Pre samosprávy, ktoré vsadili na inteligentnú energetiku

Vodná energia

 

Všeobecné informácie
Typy vodných elektrární
Časti a zariadenia vodných diel
Výber vhodných lokalít a zásady pre dimenzovanie

 

Všeobecné informácie

Voda je na Zemi a v jej atmosfére v neustálom pohybe. V dôsledku žiarenia zo Slnka sa odparuje z vodných plôch, vytvára oblaky pary a padá k Zemi vo forme dažďa alebo snehu. Množstvo energie obsiahnutej v zemskom vodnom cykle je obrovské, ale jej využitie nie je vždy jednoduché.

hydrologicky_cyklus

Voda je obnoviteľný energetický zdroj, ktorého využívanie nezaťažuje atmosféru žiadnymi emisiami. Dá sa využiť na okamžité pokrytie spotreby energie (výroba elektriny v prietočnej elektrárni) a je možné ho využiť aj na uskladňovanie energie (v prečerpávacej elektrárni, ktorá v čase menšej spotreby "ukladá" energiu čerpaním vody do zásobnej nádrže nad turbínami).

Energiou vody ľudia v minulosti poháňali mechanické zariadenia, ktoré nahradzovali namáhavú prácu napríklad pri mletí obilia. Po vyrobení vodnej turbíny na začiatku 19. storočia sa začala rýchlo presadzovať výroba elektriny v rôznych druhoch vodných elektrární.

Na tomto portáli prinášame iba informácie o malých vodných elektrárňach, ktoré môžu výborne dopĺňať iné obnoviteľné energetické zdroje na lokálnej a regionálnej úrovni, ak sú vhodne a citlivo navrhnuté. Nevenujeme sa tu veľkým vodným dielam, ktoré sú veľmi investične náročné a výrazne negatívne ovplyvňujú životné prostredie a komunity.

Najnovšie technológie výroby elektriny z vody využivajú energiu morského prílivu, morských vĺn alebo teplotného rozdielu vody v oceánoch. Z týchto druhov vodnej energie len energia morského prílivu nie je výsledkom aktivity Slnka, ale je spôsobovaná príťažlivou silou mesiaca. Energia morských vĺn je priamym dôsledkom sily vetra, ktorý je spôsobovaný činnosťou slnka.

 

Typy vodných elektrární

Energiu z vody je možné získať premenou jej prúdenia (t.j. pohybovej alebo kinetickej energie), tlaku (potenciálnej alebo tlakovej energie) alebo oboch týchto energií súčasne vo vhodnom úseku vodného toku najprv na mechanickú prácu a potom na elektrickú energiu. Túto premenu zabezpečuje vodná elektráreň (sústava stavebných a strojných zariadení).

Podľa spôsobu využitia vodnej energie rozlišujeme rôzne typy vodných elektrární.

  • Kinetická energia je daná rýchlosťou prúdenia vodných tokov, pričom rýchlosť vody závisí od spádu toku. Kinetickú energiu v minulosti premieňali vodné kolesá na mechanickú prácu, dnes sa v turbínach typu Banki a Pelton mení na elektrickú energiu.
  • Potenciálna energia vzniká v dôsledku gravitácie a závisí od výškového rozdielu hladín. Využíva sa pomocou turbín typu Kaplan, Francis, Reiffenstein a rôznych typov turbín vrtuľových a čerpadiel v turbínovej prevádzke.

Podľa výkonu sa vodné elektrárne rozdeľujú na veľké (nad 5 MW) a malé (do 5 MW). Z podľadu samospráv má význam venovať sa malým vodným elektrárňam (MVE), pretože výstavba veľkých vodných diel je investične mimoriadne náročná. Podľa polohy voči vodnému toku môžu byť MVE umiestnené priamo na toku alebo mimo neho (derivačné).

MVE umiestnené na toku

MVE_na_tokuMVE využíva rozdiel hladín medzi bodmi A a B. Potrebný spád sa získa vzdutím vody na hati. Strojovňa tohto typu MVE stojí priamo na brehu hlavného toku. Voda na pohon turbíny sa odoberá na hati a za strojovňou sa vracia do toku. Hať musí byť vysoká. Pri tomto riešení nie je potrebný dlhý náhon a odpadový kanál.

Takáto MVE je vhodná pri malých spádoch a veľkých prietokoch, obyčajne v nížinách. Akumuláciu vody možno využíť iba v rámci vzdutia hladiny haťou.

V porovnaní s derivačnou MVE toto riešenie si nevyžaduje veľkú plochu zastavaných pozemkov. Prevádzkové priestory sú konštrukčne jednoduché, ale sú vystavené riziku povodní. Stavbu i opravy je potrebné realizovať počas trvalého prietoku vody v toku.


Derivačné MVE

MVE aj v tomto prípade využíva rozdiel hladín medzi bodmi A a B. Strojovňa MVE stojí mimo pôvodný vodný tok. Voda sa k nej privádza pomocou náhonu a späť do toku sa vracia odpadovým kanálom. Okrem hate a odberného objektu nie sú na hlavnom toku ďalšie stavby a zásahy. Hať nemusí byť taká vysoká ako v predchádzajúcom prípade. Je potrebná iba na to, aby ňou bolo možné vodu odoberať do náhonu (stačí výška 20 cm a viac).

MVE_derivacna

Potrebný spád pre pohon turbíny sa získa takmer vodorovným vedením náhonu, zatiaľ čo pôvodné riečište klesá rýchlejšie. Podobne sa rieši aj odpadový kanál. Preto je hladina vody pod turbínou oveľa nižšie než je hladina v bode C.

Takto sa doteraz navrhovala väčšina MVE. Ich výhodou bolo, že k prevádzkovému objektu sa privádzal iba potrebný objem vody a preto bol objekt počas povodní lepšie chránený. Výraznou nevýhodou však bola náročná údržba dlhého náhonu.

Členitý terén neraz vyžadoval zložitejšie, ale efektívne kaskádové riešenia, pri ktorých náhon privádzal vodu odobratú z hlavného toku do niekoľkých MVE alebo vodných mlynov pod sebou. Náklady na stavbu a údržbu hate prípadne akumulačnej nádrže sa tak rozložili medzi viacerých majiteľov vodných diel a voda vyčištená na prvých česlách slúžila všetkým.

Podľa veľkosti spádu rozdeľujeme derivačné MVE na nízkotlakové (spád do 8 m) a vysokotlakové (spád nad 8 m).

mve_mala
Nízkotlaková MVE

mve_vysoka
Vysokotlaková MVE


Mikroturbíny

Pretože väčšina vhodných lokalít pre výstavbu MVE je už obsadená, pozornosť sa obracia aj na miesta, kde inštalácia elektrárne dosiaľ nebola technicky možná alebo ekonomicky výhodná. Mikroturbíny sú zariadenia s výkonom menším ako 1 000 W. Sú schopné zabezpečiť energiu pre jednu domácnosť vybavenú energeticky úspornými spotrebičmi. Mikroturbíny sa umiestňujú v lokalitách, kde je buď malý spád (do 2 m), nedostatočný prietok vody (do 20 l/s) alebo oboje.

Mikroturbíny majú veľkosť prenosného kufríka vybaveného alternátorom produkujúcim jednosmerný prúd. Typická mikro-vodná elektráreň využíva časť vodného toku privádzanú do zásobníka, ktorým môže byť napr. 200 litrový sud. Sud funguje ako usadzovacia nádrž filtrujúca vodné nečistoty. Voda zo suda je k turbíne privádzaná potrubím s priemerom 5 až 10 cm a po vypustení z turbíny je odvádzaná naspäť do vodného toku. Dôležité je dbať na presný výpočet dĺžky a priemeru potrubia, lebo práve tam dochádza k najväčším stratám energie. Použitie dlhých potrubí s malým priemerom v dôsledku zvýšeného trenia zbytočne znižuje výkon zariadenia. Preto sú investície do kvalitného potrubia a turbíny zvyčajne efektívnejšie než investície do kvalitných batérií.

Dodávajú sa v dvoch verziách. Jedna využíva alternátor podobný zariadeniu v automobiloch, druhá využíva permanentný magnet. Zariadenia s alternátorom sú vhodné pre väčšie systémy (100 až 1000 W), kým permanentné magnety sa používajú pre systémy s výkonom menším ako 80 W. Mikroturbíny sa často využívajú na dobíjanie série batérií. Batérie sú dobíjané okamžite po odbere energie z nich a preto nie je potrebné používať tzv. solárne batérie s hlbokým cyklom vybíjania, ale stačí použiť klasické automobilové batérie, ktoré sú lacnejšie.

 

Časti a zariadenia vodných diel

Vodné dielo je sústava stavebných a strojných zariadení, ktoré premieňajú energiu vody na elektrickú energiu. Premena sa však uskutočňuje iba vo vodnom motore (turbíne), zatiaľ čo úlohou ostatných častí je dopraviť k motoru s minimálnym odporom potrebné množstvo neznečistenej vody a maximálne zachovať získaný spád.

Vzdúvacie zariadenia (hrádze, hate a stavidlá) slúžia na zvýšenie vodnej hladiny v toku a na usmernenie vody do privádzača.

Hrádze sa vyznačujú obvykle väčšou výškou vzdúvania, väčším objemom zadržanej vody a plochou zaplavovaného územia. Ich výstavba len na prevádzkovanie malých vodných elektrární je z ekologického aj ekonomického hľadiska zväčša neúnosná, avšak využitie už existujúcich hrádzí môže byť ekonomicky veľmi výhodné. Napríklad u základových výpustov nádrží je nutné meniť energiu pretekajúcej vody, napríklad inštaláciou rozstrekovacích uzáverov. Pritom túto funkciu môže čiastočne prebrať vodná turbína. Ďalšia možnosť je inštalácia vodnej turbíny na privádzače pitnej vody.

Stavidlá a hate zabezpečujú v porovnaní s hrádzam menšiu výšku vzdúvania a podstatne menší objem zadržanej vody. Náklady na ich výstavbu rastú s ich šírkou. Pri širších tokoch sú nákladné, lebo pri stavbe vyžadujú špeciálnu mechanizáciu. Pri nížinných tokoch je zachovalé stavidlo väčšinou nutnou podmienkou výstavby MVE.

Privádzače (náhony) sústreďujú spád do miesta inštalácie vodnej turbíny. Beztlakové privádzače (náhony, kanály) sa budujú prevažne výkopom v teréne. Náklady závisia od dĺžky, priečnej svahovitosti terénu, typu zeminy a s tým súvisiaceho druhu opevnenia stien koryta. Najvýhodnejšia je oprava pôvodného náhonu, prípadne voľba rovnakej trasy z dôvodu jednoduchšieho získavania a zamerania pozemku. Tlakové privádzače sú najčastejšie zhotovené z oceľových rúr, prípadne zo železobetónu. Merné náklady na ich výstavbu sú vyššie než u beztlakových náhonov, najmä pri tokoch podhorských a horských. Ekonomicky môžu byť výhodnejšie než beztlakové iba pri veľkom pozdĺžnom spáde toku, preto sa realizujú čo najkratšie. Často sa oba typy privádzačov kombinujú, aby sa dosiahol maximálny spád a minimálne náklady.

Česlá (hrablice) zhotovované prevažne ako mreža z pásovej ocele zabraňujú vniknutiu vodou unášaných nečistôt do turbíny. Obyvkle sú pred turbínou najmenej dve česlá: hrubé a jemné, často s automatickým čistením.

V strojovni je umiestnené strojové a elektrotechnické zariadenie elektrárne. Stavebná časť turbíny (základy, betónová špirála atd.) spolu so strojovou časťou tvoria elektráreň ako celok. Pri voľbe typu turbíny je nutné zohľadniť rozmery a konštrukciu stavebnej časti, pretože drahšie strojové vybavenie môže svojou kompaktnosťou celkové investičné náklady znížiť.

Odpadové kanály vracajú vodu do pôvodného koryta. Budujú sa čo najkratšie, takže náročnosť ich výstavby a prevádzkové náklady sú oproti ostatným častiam vodnej elektrárne skoro bezvýznamné. Pri dlhších kanáloch je treba posúdiť podobné kritériá ako pri beztlakových privádzačoch.

Vodné koleso je dnes už historický vodný motor, ktorý môže nájsť uplatnenie najmä pre spády do 1 m a prietoky až do niekoľko m3/s. Výroba je vždy individuálna.

Kaplanova turbína je klasická pretlaková turbína. V základnom prevedení je výborne regulovateľná, ale výrobne náročná. Dnes ju vyrába viacero firiem v Českej republike s rôznymi úpravami regulácie aj dispozičným usporiadaním (kolenové alebo priamoprúdové turbíny). Je použiteľná pre spády od 1 do 20 m, prietoky 0,15 až niekoľko m3/s, niekedy až niekoľko desiatok  m3/s. Vhodná je predovšetkým pre stavidlové a riečne elektrárne.

Francisova turbína je v minulosti najpoužívanejšia pretlaková turbína vhodná pre takmer celé spektrum prietokov a spádov. Na rekonštruovaných MVE je možné vidieť ju už od spádu 0,8 m. Jej oprava sa oplatí najmä od spádu 3 m. Inštalácia nových turbín v MVE sa dnes obmedzuje na spády od 10 m a pre väčšie prietoky (vyššie výkony).

Bánkiho turbína je rovnotlaková turbína s dvojnásobným prietokom obežného kolesa. Výrobne je nenáročná. Turbíny sú podľa veľkosti použiteľné pre spády 5 až 60 m a prietoky 0,01 až 0,9 m3/s.

Peltonova turbína je rovnotlaková turbína vhodná pre spády nad 30 m. Využiteľné prietoky sú od 0,01 m3/s (10 l/s). Lacnejšou náhradou môžu byť v niektorých prípadoch sériovo vyrábané odstredivé čerpadlá v reverznom chode použité za cenu nižšej účinnosti.

Turbína SETUR pracuje na princípe rotora, ktorý sa pohybuje po vnútornom povrchu statora. Možno ju využiť pre spády od 3,5 do 20 m a prietoky od 4 l/s do 20 l/s.

 

Výber vhodných lokalít a zásady pre dimenzovanie 

Lokality pre výstavbu nových MVE treba vyberať veľmi citlivo a dôsledne pri tom rešpektovať limity prírodného prostredia. Pri ich plánovaní možno využiť miesta bývalých vodných mlynov a píl. Zvyšky bývalého vodného diela (odtokový kanál, stavidlo a ďalšie časti) môžu výrazne znížiť náklady na výstavbu MVE. Vďaka technológii tzv. mikroturbín možno využiť aj toky s veľmi malým energetickým potenciálom alebo aj vodovodné zariadenie.

Ďalšou možnosťou je inštalácia moderných a účinnejších turbín a agregátov v existujúcich MVE. V prevádzke sú totiž aj storočné zaradenia, čo svedčí o precíznosti práce našich predkov. Moderné technológie však umožňujú využiť vodný potenciál efektívnejšie a energetická produkcia môže byť až o niekoľko desiatok percent vyššia.

Pre posudzovanie vhodnosti konkrétnej lokality z pohľadu využiteľnosti vodnej energie sú rozhodujúce dva základné parametre: využiteľný spád a prietokové množstvo vody v danom vodnom profile.


Spád

Spád je výškový rozdiel vodných hladín. V praxi sa väčšinou rozlišujú dva druhy spádov: 

  • Hrubý (celkový) spád Hb je celkový statický spád daný rozdielom hladín pri nulovom prietoku vodnou elektrárňou. Pre veľmi hrubé odhady ho možno určiť z mapy. Spád možno stanoviť výškovou niveláciou na úseku od vtokového objektu (nad stavidlom), po úroveň spodnej hladiny na odpade z turbíny. Pre relatívne presný odhad postačí latka s centimetrovým delením. Presné meranie, najmä u dlhších privádzačoch, možno objednať u špecialistu.
  • Využiteľný (čistý) spád H sa líši od hrubého spádu odčítaním hydraulických strát, ktoré vznikajú tesne pred vodným motorom a za ním (v privádzači a odpade) vplyvom poklesu hladiny hornej vody pri prevádzke, vplyvom vzdúvania hladiny spodnej vody a ďalej zmenami smeru toku a objemovými stratami (v česliach, v privádzacom kanáli, v potrubí a podobne).


Prietok

Prietok je množstvo vody, ktoré pretečie za časovú jednotku v danom využiteľnom profile. Presný prietok na tokoch sa dá zistiť z databáz Slovenského hydrometeorologického ústavu alebo z údajov príslušnej správy toku ako tzv. dlhodobý priemerný prietok Qa, N-ročné prietoky a M-denné prietoky.

prietoky_a_vykony1

Na stanovenie využiteľnej energie vody sú najdôležitejšie M-denné prietoky (krivka prekročenia prietoku v priemernom vodnom roku alebo M-denná odtoková závislosť). Tieto hodnoty udávajú prietok zaručený v danom profile toku po určitý počet dní. Údaje sa uvádzajú číselne v obvyklom členení po 30 dňoch v roku.

MVE sa obvykle dimenzujú na 90-dňový až 180-dňový priemerný prietok v závislosti od úrovne plánovanej technológie – najmä schopnosti turbíny prispôsobiť sa reguláciou zmenám prietokov. Pre výpočet využiteľného prietoku v elektrárni je potrebné počítať s minimálnym sanačným prietokom pôvodným korytom. Sanačné množstvo býva stanovené vo vodoprávnom konaní a zodpovedá obvykle 330, 355 alebo 364-dňovému dennému prietoku vody, ktorý je nevyhnutné ponechať v riečišti a nemožno s ním kalkulovať pre energetické využite.

 

 

 


 Ročná odtoková závislosť a výkon dosiahnutý v priebehu roka. © EkoWATT


Ďalšie potrebné údaje

Na posudzovanie vhodnosti konkrétnej lokality sú ešte dôležité nasledujúce parametre:

  • možnosť umiestnenia vhodnej technológievhodné geologické podmienky a dostupnosť lokality pre ťažké mechanizmy, prípadne vhodnosť pre vybudovanie potrebnej spevnenej komunikácie
  • vzialenosť od prípojky VN alebo VVN s dostatočnou kapacitou
  • minimalizácia možného rušenia obyvateľov hlukom, inak je nutné uskutočniť odhlučnenie
  • miera zásahu do okolitej prírody a vhodné začlenenie do reliéfu lokality, záťaž pri výstavbe elektrárne a budovaní prípojky, ohrozenie vodných živočíchov
  • dodržovanie odberu dohodnutého množstva vody (využitím spoľahlivého automatického riadenia s hladinovou reguláciou sa vylúči nevhodný vplyv obsluhy MVE)
  • spôsob odstraňovania naplavenín vyťažených z vody – je nutné zabezpečiť ich odvoz a likvidáciu
  • majetkoprávne vzťahy k pozemku – vlastníctvo alebo dlhodobý prenájom pozemku, postoj miestnych úradov

Pri dôslednom zohľadnení uvedených aspektov by MVE nemala svojou prevádzkou vážne narušiť životné prostredie vo vybranej lokalite. Je dôležité prísne sledovať dodržiavanie odberu vody z pôvodného koryta a zabezpečiť, aby nedošlo k zníženiu požadovaného minimálneho (tzv. sanačného) množstva vody cez stavidlo.


Hodnotenie lokality


Predbežný odhad dosiahnuteľného výkonu MVE:    
P = k . Q . H

P  je výkon [kW]
Q  je prietokové množstvo vody, priemerný prietok [m3/s]H je spád využiteľný turbínou v [m]
k  je konštanta uvádzaná v rozsahu 5-7 pre malé vodné elektrárne, 8-8,5 pre stredné a veľké; jej veľkosť ovplyvňuje účinnosť agregátu a technickú úroveň použitej technológie

Množstvo vyrobenej elektriny vo vodnej elektrárni:     E = P . T

E  je množstvo vyrobenej energie počas roka [kWh]
P  je výkon [kW]
T  je počet prevádzkových hodín počas roka [h]

Počet prevádzkových hodín počas roka sa stanoví podľa počtu dní M, v ktorých môže turbína so zvoleným regulačným rozsahom pracovať (aspoň 4 000 h).


Legislatívne podmienky prevádzky MVE

Na prevádzku MVE je nutné získať licenciu pre podnikanie v energetike (živnostenský list sa nevydáva). Pokiaľ nemá prevádzkovateľ vzdelanie v obore, je nutné absolvovať rekvalifikačný kurz (pre MVE do 1 MW). Počas prevádzky MVE je nevyhnutné dodržať najmä podmienky, ktoré stanovil vodoprávny úrad v povolení k nakladaniu s vodami – najmä dodržiavanie odberu dohodnutého množstva vody. Nedodržiavanie minimálneho prietoku cez stavidlo je pokutovateľné. Dôležité je aj odstraňovanie zachytených naplavenín na česliach (hlavne dreva a lístia, ale aj rôznych odpadkov) a zabezpečenie ich odvozu a likvidácie, pretože hádzanie naplavenín naspäť do toku je zakázané. Rušeniu obyvateľov hlukom sa dá predchádzať dobrým technickým návrhom MVE.

 

 
 

energoplan3