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 twitter, skorpik@fme.vutbr.cz: aktualizováno 2013-07

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 možná dynamičtější. V ČR se energie vodního spádu, až na výjimky, využívá k výrobě elektrické energie pomocí vodních turbín ve vodních elektrárnách. K využití vodního spádu je potřeba nejen samotná vodní elektrárna, 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.
1.22 Vodní dílo Vranov.
Postaveno v roce 1934, instalovaný výkon 3x5,4 MW (Francisovy turbíny) při průtoku 3x15 m3·s-1, celkový průměrný průtok 9,87 m3·s-1. 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 v podobě otáčejícího se hřídele turbíny:

Přibližný výkon vodní elektrárny
2.222 Přibližný výkon vodní elektrárny.
η [-] účinnost turbosoustrojí; V [m3·s-1] průtok; h [m] spád; ρ [kg·m-3] hustota vody; g [m·s-1] gravitační zrychlení; T umístění turbíny. Potenciální energie vodního spádu je dán průtokem vody v daném místě a rozdílu potenciální energie vody před vodním dílem a za vodním dílem.
reklama

Základní typy vodních elektráren

Existují tři základní typy vodních elektráren odlišující se od sebe jak jejich funkcí v přenosové soustavě tak možnostmi samotného zdroje vody pro vodní dílo jehož součástí elektrárna je. Jedná se o vodní elektrárny akumulační; průtočné a přečerpávací.

Součástí vodního díla s akumulační elektrárnou je rozsáhlá vodní nádrž o projektované kapacitě (tento typ elektráren je velmi náročný na plochu nádrže a vztaženo na výkon patří k nejnáročnějším typu elektráren co se týká potřebné plochy). Tento typ elektrárny se spouští pouze v případech nedostatku el. energie v přenosové soustavě. Spouští se pouze po určitou část dne a zbytek dne se nádrž postupně opět dopouští:

Akumulační vodní elektrárna Orlík (Vltava). 3.24 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 po celý den nebo jeho větší část):

Akumulační vodní elektrárna Orlík (Vltava). 4.25 Průtočná vodní elektrárna Lipno II (Vltava).
Instalovaný výkon 1x1,5 MW, Kaplanovy turbíny pro spád 10..4 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" v době jejího přebytku v přenosové soustavě. Tyto elektrárny jsou součásti vodního díla minimálně se dvěma nádržemi. V době přebytku el. energie pracuje elektrárna v čerpadlovém režimu (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 (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 čerpadlovou turbínou, která je schopna pracovat v turbínovém i čerpadlovém provozu.

Přečerpávací vodní elektrárna dlouhé stráně (Jeseníky). 5.26 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].
reklama

Vodní turbíny

Vodní turbíny jsou lopatkové stroje schopny transformovat pouze kinetickou, tlakovou energii a potenciální energii vody odpovídající vodnímu sloupci, proto základní energetická bilance vodní turbíny není složitá a jedná o základní úlohu hydromechaniky. Nejčastěji používanými typy vodních turbín jsou Peltonova turbína, Francisova turbína a Kaplanova turbína:

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

Soustrojí s Peltonovou turbínou.
6.27 Soustrojí s Peltonovou turbínou.
Peltonova turbína se dvěmi dýzami 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.

Soustrojí s Francisovou turbínou.
7.28 Soustrojí s Francisovou turbínou.
Francisova turbína pro elektrárnu Xingu, Brazílie. Zdroj: [4], autor: Voith Siemens Hydro Power generace.

Kaplanova turbína je vhodná pro menší až střední spády. Dokáže pracovat i při proměnlivém průtoku (sezónní výkyvy) při stejné účinnosti díky možnosti natáčet lopatky turbíny (natáčivé lopatky jsou pro Kaplanovu turbínu charakteristické). Proto 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

Česká republika je z pohledu místa kam se vlévají její řeky do moří rozdělena do povodí tří řek: Labe, Odra a Morava:

Hlavní povodí v ČR, [5].
8.31 Hlavní povodí v ČR, [5].

Celkový průtok všemi řekami v ČR je přibližně 450 m3·s-1 při průměrném spádu 200 m by bylo teoreticky možné dosáhnout výkonu 880 MW. Přesto je v ČR instalován ve vodních elektrárnách výkon 2164 MW tedy asi 12% celkového instalovaného elektrického výkonu v ČR (2005), proto mohou být vodní elektrárny spouštěny pouze krátkodobě dokud nevyčerpají zásobu vody v nádrži. Tomu odpovídá podíl vodní energetiky na celkové výrobě elektřiny v ČR přibližně 4% (2005):

                                          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].

Vzhledem k malému energetickému potenciálu vodního spádu v ČR se vodní elektrárny, používají především ke krytí špiček spotřeby elektřiny, kde se uplatňuje další přednost vodních turbín a to rychlý náběh na plný výkon a jeho snadná regulace.

Výroba elektřiny ve vodních elektrárnách je většinou považována za ekologicky čistou především vzhledem k produkci škodlivých látek do okolí (spaliny, záření, odpad...). Za negativní lze považovat vliv na vodní režim řeky, na které jsou postaveny, uvolňování metanu ze dna nádrží, který se uvolňuje v důsledku hnilobných procesů.

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 2013-07]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/vyuziti-energie-vodniho-spadu.html.

©Jiří Škorpík, LICENCE
reklama
www.transformacni-technologie.cz