V nedávné době se podařilo podepsat smlouvu mezi firmami KHNP a ČEZ o výstavbě dvojice nových jaderných bloků a příprava jejich výstavby by se měla rozběhnout. Zároveň se opět zintenzivňuje kampaň zelených protijaderných aktivistů, kteří kritizuje využití „extrémně drahých“ jaderných zdrojů a nevyužití „extrémně levných“ obnovitelných zdrojů. Je tak dobré se podrobněji podívat, zda tato představa, prezentovaná například organizací Fakta o klimatu, odpovídá realitě.

Nedávno jsem reagoval na jeden podobný výpad proti jaderné energetice v Britských listech dvěma články (zde a zde), kde jsem kromě vyvrácení některých nepravdivých tvrzení rozebíral i dopady využití různých kombinací energetických zdrojů.

 

Program na testování různých energetických mixů

Pro testování dopadů různých scénářů připravili kolegové z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR simulační program, který jsem využíval pro posuzování různých energetických mixů. Je velmi uživatelsky přístupný a volně dostupný na internetu. Využívá data o produkci a spotřebě elektřiny z nedávných let k simulaci fungování různých mixů, které si navolíte. Lze zvyšovat i snižovat spotřebu a výkony různých zdrojů či kapacity akumulace.

Pomocí programu lze otestovat libovolný mix, který vás zajímá. Program umožňuje ocenit i jeho cenu a emisní náročnost. Pochopitelně je postaven na zjednodušeném modelu. Využívá konkrétní průběh spotřeby (denní diagramy, průmyslová spotřeba, tepelná náročnost …) v konkrétním roce, který si můžete vybírat. V databázi má program roky 2019 až 2024, ale můžete využít i data z roku jiného. Budoucí spotřebu pak vyjadřujete násobky této spotřeby. Výroba je také z konkrétního roku (je jí dána efektivita, počasí, provozní režim …) pro dané zdroje. Pouze akumulace se přidává v co nejideálnějším režimu. I zde však můžete celou řadu parametrů varírovat podle potřeby. Odhady chybějícího výkonu nebo přebytků, které ukazují na nestabilitu mixu, jsou i při těchto zjednodušeních poměrně realistické. Relativně spolehlivě si také můžete vyzkoušet optimalizaci vámi hledaného mixu. A zkontrolovat, zda bude fungovat.

Využijme tedy program a podívejme se na vlastnosti různých energetických mixů. Je jasné, že výsledky se mohou lišit pro různé roky. My využijeme jako referenční rok 2019, který nebyl ovlivněn epidemií COVID-19. V některých případech se podíváme i na další roky, jestli se výsledky dramaticky neliší.

 

Co dokážou jednotlivé nízkoemisní zdroje samostatně?

Nejdříve se zaměříme na srovnání, jak mohou pokrývat potřeby jednotlivé zdroje samostatně. Zjednodušme tak situaci a mějme pouze fotovoltaiku a zvyšujme postupně její výkon. Využijeme data pro jednotlivé roky 2019 až 2023. Pro instalovaný výkon 5 GW dokáže fotovoltaika pokrýt mezi 8 až 11 % celoroční potřeby a žádná elektřina nepřichází nazmar. Při výkonu 10 GW se pokryje mezi 16 až 18 % potřeb a ztráty jsou stále zanedbatelné. U výkonu 20 GW se pokryje již 28 až 36 %, ale nevyužitá elektřina odpovídá již 18 až 37 % té využité. Pro výkon 40 GW stoupne pokrytí už jen relativně málo na 34 až 45 % potřeby, ale množství nevyužité elektřiny už je 80 až 110 % množství té využité. Je tak vidět, že se zde nevyužije už skoro polovina instalovaného potenciálu.

U větrných elektráren je situace lepší s pokrýváním potřeb, což je dáno lepším ročním využitím výkonu. S velkými výkony však roste rychle přebytek výroby. Ještě silnější je také závislost na počasí v daném roce. Pro instalovaný výkon 5 GW dokáží větrné turbíny pokrýt mezi 14 až 17 % celoroční potřeby a žádná elektřina nepřichází nazmar. Při výkonu 10 GW se pokryje mezi 27 až 34 % potřeb a ztráty jsou stále zanedbatelné. U výkonu 20 GW se pokryje již 48 až 58 %, nevyužitá elektřina už odpovídá 11 až 19 % té využité. Pro výkon 40 GW stoupne pokrytí ještě dále na 70 až 77 % potřeby, ale množství nevyužité elektřiny už je 64 až 77 % množství té využité. Je tak vidět, že se i zde nevyužije už skoro polovina instalovaného potenciálu.

Podívejme se, jak to vypadá pro jaderné zdroje. Zde je pro výkon reaktorů 5 GWe pokryti spotřeby 53 až 57 %. Pro takový výkon je přebytek výroby zanedbatelný. Pro 10 GWe je už pokrytí spotřeby 95 až 98 %. V tomto případě je vyrobený přebytek pouhých 8 až 11 % využité elektřiny.

Ještě zásadnější rozdíl je, že u fotovoltaiky a větrníků je docela často situace, že nevyrobí téměř nic a celý potřebný výkon chybí. U jaderných zdrojů však byl největší chybějící výkon v daném roce pro instalovaných 5 GWe mezi 6 až 7 GW, a pro výkon reaktorů 10 GWe pak jen 2 až 4 GW. Pro fotovoltaiku s výkonem 40 GWp se maximum chybějícího výkonu v daném roce pohybuje mezi 10 až 11 GW a pro větrníky s výkonem 40 GWp je to mezi 9 až 10 GWp.

Celou situaci ovlivňuje pochopitelně celkové složení konkrétního mixu. Zvláště akumulace může významně pomoci, ta je však jen krátkodobá a jsou u ní jen omezené možnosti. Navíc s jejím zavedením významně rostou náklady. Větrné a fotovoltaické zdroje mají také období, kdy nedodají téměř nic, a musí tak být připravená záloha na počasí nezávislých zdrojů s výkonem, který pokryje i celou potřebu v době maxima. Jak je vidět z předchozí analýzy, dodatečná doplňující záloha je v případně jádra pouze třetinová oproti fotovoltaice nebo větru. A to jsou další náklady navíc.

 

Srovnání scénáře postaveného na jaderné energetice a na OZE

V použitém programu jsou zabudovány i zjednodušené výpočty investičních nákladů a emisí CO2 daného mixu. Můžeme se tak podívat na náklady a emise CO2 různých mixů. Hnutí Duha, Greenpeace a další zelené aktivistické organizace původně bojovaly za odstavení Dukovan po třiceti letech provozu a úplné zrušení výstavby Temelína. Pokud by v devadesátých letech minulého století a na začátku tohoto byly úspěšné, dnes bychom byly bez jaderných zdrojů. Nyní sice provoz stávajících jaderných zdrojů do jisté míry akceptují, ale bojují proti výstavbě zdrojů nových. I současná studie zeleného aktivistického hnutí Fakta o klimatu propaguje pro Česko mix postavený na kombinaci fotovoltaiky a větru doplněné akumulací a záložními zdroji.

Podívejme se tak, jak by vypadaly tři scénáře energetického mixu pro Českou republiku. První předpokládá výstavbu čtyř nových velkých jaderných bloků, dvou v Dukovanech a dvou v Temelíně, a co nejdelší provoz stávajících bloků v Dukovanech (70 let). Druhý pak postavení velmi velkého výkonu v solárních a větrných zdrojích v poměru doporučovaném ve studii organizace Fakta o klimatu, tedy pro poměr výroby větru a slunce 3:1. Třetí pak ponechání stávajících bloků v Temelíně, omezenou dobu provozování Dukovan a opět co největší výkon fotovoltaiky a větru. Ve všech třech případech se předpokládá úplné odstavení všech uhelných bloků. Výkon vodních a těch na biomasu se ponechává na stávající úrovni. Mix se pak doplní akumulací a plynem tak, aby se dodala v každém okamžiku veškerá potřebná elektřina. U získaných energetických mixů se pak posuzuje jejich investiční cena a emisní náročnost.

Ještě poznámka k cenám. V základní sestavě se v programu předpokládá investiční náročnost jádra 150 miliard Kč/GW, což je podobné hodnotě z různých zdrojů. U větrných zdrojů je to 56,5 miliardy Kč/GW a u fotovoltaiky 24,0 miliardy Kč/GW, cena akumulace, je v programu 11,5 miliard Kč/GWh. U plynových zdrojů se předpokládají investiční náklady 27 miliard Kč/GW. Tyto hodnoty jsou v rozmezích cen, které se vyskytují v různých zdrojích. Při svých analýzách můžete využívat i své hodnoty. Cena uváděná pro dodávku korejských bloků pro Dukovany se předpokládá 200 miliard Kč, proto jsme u jádra uvažovali cenu 200 miliard Kč/GW.

 

Kombinace jaderných a obnovitelných nízkoemisních zdrojů

Pokud si vezmeme jaderný mix, máme u něj 8 GW výkonu. Musíme postavit 4 nové zdroje za celkovou cenu 800 miliard Kč. Fotovoltaiku jsme dali na výkonu 4 GW (v reálu je to současná hodnota, předpokládá se obnova dosluhujících kapacit). Vítr se zvýšil na 3 GW za 152 miliard Kč. Aby se podařilo co nejvíce využít přebytky, zvýšila se akumulace na 4 GW (kapacita 20,0 GWh). Cena za to je 173 miliardy Kč. Aby se zajistil výkon v každém okamžiku, bylo potřeba zvýšit výkon plynových zdrojů na 2,6 GW za cenu 37 miliardy Kč. Takový mix dokázal plně pokrýt spotřebu a zajistil v každém okamžiku potřebný výkon. Vyrobený přebytek je 9,2 TWh, z čehož část je možné exportovat, protože se produkuje i v době, kdy nefouká a nesvítí. Celková investiční cena pro výstavbu nových zdrojů v tomto mixu je 1210 miliardy Kč. Jaderné zdroje dodají celkově 74 % elektřiny. Plyn zde pokrývá jen 0,7 % výroby elektřiny a emisní náročnost je tak pouhých zhruba 5 000 kt CO2.

 

Čistě obnovitelné nízkoemisní zdroje

U obnovitelného mixu se využila velmi vysoká instalace fotovoltaiky, zvýšení výkonu na 20 GW, další zvýšení už bez extrémní akumulace nevede k viditelnému zlepšení. Cena za to je 433 miliardy Kč. Větrné zdroje se doplnily na 30 GW, aby poměr odpovídal doporučení ze studie Faktů o klimatu, za cenu 1680 miliard Kč. Aby se efektivně využily vyrobené přebytky, bylo potřeba zhruba 12 GW akumulace (60,0 GWh kapacity) za 635 miliardy Kč. I tak bylo potřeba pro pokrytí chybějícího výkonu v době, kdy nefouká a nesvítí delší dobu doplnit výkon plynových zdrojů na 8,5 GW za cenu 196 miliard Kč. Takový mix dokázal pokrýt veškeré potřeby a výkon v každém okamžiku. Celková cena investic je v tomto případě 2939 miliard Kč. Přebytek výroby je u něj 30,9 TWh, bohužel většinou v době, kdy hodně svítí a fouká a dá se předpokládat přebytek i u sousedů. Fotovoltaika dodala 21,3 %, vítr 63,2 % a celkově dodají 85 % vyrobené elektřiny. Zde musí plynové zdroje pokrýt 3,1 % výroby elektřiny a emisní náročnost je tak vyšší než u jaderného mixu, zhruba 6 078 kt CO2.

 

Temelín a dále jen obnovitelné nízkoemisní zdroje

Pokud se bude využívat Temelín a doplní se obnovitelným mixem, lze snížit potřebu rezervy plynových zdrojů oproti čistě obnovitelnému mixu. Nejdříve se podíváme na velmi vysokou instalaci fotovoltaiky na již zmíněných 20 GW i větrných zdrojů na 30 GW. K využití přebytků postavíme opět zhruba 12 GW akumulace (60,0 GWh kapacity). I tak bylo potřeba pro pokrytí chybějícího výkonu v době, kdy nefouká a nesvítí delší dobu doplnit výkon plynových zdrojů na 6,5 GW za cenu 142 miliard Kč. Takový mix dokázal pokrýt veškeré potřeby a výkon v každém okamžiku. Celková cena investic je tak velmi blízká předchozí variantě, snížená jen o část investicí do plynu, konkrétně 2890 miliard Kč. Přebytek výroby je pochopitelně ještě vyšší 43,4 TWh a opět v době, kdy hodně fouká a svítí. Fotovoltaika vyrábí 19,4 %, vítr 57,7 % a jádro 12,5 % vyrobené elektřiny. Zde musí plynové zdroje pokrýt pouze 1,1 % výroby elektřiny a emisní náročnost je tak nízká, zhruba 5 420 kt CO2.

 

Pokud nebudeme chtít jít na tak extrémní výkony fotovoltaiky a větrníků, můžeme mix zlevnit. Podívejme se na kombinaci 10 GW fotovoltaiky a 15 GW větrníků. K využití přebytků pak nemá moc smysl stavět akumulaci vyšší než 8 GW (40 GWh kapacity). U plynu pak potřebujeme 7,2 GW pro pokrytí chybějícího výkonu. Celková cena investic je v tomto případě 1 586 miliard Kč. Celoroční přebytek 6,6 TWh. Fotovoltaika vyrábí 14,4 %, vítr 42,7 % a jádro 18,5 %. Plyn musí vyrobit 10,2 % a celková emisní náročnost je 8 030 kt CO2.

Předložená data jsou pro rok 2019, potřebný výkon plynových zdrojů byl kontrolován i pro další roky až po rok 2024. Nebraly se v úvahu pouze jednotlivý extrémní výpadek daný nestandardním výpadkem škálovaného zdroje v daném dni daného roku. Je jasné, že v reálné situaci bude potřeba mít u všech mixů záložní výkony o něco vyšší, aby se pokryly nečekané výpadky, dané třeba poruchami. To ale celkové srovnání neovlivní.

 

Závěr

Je třeba zdůraznit, že daný program má řadu zjednodušení a dává pouze hrubou představu o daných mixech. I předložené srovnávané energetické mixy jsou zjednodušením a dalo by se s nimi pohrát a více je vyladit. Zároveň by se dala studovat reakce na změnu spotřeby a další úpravy. Pochopitelně se dá zvažovat import elektřiny v době nedostatku. Zde je ovšem základní problém mixu postaveném na fotovoltaice a větru, že přebytek a nedostatek bude u nás ve stejné době, jako tomu bude u sousedů. Hlavně Německo se prioritně zaměřuje právě na fotovoltaiku a větrné turbíny.

Model ukazuje pouze investiční náklady a dají se pochopitelně dodat i náklady na palivo (hlavně u plynu), na provoz a ukládání financí na likvidaci zdroje. Zároveň je třeba připomenout, že jaderný zdroj má zhruba trojnásobnou životnost oproti větrným a fotovoltaickým. Hrubá analýza těchto nákladů je v dřívějším článku. Je sice už šest let starý a některé ceny se změnily, ale umožňuje si udělat představu a dohledat ze zdrojů současný stav.

##seznam_reklama##

Zároveň cenu elektřiny ovlivní i nutná modernizace přenosové sítě, ta je však při využití obnovitelných zdrojů náročnější. Dá se předpokládat, že spotřeba elektřiny poroste elektrifikací dopravy a průmyslů i růstem potřeb datových center a umělé inteligence. V tomto případě se navýší spotřeba. Tento nárůst se dá řešit zvýšením výkonu OZE, akumulace, i jádra, třeba ve formě malých modulárních reaktorů. Poměry mezi výrobu zdrojů, cenou mixu a emisemi pro různé varianty se však zachovávají. Je pochopitelně možné uvažovat reakci na straně spotřeby, lepší vyladění odstávek jaderných zdrojů a další opatření pro optimalizaci využití mixu oproti situaci v minulých letech. Základní poznatky, které jsme získali, to však nemění.

 

I přes zmíněná zjednodušení můžeme ze srovnání tří scénářů jasně vidět, že využití jaderných zdrojů není ve srovnání s těmi obnovitelnými nevýhodné. Naopak, pokud půjdeme cestou postavení čtyř nových jaderných bloků a jejich doplnění dalšími potřebnými zdroji, bude investiční cena dokonce nižší než u mixů postaveném na fotovoltaice a větrnících, ať už s Temelínem nebo bez jaderných zdrojů. Je to dáno hlavně tím, že v případě dominance obnovitelných zdrojů je potřeba pro pokrytí stejného výkonu tři elektrárny, fotovoltaická, větrná i plynová, a také významná akumulace. Emisní náročnost jaderného mixu je také nižší a jen při extrémní kapacitě fotovoltaiky a větru i akumulace se jí blíží emisní náročnost čistě obnovitelného mixu.

 

Co říkají studie organizace Fakta o klimatu a náš rozbor společně?

Je třeba zdůraznit, že zde předkládané výsledky jsou plně v souladu s daty a grafy prezentovanými ve studii organizace Fakta o klimatu. Připomínám závěr, který autoři ve studii vypichují: „Solární a větrné elektrárny dokážou v českých podmínkách spolehlivě dodávat velkou část elektřiny – pokud se správně zkombinují a doplní akumulací a záložními zdroji. Při dobré kombinaci větru a slunce je tedy možné pokrýt velkou část spotřeby – i v zimě, kdy výroba nejvíce kolísá“. Grafy uváděné ve studii ukazují, že sice celková výroba větrníků a fotovoltaiky s dostatečně velkým výkonem umožňuje v dostatečně dlouhém období i v celoročním objemu naplnit potřeby české spotřeby. Ovšem nedokáže zajistit výrobu hlavně v někdy i dost dlouhých obdobích, kdy je v zimě bezvětří a zataženo, tedy období inverze, či jak říkají Němci dunkelflaute. Jen částečně pomůže akumulace, tu sezónní a opravdu masivní krátkodobou zatím nemáme. Je tak skutečně nutné mít záložní zdroje.

A to, k čemu vedou velmi vysoké výkony fotovoltaiky a větrníků podle doporučení Fakt o klimatu a nutné velikosti akumulace a záložních zdrojů (plynových) jsme si ukázali v tomto článku. Je vidět, že takový mix je nejen nákladnější, než je tomu u mixu s efektivním využitím jaderných zdrojů, ale vede i k daleko horším výsledkům v cestě za snižováním emisí. To ostatně potvrzuje i praxe, jak vidíme na srovnání elektroenergetiky v Německu a Francii.

Dalším problémem, na který nelze zapomínat, je růst nestability soustavy s růstem výkonu volatilních na počasí závislých zdrojů a úbytkem stabilních rotujících zdrojů v soustavě. To nám dramaticky ukázal blackout ve Španělsku. Jsou sice možnosti úpravy řízení elektrické sítě, které tato rizika mohou snižovat, ale teprve uvidíme, jestli se takovým blackoutům podaří efektivně předcházet. Že mají takové blackouty dramatické dopady, nám ukázal i ten, který nedávno proběhl u nás. Nesouvisel sice s obnovitelnými zdroji, ale v každém případě je jasné, že bychom se měli snažit pravděpodobnost takových událostí minimalizovat i výběrem energetického mixu.

 

O budoucnosti jaderné energetiky jsem měl přednášku v Dominikánské 8:

 

O energetice jsem diskutoval i v cyklu rozhovorů Vysoké napětí: