Úvod
V názvu článku je sice uvedeno, že se jedná o popis využití energie vodního spádu, ale stejné principy platí i pro jiné kapaliny.
Energetický potenciál proudu vody
Množství práce, které lze vyrobit při průtoku vody z jednoho místa na druhé ve směru proudu (na Obrázku 1104 a 222 se jedná o body i a e) můžeme stanovit z Bernoulliho rovnice. Budeme-li uvažovat stanovení maximálního potenciálu mezi těmito body (množství práce, které lze za ideálních podmínek pomocí proudu vody získat), pak lze zanedbat změny teplot, hustoty, tlaku a rychlosti a vyjde nám, že za takových podmínek je předaná práce funkcí změny pouze potenciální energie vody. Vynásobíme-li tuto práci hmotnostním průtokem, pak získáme výkon proudu, viz Vzorec 222. Výkon, který pomocí tohoto vzorce vypočítáme nazvěme referenčním výkonem, protože se jedná o maximální možný předaný výkon proudu a skutečně předaný bude muset být vždy menší. Potenciální energii vody lze transformovat na práci při jejím průtoku skrz vodní turbínu a u velmi malých výkonů i vodního kola.
O historii obou technologií se můžete dočíst v článku Vodní kola a vodní turbíny.
K využití vodního spádu pro výroby elektřiny 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 a mívají i vodárenské a další úkoly.
Při průchodu vody vodní turbínou nedochází k okysličení vody atmosférickým kyslíkem, ke kterému by jinak došlo při upouštění vody přes propusti. To bylo, podle rybářského svazu, příčinou vysokého úhynu ryb pod elektrárnou Nové mlýny v červenci 2022:https://t.co/IaclSVBHlo
— Jiří Škorpík (@jiri_skorpik) July 26, 2022
Vodní turbíny
Vodní turbíny jsou lopatkové stroje schopné transformovat kinetickou, tlakovou energii a potenciální energii vody odpovídající vodnímu sloupci. Technické specifikace a popis principu základních typů vodních turbín jsou uvedeny v článku Vodní turbíny a hydrodynamická čerpadla. V tomto článku jsou představeny pouze obecné rysy nejčastěji používaných typů vodních turbín.
Vhodnost konkrétního typu turbíny pro danou lokalitu lze určit pomocí měrných otáček turbíny a celkového spádu.
Peltonova turbína
Peltonova turbína je vhodná pro velké výškové (několik stovek metrů i kilometr) nebo tlakové spády (viz podkapitola Regenerační vodní elektrárna, s. 8).
Francisova turbína
Francisovy turbíny jsou vhodné pro široký rozsah spádů a průtoků. Nevýhodou je, že při menších průtocích než, pro které byly navrženy klesá výrazně jejich účinnost.
Kaplanova turbína
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.
Vodní elektrárny
Klasická vodní elektrárna není tvořena jen turbosoustrojím, ale vyžaduje i systém přivaděčů a odvodních potrubí a často i vzdouvací stavbu. Dále se konfigurace stavebních a strojních částí elektráren mění podle širšího účelu elektrárny a celého vodního díla.
Vzdouvací stavba
Vzdouvací stavba je potřeba vždy, jednak zlepšuje vtok do přivaděče k turbíně, a jednak zkracuje vzdálenost mezi bodem i a turbínou, případně zadržuje vodu i za jiným vodohospodářským účelem. Zkrácení vzdálenosti mezi bodem i a turbínou totiž snižuje tlakovou ztrátu při proudění vody.
Za vzdouvací zařízení považujeme jez (přebytek vody přetéká přes hřeben) nebo hráz, kdy přebytečná voda hráz obtéká. Nevyužitá energie, která není před vzdouvací stavbou odvedena přivaděčem k turbíně je mařena ve vývaru vířením – ty jsou dobře patrné u jezů nebo spodních částí hrází. Takto je mařena energie veškeré vody v případě odstávky turbíny. Hráze jsou navíc vybaveny přelivem pro případ, že nádrž za hrazí je plná a přítok vody je větší, než lze řádně odpouštět přes vývar.
Nevyužitá energie, která není před vzdouvací stavbou odvedena přivaděčem k turbíně je mařena ve vývaru vířením – ty jsou dobře patrné u jezů nebo spodních částí hrází. Takto je mařena energie veškeré vody v případě odstávky turbíny. Hráze jsou navíc vybaveny přelivem pro případ, že nádrž za hrazí je plná a přítok vody je větší, než lze řádně odpouštět přes vývar.
Konstrukce vzdouvací stavby bývá různá včetně použitých materiálů. U jezů to mohou být kombinace kamenů, dřeva i betonu, u velkých hrází převažuje beton a mohutné sypané hráze. Jedná se o náročné stavby jak technologicky a projektansky, tak i v přípravě – nezbytný průzkum podloží pro určení konstrukce základů, tak aby kolem hráze nedocházelo k průsakům (špatný hydrogeologický průzkum byl i příčinou protržení hráze přehrady Desná v Jizerských horách, viz Obrázek 1103).
Kolem vzdouvací stavby bývá někdy i rybí "přechod", pomocí kterého se migrující druhy ryb mohou pohybovat jak na dolní, tak horním toku stavby.
1/2 Dnes jsem navštívil zříceninu hradu Dívčí kámen tyčící se nad nedotčeným údolí Vltavy mezi Přehradou Lipno II a Vltavskou kaskádou. Je tam také rozestavěná a nikdy nedokončená vodní elektrárna z roku 1912, kterou chce současný majitel dokončit.https://t.co/Vp6PIEiy4p pic.twitter.com/WAf0PWOYwR
— Jiří Škorpík (@jiri_skorpik) August 27, 2024
Strojovna a sací trouba
Ve strojovně se nachází jedno či více turbosoustrojí. Jedná se o halu umístěnou v nejnižším bodě elektrárny, protože tam se právě musí nacházet i turbína (například strojovna na Obrázku 1104, s. 1). Takové místo často bývá i několik kilometrů od vzdouvací stavby, viz Obrázek 1226 dispozice vodní elektrárny Sedlice.
Na druhou stranu musí být strojovna dostatečně vysoko nad hladinou, aby byl k turbíně pohodlný přístup a strojovnu neohrozily záplavy, a tak, aby nedošlo ke snížení využitelného disponibilního spádu daný rozdílem výšek hladin hi-he, bývají turbíny vybaveny sací troubou. Sací trouba je kanál od turbíny, který sahá těsně pod hladinu spodní nádrže a je zaplněn vodou, Obrázek 258 (dobře patrná je i sací trouba na Obrázku 1110, s. 3).
Její maximální délka, respektive výška je limitována tlakovým spádem mezi koncem turbíny a tlakem nad hladinou spodní nádrže. Z principu U-trubice je zřejmé, že tlak těsně za turbínou musí být menší než tlak nad hladinou spodní nádrže. Přičemž tlak za turbínou p2 nesmí být menší než tlak syté vody v daném bodě (tlak, při kterém voda o teplotě t2 začne vřít). V takovém případě hrozí přetržení vodního sloupce v důsledku vzniku páry. Protože tlak p2 je menší než tlak atmosférický nad hladinou, je měrná vnitřní práce turbíny teoreticky stejná, jako pro případ turbíny bez savky umístěné těsně nad hladinou. Samozřejmě tím, že v ústí je vyšší tlak, musí v něm být i menší rychlost a podle Bernoulliho rovnice tedy i větší průtočný průřez.
Z principu U-trubice je zřejmé, že tlak těsně za turbínou musí být menší než tlak nad hladinou spodní nádrže. Přičemž tlak za turbínou p2 nesmí být menší než tlak syté vody v daném bodě (tlak, při kterém voda o teplotě t2 začne vřít). V takovém případě hrozí přetržení vodního sloupce v důsledku vzniku páry. Protože tlak p2 je menší než tlak atmosférický nad hladinou, je měrná vnitřní práce turbíny teoreticky stejná, jako pro případ turbíny bez savky umístěné těsně nad hladinou. Samozřejmě tím, že v ústí je vyšší tlak, musí v něm být i menší rychlost a podle Bernoulliho rovnice tedy i větší průtočný průřez.
Podmínkou užití sací trouby je taková konstrukce turbíny, která dokáže využít i tlakový spád mezi vstupem a výstupem oběžného kola, což jsou jen tzv. přetlakové typy turbín jako Francisova a Kaplanova. Naopak u Peltonových turbín savku nelze použít a energetický spád mezi oběžným kolem a spodní hladinou není využit (v uvedeném prostoru je atmosférický tlak), viz Obrázek 1109, s. 2.
kola, což jsou jen tzv. přetlakové typy turbín jako Francisova a Kaplanova. Naopak u Peltonových turbín savku nelze použít a energetický spád mezi oběžným kolem a spodní hladinou není využit (v uvedeném prostoru je atmosférický tlak), viz Obrázek 1109, s. 2.
Přivaděč
Česla
Jak už bylo několikrát výše naznačeno, přivaděče (náhony) jsou kanály, které přivádí vodu ke strojovně, respektive k turbínám. Přivaděče mohou být realizovány jako otevřené nebo uzavřené kanály. Na začátku přivaděče jsou česla, která zabraňují tomu, aby se do přivaděče dostaly předměty, které voda sebou unáší.
Otevřené přivaděče se používají pouze u elektráren s velmi malým spádem, tzv. průtočné elektrárny. Jedná se většinou o betonová koryta, viz Obrázek 1227.
Uzavřené přivaděče jsou mnohem častější a v drtivé většině případů se jedná o ocelové potrubí, protože v nejnižším bodě odpovídá tlak vody tlaku vodního sloupce. Tento typ přivaděčů může být dlouhý i několik kilometrů.
Akumulační vodní elektrárna
Součástí vodního díla s akumulační elektrárnou je objemná vodní nádrž (tento typ elektráren je obvykle velmi náročný na délku spádu, respektive velikost hráze, viz Obrázek 1106). 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.
Průtočná elektrárna
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), viz Obrázek 1227, Obrázek 1228.
Přečerpávací elektrárna
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, viz Obrázek 1108.
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 tzv. reverzní neboli čerpadlovou turbínou, která je schopna pracovat v turbínovém i čerpadlovém provozu.
turbínou, která je schopna pracovat v turbínovém i čerpadlovém provozu.
Regenerační vodní elektrárna
V průmyslových provozech s velkou spotřebou vysokotlaké kapaliny (například pro čištění) se používá turbosoustrojí Peltonova turbína-el. motor-čerpadlo, Obrázek 1107. Taková sestava snižuje spotřebu el. energie na čerpání kapaliny tak, že v turbíně je transformována tlaková energie vody vycházející z procesu zpět na práci, mluvíme o regeneraci tlakové energie.
Lze regenerovat i potenciální energie vody, pokud je provoz v dostatečné nadmořské výšce. Například se takto regeneruje potenciální energie vody v jaderné elektrárně Temelín. Ta spotřebovává velké množství vody, kterou získává z čerpací stanice Hněvkovice [11]. Část této vody se po použití v elektrárně nejprve filtruje a pak shromažďuje a ředí v nádržích a pak vypouští zpět do Vltavy. Regenerace energie spočívá v tom, že voda je vypouštěna daleko níže po proudu Vltavy a to v Kořensku. V Kořensku je průtočná elektrárna v jejíž areálu se mimo strojovny s Kaplanovými turbínami pro využití spádu Vltavy nachází i strojovna s Peltonovou turbínou využívající vodu z el. Temelín (strojovna formálně spadá pod areál Jaderné elektrárny Temelín [3]), viz Obrázek 530. Voda z elektrárny Temelín má totiž velmi vysoký tlak odpovídají rozdílu nadmořské výšky areálu elektrárny Temelín a hladiny Vltavy v Kořensku, který činí 141 m při délce potrubí přivaděče 6,47 km a průměru 700 mm [11].
potenciální energie vody v jaderné elektrárně Temelín. Ta spotřebovává velké množství vody, kterou získává z čerpací stanice Hněvkovice [11]. Část této vody se po použití v elektrárně nejprve filtruje a pak shromažďuje a ředí v nádržích a pak vypouští zpět do Vltavy. Regenerace energie spočívá v tom, že voda je vypouštěna daleko níže po proudu Vltavy a to v Kořensku. V Kořensku je průtočná elektrárna v jejíž areálu se mimo strojovny s Kaplanovými turbínami pro využití spádu Vltavy nachází i strojovna s Peltonovou turbínou využívající vodu z el. Temelín (strojovna formálně spadá pod areál Jaderné elektrárny Temelín [3]), viz Obrázek 530. Voda z elektrárny Temelín má totiž velmi vysoký tlak odpovídají rozdílu nadmořské výšky areálu elektrárny Temelín a hladiny Vltavy v Kořensku, který činí 141 m při délce potrubí přivaděče 6,47 km a průměru 700 mm [11].
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, viz Obrázek 1113, s. 10.
Celkový průtok všemi řekami v ČR je přibližně 446 m3·s-1, viz Tabulka 614, s. 10. Průměrný spád je přitom přibližně 200 m, což odpovídá teoretickému výkonu 880 MW. Skutečný instalovaný výkon na řekách v ČR je 1093,7 MW [12] (bez přečerpávacích elektráren), 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 2 % (2019) [12].
![Mapa hlavních povodí ČR, [5]](objekty/1113.gif)
výroby elektrické energie z vodních elektráren na celkové výrobě elektřiny v ČR je přibližně 2 % (2019) [12].
| ukazatel | povodí Labe | povodí Odry | povodí Moravy | ČR celkem | |
| 1 | h | 446 | 443 | 397 | 432 |
| 2 | V | 313 | 32 | 101 | 446 |
| 3 | v | 6,1 | 10,8 | 4,8 | 6,1 |
| 4 | H | 653 | 808 | 640 | 661 |
| 5 | l | 192 | 341 | 152 | 195 |
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, okolí nádrže a uvolňování metanu ze dna nádrží v důsledku hnilobných procesů. Metan totiž dočasně zesiluje skleníkový efekt.