Studie: USA mohou vyrábět 90 % své elektřiny bezemisně již v roce 2035

Energetické systémy s většinovým podílem bezemisních zdrojů tak je možné realizovat výrazně dříve. Podle scénáře Goldman school of public policy při Kalifornské univerzitě v Berkeley by americkou výrobu elektřiny dokázaly v roce 2035 pokrýt v naprosté většině (cca 70 %) nové kapacity větrných a solárních elektráren s bateriemi. K tomu by se připojily stávající kapacity vodních a jaderných elektráren. Zbylých 10 % by zajistily již zprovozněné plynové elektrárny. Žádné nové fosilní zdroje by se v příštích 15 letech nestavěly a zároveň by k roku 2035 byly odstaveny všechny uhelné elektrárny. Studie počítá s plánovaným dosloužením některých jaderných bloků i s nárůstem spotřeby elektřiny.

Při tom všem by měla být cena elektřiny o 10 % nižší než dnes. Hlavní podíl na tom mají klesající náklady na solární a větrné zdroje i na baterie. Přítomnost akumulace sice zvyšuje náklady na zdroje, ale snižuje investice do posílení přenosové soustavy a špičkovacích plynových zdrojů. To znamená, že posílení čeká spíše lokální distribuční sítě, než dálkové přenosové soustavy a síťové náklady budou nižší, než bez akumulace.

Odstavení většiny fosilních zdrojů pro výrobu elektřiny také znamená výrazné snížení nákladů na těžbu, zpracování a dopravu paliva. Zachování části stávajících plynových zdrojů pak snižuje nároky (a tedy i náklady) na dlouhodobou akumulaci. Zastavení výstavby nových fosilních zdrojů zase snižuje budoucí náklady plynoucí z nevyužití instalovaných kapacit („stranded assets“), ke kterým bude při klesajících cenách obnovitelných zdrojů docházet. Studie přitom do ceny elektřiny nezahrnuje výhody plynoucí z úspory emisí skleníkových plynů a pozitivní dopady zásadně nižšího množství škodlivin v ovzduší na zdraví obyvatel.

Zleva: cena za MWh z větru, cena MWh z fotovoltaiky, cena za kWh baterie. Vše vztaženo k nákladům na celý životní cyklus a vše bez dotací. Zdroj: 2035report.com

Těžko představitelné tempo

Naplnění scénáře z 90 % bezemisního energetického mixu by vyžadovalo 1 100 GW nových solárních a větrných zdrojů a 600 GWh akumulace (výkon 150 gigawattů po 4 hodiny). To je obrovské množství a téměř dosahuje současného instalovaného výkonu všech zdrojů ve Spojených státech (cca 1200 GW).

I když se OZE staví nejrychleji ze všech zdrojů, má-li se vše stihnout do roku 2035, znamená to roční přírůstek 70 GW nově instalované kapacity. Pro srovnání, to je více, než instalovaný výkon všech německých větrných elektráren v roce 2019 (cca 61 GW) nebo 35 x více, než výkon všech fotovoltaických elektráren v ČR (cca 2 GW). A tento výkon by měl přibýt v USA každý rok po příštích 15 let. Autoři studie jsou si toho vědomi, ale argumentují, že díky klesajícím nákladům je tento cíl dosažitelný a že instalovaná kapacita by měla být rozprostřena po celých Spojených státech.

Takový rozsah instalací si zároveň vyžádá mnoho nových pracovních míst, který by měl více než dostatečně nahradit úbytek práce v sektoru fosilních paliv. Autoři odhadují přírůstek na 500 000 pracovních míst během příštích 15 let v porovnání s nulovým scénářem. A to přijde vhod i kvůli pandemii COVID-19, která v USA zrušila 40 milionů pracovních míst.

Co když nesvítí a nefouká? Takové situace netrvají dlouho

Výzkumníci z Berkeley si svá odvážná čísla ověřili na komplexních počítačových modelech a došli k několika překvapivým závěrům. V první řadě otestovali scénář 90 % čisté energie na případy, kdy jsou nevýhodné podmínky pro výrobu elektřiny ze slunce a větru. Dělali to tak, že vzali data počasí za 7 let^*), tj. celkem 60 000 hodin ve všech částech Spojených států (celkem 134 regionálních zón) a zkoumali výkon solárních a větrných zdrojů po celou dobu (zdroje dat vizte v seznamu literatury v závěru článku). Studie tedy pracovala s poměrně velkým množstvím dat.

Výzkumníci zjistili, že v hodinách nejméně příznivého počasí pro výrobu elektřiny z větru a slunce (tzn. během nočního bezvětří napříč Spojenými státy) padá výroba větrníků a fotovoltaiky pod 94 % celkového instalovaného výkonu a pod 80 % průměrného výkonu. Aby autoři tento propad výkonu kompenzovali a uspokojili předpokládanou poptávku, simulovali zapojení výkonu akumulace (baterie i přečerpávání), jádra i vodních elektráren a shledali, že k pokrytí poptávky v kritických hodinách schází výkon 360 GW, který je nutné doplnit plynem. Pro srovnání, instalovaný výkon plynových elektráren v USA v roce 2020 je 534 GW.

Důležité je, že podle studie takové chvíle netrvají dlouho. Výkon plynových elektráren nad 300 GW by při scénáři 90% čisté energie byl potřeba méně než 45 hodin za rok. Zbylých 70 GW plynových zdrojů potřebných pro pokrytí kritických hodin má kapacitní faktor nižší než 1 %. I tak autorům vychází výhodněji zachovat a udržovat pro tyto příležitosti stávající plynové zdroje, než stavět dalších 70 GW akumulace.

Pokud autoři pokles výroby vztáhli ne na hodiny, ale na dny, týdny nebo měsíce, byl rozdíl mezi výrobou OZE a spotřebou výrazně nižší, než v kritických hodinách. Nejslabším měsícem je z tohoto hlediska překvapivě srpen, kdy v USA málo fouká a je tak potřeba nejvyšší výroba elektřiny z plynu.

150 GW/600 GWh baterií by mělo dostačovat k udržení sítě po většinu roku. I tak ale autoři počítají, že zhruba 14 % obnovitelné energie přijde ročně vniveč, protože ji nebude kam uložit. Nové technologie akumulace (vodík, průtočné baterie…) nebo rozvoj chytrých sítí (řízení poptávky) by mohly toto množství snížit, studie však s nimi ve své predikci nepočítá – vychází jen z technologií, které se osvědčily ve větším měřítku již v roce 2019.

Zajímavý, i když zdánlivě samozřejmý postřeh je, že postupující elektrifikace americké ekonomiky snižuje potřebu akumulace, a tedy i nutné investice. Je to logické – čím více se elektřiny spotřebuje, tím méně jí bude potřeba uložit. Přesto tento závěr v úvahách o budoucích potřebách elektrického úložiště běžně nezaznívá.

Studie nepočítá s novými technologiemi výroby a akumulace, jako jsou rozsáhlejší vodíková energetika nebo malé jaderné reaktory, které mohou během příštích 15 let přijít. Ty by ale měly do roku 2035 dozrát natolik, aby mohly začít nahrazovat zbývající fosilní zdroje.

K naplnění scénáře ze studie by samozřejmě muselo dojít k nebývale rychlé politické shodě a k dobře koordinované akci v mnoha oblastech průmyslových i geografických, aby bylo možné postavit 70 GW obnovitelných zdrojů ročně. Rychlá transformace sektoru výroby elektřiny by iniciovala i dekarbonizaci ostatních odvětví.

*) V podkladech není explicitně zmíněno, odkud výzkumníci v Berkeley vzali data počasí pro simulaci, ale z některých tabulek je patrné, že se nejspíš jedná o historická data z let 2007 – 2013.

Zdroje:

• 2035 - The Report. 2035report.com [online]. [cit. 2020-06-12]. Dostupné z: https://www.2035report.com/downloads/
• America's Electricity Generation Capacity 2020 Update. American Public Power Association [online]. [cit. 2020-06-12]. Dostupné z: https://www.publicpower.org/system/files/documents/Americas-Electricity-Generation-Capacity-2020.pdf