW.
Pramen: 12 Thesen zur Energiewende (2. vydání), Agora-Energiewende, únor 2013

Uzel se stahuje

Pomalu se dostáváme ke gordickému uzlu současného elektrárenství. Vhodná technologie sice existuje a může se objevit nějaká další, ale není jasné, kdo gepardy postaví, případně zaplatí jejich další zeštíhlení. Při současném nastavení trhů to není vůbec samozřejmé. Rozkolísaná elektrická síť gepardy sice potřebuje, ale současné ceny na burze, které jsou sráženy dolů obnovitelnými zdroji, neumožňují jejich častý provoz. Těžko si proto na sebe vydělají. Následující graf zachycuje, jak v Německu postupně klesá vytížení plynových elektráren. OZE tedy blokují stavbu něčeho, co ke své existenci samy potřebují – gordický uzel par excelence.

Smrt gepardů: Vytíženost elektráren v Německu

(maximum je 8760 hodin plného výkonu)

Smrt gepardů: Vytíženost elektráren v Německu.

Poznámka: 2014 – předběžné údaje
Pramen: BDEW

Na burzách s elektrickou energií se nyní uplatňuje tzv. merit order, kdy výslednou cenu za megawatthodinu určí variabilní náklady nejdražší elektrárny, která musí být ještě zapnuta, aby se v dané hodině pokryla spotřeba. Zní to složitě, ale není. Výrobci elektřiny pro danou hodinu nahlásí své nabídky, tedy kolik elektřiny a při jaké ceně jsou ochotni vyrobit. Dejme tomu, že při ceně 20 eur/MWh to bude 100 MWh, při ceně 40 eur/MWh už 300 MWh a při ceně 60 eur/MWh dokonce celých 500 MWh.

Současně svou poptávku zadají obchodníci, kteří elektřinu chtějí nakoupit. Ti sice rovněž určují, kolik elektřiny nakoupí a za jakou cenu, ale protože poptávka po elektřině je značně stabilní, nezávislá na ceně, můžeme proces zjednodušit – prostý součet poptávané elektřiny určí její cenu.

Protože je poptávka po elektřině značně stabilní, nezávislá na ceně, můžeme proces zjednodušit – prostý součet poptávané elektřiny určí její cenu

Pokud v našem případě bude potřeba 300 MWh, bude cena 40 eur. To znamená, že svou elektřinu prodají elektrárny, které nabídly proud vyrobit za cenu 40 eur a nižší. Pokud by byla spotřeba vyšší, třeba oněch 500 MWh, cena by vystoupala na 60 eur a více elektrárnám by se vyplatilo vyrábět. Všichni, kteří elektřinu prodali, dostanou onu výslednou, rovnovážnou cenu. Při výsledné ceně 40 eur/MWh, dostanou tedy producenti, kteří vyrábějí například jen za 20 eur/MWh, více, než činí jejich variabilní náklady.

Situaci v Německu přibližně ukazuje následující graf. Jednotlivé technologie pro výrobu elektřiny jsou zde seřazeny podle svých variabilních nákladů (osa y zobrazuje variabilní náklady, osa x nainstalovanou kapacitu pro danou technologii). Výsledná oranžová nabídková křivka (merit-order curve) ukazuje, že nejnižší, takřka nulové variabilní náklady mají solární a větrné elektrárny. Následují atomové, hnědouhelné a černouhelné elektrárny. Nejdražší je pak provoz plynových elektráren a turbín spalujících ropu.

Úkrok vpravo: Trh s elektřinou a obnovitelné zdroje

Úkrok vpravo: Trh s elektřinou a obnovitelné zdroje.

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

Na grafu také vidíme, jak se na trhu projevil rozvoj obnovitelných zdrojů s nulovými variabilními náklady. Celá křivka merit-order se posunula doprava, což vedlo k posunutí jejího průsečíku s poptávkou. Výsledkem je o něco nižší cena na trhu a vytěsnění některých konvenčních zdrojů.

Na fixní náklady také musíme vydělat

Menší potřeba špinavých konvenčních zdrojů je dobrá zpráva (nebudeme řešit, jestli náklady tohoto kroku jsou přijatelné, a nárůst OZE budeme brát jako neměnný fakt). Háček je ovšem v tom, že zatím jsme mluvili jen o variabilních nákladech (někdy též marginální, mezní náklady). To jsou náklady, které potřebujete na zvýšení výroby o jednu megawatthodinu. U klasických elektráren jde především o cenu paliva a emisních povolenek, jejichž cena je nyní ale velmi nízká. U větrných elektráren a solárů jsou tyto náklady de facto nulové (u větrných turbín připadá v úvahu třeba častější údržba, pokud jsou provozu).

Co ale náklady na vybudování energetického zdroje anebo náklady, které s konkrétní výší výroby nesouvisejí, například na personál elektrárny?

Co ale náklady na vybudování energetického zdroje anebo náklady, které s konkrétní výší výroby nesouvisejí, například na personál elektrárny? Přece nebudeme zaměstnance obden propouštět a zase najímat? Tyto takzvané fixní náklady jsou jistou slabinou současného nastavení trhů. Aby se vám tyto náklady pokryly, musíte po dostatečně dlouhou dobu, evidentně nikoli párkrát za rok, vyrábět za méně, než je cena elektřiny na burze.

Výjimku představují dotované obnovitelné zdroje, u nichž garantovaná výkupní cena pokryje i fixní náklady, zcela nezávisle na ceně na burze. Nejen že flexibilní zdroje, například elektrárny na plyn, mají obecně vyšší variabilní náklady, ale jak se snižuje doba, po kterou se je vyplatí provozovat, roste cena potřebná k pokrytí jejich celkových nákladů, tedy včetně fixních. Následující graf zobrazuje, jak s klesající vytížeností uhelných a plynových elektráren stoupá cena megawatthodiny potřebná pro pokrytí jejich celkových nákladů. Náš gordický uzel se dále zamotává.

Celkové průměrné náklady u plynu a uhlí
Graf rozlišuje situaci při cenách emisních povolenek ve výši 0 eur a 30 eur za emitovanou tunu

Celkové průměrné náklady u plynu a uhlí.

Poznámka: plyn = paroplynová elektrárna.
Pramen: Sven Bode (arrhenius Institut für Energie- und Klimapolitik), prezentace (Praha, listopad 2014)

Hledá se hrdina

Hledat by se dle Evropské komise měla taková řešení, která „co nejméně narušují přeshraniční obchod (elektřinou) a fungování jednotného vnitřního trhu“

Systém zatím funguje a nedostatek elektřiny bezprostředně nehrozí. Avšak kvůli nízkým příjmům hrozí, že nikdo nepostaví nové plynové elektrárny a některé stávající mohou být uzavřeny. Jejich stavba sice není tak nákladný a dlouhý proces jako u atomových reaktorů, přesto se může stát, že v budoucnu budou flexibilní zdroje náhle chybět. Zejména když jich kvůli nárůstu OZE bude potřeba více. Pokud se chceme vyhnout jejich nedostatku v budoucnosti, musíme najít obdobu Alexandra, který podle legendy uzel v maloasijském Gordiu rozsekl.

Takovým hrdinou může být nastavení trhů s elektřinou, které investice do flexibilních zdrojů podpoří. Této pro současnou energetiku velké výzvy si je vědoma i Evropská komise, která vyzvala členské země, aby odpovídající trhy vybudovaly. Výslovně uvedla, že pokud vyvstanou problémy s neadekvátností energetického mixu a výslednou nestabilitou dodávek, mohou státy zavést mechanismy, které by odpovídající investice přímo podpořily. Hledat by se přitom měla taková řešení, která „co nejméně narušují přeshraniční obchod (elektřinou) a fungování jednotného vnitřního trhu“. Úkol zní jasně, teď jen najít ideální mechanismus.

  • Poznámka: Tímto textem není téma ani zdaleka vyčerpáno. V následujících příspěvcích se autor bude mimo jiné zabývat otázkou, zda by současné nastavení trhů s elektřinou přece jen nemohlo problém řešit, anebo jaké další možnosti máme k dispozici.