Fotovoltaika ve světle budoucnosti

Energetickou veřejností letos hýbe jedno velké téma: fotovoltaika a energie vyrobená z obnovitelných zdrojů. Diskusi odstartoval provozovatel přenosové soustavy – společnost ČEPS – když počátkem února zaslal distribučním společnostem dopis, v němž je žádá o pozastavení vydávání kladných stanovisek k žádostem o připojení dalších nových větrných a fotovoltaických elektráren.

Distribuční společnosti žádostem vyhověly, což vyvolalo vlnu odporu jak zastánců "zelené energie", tak asociací sdružujících "výrobce zelené energie" a v neposlední řadě i soukromých osob, které buď sluneční kolektory na střeše svého domku již mají, nebo je chtějí mít a žádají o povolení k jejich instalaci. Co bylo důvodem k tomuto kroku, když celá Evropa i Česká republika dává energii z obnovitelných zdrojů zelenou?

Rovnováha v každém okamžiku

Elektroenergetika funguje na principu vyrovnané bilance výroby a spotřeby, kdy výrobu určuje spotřeba. Nelze vyrobit více energie, než se jí spotřebuje. Elektřina není prakticky skladovatelná – jen pomocí přečerpávacích vodních elektráren, a to s krátkodobým využitím. A každá technická infrastruktura je schopna absorbovat konečné množství fyzikálních transakcí. Energie z obnovitelných zdrojů má jednu velkou nevýhodu: obtížně předvídatelný 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.

Přání versus možnosti

Z podkladů od distribučních společností je známo, že součet potenciálního výkonu z obnovitelných zdroj k 31. lednu 2010 je 8063 MW (5277 MW ve fotovoltaických a 2786 MW ve větrných elektrárnách). Tento údaj vyplývá z množství již vydaných kladných stanovisek pro připojování těchto 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 jsou do elektrizační soustavy připojeny fotovoltaické (FVE) a větrné (VTE) zdroje o výkonu 672 MW, z nichž 487 MW představují FVE a 185 VTE.

Obr. 1. Vývoj brutto výroby od r. 1984

PE – parní elektrárny, VE+PVE – vodní a přečerpávací elektrárny, JE – jaderné elektrárny, PPE+PSE – paroplynové, plynové a spalovací elektrárny

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 elektrizační soustavě. Může dojít k tomu, že tyto elektrárny ze systému vytlačí zdroje poskytující podpůrné služby, což může vést až ke zhroucení elektrizačního systému. Jak vidno, nevhodnou implementací této technologie může vznikat v elektrizační soustavě místo přínosu chaos, jehož potlačení povede ke zvýšeným nárokům na objem regulačních výkonů včetně výrazného nárůstu nákladů na nákup regulačních služeb.

Obr. 2. Elektřinu z fotovoltaických elektráren vyrobenou v letní neděli nelze v ČR spotřebovat

PE – parní elektrárny, PVE – přečerpávací elektrárny, VE – vodní elektrárny, PPE+PSE – paroplynové, plynové a spalovací elektrárny, ZE – závodní elektrárny, JE – jaderné elektrárny, FVE – fotovoltaické elektrárny

Technický limit elektrizační soustavy

V každé elektrizační soustavě existuje technický limit regulace soustavy – tedy limit určující hranici bezpečného a spolehlivého provozu soustavy. Je dán dostupností regulačních záloh v soustavě. Pro dodávku z neregulovatelných obnovitelných zdrojů (větrné a fotovoltaické elektrárny) je 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. Stávající platná legislativa ukládá společnosti ČEPS zodpovědnost za bezpečný a spolehlivý provoz celé elektrizační soustavy ČR, tedy že provozovatel přenosové soustavy v každém okamžiku musí dispečersky udržovat rovnováhu mezi výrobou a spotřebou elektřiny. Právě technický limit byl spolu s povinností zabezpečit plynulou dodávku elektřiny a také rovnováhu mezi výrobou a spotřebou impulsem k tomu, že společnost ČEPS začala na problém upozorňovat.

Celou problematiku by částečně pomohl řešit export elektřiny vyrobené z fotovoltaických elektráren. Musel by však existovat obchodník, který bude schopen tento záměr zrealizovat. Současní vlastníci, a jsou jich zde stovky, asi nebudou schopni jako jednotlivci export realizovat. Pohodlnější je pro ně využít povinnosti distributorů jejich elektřinu vykoupit. Distribuční společnosti ovšem s elektřinou obchodovat ze zákona nemohou. Společnost ČEPS se proto snaží prosadit nový model výkupu, který by pomohl a zjednodušil obchodování s tímto typem elektřiny. Model nepočítá s omezováním výroby z OZE v nepříznivých obdobích roku.

Elektřina je záležitostí celoevropskou

Elektřina však není záležitostí regionální ani státní, nýbrž celoevropskou. V současnosti je Česká republika součástí jednoho z největších synchronních propojení na světě – kontinentální zóna ENTSO-E, zahrnující území od Portugalska po Polsko a od Dánska po Řecko. Energetická propojenost znamená, že problém jedné země může mít lavinový dopad na ostatní. 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. 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.

Jako příklad může sloužit sousední Německo, kde mají obrovské potíže na severním pobřeží s připojováním dalších větrných parků. Problémem je odvedení elektřiny vyráběné ve větrných parcích do míst spotřeby ve středním Německu. Výroba větrných elektráren na severu Německa pak přetěžuje linky provozovatelů přenosových soustav Polska, Slovenska, ČR, Holandska, Belgie, Švýcarska.

Ve Španělsku, které je uváděno jako příklad "fotovoltaického státu", je zásadní rozdíl ve skladbě a regulovatelnosti výrobních zdrojů (oproti České republice). V relativně větších soustavách, navíc s daleko větším podílem operativních vodních, plynových a naftových zdrojů, může provozovatel přenosové soustavy povolit vyšší podíl zdrojů s přerušovanou výrobou (větrné a fotovoltaické zdroje) a přitom garantovat stejnou bezpečnost provozu.

Nastavit udržitelný rozvoj

Masivní nárůst fotovoltaických elektráren (FVE) je výsledkem výrazného (až 40 %) poklesu pořizovacích nákladů a zachování vysokých výkupních cen vyrobené elektřiny z FVE. Ve srovnání s ostatními zdroji zde narážíme na poněkud nerovné podmínky: povinnost vykupovat, povinnost přednostně připojit, povinnost přednostně využívat a nad tržní výkupní ceny/bonusy. Schválení novely zákona č. 180/2005 Poslaneckou sněmovnou (17. 3. 2010), na jehož základě Energetický regulační úřad (ERÚ) bude moci snižovat výkupní ceny elektřiny z fotovoltaických elektráren o více než 5 procent, je první krokem. Cílem je nastavit udržitelný rozvoj fotovoltaických a větrných zdrojů tak, aby elektřinu vyrobenou z těchto zdrojů bylo možné v elektrizační soustavě absorbovat bez ohrožení její bezpečnosti a spolehlivosti. To kromě změny systému podpory obnovitelných zdrojů předpokládá změnit obchodní model, dispečerský řád a pravidla pro provozování přenosové a distribuční soustavy.

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 přispění na 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. Česká republika by měla dosáhnout podílu ve výši 13 %. 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, kromě další výroby z biomasy a ostatních obnovitelných zdrojů, a lze tedy očekávat, že závazek ČR bude naplněn a velmi pravděpodobně překročen.

-eSta-