Plovoucí větrné elektrárny: Ekonomická stránka projektů a provoz

Nové koncepty konstrukcí a technická proveditelnost plovoucích větrných elektráren nejsou jediným faktorem určující komerční úspěch technologie. Klíčová je také ekonomická proveditelnost a schopnost elektrárnu efektivně řídit tak, aby produkovala a dodávala dostatek elektrické energie po celou dobu své životnosti. Následující text navazuje na předešlý článek zabývající se technickým řešením plovoucích elektráren a představuje hlavní výzvy pro ekonomiku projektů a uvádění technologie na trh.

Technologie plovoucích větrných elektráren je stále v rané fázi svého vývoje,  proto má většina projektů daleko ke komerčnímu fungování na trhu. S novými konstrukcemi, budováním větších větrných farem a zaváděním sériové výroby plovoucích platforem se předpokládá významný pokles nákladů. Jedná se ale o předpovědi pro dlouhodobý horizont, které se s vysokou pravděpodobností začnou naplňovat až po roce 2030.

Stručný obraz o současné ekonomice nabízí porovnání s elektrárnami pevně ukotvenými k mořskému dnu. Ty jsou dnes již běžnou technologií a v posledních letech dochází k masivnímu růstu instalovaných objemů v globálním měřítku. Stejně jako v případě konvenčních projektů i u plovoucích větrných elektráren dominují počáteční náklady na samotnou turbínu společně s náklady na konstrukci. Dohromady tvoří u obou typů více jak 60 % kapitálových nákladů. V případě plovoucích elektráren je ale zapotřebí započítat ještě další položku – náklady na kotvení k mořskému dnu.

Naopak počáteční instalace a následné opravy zařízení jsou oblasti, kde plovoucí elektrárny mohou dosáhnout dle některých modelů až 50% úspory oproti konvenčnímu řešení. Jejich montáž je totiž možná již na pevnině bez potřeby speciálních konstrukčních lodí a v případě opravy vždy existuje možnost elektrárny jednoduše odpojit z kotevních lan a pomocí remorkérů přepravit na pevninu a zase zpět. V celkovém součtu se tudíž předpokládá, že počáteční investice bude u plovoucích elektráren téměř vždy vyšší. Na druhou stranu budou ale pravděpodobně projekty dosahovat úspor v provozních nákladech.

Dle Mezinárodnní agentury pro obnovitelnou energii (IRENA) a asociací sdružující výrobce a investory se v roce 2021 kapitálové náklady (CAPEX) pro pobřežní větrné elektrárny v Evropě pohybovaly od 1,5 milionu EUR do 3 milionů EUR na instalovaný megawatt (MW). Plovoucí větrné elektrárny na moři byly obecně dražší, s CAPEX v rozmezí 3 až 6 milionů EUR na instalovaný MW.

Rozdělení nákladů na typické projekty s pevným dnem a plovoucí větrné elektrárny na moři Zdroj: Energy Research Centre of the Netherlands

Náklady na integraci a zapojení projektu se liší u každého projektu

Při počítání kapitálových nákladů je důležité mít na paměti i stavbu nutné infrastruktury. V tomto případě ale odpověď není jednoznačná, jelikož nemusí vždy platit, že plovoucí elektrárny budou nutně budované dál od pevniny. Ve srovnání s elektrárnami s pevnými konstrukcemi je nicméně výstupní výkon plovoucích elektráren kolísavější, přerušovaný a nepravidelný, což způsobuje nepravidelné výkyvy výkonu a ohrožení sítě, pokud jsou elektrárny připojeny přímo. Proto současné návrhy často počítají s vhodným systémem skladování energie. Tato položka v celkovém součtu přidává na účet investora další nezanedbatelnou částku.

Elements of a floating Windfarm Zdroj: DNV

Objem vyrobené elektřiny může významně kolísat i v rámci hodin

Kromě nákladů na výstavbu a údržbu elektrárny značně zasahuje do ekonomiky také samotný provoz. Při tom existuje mnoho obtíží a výzev, které výrobu ovlivňují zcela zásadním způsobem. Vhodné lokality pro instalaci jsou mnohdy ve vodách s proměnlivým počasím, což se v důsledku odráží na povětrnostních podmínkách a rozbouřeností vodní hladiny. Volně plovoucí elektrárny jsou tak běžně vystaveny aktuálním aerodynamickým podmínkám a zároveň hydrodynamickým zatížením od proudů a vln.

Kromě zatížení působící na část elektrárny nad vodou musí provozovatelé kalkulovat i s vlivy působícími na kotvení a zbylou část konstrukce pod vodní hladinou, které v konečném důsledku neustále mění výškovou polohu i úhel sklonu elektrárny. Pokud se uváží všechny faktory je jasné, že provoz plovoucích elektráren se může při nepříznivém počasí značně zkomplikovat a prodražit.

S tím se dynamicky mění i celková doba provozu, a to se v konečném důsledku odráží na celkovém objemu vyrobené elektřiny. Například podle studie zpracované v roce 2017 průměrný čistý koeficient využití instalovaného výkonu (označován také jako kapacitní faktor), tedy doba provozu za životnost elektrárny již kalkulující například s pravidelným odstavením elektrárny pro účely oprav, dosahuje v případě plovoucí větrné elektrárny zhruba 42 %.

Pro srovnání, dle Mezinárodní energetické agentury (IEA) se koeficient využití instalovaného výkonu velkých elektráren na moři, bez ohledu na konstrukci, v průměru pohybuje mezi 40-50 %. To znamená, že celková produkce elektřiny větrných elektráren by měla být identická bez ohledu na podobu nosné konstrukce. Jak ale již bylo uvedeno výše, proměnlivost podmínek je klíčovým faktorem, který se může významně lišit podle lokality. Tudíž čísla nelze generalizovat na každý projekt.

Porovnání nákladů: Masivní rozvoj plovoucích elektráren se v blízké době neočekává

Otázkou zůstává, jaká je cena elektřiny vyrobená plovoucí větrnou elektrárnou. Velmi zjednodušeně se dá konstatovat, že sdružená cena vyrobené energie (LCOE) je řádově o desítky procent vyšší než v případě konvenčních řešení s pevnými základy. To lze přičítat zejména vyšší počáteční investici a komplikacím s řízením elektrárny.

Dle výsledků studie zpracované Národní laboratoří pro obnovitelnou energii v USA (NREL) se LCOE plovoucích větrných elektráren odhaduje mezi 50 až 168 EUR za megawatthodinu (53-179 USD/MWh), přičemž v případě většiny projektů lze očekávat LCOE spíše nad hranicí 122 EUR za megawatthodinu (130 USD/MWh).

K podobným výsledkům došla i další studie od výzkumníků z Evropy, dle níž se LCOE projektů současných plovoucích větrných elektráren pohybuje mezi 95 až 160 EUR/MWh. Velmi přitom záleží na umístění elektrárny. Jako výhodnější lokality v Evropě se z pohledu ekonomiky jeví dle studie oblasti v Severním moři, kde se průměrné LCOE projektů pohybuje zhruba na úrovni 125 EUR/MWh.

U projektů, které mají být uvedeny do provozu před rokem 2025, se očekává, že náklady zůstanou značně rozdílné a budou spojeny s vývojem regionálních trhů. Vzhledem k těmto výsledkům se momentálně vede debata o tom, kdy dojde k rozvoji plovoucích větrných parků ve větším měřítku. Do té zasahuje i poslední vývoj, který naznačuje, že pokles cen elektřiny z větrných elektráren na moři nemusí být tak výrazný, jak se v posledních letech odhadovalo.

LCOE
Referenční plovoucí pobřežní větrné elektrárny Zdroj: NREL

Vývoj konstrukcí, masová výroba a co dál

Z rešerše v tomto a předešlém článku zaměřeném na technické řešení vyplývá, že plovoucí elektrárna je z hlediska stability dodávaného výkonu poměrně nestabilní zdroj. Při jejím větším rozvoji a optimalizaci nákladů bude proto klíčovou roli hrát nejen vývoj konstrukcí a snižování nákladů, ale také schopnost, efektivně předpovídat výrobu, aby bylo možné určovat vhodné lokality pro instalace a elektrárna byla efektivně integrována do sítě.

Proto je dalším klíčovým faktorem úspěchu i simulace a detailní predikce větrného proudění a počasí. Firmy na trhu tak intenzivně vyvíjejí metody pro relevantní predikce, které se budou zpřesňovat s dalším rozvojem datové analýzy, strojového učení a umělé inteligence. Současně nejčastěji používané metody lze obecně rozdělit na metody fyzikální a umělé neuronové sítě.

• Fyzikální metoda pro střednědobé nebo dlouhodobé předpovědi – Fyzikální metoda se týká použití místních meteorologických a povrchových informací jako výchozích podmínek. Výpočty se následně zaměřují na matematické vztahy mezi rychlostí větrné turbíny a místními meteorologickými a povrchovými informacemi. Výstupní výkon je následně modelován z křivky výstupního výkonu větrné turbíny. Protože tato metoda v podstatě řeší systém diferenciálních rovnic pro získání výstupního výkonu, nevyžaduje historická data, ale pouze aktuální datové informace. Proces fyzikálního modelování této metody je však velmi složitý. Výpočty získané touto metodou také vykazují velkou míru chybnosti oproti skutečnému výstupnímu výkonu, což je připisováno dynamické proměnlivosti počasí a dalších vnějších podmínek. Fyzikální metoda se proto často používá pouze pro střednědobé nebo dlouhodobé předpovědi větrných elektráren, zejména při určování lokace větrných elektráren.
• Neuronové sítě pro krátkodobé predikce – Přístup umělé neuronové sítě má za cíl vyvinout nelineární a lineární vztah mezi rychlostí větru, směrem větru, teplotními údaji a výrobou energie. Předchozí historická data se používají jako tréninková data k definování potřebných statistických vztahů. Model umělé neuronové sítě se typicky skládá ze vstupní vrstvy, jedné nebo více skrytých vrstev a výstupní vrstvy. Každá vrstva se skládá ze zpracovatelských jednotek nazývaných neurony, které jsou propojeny určitými váhovými vztahy. Umělá neuronová síť postupně koriguje tyto váhové vztahy tím, že porovnává chyby v modelových predikcích a online měření výkonu prostřednictvím tréninkového procesu a kompenzuje chyby v systému. Poté neuronová síť předpovídá výkon větru z dat získaných z minulých a současných měření. Metody předpovědi větrné energie založené na umělých neuronových sítích lze relativně snadno a levně modelovat v porovnání s fyzikálními metodami. Neuronové sítě však obvykle vyžadují určitou dobu učení, aby bylo dosaženo požadované předpovědní přesnosti systému. Navíc je predikce obecně krátkodobá a přesnost predikce se snižuje s prodlužujícím se časem predikce.

Několik turbín v projektu větrné elektrárny na moři Horns Rev 2 společnosti Dong Energy poskytuje skutečnou lekci o účincích turbínových vln Zdroj: Bel Air Aviation

Ve srovnání s pozemními větrnými farmami jsou vodní větrné farmy více ovlivněny povětrnostními faktory. Důležitým aspektem dosažení maximálního výkonu a bezpečného a spolehlivého provozu je proto optimální přidělování činného výkonu každému bloku. Ve srovnání s větrnými elektrárnami na pevnině se větrné farmy na moři vyznačují vysokou hustotou a koncentrací jednotlivých elektráren, takže uvnitř větrné farmy je nízká stabilita větrného proudění.

Jednoduše řečeno, když mořský vítr fouká, rychlost a směr větru přijímaný větrnými turbínami v zadní řadě je ovlivněna turbínami v přední řadě. Když mořský vítr prochází několika pobřežními turbínami, rychlost a směr větru se mění ještě více a turbulence se mohou tvořit i uvnitř větrné farmy. To přidává pro operátory další faktor, na který musí brát ohledně při plánování provozu.