Elektřina bez Dukovan a bez dostavby – scénář S2040

Přistoupíme na zvýšení podílu OZE v rozsahu žádostí o připojení k síti a budeme zkoumat jak to ovlivní elektrizační soustavu. Podle očekávání bychom měli ušetřit plyn. Jaká bude skutečnost budeme zjišťovat v tomto článku.

Je všeobecně přijatý názor, že čím je větší instalovaný výkon OZE, tím více budeme mít zajištěnou elektroenergetickou produkci pro potřebu spotřeby. Na tom jsou postaveny existující projekty aktivistů např. 'Chytrá energie' sdružení ekologických organizací, nebo novější GreenPeace 'Energetická revoluce'. Jsou to představy založené na velkých, v praxi neověřitelných objemech, bez jakéhokoliv dynamického modelování, opravdu, ale opravdu bez jakéhokoliv zkoumání jak to bude fungovat.

Nejdříve aktualizovaná tabulka účinností FVE a VTE v ČSR.

Měsíce 2011	% účinnosti FV	% účinnosti VTE
Leden	2,49	18,80
Únor	7,05	20,80
Březen	14,28	21,10
Duben	16,25	23,94
Květen	20,44	14,74
Červen	17,90	18,87
Červenec	15,59	23,09
Srpen	17,70	13,13
Září	15,11	13,37
Celkem	8,80	16,09

1. Scénář 2040.
Proti scénáři S2020 jsme zvýšili instalovaný výkon OZE z 6000 na 14908 MW tj. cca o 9000 MW. Tímto bychom mohli předpokládat, že to umožní snížení výkonu PPE

Jak to ve skutečnosti proběhne budeme sledovat v následujících dvou variantách.

Elektrizační soustavu budeme hodnotit z následujících 3 hledisek:
1. Emise skleníkových plynů.
2. Produkce elektrické energie.
3. Produkce regulační energie.

1. Varianta 1 - čistá energie – JETE + OZE bez uhlí, bez zemního plynu

- Jaderná elektrárna Temelín bez dostavby instalovaný výkon. 2 000 MW

- Mix zdrojů OZE:
Scénář 2040
- VE=800, MVE=386, VTE=3655 FVE=8547, Biom=1000, Biop=500, Geo=20
Celkový instalovaný výkon OZE 14 908 MW.
Jsou to hodnoty podle žádostí o připojení do sítě k 1.1.2010, časem to další žádosti mohou mírně měnit, ale na podstatě věci to nic nemění.
Tedy varianta bez zemního plynu.

V Grafu 1 uvádíme energetickou bilanci pro kterou jsme nakoupili vnitřní regulační výkon 3000 MW s energií 6000 Gwh, který byl zcela spotřebován. (zatím není známo, jestli by byl k dispozici z uvedených zdrojů s ohledem na možný vývoj nových energetických zdrojů, SmartGrids apod.) a neomezenou možnost Importu a Exportu pro regulaci.

Pro orientaci v Grafu 1: Ve sloupci Spotřeba jsou uvedeny složky spotřeby s údajem o energii. Požadovaná brutto tuzemská spotřeba je 70000 Gwh s následujícími složkami: ztráty, vlastní spotřeba, čerpání.
Ve sloupci Produkce je brutto produkce složená ze zdrojů jak je uvedeno v legendě. Kromě vlastních zdrojů jsou k dispozici Import a záloha(+). Pod osou X je malém množství Záloha(-) a Export.

Hodnocení čisté varianty:
1. Hledisko emise skleníkových plynů je splněno, na produkci se nepodílí žádný emisní zdroj.
2. Hledisko produkce energie není splněno. Tato skutečnost je na prvý pohled zřejmá z Grafu 1. Rozhodující podíl na krytí spotřeby má Import.
3. Hledisko regulace je spíše teoretické. Vzhledem k nedostatku vlastních regulačních zdrojů by velkou část regulace musel zajistit Import. V podmínkách ČR je to varianta nedosažitelná.

Výsledek varianty 1:
V uvedené konfiguraci v podmínkách čisté energie není možné zajistit regulovanou roční spotřebu 70 Twh.

2. Varianta 2.
Pro dodržení uvedených podmínek vyloučíme uhlí a k dosavadní konfiguraci JETE + OZE přidáme zemní plyn PPE a zjistíme, kolik ho budeme potřebovat.
Pro zajištění produkce jsme se opakovanou simulací dostali k hodnotám instalovaných výkonů 22 400 MW, z toho JETE 2000, PPE 5500 MW a OZE 14908 MW.
Pokud nechceme spekulovat, tak výkon OZE je nedosažitelný v současnosti a na hranici dosažitelnosti v podmínkách ČR v budoucnosti.
Průběh je graficky zachycen v Grafu 2. Některé malé položky jsou pod hranicí zobrazitelnosti.

Hodnocení varianty S2040 s PPE.

1.Hledisko skleníkových plynů není splněno, protože do hry vstoupily PPE, které produkují CO2. Něco bychom za to museli zaplatit.
2. Produkce je zobrazena v pravém sloupci, dosahuje hodnoty 70000 Gwh a tím by zajistila brutto tuzemskou spotřebu. Struktura je patrná z pravého sloupce. V naší konfiguraci nečerpáme import(resp velmi malé množství), ale pod osou X se objevila záporná regulace+export. Ze souhrnné bilance ale není patrno, jestli by takový systém fungoval. Zkoumat to budeme v odstavci 3.
3. Regulace
Regulační energie byla nakoupena v rozsahu 3000 MW a 6000 Gwh ze zdrojů PPE.
Pod červenou osou X je regulační energie, z toho záporná záloha (-6987)+export (-3355) celkem je záloha -10342 Gwh.
Kladná záloha (4322) Gwh. je odregulována v rámci nakoupených zdrojů.
Záporná regulace je vysoká, přesahující obstarané regulační zdroje – neregulovaná energie - fialové obdélníčky pod osou X v pravém sloupci. V dalším odstavci zjistíme, kde se ta neregulace vzala, jaké má vlastnosti a čím by bylo možné ji eliminovat.

Výsledek Varianty 2:
Produkce sice pokryla požadavky spotřeby 70 Twh, ale je vysoká záporná regulace, kterou nebylo možné odregulovat. Budeme zjišťovat jak vznikla, kdy, kolik a proč a budeme hledat možné způsoby dosažení rovnováhy, bude-li to možné.


3. Výkony – regulace.

Budeme pátrat po tom, jaký mají průběh zálohy. Zjistíme, jestli a v jakých hodnotách překračují povolenou hranici zatížení přeshraniční přenosové soustavy 3500 MW. Podle vývoje reálné situace je možné do simulace zadat jinou příslušnou limitní hodnotu. Výkony produkce a spotřeby se po celý rok v každé hodině mění. Zjistíme počty, hodnoty překročení, hodiny a dny výskytu.

V den a hodině maximálního překročení exportu zjistíme spotřebu a výkony jednotlivých zdrojů.

Simulací jsme zjistili, že bude překročena přípustná úroveň přeshraničního výkonu 3500 MW 425 krát za rok. Jedná se jednorázové krátkodobé překročení zejména v měsících květen až září. Na takové přetížení není jednoduché reagovat, t.zn. krátkodobě utlumovat nebo vypínat zdroje. Snad by bylo možné je zužitkovat do výroby vodíku, ale k tomu by se musela vybudovat příslušná ifnrastruktura a to není jednoduché ani laciné. V Německu to řeší tak, že ten jednorázový přebytek pošlou do sousedních zemí, např. do ČR a mají po starostech.
Graf 3 uvádí stav elektrizační soustavy z neděle 3. července 13,00 hodin, počasí slunečno na celém území ČR, okraj anticyklony – vítr 10 m/s – souběh produkce FVE a VTE.
V levém sloupci je uvedena minimální spotřeba roku (šedá), vnitřní regulace (červená) a export (fialová).
V pravém sloupci je výkon jednotlivých zdrojů v uvedené hodině – je to mix výkonů JETE, PPE a OZE. Na první pohled vidíme, že výkon je regulován vnitřní regulací do hodnoty 8414 MW v pravém sloupci od spodu do FVE1. Celá produkce FVE2 jde do exportu, přičemž přípustnou hodnotu překračuje o 4473 MW.
Z grafu je patrno, že celá hodnota exportu pochází od fotovoltaiky, která v poledních hodinách dosahuje téměř instalované hodnoty, zatímco PPE JETE jsou v letním útlumu.
Podobně to probíhá při ostatních excesech v jiných hodinách s menší hodnotou překročení, protože uvedená je maximální.
Odpovíme na položené otázky:
1. Jak vznikla ta vysoká neregulovaná energie? : Vznikla krátkodobým dosažením výkonů FVE+VTE blízkých hodnotám instalovaným.
2. Kdy vznikla? : Vznikla v době výskytu špičkového výkonu FVE v poledních hodinách při celoplošném slunečním svitu.
3. Kolik se vygenerovalo? : Krátkodobě se vygeneroval výkon, který překračoval povolené zatížení přeshraniční přenosové sítě o 4473 MW a který se nedal odregulovat.
4. Proč ? Protože špičkový výkon z FVE se generuje krátkodobě při vhodné povětrnostní situaci – zejména celoplošný sluneční svit. Tento výkon je však nutné odregulovat.
Výsledek
Po přidání 5500 MW zemního plynu produkce uspokojila spotřebu, ale následkem jednorázových zvýšení výkonu FVE+VTE dochází k opakovanému přetížení přeshraniční PS následkem neregulovaného exportu. Elektrizační soustava v této konfiguraci není trvale provozuschopná.

4. Možná řešení.

Změna regulačních podmínek při původních hodnotách OZE
Absurdní zjištění. Zvyšováním regulačního výkonu z 3000 MW až na 7000 MW se snižovaly počty excesů exportu. Jenomže regulační výkon 7000 MW přesahuje instalovaný výkon PPE což není možné, protože tím by byla ochromena vlastní produkce. Třeba podotknout, že při současném plánovaném režimu regulace je výkonová rezerva PpS kolem 1400 MW. Při tomto regulačním výkonu by zvýšený výkon OZE vůbec nebylo možné odregulovat.
Tedy změna regulace řešením není.
Změna výkonu energetických zdrojů
Postupně byl při regulačním výkonu 3000 MW snižován instalovaný výkon FVE z 8500 MW. Tím se zároveň ale snižovala produkce, proto musel být zvyšován výkon PPE, protože ostatní zdroje nemají potenciál ke zvýšení. Tím jsme snížili FVE na hodnotu 3400 MW ale PPE zvýšili na 6300 MW.
Při této konfiguraci byla soustava v rovnováze

4. Závěrečné resumé.

• V režimu tzv. Čisté energie není možné dosáhnout zajištění spotřeby 70 Twh ani při zvýšení OZE. Při maximální produkci OZE + JETE(2000) bylo dosaženo 48 Twh tj. 68%. Při uskutečnění tohoto režimu by byla síť přetížena z důvodu importu pokud by byl k dispozici.

• Pro minimalizaci produkce skleníkových plynů jsme zapojili zemní plyn PPE výkon 5500 MW. Tím byla zajištěna produkce 70 Twh, ale nebyla zajištěna regulace. Docházelo k opakovanému překračování přípustného zatížení přeshraničního přenosu zápornou regulací-exportem, protože vnitřní regulace nebyla schopna zajistit regulaci.

• Tento stav jsme se pokoušeli odstranit zvyšováním regulačního výkonu, ale ten by dosáhl tak vysoké hodnoty, že by překročil výkon PPE a nebylo možné to zajistit.

• Nezbývalo než snižování výkonu hlavního původce přetížení - fotovoltaiky. Postupně jsme snižovali z hodnoty 8500 MW až na hodnotu 3400 MW. Tím se snížilo přetěžování ale zároveň se snižovala produkce, proto jsme zvyšovali výkon PPE až na hodnotu 6300 MW.

• V tomto režimu se ES dostala do rovnovážného provozu z hlediska překročení limitu přenosu.

• Poučení : Při regulačním výkonu 3000 MW je maximální instalovaný výkon FVE 3400 MW, musel být zvýšen výkon PPE na 6300 MW, aby bylo možné soustavu odregulovat s výkonem, který je k dispozici.

• Zdroje OZE v uvedené konfiguraci jsou dnes nedosažitelné po stránce produkce i regulace. Tlak EU je dosáhnout z OZE 50% produkce, tak zkoušíme maximální možnou variantu v budoucnu snad dosažitelnou v ČR. Další zvyšování výkonu OZE by byla jen spekulace.

• Pro produkci v uvedené konfiguraci zdrojů je problémem nepravidelná záporná regulace. Ta spočívá v útlumu produkce nebo její export. Vzhledem ke krátkodobému a nárazovému výskytu jsou uvedené procesy technicky komplikované.
  
  Uvádí se teoretická možnost zužitkovat přebytečnou energii do produkce vodíku v letních měsících a její zužitkování v měsících zimních. Podle zpráv se provádí v Německu pilotní projekt zužitkování přebytku z větrné energie při výrobě vodíku, o fotovoltaice se nemluví.
  V ČR zatím není znám pokus o zužitkování přebytku FVE+ VTE k regulaci. Problém je v tom, že regulační energie musí být k dispozici v každé vteřině v požadované kvantitě i kvalitě a nejen tehdy, když jsou vhodné povětrnostní podmínky.
  
  

Je možné provádět rozbor do větších podrobností ale omezený prostor článku to neumožňuje. Pro orientaci by to mohlo být postačující. Až MPO vydá energetickou koncepci, tak se pokusíme její modelování v kontextu s funkčností systému.
Čtenářům se omlouvám, že nepředkládám energetickou beletrii, ale popis možného energetického modelu, který se blíží skutečnosti.

Zpracoval Mojmír Štěrba