Povzetek: Po hipotezi o globalnem ogrevanju so od človeka povzročene emisije toplogrednih plinov – od katerih je najpomembnejši ogljikov dioksid – glavni razlog za nevarno ogrevanje ozračja.  Evropska komisija zato predvideva v svojih direktivah drastično pospešeni prehod od proizvodnje električne energije iz fosilnih goriv (premog, nafta, zemeljski plin) na proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov že do leta 2030.  Vendar pa je proizvodnja električne energije iz obnovljivih virov nestalna in nepredvidljiva, čas proizvodnje večinoma ne ustreza času, ko električno energijo zares potrebujemo.  Rešitev se vidi v različnih hranilnikih električne energije: črpalne elektrarne, baterijski sistemi, postopek metanizacije, itd., v pametnih omrežjih in v vse-evropskem povezovanju visokonapetostnih omrežij.  V članku obravnavamo hipotetični primer 500 MW fotovoltaičnih elektrarn v Sloveniji in zanj določimo odvisnost med garantirano močjo in velikostjo hranilnika.  Izravnavanje na povprečno moč potrebuje približno 50 regulacijskih bazenov ČE Avče za garantirano moč približno 50 MW.  Kot alternativa se kaže izravnavanje na približno 60 % te moči, za kar potrebujemo pet krat manj regulacijskih bazenov, vendar je tudi ta rešitev po inštalirani moči in investicijskih stroških za vsaj en velikostni razred slabša od rešitve s klasičnimi sistemskimi elektrarnami.

Uvod

Prodaja električne energije (EE) se bistveno razlikuje od prodaje večine drugih dobrin, saj glede na stanje tehnologije EE ni mogoče shranjevati v zadostnem obsegu.  EE mora biti proizvedena skoraj v istem trenutku kot se pojavi potreba po njej.

Poraba EE ima značilno dnevno/nočno dinamiko znotraj dneva, značilno delavniško/nedelavniško dinamiko znotraj tedna, izrazit vpliv prazničnih dni in tudi značilno sezonsko dinamiko znotraj leta (poletje/zima).

Klasične sistemske hidroelektrarne in fosilne in jedrske termoelektrarne posedujejo zadostno mero zanesljivosti obratovanja, da je – ob določeni rezervi za pokrivanje nepričakovanih lastnih izpadov – v vsakem trenutku možno garantirati enakost med proizvodnjo in porabo oziroma zanesljivo oskrbo (ZO) z električno energijo.  Brez ZO si ni mogoče predstavljati funcioniranja današnje družbe.

Zaradi hipoteze globalnega segrevanja se je EU – nazadnje februarja letos v svojem predlogu vzpostavljanja Energetske unije – odločila v relativno kratkem času drastično zmanjšati emisije ogljikovega dioksida iz sektorja proizvodnje EE.  Takšna politika pomeni prehod od proizvodnje EE iz fosilnih goriv na nizkoogljične vire.  Glede na izkušnjo iz Nemčije je vprašanje, v kolikšni meri ti viri vključujejo tudi jedrske elektrarne.  Proizvodnja EE v EU naj bi tako v najkrajšem času prešla le na obnovljive vire (OVE) oziroma le na fotovoltaične elektrarne in na vetrne elektrarne.  Na ta način bi EU hkrati tudi zmanjšala milijardne zdatke za nakup primarnih energentov in rešila delikatni problem nakupa fosilnih goriv iz politično nestabilnih delov sveta, kjer vedno preti določena možnost prekinitve dobave.

Proizvodnja električne energije iz OVE je nestalna in nepredvidljiva, saj je odvisna od meteoroloških pogojev.  Izboljšanje metod napovedovanja vremena sicer res lahko zmanjša potrebno moč za izravnavanje, vendar pa to velja samo v primeru obstoja podvojenega elektroenergetskega sistema (EES): klasičnega in obnovljivega (za primer ko ponoči ne piha veter).  Takšno podvajanje EES bi bilo nesmiselno iz ekonomskega in strateško-varnostnega stališča in je tudi v nasprotju z dolgoročno vizijo EU direktiv.

Za zagotovitev ZO z EE tudi v razmerah predlaganega stalnega večanja deleža OVE preostane le še možnost hkratnega večanja skupnih kapacitet shranjevanja EE na vele-grosističnem nivoju ob hkratnem ugodnem poteku tehnološkega razvoja shranjevanja EE (črpalne elektrarne, Li-ion baterije, postopek metanizacije, …).  V tem članku bomo raziskali potrebni obseg teh hranilnikov za predvideno rast porabe EE v Sloveniji.

Nemirna moč oziroma garantirana moč

V okviru študije [1] smo na EIMV izdelali simulacijski računalniški mode RMS[1] za izračun urne proizvodnje fotovoltaičnih (FV) in vetrnih elektrarn (VE) na podlagi zgodovinskih podaktov o sončnem obsevanju oziroma hitrosti vetra agencije ARSO[2].  Računalniški model uporabimo za ovrednotenje prihodnjih stanj izgrajenosti FV in VE po razvojnih dokumentih Slovenije oziroma EU.

Slika 1 prikazuje nemirno proizvodnjo moči fiktivnega sistema 120 MW VE (polje VE Senožeška Brda) in 257 MW FV (sedanje stanje), ki je bil narejen na osnovi meteoroloških podatkov za prvi teden 2012.  Skupna proizvodnja dosega preko dneva približno 100 MW, razen tega se v noči med torkom in sredo ter med soboto in nedeljo pojavlja še znatnejša proizvodnja VE.  Občasno skupna proizvodnja pade na 0 MW, na primer v noči med petkom in soboto.

Slika 1: Značilna nemirna proizvodnja moči od ure do ure iz OVE (FV+VE).

Slika 2 podaja verjetnostno analizo proizvodnje obravnavanega sistema OVE.  Skupna inštalirana moč znaša 377 MW (rdeča črta), pričakovana skupna letna proizvodnja pa znaša 495,7 GWh ali 1315 obratnih ur.  Povedano drugače: povprečna letna moč znaša 56,4 MW (rumena črta) oziroma samo približno 15 % začetne inštalirane moči.  Iz urejene krivulje trajanja (modra črta) je razvidno, da je višja moč od povprečne moči na razpolago samo 40% časa, 60% časa je na razpolago nižja moč od povprečne, od česar je v kar približno 30 % časa skupna proizvodnja enaka praktično 0 MW.

Dodatni nezanesljivi OVE EES se izgrajuje postopoma, nezanesljivost pa za zdaj popravljajo fosilne elektrarne.  Takšno podvajanje kapacitet ne rešuje osnovni problema emisij, niti ne rešuje problema energetske odvisnosti od politično nestabilnih delov sveta.  Cilj prehoda na mnogo dražji OVE-EES je proizvodnja brez emisij CO2, saj zagotavlja že klasični EES odlično zanesljivost oskrbe z EE ob zelo nizkih cenah.  Če se žellimo izogniti podvajanju EES in hkrati slediti načrtom EU za drastično povečanje deleža OVE, je potrebno nemirno proizvodnjo OVE po sliki 1 spremeniti v garantirano konstantno^[3] proizvodnjo moči v vsaki uri leta po rumeni krivulji na sliki 2, druge možnosti ni.  Če ta podvig niti ne bi bil uresnečljiv, potem bi bilo primerneje preprosto odstopiti od izgradnje alternativnega OVE-EES in zelo poceni EE proizvajati na stari način v optimiziranih klasičnih EES.  Samoiniciativne zaveze posameznih držav ali zvez držav, ki ne vključujejo držav lastnic fosilnih goriv – tudi če bi bile lokalno uspešno realizirane – ne zmanšujejo globalnih emisij toplogrednih plinov [4].  V nadaljevanju zato predpostavimo, da je mogoče izvesti energetsko transformacijo (Energiewende) v celosti v stanje, ko bi bilo samo z OVE, brez podvajanj energetskih sistemov, mogoče doseči zanesljivo oskrbo z EE.

Slika 2: Verjetnostna analiza proizvodnje OVE s slike 1.

Tudi če bi obstajali zadosti veliki in idealni hranilniki EE – bi bilo inštaliranih 377 MW v obravnavnem primeru mogoče – po zakonu o ohranitvi energije- izravnavati največ na konstantno višino povprečne letne moči 56,4 MW.  Z drugimi besedami: potrebna skupna inštalirana moč (in posledično tudi strošek izgradnje) alternativnega EES iz OVE je vedno za vsaj 10 kratnik velikosti večja od inštalirane moči klasičnega EES, slika 3.  Poleg tega potrebujemo pri alternativnem EES še tudi ogromne hranilnike energije (kot bo razvidno v nadaljevanju) in tudi močno ojačano elektroenergetsko omrežje.

Slika 3: Fundamentalna odločitev med klasičnim ali alternativnim EES.

Hranilniki EE

V nadaljevanju obravnavamo hipotetični primer, da bi bilo v Sloveniji izgrajeno skupno 500 MW FV.  Trenutna skupna moč FV v Sloveniji znaša sicer samo 257 MW, vendar naj bi se ta vrednost – po uradnih načrtih – v prihodnjih letih nekajkrat povečala.  Izbrana vrednost 500 MW FV je torej dvakratnik sedanje vrednosti in približno ustreza instalirani moči termoelektrarne Šoštanj 6.  Razen FV elektrarn pod OVE tokrat ne predpostavimo nobenih VE, saj so povprečne hitrosti vetra v Sloveniji razmeroma nizke in ima veter nizko stalnost (burja piha v sunkih).  Naloga tega poglavja je raziskati potrebno velikost hranilnika za teh 500 MW FV, ki bi izravnala nestalno in nepredvidljivo moč v konstantno moč.

Izračun opravimo z modelom RMS.  Fotovoltaične elektrarne so dopolnjene s hranilnikom električne energije, slika 4.  Celotni sistem OVE + hranilnik naj proizvaja konstatno garantirano moč.  Srce izračuna je bilančna enačba hranilnika kronološko od ure do ure v letu.  Kadar je trenutna urna proizvodnja FV manjša od želene garantirane moči, sistem potegne manjkajočo moč iz hranilnika in energetska vsebina hranilnika se zniža.  Tak primer nastopi ponoči, ko FV ne proizvaja električne moči.  V nasprotnem primeru, če je proizvodnja FV višja od želene garantirane moči, pa se trenutni presežek shrani v hranilniku, ob ustreznem upoštevanju izkoristka shranjevanja elektrika-elektrika. 

Slika 4: Sistem OVE + hranilnik za izravnavanje nemirne moči OVE.

Za obravnavani primer 500 MW FV in neomejenega hranilnika EE, ki bi bil realiziran kot ogromna črpalna elektrarna (ČE) z izkoristkom elektrika-elektrika 75%, kaže slika 5 krivuljo polnenja in praznenja hranilnika za primer sončnega obsevanja iz leta 2012.  Končno stanje hranilnika mora vedno biti enako začetnemu stanju.  Skupna variacija hranilnika znaša kar 108 GWh, kar ustreza velikosti približno 54 regulacijskih[4] bazenov ČE Avče.

Slika 5: Tipično sezonsko spreminjanje vsebine hranilnika EE, 500 MW FV.

Krivulja na sliki 5 je zelo tipična za primer FV.  Pozimi je proizvodnja FV majhna, zato se v tem času hranilnik prazni.  V marcu se začne daljšati dan, hkrati se pa tudi poveča intenzivnost sončnih žarkov.  Poleti je intenzivnost sončnih žarkov največja, zato se v tem času hranilnik najhitreje polni.  Od septembra naprej pa se začne hranilnik prazniti.

Predvidena skupna letna proizvodnja 500 MW FV znaša 559,2 GWh oziroma približno 1100 obratnih ur.  Povprečna letna moč tako znaša 63,7 MW, vendar kažejo izračuni modela RMS, da je zaradi predpostavljenega izkoristka hranilnika 75% mogoče izravnavati največ na maksimalno letno moč 53 MW, najbolj desna točka krivulje »črpalne el.« označena z zvezdico na sliki 6.  Na kratko: obravnavani sistem 500 MW nemirne moči lahko nudi približno 50 MW garantirane moči ob predpostavki da bi bilo mogoče dodatno namensko izgraditi ČE z regulacijskim bazenom 50 krat večjim od ČE Avče.  V Sloveniji je takšna predpostavka povsem nerealistična.

Slika 6: Potrebna velikost hranilnika EE pri 500 MW FV.

Alternativno lahko poskusimo realizirati hranilnik s pomočjo pretvorbe odvečne EE v metan in nazaj.  Takšno konverzijo je možno vsaj delno realizirati z že z obstoječimi plinovodnimi kapacitetami, vendar pa znaša celotni izkoristek elektrika-elektrika takšnega hranilnika komaj 25%.  Izravnana EE iz postopka metanizacije je zato vsaj 4-krat dražja od proizvodne cene EE iz OVE (ki je dražja od EE iz klasičnih virov).  Izračun modela RMS kaže, da je v primeru metanizacije mogoče iz celotnega sistema 500 MW + hranilnik dobiti največ 25 MW konstantne moči, za kar je potreben hranilnik velikosti 42 GWh, najbolj desna točka krivulje »metanizacija« označena z zvezdico na sliki 6.  Proces metanizacije omogoča izravnavanje na manjše vrednosti garantirane moči kot ČE.  Pri izbrani konstantni moči potrebuje proces metanizacije bistveno večji hranilnik kot ČE.

Omejeni hranilniki

Naslednja zamisel, kako popraviti konstrukcijo hranilnika OVE, bi bila obravnava hranilnikov omejenih, bolj realističnih velikosti.  Seveda se ob tem že vnaprej zavedamo, da bo prišlo tekom leta do prelivanja EE oziroma do pojava ko proizvodnje EE ne bo mogoče shranjevati v hranilnik, ker bo hranilnik že poln.  Bilanca EE bo morala biti vedno ohranjena, ZO z EE ne bo smela biti ogrožena zato bo v tem primeru potrebno zadeve reševati na licu mesta: ali presežno prelivno EE ponuditi po nizki ceni recimo za ogrevanje ali hlajenje ogromnih rastlinjakov ipd., ali bo potrebno drago zgrajene proizvodne naprave OVE izklapljati iz omrežja ali pa bo nekako to prelivno EE potrebno prodati kot odpadek z negativno ceno.

Izračuni modela RMS kažejo, da se potrebna velikost hranilnika zmanjšuje veliko hitreje kot se niža povprečna letna moč, na sliki 6.  Drugače povedano: že razmeroma majhne velikosti hranilnikov zelo popravijo nemirnost proizvodnje EE iz OVE.  Ko je proizvodnja OVE zelo majhna (kar traja približno 30% vsega časa, glej sliko 2) je zelo majhna tudi njena variacija in že zelo majhne vrednosti hranilnika znatno popravijo izravnanost.  Kakor pa postavimo višje vrednosti želene izravnane moči, pa velja zakonitost zmanjšanega marginalnega donosa: potrebna velikost hranilnika izredno hitro narašča.

Pri neomejenem hranilniku ni prelivov, dejanske izgube[5] hranjenja energije pa znašajo približno 16%, slika 7.  Če je hranilnik manjši od potrebnih 108 GWh (če se velikost hranilnika manjša), se izgube sicer manjšajo, veča pa se delež prelite energije, za katero ne moremo vnaprej vedeti, če jo bo sploh možno koristno uporabiti ali pa bo potrebno za njeno porabo še plačati zaradi negativnih cen.  Na sliki je ta negotovost prikazani s točkastim načinom obarvanja tako izgub kot prelivov.  Pri hranilniku velikosti 36 GWh dobimo iz sistema OVE + hranilnik ravno eno polovico garantirane energije od v 500 MW FV skupno proizvedenih nemirnih 560 GWh.

Slika 7: Prelivi v odvisnosti od velikosti hranilnika.

Podrobna tehnično ekonomska analiza vseh posameznih kombinacij povprečne letne moči in velikosti hranilnika na slikah 6 in 7, bi lahko pomagala izbrati optimalno možnost glede na izbrani kriterij tehnološko-ekonomske optimizacije.  Če sledimo premisleku iz [2], ki je bil narejen na primeru Nemčije, bi bila takšna optimalna velikost znašala približno 50 % maksimalne konstantne moči.  Ta točka je na sliki označena s trikotnikom.  Za primer 500 MW FV ustreznega hranilnika v obliki ČE bi to znašalo konstantno moč približno 25 MW pri hranilniku velikosti 20 GWh oziroma 10 regulacijskih bazenov ČE Avče.

Realizabilnost regulacijskega bazena 10 ČE Avče je zelo vprašljiva v Sloveniji.  Pa tudi če bi bila realizabilna in tudi ekonomična, se je potrebno zavedati, da bi v bilo v tem primeru potrebno zelo velike količine proizvedene energije OVE preliti.  Prelivanje bi se začelo že v marcu in nadaljevalo preko celega poletja, slika 8.  Najbolj kvalitetni del leta za proizvodnjo FV bi bil zgubljen, funkcija hranilnika bi bila v zagotavljanju konstantne proizvodnjo EE tudi v zimskem času.  Prelito bi bilo kar 300 GWh energije (prelito EE bi bilo morda potrebno prodajati po negativni ceni), izgube hranjenja pa bi znašale 40 GWh, namesto začetnih predvidenih nemirnih 560 GWh bi tak sistem proizvedel samo garantiranih 220 GWh!

Slika 8: Primer 500 MW FV, obratovanje in prelivi, hranilnik omejen na 20 GWh.

Prilagajanje porabi

Namesto izravnavanja na konstantno moč lahko sistem OVE + hranilnik uporabimo tudi za proizvodnjo spreminjajoče moči, na način ukrepov »demand side managmenta« oziroma koncepta »pametnih omrežij« z določenimi kratkoročnimi časovnimi premiki proizvodnje obravnavanega sistema.

Z modelom RMS smo simulirali dva dodatna načina prilagajanja.  V prvem načinu (B sorazmerno) je bila proizvodnja sistema OVE + hranilnik sorazmerna višini zahtev po električni moči na prenosnem sistemu, v drugem (C trapezno) pa je bilo dodatno še prepovedano nočno obratovanje, slika 9.

Slika 9: Alternativni način (C trapezno) obratovanja sistema OVE + hranilnik.

V obeh dodatnih primerih je bila potrebna velikost hranilnika višja kot v primeru konstantnega izravnavanja.  Tak rezultat je bil pričakovana posledica dejstva, da nastopi  konica EES Slovenije še vedno pozimi, slika 10.  Če bo EES Slovenije postal »somer-peaking«, se bo ta rezultat zelo verjetno spremenil.

Slika 10: Potrebna velikost hranilnika za alternativne načine obratovanja.

Rezultati modela RMS kažejo, da se rezultat ni spremenil bistveno: še vedno so potrebne enormne velikosti hranilnikov.  Kratkoročni premiki proizvodnje ne morejo zmanjšati potrebne velikosti hranilnika, ker je narava proizvodnje OVE sezonska.  Če želimo imeti zagotovoljeno EE tudi v mrzlih brezvetrnih zimskih nočeh (kar lahko traja tudi nekaj tednov), je to energijo potrebno prenesti preko časovnega obdobja ki se meri v vsaj v mesecih oziroma rajši v kvartalih.

Sklep

Zaradi hipoteze o globalnem ogrevanju oziroma zaradi preprečevanja emisij CO2 predvideva EU pospešen prehod na proizvodnjo EE samo iz OVE.  Če se hočemo izogniti podvajanju EES, je potrebno nemirno proizvodnjo OVE zgladiti z ustreznimi hranilniki.  Ker imajo OVE zelo nizke obratne ure, bi bila skupna inštalirana moč (in strošek izgradnje) takšnega OVE-EES nujno za vsaj 10 krat večja od moči prejšnjega klasičnega sistema.  Naš izračun z modelom RMS kaže, da bi bili za izravnavanje potrebni izredno veliki hranilniki, mnogo večji kot jih je mogoče realizirati.  Uporaba današnjih tehnologij črpalnih elektrarn in metanizacije omogoča samo skromne rezultate izravnave ob izredno velikih prelivih, razen tega pa danes ne obstaja nobena druga obetavna tehnologija shranjevanja EE.  Načrtovana izredno draga subvencionirana izgradnja grandioznega alternativnega EES na OVE tako ne bo dosegla svoj cilj energetske neodvisnosti od fosilnih goriv iz politično nestabilnih regij sveta in zmanjšanja emisij CO2, saj bo zelo velik del EE še vedno potrebno proizvesti v fosilnih elektrarnah zaradi ohranjanja zanesljivosti oskrbe.

Literatura

[1] Z. Bregar et al, Vpliv fotovoltaike na potrebno rezervno moč za zanesljivo delovanje EES Slovenije, Študija št. 2222, Elektroinštitut Milan Vidmar, Ljubljana, 2013

[2] H.-W. Sinn, Energiewende ins Nichts, https://www.youtube.com/watch?v=jm9h0MJ2swo, 2013

[3] H.-W. Sinn, Schafft es Deutschland, den Zappelstrom zu bändigen?,

https://www.youtube.com/watch?v=8dIB4L4D4qI, 2014

[4] H.-W. Sinn, Das grüne Paradoxon. Plädoyer für eine illusionsfreie Klimapolitik, Ullstein Taschenbuch, 2012

[5] M. Tuma, M. Sekavčnik, Energetski sistemi, preskrba z energijo in toploto, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2004

[6] H. Požar, Snaga i energija u elektroenergetskim sistemima, drugi svezak, drugo, prošireno i potpuno prerađeno izdanje, informator, Zagreb, 1985

[7] M. Nicolosi, M. Fürsch, The Impact of an increasing share of RES-E on the Conventional Power Market: The Example of Germany. Zeitschrift für Energiewirtschaft, (3), 2009

[8] C. Haberstich et al, The battle against global warming: an absurd, costly and pointless crusade, Societe de Calcul Mathematique SA, 2015

---

[1] RMS je akronim za »Regionalni Model Slovenije«.  Pri OVE virih je proizvodnja EE, enako kot vreme, bistveno lokalno in regionalno pogojena.

[2] V primeru FV je Slovenija razdeljena na osem regij in v vsaki regiji je izbrana referenčna meteorološka postaja.  Proizvodnjo FV v regiji ocenimo na podlagi skupne inštalirane moči regije in na podlagi izbrane referenčne postaje.  Skupna proizvodnja FV Slovenije v vsaki uri je seštevek regijskih proizvodinj FV.  V primeru VE se proizvodnja vsakega polja VE izračuna iz podatkov o vetru bližnje meteorološke postaje.  Izmerjene podatke najprej preračunamo na višino osi bodočih VE, zatem pa statistično porazdelimo po posameznih enotah polja.  Pri vsaki enoti upoštevamo značilno (kvazi-kubično) karakteristiko moči.  Na koncu seštejemo MW vseh VE znotraj polja, pa tudi vseh polj VE v Sloveniji.  Skupna proizvodnja OVE je seštevek skupne proizvodnje FV in VE.

[3] Namesto garantirane konstantne proizvodnje si lahko na tem mestu predstavljamo tudi garantirano proizvodnjo, ki bi se kratkoročno spreminjala od ure do ure in tako bolje prilagajala dejanski porabi električne energije, pa bi vsi fundamentali sklepi tega poglavja še vedno ostali nespremenjeni.

[4] ČE Avče obratuje v generatorskem režimu z močjo 180 MW in v času približno 12 ur povsem izprazni zgornji regulacijski bazen velikosti približno 2 milijona m³.  Če vizualiziramo velikosti hranilnikov z velikostjo regulacijskih bazenov črpalnih elektrarn, je potrebno upoštevati tudi dejstvo, da mora vsaka črpalna elektrarna imeti tudi spodnji regulacijski bazen!

[5] Izgube so 16% in so tako so manjše od predpostavljenega izkoristka cikla 25% elektrika-elektrika zato, ker v obravnavanem modelu RMS s slike 4 ne gre vsa energija nujno skozi hranilnik temveč gre del energije lahko od 500 MW FV neposredno na izhod sistema OVE + hranilnik.