Zatmění Slunce a fotovoltaika

V roce 2015 dojde 20. března k výraznému zatmění Slunce, které zasáhne celou Evropu. V západní Evropě bude zatemnění přesahovat 50 %, pouze na Krétě bude nižší než 25 %. V Českých médiích už se v souvislosti s tímto astronomickým úkazem objevilo strašení blackoutem v důsledku poklesu výroby fotovoltaických elektráren. Podle německé studie věnované tomuto tématu i podle materiálů ČEPS je však blackout způsobený výhradně poklesem výroby fotovoltaických elektráren vyloučen.

Úvod

Zatmění Slunce je astronomický úkaz, k němuž dochází, když Měsíc na své dráze projde mezi Sluncem a Zemí tak, že jeho stín dopadne za zemský povrch. Taková situace nastává obvykle dvakrát ročně. Úplné zatmění je pozorovatelné jen v úzkém pásu tzv. totality. Jinde je zatmění částečné – Měsíc zakryje jen část slunečního kotouče.

Zatmění Slunce je úkaz, který lze na rozdíl od oblačnosti predikovat velmi přesně. Astronomové udávají jednotlivé fáze zatmění s přesností na sekundy. Na astronomických webech lze přitom nalézt údaje o budoucích zatměních Slunce minimálně do konce století.

Při posuzování údajů je nutno rozlišovat pojmy velikost zakrytí slunečního průměru (magnitude) a úroveň zatemnění (obscuration). Velikost zakrytí je udávána v procentech průměru slunečního kotouče. Úroveň zatemnění, neboli procentuální podíl plochy slunečního kotouče, kterou zakrývá Měsíc, je však menší.

Velikost zatmění, úroveň zatemnění a další údaje pro nejbližší zatmění Slunce, které proběhne 20. března 2015, lze pro libovolnou lokalitu vyčíst z mapy.

Německá studie

HTW-Berlin-Studie-Sonnenfinsternis-2015-Deutschland.pdf

Německá univerzita Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin publikovala studii Einfluss der Sonnenfinsternis im März 2015 auf die Solarstromerzeugung in Deutschland (Vliv zatmění Slunce v březnu 2015 na výrobu fotovoltaických elektráren v Německu).

V důsledku zatmění Slunce podle uvedené studie poklesne výroba fotovoltaických elektráren v Německu zhruba o dvě třetiny v průběhu přibližně jedné hodiny a následně opět během hodiny vzroste na obvyklou úroveň.

Pokles úrovně slunečního záření se v rámci Německa výrazně liší od severu k jihu. V maximu poklesne úroveň slunečního záření na jihu Německa o 65 % a na severu až o 83 %. Pro srovnání v České republice bude pokles menší – od 63 % na jihovýchodě po 71 % na západě.

V absolutních hodnotách pokles závisí na aktuálním počasí. Za ideálního jasného slunečného počasí může výkon fotovoltaických elektráren klesnout o více než 10 GW rychlostí až 270 MW/h a následně vzrůst o více než 15 GW rychlostí, která se v extrému bude pohybovat kolem 350 MW/h. Při velmi zatažené obloze však bude pokles zanedbatelný – pouhé 2 GW.

Autoři studie však svá zjištění uzavírají konstatováním, že změny výkonu fotovoltaických elektráren jsou sice významné, ale dobře předvídatelné a v rámci německé elektrizační soustavy zvládnutelné.

Hlavní závěry této studie jsou:

• Vliv zatmění Slunce na výrobu fotovoltaických elektráren a potažmo elektrizační soustavu Německa je silně závislý na aktuálních povětrnostních podmínkách, je však dobře předvídatelný a zvládnutelný.
• Stávající přečerpávací elektrárny v Německu jsou z technického hlediska schopny výkyvy výroby fotovoltaických elektráren vyhladit.
• Lze využít flexibility konvenčních elektráren, zejména rychlé regulovatelnosti plynových elektráren, k tomu by však bylo vhodné snížit podíl základního zatížení při výrobě elektřiny.
• Do budoucna při rostoucím podílu neregulujících zdrojů s proměnlivou výrobou je nutno budovat dostatečné akumulační kapacity.

Česká republika

Na situaci v České republice budou mít vliv jednak fotovoltaické elektrárny domácí a jednak export z Německa.

V případě českých fotovoltaických elektráren je situace mírně lepší, než v Německu. Zatemnění slunečního kotouče bude nižší, protože Česká republika je v průměru dále od pásma totality (oblast na zemském povrchu, kde je pozorovatelné úplné zatmění Slunce). Na západě České republiky zakryje Měsíc v maximu zatmění kolem 71 % plochy slunečního kotouče. Na jihovýchodě bude zatemnění ještě nižší, pouze kolem 63 %. Časový rozdíl mezi maximem zatmění na západě a východě České republiky je při tomto zatmění pouhých 8 minut.

Obrázek 1: Maximální (P99) a nejpravděpodobnější (P50) výkon fotovoltaických elektráren v České republice v jednotlivých měsících [Šúri]

Výkon fotovoltaických elektráren závisí na aktuálních klimatických podmínkách. Podle studie, na níž spolupracoval ČEPS, je výkon, který tyto elektrárny schopny dodávat do sítě, vždy nižší, než jmenovitý. Na základě historických klimatických dat lze s pravděpodobností 99 % odhadnout, že maximální součtový aktuální výkon všech fotovoltaických elektráren v České republice nepřesáhne 87 % výkonu jmenovitého, viz obrázek 1 [Šúri]. Poněkud překvapivé je, že tohoto maxima může být dosaženo v březnu nebo v dubnu. V letních měsících se díky vyšším teplotám maximum pohybuje kolem 80 %. To však platí pro nové elektrárny, výkon panelů totiž s časem klesá zhruba o 0,5 % ročně (u kvalitních panelů o něco méně, v případě nekvalitních i podstatně více).

Instalovaný výkon fotovoltaických elektráren v České republice je 2124 MWp. Podle uvedené studie se tedy výkon, který jsou tyto elektrárny schopny dodávat do sítě v březnu, pohybuje nejvýše kolem 1850 MW (ale spíše pod 1000 MW). V průběhu letošního zatmění Slunce tedy jejich výroba (za ideálního počasí) poklesne nejvýše o 1200 MW (ale spíše cca o 600 MW) v průběhu jedné hodiny.

Takové změny by měli dispečeři ČEPS zvládnout s běžnými prostředky. Změna výkonu je totiž jen o málo vyšší, než v případě neplánovaného výpadku jaderného bloku v Temelíně. S tím rozdílem, že temelínský blok vypadne okamžitě, zatímco v případě zatmění Slunce jde o změnu v průběhu více než jedné hodiny.

Roční příprava provozu ČEPS

Domněnku, že změny výkonu fotovoltaických elektráren v České republice by měli zvládnout dispečeři ČEPS s běžně dostupnými prostředky, potvrzuje i dokument Roční příprava provozu 2015.

Na str. 17 tohoto dokumentu se píše:

„Při zpracování RPP byl posouzen i vliv částečného zatmění slunce dne 20. března 2015 na změnu výroby FVE v ES ČR. Tato záležitost bude řešena v rámci DPP uvedeného dne potřebným navýšením rychlých rezerv PpS. V ročních tabulkách proto tyto hodnoty, podobně jako SV30 nejsou uvedeny.“

A dále na str. 82:

„Pro ověření síťových dopadů na PS ČR byl simulován vliv poklesu výroby FVE na toky na přeshraničních vedeních na nejhorším možném scénáři (nízký výchozí export Německa 3330 MW), ve kterém byla část dodatečného poklesu výroby vlivem zatmění ve výši 2500 MW pokryta výrobou přečerpávacích elektráren v oblasti ČEPS (600 MW EDS, 400 MW EDA), SEPS (500 MW Čierny Váh) a APG (1000 MW plošně).

Výpočet ukázal, že k největší změně toku dojde na vedení V441 a to o 285 MW (viz tabulka 1 v příloze 3). V případě vypnutí vedení V442 ani V438 nedojde k přetížení žádného prvku soustavy. Nejvíce zatíženým prvkem je vedení V441, které je zatíženo na 90 % (viz tabulka 2 v příloze 3).

Tento výpočet je první estimace atypického provozního stavu, která se bude dále zpřesňovat na základě informací od zahraničních partnerů.“

K tomu navíc na str. 37 (a stejný text na str. 41):

„dne 20. 3. 2015 nastane částečné zatmění Slunce; případné přerušení prací dne 20. 3. 2015 na V442 a zapnutí V442 provizorně přes KSP zpět do provozu bude posouzeno v rámci MPP a TPP“.

Jinými slovy: v závislosti na předpovědi počasí a informacích od provozovatelů sousedních přenosových soustav budou využity některé, případně všechny následující možnosti:

• Regulační možnosti tepelných elektráren (uhelné a jaderné, ale ty druhé spíše ne)
• Rychle startující plynové elektrárny
• Přečerpávací elektrárny
• Připojení odstaveného vedení VVN

Z uvedeného je vidět, že situace je sice energetiky pečlivě sledována, přesto však podle jejich vlastních materiálů spolehlivě zvládnutelná.

V případě dodatečných komplikací (výpadek některého prvku elektrizační soustavy, výpadek jaderného bloku v Temelíně a podobně) má přitom ČEPS k dispozici další možnosti zde neuvedené. Například může v případě předcházení stavu nouze odstavit fotovoltaické elektrárny).

Vysvětlivky:

• V442 – vedení velmi vysokého napětí, které je paralelní k vedení V441
• DPP – denní příprava provozu
• TPP – týdenní příprava provozu
• MPP – měsíční příprava provozu
• RPP – roční příprava provozu

Závěr

Zatmění Slunce je astronomický úkaz, jehož průběh velmi přesně predikovatelný v časovém předstihu mnoha let. Zatmění ovlivňuje výrobu fotovoltaických elektráren úměrně úrovni zatemnění (procentu zakrytí slunečního kotouče Měsícem). Velikost a rychlost poklesu jejich výroby však závisí i na aktuálním počasí. Zásahy dispečerů směřující k vyrovnání výkyvu výroby elektřiny je proto možno s dostatečnou přesností a spolehlivostí naplánovat v předstihu jednoho, nejvýše několika málo dní.

Situace proto vyžaduje pečlivé sledování a mimo jiné například navýšení regulačních rezerv pro daný den. Z hlediska stability elektrizační soustavy však představuje nižší riziko, než neplánovaný výpadek velkého elektrárenského bloku nebo významného prvku elektrizační soustavy.

Strašení blackoutem je z uvedených důvodů nutno považovat za další fámu šířenou senzacechtivými novináři.

Riziko blackoutu je zde vždy. Pravděpodobnější však je, že podobně jako v minulosti k němu dojde v důsledku chyby na straně provozovatele přenosové soustavy, případně v důsledku kombinace výpadků nejméně dvou významných prvků elektrizační soustavy nebo velkých elektrárenských bloků. I v takovém případě je však mnohem pravděpodobnější, že se elektrizační soustava rozpadne na samostatné ostrovy, v nichž budou zachovány dodávky elektřiny. Totální blackout je v rámci evropské elektrizační soustavy událost extrémně nepravděpodobná.

Poznámky

[Šúri] Marcel Šúri, Tomáš Cebecauer, Artur Skoczek, GeoModel s.r.o.
Josef Fantík, Jaroslav Kašpar, ČEPS a.s.
Analýza výroby z fotovoltických elektrární v prenosovej sieti ČEPS ... Zpět