Jak se pozná elektřina z obnovitelných zdrojů

I v České republice existují dodavatelé elektřiny, kteří deklarují, že veškerá jimi dodaná elektřina pochází z obnovitelných zdrojů. Jejich oponenti naopak tvrdí, že všechny elektrony jsou stejné, v zásuvce proto nelze poznat, ze kterého zdroje jednotlivé elektrony pocházejí.

Poněkud paradoxně mají v tomto případě pravdu do jisté míry obě strany.

O samotných elektronech je samozřejmě pravda, že jsou všechny stejné a nelze přímo na nich poznat, ze kterého zdroje pochází energie, kterou tyto elektrony přenášejí. Až na výjimky však lze s určitostí prohlásit, že tyto elektrony nepocházejí ze žádného zdroje. Na druhou stranu lze prolásit, že elektřinu z konkrétního zdroje (pomineme-li ztráty, které však jsou jen specifickým druhem odběru) lze odebírat v kterémkoli místě elektrizační soustavy (stačí si představit, že v soustavě je zapojen pouze tento zdroj). Původ energie, kterou konkrétní odběratel odebírá, však za určitých okolností dohledat lze.

Proberme si několik příkladů:

• Elektřina z vlastní FVE
• Elektřina z konkrétního zdroje odebraná v konkrétním místě
• Elektřina nakoupená na burze

Elektřina z vlastního zdroje

Nejjednodušší je situace u zdroje, který je připojen ve stejném místě, jako odběr elektřiny z elektrizační soustavy, a do sítě dodává jen přebytky výroby. Takové místo je vybaveno čtyřkvadrantním elektroměrem, který měří toky elektřiny oběma směry. Je-li místní spotřeba tohoto odběrného místa nižší, než výroba v něm provozovaného zdroje, pak i v případě, že tento zdroj je připojen do elektrizační soustavy, je zřejmé, že místní spotřeba je kryta výhradně elektřinou z tohoto zdroje. U vícefázového připojení musí být navíc spotřeba na každé fázi nižší, než výroba zdroje v daném okamžiku.

Pokud bychom totiž předpokládali, že místní spotřeba je částečně kryta i jiným zdrojem v elektrizační soustavě, musela by být na druhou stranu část výroby dodána jinému odběrateli, který by za ni musel zaplatit. Tak tomu je například v situaci, kdy celková výroba je sice vyšší než spotřeba, ale neplatí to na jednotlivých fázích.

Jiná situace je u zdroje, který dodává veškerou vyrobenou elektřinu do elektrizační soustavy, přestože je umístěn na střeše budovy. Takový zdroj je na rozdíl od předchozího případu vybaven samostatným elektroměrem. Vyrobená elektřina přispívá do energetického mixu obchodníka, který tuto elektřinu nakoupil.

Elektřina z konkrétního zdroje spotřebovaná v konkrétním místě

Na první pohled je v tomto případě situace ve skutečné elektrizační soustavě příliš komplikovaná. Existují však dvě možnosti, jak ukázat, že elektřina z konkrétního zdroje může být odebírána z konkrétní zásuvky.

V prvním případě předpokládejme pro jednoduchost ideální elektrizační soustavu beze ztrát, do níž je připojeno několik zdrojů s konstantní výrobou (UVWX) a několik odběratelů s konstantní spotřebou (KLMN).

Kromě toho je v místě Z zvláštní zdroj elektřiny a v místě O výjimečný odběratel, který má zájem výhradně o elektřinu ze Z. Topologie elektrizační soustavy mezi místy Z a O je v tomto případě podružná, Z a O mohou být vedle sebe nebo na vzdálených místech.

Zkusme nejdříve jednoduchý případ – vyrábí jen zdroj Z a odebírá jen odběratel O. V tomto případě je evidentní, že elektřina v zásuvce odběratele O pochází ze zdroje Z.

Pokračujme dále. Nyní vyrábějí elektřinu pouze zdroje UVWX a odebírají ji spotřebitelé KLMN. Výrobci nerozlišují, komu elektřinu dodávají a odběratelé nerozlišují, od koho ji odebírají (odebírají nerozlišený energetický mix, například prostřednictvím jediného obchodníka). Na začátku odběratel v místě O elektřinu neodebírá a zdroj Z žádnou nevyrábí. Zdroj Z tedy nedodává nikomu jinému a žádný jiný zdroj nedodává odběrateli O.

Následně odběratel O nakoupí ze zdroje Z elektřinu. Zdroj Z začne vyrábět množství podle kontraktu a dodá ji do elektrizační soustavy. Na druhé straně odběratel O právě toto množství z elektrizační soustavy odebere a spotřebuje.

Přestože se změní toky elektřiny v elektrizační soustavě, zůstane za takových podmínek výroba ostatních zdrojů zachována v původní výši beze změny. Stejně tak zůstane zachována spotřeba ostatních spotřebitelů. Je zřejmé, že tato situace je pouze superpozicí předchozích dvou případů. Protože u nikoho jiného nedošlo ke změně, je možno nadále tvrdit, že elektřinu ze Z odebírá O, nikdo jiný nespotřebovává elektřinu ze Z a nikdo jiný nedodává elektřinu O.

V praxi vstupuje mezi odběratele a výrobce obchodník s elektřinou. Aby měl v tomto případě odběratel jistotu, že je mu dodána výhradně elektřina ze zvláštních zdrojů, dodává výrobce zároveň s elektřinou i certifikát o původu této elektřiny. Je zřejmé, že certifikátů může vydat jen tolik, kolik vyrobil elektřiny, a to v každé obchodní hodině.

Původ elektřiny je však prokazatelný pouze v případě, že certifikáty jsou obchodovány zároveň s komoditou. Je totiž rozdíl, jestli je zobchodováno např. 1 MW na měsíc a k tomu certifikát na 720 MWh, nebo je certifikát na 720 MWh obchodován samostatně.

Tímto způsobem si například odběratelé v Rakousku zajišťují, že neodebírají elektřinu z jaderných elektráren (viz Rakousko 100% bez jaderné elektřiny), nebo že obchodníci s elektřinou v České republice, kteří to deklarují, prodávají výhradně elektřinu z obnovitelných zdrojů.

Druhou možností je řešit problém pomocí superpozice. Je k tomu nutno uvažovat celou propojenou elektrizační soustavu UCTE, ale potom stačí problém podobně jako v předchozím případě rozložit na dvě části (nazvěme je vrstvy).

V jedné vrstvě bude celá elektrizační soustava, ale budou v ní připojeni pouze odběratelé v Rakousku a zdroje, z nichž rakouští obchodníci nakupují elektřinu, ale pouze ta část, kterou nakoupili. V této vrstvě nejsou žádné jaderné elektrárny, takže elektřinu do Rakouska dodávat nemohou.

Ve druhé vrstvě bude opět celá elektrizační soustava, ale budou v ní připojeny pouze zdroje a odběratelé nezahrnutí v předchozí vrstvě. V této vrstvě nejsou odběratelé v Rakousku, takže elektřina z jaderných elektráren k nim opět nemůže proudit. V této vrstvě sice poteče přes Rakousko elektřina, v níž může být podíl elektřiny z jaderných elektráren, jenže tato elektřina nebude v Rakousku spotřebována.

Skutečná soustava je superpozicí výše uvedených vrstev. Přestože toky energie budou ve sloučené soustavě jíné, než v dílčích vrstvách, výroba jednotlivých zdrojů i spotřeba jednotlivých odběratelů zůstanou zachovány. Lze proto opět tvrdit, že elektřina z konkrétních zdrojů je spotřebována u konkrétních odběratelů. Na jednotlivých elektronech nelze poznat, která elektrárna jimi pohybuje, výše uvedený postup je však fyzikáně podložený způsob, jak prokázat spojení mezi výrobou a spotřebou v kontraktu na dodávku elektřiny od konkrétní elektrárny.

Pokud tedy Rakousko nenakupuje elektřinu z jaderných elektráren, pak může tvrdit, že ji neodebírá. Je však nutno prokázat, že veškerá nakoupená elektřina je spotřebována v době, kdy byla vyrobena. Transportu jaderné elektřiny přes Rakousko přitom nezle zabránit. Tuto možnost však rakouská ústava, na rozdíl od transportu jaderného paliva nebo jaderného odpadu, nezakazuje.

Elektřina nakoupená na burze

Obchody na energetické burze probíhají tak, že na jedné straně výrobci podávají nabídky na prodej určitého množství elektřiny za cenu, která je považována za minimální. Na druhé straně odběratelé podávají nabídky na nákup určitého množství elektřiny za cenu, která je v tomto případě považována za maximální.

Ve druhé fázi se nabídky seřadí podle výše ceny tak, že se vytvoří rostoucí křivka nabídky a klesající křivka poptávky. Zobchodovaný objem a výsledná cena, za niž budou obchody uzavřeny, jsou určeny bodem, v němž se křivky protnou. Elektřinu prodají všichni prodejci, jejichž nabídková cena byla nižší a nakoupí všichni kupující, jejichž nabídková cena byla vyšší, než cena výsledná.

Je zřejmé, že v tomto případě je zobchodovaná elektřina vyrobena v mixu zdrojů a nelze rozlišit, kdo ze kterého zdroje nakupoval. Kromě toho kupující vůbec nevědí, od koho elektřinu nakoupili. Naopak prodávající nevědí, komu elektřinu prodali. Pokud by mezi prodávajícími byl zvláštní zdroj z předchozí kapitoly, neměl by komu dodat certifikáty o původu.

S certifikáty původu je sice možno obchodovat samostatně, v tom případě však už nejsou garancí původu dodané elektřiny. Například v některých státech jsou tímto způsobem energetické firmy motivovány k investicím do obnovitelných zdrojů energie. Firma má povinnost na konci roku držet certifikáty o původu, které odpovídají určitému procentu dodané elektřiny; pokud provozuje obnovitelné zdroje v odpovídajícím podílu, certifikáty dostane, v opačném případě je musí nakoupit na trhu.

Tento model, tj. nákup elektřiny na energetické burze a oddělený nákup certifikátů původu, uplatňuje německý dodavatel elektřiny Maxenergy ve svém produktu Maxatomstrom (viz V Německu 100 % jaderné elektřiny).

Pohyb elektronů v elektrizační soustavě

Existuje ještě jedna zajímavá varianta: „Na elektronech v zásuvce nepoznáte, ze kterého zdroje pocházejí.“ Takový výrok však může pronést pouze člověk neznalý problematiky. V elektrizační soustavě se střídavým proudem se totiž elektrony prakticky nehnou z místa.

Elektrony se sice ve vodičích pohybují obrovskou rychlostí, tzv. Fermiho rychlostí, která je řádově 10⁶ m/s (závisí na materiálu vodiče). Z makroskopického hlediska je však v důsledku nárazů na ostatní volné i vázané elektrony jejich pohyb chaotický a do větší vzdálenosti se dostanou jen výjimečně a relativně pomalu. Kromě toho tento pohyb nesouvisí s přenosem energie, protože mikroproudy vytvářené jednotlivými pohybujícími se elektrony se vzájemně eliminují; z pohledu přenosu energie je proto možno chaotický pohyb zanedbat.

Protéká-li vodičem proud, přičte se k chaotickému pohybu tzv. driftová rychlost (ve směru od záporného potenciálu ke kladnému), která je úměrná proudové hustotě a tedy přenášenému výkonu. V domovní elektroinstalaci jsou obvyklé proudové hustoty řádově 1 A/mm² (ve vodiči o průřezu 2,5 mm² je při takové proudové hustotě a při napětí 240 V přenášen výkon 600 W). Tomu odpovídá driftová rychlost řádově 10⁻⁴ m/s – hodnota v podstatě zanedbatelná.

V elektrizační soustavě se střídavým proudem se navíc směr driftové rychlosti mění tak, jak se v rytmu frekvence sítě mění polarita napětí. Odhlédneme-li od chaotického pohybu, je možno zjednodušeně prohlásit, že se elektrony pohybují tam a zpět s frekvencí sítě. Protože se polarita napětí mění 100krát za sekundu, je vzdálenost, o kterou se elektrony vlivem driftové rychlosti vychýlí, řádově 10⁻⁶ m, tj. pouhé mikrometry.

Je přitom pravda, že vzhledem k rychlosti chaotického pohybu se malá část elektronů může ze svého původního místa přemístit i na relativně velké vzdálenosti. Přesto se v zásuvce nemohou objevit elektrony z konkrétních elektráren. Jednoduše proto, že jim v tom brání transformátory. Výjimkou je právě vlastní zdroj elektřiny, případně blízké zdroje, které jsou připojeny ke stejnému vedení, jako odběr elektřiny. I v tomto případě je však podíl elektronů, které doputovaly ze zdroje do spotřebiče zanedbatelný.

Závěr

Prokázat toky energie lze na základě fyzikálních zákonů - elektřina teče cestou nejmenšího odporu. Situace se však komplikuje, pokud se některý odběratel rozhodne odebírat elektřinu pouze od určitých zdrojů a pokud skutečně odebírá elektřinu pouze v době, kdy jím vybrané zdroje vyrábějí. Jedna otázka přitom je, odkud kam elektřina teče (fyzika), a druhá, kdo komu elektřinu dodává a kdo ji od koho odebírá (obchod). Další otázka je, zda je fyzicky možné, aby elektřina tekla od konkrétního výrobce ke konkrétnímu dodavateli. Na tuto otázku je jednoznačná odpověď v případě, že v elektrizační soustavě je připojen pouze jeden zdroj a jeden odběratel.

Pokud by se například všichni rozhodli odebírat elektřinu výhradně od jaderných elektráren, ostatní zdroje by vůbec nevyráběly (s výjimkou přečerpávacích, protože nevyrábějí, ale pouze akumulují), protože by od nich nikdo elektřinu nenakoupil. Odběratelé by naopak museli akceptovat, že elektřina nebude vždy k dispozici. Podobné by to bylo, kdyby se všichni rozhodli odebírat elektřinu z obnovitelných zdrojů.

Naopak, pokud se odběratelé v Rakousku rozhodli nenakupovat elektřinu z jaderných elektráren, žádný vliv na výrobu jaderných elektráren to nemá, pouze se změní energetický mix ostatních odběratelů. Změna by mohla nastat pouze v případě, že by se tak rozhodla podstatná část odběratelů v Evropě.

V současnosti je situace jednodušší. Elektřinu v naprosté většině neprodávají jednotlivé elektrárny, ale společnosti, které vlastní široké portfolio zdrojů a jednotlivé elektrárny zapojují podle toho, co je pro ně ekonomicky výhodné. Na druhou stranu většinu odběratelů nezajímá původ elektřiny.