Fakta a mýty o obnovitelných zdrojích (I)

ÚVOD
Nepochybně nejvýznamnější událostí české energetiky v uplynulém roce bylo vypracování návrhu dlouhodobé koncepce do roku 2030. A protože se Česká republika zavázala zvýšit podíl obnovitelných zdrojů na výrobě elektřiny na 8 % do roku 2010 a na 20 % do roku 2030, bylo nutné také připravit návrh zákona o podpoře výroby elektřiny a tepla z obnovitelných zdrojů. Návrh koncepce byl zpracován na Ministerstvu průmyslu a obchodu ČR a zahrnuje celkem 8 variant, jako podklad k diskuzi [1]. Protože ani ta nejzelenější varianta nevyhovovala představám pracovníků Ministerstva životního prostředí ČR, kteří mají "zelenou revoluci" v pracovní náplni, byla jimi vypracována další vlastní varianta, která konečný podíl obnovitelných zdrojů zdvojnásobila [2].

Využívání obnovitelných zdrojů energie (OZE) je prioritou energetické koncepce EU, kde panuje oprávněná obava z rostoucí závislosti na dovozu energetických surovin. V roce 2030 by to mělo být 70 % a to již představuje vážné ohrožení bezpečnosti a spolehlivosti dodávek energie v Evropě. Dovozní závislost České republiky se v témže roce odhaduje na 60 %, ovšem již dnes je závislost na dovozu ropy, zemního plynu a jaderného paliva prakticky stoprocentní.

V roce 2010 je očekávána hrubá spotřeba elektrické energie v ČR na úrovni cca 7 GWr. Závazek osmi procent znamená, že bude nutné vyrobit z obnovitelných zdrojů 560 MWr elektřiny. Rovněž byl na základě analýzy potenciálu OZE kvantifikován jejich cílový podíl na tuzemské spotřebě primárních energetických zdrojů: 6,8 % v roce 2010. Skupina expertů zpracovala pro potřeby světové banky a příslušných ministerstev ČR akční plán, v němž je dostupný potenciál OZE v roce 2010 odhadnut na 5,6 % a realisticky je navržen cíl: 3,5 % podílu na tuzemské spotřebě primárních zdrojů.

Uvedená čísla dokládají složitost situace, kdy na jedné straně stojí svaté nadšení a na druhé realizmus. Nepochybně je zapotřebí mít více, chceme-li něčeho podstatného dosáhnout. Ty více však musí stát pevně na zemi, musí být realizovatelné.

ROLE OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ
Od obnovitelných zdrojů energie se očekává významný příspěvek do struktury celkové spotřeby primárních zdrojů (se zdůrazněním nevyčerpatelnosti) a snížené environmentální zátěže. V prvém případě je nutno se ptát, jak velký ten příspěvek může být a jaká bude cena za něj, ve druhém je zapotřebí ujasnit si negativní vlivy na životní prostředí a poté je kvantifikovat. Po desetiletích světové soutěže mezi dobrem a zlem přišla éra udržitelného rozvoje. Jednou z jejích hlavních kapitol je zajištění dostatku energie, samozřejmě "čisté" a obnovitelné zdroje se nabízí jako nejlepší řešení. Éra udržitelného rozvoje zatím netrvá dlouho, nachází se ve fázi počátečního nadšení. Proto jsou možnosti obnovitelných zdrojů často přeceňovány a to nejen laickou veřejností.

Jedná se totiž, a to zejména v našich podmínkách, o zcela novou problematiku, která bývá často prezentována jako spolehlivá cesta k nové budoucnosti. Vize jsou potřebné a nezbytné, jen nesmí být nereálné.

Pouhý zdravý rozum bez odborných znalostí by měl stačit k vážným pochybnostem o oprávněnosti tvrzení, že až 21 % celkové spotřeby elektřiny v Moravskoslezském kraji lze pokrýt z větrných elektráren, jak se můžeme dočíst v oficiálním dokumentu "Program snižování emisí a imisí znečisťujících látek do ovzduší Moravskoslezského kraje" [3].

Krásnou a optimistickou vizí energeticky bezproblémové budoucnosti lidstva předkládá v [4] Howard Geller. Koncem tohoto století bude veškerá spotřeba energie kryta z obnovitelných zdrojů a předpovídaný vývoj uvádí graf na Obr. 1.

Obr. 1: Vývoj světové spotřeby

Tyto a mnoho dalších příkladů poskytují obnovitelným zdrojům energie medvědí službu. Slibují nesplnitelné a dříve nebo později se dostaví deziluze s nedobrými následky. Role obnovitelných zdrojů nespočívá v záchraně lidstva, nýbrž v přispění jistým a mj. geograficky odlišným dílem ke krytí spotřeby energie. Základní myšlenkou vždy bude racionální a efektivní využívání všech dostupných zdrojů energie.

Současné postavení obnovitelných zdrojů ve struktuře spotřeby energie uvádí pro země Evropské unie a pro Českou republiku Obr. 2.

Obr. 2: Struktura primárních zdrojů [5, 1]

V zemích EU představuje ten kousek koláče zhruba 6 %, zatímco u nás doma pouze cca 2,6 %. To je dobrá zpráva, neboť říká, že je reálné současný stav zlepšit. Reálné je uvažovat o využívání energie slunce, vody, větru a biomasy a je zřejmé, že první tři zdroje vedou k produkci neskladovatelné elektřiny, zatímco třetí představuje palivo, které lze skladovat a využívat k výrobě elektřiny i tepla podle potřeby. Největší slabinou energetiky je minimální schopnost akumulace vyrobené energie.

KOEFICIENT ROČNÍHO VYUŽITÍ
Při hodnocení efektivity každého energetického zdroje hraje významnou roli skutečnost, do jaké míry je v průběhu roku využíván jeho jmenovitý, instalovaný výkon. Vyjadřuje se koeficientem ročního využití instalovaného výkonu k_r, který lze jednoduše stanovit porovnáním skutečného množství vyrobené energie s teoretickým, maximálním množstvím, vyrobeným při celoročním provozu se jmenovitým výkonem. Lze jej vyjádřit

přičemž W_r vyjadřuje roční množství vyrobené energie (kWh/rok) a P_i je instalovaný výkon (kW). Se znalostí k_r můžeme odhadnout hodnotu průměrného ročního výkonu P_r

Například při rozhodování mezi uhlím a zemním plynem jako palivem pro elektrárenský blok favorizuje vysoké roční využití uhlí, neboť se v ekonomické kalkulaci dodatečně uplatní jeho nižší cena, kdežto opačný případ vede k zemnímu plynu díky výrazně nižším investičním nákladům.

V případě obnovitelných zdrojů slouží empirická znalost koeficientu ročního využití k přibližnému určení roční produkce pro konkrétní instalovaný výkon. Disponibilita slunce a větru má náhodný charakter, což samo o sobě přestavuje značný technický problém a ze samotné podstaty plyne, že koeficient ročního využití nemůže být příliš vysoký. Tuto problematiku lze nejlépe vysvětlit na příkladu větrných elektráren.

VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
Větrná energetika se v posledních letech rozvíjí v Evropě velice dynamicky. V roce 2002 byl celkový instalovaný výkon větrných elektráren v Německu zhruba 12 000 MW, ve Španělsku více než 5000 MW, v Dánsku téměř 3000 MW a v Evropě celkem 23 832 MW [6, 7]. Jsou to fascinující čísla, která svádí k následování i v České republice. Jenže to tak jednoduché není.

Zeměkoule je slunečním zářením ohřívána nerovnoměrně. Největší teplota je na rovníku a směrem k pólům klesá. Teplotní rozdíly a jim odpovídající rozdíly hustoty vzduchu narušují rovnováhu, hydrostatické tlaky se vyrovnávají prouděním a vzniká vítr. Při zemi proudí od pólů k rovníku, kde se otáčí vzhůru a v horních vrstvách proudí zpět k pólům. Díky zemské rotaci se v přízemní vrstvě stáčí jak ukazuje obr. 3, a proto na pevnině převládají západní větry a nejvhodnější lokality pro umístění věrných elektráren se nacházejí vždy na západním pobřeží kontinentů.

Obr. 3: Stáčení větru vlivem zemské rotace [8]

Proto jsou nejlepší podmínky pro využívání energie větru na západním pobřeží kontinentu, kde jsou větry stálé a silné. Dále do vnitrozemí síla větru slábne, jeho směr se mění podle terénu a jeho využitelný potenciál klesá. Dánské zkušenosti vedly k vytvoření čtyř kategorií krajiny s rozdílným energetickým potenciálem, jak ukazuje Obr. 4.

A Otevřené moře, ploché pobřeží. Rychlost větru je neomezena. Energetický potenciál: 100%	B Plochá krajina bez lesů a jiných překážek. Rychlost větru je mírně snížena. Energetický potenciál: 70%
C Plochá a mírně kopcovitá krajina s vegetací, farmami a osídlením. Energeický potenciál: 50%	D Kopcovitý terén s lesy a jinou vegetací, hustě osídlený. Energetický potenciál: 30%

Česká krajina patří převážně do kategorie D a možnosti využití energie větrné tedy nebudou příliš slibné. Samozřejmě existují vhodnější lokality, zejména na hřebenech Krušných hor. Tam také míří dosud největší projekt, který má za 13,3 mld. Kč vybudovat větrnou farmu s téměř 200 větrnými motory o celkovém instalovaném výkonu 325 MW. Investory této gigantické akce jsou společnosti Proventi a Virtual Utility, které očekávají koeficient ročního využití kolem 0,32. Zda se toto velmi optimistické očekávání potvrdí, se ukáže po létech, nebo také vůbec ne. Environmentalisté jsou proti výstavbě. Zkušenosti z provozu demonstrační větrné elektrárny EWT 315 v Krušných horách potvrzují roční využití cca 0,11 a podle údajů IEA bylo v roce 2000 dosaženo průměrných hodnot v Dánsku 0,18 a v Německu 17,5 %.

Dosud největší větrná farma byla před léty vybudována v Ostružné. Sestává z šesti jednotek Vestas o celkovém instalovaném výkonu 3000 kW. Za čtyři roky provozu farma vyrobila 5 777 MWh, což odpovídá celoročnímu průměrnému výkonu cca 165 kW a ročnímu využití 0,055. Celkové investiční náklady dosáhly 150 mil. Kč a lze tedy konstatovat, že investiční náklady na jeden celoroční realizovaný kW činí 900 tis. Kč. (Pro orientaci: investiční náklady na jeden instalovaný kW v uhelné elektrárně se pohybují kolem 40 tis. Kč.)

O tom, že lze nalézt vhodnější lokality, svědčí provozní výsledky motoru Vestas 225, který v lokalitě Velká Kraš u Vidnavy dosáhl ročního průměru 28,4 kW_r (k_r = 0,114) na Hostýně u Kroměříže dokonce 40 kW_r (k_r = 0,18). Nedávná instalace dalších modernějších a výkonnějších jednotek poskytne časem další a pravděpodobně optimističtější provozní poznatky. Nelze však očekávat podstatné zvýšení jejich ročního využití a v optimálních podmínkách lze očekávat výrobní náklady při dvacetileté životnosti zařízení mírně pod 3 Kč/kWh. Tržní cena elektřiny dnes činí cca 0,85 Kč/kWh.

V nedávno vydané publikaci [10], věnované možnostem uplatnění OZE v České republice, je odhadnut realizovatelný větrný potenciál takto: "Na území České republiky je pravděpodobný počet velkých větrných elektráren 900 - 1100, pravděpodobný instalovaný celkový výkon 570 - 680 MW a očekávaná roční výroba 1250 - 1550 GWh." Tyto údaje ukazují, že odhad vychází z předpokládaného ročního využití k_r = 25 - 26 %, což je podstatně víc než v přímořských zemích a proto velmi nepravděpodobné.

VODNÍ ELEKTRÁRNY
Nejvýznamnějším zdrojem energie z obnovitelných zdrojů jsou dnes vodní elektrárny. Největší výkon je soustředěn na vltavské kaskádě s celkovým instalovaným výkonem 706 MW. V průměrném vodném roce činí produkce těchto velkých vodních elektráren 156,4 MWr, což představuje roční využití instalovaného výkonu cca k_r = 0,22. Významnou produkci 47 MWr poskytují přečerpávací vodní elektrárny, jedná se však o akumulaci energie a zahrnovat je do kategorie vodních elektráren není opodstatněné.

Jiná situace je v oblasti instalovaných výkonů pod 10 MW, tzv. malých vodních elektráren (MVE). Je instalováno celkem 1350 jednotek a jejich produkce činí zhruba 77 MWr. V [10] je uveden přehled 119 zřejmě největších MVE s celkovým instalovaným výkonem 90 MW a roční produkcí 35 MWr, čemuž odpovídá k_r = 0,39. Možné zvýšení produkce je limitováno odhadovaným využitelným hydroenergetickým potenciálem cca 170 MWr. Podle některých prognóz by se měla výroba elektřiny z MVE zvýšit do roku 2010 na 130 MWr. Při k_r = 0,39 by to vyžadovalo zvýšit instalovaný výkon na 340 MW a protože již lze uvažovat pouze s využitím malých vodních toků, kde průměrný instalovaný výkon nepřevýší 200 kW, jednalo by se nejméně o 800 nových jednotek.

Malé možnosti nabízí jezy, které dosud nejsou k výrobě elektřiny využívány a sem pravděpodobně patří i dva, v současné době hodně diskutované, nové jezy na Labi. Na jeho dolním toku každý jez se vzdutím 2 m představuje roční produkci 6 000 MWh (tj. 0,7 MWr) s minimálními náklady na strojní vybavení.

Současný podíl vodních elektráren na celkové spotřebě elektřiny v České republice představuje necelá 3,5 %. V uplynulém roce z důvodu extrémně suchého roku a oprav souvisejících s likvidací povodní v roce 2002 klesl tento podíl na 2,0 %.

SOLÁRNÍ ENERGIE
Přímá transformace slunečního záření na jinou, účelně využitelnou formu energie se jeví jako přirozené a jednoduché řešení. Termální a fotovoltaické systémy jsou k dispozici, a tak musíme pouze vzít na vědomí, že naše země nepatří k extrémně prosluněným a že nejvíce slunečního záření je k dispozici v létě, kdy je potřeba tepla minimální a den nejdelší. Necháme stranou solární ohřev vody, který má převážně individuální význam, byť v kvalitním provedení pozoruhodný a zaměříme se na fotovoltaiku.

Na VŠB-Technické univerzitě v Ostravě je provozována dosud největší fotovoltaická elektrárna v České republice. Je zde nainstalováno 200 m² solárních panelů s optimální orientací a celkovým jmenovitým výkonem 20 kW. Je zajištěno kvalitní vybavení regulační a měřicí technikou, odborně zdatný personál včetně ostrahy celého systému a celkové náklady dosáhly částky 8,5 mil. Kč. V roce 2003 systém vyprodukoval do sítě 20 MWh.

Průměrný roční výkon představuje 2,28 kW a tomu odpovídá roční využití instalovaného výkonu k₂ = 0,114, průměrný roční jednotkový výkon byl 11,4 W/m². Při předpokládané životnosti elektrárny 20 let a odhadu celkových nákladů na 10 mil. Kč bude výrobní cena elektřiny 25 Kč/kWh.

Pozoruhodné je srovnání ekonomických parametrů této elektrárny s jadernou elektrárnou Temelín, která pracuje s instalovaným výkonem 2 GW a ročním využitím instalovaného výkonu k_r = 0,82. Investiční náklady dosáhly 100 mld Kč. Zjednodušené srovnání investičních nákladů na průměrný roční výkon 1 kW ukazuje, že fotovoltaika vyžaduje 3720 tis. Kč/kW, kdežto JETE 61 tis. Kč/kW a hypotetická náhrada JETE fotovoltaikou by si vyžádala cca 6 000 mld. Kč. Zajisté lze v budoucnu předpokládat technická zdokonalení, zvýšení účinnosti transformace energie a snížení ceny zařízení. Nicméně si dnes nelze představit, že by celkový instalovaný výkon ve fotovoltaice v České republice dosáhl 84 MW v roce 2010 a 541 MW v roce 2020, jak se někdy uvádí. Roční produkce elektřiny na úrovni 1 MWr by si vyžádala instalaci cca 350 fotovoltaických elektráren s parametry shodnými s VŠB-TU Ostrava.

Měl-li by být celkový instalovaný výkon ve fotovoltaice v roce 2020 540 MW, byly by při současných cenách a technických parametrech celkové investiční náklady 230 mld. Kč, průměrný roční výkon 62 MW a panely by musela být pokryta plocha cca 5,5 km². Zcela jistě dosud není tak zle, aby musela být vize realizována a ani by to nebylo možné. Hovoří se v ní o instalaci fotovoltaických panelů na 70 % rodinných domů, bez zamyšlení se nad potřebou jejich optimálního nasměrování. Kalkuluje se s instalováním výkonu 5 kW na každém domě, což představuje při současných cenách investici 2,25 mil. Kč. Zásadním řešením má být umístění panelů na protihlukové bariéry kolem dálnic, i když každý ví, že dálnice mění směr a bariéry nikdo nehlídá.

Ukazuje se, že čím jsou vyšší náklady na výrobu 1 kWh, tím více je zapotřebí popustit uzdu fantazii. Principiálně proti tomu nelze nic namítnout, jenže řeč se vede o realitě roku 2020, což je velice brzy.

Tato publikace vznikla v souvislosti s činností doktorského centra "Energie z biomasy", projektu GAČR 101/04/H064.

LITERATURA
[1] MPO ČR: Návrh státní energetické koncepce do roku 2030. Červen 2003.
[2] MŽP ČR: Scénář MŽP pro aktualizaci státní energetické koncepce ČR. 2003.
[3] "Program snižování emisí a imisí znečišťujících látek do ovzduší Moravskoslezského kraje", DHV c.r. spol. s r.o. Praha
[4] GELLER HOWARD: Energy Revolution, Policie for a Sustainable Future. Island Press, 2 003. ISBN 1-55963-964-4.
[5] European Commission: European BioEnergy Projects 1999-2002. Directorate-General for Research. Brusels, 2003.
[6] NATH Ch., RICHTER B.: Nutzung der Windenergie im Überblick. VGB Powertech, Vol. 83/2003.
[7] GIPE P.: The BTM wind report. Renewable Energy World. July - August 2003, Vol. 6, No. 4.
[8] KAŠPAR F.: Větrné motory, ESČ, Praha, 1948
[9] Nordjyllandsvaerket Windmills. (Firemní literatura).
[10] Kolektiv autorů: Obnovitelné zdroje energie a možnosti jejich uplatnění v České republice. ČEZ, Praha, 2003
[11] HUGUES J.: Wood-fuelled cogeneration, technologies and trends worldwide. Cogeneration & on-site Power Production. July - August 2003.
[12] BRADLEY R. L.: Climate Alarmism Reconsidered. IEA, The Institut of Economic Affairs, London, 2003.