Téměř ideální meteorologické podmínky v kombinaci s nedělní nízkou spotřebou elektřiny vyhnaly 17. srpna 2014 mezi druhou a třetí hodinou odpolední podíl slunce a větru na německé spotřebě elektřiny ke dvěma třetinám. Splní Němci své ambiciózní cíle – že v roce 2020 by minimálně 35 procent spotřebované elektřiny mělo pocházet ze slunce, větru a dalších obnovitelných zdrojů – a země se stane zeleným rájem?
Situace v německé elektrické síti 17. srpna 2014 (po hodinách; v GWh)
Pramen: Agora-Energiewende
V úvodu zmíněný úspěch německé energetické revoluce Energiewende (ve zkratce „atomu zády, slunci a větru čelem“) má jeden háček. Skeptik namítne, že jedna jediná hodina je sice hezká, ale rozhodující jsou delší časové úseky. Už jen za celou onu neděli 17. srpna pouze čtyři z deseti wattů, které Němci spotřebovali, pocházely buď z větrníků, nebo solárních panelů. Za týden, který onou nedělí končil, si slunce a vítr připsaly ani ne čtvrtinový podíl a za celý srpen byla na jejich kontě ani ne pětina. Celkem za loňský rok do 24. října činil jejich příspěvek k německé spotřebě elektřiny okolo 17 procent a lze očekávat, že do konce roku klesnul někam k 15 procentům.
Podíl elektřiny ze slunce a větru na německé denní spotřebě a průměr od začátku roku
Pramen: Agora-Energiewende
Mají tedy Němci své zelené cíle na dosah? Zaprvé u Němců nejde jen o solární panely a větrníky, ale o podíl veškerých obnovitelných zdrojů elektřiny (OZE) na spotřebě. Do hry tak ještě vstupují především vodní elektrárny a elektrárny na biomasu. (V následujících výpočtech budeme vycházet z údajů publikovaných německým think-tankem Agora-Energiewende, které jsou velmi kvalitní a poskytují dobrý přehled o tom, co se v německé síti děje. Nicméně může dojít k drobným odchylkám, inkonzistencím. Nám ale půjde zejména o magnitudu změn, a ne o jejich vyjádření na kilowatt přesně.)
Podíl slunce a větru, respektive veškerých obnovitelných zdrojů elektřiny, na německé spotřebě a produkci. Pramen: Agora-Energiewende.
Pokud přičteme výrobu z biomasy a vody, atakovala zelená elektřina za celou neděli 17. srpna hranici 60 procent německé spotřeby (mezi druhou a třetí odpolední pak dokonce 80 procent). Do 24. října činil podíl za celý rok 28,7 procenta a do konce roku by mohl činit přibližně 27 procent (další údaje viz tabulka vpravo).
Na první pohled Němci už více než z poloviny splnili svůj cíl do roku 2025 dosáhnout podílu zelené elektřiny na spotřebě ve výši 40 až 45 procent. Cíl na úrovni 55 až 60 procent o deset let později se zdá také reálný (konečný cíl byl stanoven jako 80 procent spotřeby v roce 2050). Problém je, že s novými vodními elektrárnami se nepočítá a potenciál biomasy je rovněž značně vyčerpán (loňská reforma energetického zákona počítá jen s mírným zvyšováním jejich kapacity o 100 MW ročně, tedy ani ne dvě procenta současného stavu). Téměř veškerý přírůstek výroby zelené elektřiny proto připadne na slunce a vítr.
Aby dnešní přibližně čtvrtinový podíl na spotřebě stoupl na 40 procent, bude třeba zdvojnásobit instalované kapacity u solárních panelů a větrných turbín |
Aby dnešní přibližně čtvrtinový podíl na spotřebě stoupl na 40 procent, bude třeba zdvojnásobit instalované kapacity u solárních panelů a větrných turbín (za předpokladu, že podíl se jednoduše vypočítává jako německá výroba zelené elektřiny lomeno německá spotřeba – o tom více níže). Dosažení cíle na hranici 55 procent si vyžádá jejich ztrojnásobení.
Loňská novela německého energetického zákona počítá s odpovídajícím nárůstem kapacit – viz tabulka níže. Zatím vše nasvědčuje tomu, že přinejmenším v nejbližších letech by cíle pro výstavbu nových větrníků a panelů měly být splněny. Mimochodem, oproti minulým letům zavádí německá vláda mechanismus, který by měl zabránit, aby se nových kapacit postavilo příliš.
Instalovaná kapacita pro výroby elektřiny z větru a slunce (současný stav a cíle do roku 2035)
Pramen: Agora-Energiewende (Hintergrund zur EEG-Reform 2014)
Dvojnásobek kapacit, dvojnásobná radost?
Co by zdvojnásobení kapacity solárních panelů a větrníků v Německu znamenalo? Pokud ostatní veličiny jako výroba elektřiny z ostatních zdrojů a spotřeba zůstanou konstantní (ono oblíbené ceteris paribus), můžeme poměrně snadno nasimulovat, co zdvojnásobení přinese.
Uvedené veličiny samozřejmě konstantní nezůstanou a zejména výrobci elektřiny z konvenčních zdrojů svou výrobu nové situaci přizpůsobí |
Uvedené veličiny samozřejmě konstantní nezůstanou a zejména výrobci elektřiny z konvenčních zdrojů svou výrobu nové situaci přizpůsobí. Jejich reakce bude nastíněna na závěr. I přes tyto výhrady může být následující simulace užitečná – odhalí, čemu se právě ostatní hráči na energetickém trhu budou muset přizpůsobit anebo jaké krajní situaci se chceme vyhnout.
Vraťme se zpět do 17. srpna 2014. Dvojnásobné kapacity solárních panelů a větrníků do sítě posílají tolik elektřiny, že jen pětina celodenní spotřeby musí přijít z jiných zdrojů. Export elektřiny rovněž zaznamená velký skok – Německo vyveze třetinu veškeré vyrobené elektřiny (viz následující graf).
Situace v německé elektrické síti 17. srpna 2014 při zdvojnásobení výrobních kapacity u slunce a větru (po hodinách; v GWh)
Pramen: Agora-Energiewende
Zelená elektřina, v některých hodinách dokonce jen ta ze slunce a větru, okolo poledne převýší německou spotřebu a bude muset být vyvezena. Nabízí se otázka, jestli je správné tuto vyvezenou elektřinu započítávat do německých ekologických cílů. V elektrické síti nelze samozřejmě rozlišit, z jakého zdroje ten který elektron pochází, ale ze simulace jasně vyplývá, že Němci budou muset někdy vyvážet také zelenou elektřinu, a to i za předpokladu, že na papíře vždy spotřebují nejprve zelenou elektřinu a tu špinavou vyvezou (přesnější by bylo jít cestou podílů na vyrobené elektřině).
Pokud bychom za celý den odečetli přebytky elektřiny ze slunce a větru, které se musejí nutně vyvézt, klesne podíl slunce a větru na německé spotřebě z oněch 80 na 73 procent. Pokud zahrneme veškerou elektřinu z obnovitelných zdrojů, zjistíme, že propad je podobný. Zatímco na první pohled by pokrytí spotřeby těmito zdroji činilo za celý den skoro 98 procent, po odečtení množství, které muselo být vyvezeno, se podíl snižuje na 84 procent.
S jistotou můžeme říci, že s přibývajícími kapacitami OZE se tento metodologický problém bude jen zhoršovat, respektive každé další navýšení kapacity OZE povede k menšímu nárůstu jejich podílu na spotřebě |
Když se podíváme na nasimulované údaje pro celé dny, zjistíme, že jen ve dvou dnech celodenní produkce z veškerých OZE převýší denní spotřebu elektřiny. To by nás ale nemělo zmást, protože v jednotlivých hodinách, zejména kolem poledne, k přebytkům dojde a zelená elektřina se bude muset vyvézt. Bohužel simulovat přebytky zelené elektřiny pro celý rok po hodinách je značně náročné. S jistotou můžeme říci, že s přibývajícími kapacitami OZE se tento metodologický problém bude jen zhoršovat, respektive každé další navýšení kapacity OZE povede k menšímu nárůstu jejich podílu na spotřebě. Zdvojnásobení kapacity solárních panelů a větrníků nepovede automaticky k nárůstu jejich podílu z dnešních 15 na 30 procent spotřeby, a to ani v modelu, kdy zelená elektřina částečně vytlačí výrobu z konvenčních zdrojů.
A co na to Němci? Ti tento problém neřeší a podíl OZE na spotřebě elektřiny vypočítávají (v souladu s evropskou směrnicí) jako podíl vyrobené zelené elektřiny na celkové spotřebě za celý rok. Na papíře proto vše štymuje a k žádným exportům zelené elektřiny nedochází.
Kam s přebytky
Vraťme se ještě k našemu modelu. Nejlepším způsobem, jak se vypořádat s přebytky elektřiny, je vyvézt je do zahraničí. Vypnout již postavené solární panely a větrné turbíny není ekonomické a politikům, kteří je nechali vybudovat za peníze daňových poplatníků, to slávu nepřinese. Uskladnit velké množství elektřiny levně také zatím neumíme. Za vyvezenou elektřinu je naopak možno něco utržit.
Při zdvojnásobení kapacity solárních panelů a větrníků by se průměrné vývozy zečtyřnásobily na 14 GW, takže každý pátý elektron vyprodukovaný v Německu by zamířil za hranice |
Proud Německo exportuje ve velkém už dnes – například v roce 2014 (opět jen do 24. října) v průměru vyváželo 3,5 GW, tedy pět procent své výroby. Denního rekordu – 9,5 GW a 15 procent výroby – pak bylo dosaženo 3. října, přičemž v některých hodinách tohoto dne to bylo ještě více (například mezi 14. a 15. hodinou Němci vyvezli 13,3 GWh, tedy 20 procent své výroby).
Při zdvojnásobení kapacity solárních panelů a větrníků by se průměrné vývozy zečtyřnásobily na 14 GW, takže každý pátý elektron vyprodukovaný v Německu by zamířil za hranice. V rekordní dny by průměrné exporty atakovaly 35 GW, přes polovinu německé výroby, a během poledních hodin by dosahovaly i 40 a více GW, což ukazuje i simulace pro „naši“ neděli.
Tato úvahu má samozřejmě několik podstatných „ale“. Jednak jsme stále v modelu ceteris paribus. Dále lze pochybovat, že by Německo toto množství mohlo vůbec vyvézt. Prvním problémem je, kdo elektřinu odebere. Už hrubé srovnání případných německých přebytků s průměrnou spotřebou elektřiny v sousedních zemích nám odhalí, že oněch průměrných 14 GW by pokrylo průměrnou spotřebu elektřiny v Lucembursku, Dánsku a České republice. Pokud by současně nastala nízká spotřeba elektřiny (zde jako 75 procent průměrné roční spotřeby), mohlo by pouze německou elektřinou svítit ještě například Švýcarsko. Následující graf ukazuje i simulaci pro teoretický export ve výši 40 GW.
Průměrná spotřeba v zemích sousedících s Německem (bez Francie) a různé výše německého vývozu (v GW)
Pramen: IEA, Agora-Energiewende, propočty autora
Mimo to hatí tyto úvahy na papíře ještě omezená kapacita přeshraničních spojení. Už dnes je situace na mnohých hranicích napjatá a prostor pro další exporty příliš neexistuje. Situaci totiž zhoršuje skutečnost, že Němci část přeshraničních kapacit, zejména s Českem a Polskem, využívají pro přepravu elektřiny, která „de iure“ ani neopustí německý trh, do kterého spadá i Rakousko. Komerčně například dnes není možné vyvézt elektřinu z Německa do Polska, ačkoli proud po drátech přes Odru proudí a Poláci si stěžují na přetížení své sítě kvůli elektřině z Německa.
Přeshraniční kapacity pro vývoz německé elektřiny
Pramen: ENTSO-E
Tady foukej, tam ne
Mnohý zastánce Energiewende namítne, že průměrné údaje pro německý vývoz a spotřebu elektřiny u sousedů za celý rok jsou příliš hrubé. Situace v jednotlivých dnech, ba co více, hodinách, se může lišit a k exportům z Německa může docházet v době, kdy je výroba v ostatních zemích nižší (nebo je tam vyšší spotřeba), takže situace v elektrické síti se vyrovná. Až se slunce opět na Německo usměje a vítr současně roztočí tamní větrníky, němečtí výrobci pro svůj proud odbytiště najdou.
Opravdu tomu ale tak bude? Vždyť němečtí sousedé také značně zainvestovali do větrníků a solárních panelů. Když v Německu zesílí vítr, a trh tak bude „zaplaven“ elektřinou z tamních větrných turbín, jiné země ji odeberou? Nefouká například ve Francii a v Německu současně?
Když v Německu zesílí vítr, a trh tak bude „zaplaven“ elektřinou z tamních větrných turbín, jiné země ji odeberou? Nefouká například ve Francii a v Německu současně? |
Zaprvé je jasné, že jakékoli propojení pozvedne obecně stabilitu systému, jedině že by ke špičkám a propadům docházelo v přesně stejném okamžiku. Otázkou zůstává, jestli přínosy takto získané stability převýší náklady na vyšší propojení sítí a případné náklady na řešení situací, kdy výroba z větru bude vrcholit ve všech evropských zemích najednou, anebo kdy se bude naopak všude blížit nule a elektřina bude chybět. K dispozici máme data o výrobě elektřiny z větrníků po hodinách za rok 2013 pro následující země: Dánsko, Německo, Belgie, Francie, Španělsko, Velká Británie a Irsko.
V průměru tyto země během jedné hodiny vyrobily z větru 17 632 MWh, přičemž nejméně to bylo 1802 MWh a nejvíce 53 304 MWh. Rozmezí se tedy pohybuje od jedné desetiny průměrné výroby do jejího trojnásobku. Jak časté jsou ale extrémní situace? Pohled na graf nám napoví, že kolísání je značné. Po celou šestinu roku 2013 se produkce pohybovala pod polovinou průměru a naopak v šestině hodin překračovala průměr o polovinu (pro statistiky dodejme, že směrodatná odchylka činí 8714 MWh, tedy 49,5 procenta průměrné produkce).
Na základě těchto výsledků lze říci, že výroba elektřiny z větru ve sledovaných zemích je stále značně nestabilní, ačkoli ve srovnání s údaji jen za Německo jde o značné zlepšení (pro zajímavost: směrodatná odchylka je v případě Německa na úrovni 90 procent průměrné výroby, v šestině případů se produkce pohybovala pod jednou čtvrtinou průměrné výroby a v jedné šestině ji převýšila o 75 procent).
Výroba elektřiny z větru ve vybraných zemích po hodinách (MWh)
Pramen: národní databáze (převzato: Paul-Frederik Bach, www.pfbach.dk)
Značnou rozkolísanost výroby elektřiny z větru potvrzují i korelace mezi jednotlivými zeměmi. Ideálně by se korelace blížily hodnotě -1, což by znamenalo, že když větrníky vyrábějí v zemi A, v zemi B nevyrábějí a naopak. Produkce by tak byla víceméně stabilní (samozřejmě bychom museli ještě přihlédnout k odlišné velikosti instalovaných kapacit). Korelace na úrovni +1 naopak znamená, že když se vyrábí v zemi A, vyrábí se současně i v zemi B, nebo se naopak turbíny netočí ani v jedné zemi. Korelace na úrovni nula pak znamená, že zde žádná lineární závislost neexistuje a země vyrábějí zcela nezávisle na sobě. To by znamenalo na jednu stranu částečné vyvažování, na druhou stranu nepředvídatelné rozkolísání výroby.
Korelace hodinových produkcí elektřiny z větru ve vybraných zemích – rok 2013. Pramen: výpočet autora z předchozích dat.
Tabulka vpravo odhaluje, že poměrně nepřekvapivě jsou korelace mezi sousedními zeměmi značné, zejména v případě těch, které leží okolo Severního moře (často okolo 0,5 a více). Hodnoty blížící se nule vykazuje hlavně Španělsko, které je ale zatím z hlediska propojení dráty značně izolované.
Lze namítat, že výrobní špičky nás nemusejí příliš trápit, protože v těchto případech není problém některé větrníky vypnout (otázka je, proč jsme je tedy stavěli). Krátce se proto ještě podívejme německýma očima na opačnou situaci – když v Německu nefouká.
Zajímavé jsou zejména tzv. dunkle Flauten („temná bezvětří“), kdy zejména pozdě na podzim v odpoledních až večerních hodinách vítr nevane silně. S padající tmou stoupá spotřeba elektřiny a současně klesá výroba ze solárních panelů. V některých dnech je propad německé výroby z větru vyvážen výrobou v jiných zemích, ale není těžké nalézt dny, kdy německý propad nemůže být vyvážen dovozem elektřiny z větru z jiných zemí, protože i zde výroba značně klesá – viz následující graf, ve kterém je znázorněna i výroba ve sledovaných zemích bez poněkud izolovaného Španělska.
Výroba elektřiny z větru
V Německu, respektive v Německu, Dánsku, Belgii, Francii, Velké Británii, Irsku a Španělsku (jednou bez Španělska) v poměru k průměrné roční výrobě (levá osa) a v poměru k průměrné výrobě (pravá osa).
Pramen: národní databáze (převzato: Paul-Frederik Bach, www.pfbach.dk)
Výroba z větru – jeden z viníků přebytků elektřiny v německé síti – je poměrně vysoce kladně korelována. Integrace trhů proto problémy s rozkolísanou výrobou vyřeší jen omezeně a nemá smysl se na ni příliš spoléhat. K obdobnému závěru s nejvyšší pravděpodobností dojdeme i u druhého viníka rostoucích přebytků proudu – solárních panelů. Korelace zde patrně bude ještě vyšší – může se sice stát, že ve Francii v poledne slunce září, zatímco Němci obědvají pod mrakem, ale je nad slunce jasné, že okolo třetí hodiny ranní nebude svítit nikde. Toto částečně platí i pro další možný užitek vyšší integrace elektrických sítí – vyrovnání spotřeby v jednotlivých zemích. V Evropě pracujeme, vaříme a rozsvěcujeme všichni tak nějak současně.
Na co se tedy připravit
- Model ukazuje, že změny, které na německém trhu nastaly nástupem elektřiny z obnovitelných zdrojů, budou ještě markantnější.
- Nelze počítat, že by Němci mohly vyvézt podstatnou část čím dál vyšších přebytků elektřiny. Při nemožnosti výrazně přesunout spotřebu elektřiny anebo ji skladovat se jako nejlepší krátkodobé řešení jeví vypnutí některých výrobních zařízení. To je ovšem spojené s politickými náklady, neboť provozovatelé vypnutých solárních panelů a větrníků stejně dostanou státní podporu, což německý daňový poplatník neuvidí rád.
- Lze očekávat rostoucí zájem o technologie skladování elektřiny, ať už v její nezměněné formě nebo cestou přeměny na jiné formy (power-to-heat, power-to-gas apod.), a to jak ze strany byznysu, tak politiky.
- Přebytky zelené elektřiny mohou v některých hodinách tlačit ceny elektřiny ještě níže, než jsou dnes. Nízké ceny proudu zvýší tlak na provozovatele konvenčních elektráren. Modelová situace při dvojnásobku kapacit pro výrobu elektřiny ze slunce a větru patrně nenastane. Zde připomeňme, že odpojit některé konvenční zdroje není snadné a je často výhodnější je nechat krátkodobě produkovat za záporné ceny. Proto nyní dochází k přebytkům elektřiny v síti a ceny klesají k nule. Kdyby je šlo snadněji odpojit, přebytky by se snížily (na větší flexibilitě konvenčních zdrojů se pracuje).
- Odpojení konvenčních elektráren zhorší problém, kdo bude elektřinu vyrábět, když nebude svítit a foukat. Po odpojení některých konvenčních zdrojů ceny mimo „zelenou špičku“ stoupnou. Otázka je, jestli dostatečně, aby se pouze na základě těchto cen opět vyplatilo stavět například elektrárny na plyn (zvýšení cenového rozdílu mezi „zelenou špičkou“ a zbytkem dne zvýší tlak na levné technologie skladování).
- Německá vláda zvažuje opatření, která by zajistila, aby se vyplatilo provozovat elektrárny, které mohou vyrábět i mimo „zelenou špičku“. Otázka je, jestli například takzvané kapacitní trhy nepovedou nejdříve k poklesu cen, při kterých se vyplatí provozovat konvenční zdroje. Zelená revoluce by je tak vytlačovala pomaleji a celkové přebytky elektřiny by byly vyšší (situace by se tak více blížila naší simulaci).
- Se stoupajícím podílem zelené elektřiny bude přibývat hodin s velmi nízkými, nulovými, či dokonce zápornými cenami elektřiny (všichni provozovatelé solárních panelů a větrníků je zapnou, kdykoli budou moci, neboť mají nulové mezní náklady). Vyvstává otázka, jak se bude financovat výstavba nových kapacit pro výrobu elektřiny ze slunce a větru, když právě jejich zapnutí způsobí nízké nebo nulové ceny. Jejich provozovatelé za svůj proud proto utrží jen velmi málo. A dotovat jejich výstavbu nelze donekonečna.
- Vzhledem k pozitivním korelacím ve výrobě elektřiny z větru a slunce by zejména menší sousedé Německa měli zvážit, zda tyto technologie podporovat. Například Česká republika si mohla ušetřit spoustu peněz a trápení, kdyby vycházela z předpokladu, že když svítí u nás, svítí i v Německu a Němci budou proud vyvážet. Ušetřené prostředky jsme mohli investovat třeba do energetických úspor.
