Přečerpávací vodní elektrárny. Roman Portužák

Transkript

1 Přečerpávací vodní elektrárny Roman Portužák

2 Obsah 1. Úvod 2. Základní principy PVE 3. Vyhledávání vhodných lokalit principy 4. Vyhledávací studie 5. Shrnutí a závěr

3 1 Úvod Akumulace a PVE, přečerpávací vodní elektrárny 3

4 Energetická základna ČR Energetická základna České republiky je založena především na využívání fosilních paliv. tepelné elektrárny (58%), jaderné elektrárny (32%), vodní elektrárny včetně přečerpávacích (4%), celková výroba elektrické energie v ČR přesáhla v roce 2010 hodnotu 85 TWh

5 Struktura výroby elektrické energie ČR

6 Aspekty ovlivňující rozvoj PVE Podpora evropského energetického trhu s elektřinou Integrace obnovitelných zdrojů Německo, proměnlivost toků PL - změna portfolia, instalace PST na hranice s DE 1 Zdroj: ČEPS, a.s

7 Vliv VTE v Německu na rozvoj PVE MW 1 0 Zdroj: ČEPS, a.s

8 vyšší výroba 1 Zdroj: ČEPS, a.s. 8

9 nižší výroba 1 Zdroj: ČEPS, a.s. 9

10 2 Základní principy PVE Akumulace a PVE, přečerpávací vodní elektrárny 10

11 PVE přečerpávací vodní elektrárna Přečerpávací vodní elektrárna je v principu soustava dvou výškově rozdílně položených vodních nádrží spojených tlakovým potrubím, na němž je v jeho dolní části umístěna turbína s elektrickým generátorem. Ta vyrábí elektřinu pro elektrizační soustavu v době energetické špičky; v době útlumu se voda z dolní nádrže přečerpává "levnou elektřinou" do nádrže horní, kde její potenciální energie čeká na své optimální využití v "pravou chvíli". Na každou akumulovanou kwh, kterou z přečerpávací vodní elektrárny odebíráme, je nutné k načerpání vody do horní nádrže vynaložit asi 1,4 kwh

12 PVE přečerpávací vodní elektrárna Ke stabilizaci elektrizační sítě jsou PVE nezastupitelné na potřebu elektrického výkonu v síti, popř. na eventuální výpadek výkonu některé z uhelných elektráren, dokáží reagovat okamžitě. využívají své schopnosti rychlého najetí při velkém výkonu. Princip přečerpávacích vodních elektráren je perspektivní z hlediska možnosti akumulace elektrické energie. Posláním PVE v ČR (ale nejen v ČR je pracovat jako doplňkové zdroje primárních zdrojů (klasických elektráren a jaderných elektráren, JE Dukovany, JE Temelín). Přečerpávací vodní elektrárny (PVE) pokrývají špičkové zatížení a rychlé výkonové změny denního diagramu zatížení

13 Základní uspořádání PVE Třístrojové: sestava se skládá ze tří vertikálně uspořádaných strojů: turbína alternátor (motor) čerpadlo. Alternátor pracuje v čerpadlovém provozu jako motor. Dvoustrojové: vertikální uspořádání strojů obsahuje: reverzní turbínu (čerpadlo) alternátor (motor). Turbinové oběžné kolo pracuje v čerpadlovém provozu jako čerpadlo a alternátor jako synchronní motor

14 Základní uspořádání PVE V současné době se využívá hlavně dvoustrojové uspořádání tvořené synchronním strojem a čerpadlovou turbínou. Čerpadlová Francisova či Deriazova turbína mění při změně mezi turbinovým a čerpadlovým provozem i smysl otáček. Kaplanova turbína smysl otáčení zachovává, ale natáčejí se oběžné lopatky. Účinnost procesu je 60-75% a na každou akumulovanou 1 kwh je nutné vynaložit asi 1,4 kwh

15 Rozsah regulace PVE Rozsah regulace je dán součtem výkonu a příkonu soustrojí: P regul = P t + P č kde P t... turbínový provoz P č... čerpadlový provoz U PVE je velice sledovaným údajem rychlost přechodu z čerpadlového do turbínového chodu, který je zpravidla do 5 minut. 2 Pro ideální využití přečerpávací vodní elektrárny je nutné splnění několika podmínek: umístění, co nejblíže místa spotřeby, velký akumulační potenciál, co největší výškový rozdíl mezi nádržemi, ideální návrh soustrojí (má-li turbína být také čerpadlem, nebo čerpadlo má být zvlášť)

16 Účinnost PVE Účinnost PVE je dána součinem účinností jednotlivých částí elektrárny η = η tč η pč η m η č η pt η t η g η tt kde η tt...účinnost transformátoru v turbínovém provozu η tč...účinnost transformátoru v čerpadlovém provozu η m, η g...účinnost motoru, generátoru η pt, η pč...účinnost potrubí turbíny a čerpadla η t, η č...účinnost turbíny, čerpadla 2 Účinnost PVE je taky dána jako η = E t /E č kde E t...energie dodaná při výrobě [kwh] E č...energie odebraná při čerpání [kwh]

17 Znázornění palivového efektu přečerpávání Akumulace velkých objemů elektrické energie je dnes v převážné většině uskutečňováno pomocí PVE. PVE jsou velkým akumulátorem a pro dnešní energetiku v podstatě jediným možným řešením

18 3 Principy vyhledávání Vyhledávání vhodných lokalit pro PVE respektuje základní principy 18

19 Provozní požadavky na PVE Akumulační schopnost PVE je postačující v míře dané Kodexem PS, tj. PVE musí být schopna pro poskytování služby QS10 vyrábět elektrickou energii při instalovaném výkonu po dobu nejméně 4 hodin, soustrojí PVE musí být schopna dosahovat sjednanou zálohu RZQS10 v čase do 10 min od příkazu Dispečinku ČEPS. Přitom se předpokládá, že skutečné přechodové časy budou činit pro přechod z 0 na T do 100 s, z 0 na Č do 400 s, zapojení do přenosové soustavy 400/220 kv z důvodu výkonu, při návrhu celkového objemu dolní nádrže musí být splněn požadavek vytvořit další provozní objem cca 1,0 mil. m 3 nad rámec objemu pro přečerpávání, a to za účelem plnění regulace při přívalových deštích nebo povodních. Dolní nádrž tak bude možno zařadit jako důležitý ochranný prvek do integrovaného záchranného systému v lokalitě nebo regionu

20 Postup při výběru lokalit pro umístění PVE Omezující faktory Existence chráněných území (národní parky, rezervace, chráněné krajinné oblasti), Nemožnost lokalizovat dolní či horní nádrž v území z hlediska geomorfologického (možné sesuvy), Prostor dolní nádrže by vedl k zatopení důležitého území s existencí dopravní a technické infrastruktury (masívní osídlení, silnice, železnice, vedení apod.), nepřijatelnost veřejností, Nemožnost připojit k elektrizační soustavě (vhodná rozvodna 400 kv se nachází ve velké vzdálenosti od lokality PVE), případně technická omezení jako přebytek výkonu v dané lokalitě, zkratová odolnost, prostorově se nedá realizovat rozšíření Nízký spád lokality pro daný instalovaný výkon, vhodná dolní hranice je cca 200 m, případně další technické omezení (např. boční hráze)

21 Energetické parametry PVE (1) Energie akumulovaná v horní nádrži: E = m.g.h stř = ρ.g.v E. H stř Omezující faktory z toho energie využitelná při turbínovém provozu je: E T = E.η T kde: E= energie akumulovaná v horní nádrži [Ws] m= hmotnost vody v horní nádrži [kg] g= tíhové zrychlení [m.s -2 ] H stř = střední spád [m] = měrná hmotnost (hustota) vody [kg.m -3 ] V E = energetický (využitelný) objem horní nádrže [m 3 ] E T = energie využitelná při turbínovém provozu [Ws] T = účinnost při turbínovém provozu

22 Energetické parametry PVE (2) Má-li být energie E načerpána do horní nádrže za dobu nepřetržitého čerpání t č, je třeba odebírat ze soustavy po dobu t č střední příkon: P čstř = E/(t č. č ) = E T /(t č. č. T ) = E T /(t č. PVE ) kde: P čstř = t č = č = PVE = střední výkon [W] doba nepřetržitého čerpání [s] účinnost při čerpadlovém provozu celková účinnost přečerpávacího cyklu 3 Na základě podrobného vyhodnocení lokalit lze odvodit přibližný vztah: P čstř P Tmax, kde: P Tmax = P i P i = instalovaný výkon [W]

23 Energetické parametry PVE (3) Z výše uvedených vztahů lze získat pro energii využitelnou při turbínovém provozu a instalovaný výkon přibližné vztahy, které jsou dále používány v technických pasportech jednotlivých PVE: E = V E.H stř.2, ; E T = E. T ; P i = Q t. H bred. T kde: E T = energie využitelná při turbínovém provozu [MWh] V E = energetický (využitelný) objem horní nádrže [m 3 ] H stř = střední spád [m] Q t = jednotkový turbínový průtok maximální [m 3 /s] T = max. účinnost turbíny H bred = max. hrubý spád redukovaný [m] P i = jednotkový instalovaný výkon [MW]

24 Vstupní, výpočtové a výstupní údaje Vstupní a výpočtové údaje: Turbínový průtok maximální Čerpadlový průtok maximální a minimální Součtový denní provoz v turbínovém režimu Součtový denní provoz v čerpadlovém režimu Předpokládané roční nasazení PVE (zpravidla 330 dní v roce) Výstupní údaje: Energetický objem nádrží Využitelná energie vody Maximální jednotkový a celkový turbínový výkon Maximální příkon v čerpadlovém režimu 3 Tyto údaje pak slouží k dimenzování dalších rozhodujících částí PVE jak ve stavební části, tak i v technologii

25 Stavební části PVE Stavebně je každá PVE rozčleněna na tyto základní části (objekty): horní nádrž, vtokový objekt horní nádrže, přívod vody (podzemní přivaděč), strojovna PVE, odpadní tunely, dolní nádrž a její funkční objekt, ostatní doprovodné objekty

26 Zásady návrhu nádrží (1) Horní nádrž je prostor ohraničený obvodovou hrází. Velikost objemu vody závisí na hloubce a ploše dna. Sledují se parametry: h = hloubka vody v nádrži [m] R 2 = poloměr dolní podstavy komolého kužele [m] R 1 = poloměr horní podstavy komolého kužele v ose hráze [m] S dna = plocha dna nádrže [m 2 ] S pláště = plocha svahů nádrže [m 2 ] S celk = celková plocha pláště nádrže [m 2 ] L = obvod hráze v ose [m] W = kubatura hráze [tis. m 3 ]

27 Zásady návrhu nádrží (2) Přehradní profil údolní nádrže je umístěn pokud možno v nejužším místě údolí. Pro výšku hráze jsou určující energetické parametry. Přehradní profil a výška hráze jsou koncipovány tak, aby nádrž mohla plnit požadované funkce: retenční (protipovodňovou), energetickou případně rekreační. Z hlediska vodohospodářského u větších nádrží se uvažuje i nalepšování minimálního zůstatkového průtoku pod nádrží

28 Environmentální podmínky PVE Součástí posouzení environmentálních podmínek je zmapování stávajícího stavu životního prostředí. Lokality se posuzují z pohledu ochrany životního prostředí zejména v následujících oblastech: rozsah vlivů vzhledem k zasaženému území a populaci; vlivy na půdu; vlivy na krajinný ráz; vlivy na faunu, flóru a chráněná území: Soustava Natura 2000, Velkoplošná chráněná území jsou Chráněná krajinná oblast (CHKO), Národní parky (NP) Maloplošná chráněná území jsou Národní přírodní památky (NPP), Národní přírodní rezervace (NPR), Přírodní památky (PP), Přírodní rezervace (PR)

29 4 Vyhledávací studie Vyhledávací studie potenciálně nových PVE v ČR z roku

30 Výchozí posouzení Bylo nalezeno cca 55 lokalit, jejichž geomorfologie skýtala energetické využití 4 30 Zdroj: EnergoTis

31 Postupné zúžení (1) Na základě ekologických, geomorfologických a energetických parametrů došlo k zúžení počtu na 21. Majetkové a vlastnické poměry jsou dalším eliminačním faktorem. Především soukromé vlastnické struktury se mohou ukázat při majetkoprávním vypořádání jako problematické. Důležitá je i vazba na územně plánovací dokumentaci. Pořizovací (investiční) náklady jsou rozděleny na dílčí skupiny: náklady stavební části, náklady technologické části, ostatní doprovodné náklady stavby, náklady na vybudování vedení 400 kv do příslušné rozvodny Zdroj: EnergoTis

32 Investiční náklady Název PVE Výkon celkový Max. spád Stavební část Technologic ká část Ostatní náklady Celkové náklady Měrný náklad [MW] [m] tis. Kč tis. Kč tis. Kč tis. Kč Kč/kW 4 Hoštejn Červená Jáma Hřebeny Jelení hřbet Kamenný vrch Kratušín Lenora Lipno Nové 24 Heřminovy Sendraž Slavíč Slezská Harta Smědavský 37 vrch Spálená Spálov Stodůlky Stříbrná Šumný důl Velká Morava Vinice Žárový vrch Zdroj: EnergoTis

33 Postupné zúžení (2) Průběžná lhůta výstavby Ekonomická analýza Investiční náklady, Struktura tržeb, Provozní náklady, Způsob financování (půjčka, vlastní zdroje ), Z ekonomických výpočtů mají pro porovnání ekonomické výhodnosti jednotlivých lokalit největší vypovídací schopnost parametry: vnitřní výnosové procento (IRR) v %, doba návratnosti vložených investičních prostředků z CF v letech, měrné investiční náklady v Kč/kW. 4 Č. PVE Název lokality Výkon celkový Investiční náklady IRR Doba návratnosti z CF Měrný náklad MW tis. Kč % let Kč/kW 35 Slavíč ,61 7, Stodůlky ,57 7, Šumný důl ,99 8, Spálená ,88 8, Stříbrná ,63 8, Smědavský vrch ,59 9, Zdroj: EnergoTis

34 Stanovení pořadí výhodnosti Posledním eliminačním faktorem bylo environmentální hodnocení Výsle dné pořadí Č. PVE Název lokality Celkový výkon Doba návratnosti z CF Měrný náklad Vliv na ŽP MW let Kč/kW 1 35 Slavíč , Šumný důl 880 8, Spálená 888 8, Smědavský vrch 620 9, Velká Morava 536 9, Červená Jáma 674 9, Žárový vrch 590 9, Hřebeny 640 9, Hoštejn 544 9, Kamenný vrch 616 9, Jelení hřbet , Spálov , Nové Heřminovy , Sendraž , Vinice , Kratušín , Lipno , Slezská Harta , Stodůlky , Stříbrná 730 8, Lenora , Zdroj: EnergoTis

35 Zapojení do ES ČR 4 35 Zdroj: EnergoTis

36 Lokalizace doporučených PVE 4 36 Zdroj: EnergoTis

37 PVE Slavíč hlavní údaje Kraj: Moravskoslezský Okres: Frýdek-Místek Blízké sídlo: Slavíč Vodní tok: Morávka Instalovaný výkon: 4 x 281 MW (1 124 MW) Maximální hrubý spád: 444 m Energetický objem: 6,30 mil. m 3 Objem HN: 6,50 mil. m 3 Objem DN: 11,30 mil. m 3 Další funkce PVE: protipovodňová, nalepšovací Správce toku: Povodí Odry Velikost a výkon trafa: 4 x 360 MVA Vyvedení výkonu: 4,0 km dlouhé nadzemní vedení 2 x 400 kv Rozvodna: TR Nošovice 4 37 Zdroj: EnergoTis

38 PVE Slavíč vizualizace 4 38 Zdroj: EnergoTis

39 PVE Smědavský vrch hlavní údaje Kraj: Liberecký Okres: Liberec Blízké sídlo: Bílý potok Vodní tok: Smědá Instalovaný výkon: 4 x 155 MW (620 MW) Maximální hrubý spád: 199 m Energetický objem: 3,24 mil. m 3 Objem HN: 3,44 mil. m 3 Objem DN: 5,25 mil. m 3 Další funkce PVE: protipovodňová Správce toku: Povodí Labe Velikost a výkon trafa: 2 x 390 MVA Vyvedení výkonu: 46,5 km dlouhé nadzemní vedení 400 kv Rozvodna: TR Bezděčín 4 39 Zdroj: EnergoTis

40 PVE Smědavský vrch vizualizace 4 40 Zdroj: EnergoTis

41 5 Shrnutí a závěr 41

42 Shrnutí a závěr PVE je prozatím jediným známým způsobem akumulace velkých objemů energie Doba od rozhodnutí, územní plánování, projektování a příprava, výstavba, zkušební provoz až po uvedení do provozu je více než 15 let Dnešní rozhodování se projeví po roce

43 Dotazy?