Porovnání energetické koncepce Německa a České republiky (2)
Část 2: Energetický model a koncepce Německa
Druhá část článku přibližuje čtenáři úskalí a přínosy energetické koncepce Německa jako průkopníka decentralizovaného modelu energetiky s vysokým podílem OZE. Příspěvek se orientuje na hodnocení efektivity decentralizovaného modelu energetiky a OZE, zastoupení jednotlivých typů zdrojů v energetickém mixu a související infrastrukturou. Závěrečné stanovisko zároveň zohledňuje vytýčené politické cíle, energetickou bezpečnost, spolehlivost a ekonomiku uceleného modelového řešení, které vychází zejména z dominantní úlohy distribuované výroby s významným zastoupením obnovitelných zdrojů.
I. Úvod
Decentralizovaný nebo tzv. distribuovaný model energetiky není v principu zcela novým přístupem, protože byl poměrně známý již na přelomu 19. a 20. století, kdy docházelo k budování městských elektrárenských společností a lokálních zdrojů. To co se však významně změnilo, jsou technologie nových zdrojů, způsob jejich fungování a zejména jejich vliv na stabilitu a chování sítí v souvislosti s kvalitou dodávek elektrické energie.
Významnými změnami samozřejmě prošly i vlastní technologie přenosových a distribučních sítí, které umožnily masivní rozvoj centralizovaného modelu a sami o sobě by si zasloužily vlastní kapitolu a rozbor. V každém případě je pro dnešní síťové technologie charakteristická značná robustnost a kapacita pro přenosy elektrické energie na velké vzdálenosti, nové systémy monitoringu chování sítí a jejich ochran, způsoby regulace frekvence a napětí.
Mezi další významné prvky distribuovaného modelu energetiky patří ostrovní provoz a s ním spojené technologie zdrojů a sítí. V každém případě se dostáváme do bodu, kdy by bylo účelné si vymezit pojem a definici „Distribuované výroby“ nebo také „Distribuovaných zdrojů“ popř. „Distribuovaných energetických zdrojů“, tak jak je můžeme najít v odborné literatuře.
Definice a popis distribuované výroby by neměl z principu věci být ztotožňován s modelem rozvoje obnovitelných zdrojů. Důvod tohoto stanoviska je poměrně zřejmý a to zejména z technického pohledu, kdy rozvoj OZE se neobejde bez podpory provozu tzv. tvrdých (pro základní zatížení – především JE) a flexibilních zdrojů (pro dodávku PpS - dobře regulovatelných s vysokou provozní dynamikou) a potřebných síťových technologií. Proto je možné se opřít o širší definici distribuované výroby, kterou naznačila například studie PSERC z června 2012 [1] opírající se o následující parametry systému:
- Jakákoliv přidružená výroba propojená do distribuční nebo přenosové soustavy s kapacitou od 10 kW do 50 MW.
- Výroba elektrické energie, která je alokovaná v místě spotřeby nebo v její blízkosti.
- Záložní zdroje jak pro průmyslové, komerční nebo residenční využití včetně dieselových agregátů, které se pro doplnění většinou vyznačují ne příliš ekologickým provozem na rozdíl od OZE.
- Výroba pokrývající podpůrné prvky k zajištění stability a spolehlivosti dodávek elektrické energie včetně regulace napětí a řešení podporující účinnost a úspory v provozu vlastního zdroje, přes přenos až po vlastní spotřebu elektrické energie. Tuto koncepci se v podstatě snaží zastřešit řešení Managementu strany poptávky tj. DSM (Demand Side Management).
Otevřenou otázkou zůstává, jak skutečně vypadá dnešní distribuovaný systém energetických zdrojů a sítí s ohledem na potřeby jak provozovatelů zdrojů, rozvodných sítí, ale i zákazníků. K tomuto účelu nám velmi dobře může posloužit jako předloha dnešní energetická koncepce SRN a EU, které významným způsobem podporují decentralizovanou výrobu elektrické energie s vysokým podílem OZE.
II. Decentralizovaný model energetiky a OZE
Technologie distribuovaných zdrojů se vyznačují instalacemi a provozem v blízkosti koncového spotřebitele a v mnoha směrech i pokračujícím technologickým vývojem a výzkumem, který by měl odstranit jejich nedostatky a slabiny. Toto konstatování se týká jak technologií obnovitelných zdrojů např. fotovoltaických, větrných, bioplynových nebo zdrojů na biomasu, ale i nastupujících palivových článků, kogenerací / trigenerací, mikroturbín atd.
Zároveň s tím je potřeba si i uvědomit, že do decentralizovaného modelu energetiky začínají vstupovat i nové technologie zdrojů jako jsou malé jaderné reaktory [2, 3]. I když se zatím většinou jedná jen o vývojové a výzkumné projekty nebo zahájení výstavby těchto zdrojů, tak se může jednat v budoucnosti o technologii, která by se mohla stát nedílnou součástí distribuovaného modelu energetických zdrojů.
Tato představa může platit zejména v rozvojových zemích třetího světa, kde infrastruktura energetických sítí je na velmi nízké úrovni. Dobudování sítí v potřebné a srovnatelné úrovni s vyspělými zeměmi by pak s sebou neslo velmi vysoké náklady, které si tyto země nemohou dovolit. Nicméně není vyloučeno, že i některé vyspělé země budou zvažovat tuto technologii v rámci svého energetického mixu.
To je hlavní důvod, proč v současnosti významní dodavatelé jaderných technologií jako je Westinghouse / Toshiba, Areva, Mitsubishi, Hitachi-GE, Rosatom (Mostostroj 6, Atomenergomaš a Energomaškomplex), čínská Chinergy atd. rozvíjí tuto vizi jaderných zdrojů [2, 3]. Významá část vývojových a výzkumných aktivit je zaměřena na malé jaderné reaktory s elektrickým výkonem od 10–50 MWe viz Toshiba 4 S reaktor (Super Safe, Small and Simple) [4].
Součastí distribuovaného modelu energetiky je silný důraz na efektivitu, úspory a řízení spotřeby tj. managementu strany poptávky. Schéma koncepce distribuované výroby a její integrace s OZE vč. Managementu strany poptávky tj. DSM (Demand Side Management) velmi dobře přibližuje následující obrázek, který zobrazuje vztahy a propojení mezi jednotlivými oblastmi:
Obr. č. 1: Schéma koncepce Demand Side Management
Přehled zkratek:
AMI: Advanced Metering Infrastructure; BEMS: Building and Energy Management System; CEMS: Community Energy Management System; DM: Decentralizovaný model energetiky; D-EMS: Distributed Energy Management System; DMS: Distribution Management System; DSM: Demand Side Management; EM: Energy Management System; EV-EMS: Electric Vehicle Energy Management System; HEMS: Home Energy Management System; FEMS: Factory Energy Management System
Před dalším rozborem problematiky decentralizovaného modelu energetiky a úlohy OZE je vhodné zdůraznit, že tento model by měl s sebou nést dva výrazné aspekty, a to od samého počátku:
- Zajištění energetické bezpečnosti, za situace, kdy daná země popř. Společenství nedisponuje velkými zásobami energetických surovin a paliv
- Ochranu životního prostředí, která je ve vybraných zemích prioritou vládnoucích kruhů silně podporovanou veřejným míněním.
Tento stav rozvoje energetické koncepce můžeme sledovat ve velké části zemí EU včetně Německa. Zároveň tomuto záměru odpovídá i většina příslušných dokumentů a směrnic EU týkající se rozvoje OZE a energetické efektivity jako např. 2009/28/ES, 2012/27/ES [5, 6]. Nicméně je potřeba se ptát jak se tento politický záměr s podporou veřejnosti daří naplňovat, tzn., i jaká je jeho ekonomika a související technologická proveditelnost.
Pokud se podíváme na příklad Německa, tak v důsledku schválení třináctého dodatku atomového zákona [7] Spolkovým sněmem a Spolkovou radou z 31. 7. 2011, dojde k odstavení všech jaderných reaktorů do 31. 12. 2022. Tento krok bude znamenat výpadek zhruba jedné čtvrtiny výroby elektrické energie (28 % elektřiny pocházelo podle údajů z r. 2010 z jaderných zdrojů tj. přibližně 140,6 TWh). V roce 2013 tvořil podíl elektrické energie z jádra zhruba 15,5 %.
V této souvislosti se pak musíme ptát, jakým způsobem, tzn. jakými zdroji chce SRN nahradit tento výpadek ve výrobě, zdá má nebo bude mít k dispozici potřebnou síťovou infrastrukturu k řešení nerovnováhy mezi výrobou a poptávkou k řešení síťových asymetrií a jaké náklady příslušný energetický model s sebou ponese. Samozřejmě nemůžeme ani opominout otázku bezpečnosti související s dovozem energetických surovin a paliv.
Současně s tím je potřeba zdůraznit, že ambiciózní plán Německa na rozvoj OZE [8], který počítá s následujícím zastoupením těchto zdrojů v energetickém mixu 17 % (2010), 35 % (2020), 80 % (2050), bude muset řešit řadu obtížných úloh. Toto konstatování je o to více platné, pokud dojde k naplnění cíle 10 % větrných elektráren v r. 2020. V tomto směru se Německo se svojí průmyslovou tradicí a základnou dokonce dostává nad průměr EU, která má plán pro instalaci OZE na úrovni 19 % (2010), 34 % (2020) a konečně 60–97 % v r. 2050 [8].
Tak vysoké zastoupení OZE po r. 2020 bude muset řešit zcela novou koncepci sítí, zdrojů a zejména pak otázky spojené s kvalitou dodávek elektrické energie pokud jde o požadovanou úroveň napětí, rušení způsobené ze strany instalovaných měničů / střídačů atd. Pokud se tedy podíváme na výše uvedené otázky blíže, pak se bude jednat zejména o následující okruhy problémů:
- Budování potřebného výkonu a výroby elektrické energie záložních dynamických zdrojů.
- Rozvoj a modernizace přenosových sítí s ohledem na lokální a regionální přenosy elektrické energie s potřebnou kapacitou.
- Rozvoj a modernizace distribučních sítí, které by umožňovaly připojování distribuovaných zdrojů a OZE v požadované výši i na sítích nízkého napětí (NN).
- Dodržování požadovaných parametrů kvality elektrické energie a s tím související technická řešení.
Související problematikou se tak zároveň stávají i ekonomické náklady, které ponese nejen požadované technické řešení, ale i podpora k tak masivnímu rozvoji OZE. Důvodem je skutečnost, že malé zdroje jsou i nadále poměrně drahé a bez finanční podpory je velmi nepravděpodobné, že by došlo k jejich rozšíření. Toto tvrzení je možné doložit jak na případu ČR, tak i Německa.
Vývoj v Německu v souvislosti s podporou OZE začíná být poměrně dramatický, a to díky deformovanému vývoji cen elektrické energie, kdy v r. 2013 došlo k přibližně 19% poklesu cen elektrické energie. V roce 2014 se pak předpokládá jejich další zhruba 6% pokles [9]. Tím se trh s elektrickou energií a problematika budování nových zdrojů dostává do permanentní ekonomické krize a problémů.
Na tento vývoj musela zareagovat i německá politická scéna, a tak v lednu 2014 schválila německá vláda návrh novely zákona o obnovitelných zdrojích, kterým omezuje finanční podporu OZE [10]. Tímto krokem byla zřejmě posílena i úloha uhelných a plynových elektráren. Nicméně další masivní rozvoj uhelných elektráren je pak možné považovat za diskutabilní krok, a to jak z pohledu ochrany životního prostředí, tak i konkurenceschopnosti pokud by se jednalo o současné náklady spojené s technologiemi CCS.
III. Závěr: decentralizovaný model pro a proti
Diskuse na téma budování decentralizovaného modelu energetiky a jeho integrace se stávajícím modelem centrálních systémových zdrojů a řízení sítí je s největší pravděpodobností pořád na svém začátku. Důvodů je hned několik a jsou o to závažnější, že se promítají do základních principů fungování tržního hospodářství, hospodářské politiky a efektivního provozu technologií zdrojů a sítí.
V podstatě se tak na pořad dne dostávají otázky spojené s budováním decentralizovaného modelu energetiky a optimalizace energetického mixu, ekonomické podpory jednotlivým technologiím zdrojů zejména OZE a s cenou elektrické energie. Za stávající situace si pravděpodobně většina účastníků v odvětví energetiky uvědomuje, že došlo k takové deformaci energetického trhu, a to jak z pohledu investorů, tak státní podpory, že z ní bude velmi obtížné nalézt v nejbližší době efektivní východisko.
V každém případě obrysy dalšího vývoje byly v podstatě už představeny a současná německá energetická koncepce a její realizace bude muset řešit, jak se vypořádat s amiciózním plánem na instalaci OZE a jejich integraci do stávajícího prostředí německé energetiky, které za daných okolností ještě ani zdaleka není připraveno na odpojení všech jaderných zdrojů a instalci OZE v deklarované výši [8].
Aktuální trend německé energetiky tak směřuje nejen k posilování OZE, které jsou dnes na úrovni 23,4 %, ale i uhelných elektráren s podílem okolo 46,5 %, a to za situace, kdy se současně snižuje podíl zemního plynu. Tento postoj a vývoj je samozřejmě víc než pochopitelný, a to zejména s ohledem na aktuální cenu zemního plynu a bezpečnostní rizika související s příliš vysokou závislostí na ruských dodávkách.
Nicméně i z tohoto pohledu je na místě analyzovat, zda závazky a plány SRN, ale i EU na snižování skleníkových plynů zejména pak emisí oxidu uhličitého (CO2) jsou pořád ještě realistické, nebo je spíše nutné se připravovat na jejich revizi [11]. Tuto úlohu by měla převzít zejména EU jako součást hodnocení své ekologické politiky. Aktuální vývoj německé energetiky jasně dokládá, že cesta k distribuovanému modelu energetiky s vysokým podílem OZE obzvláště pro vyspělé průmyslové země je značně obtížná a prakticky velmi těžko realizovatelná.
Na základě tohoto konstatování je možné předpokládat, že i v případě Německa se bude jednat o kombinaci decentralizovaného a centralizovaného modelu rozvoje energetiky v 21. století. Otevřenou otázkou pouze zůstává, jaké modelové prvky v dalším vývoji převládnou a jakou cenu bude muset za ně německé hospodářství zaplatit.
Příspěvek byl zpracován s institucionální podporou NF VŠE Praha.
Zdroje
- [1] James A. Momoh, Sakis Meliopoulos, Robert Saint, Centralized and Distibuted Generated Power Systems – A Comparison Approach, PERC Publication 12 – 08, červen 2012.
- [2] Po světě rostou malé jaderné elektrárny, Česko na své zatím čeká, E15.cz, 19. 7. 2013.
- [3] Novinky z Atomexpa: ruské malé jaderné reaktory budou už v roce 2017 a Češi jdou s jadernou produkcí do světa, ATOM INFO, 9. 12. 2012
- [4] Toshiba Corporation and Central Research Institute of Electric Power Industry (CRIEPI), JapanSuper-Safe, Small & Simple Reactor (4S, Toshiba Design), z 06. 03., 2013.
- [5] Directive 2009/28/ES of the European Parlament and of the Council of 23 April 2009, on energy the promotion of the use of energy from renewable sources and amending and subsequently repealing Directives 2001/77/EC and 2003/30/EC, Official Journal of the European Union, 5. 6. 2009
- [6] Directive 2012/27/EU of the European Parlament and of the Council of 25 October 2012, on energy efficiency, amending Directives 2009/125/EC and 2010/30/EU and repealing Directives 2004/8/EC and 2006/32/EC, Official Journal of the European Union, 14. 11. 2012
- [7] Bundesgesetzblatt Jahrgang 2011 Teil I Nr. 43, Dreizejntes Gesetz zur Anderung des Atomgesetzes, vom 31. Juli, 2011, vydaný v Bonnu 5. srpna, 2011.
- [8] Prof. Dr. Frithjof Staiß, Dipl. Wirt. Ing. Maike Schmidt, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Ausbau der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Baden-Württemberg, Stuttgart 9. Januar 2012.
- [9] Vladimír Urbánek, Odhady: Ceny elektřiny v Německu letos klesnou o dalších 6 % kvůli narůstajícímu převisu produkce nad spotřebou, kurzy.cz, publikováno 3. 1. 2014.
- [10] Josef Němeček, Patria Online, Německo schválilo rázné omezení podpory obnovitelných zdrojů (+ komentář), Publikováno: 23. 1. 2014.
- [11] Euractiv.cz, Šéf EU pro energetiku: Se snižováním emisí se zapotíme, 3. 1. 2014.
The second part of the article presents the reader the difficulty and benefits of the German energetic concept as a pathfinder of the decentralized model with high penetration of renewable resources. This contribution concentrates on the efficiency evaluation of the decentralized energetic model with renewable resources, portions of the single kind of the resources in the energetic mix and related infrastructure. The final stand point represents political objectives, energetic security, reliability and economy of the complex model solution, which is based on the dominant role of the distributed generation with major representation of the renewable resources.
