Význam akumulace energie v německé Energiewende

Koncept energetického přechodu Energiewende byl představen německou vládou v září 2010. V rámci tohoto „obratu v energetice“ je plánováno snížení spotřeby primární energie o 50 % do roku 2050 v porovnání s rokem 2008 a současně snížení závislosti energetického sektoru na fosilních palivech. Obnovitelné zdroje energie (OZE) se mají na dodávkách energie podílet z 60 %, přičemž celých 80 % vyrobené elektřiny má pocházet právě z OZE. Tento ambiciozní plán vyžaduje významné změny v německém energetickém sektoru.

Proměna energetického sektoru započala již v roce 1995. Instalovaný výkon OZE se od tohoto roku zvýšil z 10,2 GW (s výrobou elektřiny 23,8 TWh), kdy většinu instalovaného výkonu tvořili vodní elektrárny, na hodnotu kolem 70 GW (s výrobou elektřiny 119 TWh) v roce 2011. V procentuálním vyjádření došlo k nárůstu podílu OZE v celkovém instalovaném výkonu v Německu z 8 % na 40 %. Pro porovnání, maximální špičkové zatížení bylo v roce 2011 přibližně 90 GW. V současnosti se stále zvyšuje instalovaný výkon především větrných a fotovoltaických elektráren a zároveň dochází k odstavování jaderných elektráren. V číslech se jedná o odstavení přibližně 12 GW zdrojů základního zatížení do roku 2022. V následujícím grafu je zobrazen očekávaný vývoj instalovaného výkonu v Německu do roku 2050.

Zdroj: IEA – Technology Roadmap: Energy Storage

Současný stav v oblasti akumulace energie

Co se týče akumulace tepelné energie, uskladňování tepla v současnosti přispívá ke zvyšování energetické účinnosti. Například v budovách, které tvoří významný podíl konečné spotřeby energie, je uskladňování tepla využíváno k vyrovnávání denních a nočních teplot, přičemž jsou dosahovány úspory jak na vytápění, tak na chlazení. Při využití akumulace  v sezónním režimu, je teplo uskladněné v zásobnících během letních měsíců využito v zimě. Také odpadní teplo z energetických procesů je možné s využitím tepelných zásobníků prakticky využívat. Konkrétně v Německu je předpoklad možnosti využití odpadního tepla s teplotou nad 140 ºC vyčíslen v Technologickém plánu akumulace energie zpracovaném Mezinárodní energetickou agenturou (IEA) na 86 TWh.

Vyrovnávání výkyvů v elektrizační soustavě je zajišťováno především přečerpávacími vodními elektrárnami (PVE). Zajímavé je opět porovnání 90. let a současnosti. Zatímco v 90. letech, kdy výrobní mix byl výrazně stabilnější, bylo k řízení bilance využíváno přibližně 5 GW PVE, v současnosti se jedná o hodnotu pouze o gigawatt vyšší – 6 GW. Při zohlednění obtížně předvídatelné dodávky z intermitentních OZE (větrné a fotovoltaické elektrárny) lze očekávat výrazné navýšení instalovaného výkonu zdrojů umožňujících akumulaci elektřiny.

Další problém, kterému současná německá elektrizační soustava čelí, je geograficky nevyrovnané rozložení výroby a spotřeby elektřiny. Zatímco většina výroby je instalována ve větrných elektrárnách na severu Německa, těžiště německé spotřeby elektřiny je v jeho jižní části. Vlivem nedostatečné kapacity přenosové soustavy ze severu na jih dochází k přetěžování elektrizačních soustav nejen Německa, ale také okolních států (Polsko, Česká republika), přes které je elektřina dopravována do požadovaných lokalit. Graficky je tento problém vyjádřen v následujícím obrázku.

Zdroj: IEA – Technology Roadmap: Energy Storage

 Očekávaný vývoj

Hlavním výzvou pro zajištění harmonického chodu elektrizační soustavy bude časové a geografické vyrovnávání rozdílů mezi výrobou a spotřebou elektřiny. Zatímco řešením geografických rozdílů je dostatečné zvýšení přenosových kapacit, časové odchylky výroby a spotřeby je možné v krátkém období řešit právě akumulací elektrické energie, řízením spotřeby elektřiny nebo tzv. virtuálními elektrárnami (skupina malých decentrálních zdrojů vystupující jako jeden zdroj – např. malé vodní elektrárny, kogenerační elektrárny a další). Co se týče delšího období, jediným efektivním řešením časové odchylky mezi výrobou a spotřebou elektřiny je její přeměna a následné uskladnění ve formě plynu (power-to-gas) nebo tepla (elektrické kotle nebo tepelná čerpadla).

Je tedy zřejmé, že vyřešení komplikací, které s sebou přináší výrazné zvyšování podílu intermitentních OZE v německém výrobním mixu, je třeba řešit na několika úrovních. Kromě výstavby nových PVE je očekáván růst podílu rozptýlených zdrojů umožňujících uskladnění elektrické energie a to jak úrovni vysokého, tak na úrovni nízkého napětí. Při zohlednění faktu, že přibližně 60 % konečné spotřeby energie v Německu je využito k vytápění a chlazení, lze očekávat růst významu akumulace elektrické energie ve formě tepelné energie. V následující tabulce jsou shrnuty současné a budoucí možnosti pro zajištění spolehlivé dodávky elektřiny v Německu.

Zdroj: IEA – Technology Roadmap: Energy Storage

Konkrétní hodnota budoucí potřeby instalovaného výkonu zdrojů akumulujících elektrickou energii je obtížně vyčíslitelná a závisí na mnoha faktorech (například vývoj podpory OZE, budoucnost paroplynových elektráren a další). Hrubé odhady hovoří o potřebě celkového instalovaného výkonu 15 – 30 GW v roce 2030. Pro rok 2050 je  potom odhad 30 – 45 GW.