Co se stane, až do elektrické sítě naplno vtrhnou slunce, voda a vítr?

19. 5. 2020

Když ptáčka lapají, pěkně mu zpívají. Ovšem jenom tu první líbivou sloku o tom, kterak slunce jásavě svítí na solární panely, voda vesele roztáčí šneky turbín a vítr laškovně prohání větrníky. Kam se ale poděla ta druhá sloka o tom, že tahle zelená energie skrývá tvář černější než uhlí a že účet za ní je mastnější než ropná skvrna?

Co se stane, až do elektrické sítě naplno vtrhnou slunce, voda a vítr?

Mít v zásuvce proud dnes bereme jako úplnou samozřejmost. Ale ještě před sto lety ho doma neměl téměř nikdo. A trvalo další dlouhá desetiletí, než jsme se mohli spolehnout na zásobování proudem 24 hodin denně a každý den v roce. Bylo zapotřebí nejen vybudovat zařízení, která elektřinu vyrábějí, ale také systém jejího přenosu a distribuce ke koncovým uživatelům. Ten byl u nás kompletně dokončen až v 80. letech – dnes jej však čekají nové výzvy a požadavky na přebudování, aby zvládl zapojování stále většího množství tzv. obnovitelných zdrojů energie.

Elektrická síť je ve skutečnosti největší „stroj“ na světě, který kdy člověk vymyslel a který provozuje. Podobně jako síť pozemních komunikací ji můžeme rozdělit na dvě části – „dálnice“ neboli páteřní přenosovou soustavu, která z elektráren přenáší proud na velké vzdálenosti, a „silnice“ neboli distribuční soustavy, které dopravují proud k odběratelům. Jen u nás sestávají tyto sítě z více jak sto padesáti tisíc (!) kilometrů „drátůׅ“ vedených po stožárech a sloupech nad zemí anebo v podzemních kabelech a z tisícovek zařízení potřebných k jejímu bezpečnému provozu – rozvoden, transformátorů, odpojovačů, vypínačů, bleskojistek...

Rozdělení na přenosovou a distribuční soustavu je důležité. Zatímco provozovatel distribuční soustavy se stará primárně o to, aby proud bez problémů „dotekl“ až k jeho zákazníkům, provozovatel přenosové soustavy zajišťuje nejen to, aby měli distributoři dostatek kvalitního proudu (kvalita je definována technickými parametry jako napětí, frekvence a symetrie mezi jednotlivými fázemi v třífázové soustavě), ale stará se též o neustálé udržování rovnováhy mezi výrobou a poptávkou. A protože je naše přenosová soustava napojena na podobné sítě v sousedních státech, zajišťuje také dovoz, vývoz nebo tranzit elektřiny. Navíc 24 hodin denně a 365 dnů v roce dbá na prevenci či řešení krizových a havarijních situací, jako jsou poruchy v síti, které by mohly vést až k jejímu kolapsu – blackoutu.

V takových případech se totiž musí jednat velmi rychle. Elektřina se šíří rychlostí světla (z fyzikálního hlediska je to sice o dost složitější, protože elektrony ve skutečnosti putují ve vodičích rychlostmi jen pár cm za sekundu, ale to teď zanedbejme) a hlavně, nedá se skladovat, alespoň ne ve významném množství. Přebytečnou energii využívají třeba tzv. vodní přečerpávací elektrárny. Jako nové slibné řešení se jeví bateriová úložiště, jenomže v jejich případě je technologický vývoj stále v plenkách s ohledem na to, jak velké množství energie by při krizových stavech měla být schopna ukládat pro pozdější spotřebu.

A krizových stavů, kdy je energie v síti najednou takový nadbytek, že to může vést až k jejímu fatálnímu přetížení, poslední dobou přibývá. Stačí, když na severu Německa posetého rozsáhlými větrnými parky začnou vanout silné větry, k čemuž každoročně pravidelně dochází například v polovině podzimu. Výsledkem je zahlcení nejen německé, nýbrž i české přenosové soustavy, a to právě kvůli již zmíněnému vzájemnému propojení. Cena za jediné možné „okamžité řešení“ v takovéto situaci – redistribuci elektřiny – se každý den pohybuje v řádech milionů korun. Cena za dlouhodobější a udržitelné řešení – stavbu nových vedení a dalších síťových prvků (např. nových rozvoden) – je ovšem mnohem vyšší. A k tomu připočtěte i časovou náročnost, protože nové vedení či transformátor se sice dají vyprojektovat a postavit v řádu pár měsíců či let, ale dohodnout se s vlastníky pozemků a získat nezbytná povolení od místních úřadů trvá klidně až let deset.

Přenosové soustavy byly od počátku konstruovány pro tzv. centrální zdroje – uhelné, jaderné či (paro)plynové elektrárny, zkrátka takové, které jsou schopny fungovat ve dne v noci, v létě v zimě. Pro elektrárny, jejichž výkon – čili množství proudu dodávaného do sítě – se dá regulovat podle toho, jaká je zrovna u odběratelů poptávka. Jenže teď přicházejí na scénu zdroje úplně jiné, tzv. decentralizované (je jich hodně, menších a na různých místech) a interminentní (nedodávají proud do sítě stále, ale jen někdy), které se žádnou aktuální poptávkou či stavem přenosové sítě neřídí. Jejich výkon určuje aktuální meteorologická situace – to, zda zrovna fouká vítr nebo svítí slunce, případně teče dost vody.

A to není jediný problém. Velké, centralizované zdroje energie se s ohledem na svou ekonomičnost stavěly v co největší blízkosti velkých odběratelů – průmyslových podniků, protože se tak minimalizovaly ztráty spojené s přenosem energie (každý vodič má elektrický odpor, takže čím větší vzdálenost přenosu, tím víc proudu se „ztratí“, a k tomu připočtěte ztráty při transformaci proudu mezi různými soustavami a jeho spotřebu u nezbytných spojovacích, řídicích a měřicích prvků). A také se tím zároveň minimalizovaly náklady na budování elektrizační soustavy. Tento trend dal vlastně vzniknout nejen průmyslovým centrům, ale i rezidenčním, protože elektrárny bylo nejvýhodnější stavět poblíž surovinové základny, a kolem nich se pak také logicky rozrůstala i lidská sídla.

Dnes je kvůli tlaku na zavádění „čistých zdrojů“ energie situace analogická, ale bude zřejmě do budoucna znamenat jak „přeorání“ naší krajiny, tak našich rodinných rozpočtů. Jelikož jsou OZE (obnovitelné zdroje energie) závislé počasí, stavějí se v místech s vhodnými klimatickými podmínkami. Větrné turbíny v oblastech, kde hodně fouká, solární elektrárny v rovinách či na svazích s příhodnou jižní orientací. Lidé a průmysl se tak budou muset buď přesunout do blízkosti těchto zdrojů, nebo bude nutné vybudovat nové stožáry a dráty atd. Což v případě plánovaných závazků přechodu k OZE znamená další nové tisíce kilometrů elektrického vedení. A také radikální přebudování celé přenosové a distribuční soustavy.

K výkyvům výroby a spotřeby elektřiny dochází samozřejmě i v rámci klasické centralizované sítě a existují mechanismy, jak je vyrovnávat. Platí např. tzv. pravidlo N–1 (n minus jedna), tedy že při výpadku jednoho hlavního zdroje, transformátoru či vedení je soustava schopna jej nahradit jiným. Navíc funguje také husté propojení elektrizačních soustav a řízení spotřeby na základě tzv. regulačních stupňů. Mezinárodní energetická agentura (IEA) dle mnoha svých studií odhaduje, že současné „staré“ soustavy jsou se stávajícími prostředky schopné zcela bez problémů zvládat toky energií z OZE (závislých na počasí), pokud jejich podíl na výrobě nepřesáhne hranici 3 %. A když se zabrání koncentraci těchto zdrojů ve větších celcích (jako jsou větrné a solární parky), může to být až 10 % nebo dokonce i 30 %. To ovšem znamená, že by většina solárních a větrných elektráren měla být skutečně decentralizovaná – formou jednoho větrníku na kopci za obcí nebo solárních panelů na střechách domů.

A zde přichází další problém. Tyhle malé, takřka domácí výrobny proudu jsou do soustavy zapojovány na úrovni distribuční sítě – tedy nemají přímé propojení s onou elektrickou „dálnicí“, nýbrž jen s „okreskou“. A ta je stavěna na to, aby proud vedla z dálnice po okresce k vám, ne naopak. Většinou není na zpětný tok energie vůbec dimenzována. Co to znamená? Opět nové investice do infrastruktury, která bude schopna si poradit se zdroji, jež se neřídí poptávkou, nýbrž počasím. Stávající distribuční soustavy bude proto nutné přebudovat na tzv. smart grids – sítě schopné zajišťovat obousměrný tok energie a zároveň komunikaci mezi odběrateli/malovýrobci a síťovým operátorem. Nehledě na potřebu shromažďování, vyhodnocování a aplikaci dat o stavu proudu v real time režimu. Třeba řízení energetických toků na základě aktuální situace a jejich plánování podle meteorologických předpovědí – kdy bude foukat vítr a svítit slunce, a tudíž kolik proudu bude do sítě dodáno.

Představa, že si na střechu dáte solární panely a budete ze sítě odebírat elektřinu třeba jen v noci, když nesvítí slunce, a naopak za slunečného dne se vám bude elektroměr „otáčet na opačnou stranu“, je sice lákavá, ale za současného stavu realizovatelná pouze za cenu tak vysokých finančních nákladů, že se tato investice vrátí možná až vašim dětem. Navíc dochází k paradoxní situaci – jako malovýrobce neboli vlastník decentralizovaného zdroje platíte jen rozdíl mezi tím, co vyrobíte a co odeberete, ale zároveň plně využíváte služeb provozovatele soustavy, který zajišťuje stabilitu sítě a umožňuje vám odebírat proud i v době, kdy sami žádný nevyrábíte. Ve výsledku dáte za elektřinu výrazně méně než běžní lidé, kteří mají klasickou elektrickou přípojku – jejich účet za energii je součtem nákladů na její výrobu a nákladů na její distribuci. A tyhle náklady rostou právě díky zapojování zelených malovýrobců do sítě.

Kolik času a peněz bude potřeba k přebudování elektrických sítí tak, aby zvládly zapojení plánovaného množství obnovitelných zdrojů energie, se můžeme zatím jen odhadovat. Ale řádově to budou určitě stovky miliard, pokud máme splnit smělé cíle stanovené Evropskou unií do roku 2030. Jen v Německu zatím od roku 2015 do letoška stálo zavádění OZE (včetně výstavby nové „přenosové dálnice“ ze severních větrných parků na jih) cca 160 miliard (eur!).

Kdo to zaplatí? Samozřejmě kdo jiný než koncový zákazník – ať už ve formě daní, nebo spíše vyšších cen elektřiny, protože i kdyby nakrásně „zelená energie“ díky novým technologiím zlevňovala, náklady na dovybudování dostatečně robustní přenosové a distribuční soustavy se všemi nezbytnými „smart“ prvky řízení započte její provozovatel logicky do účtu dodavatelům, kterým svou síť k rozvodu jejich energie poskytuje. A ti to zase dál – logicky – započtou vám. Tedy nám všem.

Start ze tmy jako plán, o kterém doufáme, že zůstane na papíře

Start ze tmy jako plán, o kterém doufáme, že zůstane na papíře

21. 5. 2019

Blackout. To slovo je strašákem pro celou společnost, která je čím dál tím závislejší na elektrické energii. Energetici jsou naštěstí dobře připraveni i na katastrofické scénáře. Ale mnohdy ani ta sebelepší příprava nestačí na to, co si bezbřehou fantazií naplněný zlomyslný osud vymyslí...

Blackout jako Damoklův meč 21. století

Blackout jako Damoklův meč 21. století

8. 4. 2019

Rozsáhlý výpadek elektřiny není jen pojem z říše katastrofických filmů, ale také stále reálnější scénář, který se už v tomto tisíciletí natvrdo odehrál například v Indii, Turecku, USA, Kanadě, Itálii nebo Německu. I my jsme mu již byli hodně blízko, a to dokonce dvakrát.

Odmítat fosilní paliva je snazší než rozloučit se s moderním způsobem života

Odmítat fosilní paliva je snazší než rozloučit se s moderním způsobem života

15. 10. 2018

Změny klimatu letos udeřily s nebývalou silou. Člověk ani nemusí být klimatolog, obyvatel Karolíny či zemědělec, aby to uznal. Fosilní průmysl tak opět stanul před pomyslným soudem a musel si připadat trochu jako destilérka obžalovaná notorickými alkoholiky. Současně totiž nerušeně pokračoval rozvoj moderního způsobu života, který zcela neomylně vede ke zvyšování spotřeby elektřiny. Té fosilní.