VYUŽITÍ ENERGIE VODNÍHO SPÁDU

Transkript

1 INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ CZ.1.07/1.1.00/ VYUŽITÍ ENERGIE VODNÍHO SPÁDU ING. JAROSLAV BENEDIKT TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

2 Využití energie vodního spádu Ing. Jaroslav Benedikt Energetický potenciál vodního spádu, Základní typy vodních elektráren, Vodní turbíny, Potenciál vodního spádu v ČR 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: Obr. 1. Vodní dílo Vranov. Postaveno v roce 1934, instalovaný výkon 3x5,4 MW (Francisovy turbíny) při průtoku 3x15

3 m 3 /s, celkový průměrný průtok 9,87 m 3 /s. Foto: [1]. Energetický potenciál vodního spádu Energetický potenciál vodního spádu je především dán průtokem vody v daném místě a rozdílu potenciální energie vody před vodním dílem a za vodním dílem. Základní vztahy a definice jsou uvedeny v [6]. Základní typy vodních elektráren Existují tři základní typy vodních elektráren odlišující se od sebe jak jejich funkcí v přenosové soustavě [6] 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 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: Obr. 3. 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):

4 Obr. 4. Průtočná vodní elektrárna Lipno II (Vltava). Instalovaný výkon 1x1,5 MW, Kaplanovy turbíny pro spád 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 turbočerpadly (pro turbočerpadlový provoz) nebo speciální reverzní turbínou*, která je schopna pracovat v turbínovém i turbočerpadlovém provozu. *Reverzní turbína Jedná se buď o Francisovu turbínu, která po změně otáček pracuje jako turbočerpadlo [7] nebo diagonální turbínu, která po natáčení lopatek o 180 deg pracuje jako turbočerpadlo [8]. stráně (Jeseníky). Obr. 5. Přečerpávací vodní elektrárna dlouhé

5 Instalovaný výkon 2x325 MW (při čerpání 312 MW), Francisovy turbína pro spád 510,7 m největší reverzní turbíny v Evropě (2008). Foto: [3]. Vodní turbíny Vodní turbíny jsou lopatkové stroje [7] schopny transformovat kinetickou nebo tlakovou energii vody odpovídajícího vodního sloupce [10]. Nejzákladnějšími typy vodních turbín jsou turbína typu Pelton, Francis a Kaplan: Obr. 6. Soustrojí s Peltonovou turbínou. Peltonova turbína se šesti dýzami vyrobená pro elektrárnu Restitución Electroperu, Lima, Peru. Peltonovy turbíny jsou vhodné pro velmi vysoké spády. Zdroj: [4], autor: Voith Siemens Hydro Power generace.

6 Obr. 7. Soustrojí s Francisovou turbínou. Francisova turbína pro elektrárnu Xingu, Brazílie. Jsou vhodné pro široký rozsah spádů a průtoků. Nevýhodou je, že při menších průtocích než na které byla navržena klesá výrazně její účinnost. Jsou to jedny z nejvýkonnější turbín dosahující výkonů až MW. Zdroj: [4], autor: Voith Siemens Hydro Power generace. Kaplanova turbína [6] 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 dlouhodbějšímu sezónímu snížení průtoku. U malých vodních elektráren se používají tzv. vrtulové turbíny (Propeler), které vývojově předcházely Kaplanovým turbínám. Vhodnost konkrétního typu turbíny pro danou lokalitu lze určit pomocí specifických otáček turbíny a celkového spádu [11]. Základy pro návrh vodní turbíny jsou uvedeny v tématu [9]. 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:

7 Obr. 8. Hlavní povodí v ČR. Zdroj: [5]. Celkový průtok všemi řekami v ČR je přibližně 450 m 3 /s 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): ukazatel ČR povodí celkem Labe Odry Moravy Průměrná nadmořská výška povodí [m n.m.] Dlouhodobý průměrný průtok v hlavním toku povodí v hraničním profilu [m 3 /s] Specifický odtok [l/(s km 2 )] 6,1 10,8 4,8 6,1 Průměrný roční úhrn srážek [mm] Roční odtoková výška [mm] Tab. 1. Hydrologické charakteristiky hlavních povodí.