Roční využití výkonu větrných elektráren v České republice

Datum: 14.4.2014  |  Autor: Ing. Bronislav Bechník, Ph.D.  |  Recenzent: Mgr. David Hanslian, Ústav fyziky atmosféry AV ČR, v.v.i

Roční využití výkonu větrných elektráren v České republice se podle různých zdrojů pohybuje v obrovském rozpětí od pesimistických „4 až 14 %“ [TZB1], až po optimistické „až 36 %“ [TZB2]. Problém nastává, pokud například ČTK [TZB1] převezme do tiskové zprávy chybný údaj, který pak ovlivňuje veřejnou debatu.

Efektivnost větrných elektráren

Efektivnost větrných elektráren lze vyhodnocovat několika způsoby. Jedna z možností je posuzovat účinnost využití větrné energie, tj. jakou část kinetické energie větrného proudu přemění větrná elektrárna na elektřinu.

Účinnost větrné elektrárny závisí na rychlosti větru, lze ji určit ze vztahu:

vzorec 1
 

kde je

ηVTE
– účinnost větrné elektrárny [1]
PVTE
– výkon větrné elektrárny [W]
Pwind
– výkon větrného proudu procházejícího rotorem větrné elektrárny [W]
 

Maximální hodnota tohoto parametru je dána tzv. Betzovým limitem, který je přibližně 59 % (přesně 16/27). Moderní větrné elektrárny dosahují za optimálních podmínek 75 % až 85 % této hodnoty.

Druhá možnost je vyhodnocení využití výkonu větrných elektráren (tzv. kapacitní faktor). Tento parametr neříká nic o účinnosti přeměny energie větru na elektřinu, vyjadřuje pouze, nakolik se průměrný výkon za dané časové období blíží jmenovité hodnotě.

Roční využití výkonu lze vypočítat:

vzorec 2
 

kde je

kr
– koeficient ročního využití výkonu [1]
Er
– roční výroba elektřiny [MWh]
Pinst
– instalovaný výkon elektrárny [MW]
tr
– délka roku v hodinách [h]
 

Roční využití výkonu je možno vyhodnocovat buď pro jednotlivé větrné elektrárny, nebo pro celé větrné farmy. Stejným způsobem je možno vyhodnotit roční využití výkonu celého souboru větrných elektráren instalovaných v České republice.

Instalovaný výkon a výroba

Obrázek 1: Vývoj instalovaného výkonu a počtu větrných elektráren [Instalovany]
Obrázek 1: Vývoj instalovaného výkonu a počtu větrných elektráren [Instalovany]

Hrubý odhad ročního využití výkonu celého souboru větrných elektráren provozovaných v České republice lze snadno provést na základě volně dostupných statistických dat publikovaných na stránkách Energetického regulačního úřadu (ERÚ). Informace o roční výrobě jednotlivých typů elektráren jsou zveřejňovány v každoročních zprávách o provozu elektrizační soustavy již od roku 2001 [Rocni]. Informace o počtu provozoven a instalovaném výkonu podporovaných zdrojů, mezi něž patří i větrné elektrárny, jsou zveřejňovány přehledně v grafech pro jednotlivé kategorie zdrojů. Tyto informace jsou dostupné až od roku 2002.

Protože se však instalovaný výkon v průběhu roku mění a ERÚ zveřejňuje instalovaný výkon větrných elektráren jen na přelomu roku [Instalovany], viz obrázek 1, je možno na základě zveřejněných dat vyhodnotit pouze horní a dolní odhad ročního využití výkonu.

Hrubý odhad ročního využití

Výpočet horního odhadu ročního využití výkonu využívá skutečnosti, že celkový instalovaný výkon větrných elektráren v České republice má dosud rostoucí tendenci. Výpočet vychází z předpokladu, že v průběhu celého roku byl instalovaný výkon roven výkonu, který ERÚ uvádí k 1. 1. daného roku, neboli že všechny nové větrné elektrárny byly instalovány na konci roku. Jako roční výroba je uvažována hrubá výroba elektřiny.

Výpočet dolního odhadu ročního využití výkonu vychází z předpokladu, že v průběhu celého roku byl instalovaný výkon roven výkonu, který ERÚ uvádí k 1. 1. roku následujícího, tj. jako by všechny nové větrné elektrárny byly instalovány na začátku roku. Jako roční výroba je uvažována čistá výroba elektřiny, tj. po odečtení vlastní spotřeby elektrárny na výrobu elektřiny (nikoli však lokální spotřeby výrobce pro jiné účely, než je výroba elektřiny).

Je zřejmé, že tímto postupem lze nejpřesnější odhady ročního využití výkonu získat v letech, v nichž se instalovaný výkon měnil nejméně. Konkrétně se jedná o roky 2011 a 2013. V těchto letech je roční využití výkonu celého souboru větrných elektráren instalovaných v České republice vyšší, než 20 %. Pro srovnání: zhruba na stejné úrovni se pohybovalo roční využití výkonu v celé EU v letech 2003 až 2007 [Boccard]. V ostatních letech je horní odhad obvykle nad 20 % a dolní odhad pod 20 %. Výjimkou je rok 2010, kdy jsou obě hodnoty nižší než 20 %.

Tabulka 1: Výroba elektřiny ve větrných elektrárnách v České republice
rok200220032004200520062007200820092010201120122013
instalovaný výkon na začátku roku1   [MW]3,47,08,211,534,444,5117,5149,7192,9214,8217,9262,0
instalovaný výkon na konci roku1 [MW]7,08,211,534,444,5117,5149,7192,9214,8217,9262,0269,4
hrubá roční výroba2 [GWh]1,63,99,921,349,4125,1244,7288,1335,5396,8417,3478,3
čistá roční výroba2 [GWh]1,63,89,821,249,1124,4243,8286,9334,1395,2415,4473,9
roční využití min3,5 [h]23046485361611031059162814881556181415861759
roční využití max4,5 [h]4725601209185414362811208219241740184719151826
roční využití min3,5 [%]2,625,309,737,0312,6012,0818,5816,9817,7620,7018,0920,08
roční využití max4,5 [%]5,396,3913,7921,1616,3932,0923,7621,9719,8621,0921,8520,84
1podle [Instalovany]
2podle měsíčních zpráv ERÚ o provozu elektrizační soustavy k prosinci daného roku [Mesicni]
3dolní odhad využití výkonu vychází z předpokladu, že všechny elektrárny byly instalovány na začátku roku
4horní odhad využití výkonu vychází z předpokladu, že všechny elektrárny byly instalovány na konci roku
5počítáno z čisté roční výroby

Z prezentovaných výsledků je rovněž zřejmé, kde se vzaly údaje o ročním využití pod 15 %. Jedná se o zastaralé informace založené na stavu větrné energetiky v České republice zhruba před 10 lety.

Vybrané větrné elektrárny

Obrázek 2: Roční využití výkonu vybraných větrných elektráren v České republice
Obrázek 2: Roční využití výkonu vybraných větrných elektráren v České republice

U konkrétních větrných elektráren se roční využití výkonu od průměrné hodnoty liší, v některých případech i velmi výrazně. Na obrázku dole jsou uvedena data pro výběr větrných elektráren provozovaných v České republice. Data pro jednotlivé elektrárny byla získána ze statistických dat publikovaných ERÚ [Rocni].

Z uvedeného přehledu vyplývá, že v ČR jsou v současnosti větrné elektrárny, jejichž roční využití výkonu se dlouhodobě pohybuje kolem 25 %. Na druhou stranu je zde i řada větrných elektráren, jejichž roční využití je menší než 10 %. Jedná se většinou o starší instalace se stroji menších jednotkových výkonů umístěných v menších výškách s horšími větrnými podmínkami (podrobněji v článku Větrné podmínky pro malé větrné elektrárny), nebo o instalace v nevýhodných lokalitách.

Roční využití výkonu jednotlivých elektráren je víceméně stabilní. Variabilita je většinou způsobena rozdílnými větrnými podmínkami v jednotlivých letech. V některých případech se mohou projevit výpadky výroby z důvodu poruchy.

Naproti tomu průměrné roční využití výkonu celého souboru větrných elektráren v České republice má jednoznačně rostoucí tendenci.

Měsíční využití

Obrázek 3: Měsíční využití výkonu větrných elektráren v České republice
Obrázek 3: Měsíční využití výkonu větrných elektráren v České republice
Obrázek 4: Průměrné rychlosti větru na vybrané lokalitě (Boží Dar) [Kacmar]
Obrázek 4: Průměrné rychlosti větru na vybrané lokalitě (Boží Dar) [Kacmar]

Stejným způsobem jako u ročního využití výkonu lze z měsíčních dat [Mesicni] získat měsíční využití výkonu, viz obrázek 3. Měsíční hodnoty vykazují větší kolísání než celoroční průměr. Přesto je zřetelně vidět, že hodnoty nižší než 15 % se v posledních letech vyskytují jen výjimečně a obvykle spíše v letních měsících.

Opět je možno vyhodnocovat měsíční využití i u jednotlivých elektráren, případně jednotlivých strojů, potřebná vstupní data však již nejsou k dispozici z veřejných zdrojů.

Nejvyšší hodnoty měsíčního využití výkonu jsou dosahovány v zimních měsících, což potvrzuje obecně rozšířené tvrzení, že potenciál větrné energie je v zimním období vyšší, než v letním [Markvart]. Tuto tezi potvrzují i měření rychlosti větru z měřidel umístěných obvykle na gondole větrné elektrárny, viz obrázek 4 [Kacmar].

Na druhou stranu například v lednu 2010 kleslo využití výkonu na jednu z nejnižších hodnot vůbec a významně ovlivnilo i celoroční průměr. Důvodem bylo mimořádně dlouhé období, kdy byly větrné elektrárny ve vyšších polohách odstaveny kvůli námraze.

Očekávaný vývoj

Nepřesvědčivé výsledky prvních instalací větrných elektráren v České republice vedly některé autory k domněnce, že dosažení ročního využití výkonu kolem 25 % je v České republice „velmi nepravděpodobné“ (prof. Noskievič v článku Fakta a mýty o obnovitelných zdrojích (I)). Paradoxně tak autor sám vytvořil nepravdivý mýtus.

Obrázek 5: Výkonové křivky větrných elektráren se stejným průměrem rotoru a různým jmenovitým výkonem generátoru. [Database]
Obrázek 5: Výkonové křivky větrných elektráren se stejným průměrem rotoru a různým jmenovitým výkonem generátoru. [Database]

Roční využití výkonu je možno zvýšit například použitím generátoru o nižším jmenovitém výkonu přiřazeného k rotoru dané velikosti, respektive použitím většího rotoru větrné elektrárny při daném výkonu generátoru. Za jinak stejných podmínek bude ze dvou větrných elektráren se stejným průměrem rotoru mít větší roční využití výkonu elektrárna s menším jmenovitým výkonem. Méně výkonný generátor totiž dosáhne jmenovitého výkonu při nižší rychlosti větru, viz obrázek 5, což v důsledku znamená vyšší roční využití výkonu.

Na druhou stranu taková větrná elektrárna bude mít nižší průměrnou účinnost využití energie, neboli z větru, který projde rotorem větrné elektrárny, v průměru vyrobí menší množství elektřiny. Důvodem je zejména nižší výroba při vyšších rychlostech větru, kdy je výroba limitována maximálním výkonem generátoru. Investiční náročnost větrné elektrárny s generátorem o nižším jmenovitém výkonu je však nižší a současně klesají i náklady na vyvedení výkonu a integraci vyrobené energie do elektrizační soustavy. V současné době se ukazuje, že tyto výhody jasně převažují nad ztrátami vyplývajícími z mírného snížení celkové výroby, existuje proto silná tendence k výstavbě větrných elektráren s vyšším využitím výkonu.

Jako příklad může posloužit teoretické roční využití výkonu větrné elektrárny při průměrné rychlosti větru 6,5 m/s. Pro teoretický výpočet lze vycházet z předpokladu, že rozdělení rychlosti větru lze popsat Rayleighovým rozdělením [Hanslian]. S využitím výkonových křivek podle [Database] lze odhadnout, že za těchto předpokladů dosáhne větrná elektrárna s průměrem rotoru 90 m a jmenovitým výkonem 3 MW ročního využití výkonu 23,8 %. Při jmenovitém výkonu 2 MW se roční využití výkonu zvýší na 33,3 %. Elektrárna o jmenovitém výkonu 2 MW s rotorem o průměru 100 m by dosáhla ročního využití přes 35 %.

Reálně dosahované hodnoty výroby energie jsou poněkud nižší, protože je potřeba počítat s poklesem hustoty vzduchu s nadmořskou výškou, s elektrickými ztrátami při vedení a transformaci elektřiny před jejím vyvedením do sítě a s výpadky ve výrobě z důvodu údržby či poruch větrné elektrárny či kvůli námraze. Ve výsledku se proto skutečná výroba reálně pohybuje okolo 90 % uvedených hodnot, v horských lokalitách či u problémových větrných elektráren o něco méně [Recenze].

Závěr

Průměrný koeficient ročního využití výkonu celého souboru větrných elektráren v České republice se v posledních pěti letech pohybuje kolem 20 % nebo mírně nad touto úrovní. Z dlouhodobějšího pohledu hodnota tohoto parametru roste, protože novější větrné elektrárny vykazují roční využití výkonu kolem 25 %.

Pesimistické hodnoty ročního využití výkonu pod 15 %, jsou v lepším případě založeny na zastaralých informacích, případně se jedná o instalace v nevýhodných lokalitách nebo s technickými problémy. V horším případě se jedná o záměrnou dezinformaci. Pokud se nejedná přímo o odpůrce větrné energetiky, svědčí takové hodnoty, jsou-li vztahovány na celkovou výrobu elektřiny z větru v České republice, o neznalosti problematiky.

Optimistické hodnoty kolem 25 % se mohou vztahovat k novějším větrným elektrárnám v České republice. U hodnot výrazně nad 25 % se může jednat o jednotlivé větrné elektrárny, výsledky za kratší období, případně o očekávané výsledky budoucích instalací, u nichž je jmenovitý výkon generátoru menší, než by odpovídal dané velikosti rotoru.

Reference

 
Komentář recenzenta
Mgr. David Hanslian, Ústav fyziky atmosféry AV ČR, v.v.i
Celkově článek považuji za korektní, srozumitelný a jednoznačně prospěšný, protože přehledným způsobem shrnuje problematiku určení hodnot využití výkonu větrných elektráren. Na základě jednoduchého a průkazného odvození těchto hodnot z dat Energetického regulačního úřadu ukazuje, že skutečné hodnoty průměrného využití výkonu se již od roku 2008 pohybují okolo 20 %, u moderních větrných elektráren pak výrazně nad touto úrovní.
English Synopsis
Capacity factor of wind power plants in the Czech Republic

Capacity factor of wind power plants in the Czech Republic according to different sources varies in a huge range from pessimistic “4–14 %” to the optimistic “up to 36 %”. The problem arises when via press releases of the ČTK (Czech Press Agency) erroneous data are distributed, which then influences the public debate.
In fact, the average annual capacity factor of the whole set of wind power plants in the Czech Republic is around 20 % or slightly above this level in the last five years. In the longer term the capacity factor increases, because newer wind farms have annual capacity factor about 25 %.
Pessimistic value of the capacity factor below 15 %, are in a better case based on outdated information, or on data from inconvenient installation locations or turbines with technical problems. In the worst case this involves a focused misinformation. If they are published by not direct opponents of wind energy, suggests such values​​, if they are considered to be related to the total production of electricity from wind in the Czech Republic, the ignorance of the issue.
Optimistic values ​​around 25 % may be related to newer wind turbines in the Czech Republic. Values ​​well above 25 % could be a data of individual wind turbines, results of a shorter period, or the expected results of future installations of which the rated power of the generator is less than would correspond to the size of the rotor.

 

Hodnotit:  

Datum: 14.4.2014
Autor: Ing. Bronislav Bechník, Ph.D.   všechny články autora
Recenzent: Mgr. David Hanslian, Ústav fyziky atmosféry AV ČR, v.v.i



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (8 příspěvků, poslední 18.04.2014 00:18)


Projekty 2017

Partneři - Obnovitelná energie

logo HOTJET
logo NELUMBO
logo VIESSMANN

Spolupracujeme

logo Česká peleta

 
 

Aktuální články na ESTAV.czMech v bytě. Živý nebo umělý?Prodej renesančního zámku ze 16. století v Branticích u Krnova na BruntálskuNa náměstí Curieových by mohla vyrůst až sedmipatrová budovaDům v sadu a další ojedinělé stavby architekta Jana Šépky