ENERGETIKA: 40 gigawattů?

Již delší dobu je znám německý plán na dosažení instalovaného výkonu 40 GW off-shore do roku 2040. Při současném instalovaném výkonu v Německu okolo 7,74 GW to znamená navýšení o 32,26 GW, neboli cca 5,16násobek.

Číslo 40 GW se objevuje v titulcích, a proto se bude jako první zapisovat do mysli veřejnosti. Mnozí si představí výkon 20 temelínských jaderných elektráren, který tak bude dosažen čistě, levně a bez všech rizik jaderné energetiky. Menší část lidí se více zamyslí a někde najde koeficient využití off-shore elektráren okolo 50 % a u nově projektovaných až 60 %. Budou očekávat, že větrné farmy budou skoro konstantě dávat okolo 20-24 GW s nevelkými odchylkami nahoru a dolů. Což je stále 10-12 Temelínů. Bohužel, skutečnost je poněkud složitější.

Velmi málo lidí zná oficiální portály, které ukazují on-line spotřebu a výrobu elektrické energie v Německu z různých zdrojů. Například zde nebo zde. Ještě méně lidí má čas provádět zdlouhavé opisování dat, výpočty a modelování.

Dejme si nyní tu práci a zkusme dát dohromady reálnější obraz a pochopit větrné elektrárny takové, jaké jsou. Bez jednostranného odmítání nebo naopak nekritického opěvování.

Nejsme schopni předpovídat průběh rychlostí větru ani na měsíce dopředu, natož na desetiletí. Proto nám nezbývá než namapovat navýšení instalovaného výkonu na situaci v nedávné minulosti. Budeme pracovat s daty od počátku roku 2019 do října 2020.

Vítr na moři

Obvykle nikdo nepochybuje o tom, že povětrnostní situace na moři je pro výrobu elektrické energie příznivá. Abychom mohli posoudit, co reálně znamená slovo „příznivá“, musíme se podívat na data. Následující graf ukazuje průměrně dosažený výkon německých off-shore elektráren vůči instalovanému výkonu v jednotlivých měsících (v procentech).

 

Z 22 sledovaných měsíců bylo průměrných 50 % a více instalovaného výkonu dosaženo pouze ve 4 měsících, zatímco 5 měsíců nebylo dosaženo ani 30 %.

Při dodávkách elektrické energie je „průměr“ nepříliš použitelný. Moc nám nepomůže, když včera elektrika byla a dnes ne. Zkusme se proto podívat detailněji na teoreticky nejlepší větrný měsíc. Tím byl leden 2020, s průměrnou produkcí 58,36 % instalovaného výkonu. Oficiálně uváděný instalovaný výkon off-shore elektráren v lednu 2020 byl 7,64 GW.

 

Obr. Hodinové výkony německých off-shore větrných elektráren v lednu 2020 (01/2020).

Okamžitý výkon mnohdy přesahoval 5-6 GW, co vypadá dobře. Nicméně i v tomto příznivém měsíci vidíme významné poklesy pod 2 GW v trvání až mnoha hodin. Nejdelší „díru“ lze pozorovat cca od 22.1. do 26.1. Sumárně 224 hodin (30 % času) výkon poklesl pod 50 % instalovaného, 54 hodin pod 25 % a 15 hodin dokonce pod 10 %.

Pro porovnání si ukážeme podprůměrný měsíc, například listopad 2019 s průměrem 41,81 % tehdejšího instalovaného výkonu 7,48 GW.

 

Obr. Hodinové výkony německých off-shore větrných elektráren v listopadu 2019 (11/2019).

Graf z tohoto měsíce již vypadá méně optimisticky. 445 hodin byl výkon pod 50 % instalovaného, 227 hodin pod 25 % a až 98 hodin pod 10 %.

Z grafů je zřejmé, že ani vítr na pobřeží se zdaleka nedá považovat za stálý a již vůbec ne rovnoměrný. Nepříjemné pro energetické využití jsou především:

– poklesy v období velmi slabého větru, která mohou trvat mnohem více než 24 hodin
– velké výkyvy v poměrně krátkém čase.

Zatímco při nynějším instalovaném výkonu 7,74 GW jde o výkyvy v jednotkách GW, které musí přenosová soustava absorbovat a pokrýt, při instalovaných 40 GW půjde o desítky GW.

Podstatnější než samotný výkon je pochopitelně porovnání se spotřebou.

„Zelené“ zdroje dnes a po dosažení 40GW – nejlepší měsíc

Větrné elektrárny nemůžeme posuzovat izolovaně, ale v synergii s ostatními zdroji. Budeme pracovat s měsíčními grafy se spotřebou a jejím pokrytí zdroji považovanými za „zelené“. Tj. vodní elektrárny, větrné elektrárny na pevnině i na moři, solární zdroje. Pro jistotu přidáme i kontroverzní elektrárny spalující biomasu.

Který měsíc si vybereme? Abychom viděli, jak na tom byly jednotlivé měsíce, ukážeme si graf průměrného pokrytí hodinové spotřeby výkonem zelených zdrojů (v procentech).

 

Obr. Průměrné pokrytí okamžité spotřeby zelenými zdroji v měsících 01/2019 – 10/2020

Výrazně nejlépe vychází hodnota za únor 2020 (02/2020), kdy produkce tzv. zelených zdrojů pokrývala průměrně téměř 60 % spotřeby. Ukážeme si detailní graf za daný měsíc. Červená plocha ukazuje spotřebu, kterou již zelené zdroje nepokryly a musela být pokryta emisními zdroji, jadernými elektrárnami nebo dovozem.

 

Obr. Spotřeba elektrické energie v Německu a její pokrytí zelenými zdroji v měsíci 02/2020

Průměrně chybělo cca 27,42 GW výkonu, celkem pak za měsíc 19,07 TWh produkce. Pro představu, přepočítáno na uhlí by šlo přibližně o 13,4 milionů tun (při 0,7 kg uhlí na 1 kWh). Přepočítáno na zemní plyn okolo 4 miliardy m3 při kombinovaném cyklu (při 0,21 m3 na kWh). Tyto koeficienty prosím neberme jako směrodatné, každá elektrárna dosahuje jiné účinnosti.

I zde má průměr jen malý význam, protože spotřeba i výkon značně kolísají. Hodny zřetele jsou výpadky v hodnotách desítek gigawattů (max. až 62 GW), tj. skoro 85 procent. Výpadky přitom netrvají pár minut, ale celé hodiny až několik dnů. Ve dnech 5.2. až 9.2. by bez ostatních zdrojů chybělo 25-30 GW a více v každém okamžiku….

Všimněme si prosím mizerné hodnoty výkonu slunečních elektráren při jejich instalovaném výkonu 49,9 GW. Ano, byl únor a v únoru slunce svítí slabě a krátce.

Uvědomme si, že to není nějaký německý stav „nula“, ale situace po více než 20 letech obrovských investic do větrných a solárních elektráren, s celkovým instalovaným zeleným výkonem přes 111 GW (7,56 offshore + 53,73 onshore + 49,91 solar v měsíci 02/2020).

Jak by vypadal graf při 40GW off-shore?

V únoru 2020 se udával instalovaný výkon 7.65 GW, t.j. pro 40 GW jde o 5,23násobné navýšení. Předpokládejme vyšší efektivitu nových větrných elektráren, přesná data ale neznáme, proto pro jistotu přidáme „bulharskou“ konstantu 10 %, která zcela určitě přesahuje reálné zlepšení. Násobek výkonu tak optimisticky navýšíme na 5,75.

Výsledný graf by vypadal následovně:

 

Obr. Projekce při 40 GW off-shore na měsíc 02/2020

Vidíme, že spotřeba by byla řadu dnů pokryta, v měsíčním průměru na 85 %. Průměrně by chybělo 10,52 GW, celkem 7,32 TWh, což představuje úsporu vůči současnému stavu 11,75 TWh. Na druhé straně, největší výpadky by se sice zkrátily, ale zcela by nezmizely. Stále by existovaly výpadky v desítkách GW, maximálně až 60 GW.

Není to překvapivé. V případě slabého větru dá i násobek výkonu stále malou hodnotu. Lidově řečeno, 5x nula je zase jen nula, 5x 2 GW je jen 10 GW..

Na druhé straně, v několika dnech by výkon přesáhl spotřebu. Co s přebytky? Buď je prodat jiným státům (pokud nebudou mít taky náhodou přebytky větru a slunce), nebo akumulovat a použít pro vykrytí horších dnů. Zkusme předpokládat jakýsi ideální stav, že by byla k dispozici neomezená kapacita akumulace (přečerpávací elektrárny, bateriové systémy, stlačený vzduch…) a schopná také pojmout a vydat neomezené příkony a výkony. To samozřejmě není pravda, ale udělejme tento idealizovaný výpočet.

 

Obr. Projekce 40 GW off-shore na měsíc 02/2020 s neomezenou akumulací

Graf ukazuje, že akumulované přebytky (viz fialová barva) by sice pomohly, ale rozhodně nestačily na pokrytí všech výpadků. Průměrně by chybělo již jen 7,16 GW, celkově 4,98 TWh, tj. akumulace by ušetřila dalších 2,34 TWh.

Za jakou cenu? Potřebná kapacita akumulace by byla 937 GWh… Porovnejme to se současnými kapacitami.

Jedna z největších přečerpávacích elektráren v Německu Goldisthal má kapacitu 8,5 GWh. Celkovou kapacitu všech německých přečerpávacích elektráren jsem někde zahlédl v hodnotě 37,4 GWh. (Pozor, někde najdete kapacitu uváděnou ve stovkách GWh, ba TWh, ale ročně, tj. jde o celkovou výrobu po všech cyklech napuštění/vypuštění za celý rok). Asi největší bateriové pole firmy Tesla v Austrálii má kapacitu 194 MWh.

Každá menší kapacita pod 937 GWh by pochopitelně znamenala menší úspory. Druhá nepříjemná otázka je – kdy začít využívat akumulovanou rezervu? Hned, nebo až při nejhorších poklesech výroby? Kdy přijde ten nejhorší pokles?

Jako druhý příklad si raději neukažme nejhorší měsíc listopad 2019, ale jen podprůměrný měsíc, kdy více svítilo slunce, například květen 2020.

Podprůměrný měsíc, květen 2020 – skutečnost a projekce

 

Obr. Spotřeba elektrické energie v Německu a její pokrytí zelenými zdroji v měsíci 05/2020

Produkce tzv. zelených zdrojů pokrývala průměrně 47 % okamžité spotřeby (oproti skoro 60 % v květnu). Průměrně chybělo 29,50 GW výkonu, celkem 21,93 TWh produkce. V absolutních hodnotách GW a TWh není velký rozdíl oproti 02/2020, nicméně celková spotřeba byla v květnu 2020 jen 42,23 TWh, zatímco v únoru 2020 pak 46,95 TWh. Přitom měl únor ještě o dva dny méně. Z toho vychází poměrně velký procentuální rozdíl.

Opět je potřeba zdůraznit, že průměrný výkon maskuje množství výpadků v hodnotách desítek GW, v tomto případě skoro každý den.

Ukážeme si, jak by pomohlo 40 GW off-shore bez akumulace

 

Obr. Projekce 40 GW off-shore na měsíc 05/2020

Průměrné pokrytí spotřeby by vzrostlo na 64 %, chybělo by 20,17 GW, celkem 15,01 TWh. Stále vidíme mnoho velkých výpadků v desítkách GW, jen několik dnů je spotřeba pokryta nebo vznikají přebytky. Lze očekávat, že ani akumulace zde příliš nepomůže.

 

Obr. Projekce 40 GW off-shore na měsíc 05/2020 s neomezenou akumulací

Kvůli malým přebytkům by akumulace nepomohla. Průměrně by stále chybělo 19,42 GW (34,59 %) a celkově 14,45 TWh, při kapacitě akumulace 219 GWh a velké výpadky by zdaleka nezmizely.

Celkově i s akumulací by pak navýšení na 40 GW off-shore tento měsíc ušetřilo 7,48 TWh.

Zhodnocení

Začneme pozitivním zjištěním. Pětinásobek větrného výkonu z moře evidentně ušetří množství fosilních paliv a sníží celkové množství emisí CO2. To je logické a jasné i bez výpočtů a grafů.

Existuje ale i druhá strana mince. Ani 40 GW větrných off-shore zdrojů s vysokou pravděpodobností nebude stačit na bezemisní výrobu elektrické energie, a to ani když se vybudují akumulační kapacity ve stovkách GWh.

Nepříjemnější jsou gigantické výkyvy a výpadky v hodnotách 20, 30 i více GW. Oblasti slabého větru jsou obvykle rozsáhlé. Tj. ani o pár desítek či stovek kilometrů dále, v dosahu dálkových elektrických vedení, nebude foukat o tolik více, aby se ztráty vzájemně vykryly. Podobně špičky a nulové hodnoty slunečního svitu jsou v Evropě podobně načasovány, což je pochopitelné.

Bude proto nutno držet záložní zdroje, zřejmě fosilní o zmíněném výkonu 30 a spíše více GW. Přednostní odběr z obnovitelných zdrojů bude znamenat, že gigawatty fosilních záložních zdroje budou třeba celé dny vypnuty, nebo v horším případě budou fungovat v pohotovostním režimu. To nebude prospívat ani jejich životnosti, ani ekonomice jejich provozu a ani ceně elektrické energie v těchto časech.

Celé by to znamenalo ještě znásobení současného stavu, kdy v některých hodinách zaplavuje přenosovou soustavu extrémně levná elektřina, zatímco v jiných časech je elektřina drahá. To platí v lepším případě. V horším, nebudou-li dostatečné záložní zdroje, se budou muset odstavovat spotřebitelé.

Nároky na přenosovou soustavu ještě vzrostou. Hodně se hovoří o tzv. „inteligentním gridu“, ale ten není samospasitelný a nebude zadarmo. Nechme si to jako námět na samostatný článek.

Cena za 40 GW

Co znamená postavit nových 32,26 GW instalovaného výkonu? Při použití dnes nejnovějších prototypů turbín o výkonu 10-14 MW to představuje 2300 až 3200 těchto mohutných staveb s neméně gigantickými součástmi. Například turbína GE General Electric Haliade-X 12 MW (resp 13-14 MW) má výšku stožáru 150 metrů, listy o délce 107 metrů, hmotnost gondoly se uvádí 675 tun (zdroje se poněkud různí), ocelového stožáru 837 tun, každého listu přes 35 tun, základů přes 1000 tun.

Při ceně uváděné výrobcem 12,3 mil dolarů (10,1 mil eur), jde pravděpodobně o ceny bez instalace, celková cena 2300 turbín přesáhne 23 miliard eur. Plus instalace, infrastruktura a připojení větrných farem. Přidejme k tomu investice na stovky GWh akumulačních systémů i do přenosové soustavy. Může si to Německo dovolit? Finančně může.

Jenže, jak bylo řečeno, nebude to stačit.

Bude potřeba, aby rostly i další zdroje – například větrné elektrárny na souši, solární elektrárny, a hlavně akumulační kapacity. Mimochodem, u větrných elektráren na souši se již Německo dostává na hranici tolerance obyvatelstvem. Historie samozřejmě ukazuje, že odpor obyvatelstva může být potlačen. (To je prosím moje pesimistické konstatování, nikoliv doporučení.)

Čistě technické, opakuji čistě technické možnosti pro výrobu 100 % elektrické energie „zelenými“ zdroji v Německu pravděpodobně jsou, zvláště při německé geografii a finančních možnostech. O tom není sporu. Nicméně všechno něco stojí. Je potřeba si jen uvědomit, jakou cenu bude potřeba zaplatit – nejen penězi, ale také zdroji všeho druhu – a jaké důsledky to přinese.

Jedině když pochopíme výhody i nevýhody větrných elektráren, můžeme jim určit optimální místo při výrobě energie, zvolit vhodné kapacity v souladu s geografickými podmínkami, ekonomickými možnostmi, charakterem spotřeby, akumulačními možnostmi a tím, co od nich budeme reálně očekávat. Omezený ideologický pohled kterýmkoliv směrem nepřinese užitek.

Samozřejmě v roce 2040 budou mít „nejstarší nové“ turbíny za sebou téměř 20 let provozu a ty současné ještě více. Již dnes je v Německu cca 30 tisíc větrných turbín a postupně je bude potřeba renovovat, rekonstruovat či vyměnit. Takže práce rozhodně neskončí ani v roce 2040.

Přidám logicky se nabízející myšlenku, kterou nebudu dále rozvíjet. 23++ miliard eur, 20++ let zajištěné práce a financování, to nejsou zase tak špatné zakázky, n’est-ce pas?

Zdroj