Lze plně nahradit jadernou elektrárnu fotovoltaikou?
Solární carport v Dukovanech, foto © ČEZ, a.s.
Jaderná elektrárna je výkonný a stabilní zdroj elektřiny. Nahradit něco takového v plném rozsahu fotovoltaikou není jednoduché. Spočítali jsme, kolik by bylo potřeba panelů, akumulátorů a kolik by to celé stálo. Výpočet v článku je interaktivní a jednotlivé parametry výpočtu lze upravovat.
Podnětem k vytvoření této energetické bilance bylo, že někteří naši politicky činní zástupci, ale i část laické veřejnosti, zastávají názor, že bychom místo nových jaderných bloků například v Dukovanské jaderné elektrárně (dále jen JE) měli masivně investovat do instalace fotovoltaických panelů a doprovodné akumulace a vytvořit tak obří fotovoltaickou elektrárnu (dále jen FVE), která by nově zamýšlený reaktor nahradila v plném rozsahu.
Úvahy o nahrazení konvenčních zdrojů těmi obnovitelnými se v mediálním prostoru objevují opakovaně a zejména v současné době zesílily diskuse na téma „Jak se zbavit závislosti na zemním plynu“.
V tomto komentovaném výpočtu se pokusím zhodnotit, jak moc jsou tyto myšlenky blízké či vzdálené realitě, pokud by tato náhrada měla být v našich geografických podmínkách realizována za pomoci fotovoltaických panelů.
Jedná se o zamyšlení osoby s technickým vzděláním, zdůrazňuji, že se jedná o zamyšlení teoretické, zamyšlení na hraně proveditelnosti (dle mého názoru i za ní), ale je třeba jej veřejně představit, abychom si reálně zhmotnili absurdní vize nositelů myšlenek „masivního nasazení“ a „100% náhrad stávajících elektráren“.
Spočítám, jaké parametry by musela mít FVE, aby plně nahradila výrobu a dodávku elektrické energie z právě plánovaného jaderného reaktoru.
Zamyslím se nad tím, jaká technická úskalí by bylo potřeba vyřešit, na co všechno je třeba myslet, aby obří FVE dávala jako technologický celek alespoň nějaký smysl.
A také vypočítám, jaké investiční náklady jsou s pořízením obou variant (JE a FVE) spojeny.
Při výpočtech vycházím z reálně naměřených dat, ze stávající úrovně poznání, ze stávající technologické úrovně všech dostupných systémů, které by bylo možné zapracovat do plně fotovoltaického řešení.
Nespoléhám na to, že dnes možná nadějné technologické novinky zde budou, v masivně nasaditelném měřítku, k dispozici v horizontu několika málo let.
Lidstvo potřebuje energie průběžně, průměrná spotřeba se dokonce zvyšuje, takže, s ohledem na další rozvoj společnosti, si nemůžeme dovolit dát si v dodávkách energie nějakou „přestávku“.
Bilance reaktoru jaderné elektrárny
Výpočet výrobní bilance JE je v zásadě jednoduchý.
Jak již bylo zmíněno, v Dukovanech se počítá s instalací nového reaktoru o výkonu MWe, s životností let.
Předpokládám, že jaderný blok pracuje v průměru dní za rok a výkon reaktoru je konstantní po hodin.
Z toho vyplývá, že JE vyrobí MWh/den, tj. TWh/rok.
Za celou 60letou životnost pak TWh elektrické energie.
Při předpokládaných pořizovacích nákladech mld. Kč, nákladech na splácení úvěru mld. Kč (více o podmínkách financování [1]), nákladech na pořízení a skladování paliva (včetně uložení vyhořelého a transferu na jaderný účet) Kč/MWh[2], nákladech na obsluhu Kč/MWh, nákladech na údržbu a modernizaci Kč/MWh, nákladech na likvidaci elektrárny mld. Kč[3] a nákladech na pojištění pro případ jaderné nehody mld. Kč, tak jedna kWh vyrobené energie přijde (zjednodušeně) na Kč (při celkových nákladech mld. Kč).
Bilance ekvivalentní fotovoltaické elektrárny
Počítat bilanci energetického zdroje s nestabilním přísunem primární energie (FVE) je velmi problematické.
Do výpočtu vstupuje mnoho faktorů, je třeba myslet na souvislosti mezi nimi, a proto výpočet není vůbec jednoduchý a jeho výsledky mají, na technické zvyklosti, velkou míru nejistoty.
Aby bylo možné vygenerovat alespoň orientační výstupy, odhady plochy, velikost výroby a ceny vyrobené energie, zvolil jsem metodu výpočtu dle průměrných hodnot doby a intenzity slunečního svitu v jednotlivých měsících roku.
Druhý způsob výpočtu by byl mnohem složitější. Bylo by potřeba vyvinout novou metodiku výpočtu, vycházet z dlouhodobých průměrů počtu slunných a neslunných dnů v lokalitě FVE a odhaduji, že výsledky by byly velmi pravděpodobně i ekonomicky nepříznivější (kvůli drahé akumulaci). Jde o to, že v zimním období sice FVE vyrábí jeden den elektrickou energii i po delší dobu, než je měsíční průměr (mnou zvolená metoda č. 1), ale pak zase následuje několik neslunných dnů, kdy FVE nevyrobí téměř nic. A na tento nepredikovatelný stav by se měla navrhovat jak plocha výroby, tak akumulační kapacita.
Plocha fotovoltaických panelů
První, co musíme kvantifikovat, je bilance dopadajícího slunečního záření v průběhu roku. V našich zeměpisných podmínkách sluneční svit v průběhu roku kolísá, nejslabší je v listopadu, prosinci a lednu.
Pokud ale máme plně nahradit výrobu JE, musíme stejnou výrobu zajistit i v těchto nepříznivých měsících a potřebnou plochu FVE dimenzovat na základě vypočítaného slunečního minima (barevně zvýrazněný řádek v tabulce výroby reálné FVE).
| Měsíc | Průměrný jednotkový elektrický výkon panelu We/m2 |
Průměrná doba výroby h/den |
Jednotková výroba Wh/(m2 . den) |
|---|---|---|---|
| Leden | |||
| Únor | |||
| Březen | |||
| Duben | |||
| Květen | |||
| Červen | |||
| Červenec | |||
| Srpen | |||
| Září | |||
| Říjen | |||
| Listopad | |||
| Prosinec |
Na výchozím příkladu naší elektrárny vidíme, že nejhorším výrobním měsícem je prosinec a průměrný výrobní výkon panelu je dostupný za den.
Podílem elektrického výkonu JE a průměrného elektrického výkonu 1 m2 FV panelu získáme plochu FVE, která nám po dobu slunečního svitu vygeneruje stejné množství energie, jaké generuje reaktor JE.
Plocha FV panelů potřebná pro zajištění ekvivalentu výroby JE MWh (zdůrazňuji v době slunečního svitu) tedy vychází m2.
Pro zbytek dne (v našem příkladu se jedná o hodin, kdy v prosincový den Slunce nesvítí), by měla FVE dodávat energii z akumulace.
Akumulace pro dorovnání denní výroby jaderné elektrárny
Teoretický výpočet akumulace pro naše výchozí zadání je rychlý. Slunce máme k dispozici 1 hodinu za den, za tu dobu potřebujeme vyrobit energii na zbylých hodin, bude tedy nutné instalovat dalších cca x více panelů. Ztráty při nabíjení, ztráty samovybíjením a ztráty při převodu z bateriového úložiště do sítě pro zjednodušení zanedbávám. Ve skutečnosti by bylo potřeba ještě více panelů, ještě větší instalovaná kapacita akumulace a samozřejmě ještě vyšší investice.
Při zanedbání ztrát tedy bude třeba akumulovat MWh do vhodného akumulačního média.
Ve výpočtu investice projektu FVE jsem uvažoval průmyslové bateriového úložiště, z důvodu poměrně rychlé možnosti výstavby.
Technicky zvládnutá je také akumulace do vody (přečerpávací elektrárna), jejíž nevýhodou je doba výstavby v řádu desítek let.
Nadějně se může jevit akumulace do vodíku.
Akumulace pro vytvoření rezervy energie na nevýrobní dobu (na dobu, kdy Slunce nesvítí) činí MWh a plocha panelů potřebná pro akumulaci vychází m2.
Z výpočtu tedy vidíme, že pokud by FVE měla mít i v nejnepříznivějším měsíci stejnou velikost výroby jako nový reaktor JE, tak by bylo potřeba instalovat cca km2 fotovoltaických panelů a akumulaci o kapacitě MWh.
To je pro představu zhruba plocha hlavního města Prahy uzavřená uvnitř Pražského okruhu.
Nadvýroba fotovoltaiky – kam s ní?
FVE dimenzovaná dle výroby v nejnepříznivějším měsíci bude mít v ostatních měsících samozřejmě přebytky výroby. Ty přebytky budou veliké, v letních měsících dokonce obrovské a je potřeba s nimi nějakým způsobem naložit. Jejich efektivní zpracování samozřejmě vyžaduje další investici, ve výpočtu jsem počítal s tím, že se prostě nevyužijí.
Samozřejmě je škoda takový výrobní potenciál nevyužít. Využití těchto obrovských přebytků výroby (až několikanásobná výroba FVE vůči ustálené výrobě JE) by zcela jistě vylepšilo energetickou bilanci FVE, ale odpojení je v této chvíli nejlevnějším řešením. Levnějším než instalace další akumulace, levnějším než budování přečerpávacích vodních elektráren nebo zapojení jiné technologie využití nadvýroby.
Pokud se v budoucnu objeví technologie umožňující skladování letních přebytků na zimní měsíce (za rozumných nákladů), určitě to bude stát za další zamyšlení a vyhodnocení.
| Měsíc | Výroba FVE MWh/den |
Kapacita akumulace pro dorovnání výroby JE MWh/den |
Nadvýroba skutečně instalovaných panelů FVE MWh/den |
Nadvýroba FVE v poměru k výkonu JE |
|---|---|---|---|---|
| Leden | ||||
| Únor | ||||
| Březen | ||||
| Duben | ||||
| Květen | ||||
| Červen | ||||
| Červenec | ||||
| Srpen | ||||
| Září | ||||
| Říjen | ||||
| Listopad | ||||
| Prosinec |
Akumulace (rezerva) na „temné dny“
Nevýhodou slunečního svitu je bohužel to, že nejsme schopni predikovat, kolik slunných dnů budeme mít doopravdy k dispozici. A kolik bude dnů bez slunečního svitu. Všechny výše uvedené výpočty jsou postaveny na předpokladu, že nám Slunce svítí průměrně, každý den, a že FVE bude schopna vyrábět elektrickou energii konstantně.
Ve skutečnosti tomu tak není, a tak, pokud bychom chtěli mít jistotu dodávky elektřiny i ve dnech, kdy je zataženo (a těch může být i několik po sobě), bychom měli za tu 1 výrobní hodinu slunného dne naakumulovat i energii pro temné dny.
A to se s výměrou FVE dostáváme na násobky instalované plochy panelů a akumulace.
To se samozřejmě promítne i do investice.
Jako výchozí hodnotu jsem zvolil tvorbu rezervy na dnů. Z toho vychází kapacita akumulace pro „temné dny“ MWh a plocha panelů pro pokrytí rezervy m2.
Pořizovací cena, životnost a cena energie
| Komponenta/technologie | Jednotková cena | Celková cena mld. Kč |
|---|---|---|
| Fotovoltaický panel | Kč/m2 | |
| Akumulace viz webu E.ON kapacita 1,8 MWh za 23 mil. Kč |
Kč/MWh | |
| Stavební pozemek | Kč/m2 | |
| Zpracování nadvýroby | Kč/MWh |
V současné době je životnost FV panelů cca let a s přibývajícím časem bohužel ztrácí výrobní výkon. Proto by se panely musely průběžně vyměňovat nebo doplňovat, ale i při ideálním stavu a 100% výrobní kondici FV panelů po celou dobu jejich životnosti bychom museli FVE postavit vlastně dvakrát až třikrát (životnost reaktoru JE je předpokládána na let). Obdobné je to i s technologií akumulace, která se během životního cyklu FV panelu může obměnit i vícekrát.
Ve výpočtu celkové bilance FVE předpokládáme, že bude schopna dodávat elektrickou energii dní za rok.
Vyrobí MWh/den, tj. TWh/rok a za celou životnost pak TWh elektrické energie.
Při předpokládaných pořizovacích nákladech mld. Kč, nákladech na splácení úvěru mld. Kč, nákladech na obsluhu a údržbu Kč/MWh[2] a nákladech na likvidaci elektrárny Kč/MWh[2], tak jedna kWh vyrobené energie přijde na cca Kč za dobu provozu let. Případně mld. Kč za vyrobených MWh, tedy Kč/kWh za dobu provozu let (a to při velmi odvážné úvaze, že se cena výstavby FVE v průběhu času nezvýší).
Celková plocha FVE m2 ( km2)
Závěr zamyšlení
Jako technik si plně uvědomuji, že realizace FVE v této podobě je zcela nesmyslná a finančně neefektivní. Nicméně jsem cítil povinnost přinést, do povětšinou teoretické debaty, reálná čísla, výpočty, a vytvořit porovnání obou řešení pro představu, jaká úskalí by s sebou přinesly realizace myšlenek propagátorů bezvýhradného přechodu čistě na obnovitelné zdroje.
Pokud bychom akumulaci řešili pomocí přečerpávacích elektráren, tak by bylo nutné vytipovat několik lokalit, kde by takové elektrárny mohly být vybudovány - bylo by nutné hledat zejména na horách, abychom měli k dispozici potřebný výškový potenciál pro pohon vodních turbín.
Při vší úctě například k technickému řešení přečerpávací elektrárny Dlouhé stráně s energetickou úložnou kapacitou 3,7 GWh, se mi tzv. "umělé snižování vrcholů" našich hor nezdá jako nejlepší ekologické řešení. O nových lokalitách by jistojistě byly vedeny obsáhlé diskuse, a docela by mě zajímalo, jakou pozici by v nich ekologové zaujali.
Je také otázkou, zda by se v ČR vůbec našlo tolik vhodných lokalit.
Z výše uvedeného bilančního výpočtu je krásně viditelné, kolik problémů přináší nestabilita výroby elektrické energie za pomoci FVE. To je přesně ten důvod, proč energetici v Německu, kde tento masivní přechod politici prosazují, musí mít k dispozici pohotovostní, relativně rychle regulovatelné zdroje (plynové, uhelné, vodní elektrárny – doma i v okolních zemích). Jenom tak lze udržet výměru FVE v technicky rozumných rozměrech. Tyto elektrárny zároveň poskytují 100% zálohu výroby pro neslunný zbytek dne a temné zimní dny. A protože v politickém pojetí energetiky má tzv. obnovitelný zdroj ze zákona vždy přednost, tak se do ceny elektrické energie musí promítnout i provoz pohotovnostních elektráren. I když v tu dobu energii nedodávají.
Německý přístup, jak se doposud ukázalo, má dvě velké nevýhody.
První z nich je velká závislost na zahraničním dodavateli zemního plynu, takže celá společnost je přímo závislá na jeho libovůli. A to v podstatě ze dne na den, byť s plnými zásobníky zemního plynu může vláda mít na záchranná opatření několik měsíců navíc.
Druhou nevýhodou je to, že velká poptávka po zemním plynu (pro tyto velké záložní plynové zdroje) působí jednak nárůst ceny zemního plynu a synergicky prodražuje i jím vyráběnou elektrickou energii. Vezmeme-li v potaz, že tato dvě média jsou hybnou silou průmyslu i domácností, tak to zákonitě přináší nežádoucí ekonomické efekty – zdraží se v podstatě vše, od výroby, přes dopravu a prodej, což s sebou přináší vysokou inflaci, která přivádí zaměstnavatele a jejich zaměstnance do nejistoty. Domácnosti vytápějící zemním plynem nebo elektřinou začnou zákonitě šetřit. Opět si instalují zdroje na tuhá paliva, opět začínají spalovat uhlí, v lepším dřevo. Pokud je toto výsledek tlaku na ekologickou výrobu elektrické energie, pak jsem, diplomaticky řečeno, mírně v rozpacích.
Aby nedošlo k mýlce, vůbec nejsem proti FVE, ale její nasazení v kontextu velké energetiky se dohledné době a v našich geografických podmínkách nejeví jako efektivní. A to zejména z důvodu potřeby predikovatelnosti dodávek elektrické energie. FVE není v současné době celoročním stabilním zdrojem elektrické energie.
Jak jsem zmínil na začátku článku - technologie je třeba vyvíjet, vylepšovat (například stavbou malých FVE pro menší odběrné celky) a až budou odstraněny všechny dnešní technologické limity, nechť je jejich využití znovu vyhodnoceno.
O výrobě energií na příštích minimálně 20 let je třeba rozhodovat průběžně, vždy na základě aktuálně známých, dostupných, ověřených a realizovatelných technologií.
Jakmile budeme mít jako lidstvo k dispozici účinnější zdroje, účinnější formu akumulace energie, nové generace techniků a energetiků je jistě rádi využijí pro plánování další energetické budoucnosti.
Ten čas ale zatím bohužel nepřišel a my se nyní nemůžeme a nesmíme vrhat do energeticky nejisté budoucnosti postavené na pocitech a domněnkách typu „to určitě nějak půjde udělat, ti technici to určitě vyřeší“.
Poděkování
V závěru mé teoretické úvahy bych chtěl poděkovat také několika kolegům, se kterými jsem svůj odvážný výpočet konzultoval, kteří mi poskytli cenné informace, a především věnovali svůj čas. Pro dotazy na téma jaderné energetiky mi byl oporou Ing. Evžen Losa, Ph.D., za data z reálných FVE a konzultace nad obsahem komentovaného výpočtu pak děkuji svým kolegům Ing. Milanu Bechyněmu, Ing. Miroslavu Hořejšímu a odborníkům z EGÚ Brno.
Zdroje
A nuclear power plant is a powerful and stable source of electricity. Full replacement of such source with photovoltaics is not easy. We calculated how much PV panels and batteries would be needed for replacement and how much it would cost. The calculation in the article is interactive and the individual calculation parameters can be modified.