Slunce v panelech II.

Dnes převážně o regulaci výkonu. Na úvod v krátkosti reakce na příspěvky do diskuze k předchozímu článku Slunce v panelech.

Geotermální elektrárna v českých podmínkách nikdy nebude levný zdroj, stejně jako uhelná elektrárna na Sahaře.

Elektřina z FVE je drahá, resp. je dražší než ostatní výroba. Kdyby byla levná, nepotřebuje dotované výkupní ceny. Existuje nějaký jasnější argument než tento? Jinak souhlasím s tím, že elektřina jako produkt je poměrně levná, důkazem budiž to, že se s ní plýtvá na výrobu tepla. Myslím si, že do budoucna to pochopíme a elektřina se výrazně zdraží třeba nasazením spotřebních daní, takže bude stát možná násobky dnešních cen.

Co se týče dotazu na ekologičnost výroby panelů. Obecně vzato, prakticky jakákoliv výroba, které se účastní těžký průmysl (těžba paliv, rud, tavení kovů, chemická úprava apod.) je velkým zásahem do životního prostředí v negativním slova smyslu. Jde jen o to posoudit, zda je to přijatelné vzhledem k výsledku. Tady bych řekl, že panely na tom nebudou nějak zle. Jestli jste se spíše ptal na energetickou náročnost výroby + ostatní náklady, nejjednodušším měřítkem bude vždy ekonomické hledisko. Existovala by tato výroba v takovém rozsahu, jako je dnes v ČR, bez dotací? Odpověď je ne. Další hledisko užitečnosti by se dalo vztáhnout k obestavěné ploše. Na ploše 30 MWe sluneční elektrárny by mohlo stát možná 20 Temelínů s kumulovaným výkonem, který by v pohodě pokryl spotřebu Česka, Slovenska a Rakouska dohromady. Z tohoto pohledu je provoz solární elektráren na polích přibližně stejně rentabilní, jako pěstovaní tří klasů kukuřice (rostou jako telegrafní sloupy) na hektarovém poli a sklizeň provedená kombajnem.

Sluneční energii, jakožto nevyčerpatelný zdroj energie, lidstvo využívá v široké škále celou svou existenci. Jestli máte představu, že se tak děje až teď s příchodem solárních panelů, je to představa značně naivní. Dřevo, uhlí, ropa, plyn, pohyb větru, koloběh vody, vše je závislé na energii slunce, ale to jsem zmínil minule. Bez sluneční energie neprobíhá fotosyntéza, nebudete mít co do žaludku, nebudete mít filtrovanou vodu, vzduch, o teple ani nemluvě. Solárníci se nám snaží namluvit, že dokud tady nebyli oni, sluneční energie spadla jen tak bez využití pod stůl, a teprve oni ji se svými panely zachránili pro lidstvo.

Nyní k původnímu tématu.

Snem každého energetika je co nejplošší křivka odběru v co nejdelším čase (na diagramu nejlépe rovná čára zleva doprava paralelně k ose x). V praxi to samozřejmě není možné. Spotřeba (a tím i výroba) v různou denní dobu značně kolísá. Jiná je ve dne, jiná v noci, jiná v pracovním týdnu a o víkendu, jiná je v různé roční období a na dispečinku poznají i to, že hospodářství zasáhla ekonomická krize. Nejjednodušší je to ukázat na denní křivce. Například rozdíl mezi okamžitou spotřebou v noci a spotřebou přes den může být v ČR klidně i 2000 MWh, což může dělat rozdíl 30% podle roční doby (v zimě např. okamžitý odběr přes den 10000 MW, v létě 6000 MW).

Jelikož se elektřina nedá skladovat a její okamžitá výroba se musí neustále rovnat okamžité spotřebě, existuje důmyslný systém časování připojování a odpojování zdrojů elektřiny, regulace jejich výkonu, připojování vhodných velkých spotřebičů apod. Kdyby se to k něčemu dalo připodobnit, tak asi ke složité topné soustavě, kde všude existuje velké množství netěsností, ze kterých chaoticky uchází různý objem topného média v různou dobu. Úkolem obsluhy je nikoliv utěsnit díry, ale jen za pomocí výkonu zdrojů, šoupátek a ventilů stále udržovat v kterékoliv větvi systému stabilní tlak a teplotu. Zdánlivě to může být jednoduché: Stačí sledovat budík, tady jsou čudlíky, cvak, připojíme Temelín, cvak připojíme Tušimice, cvak-Orlík, cvak-odpojíme Temelín, cvak-připojíme Dlouhé stráně cvak, cvak, cvak…

Výkon slunečních elektráren se na rozdíl od ostatních zdrojů těžko reguluje, lépe řečeno regulovat by se dalo, ale solární výrobci nebudou chtít. Jejich cílem vždy bude jet na maximální možný výkon. Výhodu solární energie spatřuji v tom, že se naštěstí nedá vyrábět i v noci (i když i tento problém už prý někde dokázali důmyslně překonat); co bychom taky s dalším nočním proudem dělali.

Zpět k regulaci elektroenergetické soustavy. Připojit nebo odpojit zdroj elektřiny není jen tak. Většina zdrojů pracuje na ose soustrojí: tepelný zdroj (kotel na cokoliv, jaderný reaktor) -  parogenerátor – turbína - po hřídeli přenos mechanické energie na alternátor (generátor střídavého proudu). Tyto zdroje najíždějí na svůj pracovní režim v řádu desítek minut (parní elektrárny) až hodin nebo dnů (jaderné elektrárny). O regulaci jaderné elektrárny je možné se bavit pouze v omezené míře; reaktor nelze zapínat a vypínat podle libosti. Parní elektrárnu lze samozřejmě regulovat výkonem kotle (když méně přiložíme) nebo parogenerátoru (když bez užitku vypustíme již vyrobenou páru) téměř v celém rozsahu. Nevýhodou je samozřejmě to, že jakékoliv odchylky od ideálního nastavení (najíždění, vyřazení zdroje), je za cenu poklesu celkové účinnosti – ekonomicky se to projeví tak, že vyráběná elektřina je dražší. Při provozu těchto zařízení je výhodou, že na dispečinku vždy ví, jaký výkon mají dostupný a mohou podle různých scénářů operativně zdroje připojovat a odpojovat.

Do tohoto sofistikovaného systému nyní vstoupí instalovaný výkon solárních elektráren. Prozatím nevíme, jak velkou celkovou kapacitu (na konci solárního boomu) budou mít zdroje, které budou dodávat elektřinu do vysokonapěťových sítí. Každopádně bude jeho hlavní vlastností kolísání výkonu podle meteorologických podmínek. Ve chvíli plného slunečního svitu pofrčí na 100%, jakmile se zatáhne, výkon klesne klidně i hluboko pod 50%, nebo nebudou dodávat nic. Při instalaci 2000 MWe výkon poklesne například na 1000 MW. V tu chvíli je musí nahradit nasazení jiných zdrojů. Stejný problém vznikne i v opačném gardu. Výkon solárních elektráren pojede na 50% jejich instalovaného výkonu. V okamžiku, kdy na ně plně zasvitne slunce (jejich výkon extrémně vzroste) musí obsluha dostatečně rychle odpojit jiné zdroje. Energetici se tedy budou nově potýkat nejen s neočekávanou proměnnou na straně odběru, ale nově taky na straně zdrojů. Zvýší se tak pravděpodobnost výskytu tzv. black-outu, což je poměrně blbá situace, kdy se rozpadne přenosová síť; elektrárny se pak musí znovu do sítě připojovat, stejně jako odběrné sítě. Ten mezistav může být i nebezpečný. My, jako zákazníci, bychom to poznali z té méně špatné stránky; nebude elektřina, maximálně vyhodíme maso z mrazáku. Ale rozpad energetické sítě připraví horké chvilky také obsluze elektrárny, podobné jako když doma naložíte a rozhicujete kotel a pak zavřete topný okruh. Hrozí větší riziko havárií, a tím jdeme proti trendu tato rizika snižovat.

Pro stabilitu celé přenosové soustavy jsou důležité zejména zdroje schopné najet na svůj plný výkon (nebo je naopak vyřadit) v co nejkratší době. Tuto charakteristiku např. dobře splňují vodní elektrárny – ty klasické na přehradách vodních toků mají celkový instalovaný výkon cca 800 MW. Speciálním řešením jsou pak elektrárny přečerpávací, jejichž celkový instalovaný výkon je cca 1200 MW. Jejich úkolem je dodávat elektřinu právě v době denních špiček a vykrývat ostré rohy křivky spotřeby. Fungují na jednoduchém principu, kdy v noci při čerpání vody do horní nádrže, využívají levně vyrobenou elektřinu (zejména z jádra) a přes den shora tekoucí voda pohání soustrojí jako u klasické vodní elektrárny. V podstatě jde o uskladnění levné elektřiny na libovolně dlouhou dobu.

Jak jsem již zmínil, z důvodů složitější regulace jaderných (JE) a parních (PE) elektráren je žádoucí provozovat je v optimálním stabilním režimu (s nejvyšší účinností). Při provozu solárních elektráren bude během dne docházet ke kolísání výkonu na straně zdrojů. Nelze se domnívat, že tyto výkyvy lze dostatečně, pružně a zejména bez ztráty ideální účinnosti regulovat pouze změnou výkonu JE a PE. K tomu mohou sloužit klasické VE (vodní), PVE (přečerpávací) i PPE (paroplynné) elektrárny. PPE zároveň vyrábějí teplo, takže i jejich regulace je zejména ve studeném období omezená; opět za cenu ztráty celkové účinnosti. Při utlumování uhelných elektráren, budou spíše potřebné další vodní zdroje, možná nové přečerpávací elektrárny poskytující výše zmíněnou funkci jakéhosi tlumiče, tentokrát bojující nejen se špičkou v podobě odběru elektřiny, ale také se špičkami a náhlými poklesy na straně dodávky. Jejich charakter se může zásadně změnit třeba v tom, že jejich čerpadla a turbíny se málokdy zastaví, neboť náhlý přebytek energie během dne pohltí čerpadla a naopak nedostatek budou vykrývat turbíny. Tedy vznikne jakýsi průběžný koloběh vody mezi oběma nádržemi.

Kontraproduktivní bude zřejmě také snaha o utlumování uhelných elektráren. Pro ně mluví zejména bohatá zásoba uhlí téměř na „dvoře“, existující modernizované tradiční provozy, stabilita dodávek a v neposlední řadě také jakási energetická tradice. Pak bude na výběr, jestli zavírat elektrárny a doly nebo najít někoho jiného, kdo dostane černého Petra. Možnou obětí solárního úspěchu pak místo uhelných bude spíše plánovaný levný zdroj v podobě jaderné elektrárny.

V součtu všech těchto aspektů se jeví řešení pomocí solárních zdrojů jako poměrně drahé. 1) Nepostaví se levný zdroj, další JE. 2) Možná se postaví další PVE. Připomínám, že vlastně nejde o další zdroj, jde jen o princip jak uskladnit jinde vyrobenou elektřinu. 3) Může se stát, že místo levné elektřiny z JE v noci, budou v případě velkých výkyvů počasí, pohánět čerpadla PVE přebytková drahá elektřina z FVE přes den.

Závěr: Problém FVE nevyplývá jen z ceny elektřiny samotné. Zásadní problém je spíše celkový instalovaný výkon, kdy jsou nutné další náklady na stabilitu sítí a pohlcení takto vyráběného objemu elektřiny. Tedy přizpůsobit tomu management ostatních zdrojů, přenosovou soustavu, řízení provozu apod. Tyto náklady nakonec mohou být tak vysoké, že to celou myšlenku OZE znehodnotí. V případě FVE už k tomu nyní vlastně došlo. A zákazník to všechno musí zaplatit.

Možná se nakonec přijde na to, že nejlepší a nejlevnější regulací bude, když se všem solárníkům rozdají rolety, které by si nainstalovali na své panely, příp. jim nabídnout odkup elektrárny či zaplacení jejich nákladů, elektřinu vůbec nevykupovat a raději jim platit za správu zařízení nějakou paušální náhradu. Centrální dispečink pak bude zatahovat rolety tak, aby zajistil dodávku proudu v takové rozumné míře, aby neohrozila stabilitu celé soustavy. Jestliže nebude snaha „vycucávat“ panely na sluníčku každý den, např. i v době když bude mizerná účinnost, nakonec se prodlouží jejich životnost a poslouží mnohem více než za dnešních podmínek.

Sám jsem zvědavý, jak se tyto záležitosti vyvinou, třeba maluju čerta na zeď a všechno bude fungovat skvěle.