Využití energie vodního spádu
Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokie lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.

5. Využití energie vodního spádu

Autor: Jiří Škorpík, skorpik.jiri@email.cz

Historie využívání vodního spádu sahá hluboko do minulosti díky vodním kolům, nicméně dnešním technologiím ve vodní energetice dominují vodní turbíny. Historie vodních turbín už není tak dlouhá, ale o to je dynamičtější. K využití vodního spádu je potřeba nejen samotné turbosoustrojí s vodní turbínou a generátorem, ale většinou i přehradní nádrž (někdy dvě a více nádrží). Veškerá tato zařízení a stavby jsou součástí vodního díla. Vodní díla téměř vždy plní i jiné úkoly než energetické, mají vliv na okolní krajinu a často se využívají k regulaci toku, splavnění toku, mívají i vodárenské úkoly a pod.:

Vodní dílo Vranov.
1.1104 Vodní dílo Vranov.
Postaveno v roce 1934, instalovaný výkon 3x5,4 MW (Francisovy turbíny) při průtoku 3x15 m3·s-1, průměrný průtok 9,87 m3·s-1. Přehrada slouží k výrobě elektřiny, vodárenským účelům a k rekreaci. Foto [1].

Potenciální energie vodního spádu

Vodní elektrárny využívají rozdílu potenciální energie mezi hladinou horní nádrže a spodní nádrže (odtok). Tato energie se transformuje v turbíně podle Bernoulliho rovnice na práci ve formě otáčejícího se hřídele turbíny:

● 1 ●
● 5. Využití energie vodního spádu ●
Přibližný výkon vodní elektrárny
2.222 Přibližný výkon vodní elektrárny.
V [m3·s-1] průtok; h [m] spád; ρ [kg·m-3] hustota vody; g [m·s-1] gravitační zrychlení; T umístění turbíny. Uvedený vzorec popisuje ideální výkon vodní elektrárny tj beze ztrát, podrobnější popis je uveden v kapitole 13. Energetická bilance vodní turbíny.
Vypočítejte přibližný výkon vodní elektrárny. Průtok vody turbínou je 46 m3·s-1, převýšení vodních hladin 136 m. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 1028.
Úloha 1.1028

Základní typy vodních elektráren

Existují tři základní typy vodních elektráren odlišující se od sebe v rámci jejich funkce v přenosové soustavě elektřiny. Jedná se o vodní elektrárny akumulační, průtočné a přečerpávací.

Součástí vodního díla s akumulační elektrárnou je objemná vodní nádrž (tento typ elektráren je obvykle velmi náročný na délku spádu). Tento typ elektrárny se spouští v případech nedostatku el. energie v přenosové soustavě. Spouští se po určitou část dne na průtok větší než střední, a zbytek dne se nádrž postupně opět dopouští:

Akumulační vodní elektrárna Orlík (Vltava). 3.1106 Akumulační vodní elektrárna Orlík (Vltava).
Instalovaný výkon 4x91 MW, Kaplanovy turbíny pro spád 70,5 m, Výška hráze 91,5 m. Foto: [2].

Vodní díla s průtočnou elektrárnou mají mnohem menší nádrž než akumulační elektrárny. Jedná se o elektrárny s malým spádem, ale stálým průtokem (v provozu i celý den):

● 2 ●
● 5. Využití energie vodního spádu ●
Akumulační vodní elektrárna Orlík (Vltava). 4.1107 Průtočná vodní elektrárna Lipno II (Vltava).
Instalovaný výkon 1x1,5 MW, Kaplanovy turbíny pro spád 4 až 10 m, výška hráze 11,5 m. Nádrž vodního díla Lipno II slouží k vyrovnání průtoku z vodního díla Lipno I, které se nachází o  několik kilometrů výše proti proudu Vltavy. Foto: [2].

Přečerpávací elektrárny mají podobnou funkci jako akumulační elektrárny, doplněnou o možnost "uskladňovat elektrickou energii" čerpáním vody zpět do nádrže. Tyto elektrárny jsou součásti vodního díla minimálně se dvěma nádržemi. V době přebytku el. energie pracuje elektrárna v čerpadlovém režimu (vnitřní účinnost cca 90 %), ve kterém čerpá vodu z dolní nádrže do nádrže horní a tím spotřebovává elektřinu. V době velké poptávky po elektřině pracuje elektrárna v turbínovém režimu (vnitřní účinnost cca 95 %), kdy voda z vrchní nádrže je přepouštěna přes turbínu do dolní nádrže. Přečerpávací elektrárny jsou vybaveny turbínami (pro turbínový provoz) i čerpadly (pro čerpadlový provoz) nebo speciální reverzní neboli čerpadlovou turbínou, která je schopna pracovat v turbínovém i čerpadlovém provozu.

Přečerpávací vodní elektrárna dlouhé stráně (Jeseníky). 5.1108 Přečerpávací vodní elektrárna dlouhé stráně (Jeseníky).
Instalovaný výkon 2x325 MW (při čerpání 312 MW), Francisovy turbína pro spád 510,7 m – největší reverzní turbíny v Evropě (2008). Jedná se o nejvýkonnější vodní dílo v ČR. Foto: [3].
● 3 ●
● 5. Využití energie vodního spádu ●

Vodní turbíny

Vodní turbíny jsou lopatkové stroje schopné transformovat kinetickou, tlakovou energii a potenciální energii vody odpovídající vodnímu sloupci, proto základní energetická bilance vodní turbíny není složitá. Nejčastěji používané typy vodních turbín jsou Peltonova turbína, Francisova turbína a Kaplanova turbína:

Peltonova turbína je vhodná pro velké výškové (několik stovek metrů i kilometr) nebo tlakové spády (například v průmyslových provozech).

Peltonova turbína.
6.1109 Peltonova turbína.
Peltonova turbína se dvěma tryskami s horizontální osou rotace, výrobce Escher – Wyss. Zdroj: [6].

Francisovy turbíny jsou vhodné pro široký rozsah spádů a průtoků. Nevýhodou je, že při menších průtocích než, na které byla navržena klesá výrazně její účinnost.

Francisova turbína. 7.1110 Soustrojí s Francisovou turbínou.
Francisova turbína pro elektrárnu Xingu, Brazílie. Zdroj: [4], autor: Voith Siemens Hydro Power.
● 4 ●
● 5. Využití energie vodního spádu ●

Kaplanova turbína je vhodná pro menší až střední spády. Pro tento typ turbíny jsou charakteristické natáčivé lopatky rotoru, které umožňují turbíně pracovat s vysokou účinností i při proměnlivém průtoku (sezónní výkyvy). Kaplanovy turbíny někdy doplňují elektrárny s Francisovými turbínami v místech, kde dochází k dlouhodobějšímu sezónnímu snížení průtoku. U malých vodních elektráren se používají tzv. vrtulové turbíny, které jsou konstrukčně blízké Kaplanovým turbínám akorát nemají natáčivé rotorové lopatky.

Vhodnost konkrétního typu turbíny pro danou lokalitu lze určit pomocí specifických otáček turbíny a celkového spádu.

Potenciál vodního spádu v ČR

V České republice se vodní toky postupně vlévají do řeky Labe, Odry nebo Moravy, odtud je plocha republiky rozdělena do tří povodí:

Hlavní povodí ČR, [5].
8.1113 Hlavní povodí ČR, [5].
                                          povodí               
                                     ------------------  ČR    
ukazatel                             Labe  Odry  Moravy  celkem
---------------------------------------------------------------
Průměrná nadmořská výška povodí                                
[m n.m.]                             446   443   397     432   
Dlouhodobý průměrný průtok                                     
v hlavním toku povodí v hraničním                              
profilu [m3·s-1]                     313   32    101     -     
Specifický odtok [l/(s·km2)]         6,1   10,8  4,8     6,1   
Průměrný roční úhrn srážek [mm]      653   808   640     661   
Roční odtoková výška [mm]            192   341   152     195   
9.614 Hydrologické charakteristiky hlavních povodí, [5].
● 5 ●
● 5. Využití energie vodního spádu ●

Celkový průtok všemi řekami v ČR je přibližně 446 m3·s-1. Průměrný spád je přitom přibližně 200 m, což odpovídá teoretickému výkonu 880 MW. Skutečný instalovaný výkon na řekách v ČR je 2164 MW, proto mohou být vodní elektrárny spouštěny pouze krátkodobě dokud nevyčerpají zásobu vody v nádržích. Podíl výroby elektrické energie z vodních elektráren na celkové výrobě elektřiny v ČR je přibližně 4 % (2005).

Vzhledem k malému energetickému potenciálu vodního spádu v ČR se vodní elektrárny používají především ke krytí špiček spotřeby elektřiny. K takové roli jsou vhodné díky schopnosti rychlého najetí na plný výkon a snadné regulace na rozdíl od tepelných elektráren.

Výroba elektřiny ve vodních elektrárnách je většinou považována za ekologicky čistou vzhledem k nízké produkci škodlivých látek do okolí (spaliny, záření, odpad...). Za negativní lze považovat vliv na vodní režim řeky a uvolňování metanu ze dna nádrží v důsledku hnilobných procesů. Metan totiž dočasně zesiluje skleníkový efekt.

Odkazy

  1. Státní zámek Vranov nad Dyjí. Web: http://www.zamekvranov.cz, [2010].
  2. Power plants around the world. [on-line] fotoalbum energetických staveb. Web: http://www.industcards.com, [2010].
  3. ČEZ, a.s., 2011. Majitel a provozovatel elektráren. Adresa: Praha 4, Duhová 2/1444, PSČ 140 53, Česká republika, http://www.cez.cz.
  4. Wikimedia Commons – uložiště volného multimediálního obsahu. [on-line]. [2010]. Dostupné z http://commons.wikimedia.org.
  5. Plán hlavních povodí České republiky. Schválený usnesením vlády České republiky ze dne 23. května 2007 č. 562, Ministerstvo zemědělství ČR. Dostupné z http://eagri.cz/public/web/file/18971/PlanHlavPov_schvaleny_vladou1_1_.pdf, [2010].
  6. MILLER, Rudolf, HOCHRAINER, A., LÖHNER, K., PETERMANN, H. Energietechnik und Kraftmaschinen, 1972. Hamburg: Rowohlt taschenbuch verlag GmbH, ISBN 3-499-19042-7.

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Využití energie vodního spádu, Transformační technologie, 2006-10, [last updated 2018-01-12]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/05.html.

● 6 ●

Úplná verze článku

Celý článek včetně příloh je uveden v e-knize:

5. Využití energie vodního spádu. 5. Využití energie vodního spádu
6 stran textu + 1 strana příloh.

Náhledy: Titulní strana.
Formát: PDF, velikost A4.





Cena: 35 Kč
Koupit

Soubor všech e-knih tématu Zdroje a přeměna energie lze koupit s množstevní slevou zde.