Nacionalni podnebno energetski načrt po letu 2033, ki je zadnji rok za zaprtje Termoelektrarne Šoštanj, v grobem predvideva dva scenarija. Prvi, ki se vse bolj utrjuje, je kombinacija obnovljivih virov energije (OVE) in jedrske energije. Drugi scenarij pa predvideva intenzivno izrabo OVE. Pri čemer številni energetiki, predvsem v okviru razprav o morebitni izgradnji JEK-a 2, opozarjajo, da so obnovljivi viri za zdaj preveč nezanesljivi, da bi se pri oskrbi z elektriko lahko zanašali le nanje. Je stoodstotna odvisnost le od obnovljivih virov energije sploh možna?

"Glavni težavi pri obnovljivih virih sta negotovost in spremenljivost," odgovarja profesor na ljubljanski Fakulteti za elektrotehniko Andrej Gubina. A hkrati doda: "Negotovost rešujemo z napovedovanjem, spremenljivost pa s hranilniki." Gubina je tudi direktor Inovacijsko-razvojnega inštituta Univerze v Ljubljani, ki je v mednarodnem konzorciju pod vodstvom nemškega možganskega trusta Agora Energiewende preverjal, kako bi Slovenijo napajali le z električno energijo, ki bi jo pridobili iz obnovljivih virov. Pred slabim letom dni so tako na Fakulteti za elektrotehniko predstavili rezultate projektov GEXIT in REPowerEU, ki sta preverjala možnosti za zmanjšanje odvisnosti Slovenije od ruskega plina in hkrati njeno usmeritev k podnebni nevtralnosti, pri čemer sta upoštevala izklop TEŠ-a po letu 2033, a tudi končanje obratovanja JEK-a po letu 2040 brez izgradnje drugega bloka.

S pomočjo francoskega podjetja Artelys, specializiranega za optimizacijo in modeliranje, so v sklopu omenjenih projektov pripravili več modelov. Postopno uvajanje OVE so razdelili na petletna obdobja. Eden od modelov predvideva proizvodno zmogljivost električne energije iz OVE-ja v Sloveniji do leta 2050, drugi pa dejansko možnost proizvodnje električne energije s prehodom na izključno obnovljive vire.

Scenarij 100-odstotne preskrbe Slovenije z OVE temelji na sončni energiji

Naše potrebe po električni energiji močno nihajo, drugačne so poleti kot pozimi in drugačne podnevi kot ponoči. Ker je proizvodnja OVE-elektrarn negotova in spremenljiva, ne moremo pričakovati, da bodo vsako uro v letu proizvajale s svojo največjo (nazivno) močjo. Povedano drugače, proizvodna zmogljivost vetrnih in sončnih elektrarn nam v dneh brez vetra in sonca ne pomaga kaj dosti. Nazivna proizvodna zmogljivost posamezne elektrarne tako še ne pomeni tudi njene realne sposobnosti proizvodnje električne energije, kar še posebej velja za OVE-elektrarne.

A poglejmo najprej scenarij proizvodnih zmogljivosti v letu 2050, ki temelji zgolj na obnovljivih virih. Prevladujeta sončna in vetrna energija. Sončna energija predstavlja 68 odstotkov inštalirane zmogljivosti, vetrna pa 17 odstotkov, skupno 85 odstotkov vseh proizvodnih zmogljivosti. Preostanek inštaliranih zmogljivosti predstavljajo hidroelektrarne.

Medtem bi dejansko proizvodnjo električne energije leta 2050 v 40 odstotkih zagotavljale sončne elektrarne, 36 odstotkov hidroelektrarne in preostalo veter.

A pot do tja bi bila postopna in bi zahtevala različne vmesne faze. "Privzeli smo, da je skladno z vladnim načrtom treba premog in lignit ukiniti do leta 2033. Zaradi trenutnih razmer in cen plina, ki naj bi ostale višje, kot so bile v zadnjih desetih letih, se od leta 2030 zmogljivosti na plin postopoma ukinjajo, nadomeščajo jih zmogljivosti na sežiganje odpadkov in trdo biomaso. Proizvodnja iz fosilnih goriv pa se nadomešča z obnovljivimi viri: vetrna, sončna, vodna energija, biomasa in obnovljivi vodik bi do leta 2030 predstavljali 62 odstotkov celotne oskrbe z elektriko. Do leta 2040 pa 100 odstotkov v primerjavi z letom 2018, ko je bil ta delež večinoma na račun hidroenergije 33-odstoten," pojasnjuje Gubina.

Kako regulirati nihanja v proizvodnji?

Trenutno se v pomembnem deležu zanašamo na pasovno, stabilno proizvodnjo elektrike iz Nuklearne elektrarne Krško. Popolnoma drugače je pri vetrnih in sončnih elektrarnah, predvsem pri zadnjih proizvodnja močno niha. Poleti v osončenem delu dneva proizvajajo velike količine elektrike, pozimi, ko so dnevi krajši in hladnejši, potrebe po elektriki visoke, pa malo. Za pokrivanje obremenitve čez dan poleg neenakomerne proizvodnje iz sončnih elektrarn in pasovne proizvodnje jedrske elektrarne za zdaj še vedno uporabljamo fosilna goriva oziroma premog, ki ga postopoma zamenjuje zemeljski plin. A ker je tudi plin fosilno gorivo in je njegova dobava zaradi negotovih geopolitičnih razmer negotova in draga, bi ga po projekciji študije zamenjala proizvodnja elektrike iz hidroelektrarn, ki bi torej poskrbele za izravnavo odstopanj med proizvodnjo in porabo zaradi nepredvidljivosti sonca in vetra.

"Proizvodnja elektrike iz hidroelektrarn bi do leta 2045 nadomestila zemeljski plin kot dispečersko tehnologijo. Gre za tehnologijo, s katero reguliramo nihanja proizvodnje zaradi drugih obnovljivih virov. Do leta 2050 bi tako HE predstavljala približno 36 odstotkov celotne proizvodnje. Zelo pomembne pri tem so črpalne hidroelektrarne," pojasni Gubina. Črpalne hidroelektrarne se namreč lahko uporabljajo za shranjevanje energije, in sicer v obdobju presežkov električne energije črpajo vodo iz nižjega v višji rezervoar, pri čemer porabljajo energijo. Ko pa se pojavi potreba po elektriki, voda teče iz višjega v nižji rezervoar in proizvaja elektriko. Trenutno imamo v Sloveniji le črpalno hidroelektrarno Avče z instalirano močjo 180 MW. V gradnji pa je še črpalna HE Kozjak z nazivno močjo dvakrat po 440 MW.

Tveganje za stabilnost elektroenergetskega sistema

Na vprašanje, kako odgovarja na pogosto izražene dvome, da je povečevanje OVE preveč tvegano za ohranjanje stabilnosti elektroenergetskega sistema, Andrej Gubina odgovarja: "To je izvedljivo, sistem bo ostal stabilen." Potrebovali pa bomo več sistemskih storitev in rezerv, da bi v omrežju lahko ohranjali frekvenco in napetost. "Nam, inženirjem, se intuitivno zastavlja vprašanje, kako bosta lahko fotovoltaika ali vetrna elektrarna nudili rezervo moči za regulacijo frekvence. A odgovor na to vprašanje že poznamo. Pokazalo se je, da sončne in vetrne elektrarne to zmorejo." Vetrne elektrarne lahko zagotavljajo hitro rezervo (ang. FFR, Fast Frequency Reserve), ki se aktivira v eni sekundi in podobno stabilizira sistem kot inercija rotirajočih sinhronskih generatorjev termo- in hidroelektrarn. Še hitrejši je lahko odziv sončnih elektrarn kot tudi baterijskih hranilnikov, ki so na omrežje priključeni s pomočjo novih pretvornikov z nastavljivo frekvenco (ang. Grid Forming Inverters), ki se na motnje v frekvenci odzovejo v nekaj milisekundah, prav kot sinhronski generatorji, pojasni Gubina. "Predvsem pa je pomembno boljše napovedovanje tako vetra kot tudi sončnega obsevanja na mikrolokacijah. To zmorejo sodobni vse zmogljivejši sistemi napovedovanja, ki uporabljajo tudi umetno inteligenco."

Gubina navede primer Irske. "Irski operater Eirgrid načrtuje obratovanje s 95 odstotki OVE, pri čemer je Irska otok in ni del evropske interkonekcije". Evropska interkonekcija, nad katero bedi evropska organizacija sistemskih operaterjev v Evropi ENTSO-E, je sicer največje sinhrono električno omrežje na svetu, ki se razteza od Portugalske do Ukrajine in od Norveške do Turčije. Vanjo je vključena tudi Slovenija, kar pomeni, da si lahko v primeru pomanjkanja električne energije pomaga s pretokom elektrike iz drugih držav interkonekcije. Za Irsko je to precej težje, saj je povezana samo z Veliko Britanijo s tremi enosmernimi povezavami, ki so za zagotavljanje stabilnosti precej manj uporabne. Po njih se namreč elektrika lahko pretaka le ob poprejšnji napovedi in ne vselej, ko bi sicer to zahtevali fizikalni zakoni, ki uravnavajo frekvenco v sistemu. "Evropska organizacija sistemskih operaterjev v Evropi ENTSO-E aktivno izvaja več projektov, s katerimi zagotavlja skupne sistemske storitve na več ravneh. Države evropske interkonekcije si med seboj lahko pomagajo, kar je zelo pomembno. Nekoč je bilo namreč važno predvsem, da vsaka država poskrbi zase, tako glede zagotavljanja pokrivanja porabe s proizvodnjo kot tudi glede rezerve."

Hkrati pa Gubina opozarja, da smo pri odločitvah glede izgradnje proizvodnih zmogljivosti – torej novih elektrarn – izpostavljeni tržnim in cenovnim tveganjem. Odločitev za srednjeročni ali dolgoročni uvoz ali izvoz elektrike iz tujine pomeni, da prodajamo elektriko ali jo kupujemo po ceni, kakršna je v tistem trenutku na trgu. Kakšne bodo cene elektrike čez nekaj let, pa zelo težko predvidimo. "Tega nihče ne ve, saj trgi za več kot pet let vnaprej še niso postavljeni. Tveganja zato zelo težko ovrednotimo. Vemo pa, da bo čez 20 let obnovljivih virov na pretek, medtem ko so cene tehnologij shranjevanja kljub hitremu razvoju še negotove."

Prožnost in shranjevanje

Pri prehodu na OVE je treba upoštevati tudi t. i. prožnost, ki opisuje sposobnost prilagajanja porabe ali proizvodnje trenutnim razmeram. Trenutno naš elektroenergetski sistem deluje tako, da proizvodnjo vodljivih proizvodnih virov prilagajamo porabi. Tak odnos do elektrike bomo morali v prihodnosti nekoliko spremeniti in tudi porabo začeti v večjem obsegu prilagajati proizvodnji, meni Gubina. "Trenutno porabi pustimo, da dela, kar hoče. Nimamo omejitev, kdaj lahko prižgemo luč, elektromotor ali savno. Elektroenergetski sistem se mora temu prilagajati, kar pomeni, da elektrarne porabi prilagodijo svojo proizvodnjo," opozarja. Kot smo omenili zgoraj, trenutno prožnost sistema zagotavljajo konvencionalne elektrarne s sinhronskimi generatorji, kot so termoelektrarne na fosilna goriva, na biomaso ter hidroelektrarne, katerih proizvodnjo po potrebi dokaj hitro povečamo ali zmanjšamo.

Uvajanje prožnosti pomeni, da s pomočjo pametnih števcev in drugih pametnih orodij reguliramo tudi porabo. Prilagajamo jo cenam na trgu z električno energijo, ki hkrati odslikavajo razpoložljivo količino energije v določenem trenutku. Cena elektrike je nižja, kadar je na primer zaradi močne osončenosti na voljo veliko elektrike. Kadar pa je npr. katera od elektrarn v remontu, je elektrike na trgu v tistem času manj in je zato dražja. "Če temu prilagodimo našo porabo, govorimo o prožnosti odjema oziroma porabe," pojasnjuje Gubina.

Na drugi strani pa prožnost zagotavljajo tehnologije shranjevanja elektrike. Črpalne hidroelektrarne bi pozimi lahko manko električne energije nadomeščale teden ali dva, morda kakšen mesec, ne morejo pa energije zagotavljati za dalj časa, ker je toliko ne morejo shraniti. Omenjena trenutno edina delujoča 180-megavatna črpalna elektrarna Avče na primer lahko proizvaja elektriko s polno močjo največ 15 ur. Tukaj vstopi v igro vodik. "Če hočemo energijo shraniti za več kot le nekaj ur ali dni, jo moramo "pretvoriti" v molekule. Na primer v vodik in iz njega v stabilnejša sintetični plin in amonijak," doda Gubina. Slovenija trenutno porablja "sivi" vodik, pridobljen iz zemeljskega plina, le v industrijskih procesih, in še to relativno malo. Študija predvideva, da bi do leta 2030 povpraševanje po vodiku za energetsko rabo doseglo okoli 40 gigavatnih ur na leto, nato pa bi se do leta 2050 početverilo. Pri čemer bi glede na projekcijo Slovenija vodik večinoma uvažala iz drugih držav članic. Še vedno pa velja prvo pravilo, da se z zelenim vodikom iz OVE najprej nadomesti sivi vodik iz fosilnih goriv v industrijskih procesih.

Shranjevanje elektrike omogočajo tudi večje baterije, ki se odzivajo zelo hitro, imajo pa omejene zmogljivosti shranjevanja in jih zato uporabljamo za shranjevanje predvsem znotraj dneva in ne na daljša časovna obdobja. "Poleti imamo vedno več energije iz sonca, a problem je, kako jo prenesti v zimo," pojasnjuje Gubina. Zato so v študiji ločili sezonsko prožnost in kratkoročno, znotrajdnevno prožnost.

Pri zagotavljanju kratkoročne prožnosti znotraj dneva bi pomembno vlogo odigrale baterije električnih avtomobilov, ki bi jih polnili v tistih delih dneva, ko bo na voljo največ elektrike, nato pa bi jih lahko uporabljali kot vir energije na primer zvečer v času večerne konice. "S tem bi lahko pokrili okoli 20 odstotkov potreb znotraj dneva."

Študija sicer predvideva tudi povečanje skupne porabe električne energije za 65 odstotkov v letu 2050 glede na leto 2018, predvsem zaradi elektrifikacije prometa. Medtem ko naj bi povpraševanje po električni energiji v stavbah kljub elektrifikaciji ogrevanja (toplotne črpalke) zaradi ukrepov za zagotavljanje energetske učinkovitosti ostalo razmeroma stabilno.

Sodelovanje

Poleg prožnosti bo v prihodnje pomembno tudi sodelovanje med uporabniki. Gubina meni, da bomo morali v prihodnje, poleg individualnega postavljanja sončnih elektrarn na strehah, ki zahtevajo od posameznega gospodinjstva relativno visoko investicijo, v prihodnje razmišljati predvsem o energetskih skupnostih. Na ta način bomo reševali preobremenjenost omrežja, hkrati pa se bodo iz obnovljivih virov energije lahko napajala tudi socialno šibkejša gospodinjstva, ki si ne morejo privoščiti investicije v svoje sončne elektrarne, in tista, ki je iz različnih tehničnih razlogov ne morejo izvesti.

"Ni treba, da vsak zase postavi in kupi sončno elektrarno in baterijo. To lahko udejanjimo tudi skozi energetske skupnosti. Gospodinjstva so do zdaj fotovoltaiko postavljala ad hoc, kjer koli se je le dalo. Denar za to ni prišel le s strani davkoplačevalcev prek subvencij, temveč tudi od investitorjev, saj je vsak posameznik soinvestiral v sončno elektrarno. Zdaj pa moramo razmisliti, kako omogočiti tudi drugim ljudem, ki do zdaj še niso mogli postaviti fotovoltaike, sodelovanje v zelenem prehodu in priključitev na omejeno distribucijsko omrežje. Samo z novimi sodelovalnimi poslovnimi modeli bomo lahko ta izziv prešli in nadaljevali razvoj." Gubina ob tem doda, da je dojemanje porabe električne energije drugačno, če imamo v državi eno ali dve veliki elektrarni, ali pa na tisoče manjših proizvodnih obratov. "V tem primeru so lastniki ljudje, ki na demokratičen način postanejo vključeni v proizvodnjo in posledično razmišljajo tudi o porabi, drugače so opolnomočeni in ozaveščeni, kot če ne razmišljajo o tem in zgolj plačujejo račun za elektriko."

Kaj z jedrsko energijo?

"V privzetkih študije se v scenariju razvoja OVE zaradi stroškovne optimizacije jedrska energija po letu 2040 postopoma ukinja. Želeli smo videti, kaj to pomeni za Slovenijo," pojasnjuje Gubina. Toda ali ne bi bilo za Slovenijo lagodneje, če bi imela po končanju obratovanja TEŠ-a in JEK-a vsaj en velik, močan energetski objekt s stabilno proizvodnjo? "Ja, idealno bi bilo, da imamo doma močan energetski objekt. A na položaj moramo pogledati tudi regionalno, saj je Slovenija močno vpeta v evropsko omrežje in evropski trg. Težava se pojavi, če je pri nas in v naši okolici zgrajenih zelo veliko obnovljivih virov energije, ki imajo ničelne obratovalne stroške ter v času, ko obratujejo, ustvarjajo viške energije, s katerimi nimamo kam. V času, ko teh viškov energije nihče ne potrebuje, je cena elektrike lahko tudi negativna. Letos smo imeli na našem trgu že do konca pomladi več ur z negativno ceno elektrike kot lani v celem letu. Ko je cena negativna, mora generator plačevati, da lahko proizvaja elektriko. Če zgradimo novo veliko elektrarno, ki bo proizvajala elektriko v pasu, pomeni, da bo morala obratovati ves čas. In ko bodo cene elektrike na trgu negativne, ne bo dobila plačila, pač pa bo morala sama celo plačevati za obratovanje. Vseeno tveganje negativnih cen v primerjavi s spremenljivimi in negotovimi obnovljivimi viri energije lažje obvladuje velika elektrarna, kot je npr. JEK 2. Ker je njena proizvodnja predvidljiva, lahko svoja cenovna tveganja varuje z nakupom terminskih pogodb na terminskih trgih. Na ta način se izogne tveganju negativnih cen. Po drugi strani pa spremenljivi OVE, ki nimajo predvidljive proizvodnje, te ne morejo varovati na enak način in so zato bistveno bolj izpostavljeni tveganjem negativnih cen." opozarja Gubina.

Scenarij izključno OVE je možen, a zahteva veliko prilagajanj

Na vprašanje, ali bi bila stoodstotna preskrba z OVE realno izvedljiva, Gubina odgovarja: "Če pogledamo rezultate pričujoče študije, za katero smo na Inovacijsko-razvojnem inštitutu uporabili podatke, ki so bili v danem trenutku na voljo, je ta scenarij možen, a z zelo močnimi privzetki, ki bodo zahtevali zelo veliko prilagajanj. Vprašanje je zelo zapleteno, saj zahteva spremembe našega načina življenja – prilagajanje načina porabe elektrike, spremembe pri obračunavanju omrežnine, povečana uporaba javnega prevoza in drugačno ogrevanje. Preprostega odgovora ni."

Med tveganji na strani obnovljivih virov Gubina za konec omeni tudi ozaveščenost ljudi. "Nam bodo lanske poplave in suša leto prej povod za to, da bomo začeli bolje sodelovati in razumeti, čemu se moramo odpovedati, da lahko ohranimo način življenja, kot ga poznamo? Zelo pomembno je, da razumemo, da bomo morali svoj način življenja prilagoditi in sodelovati tudi s tistimi sosedi, ki nam morda niso všeč, saj so pač naši sosedje in lahko samo v sodelovanju z njimi izkoristimo domače omrežje in vire, ki jih imamo. Porabiti bomo morali manj energije, se ogrevati in premikati drugače. Vse to spada zraven."