Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov
estav.tvnový videoportál

TZB-info / Obnovitelná energie a úspory energie / Blackout a obnovitelné zdroje energie

Blackout a obnovitelné zdroje energie

28.1.2013
Ing. Bronislav Bechník, Ph.D.
Recenzovaný

V minulosti došlo ve světě k řadě velkých blackoutů (výpadek dodávek elektřiny). Riziko blackoutu se údajně zvyšuje v souvislosti s rozvojem obnovitelných zdrojů. Představa několikadenního výpadku způsobená obnovitelnými zdroji je však přehnaná.

V posledním roce byla v různých médiích publikována řada článků věnovaných tématu rostoucího rizika blackoutu (totálního výpadku elektřiny v důsledku selhání elektrizační soustavy) z důvodu zvyšování podílu obnovitelných zdrojů energie (OZE) v energetickém mixu. Často je čtenářům sugerována představa nezvladatelného chaosu způsobeného několikadenním přerušením dodávek elektřiny na velkém území a uvedeny příklady z celého světa.

Důvodem je téměř jistě skutečnost, že podobným způsobem odpovídá na otázku „Co je to blackout?“ i oficiální web provozovatele přenosové soustavy ČEPS v sekci Otázky a odpovědi. Namísto technického popisu, co je to blackout a co k němu může vést, je předložena katastrofická vize světa zcela bez elektřiny a rozebírán jen jediný z možných důvodů pro vznik takové situace – větrné elektrárny v Německu.

Skutečnost je však komplikovanější. Příčin vzniku rozsáhlých blackoutů může být celá řada. V historických případech hrály hlavní roli závady na často zastaralých zařízeních elektrizační soustavy nebo chyby obsluhy způsobené například nedostatečnou komunikací mezi provozovateli propojených přenosových soustav. Zastaralé předpisy pro řízení přenosových soustav nebraly v úvahu jejich propojování do nadnárodních celků, deregulaci trhu s elektřinou a rozvoj obnovitelných zdrojů.

Velké blackouty v historii

V minulosti došlo v různých částech světa k řadě blackoutů. Výběr některých z nich s uvedením přičiny je v tabulce dole.

DatumTrváníZasaženo odběratelů
[mil.]		Zasažená oblastPrvotní příčina
9. 11. 196514 hodin30severovýchod USA a část KanadyChyba v nastavení ochrany,
údajně 1. velký blackout v historii [1]
13. 7. 197725 hodin9Město New YorkKombinace poruch a chyb [2]
20. 2. 19985 týdnů0,06Auckland (Nový Zéland)Závada na zastaralém VN kabelu [3]
14. 8. 200360 hodin50severovýchod USA a část KanadyVýpadek zdroje v době vysoké poptávky a následně kontakt přetíženého vedení VVN s přerostlými stromy [4]
28. 8. 20031 hodina0,5LondýnDva výpadky v rychlém sledu [5]
23. 9. 20032 hodiny5Dánsko a jih ŠvédskaZávada odpojovače krátce po výpadku jaderné elektrárny [6]
28. 9. 200312 hodin56Itálie, část ŠvýcarskaBouře zničila vedení VVN [7]
12. 7. 200412 hodin5jižní ŘeckoPřetížení přenosové soustavy, výpadek dvou elektráren [8]
9. 1. 20050,87jih Švédskabouře Gudrun [9]
24. 5. 20052Moskva, Ruskopožár v rozvodně [10]
18. 8. 20057 hodin100Bali, Jáva a IndonésieVýpadek vedení VVN [11]
4. 11. 200620 minut15UCTEManuální odpojení vedení VVN bez ověření kriteria N-1, UCTE se rozpadla na tři ostrovy [12]
27. 4. 20074,5 hodiny25KolumbieChyba obsluhy v rozvodně [13]
28. 1. 200812 dní> 30ČínaSněhová bouře zničila vedení VVN [14]
8. 9. 201112 hodin3USA a MexikoVýpadek vedení VVN po chybě obsluhy [15]
30. 7. 201216 hodin300Indiepřetížení vedení VVN[16]
31. 7. 20128 hodin670Indiezávada relé [17]
největší světový výpadek proudu
26. 10. 20124 hodiny53severovýchod Brazíliepožár v rozvodně [18]
15. 11. 20121 hodina0,45Mnichov, Německozávada v rozvodně nebo v elektrárně [19]

Rizika a příležitosti

Propojování přenosových soustav. Růst a rozvoj elektrizační soustavy byl v předchozích dekádách poháněn rychlým růstem spotřeby. Původně regionální systémy byly sloučeny do národních sítí a později propojeny se sousedními zeměmi. Vznikly velké soustavy zahrnující podstatné části nebo i celé kontinenty. Mezi výhody propojování patří možnost využívat větší elektrárny s vyšší účinností a snížení potřebné rezervní kapacity na národní úrovni, protože v případě potřeby mohou poskytnout dočasnou podporu okolní soustavy. V souvislosti s deregulací a privatizací se očekává, že vzroste zatížení přenosových soustav, což povede ke vzniku úzkých hrdel a problémům se spolehlivostí. Velké blackouty v Americe a v Evropě jasně potvrzují, že jinak výhodné propojení elektrizačních soustav může zahrnovat riziko nekontrolovatelných kaskádových efektů ve velkých a silně zatížených propojených systémech [Siemens].

Zatížení přenosové soustavy je jedním z nejdůležitějších faktorů bezpečnosti jejího provozu. Jsou-li například přenosová vedení zatěžována blízko svého technického maxima, je větší pravděpodobnost, že v případě neočekávané změny v provozu soustavy může dojít k jejich přetížení a automatickému odpojení. V takovém případě ovšem hrozí k přetížení jiných prvků soustavy a nezvladatelné kaskádové šíření poruchy, jejímž důsledkem je obvykle rozpad soustavy na oddělené ostrovy, v nejhorším případě právě blackout v některém z takto vydělených ostrovů.

Stáří mnohých vedení české přenosové soustavy přesahuje předpokládanou životnost 40 let. S věkem samozřejmě roste pravděpodobnost poruch. Pro zajištění bezpečnosti provozu přenosové soustavy provádí ČEPS postupnou obměnu technických zařízení i systémů obsluhy a řízení. Přesto se v současnosti podíl vedení starších 40 let pohybuje kolem 40 % a do roku 2018 se zvýší až na 50 %. Teprve poté by měl podíl starších vedení klesat.

Hovoří-li se o zvyšování rizika, bylo by vhodné uvést, jak je toto riziko vysoké. Například pravděpodobnost (riziko) nadprojektové havárie jaderného reaktoru by podle projektu měla být 10−4 (1:10 000) za rok provozu reaktoru (pro nové reaktory je požadována hodnota 10krát nižší) [SUJB]. Vezmeme-li v úvahu současný počet reaktorů (přes 400), znamená to, že by mělo dojít k jedné těžké havárii za 25 let. Pokud se při stejné pravděpodobnosti nadprojektové havárie zvýší počet reaktorů na dvojnásobek, vzroste riziko rovněž dvojnásobně (ponechme stranou otázku, že skutečný počet havárií byl významně vyšší).

Závislost rizika blackoutu na zvyšování podílu OZE v energetickém mixu je složitější. Je nutno zejména rozlišovat, o jakou velikost zdroje se jedná. Je podstatný rozdíl, jestli je výroba elektřiny distribuovaná (decentralizovaná) nebo centralizovaná (koncentrovaná na malém území). Malé decentrální zdroje jednoznačně snižují zatížení přenosové soustavy a ztráty při přenosu a distribuci. Tato skutečnost by se mohla změnit při podílu výroby elektřiny z neregulujících OZE (FVE a VTE) nad 20 %, proto je nutno urychleně rozvíjet inteligentní sítě (Smart Grids). Naopak velká seskupení OZE na malém prostoru mohou být příčinou podobných problémů, jako velké konvenční zdroje.

Zatímco v případě konvenčních elektráren lze při větších výkonech dosáhnout lepší účinnosti, v případě obnovitelných zdrojů to vždy neplatí. Například další zvyšování výkonu jednotlivých větrných elektráren (v současnosti kolem 2 MW) představuje technický problém a koncentrace většího počtu větrných elektráren v jedné lokalitě výnos energie snižuje. V případě fotovoltaiky i malé střídače o výkonu jednotek kilowattů dosahují účinnosti až 98 %. Velké střídače sotva mohou dosáhnout lepších parametrů. Nehledě na skutečnost, že velké výkony je nutno připojit na vedení vysokého napětí, což ovšem znamená transformaci nahoru a následně v místě spotřeby dolů, přičemž každá transformace znamená ztrátu kolem 1 %.

Decentralizace výroby elektřiny jednoznačně přispívá ke snížení zátěže přenosové soustavy bez ohledu na skutečnost, zda se jedná o zdroj konvenční nebo obnovitelný. To znamená v důsledku zvýšení spolehlivosti provozu přenosové soustavy. Využitím distribuovaných OZE lze přitom pokrýt významnou část současné spotřeby elektřiny. Decentralizované zdroje kromě toho mohou zajistit nouzové zásobování elektřinou i při rozpadu přenosové sítě. I relativně velké fotovoltaické elektrárny (FVE) lze přitom z hlediska konvenční energetiky považovat za malé distribuované zdroje. Při nižším zatížení přenosové soustavy se snižují ztráty, například při plném zapojení FVE v ČR se jedná o desítky MW [ČEPS].

Pro dosažení ještě vyššího podílu OZE je nutno využívat například energetický potenciál větru v Severním moři nebo slunečního záření ve Středomoří. V těchto případech se však už jedná o koncentrované zdroje vzdálené od míst spotřeby. Takové uspořádání výroby a spotřeby vede k vyššímu zatížení přenosové soustavy a tedy v důsledku ke snížení její spolehlivosti v situacích, kdy je výroba elektřiny z konkrétního zdroje vysoká. Řešením může být posílení přenosové soustavy nebo přesunutí spotřeby elektřiny blíže její výrobě.

Zvýšení podílu OZE s výrobou závislou na počasí (FVE a VTE) zvyšuje nároky na činnost dispečerů. To však samo o sobě nemusí nutně zvyšovat riziko blackoutu. Otázkou například je, jaký vliv má nutnost často řešit malé problémy (vyrovnávání nepravidelnosti výroby FVE + VTE) na schopnost řešit problémy větší (například výpadek velkého zdroje v kombinaci s další poruchou).

Inteligentní sítě neboli Smart Grids by mohly významně přispět ke stabilizaci elektrizační soustavy a předcházení blackoutu zejména lepším řízením spotřeby včetně možnosti velmi významného omezení spotřeby na tzv. bezpečnostní minimum, tento stav je označován jako gray-out. Je však nutno upozornit, že inteligentní měřidla jsou pro zavedení inteligentních sítí podmínkou nutnou, nikoli však postačující. Rovněž hromadné dálkové ovládání spotřebičů (HDO), které bývá někdy v České republice označováno jako varianta inteligentní sítě, má ke skutečným inteligentním sítím velmi daleko, protože se jedná o jednosměrný systém bez zpětné vazby, jehož funkcionalita je velmi omezená. Komunikační technologie v rámci inteligentních sítí však představují další prvek v systému, který může podléhat poruchám. Další problém je, že stávající postupy a kritéria pro řízení provozu přenosových soustav mohou být v prostředí inteligentních sítí zastaralé a nevyhovující.

Bylo možno předvídat?

ČEPS na svém webu v sekci Otázky a odpovědi [FAQ] tvrdí: „Evropské propojené přenosové soustavy jsou ovlivněny řadou faktorů, z nichž některé nejde předvídat. Proto se na ně nelze dopředu připravit (např. německé rozhodnutí o odklonu od jádra).“ Přinejmenším poznámka v závorce je mylná. Dohoda o odstavení jaderných elektráren včetně harmonogramu odstávek byla uzavřena v roce 2000 a uzákoněna v roce 2002 (více v článku Německý ústup od jádra).

V případě větru se ve stejné otázce ČEPS odvolává na studii EWIS [EWIS] publikovanou v roce 2010, která předpovídala problémy v přenosové soustavě ČR kolem roku 2015. Projekt EWIS byl mimo jiné reakcí na rozpad sítě UCTE na konci roku 2006. Tato mimořádná situace byla v rámci ČEPS již v roce 2006 analyzována a jedním ze závěrů bylo, že je nutno vedle nutných změn v legislativě a prohloubení spolupráce přenosových soustav mimo jiné posilovat přeshraniční přenosové kapacity [Šolc].

Závěry vlastních analýz však provozovatel přenosové soustavy nepromítá do svých investičních plánů [Rozvoj]. Do roku 2023 není plánováno posílení žádného přeshraničního vedení. Přitom příprava a realizace takového projektu může podle vyjádření ČEPS trvat i více než 10 let.

Posilování přenosové soustavy v EU

Otázkou vlivu rostoucího využívání energie větru na propojené elektrizační soustavy upozornila například studie vypracovaná v rámci projektu EWIS (European Wind Integration Study). Studie, na níž spolupracovalo evropské sdružení provozovatelů přenosových soustav ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity), jehož členem je i ČEPS byla publikována v roce 2010. Jedním ze závěrů bylo, že pro zajištění vysokého podílu větru v energetickém mixu je nutno posílit kapacity přenosových soustav [EWIS].

Zvyšování výroby elektřiny z OZE a tedy i větru je nutnou podmínkou pro snižování závislosti EU na dovozu energetických surovin, což je jeden z cílů strategie 20-20-20. Podíl OZE v energetickém mixu EU by se do roku 2020 měl zvýšit na 20 % a později se dále zvyšovat, přičemž vítr by měl v řadě států patřit k nejdůležitějším zdrojům [NREAP].

Posilování přenosové soustavy v ČR

ČEPS na své webové stránce věnované tématu blackoutu pouze nekonkrétně uvádí, že plánuje investovat do rozvoje přenosové soustavy 60 miliard korun [FAQ]. Výpis plánovaných investic je uveden na stránce Rozvoj PS [Rozvoj]. Z uvedeného přehledu je zřejmé, že nejvýznamnější plánované investice souvisejí s posílením oblastí s očekávaným růstem spotřeby a s plánovaným rozšířením Temelína. Jedná se zejména o vedení VVN z rozvodny Kočín do rozvodny Mírovka. Naproti tomu není v plánu žádné nové vedení do Německa. Velká část investic je přitom vyvolána nutností obnovy vedení, která jsou za hranicí životnosti 40 let.

ČEPS často v oficiálních prohlášeních spojuje plánované investice do přenosové soustavy z rozvojem OZE, skutečnost je však jiná. Porovnáním aktuálního plánu investic (viz příloha Investiční program ČEPS, a.s. do roku 2023) se staršími verzemi je zřejmé, že pouze jediná z v současnosti plánovaných investic je vyvolána primárně rozvojem OZE v ČR, jedná se o jedno vedení pro připojení větrného parku v Krušných horách.

Základní scénář investičního programu ČEPS do roku 2023 [ČEPS]
Základní scénář investičního programu ČEPS do roku 2023 [ČEPS]

V novém desetiletém plánu rozvoje přenosových soustav (TYNDP – Ten Year Network Dewelopment Plan) už se investice související s rozvojem OZE v EU objevují. Jedná se například o phase shifting transformers (PST), které by měly omezit přetoky elektřiny z Německa v době vysoké výroby větrných elektráren. Tato investice však není uvedena mezi plánovanými investicemi ČEPS, ale pouze v seznamu projektů (viz příloha List of projects submitted to be considered as potential Projects of Common Interest in energy infrastructure – Electricity), které žádají o dotace z prostředků EU určených na projekty společného zájmu v elektroenergetice [EurLex]. Není však uveden plánovaný rok realizace. Je proto možné, že „plánovaný“ PST je spíše nátlakovým prostředkem pro dosažení dohody se společností 50Hertz, než skutečným záměrem investice.

Zvýšení přenosové kapacity samozřejmě umožňuje připojit nové zdroje. S výjimkou výše uvedeného větrného parku je však vesměs plánováno připojení zdrojů fosilních a jaderných. Možnost zvýšit výrobní kapacitu obnovitelných zdrojů (pokud nebude omezena jinými opatřeními) je pouze vedlejším efektem zvyšování přenosové kapacity, nikoli primárním záměrem.

Zvyšování přenosové kapacity a výstavba nových elektrárenských zdrojů jsou přitom motivovány předpokladem, že spotřeba v České republice poroste víceméně stejně rychle, jako dosud [ČEPS]. Při stávající kapacitě přenosové soustavy by to znamenalo snížení spolehlivosti. Pro zajištění nebo zvýšení spolehlivosti elektrizační soustavy je proto nutno přenosovou kapacitu zvýšit. Vzhledem ke snaze EU o snižování spotřeby se časem předpoklad o růstu spotřeby může ukázat jako chybný, důsledkem by v takovém případě bylo nižší zatížení a tedy vyšší spolehlivost soustavy, tj. nižší riziko blackoutu, což je jistě výhodné.

Zkušenosti

Už při prvním velkém blackoutu v roce 1965 byly ve výhodě oblasti, které provozovaly lokální elektrárenské zdroje. Zatímco velké oblasti New Yorku byly celou noc bez elektřiny, některá menší města v postižené oblasti zůstala i po rozpadu soustavy a odstavení velkých zdrojů zásobována v ostrovním provozu z vlastních místních elektráren.

V České republice stejně jako jinde v Evropě je přenosová soustava v dobrém stavu, přestože některé její součásti jsou starší než 40 let. Proto je pravděpodobnost velkého dlouhodobého blackoutu nízká. Rovněž z přehledu velkých blackoutů je zřejmé, že v Evropě se jejich délka počítá na hodiny, nikoli na dny. Dokonce i v Indii, kde je přenosová soustava celkově v horším stavu, trvala obnova provozu po celosvětově největším výpadku méně než jeden den. Takovou dobu je například většina moderních chladniček a mrazniček schopna překlenout bez rizika zkažení potravin. Pravděpodobější než totální blackout je rozpad elektrizační soustavy na samostatné ostrovy, k čemuž v minulosti došlo jak v rámci české přenosové soustavy, tak v rámci Evropy.

Kritérium N-1 je vyhovující pro elektrizační soustavy s malým počtem velkých zdrojů připojených přímo do přenosové soustavy. Pro budoucí elektrizační soustavy s vysokým podílem malých zdrojů připojených do nižších napěťových hladin je toto kriterium zastaralé. Vhodnější by mohlo být stochastické modelování.

Závěr

Probereme-li příčiny velkých blackoutů, vesměs se jednalo o závadu na zařízení elektrizační soustavy a/nebo chybu obsluhy (dispečera). Například v případě výpadku velkého konvenčního zdroje (největší jednotlivý zdroj je turbogenerátor 1000 MW v Temelíně) jsou na řešení situace k dispozici rezervy primární a sekundární regulace a přeshraniční výpomoc z okolních přenosových soustav. I výpadek jednoho vedení VVN by přenosová soustava měla zvládnout. Problém nastane, pokud dojde ke dvěma závadám v rychlém sledu, v takovém případě je na reakci dispečera k dispozici nejvýše několik minut.

Výhodou OZE je, že výkon se mění postupně a změny lze dobře předpovídat. V časovém horizontu několik hodin dokonce s pravděpodobností blížící se jistotě. Kromě toho se například v případě fotovoltaiky se v České republice změna výkonu obvykle pohybuje do 100 MW za 15 minut [Šúri], takže je obvykle dost času na přípravu nápravných opatření včetně aktivace studených záloh. Jen zcela výjimečně čtvrthodinové změny výkonu přesáhnou 10 % instalovaného výkonu fotovoltaiky, neboli 200 MW, což je však stále v rámci možností automatické primární a sekundární regulace.

Kromě toho je definován stav nouze v elektroenergetice a předcházení stavu nouze. V těchto situacích mohou dispečeři regulovat výkon všech elektráren včetně OZE, v případě potřeby je mohou i vypnout. V případě rozpadu sítě UCTE na konci roku 2006 tato možnost ještě nebyla k dispozici. Pomalé změny výkonu OZE opět dávají více času na rozmyšlenou, než v případě výpadku Temelína.

Větší počet reaktorů znamená větší pravděpodobnost jaderné havárie. Ať už z důvodu chyby obsluhy, živelné pohromy nebo technické poruchy. Otázka je, jak velké je to riziko. Zatím bylo velkých havárií jen několik, přičemž u nových reaktorů lze očekávat vyšší bezpečnost, než u starších.

Podobně větší podíl OZE znamená vyšší nároky na práci dispečerů a v důsledku hypoteticky vyšší riziko chyby, a tedy i blackoutu. Opět je otázka, jak vysoké toto riziko je. Zatím totiž žádný blackout z důvodu OZE ve světě nenastal.

Reference

English Synopsis
Blackout and Renewable Energy Sources

In the past there has been several large blackouts in the world. Risk of such blackout reportedly increases with increasing of share of renewable energy sources in energy mix. In fact neither of previous blackouts were caused by renewables. Main primary causes are age of transmission system components or operator error. Frightening with several days outage caused by renewable sources is exaggerated.

 
 
Reklama