Vývoj výroby obnovitelné energie v ČR podle dat z roku 2019-2023 (Vensim)
Název: Vývoj výroby obnovitelné energie v ČR podle dat z roku 2019-2023
Typ modelu: Systémová dynamika
Modelovací nástroj: Vensim
Autor: Bc. Oriana Laštovičková, laso00
Definice problému:
Výroba elektřiny z obnovitelných zdrojů (OZE) v České republice v roce 2019 dosáhla 8 097 GWh. Největší část tvořila biomasa, následovaná vodními a fotovoltaickými elektrárnami. Tyto poměry významně ovlivňují jak energetickou bilanci, tak environmentální cíle. Cílem simulace je analyzovat, jak by se změnila celková výroba z OZE při různých, náhodných scénářích – například při nárůstu výkonu solárních elektráren, nebo poklesu vodní výroby kvůli suchu.
Moje simulace simuluje období 2019-2023 (včetně), kdy jsem musela změnit název z původního zadání 2024 a pozměnit i cíle projektu, který je velmi podobný původnímu. a to z důvodu chybějích dat pro rok 2024. Myslím, že pro samotnou simulaci, kde jsou zvolené roky bez významné změny pokrytí OZE elektráren v ČR, nehraje mínusový rok závažnou roli. Simulace funguje na modifikátorech různých proměnných ovlivňující výrobu. Například, INtenzitu slunečního záření, kapacity továren, nebo přibližné výkony elektráren. Tyto modifikátory a následně porovnávám odchylky s reálnými dostupnými daty. A druhá část je simulované období roku 2024 až 2027, kde daný multipikátor umožňuje sledovat imagrinární období pakliže, chceme kontrolovat specifické změny klimatu. Např. 20% větší sluneční svit, méně větru a jiné možné faktory.
Contents
Cíle projektu
Tato simulace modeluje výrobu elektrické energie z obnovitelných zdrojů (OZE) v České republice v letech 2019 až 2023 (včetně) , přičemž jejím cílem je analyzovat přínosy jednotlivých zdrojů – fotovoltaiky (FVE), větru, vody, biomasy a bioplynu – a porovnat výsledky s reálnými daty z těchto let. Zároveň umožňuje testování různých scénářů, například zvýšení kapacity FVE o 20 % (vynásobením proměnné „Kapacita FVE“), nastavení ideální efektivity FVE (např. pevně na hodnotu 1.1), nebo zavedení ideálních klimatických podmínek, jako je maximální hodnota síly svitu či větru. Podobně lze upravit i množství biomasy a bioplynu na jejich horní hranice, čímž se simuluje plné využití dostupných zdrojů. Tímto způsobem lze model přizpůsobit různým hypotetickým nebo budoucím podmínkám a využít ho k posouzení potenciálu rozvoje OZE, k identifikaci rozdílů mezi teoretickým výkonem a skutečnou výrobou a k podpoře strategického rozhodování v oblasti energetiky.
Metoda
Pro vytvoření modelu byl zvolen simulační nástroj Vensim, protože umožňuje efektivní vizualizaci a analýzu dynamických systémů s časovým vývojem, což je ideální pro modelování a simulaci proměnlivé výroby obnovitelné energie.
Model
Vytvořený model pro simulaci vývoje výroby obnovitelné energie v ČR můžeme vidět níže. Na obrázcích je znázorněna kauzální smyčka mezi proměnnými výroby z pěti hlavních zdrojů: vodní energie, větrná energie, biomasa, bioplyn a fotovoltaika (FVE).
První část 2019-2023
Proměnné modelu a popsání modelu
Energie OZE=Výroba větrem+Výroba FVE+Výroba vodou+Výroba z biomasy +Výroba z bioplynu
Pro demonstraci celkového OZE.
FVE
Výroba FVE= INTEG (roční výroba FVE, 2311.6) Celková hodnota za období, výstupní hodnota z roku 2019 v GWh
Instalovaný výkon fotovoltaické elektrárny (FVE) se udává v jednotkách watt-peak (Wp) nebo kilowatt-peak (kWp) a označuje maximální výkon, který je daná elektrárna schopna vyrobit za ideálních podmínek (plné sluneční záření, funkčnost panelu atd.). 1 kWp FVE v ideálních podmínkách vyrobí přibližně 1000 kWh
síla svitu=RANDOM UNIFORM ( 0.4, 0.6, 0)
Sezónní hodnoty (realistické vstupy pro model) Období Průměrný poměr přímého slunce (0–1 zatažno až přímé světlo) Léto 0,6 – 0,8 Jaro/podzim 0,3 – 0,5 Zima 0,1 – 0,3 Celoroční průměr ~0,4 – 0,6
Efektivita FVE=RANDOM UNIFORM ( 0.8 , 1.1, 0 ) Vyhodnocení jestli jsou fotovoltaiky v pořádku, nějaké znehodnocení prach, špína, teplota a mnoho dalších faktorů znehodnocují efektivitu některých panelů. Průměrně můžeme odhadnout efektivitu panelů. Hranice můžou někdy překročit 100% efektivity panelu, při velmi optimálních podmínkách.
Kapacita FVE=4430 Celkový instalovaný výkon všech FVE v ČR je 4430 MWp. ( 4 430 000 Mwp ročně je 4430 GWp)
Výroba větrem
Výroba větrem= INTEG (roční výroba větrem,700) Celková hodnota za období, výstupní hodnota z roku 2019 v GWh
maximální výroba větrem=2978 V České republice je instalovaný výkon větrných elektráren celkem 340 MW v roce 2019. Pokud uvažujeme ideální stav, kdy „fouká pořád“ – tedy plný výkon (340 MW) je dostupný 24/7 po celý rok, pak můžeme říct, že Za ideálního stavu, kdy větrné elektrárny v ČR běží celý rok nonstop na plný výkon, by vyrobily cca 2 978 GWh za rok.
síla větru=RANDOM UNIFORM ( 0.2 , 0.25, 0 )
To však není případem. V této proměnné odhaduji rychlost větru z dat a efektivnost turbíny.
1 = ideální stav, celý rok fouká tak(11–13 m/s), že turbína jede pořád na maximum (neexistuje v praxi)
0 = nefouká vůbec, žádná výroba.
V České republice je velmi nízký kapacitní faktor větrných elektráren (hlavně kvůli nevhodné geografii a stabilitě větru). Průměrný kapacitní faktor větrných elektráren v ČR je cca 0,20–0,25 (tzn. 20–25 % roku fouká dostatečně pro významnou výrobu). Období Poměr výkonu (0–1) Zima(12–2): 0,25 – 0,35 Nejvíce fouká Jaro (3–5): 0,20 – 0,28 Relativně větrné Léto (6–8): 0,10 – 0,18 Nejnižší větrnost Podzim (9–11): 0,22 – 0,3 Celoroční průměr: ~0,20–0,25
Výroba vodou
Výroba vodou= INTEG (roční výroba vodou, 2008) Celková hodnota za období, výstupní hodnota z roku 2019 v GWh V České republice je v provozu více než 1600 malých vodních elektráren (MVE) a 9 velkých vodních elektráren (nad 10 MW). Celkový instalovaný výkon vodních elektráren (včetně přečerpávacích) byl v roce 2019 přes 2264 MW.
maximální výroba vodou=19832.6 Tento údaj udává maximální možný výkon, který mohou elektrárny dodat do sítě. Nerealisticky by přepočet byl následující: Výroba za rok(GWh)= Instalovaný výkon(MW)×Počet hodin za rok ÷1000 =2264×8760÷1000= 19 832.6 GWh. Vodní elektrárny jsou však závislé na: Průtoku vody (řeky, přehrady), sezónnosti (jaro: tání, léto: sucho, podzim: deště,zima: minimum) a technickém využití vody (např. u přečerpávaček jen když je potřeba vyrovnávat síť).
Reálný kapacitní faktor vodních elektráren je podle údajů z ČR: Malé vodní elektrárny 0,25 – 0,35 Velké přehradní elektrárny 0,35 – 0,45 Přečerpávací elektrárny 0,05 – 0,15 (pracují nárazově)
Průměrný poměr dostupnosti vody=RANDOM UNIFORM ( 0.10, 0.12, 0 ) Pokud skutečná výroba z vodních elektráren (včetně přečerpávacích) byla v roce 2019 = 2 008 GWh, v roce 2023 = 2063 GWh, (pro další údaj na odhad s největším ročním množstvím energie za rok) a instalovaný výkon byl 2 264 MW, pak můžeme odhadnout kapacitní výkon následovně:
KF = 2008/19832,6 = 0.1012 (2019) KF = 2363/19832,6 = 0,1191 (2023)
Reálný kapacitní faktor vodních elektráren v ČR v roce 2019 byl přibližně 0,10 ( v průměru běžely na 10,1 % svého maximálního výkonu). A pro rok 2023 (se stejným instalovaným výkonem) 0,12. Tento faktor využiju i pro další roky simulace. Průměrný poměr dostupnosti vody za rok = ~0,10–0,12 Technicky vzato voda je obvykle dostupná mnohem víc, jen není ve správné formě/čase/objemu, nebo je elektrárna řízena odlišně (např. přečerpávací režim, ochrana životního prostředí), v této simulaci počítáme s těmito omezujícími faktory. =
Výroba biomasou
Výroba z biomasy= INTEG (roční výroba biomasou,1549.7) Celková hodnota za období, výstupní hodnota z roku 2019 v GWh Biomasa se využívá jako palivo v kotlích pro výrobu elektřiny. Při jejím spalování však nevzniká pouze elektřina, často se biomasa používá v kogeneračních systémech, kde se zároveň vyrábí elektřina i teplo.
maximální výroba z biomasy=13575.4 Protože neexistují údaje, které by přesně definovaly maximální možnou vyrobenou energii z biomasy, budeme tuto hodnotu odhadovat z dat a podle nerealistického stavu, kdyby elektrárny pracovaly nepřetržitě. Výroba za rok(GWh)= výkon(MW)×Počet hodin za rok ÷1000 =1549,7×8760= 13575,4 GWh Dostupnost biomasy závisí na množství a druzích dostupných zemědělských a lesních surovin, sezónnosti sklizně, logistice, ekonomických podmínkách a konkurenci v jejím využití.Dostupnost biomasy v ČR ovlivňují sezónní sklizňové cykly, přírodní podmínky jako sucha či povodně, ekonomické faktory a tržní konkurence, regulační omezení udržitelného hospodaření a kapacity logistiky i skladování.
možství biomasy=RANDOM UNIFORM ( 0.1, 0.2, 0 ) Minimální a maximální hranice pro simulaci dostupnosti biomasy bylo odhadnuto jako u předchozích OZE, 0,1-0,2.
Výroba bioplynem
Bioplyn je obnovitelný zdroj energie získávaný anaerobní fermentací organických materiálů, jako jsou zemědělské odpady, kejda, potravinové zbytky či biologický odpad z čistírenských procesů. Bioplyn se využívá k výrobě elektřiny, tepla nebo jako palivo po jeho vyčištění a přeměně na biometan.
Výroba z bioplynu= INTEG (roční výroba bioplynem,1528.1) Celková hodnota za období, výstupní hodnota z roku 2019 v GWh
maximální výroba bioplynem=3504 Protože neexistují přesné údaje o maximální možné výrobě elektřiny z bioplynu, odhadneme tuto hodnotu z instalovaného výkonu a předpokladu nepřetržitého provozu. Pokud by bioplynové elektrárny pracovaly nepřetržitě na plný výkon, například při instalovaném výkonu 400 MW, byla by maximální roční výroba: 400×8760÷1000= 3 504 GWh
množství bioplynu=RANDOM UNIFORM ( 0.4, 0.9, 0 ) Dostupnost bioplynu závisí na množství a druzích organických surovin vhodných k fermentaci, sezónnosti produkce substrátů, provozní kapacitě bioplynových zařízení, ekonomických podmínkách, legislativních opatřeních a konkurenci v jejich využití. Realistická omezení dostupnosti bioplynu v ČR zahrnují: Sezónní výkyvy dostupnosti surovin, technická a provozní omezení bioplynových zařízení, ekonomické faktory a legislativní regulace,konkurenci o substráty a logistická omezení. Pro simulaci dostupnosti bioplynu lze uvažovat poměrnou efektivitu v rozmezí 0,4 až 0,9 podle dat co máme k dispozici, kde 1 znamená ideální stav nepřetržitého provozu na maximální výkon a 0 znamená úplnou nedostupnost surovin či provozu
Výsledky simulace
Simulace kazuje ve srovnání s reálnými daty určité odchylky. Největší rozdíl byl zaznamenán u výroby z biomas, kde v simulaci se výsledná hodnota lišila o 3777 GWh (průměrně o 755,6 GWh ročně). U větrné energie byla simulace poměrně přesná, s rozdílem pouze -28,5 GWh celkem (průměrně -5,7 GWh ročně). Výroba z vodních elektráren byla simulací nadhodnocena o 621,4 GWh (roční průměr o 124,3 GWh). V případě biomasy byla simulace výrazně nižší než skutečnost, s rozdílem 3 777,8 GWh (755,6 GWh ročně). Podobně byla podhodnocena i výroba z bioplynu o 1 171,1 GWh (234,2 GWh ročně). Celkově simulace podhodnocuje výrobu energie z většiny zdrojů, s výjimkou vody, a to nejvíce u biomasy a FVE, což může ukazovat na nutnost úpravy vstupních parametrů simulace či zohlednění větší variability v reálných provozních podmínkách.
Závěr
Simulace poskytuje flexibilní nástroj pro analýzu výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů nejen pro období 2020–2024 ale je měnitelná v proměnných pro další scénáře do dalších let. Umožňuje porovnání simulovaných dat s reálným vývojem z tohoto období pro další závěry. Na základě modelu lze sledovat vliv klíčových faktorů, jako jsou účinnost technologií, kapacity zdrojů nebo klimatické podmínky, na celkovou produkci energie. Zároveň umožňuje testovat hypotetické scénáře, například zvýšení výkonu FVE, ideální sluneční podmínky nebo vyšší dostupnost biomasy. Výsledky ukazují, že i relativně malé změny vstupních proměnných mohou výrazně ovlivnit celkový energetický výstup. Simulace tak ukazuje nejen potenciál jednotlivých obnovitelných zdrojů, ale i citlivost systému na změny, což může být klíčové pro efektivní plánování a optimalizaci energetické politiky.
Zdroje a data
Bilance elektrické energie – Český statistický úřad ([32](https://csu.gov.cz/energetika)) Obnovitelné zdroje energie – Výsledky statistického zjišťování- dokumenty za roky 2019–2024 – Ministerstvo průmyslu a obchodu ČR ([33](https://mpo.gov.cz)) Roční zpráva o provozu elektrizační soustavy ČR – Energetický regulační úřad ([34](https://eru.gov.cz)) Share of energy consumption from renewable sources in Europe – Evropská agentura pro životní prostředí ([35](https://www.eea.europa.eu/en/analysis)) https://mpo.gov.cz/cz/rozcestnik/pro-media/tiskove-zpravy/pocet-pripojenych-zdroju-do-elektrizacni-soustavy-se-loni-zvysil-o-ctvrtinu--celkovy-instalovany-vykon-v-cr-vzrostl-o-temelinsky-blok--285522/ https://komoraoze.cz/v-cesku-jich-jsou-stovky-ale-stavet-nove-se-dari-jen-velmi-obtizne-male-vodni-elektrarny/#:~:text=Pokr%C3%BDvaj%C3%AD%20spot%C5%99ebu%20Karlovarsk%C3%A9ho%20kraje%2C%20ale%20nep%C5%99ib%C3%BDvaj%C3%AD%20Mal%C3%BDch,v%20%C4%8Cesku%20v%20provozu%20t%C3%A9m%C4%9B%C5%99%201%20400. https://czbiom.cz/wp-content/uploads/casopis_Biom_2021_01_WEB.pdf
