Využití vodní energie vodní elektrárny. Dr. Ing. Petr Nowak ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra hydrotechniky

Transkript

1 Využití vodní energie vodní elektrárny Dr. Ing. Petr Nowak ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra hydrotechniky

2 Typy energetických zdrojů klasické fosilní - uhlí, plyn, ropa jaderné obnovitelné vodní energie vodních toků - kinetická a potenciální energie energie vln, přílivu a odlivu, mořských proudů větrná energie sluneční energie solární ohřev fotovoltaika biomasa štěpky, pelety, bioplyn atd. kogenerace?

3 Historie Využití vodní energie - staré zdroje počátky ji před cca 2000 roky Převod na mechanickou energii, která se dále využívala pro mletí obilí čerpání závlahové i pitné vody, průsakové vody z dolů zdvíhání břemen hamry, stoupy, brusírny, pily, obrobny Doprava mechanická energie ke spotřebě transmisemi Umístění výroby v bezprostřední blízkosti vodního stroje

4 Typy vodních strojů vodní kolo (na horní, střední a spodní vodu) Leonardo da Vinci korečkové kolo začátek 19. století Poncelet konec 19. století Francis 1855 (1873 Voith regulace rozváděcími lopatkami) Pelton Kaplan 1913 (rozšíření až po 1926)

5 Vodní elektrárna > výroba elektrické energie Na počátku 20. století velký vývoj elektrických točivých strojů, přenosu elektrické energie Stejnosměrný proud František Křižík Jubilejní výstava v Praze roku 1891 tramvajová trať, oblouková lampa Střídavý proud třífázová soustava Emil Kolben Rozšíření díky třífázové soustavě rotační elektromagnatické pole nízké nároky na konstrukci motorů Oddělení výroby energie od její spotřeby Bilance výroby a spotřeby rovnováha, specifické komodita

6

7

8 Subjekty na trhu s elektřinou ERU Energetický regulační úřad vydává cenová rozhodnutí ČEPS Česká energetická přenosová soustava, a.s. - Zajišťuje následující funkce: Systémové služby udržování kvality elektřiny napětí, frekvence udržování výkonové rovnováhy v reálném čase obnovení provozu start ze tmy dispečerské řízení Přenosové služby Vnitrostátní přeshraniční Podpůrné služby OTE, a.s. Operátor trhu a elektřinou

9

10 výroba spotřeba [GWh] Výroba a spotřeba elektřiny

11 Struktura instalovaného výkonu elektráren ČR v % Celkový instalovaný výkon v ČR je MW (brutto - k ) FVE 10,2% Struktura instalovaného výkonu elektráren ČR MW MW Parní PE 51,9% Jaderné JE 19,7% Fotovoltaika FVE 10,2% Vodní VE+PVE 10,8% PPE+PSE PPE+PSE 6,2% 1271 Větrné VTE 1,3% 263 Celkem VE+PVE 10,8% JE 19,7% PPE+PSE 6,2% VTE 1,3% PE 51,9%

12 Struktura vyrobené elektřiny ČR v % Celkové množství elektřiny vyrobené v ČR je 87,574 TWh (brutto - k ) FVE 2,481% Struktura vyrobené elektřiny ČR MWh MWh Parní PE 53,967% 47,261 Jaderné JE 34,627% 30,324 Fotovoltaika FVE 2,481% 2,173 Vodní VE+PVE 3,383% 2,963 PPE+PSE PPE+PSE 5,064% 4,4351 Větrné VTE 0,477% 0,417 Celkem 1,000 87,574 JE 34,627% VE+PVE 3,383% PPE+PSE 5,064% PE 53,967% VTE 0,477%

13

14

15

16

17

18

19

20 Dodávaný výkon větrných elektráren v jednotlivých oblastech Německa

21 Průběh výkonu vodních elektráren

22

23

24 Energetická spotřeba na obyvatele velmi se liší podle stupně průmyslového rozvoje max. USA min. 3. svět nejrychlejší růst spotřeby rychle se rozvíjející se ekonomiky Čína, Indie, Brazílie apod. stupeň využití vodní energie možné oblasti investic stupně rozvoje daného regionu přírodní podmínky morfologie, srážky a odtoky využitelný potenciál a stupeň jeho využití některé státy mají cca 100 % energie z vody Norsko

25 Výhody vodní energetiky: obnovitelný zdroj a zdarma (poplatky za vodní práva ) vysoká účinnost převodu vodní turbíny dosahují až 93% účinnosti dlouhá životnost zařízení jednoduchá a spolehlivá technologie nízké provozní náklady možnost akumulace energie rychlost najetí zdroje nezastupitelná funkce pro elektrizační soustavu desítky sekund až minuta Možnost startu do tmy vodní díla mohou mít mimo energetické i jiná využití (plavba apod.) ochrana životního prostředí neprodukuje odpady může zlepšit životní prostředí zlepšení kvality vody (akumulace), mikroklima pomocí odparu, zvýšení hladiny podzemní vody

26 Nevýhody vodní energetiky: vysoké investiční nároky dlouhá doba výstavby vzdálenost mezi výrobou a spotřebou výroba závislá na hydrologii i při vyšší akumulaci zatopení oblastí při výstavbě včetně sociálních aspektů stojící voda malárie, komáři ovlivnění chodu splavenin zaplavení ekologicky hodnotného území ztráta vody odparem

27 Základní funkce vodních elektráren v elektrizační soustavě regulace dodávaného výkonu spolupráce při regulaci frekvence spolupráce při regulaci napětí možnost i kompenzačního provozu schopnost najetí do tmy tzv. "black start" při rozpadu sítě PVE a ŠVE záloha výkonu pro případ výpadku jiného zdroje

28 Hydroenergetiký potenciál vodního toku teoretický hydroenergetický potenciál výpočet po úsecích, rozdělení toku na několik na sebe navazujících úseků předpoklad 100% účinnosti P = g..h.q, kde g - tíhové zrychlení (m.s -2 ) - měrná hmotnost vody (kg.m -3 ) H - spád na daném úseku (m) Q - průtok úsekem (m 3.s -1 ) reálně využitelný hydroenergetický potenciál započtení ztráty spádu vlivem ztrát a stavebních omezení celková účinnost energetické přeměny odhadujeme na cca 75% výsledkem je cca 50% teoretického potenciálu

29 V = Q.dt (m3) V objem Q průtok t - čas E p = m.g.h (J) 3, J = 1 kwh cca 2-3 Kč E p potenciální energie (převod na obchodovatelné jednotky kwh) m hmotnost g tíhové zrychlení H spád, resp. potenciál tíhového pole při intenzitě g P = de dt (W), resp. E = P. dt P - výkon P = H.Q.g.. celk celk celková účinnost převodu Základní úkol při využití vodní energie je maximalizace součinu H.Q při zachování ekonomické efektivnosti Pro hrubý odhad výkonu lze použít P = (5-8).H.Q (kw)

30 Převod druhů energie Turbína převod druhu energie Vstup mechanická energie vody (polohová, tlaková a rychlostní) Výstup mechanická energie rotující hřídele Převodovka pokud je instalována Zvýšení otáček při snížení momentu Generátor převod druhu energie Vstup mechanická energie rotující hřídele Výstup elektrická energie na svorkách Transformátor Zvýšení napětí

31 Soustředění spádu přirozené na prahu ve dně toku nebo vodopády blízko ležící sousední toky se spádovým rozdílem umělé přehrada na toku přivaděč a odpadní kanál viz. Rýn, Váh apod. tlakový přivaděč s odběrem vody ze zdrže nebo nádrže Soustředění průtoku soustředěním vody z vlastního povodí zachycení bočních níže ležících přítoků převedení vody z jiného povodí gravitační doprava i čerpání

32 Klasifikace vodních elektráren podle hospodaření s vodou - podobné terminologii nádrže a jezové zdrže bez akumulace typ provozu "průběžný" voda má minimální zdržení a zpravidla se reguluje na hladinu, což potažmo odpovídá regulaci průtoku provoz celých kaskád v průběžném režimu s akumulací krátkodobá akumulace proměnlivý odběr při relativně vyrovnaném přítoku dlouhodobá akumulace jednodenní, týdenní, měsíční, roční popř. víceletá akumulace s přečerpáváním podle způsobu provozu souvisí i se spoluprací s energetickou sítí průběžná pološpičková špičková přečerpávací podle spolupráce s energetickou sítí dodávka výkonu do velké sítě prakticky veškeré elektrárny v Čechách dodávka do oddělení sítě odlehlé lokality v horách nebo při havarijních situacích podle výkonu velké vodní elektrárny Itaipu Brazilie, Paraguay cca MW Tři soutěsky Čína malé vodní elektrárny 100 kw až 10 MW mikroelektrárny pod 100 kw

33 Klasifikace vodních elektráren - pokračování podle technického provedení využití energie toků a jezer přečerpávání přílivové příbojové - využití energie vln využití depresí Mrtvé moře podle topografie nížinné podhorské horské podle typu energetické přeměny výstup ve formě mechanické energie III. svět často přečerpávání jiného okruhu vody nebo jiného média - průmysl dodávka elektrické energie podle účelovosti díla jednoúčelové provoz díla pouze pro energetické využití víceúčelové dílo většina našich VE na velkých tocích VE jako vedlejší produkt vodárenské rozvody, rozvody průmyslové vody (chlazení apod.), zasněžování, závlahy, rybí hospodářství atd. podle spádu nízkotlaká spád menší než 15 m středotlaká spád m vysokotlaká spád vyšší než 50 m

34 Průběžná vodní elektrárna Schaffhausen - Rhein

35

36 Špičková vodní elektrárna Orlík

37 Schaffhausen - Rhein Špičková vodní elektrárna Orlík

38 Špičková vodní elektrárna Orlík

39 VE a PVE Štěchovice

40 VE a PVE Štěchovice

41 Vtokové objekty

42 Tlakové přivaděče Woodfibre penstock, screen house and surge tank BC Hydro

43 Hydraulický ráz - následky

44 Vodní turbíny Hlavní parametry turbín: spád průtok provozní otáčky výkon účinnost

45 Peltonova turbína

46 Peltonova turbína

47

48 Vodní turbíny - Francisova turbína Nejužívanější typ turbíny Nejvyšší výkony přes 700 MW pro vertikální uspořádání Spády přes 600 m Max. průměr oběžného kola cca 10 m

49 Kaplanova turbína

50 Kaplanova turbína

51 Kaplanova turbína

52 Kaplanova turbína

53 Kaplanova turbína

54 NETRADIČNÍ OBLASTI VYUŽITÍ VODNÍ ENERGIE Vodní mikroelektrárna - Cuemba - Angola Tlakový přivaděč Přívodní kanál Strojovna ČVUT v Praze, FSv, katedra hydrotechniky 54

55 NETRADIČNÍ OBLASTI VYUŽITÍ VODNÍ ENERGIE Transport generátoru ČVUT v Praze, FSv, katedra hydrotechniky 55

56 NETRADIČNÍ OBLASTI VYUŽITÍ VODNÍ ENERGIE Balastní zátěže Elektrický rozváděč se zátěžovou frekvenční regulací Čerpadlo v turbínovém provozu Turbine set with ballast load control cabinet Synchronní generátor ČVUT v Praze, FSv, katedra hydrotechniky 56

57 Archimédův šroub

58 Fyzikální modelování turbín

59 Fyzikální modelování v hydroenergetice Fyzikální model Peltonovy turbíny Hydrotechnická laboratoř ČVUT v Praze, FSv, katedra hydrotechniky 59

60 Hydraulický ráz v potrubních přivaděčích vodních elektráren

61 Hydraulický ráz model Francisovy turbíny