Energetika budoucnosti

V roce 2040 by v Česku mohly být 2 miliony elektromobilů, připravit se musí i rozvodná síť

Výroba i spotřeba elektřiny se mění před očima. Stále více proudu vyrábíme ze slunce nebo větru a pouštíme ho nejen do žárovek, ale třeba i do aut. Jak zajistit, že elektřiny bude vždy dostatek a že nové chytré technologie nebudou zranitelné vůči kybernetickým útokům?

První letošní pondělí přineslo teploty lehce nad nulou a na řadě míst v Česku oblačnost, která přetrvala alespoň po část dne. Vítr byl spíše slabý. Odpoledne někteří Češi, Moravané a Slezané vítali Tři krále, jiní se zotavovali po svém prvním ostrém pracovním dni roku 2020. Slunce začalo zapadat asi ve tři čtvrtě na pět. V pět hodin se odběry elektřiny z české sítě pohybovaly okolo nejvyšších hodnot toho dne a zatížení elektrické soustavy dosáhlo 9 680 MW. Varné konvice, počítače, televize a stroje v tu chvíli pohánělo především hnědé uhlí. Hnědouhelné elektrárny totiž vyráběly 41 % tuzemské elektřiny. Na druhém místě je následovaly jaderné zdroje se 32 % a na třetím plyn s 12 %.

Při pohledu na tato čísla není divu, že některým lidem se zdá na začátku roku 2020 těžko představitelný odklon od uhlí, které by se podle jednoho ze scénářů české Uhelné komise mohlo přestat využívat už za 15 let.

Právě leden je společně s prosincem a únorem často tím měsícem, během kterého se spotřeba elektřiny v evropských domácnostech a podnicích dostává na nejvyšší roční hodnoty. Je totiž zima a brzy se stmívá. Loni zaznamenala absolutně nejvyšší zatížení přenosová síť ve Francii - 24. ledna 2019 mezi 19:00 a 20:00 dosáhlo 86 341 MW. Na druhém místě následovalo Německo se zatížením 77 244 MW, které přenosová síť zaznamenala 7. února 2019 mezi 11:30 a 11:45. Pohled na energetický mix se od toho českého v obou případech lišil. Ve Francii mu dominovalo jádro (66 %) následované plynem (10,5 %), zatímco v Německu panoval vítr. Nejvíce elektřiny totiž v tu chvíli vyráběly pevninské větrné elektrárny (29 %), následované hnědouhelnými (18 %) a jadernými (12 %).

Elektřina ze slunce a větru

“A co když nebude foukat vítr?” je jedna z otázek, které se v poslední době objevují v debatách o energetice pravidelně. Případně ji doplňuje námitka, že některé země nemají pro rozvoj větrné či jiné obnovitelné energetiky dobré přírodní podmínky nebo že se proti výstavbě nových zdrojů ozývají nesouhlasné názory místních obyvatel. Nejen Evropa, ale celý svět ovšem vstoupil do období změn, na jejichž konci mohou čekat úplně jiné energetické systémy, než na které jsme zvyklí v dnešní době. A každá země se s nimi bude muset vypořádat po svém.

Jednou z těchto změn je rostoucí podíl větrných a solárních elektráren v energetickém mixu. Tyto zdroje sice vyrábí elektřinu s nižší ekologickou zátěží a snižují závislost na dovozech energie, ale zároveň jsou obtížněji řiditelné než konvenční elektrárny. V řadě zemí už jsou výrazným prvkem energetického systému. Například ve zmíněném Německu roste jejich podíl ve výrobní základně nepřetržitě od roku 1999 a ke konci roku 2017 dosáhl na 48 %, ukazují poslední srovnatelná data Eurostatu. V Dánsku se začaly tyto “nestálé” zdroje rozvíjet už před rokem 1990 a v roce 2017 představovaly 43 % celkového instalovaného výkonu. Třetí nejvyšší podíl (téměř 33 %) zaznamenalo Irsko. V Česku v současnosti tvoří solární a větrné elektrárny 11 % výrobních zdrojů.

Za deset let desetkrát více elektromobilů

Další výzvou pro stabilitu elektrické sítě bude častější využívání elektromobilů. Loni jezdilo na českých silnicích asi 2 600 osobních aut na baterii a přibližně 1 100 hybridních osobáků, ukazují čísla Evropské observatoře pro alternativní paliva EAFO. Za pět let by to už mohlo být více než 24 500 elektromobilů a více než 46 000 hybridů. Nebo dokonce víc, vyplývá ze studie zpracované v roce 2018 pro potřeby provozovatelů české přenosové soustavy a distribučních sítí. V případě rychlejšího rozvoje by počet čistých elektromobilů mohl v roce 2025 dosáhnout téměř na 159 000. Výpočty pro rok 2040 se pak pohybují mezi 231 000 v nízkém scénáři a více než 2 miliony ve vysokém scénáři. Navíc je nutné počítat také s využíváním elektřiny pro pohon dodávek, autobusů a dokonce i nákladních vozidel. V Česku zatím na elektřinu žádný náklaďák nejezdí, za deset let by jich ale podle středního scénáře zmíněné studie mohlo být asi 1 600.

Malé i velké elektromobily samozřejmě potřebují dobíjet baterie. K tomu nejčastěji dochází doma nebo v zaměstnání, ukazují dosavadní zkušenosti z Norska, které v rozvoji elektromobility stojí na evropské špičce. Nabíjet během nočního spánku nebo pracovní doby je totiž z uživatelského pohledu nejpohodlnější. Vedle toho jsou ovšem potřebné také veřejné dobíjecí stanice na parkovištích obchodních domů nebo jiných zařízení a v blízkosti významných silničních tahů. V současné době je v Česku k dispozici přes šest stovek nabíjecích veřejných stanic, v budoucnu ale bude muset číslo přirozeně vzrůst. Za patnáct let by jich mělo být podle středního scénáře citované studie více než 41 000 a v roce 2040 by měl jejich počet přesáhnout 81 000.

Výzkumníci dále vzali v úvahu, jak často a rychle je nutné různé druhy elektromobilů dobíjet, kolik elektřiny je k dobití baterie potřeba a v jakých časech se mohou u různých typů dobíjecích stanic hromadit řidiči, kteří budou potřebovat připojit své vozidlo. Na základě toho vypočítali, jak velké dobíjecí výkony budou potřebné v jednotlivých městech a obcích České republiky. Nejvýraznější dopady mohou nepřekvapivě očekávat velká města jako Praha, Brno nebo Ostrava. Moravskoslezská metropole například bude do deseti let potřebovat dodatečný dobíjecí výkon dosahující k 18 MW, ukazuje střední scénář zmíněné studie. Podle vysokého scénáře by to mohlo být až 49 MW.

Spotřebuj elektřinu, když se to hodí

Zároveň se změnami ve výrobě a spotřebě elektřiny vznikají nové způsoby a nástroje pro stabilizaci celého systému. V případě elektromobility například mohou distributoři elektřiny sníženou cenou motivovat řidiče k tomu, aby odebíral proud mimo dobíjecí špičku. Další možnost nabízí takzvané chytré dobíjení. Při něm se skupina elektromobilů nabíjí v určitém časovém úseku tak, aby například byly ráno před cestou do práce všechny plně nabité, ale zároveň se nabíjení rozloží v čase tak, aby v jednom okamžiku nekladlo na síť příliš vysoké nároky. Takový způsob vyžaduje pokročilé digitální technologie pro vzájemnou komunikaci mezi vozidlem, dobíjecí stanicí a elektrickou soustavou.

Obecně budou hrát informační a komunikační technologie v energetice budoucnosti významnou roli, protože celý systém bude muset být chytřejší a flexibilnější. Už teď se energetické firmy například spoléhají na stále vyspělejší způsoby předpovídání počasí, což umožňuje lépe využívat nestálé zdroje, které na povětrnostních podmínkách závisí.

Velké možnosti nabízí také takzvaná flexibilita na straně poptávky - koncept, který má blízko k výše zmíněnému chytrému nabíjení. Jeho ústředním bodem je myšlenka, že někteří spotřebitelé mohou využívání elektřiny přizpůsobovat aktuální situaci v síti a na trhu - tedy například spotřebovávat více elektřiny v době, kdy je jí dostatek a zároveň kdy síť není příliš zatížená. Reagovat takto mohou průmyslové podniky, ale třeba i datová centra, mrazírny, administrativní budovy, školy, nemocnice nebo zimní stadiony. Spotřebu elektřiny lze ovlivňovat například prostřednictvím chytrých technologií pro vytápění a chlazení nebo ventilaci. Do hry pak může vstoupit takzvaný agregátor. Tedy firma, která nakupuje flexibilitu od různých poskytovatelů a pak ji nabízí například jako podpůrnou službu provozovateli soustavy, který musí udržovat stabilitu sítě. Takové zapojení spotřebitelů do řízení elektrické soustavy nyní v Česku testuje inovační projekt Dflex, který realizuje konsorcium partnerů v čele s provozovatelem české přenosové soustavy, společností ČEPS.

Řízení spotřeby ale najde uplatnění i v domácnostech s chytrými spotřebiči, které například usnadňují optimální využití domácí solární elektrárny a baterie. V Česku už desítky let funguje systém takzvaného hromadného dálkového ovládání (HDO), který je určitou jednoduchou variantou chytré sítě. Domácnosti, které používají elektřinu k topení v akumulačních kamnech nebo k ohřevu teplé užitkové vody v bojleru, mohou od distributora získat zvýhodněný dvousazbový tarif, pokud mu umožní ovládat provoz těchto spotřebičů podle svých potřeb. Elektřina spotřebovaná v době, kdy je to pro distributora výhodné, je pak levnější. V budoucnu ale pravděpodobně najdou uplatnění sofistikovanější chytré elektroměry (smart metery), které zaznamenávají aktuální spotřebu elektřiny a umožňují oboustrannou komunikaci s distributorem i řízení různých spotřebičů v domácnosti.

Chytrá a zranitelná

Nástup těchto chytrých technologií přirozeně provází ostražitost kvůli kybernetické bezpečnosti a ochraně dat. Ať už na úrovni “velké” energetiky, kdy se mohou hackeři pokusit získat přístup ke klíčovým informacím nebo prvkům infrastruktury, jako jsou elektrárny, rozvodné sítě nebo řídicí centra, nebo v “malé” energetice, kde je možné nabourat se do řídicího systému domácnosti. Riziko ovšem představuje i možný únik osobních dat, která spotřebitel díky chytrým elektroměrům sdílí s energetickými společnostmi. Z těchto údajů lze totiž o životě v domácnosti vyčíst řadu informací.

Průzkum německé energetické agentury DENA mezi 35 provozovateli distribučních sítí v Německu v roce 2018 ukázal, že energetické firmy vnímají tuto problematiku citlivě. Drtivá většina z oslovených provozovatelů uvedla, že největší prostor pro rizika spatřují v propojování energetických provozů se světem informačních a komunikačních technologií a třetina dokonce pokládá tato rizika za velmi pravděpodobná.

Na území Evropské unie dosud nedošlo k většímu kyberútoku namířenému na některou součást energetického systému. Přesto se evropské instituce tímto problémem zabývají. V roce 2016 byla například schválena směrnice o bezpečnosti sítí a informací v EU (NIS), která se vztahuje na provozovatele kritických infrastruktur v odvětvích jako finanční služby, doprava, zdravotnictví, nebo právě energetika. Evropská komise také navrhla síťový kodex pro řešení přeshraničních problémů s kybernetickou bezpečností energetických sítí. Bezpečností chytrých sítí a ochranou osobních dat se zabývá i speciální expertní skupina v rámci jednotky Smart Grid Task Force, kterou Komise vytvořila v roce 2009 a která se věnuje různým aspektům spojeným s digitalizací energetiky.

Chceš elektřinu? Zaplať

K udržování stability systému potřebují mít provozovatelé sítí k dispozici také elektrárny, které jsou schopny rychle vykrývat případné výpadky. Tedy takové, které mohou poměrně rychle zvyšovat nebo snižovat svůj výkon. Typicky se jedná o vodní elektrárny, ale také konvenční zdroje jako uhelné nebo plynové elektrárny.

V současných podmínkách trhu s elektřinou se ne vždy vyplácí provozovat tyto zdroje dlouhodobě - případně to není možné kvůli zpřísňujícím se ekologickým limitům. Řada zemí proto vytváří takzvané kapacitní mechanismy, jejichž prostřednictvím poskytuje provozovatelům takových elektráren státní podporu, aby byli schopni udržovat výrobní zdroje v pohotovosti pro případ potřeby. Tyto mechanismy schvaluje Evropská komise, která v Evropě určuje pravidla pro státní podporu. V roce 2016 napočítala 35 ukončených, existujících nebo plánovaných kapacitních mechanismů celkem v 11 zemích Evropské unie - Belgii, Dánsku, Francii, Chorvatsku, Itálii, Irsku, Německu, Polsku, Portugalsku, Španělsku a Švédsku. Do tohoto čísla navíc nebyl započítán kapacitní trh Spojeného království zavedený v roce 2014 a dva kapacitní mechanismy z Francie a Irska.

Uložit si elektřinu

Velké naděje se ovšem upínají také k ukládání energie, ať už jde o krátkodobější skladování elektřiny v akumulátorových nebo průtočných bateriích či setrvačnících, nebo dlouhodobější ukládání energie v přečerpávacích elektrárnách. Přebytečnou energii lze přeměnit a využít i ve formě tepla či chladu. Do budoucna se počítá také s využitím přebytečné elektřiny pro výrobu vodíku nebo syntetického metanu, které lze uskladnit a využít pro výrobu energie později.

Světovým lídrem v instalaci systémů pro ukládání energie je v současnosti Jižní Korea, kde byla v roce 2018 spuštěna zařízení o celkovém výkonu 0,8 GW. Celkový nově instalovaný výkon přesáhl předloni ve světě 3 GW, což bylo skoro dvakrát více než v roce 2017. Podle Mezinárodní energetické agentury lze na tomto poli očekávat další rozvoj. I proto, že ceny baterií rychle klesají, především díky stále častějšímu využívání v elektrických autech. Z evropských zemí se mezi světovou špičkou pohybuje Německo (0,3 GW instalované v roce 2018). V první čtyřce se objevuje ještě Čína a Spojené státy.

V Česku prozatím běží pilotní provoz tří velkokapacitních baterií, které byly spuštěny mezi lety 2017 a 2019 a jejich kapacita se pohybuje mezi 1,2 MWh a 2,8 MWh. Systémy pro ukládání energie se ale rozvíjejí nejen ve velkém měřítku jako prvky pomáhající stabilizovat síť, ale také jako součást místní energetiky v jednotlivých podnicích nebo budovách. V Německu bylo například podle IEA v roce 2018 spuštěno přes 100 000 takových zařízení. Agentura upozornila na to, že průtočné baterie se v zemi ukázaly jako vhodná alternativa k převládajícím lithium-iontovým akumulátorům, které zatím ve světě tvoří 85 % nově instalovaných kapacit.