Obnovitelná elektřina není černý pasažér

Zásoby uhlí, ropy, zemního plynu a přírodního uranu jsou konečné, odhaduje se, že vydrží od desítek po stovky let, podle druhu suroviny. Energie slunce, vody, větru a případně geotermální energie proto představují nové možnosti a také velkou výzvu do budoucnosti. Jsou prakticky nevyčerpatelné, snižují dovozní závislost a jejich využívání je ekologicky šetrné. Navíc iniciují potřebu vyvíjet a rozvíjet nové technologie k zužitkování jejich potenciálu, což bude mít kladný vliv na zaměstnanost a regionální rozvoj. Plány na využití obnovitelných zdrojů jsou skutečně velké, stačí jmenovat například projekt energeticky propojené části Evropy, Asie a Afriky – Supergrid či projekt na využití solární energie v severní části Afriky DESERTEC.

Evropská unie jasně dává obnovitelným zdrojům zelenou, v kontextu s celosvětovou snahou o snižování produkce emisí, zejména CO₂. Evropa si vytyčila kolektivní cíl, a to dosáhnout do roku 2020 více než 20% podílu energie z obnovitelných zdrojů na hrubé konečné spotřebě energie v rámci celé Evropské unie. K dosažení tohoto cíle se různými podíly zavázaly všechny členské státy včetně České republiky. Pro každou členskou zemi je stanovena individuální hodnota, vycházející z podmínek každé země. Konkrétní podíly a časové horizonty budou stanoveny v Národním akčním plánu, který by Evropská komise měla schvalovat v druhé polovině letošního roku. Česká republika by měla dosáhnout podílu ve výši 13 %.

Zdá se, že energie z obnovitelných zdrojů skýtá velkou naději, že lidstvo nezůstane bez elektřiny. V Severním a Baltském moři vyrůstají další příbřežní (offshore) větrné parky, na jihu Evropy přibývají sluneční elektrárny. Fotovoltaika zažívá v České republice opravdový boom. Žádosti o připojení fotovoltaických elektráren do sítě rostou téměř geometrickou řadou. A energetici začínají varovně zvedat prst.

Podstatou je vyrovnaná bilance

Elektroenergetika funguje na principu vyrovnané bilance výroby a spotřeby, kdy výrobu určuje spotřeba. Nelze vyrobit více energie, než se jí spotřebuje. A každá technická infrastruktura je schopna absorbovat konečné množství fyzikálních transakcí. Energie z obnovitelných zdrojů má – kromě výše zmíněných výhod – také jednu velkou nevýhodu: obtížně predikovatelný a přerušovaný charakter výroby. Pro připojený výkon ze zdrojů s přerušovanou výrobou musí být v provozu nezbytné množství regulačních záloh, aby byl zabezpečen rezervní výkon umožňující reagovat na výkyvy spotřeby a poruch ve výrobě.

Pro vyrovnávání výroby se spotřebou v reálném čase jsou nutné odpovídající nástroje, tzv. podpůrné služby. V každém okamžiku musí být k dispozici dostatek zdrojů na tzv. regulační výkon, který je součástí podpůrných služeb. V současné době jej poskytují bloky jaderných, uhelných, plynových a vodních elektráren, a to pouze tehdy, jsou-li v provozu. Zároveň přitom musejí zajišťovat pokrytí základního zatížení soustavy. V současnosti se na celkově výrobě elektřiny podílejí jaderné elektrárny 33 %, klasické uhelné 60 %, vodní 3,5 % a ostatní (plynové, biomasa, sluneční a větrné) pak zbylými 4 %. Výstavba elektráren poskytujících podpůrné služby a jejich připojení do přenosové nebo distribuční soustavy trvá z důvodu zdlouhavých povolovacích procedur podstatně déle než vybudování fotovoltaických nebo větrných elektráren. Navíc výstavbu elektráren poskytujících podpůrné služby nemůže nikdo nikomu nařídit.

Technický limit elektrizační soustavy

V každé elektrizační soustavě existuje technický limit regulace soustavy – tedy limit určující hranici bezpečného a spolehlivého provozu elektrizační soustavy. Je dán dostupností regulačních záloh v soustavě. Pro dodávku z neregulovatelných obnovitelných zdrojů (větrné – VTE a fotovoltaické elektrárny – FVE) je podle Studie EGÚ Brno, a. s., pro elektrizační soustavu ČR limitující hodnota 1650 MW soudobě vyráběného výkonu z obnovitelných zdrojů pro roky 2010– 2012, pro roky 2013–2015 je tato hodnota 2000 MW.

Přání versus možnosti

Z podkladů od distribučních společností vyplývá, že součet potenciálního výkonu k 31. lednu 2010 je 8063 MW (5277 MW ve FVE a 2 786 MW ve VTE). Tento údaj vyplývá z množství již vydaných kladných stanovisek pro připojování fotovoltaických a větrných elektráren. Prakticky to znamená, že v současné době je povoleno 5277 MW výkonu ve fotovoltaice, přičemž distribuční společnosti předpokládají, že do konce roku 2010 bude z tohoto objemu instalováno 1682 MW. Ke konci ledna 2010 byly do elektrizační soustavy připojeny fotovoltaické a větrné zdroje o výkonu 672 MW, z nichž 487 MW představují FVE a zbylých 185 VTE.

Roční maximum spotřeby v České republice bylo letos v lednu 11 200 MW, minimum vloni v srpnu bylo zhruba poloviční. Fotovoltaické elektrárny budou mít nejvyšší výkon právě v létě, kdy je nejmenší spotřeba a minimální hodnoty zatížení v ES. Může dojít k tomu, že OZE ze systému vytlačí zdroje poskytující podpůrné služby, což může vést až ke zhroucení systému, tzv. blackoutu. Právě technický limit byl spolu s povinností zabezpečit plynulou dodávku elektřiny a také rovnováhu mezi výrobou a spotřebou v každém okamžiku impulsem k tomu, že provozovatel přenosové soustavy České republiky společnost ČEPS požádala distribuční společnosti o pozastavení vydávání kladných stanovisek k připojení dalších neregulovatelných zdrojů – fotovoltaických a větrných elektráren – do soustavy. Nevhodnou implementací této moderní technologie může vznikat v elektrizační soustavě místo přínosu očekávaného veřejností chaos, jehož potlačení povede ke zvýšeným nárokům na objem regulačních výkonů. Regulační možnosti však nejsou v soustavě neomezené, a také nejsou zadarmo.

Masivní nárůst FVE je výsledkem výrazného (až 40%) poklesu pořizovacích nákladů a zachování vysokých výkupních cen elektřiny vyrobené z FVE. Ve srovnání s ostatními zdroji zde narážíme na poněkud nerovné podmínky: povinnost vykupovat, povinnost přednostně připojit, povinnost přednostně využívat a nadtržní výkupní ceny/bonusy. Při střízlivém odhadu úspěšnosti realizace fotovoltaických a větrných elektráren, které jsou již povolené, lze předpokládat, že již v roce 2012 bude jenom z těchto zdrojů vyrobeno zhruba 3500 GWh. Samozřejmě se bude elektřina vyrábět i z biomasy a ostatních obnovitelných zdrojů. Na základě těchto předpokladů lze očekávat, že závazek ČR bude do roku 2020 naplněn a velmi pravděpodobně překročen.

Hrozí nám krok do tmy?

Elektřina však není záležitostí regionální ani státní, nýbrž celoevropskou. Evropa je energeticky propojená a problém jedné země může mít lavinový dopad na ostatní. Od počátku rozvoje elektrizace docházelo k integraci izolovaných regionálních nebo městských soustav do rozsáhlejších, synchronně pracujících celků. Na území bývalého Československa byla jednotná propojená soustava vybudována v polovině padesátých let minulého století a propojena se svými „východními“ sousedy. V současnosti je Česká republika součástí jednoho z největších synchronních propojení na světě – kontinentální zóny ENTSO-E, zahrnující území od Portugalska po Polsko a od Dánska po Řecko. Tato fyzikální integrace sítí má výhody v umožnění mezinárodního obchodu s elektřinou a v provozní spolupráci mezi národními soustavami, takže je možno bezpečně připojit nesrovnatelně více zdrojů s přerušovanou výrobou, jako jsou fotovoltaické a větrné elektrárny, než v případě izolovaných soustav.

Musíme si však uvědomit i rub těchto výhod. Elektřina není prakticky skladovatelná – jen pomocí přečerpávacích vodních elektráren, a to s krátkodobým využitím. Synchronní elektrizační soustava se chová jako jeden kompaktní fyzikální systém, ve kterém se elektrický impulz (tedy i impulz poruchy) šíří prakticky „nekonečnou“ rychlostí – v řádu např. desetiny rychlosti světla. V každém okamžiku musí být v systému vyrovnaná bilance výroba – spotřeba. Tedy, výroba je zásadně určována okamžitou spotřebou. Pokud rovnováha není zachována, dochází k fluktuacím nominální frekvence 50 Hz. Odchylky od této hodnoty vedou k poklesu kvality dodávané elektřiny a při hrubějším nedodržení 50 Hz v soustavě jsou automaticky odstavovány výrobní zdroje, resp. spotřeba. V extrémních situacích může dojít k rozpadu soustavy na velkých územích, resp. ke stavu blackout tzv. dominovým efektem – a to velmi rychle.

Je zřejmé, že tento problém nelze marginalizovat. Provozovatelé přenosových soustav intenzivně spolupracují na mezinárodní úrovni a mají připravenu řadu koordinačních opatření, jak předcházet kritickým stavům v propojené soustavě. Celý sektor je však poslední dobou konfrontován s novými skutečnostmi, které podstatně ovlivňují spolehlivou dodávku elektrické energie spotřebitelům. A „raketový“ nárůst fotovoltaických zdrojů v České republice je jedním z nových faktorů, který zásadně ovlivní bezpečný provoz sítě.