Energetická budoucnost: bez emisí

Cesty a způsoby jak ní dojít a výhody jednotlivých způsobů v těchto dnech popisuje platforma „Fakta o klimatu.“ Ta je mezi odborníky velmi ceněné pro její profesionalitu a vysoké penzum práce s vysvětlováním jednotlivých jevů a situací.

Většina politiků je samozřejmě nemusí, protože jejich vlastní erudice tak vysoko nesahá a zároveň jsou jim proti srsti jakékoli zásadní energetické změny.

Proto bude dobré hlas lidí z „Fakta o klimatu“ trochu zesílit, tím spíše, že problematika o níž informují, se týká životů nás všech a budoucnosti celé země.

Bude to téma na více textů, ale to je v tomto případě jenom dobře.

Pojďme na to:

🇨🇿 Kolik elektřiny budeme potřebovat?

Problém, který řešíme, je mnohem těžší než jen jak nahradit stávající zdroje elektřiny nízkoemisními. Potřebujeme zásadně snížit emise a současně výrazně zvýšit výrobu elektřiny.

To znamená, že přes zásadní energetické úspory tak spotřeba elektřiny v dalších 30 letech vzroste řádově o polovinu.

 Budeme tedy předpokládat postupný nárůst spotřeby¹ až ke 100 TWh ročně, jak ukazuje následující graf. Tento nárůst zhruba odpovídá odhadům dostupných studií.

TWh, tedy terawatthodina, je jednotka energie. Jednu TWh elektřiny ročně v současnosti vyrobí menší uhelná elektrárna, jednu TWh pak spotřebuje asi 700 000 obyvatel ČR v domácnostech.

🇨🇿 Jak rychle potřebujeme výrobu elektřiny dekarbonizovat?

Při současných emisích bychom náš zbývající uhlíkový rozpočet pro oteplení do 1,5 °C vyčerpali asi za 10 let. Proto je klíčové snížit celosvětové emise už v této dekádě.

Je ale také důležité dodat, že takto rychle nemusíme výrobu elektřiny dekarbonizovat kompletně. Pokud se nám do konce tohoto desetiletí a s pomocí dnes dostupných technologií podaří snížit emise v elektroenergetice třeba na 50 % současných hodnot, získáme tím více času na odstranění dalších emisí a více času na vývoj technologií, které zatím nejsou komerčně dostupné. 

🇨🇿 Na jakých zdrojích se dá budoucí energetický mix postavit?

1. Slunce a vítr lze začít využívat velmi rychle, přičemž oba tyto zdroje mají nízké investiční náklady a v ČR stále obrovský nevyužitý potenciál. Jejich nevýhodou je výrazně proměnlivá výroba.
2. Jádro dokáže vyrábět stabilně, postavit jadernou elektrárnu však trvá mnoho let, navíc jsou zde vysoké investiční náklady a velké investiční riziko. Část těchto problémů by mohla překonat technologie malých modulárních reaktorů, ta ale zatím není zralá ke komerčnímu nasazení.
3. Nízkoemisní flexibilní zdroje jsou potřeba pro neustálé vyrovnávání výroby a spotřeby. Může to být třeba biomasa, vodní elektrárny (nebo fosilní zdroje při použití technologie CCS). Podobnou funkci plní také technologie pro ukládání elektřiny (např. přečerpávací elektrárny, baterie nebo zelený vodík, tedy vodík vyrobený pomocí nadbytků obnovitelné elektřiny). Z druhé strany lze k vyrovnávání výroby a spotřeby přispět také flexibilitou spotřeby, tedy přizpůsobením spotřeby možnostem výroby (např. odložením spotřeby na vhodnější čas).
4. Současnou spotřebu v ČR pokrývají tyto tři kategorie zdrojů jen zčásti, zbytek stále stojí na vysokoemisních zdrojích – na využívání fosilních paliv:

Zdroj: Fakta o klimatu, data ERÚ

V budoucnu potřebujeme tyto tři kategorie zdrojů uváženě kombinovat. Například nějakou míru využití nízkoemisních flexibilních zdrojů potřebujeme v každém scénáři, více jich ale budeme potřebovat při velkém využívání elektřiny ze slunce a větru.

Další strategické rozhodnutí spočívá v tom, jak moc chceme být ve výrobě elektřiny soběstační.

🇨🇿 Co musí budoucí mix splňovat?

A: Stabilita: Pro fungování elektrické sítě je nutné, aby výroba elektřiny vždy odpovídala spotřebě. Pokud nebudeme mít zdrojovou přiměřenost, tedy dostatečné technické nástroje, abychom tuto stabilitu sítě zajistili, hrozí nám blackouty.

Sezónní vyváženost, tedy soulad výroby a spotřeby v různých ročních obdobích.

Sezóna velmi ovlivňuje výrobu i spotřebu.: v letní polovině roku se například vyrobí 3× více elektřiny ze slunce než v zimní polovině. Spotřeba je v zimní polovině dnes asi o 20 % vyšší než v letní. A pokud v dalších dekádách výrazně vzroste vytápění elektřinou, může být v roce 2050 zimní spotřeba dokonce o 40–50 % vyšší než v letním období.

B: Přiměřené náklady: Při rozhodování o energetickém mixu hrají důležitou roli i celkové budoucí náklady na výrobu elektřiny – tedy součet nákladů investičních a provozních. Na těch se podílí primárně výrobci elektřiny, provozovatelé přenosové a distribuční soustavy a stát.

C. Soulad s potřebami teplárenství. V ČR máme rozsáhlé systémy centrálního zásobování teplem. A protože teplárny kromě tepla vyrábějí i elektřinu, je řešení pro dekarbonizaci elektroenergetiky nutně provázané s řešením pro dekarbonizaci tepláren.

Část těchto soustav lze elektrifikovat (velkými tepelnými čerpadly, které například využívají odpadní teplo z čističek odpadních vod), takové řešení ale není použitelné všude. Další teplárny (využívající biomasu, bioplyn nebo zelený vodík) mohou plnit roli záložních zdrojů k vyrovnávání výkyvů ve výrobě elektřiny ze slunce a větru. V teplárenství by se také v budoucnu mohlo využívat teplo z malých modulárních reaktorů.

D. Energetická bezpečnost: V současnosti více než polovina konečné spotřeby energie v ČR pochází z dovezené ropy a zemního plynu. Klíčovou otázkou tedy je: jak snížit naši závislost na každém jednotlivém státu, ze kterého tyto suroviny pocházejí? A jak a o kolik můžeme snížit naši energetickou závislost obecně?

E. Vyvážení možných rizik: S energetickou bezpečností a s transformací souvisejí i další rizika: rizika investic do obřích staveb, riziko „slepé uličky“ (když například vsadíme příliš mnoho na konkrétní budoucí technologii), riziko společenské nestability, pokud se transformace nebude dařit. Ani zdaleka tedy nejde „jen“ o riziko dopadů klimatické změny.

Vlády i soukromé firmy čeká spousta velkých rozhodnutí, jejichž důsledky nelze vždy předvídat dostatečně jasně. Všichni aktéři (a stát především) musí se všemi těmito riziky počítat a vhodnou strategií snižovat jejich pravděpodobnost a možné dopady.

🇨🇿 Jak mohou vypadat úspěšné scénaře?

Pomocí následujících tří ilustrativních scénářů chceme ukázat základní možnosti, jak by se dala v dalších dekádách rostoucí spotřeba pokrývat². Každý z těchto scénářů je přitom určitou krajní variantou – v praxi nepochybně nakonec zvolíme nějakou kompromisní cestu mezi těmito extrémy. Všechny tři scénáře staví na velkém množství slunce a větru – bez jejich využití to během několika dalších dekád zkrátka nepůjde.

🇨🇿 Jak mohou vypadat neúspěšné scénáře?

Pro srovnání se podívejme i na možné neúspěšné scénáře, tedy co by například znamenal malý rozvoj výroby ze slunce a větru a zpoždění případných jaderných staveb.

*Pro jednodušší porovnání ponecháváme i v těchto neúspěšných scénářích stejný vývoj spotřeby. Ve skutečnosti by neúspěchy v dekarbonizaci výroby elektřiny pravděpodobně vedly i k pomalejší elektrifikaci, a tedy i pomalejšímu nárůstu spotřeby elektřiny.

🇨🇿 Jak dosáhnout stabilní výroby?

V elektrické síti musí být výroba elektřiny vždy (zhruba) stejná jako její spotřeba. Pokud tomu tak není, může docházet k výpadkům elektřiny. Výrobu a spotřebu je proto nutné neustále balancovat v reálném čase.

V případě, kdy podstatná část elektřiny v síti pochází ze solárních a větrných zdrojů, je jejich výroba je značně proměnlivá. Základním nástrojem je tzv. zdrojová přiměřenost, tedy dostatečný výkon řiditelných zdrojů elektřiny, které dokáží pokrýt spotřebu, i když právě nesvítí a nefouká.

Z hlediska budoucí výroby elektřiny bez emisí nás zajímají dva různé časové horizonty:

• Krátkodobé vyrovnávání – jak dokážeme vyrovnávat výpadky ve výrobě (případně zužitkovat, co se vyrobí navíc) během několika hodin nebo v rámci jednoho dne.
• Krátkodobé vyrovnávání je o něco snazší, protože máme k dispozici zdroje, které nedokážeme v takové míře provozovat trvale. Jde o zdroje s omezeným objemem výroby (např. vodní elektrárny nebo bioplyn a biomasu) či investičně nákladná úložiště s omezenou kapacitou (přečerpávací elektrárny, bateriová úložiště apod.) a nebo zdroje s vysokými provozními náklady (např. plynové zdroje s využitím CCS).
• Ani toto krátkodobé balancování však není lehké. Pokud v daný den nejsou dobré podmínky (nesvítí či nefouká), nevyrobí solární či větrné elektrárny téměř nic. A i když započítáme stabilní výrobu z jádra, stejně potřebujeme v průběhu takového dne pokrýt dalších 200–250 GWh spotřeby. Přitom kapacita Dlouhých strání, největší přečerpávací elektrárny v ČR, je zhruba 3 GWh.
• Nástroje pro krátkodobé vyrovnávání bude v podstatné míře vyžadovat každý z našich tří ilustrativních scénářů.
• Sezónní vyváženost – jak v každém ročním období zajistíme, že výroba odpovídá spotřebě.

Klíčovým problémem českého bezemisního mixu je pokrytí zimní spotřeby, která je vyšší než letní, a na zimní výrobu jsou vhodné větrné elektrárny. Solární zdroje nám v zimě příliš nepomohou.

(Kontext: Jak vypadá výroba ze solárních a větrných zdrojů v průběhu roku?)

K pokrytí zimní poloviny roku ale v ČR nemáme dostatečný potenciál větru. I kdyby se nám podařil ambiciózní rozvoj větrné energetiky a přidali bychom k tomu výrobu ze stávajícího jádra a tolik výroby ze slunce, abychom měli v létě elektřiny dost a zároveň neměli zásadní přebytky (u nichž bychom pak museli řešit, kam s nimi), v zimě by nám stále podstatné množství elektřiny chybělo. Jak ukazuje obrázek, v tomto období by nám chybělo pokrýt cca 50 % spotřeby, na což bychom museli využít další zdroje.

🇨🇿 Z čeho tedy můžeme v zimě vyrobit další elektřinu? Naše ilustrativní scénáře obsahují tři způsoby. Můžeme:

1. Posílit výrobu ze slunce a ve velké míře využívat sezónní akumulaci do zeleného vodíku.
2. Importovat elektřinu z větru ze zahraničí, což nám umožní dorovnávat hlavně zimní bilanci.
3. Výrazně posílit jadernou energetiku (kromě výroby ze slunce a větru).

Těmito způsoby však není nutné pokrýt celý rozdíl mezi zimní výrobou a spotřebou. Využít lze i další, doplňkové flexibilní zdroje: biomasu a fosilní paliva s využitím CCS.

Z toho všeho plyne, že pouze na slunce a vítr v Česku spoléhat nemůžeme. K pokrytí zimní spotřeby budeme vždy potřebovat další nástroje, které pro nás dnes nejsou snadno dostupné: zelený vodík, import, jádro, případně velké množství biomasy nebo fosilní zdroje s využitím CCS.
Zároveň je třeba pamatovat na to, že výše uvedené počítá s ambiciózním rozvojem větrné energetiky. Pokud se nám větrnou energetiku dostatečně rozvinout nepodaří, mezera v pokrytí zimní spotřeby se dál podstatně prohloubí, což celý problém ještě ztíží.
Z tohoto pohledu by dekarbonizace v Česku pravděpodobně přinesla mírné zvýšení systémových nákladů na výrobu elektřiny.

🇨🇿 Kolik to stojí dnes?

Celkově v přepočtu na 1 kWh čisté spotřeby jsme měli v roce 2018 systémové náklady okolo 3,30–4,20 Kč/kWh.

V současné energetické krizi nicméně systémové náklady v letech 2021/2022 stoupají až ke 350 miliardám ročně (5,60 Kč/kWh). Většina tohoto nárůstu jde na vrub mnohonásobně vyšší ceně zemního plynu. Je třeba dodat, že kvůli pravidlům na trhu s elektřinou vzrostla tržní cena elektřiny ještě výrazněji, což dopadá na koncové zákazníky.

Dnešní mix s výrazným podílem uhlí má ale ještě další skryté náklady v podobě dopadů na lidské zdraví. V roce 2011 tuto externalitu odhadoval výzkum Centra pro otázky životního prostředí na necelých 40 miliard ročně, což by k celkovému číslu přidalo dalších asi 60 haléřů na kWh.

🇨🇿 Kolik může stát nízkoemisní mix v roce 2050?

Podobným postupem jsme odhadli systémové náklady pro naše tři ilustrativní scénáře. Je třeba zdůraznit, že k takovému odhadu nestačí pouze pronásobit sdružené náklady na výrobu elektřiny (LCOE) výrobním mixem ve scénáři. Systémové náklady budoucí sítě mají řadu dalších složek:

A. Neefektivita nadvýroby. Výrazné využívání slunce a větru s sebou přináší po mnoho hodin v roce znatelnou nadvýrobu, kterou musíme započítat do systémových nákladů. Kdyby například tato nadvýroba byla 10 TWh za rok, bude nás to ročně stát okolo 15 miliard navíc.

B. Náklady na záložní zdroje. Záložní zdroje nejsou potřeba jen kvůli slunci a větru, ale i na (nečekané) odstávky jaderných bloků. Například při využití záložní elektrárny jen 15 % času v roce je potřeba její investiční náklady rozpočítat na mnohem menší množství vyrobené elektřiny. Udržování záložních elektráren může Česko stát několik desítek miliard korun ročně.

C. Náklady na výraznější posilování přenosové a distribuční soustavy by byly významné pro scénář založený na velkém podílu slunce a větru, zvlášť pokud bychom importovali hodně elektřiny ze zahraničí. Nad rámec dnes běžných investic to pro Česko mohou být opět desítky miliard korun každý rok.

D. Riziko dalších nákladů spojených se stavbou a likvidací jednotlivých zdrojů. Může jít o prodražení jaderných staveb, nečekaně vysoké náklady na stavbu trvalého úložiště jaderného odpadu nebo nečekaně vysoké náklady na recyklaci komponent obnovitelných zdrojů. Prodražení stavby dvou nových velkých jaderných bloků na dvojnásobek odhadovaných investic (což je zdražení, které je v Evropě v posledních dekádách poměrně běžné) by například znamenalo dodatečné každoroční náklady asi 30 miliard.

(Speciálně o odstavci výše se z úst politiků prostě nedozvíme. Buď se jim nehodí do rétoriky, nebo jim je pro ně celá problematika natolik složitá, že o těchto prvcích nevědí.)

🇨🇿 U všech tří scénářů vychází pro rok 2050 rozumné systémové náklady, v rozsahu 4,20–4,50 Kč/kWh (počítáno v dnešních cenách, tedy bez započítání inflace). Tyto náklady jsou sice potenciálně o něco vyšší než v roce 2018, ale neznamená to žádné výrazné zvýšení, které by ohrozilo domácnosti a průmysl. Stejně tak tyto výsledné náklady mohou být nižší, pokud se potřebné technologie podaří v dalších dekádách zlevnit.

Je třeba dodat, že podstatnou část investičních nákladů nových bezemisních zdrojů mohou krýt evropské fondy na klimatická opatření. Investiční náklady tvoří u všech tří scénářů zhruba polovinu celkových systémových nákladů, takže evropské fondy mohou v důsledku citelně ulehčit spotřebitelům na budoucích fakturách za elektřinu.

🇨🇿 Rizika transformace elektroenergetiky:

• budeme transformovat podle scénáře, který se ukáže jako chybný (např. Evropa příliš spoléhala na zemní plyn, což se ukázalo jako bezpečnostní riziko) nebo
• k prosazení transformace zvolíme špatné regulace (např. český nepovedený solární boom okolo roku 2010) nebo
• se nám zkrátka solidní plán podpořený funkčními regulacemi nepodaří realizovat dost rychle a levně (např. když schvalovací procesy způsobí výrazné zpoždění rozvoje větrných elektráren nebo přenosové soustavy).

🇨🇿 Nástroje ke snížení rizik spojených s transformací:

• Souběžně rozvíjet více druhů nízkoemisní výroby (a diverzifikovat investice do různých oblastí výzkumu a vývoje).
• Mít k dispozici širokou škálu možných pokračování transformace. Transformační riziko bude nižší, pokud nebudeme závislí na úspěšném rozvoji a škálování jedné konkrétní technologie (např. zelený vodík nebo malé modulární reaktory). Potřebujeme zajistit, že na transformaci probíhající ve 20. letech budou moci ve 30. a 40. letech navázat různé strategie, které budou technologicky smysluplné.
• Mít dostatečnou rezervu ve výrobní kapacitě i v primárních zdrojích energie. Tato rezerva sice zvyšuje celkové systémové náklady, snižuje ale riziko turbulencí, jako je například ta spojená s ruským plynem. Takovým opatřením může být třeba udržování části uhelné energetiky po jejím odstavení nějakou dobu v záloze (za státní peníze).
• Ideální je kombinace všech tří výše popisovaných scénářů:  Tedy výrazně urychlit rozvoj obnovitelných zdrojů a technologií pro dlouhodobou akumulaci, posilovat přenosové kapacity pro import obnovitelné elektřiny ze zahraničí a také vybudovat alespoň jeden nový jaderný blok jako částečnou náhradu za stárnoucí Dukovany. Taková šíře záběru má ovšem smysl, jen pokud na všech těchto frontách dokážeme dosahovat skutečného pokroku.

Co z celé analýzy plyne?

A. Potřebujeme maximalizovat instalaci solárních a zejména větrných elektráren

B. Potřebujeme posilovat energetickou spolupráci napříč Evropou a urychlit další propojování a posilování přenosových soustav

C. Potřebujeme podporovat rozvoj široké škály řešení pro vyrovnávání značně proměnlivé výroby ze slunce a větru

D. Potřebujeme realistickou strategii o budoucnosti jaderné energetiky

E. Porovnání nákladů a rizik jednotlivých scénářů je zatížené nejistotou, proto je rozumné bezemisní energetiku rozvíjet vícero směry

F. Potřebujeme pokračovat v energetických úsporách a lépe využívat domácí druhotné zdroje energie (jako např. odpadní teplo)

🏇 Celý text je tady. Osobně mě trochu děsí, že na to o jak jde důležitou kapitolu (nejdůležitější spolu s bezpečností) o naší energetické budoucnosti neprobíhá žádná politická diskuze.

Tím spíš je její absence zarážející, že konverze energeticky se prakticky už děje teď, bude velmi intenzivní, dynamická a vzhledem k tomu, jak tu spíme, tak i hodně rychlá.

Tak alespoň, že máme borce z Fakta o klimatu a máme možnost získávat informace tímto způsobem. K celé problematice se jistě vrátím, tento text v podstatě jen takovým širším úvodem.