Aktuální číslo:

2018/2

Téma měsíce:

Bionika

Obnovitelná elektřina není černý pasažér

6. 5. 2010
 |  Vesmír 89, 320, 2010/5
komerční prezentace

Elektřina se stala pro naši civilizaci samozřejmostí. Většina lidí se proto příliš nezabývá otázkou, kde ji brát. O to více problém doléhá na energetiky, kteří jsou a stále více budou konfrontováni s otázkou zajištěnosti zdrojů, z nichž lze elektřinu vyrobit. A také jak ji bezpečně dopravit od elektráren do zásuvek.

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.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Energetika

Doporučujeme

Návrat Široka

Návrat Široka

Pavel Pipek  |  9. 2. 2018
Zpráva, která na mě právě vyskočila na Twitteru, by asi většinu Evropanů nechala chladnou, ale mé srdce buší tak, že mám chuť okamžitě vyskočit z...
Rytíř našich vod

Rytíř našich vod

Marek Janáč  |  5. 2. 2018
Na stěně ve své kanceláři má vystavené krunýře velkých raků. Za jeho pracovní židlí v akváriu rak. V knihovně knihy o racích a v laboratoři ve...
O kvantových počítačích a šifře RSA

O kvantových počítačích a šifře RSA uzamčeno

Jiří Poš  |  5. 2. 2018
značným příslibem pro výpočetní systémy budoucnosti je rozvíjející se obor kvantových počítačů. Představují naději, že eliminují některá vážná...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné