Malá vodní elektrárna tématem studentů na ENERSOL 2011

Všechny energetické zdroje mají své místo a úlohu v zajištění dostatku elektřiny. V hodinách fyziky ve škole ale není vždy dost času, abychom se o nich dozvěděli vše potřebné. Proto existují projekty pomáhající lépe se v oblasti energetických zdrojů orientovat. Jedním z nich je projekt ENERSOL (letos již 8. ročník), v jehož rámci vznikají a soutěží studentské práce věnující se obnovitelným zdrojům a úsporám energie. Aby si čtenáři Třípólu udělali představu o úrovni těchto prací, přinášíme doslovné znění studentské práce Petra Šmejkala a Daniela Slaby z Integrované střední školy technické Benešov, která reprezentovala Středočeský kraj na národní přehlídce ENERSOL 2011 v Jihlavě.

Úvod

Vodní elektrárny využívají stále se obnovující energii vody. Při výrobě nepotřebují žádné suroviny a nevyrábějí žádný odpad. Vodní elektrárny zmenšují potřebu výroby v tepelných elektrárnách a tím přispívají k zmenšení produkce popelovin a oxidů uhlíku, dusíku, a síry. Vodní elektrárny s nádrží mohou sloužit jako zdroj pro odběr vody průmyslové, závlahové i pitné.

Vodní elektrárny mají řadu specifických vlastností. Např. přečerpávací vodní elektrárny mohou operativně řešit zvýšenou potřebu elektrické energie v období energetických špiček. Zatímco jaderná energetika je relativně mladým oborem, energie vodních toků patří k nejstarším energetickým zdrojům, které se lidstvo ve své historii naučilo využívat. Vodní kola, zprvu horizontální a později vertikální, se pro nejrůznější účely používala již před tisíciletími.

Ve vodních elektrárnách voda pohání turbínu. Turbína je spojena s elektrickým generátorem (dohromady tvoří tzv. turbogenerátor). Obdobný princip využívá i uhelná i jaderná elektrárna.

Historie

Vodní energie se využívá již od starověku. Nejprve to bylo k dopravě (splavování lodí a vorů, či dřeva po proudu řek), později k pohonu mechanismů (mlýnů, hamrů, čerpadel – například vodního trkače – a pil). Její využívání v Evropě se rozšířilo ve středověku především zásluhou mnišských řádů (především benediktinů a cisterciáků), jejichž kláštery vodní energii nejen hojně využívaly, ale též si mezi sebou celkem rychle předávaly vylepšení, která zvyšovala efektivitu využití. První vodní elektrárna byla postavena v Appletonu ve státě Wisconsin v USA v roce 1882. Výroba elektřiny je dnes nejčastějším způsobem využití vodní energie.

Velký podíl na celkové produkci elektřiny vykazují vodní elektrárny např. v Norsku (99,5 %), Švýcarsku (60 %) nebo v Kanadě. Důležité jsou přečerpávací vodní elektrárny, které akumulují energii a vyrovnávají rozdílnou spotřebu elektrické energie v různých obdobích. Tím vhodně doplňují jaderné a tepelné elektrárny, které mění svůj výkon velmi obtížně. Mezi obnovitelnými zdroji energie v České republice dominují vodní elektrárny.

Rozdělení vodních elektráren

• velké vodní elektrárny (nad 10 MW)


• malé vodní elektrárny (MVE) (do 10 MW včetně)


• přečerpávací vodní elektrárny


• přílivové elektrárny

Malá vodní elektrárna

Je to označení pro vodní elektrárny s instalovaným výkonem maximálně do 10 MW včetně. Evropská unie však považuje za MVE vodní elektrárny do výkonu 5 MW. Většina výkonu vodních elektráren (cca 90 %) je z elektráren o výkonu větším než 5 MW a zbylých cca 10 % je z MVE podle evropského řazení.

Malé vodní elektrárny se většinou budují v místě bývalých mlýnů a jezů. Pro konstrukci malých vodních elektráren se často používá Bánkiho turbína, která je konstrukčně velmi jednoduchá a tím i ekonomicky výhodná na pořízení.

Dělení vodních elektráren podle vybraných parametrů

Podle výkonu

• průmyslové (nad 1 MW)


• minielektrárny (do 1 MW)


• mikrozdroje (do 0,1 MW)


• domácí (do 35 kW)

Podle spádu

• nízkotlaké (pod 20 m)


• středotlaké (20 – 100 m)


• vysokotlaké (nad 100 m)

Podle nakládání s vodou

• průtokové


• akumulační


• přečerpávací

Přečerpávací vodní elektrárna

Jde o speciální typ vodní elektrárny sloužící ke skladování (akumulaci) elektrické energie prostřednictvím potenciální energie vody. Umožňuje řešit problém rozdílné spotřeby elektrické energie během pracovního dne: ráno a v podvečer bývají v odběru elektrické energie ze sítě výkonové spotřební špičky, kdežto v noci je odběr elektrické energie malý. Podobné rozdíly existují i mezi pracovními dny a dny pracovního klidu a volna. Jedná se o doposud jediný technicky proveditelný způsob, pomocí něhož lze vyrobenou elektrickou energii ve velkém měřítku po delší dobu skladovat s minimálními ztrátami.

Přečerpávací vodní elektrárna má dvě vodní nádrže. Jedna z nich je umístěna na níže položeném místě (dolní nádrž), druhá pak na vyšším místě (horní nádrž). Obě dvě nádrže jsou spojeny spádovým potrubím o velkém průměru. V noci se využívá přebytečná energie z elektrorozvodné sítě k přečerpávání z dolní nádrže do horní (elektrárna se v tomto režimu chová jako velký spotřebič elektrické energie, vyrobené z jiných zdrojů energie). V horní nádrži se tak vytvoří velká zásoba vody. Ve chvíli, kdy vznikne v napájecí elektrorozvodné síti potřeba většího množství špičkové energie, je voda řízeně vypouštěna z horní nádrže do dolní přes turbínu vodní elektrárny a elektrická energie spotřebovaná na její noční přečerpání se tak během dne vrací zpět do elektrorozvodné sítě.

Přílivová elektrárna

Jedná se o vodní elektrárnu, která pro roztočení turbín využívá periodického opakování přílivu a odlivu moře a tím nepřímo kinetickou energii rotující Země. Turbíny mohou navíc po vyrovnání hladin přečerpávat další vodu a zvednout účinnou výšku zadržené vody až o další dva metry, či při odlivu odčerpat další vodu z přehrady. Tím se významně prodlouží doba, po níž jsou rozdíly výšek hladin dostatečné pro provoz turbín.

První přílivová elektrárna byla postavena v roce 1913 v Anglii v hrabství Cheshire a nesla jméno Dee Hydro Station. Stavba přílivových elektráren je možná pouze v některých vhodných oblastech, kde je vysoký rozdíl mezi přílivem a odlivem. Příkladem je funkční přehrada při ústí řeky Rance ve Francii. V současnosti se u jejich stavby poukazuje i na značné ekologické dopady na okolí, jelikož zabraňují přirozenému vodnímu proudění a transportu horninových částí, dále znemožňují migraci biosféry a mají i negativní estetické dopady na krajinu. V minulosti existoval ambiciózní projekt v Sovětském svazu na přehrazení úžiny mezi poloostrovem Kola a kontinentální Asií, kde měly být postaveny dvě přílivové elektrárny. Tento projekt však nebyl realizován.

Výhody a nevýhody vodních elektráren

• Mezi výhody patří zejména to, že energie vodních toků patří mezi obnovitelné zdroje – nelze ji vyčerpat. Zároveň její provoz minimálně znečišťuje okolí.
  
• Vodní elektrárny vyžadují minimální obsluhu i údržbu a lze je ovládat na dálku.
  
• Mohou startovat během několika sekund a dispečink je tak může používat jako špičkový zdroj k pokrytí okamžitých nároků na výrobu elektrické energie.
  
• Přehradní jezera mohou také sloužit i pro další účely, zejména rekreační nebo jako zdroje pitné či užitkové vody. Často bývají vhodné i pro říční rybolov.
  
• Nevýhodou je vysoká cena, doba výstavby a u některých nutnost zatopení velkého území vodou.
  
• Neopomenutelná je závislost na stabilním průtoku vody.
  
• Přehradní hráz dokáže zabránit i menším povodním, velké katastrofální povodně však ovlivňuje velmi málo.
  
• Přehradní hráze a jezy brání běžnému lodnímu provozu na řece, takže je nutno vybudovat systém plavebních komor, resp. zdymadel.

Téma pro ENERSOL – MVE Ledeč na d Sázavou

Pří výběru nejvhodnějšího tématu pro projekt ENERSOL jsme se rozhodli pro malou vodní elektrárnu v Ledči nad Sázavou, kde jsme se dověděli mnoho užitečných informací o obnovitelných zdrojích elektrické energie. Největší výhodou obnovitelných zdrojů je, že při jejich provozu nevznikají žádné vedlejší odpady, ale je zde použita síla přírody, v tomto případě vody.

Malá vodní elektrárna Ledeč nad Sázavou

Hlavní údaje o vodním díle
Horní provozní hladina	348,72 m n. m.
Minimální dolní provozní hladina	346,12 m n. m.
Typ turbíny	KB1050K3
Max. hltnost turbíny	5,50 m3s‑1
Min. hltnost turbíny	0,86 m3s‑1
Otáčky generátoru	762 ot/min
Instalovaný výkon generátoru	132 kW
Jmenovitý výkon generátoru	116 kW

Náklady na výstavbu areálu a koupě turbín a příslušenství
Turbíny	12 mil. Kč
Přestavba areálu + její komponenty	cca 5 mil. Kč

Závěrem poděkování

Poděkování za ochotu zejména společnosti MAVEL Benešov.
Poděkování za ochotu majiteli elektrárny v Ledči nad Sázavou panu Josefu Bobkovi.

---

Projekt ENERSOL vznikl v roce 2000 jako mezinárodní projekt Německa, Nizozemí, Itálie, Spojeného Království, Slovenska a České republiky, nejprve s úmyslem sjednotit odborné texty a způsoby výuky o obnovitelných zdrojích na středních školách. Od roku 2004 funguje stejnojmenný český projekt, který nejen vytváří systém vzdělávacích programů o obnovitelných zdrojích a mapuje využívání obnovitelných zdrojů v praxi, ale zahrnuje i odborné semináře a přehlídky a soutěže studentských prací. Podporují ho všechny kraje ČR, ministerstva životního prostředí a školství a další odborné subjekty, sponzorem je i Skupina ČEZ. Mezinárodní seminář ENERSOL 2012 bude 26. a 27. dubna v Hradci Králové a účastníci navštíví Informační centrum Obnovitelné zdroje na Malé vodní elektrárně Hučák.