Domů
Elektřina
Vodní elektrárny - princip, rozdělení, elektrárny v ČR

Vodní elektrárny - princip, rozdělení, elektrárny v ČR

Vodní elektrárny se řadí mezi obnovitelné zdroje energie, což je dáno využíváním hydrologického cyklu, neboli stálého koloběhu vody na Zemi. Původem této energie je sluneční záření dopadající na naši planetu. Neprodukují při výrobě elektřiny žádné emise a jsou tedy vhodným energetickým zdrojem v moderním pojetí energetiky, které se vyznačuje snahou o snížení emisí skleníkových plynů.

Je možné je konstruovat od těch nejmenších průtočných elektráren o výkonech v řádu desítek kW až po megalomanské přehradní elektrárny s výkony v řádu tisíců MW. Navíc se pyšní schopností rychlého najetí na plný výkon a mohou sloužit jako zdroje pro start ze tmy, neboli „nastartovat“ celou soustavu po blackoutu.

Ve vodních elektrárnách je využíváno energie vodních toků v podobě potenciální a kinetické energie.

Potenciální energie – polohová, tlaková energie. Vzniká důsledkem působení gravitace a závisí na spádu neboli výškovém rozdílu hladin.

Kinetická energie – závisí na rychlosti proudění toku.

V České republice nejsou podmínky pro budování velkých obnovitelných děl ideální především z důvodu nedostatečného spádu a množství vody. Podíl vodních elektráren na celkové výrobě je tedy poměrně nízký a využívá se spíše jejich schopnosti rychlého najetí na vysoký výkon a tedy jejich příznivý vliv na regulaci elektrizační soustavy.

Princip funkce vodní elektrárny

Přitékající voda předává svou kinetickou, resp. potenciální energii turbíně, která roztáčí generátor připojený ke společné hřídeli. Rotační energie se v generátoru mění na základě elektromagnetické indukce na energii elektrickou. Soustrojí turbíny a generátoru dohromady tvoří tzv. turbogenerátor.

Výkon turbíny závisí na velikosti spádu, průtoku vody turbínou a její účinnosti.

P = ρ Q g H μ      [W],

kde ρ je hustota vody [1000 kg/m], Q průtok [l/s], g tíhové zrychlení [m∙s-2], H spád [m] a μ účinnost turbíny

Vodní turbíny

Pracovním prvkem turbín je oběžné kolo, ve kterém je u rovnotlaké turbíny využívána kinetická energie, v případě přetlakové turbíny z části i tlaková energie vody. Vodní elektrárny vyžadují využití turbín mnoha typů a rozměrů v závislosti na podmínkách konkrétní instalace.

 

Charakteristika turbín v závislosti na spádu a průtoku. Zdroj: ekowatt.cz

Rozdělení turbín z hlediska způsobu přenosu energie

Rovnotlaké – tlak vody se při průchodu vody nemění, využívá se tedy pouze kinetické energie vody. Rovnotlaké turbíny jsou označovány jako akční turbíny.

Přetlakové – tlak vody je před oběžným kolem větší než za ním, v tomto případě je tedy částečně využita i tlaková energie vody. Přetlakové turbíny jsou označovány jako reakční.

Rozdělení turbín z hlediska polohy hřídele

  • horizontální
  • vertikální
  • šikmé
  • Nejčastější typy vodních turbín

    Francisova turbína – jedná se o nejdéle používaný typ moderní turbíny. Využívá se pro velké průtoky a spády a umožňuje využití jako čerpadlová turbína v přečerpávacích vodních elektrárnách, kdy při opačném směru otáčení funguje jako čerpadlo. Řadí se mezi přetlakové turbíny s radiálně-axiálním prouděním vody skrze oběžné kolo. Regulace je zajištěna pomocí natáčivých rozváděcích lopatek.

    Francisova turbína. Autor: SeppVei

    Kaplanova turbína – tato turbína vznikla vylepšením vrtulové turbíny profesora Kaplana a konstrukčně je složitější než Francisova. Jedná se o přetlakovou axiální turbínu. Lopatky oběžného kola je možné regulovat hydraulicky, případně mechanicky u menších turbín, Kaplanova turbína díky tomu dosahuje vysoké účinnosti v širokém pásmu průtoků.

    Kaplanova turbína. Autor: Bene16

    Peltonova turbína – rovnotlaká turbína využívající tzv. dýzy, ve které se tlaková energie vody mění na kinetickou energii paprsku vstřikovaného na lopatky turbíny. Regulace je zajištěna změnou výtokového otvoru dýzy. Lopatky jsou korečkového typu (miskovitý tvar) a jsou umístěny po obvodu turbíny. Díky svému tvaru je vhodná pro velké spády.

    Peltonova turbína. Autor: High Contrast

    Bánkiho turbína – rovnotlaká turbína využívaná pro malé a střední spády. Zajímavostí u této turbíny je, že voda prochází přes lopatky dvakrát, při vstupu do oběžného kola a následně i při jeho opuštění.

    Bankiho turbína

     

    Rozdělení vodních elektráren

    Podle instalovaného výkonu

    • malé (MVE) –  do 10 MW
    • střední – do 100 MW
    • velké – nad 100 MW
    • Podle využívaného spádu

      • nízkotlaké – spád do 20 m
      • středotlaké – spád od 20 do 100 m
      • vysokotlaké – spád nad 100 m
      • Podle využití vodního toku

        Průtočné vodní elektrárny

        Průtočná vodní elektrárna využívá přirozený průtok řeky, který nelze ovlivňovat. Při překročení průtoku, na který je elektrárna dimenzována (závislý na hltnosti turbíny) je přebytečné množství vody odvedeno bez využití.

        Průtočné elektrárny se následně dělí na jezové a derivační.

        Jezové vodní elektrárny využívají jezu pro vzedmutí hladiny a soustředění spádu. Spád se v tomto případě pohybuje mezi 10-20 m a jedná se tedy o nízkotlaké vodní elektrárny.

        Derivační elektrárny využívají derivačního přivaděče (potrubí, kanálu, štoly), který odvádí vodu z koryta řeky k turbíně vodní elektrárny. Následně je voda odpadním kanálem vrácena zpět do řečiště. Derivačního kanálu se využívá takovým způsobem, aby se část řeky zkrátila a tím se zvýšil využívaný spád.

        Využití derivačního kanálu. Zdroj: ČEZ

        Průtočné elektrárny jsou z důvodu nemožnosti regulace průtoku vody, resp. její nehospodárnosti využívány pro pokrytí základního zatížení.

        Akumulační vodní elektrárny

        Akumulace vody a spád je zajištěn přehrazením řeky přehradní hrází. Bývají umístěny ihned pod přehradou – přehradní vodní elektrárny, případně jsou s přehradou spojeny tlakovým přivaděčem – přehradní derivační vodní elektrárny.

        Akumulační elektrárny využívají řízeného odběru vody z akumulační nádrže podle potřeb elektrizační soustavy. Pokrývají pološpičkové (elektrárny s denní akumulací), či špičkové zatížení (vysokotlaké akumulační elektrárny).

        Mimo akumulace elektrické energie stabilizují vodní toky a chrání tak před povodněmi. Nádrže jsou také v mnoha případech zdrojem pitné vody pro vodárny, či technologické vody pro průmysl a zemědělství.

         

        Přehrada Lake Powell v Arizoně

        Přečerpávací vodní elektrárny

        Přečerpávací vodní elektrárny slouží jako akumulátor elektrické energie z jiných zdrojů a pokrývají špičkové zatížení.

        Využívají dvou různě výškově položených vodních nádrží a akumulují energii v podobě potenciální energie vody. Ta je čerpána do výše položené nádrže za využití přebytečné elektrické energie především při vysoké výrobě obnovitelných zdrojů. Při potřebě elektrické energie naopak voda proudí skrz turbínu a generátor v tomto případě dodává energii do elektrizační soustavy.

        Akumulace může být řešena uměle, tzn. veškerá voda je čerpána z dolní nádrže, nebo smíšeně, kdy část vody proudí do horní nádrže přirozeným způsobem z říčních toků.

        Více o principu a uspořádání přečerpávacích vodních elektráren v tomto článku.

        Slapové (přílivové) vodní elektrárny

        Slapové neboli přílivové elektrárny využívají slapové energie způsobující příliv a odliv. Jinak řečeno je využíváno kinetické energie vody při jejím pohybu při přílivu a odlivu. Na výšku přílivu a odlivu a tedy i energetický potenciál lokality má zásadní vliv tvar pobřeží. Největší rozdíl hladin při přílivu je u Nového Skotska v USA, kde dosahuje 20 m).

        Tento druh elektráren není v současné době využíván ve větším měřítku, důvodem je především technologická náročnost, jelikož je ve většině projektů nutné využít inovativních technologií a jsou vyžadovány specifické požadavky na lokality. Navíc doba přílivu a odlivu často nesouhlasí s dobou kdy je elektrická energie potřeba a vhodné lokality jsou v mnoha případech ve velkých vzdálenostech od místa spotřeby. Přesto je tato technologie vnímána jako nadějný energetický zdroj budoucnosti.

        Vodní elektrárny v ČR

        V České republice bylo k 30. září 2016 v provozu 9 velkých vodních elektráren (instalovaný výkon nad 10 MW) s celkovým instalovaným výkonem 753 MW a 1 614 malých vodních elektráren (MVE) s celkovým instalovaným výkonem 348 MW. Kromě klasických vodních elektráren jsou v ČR provozovány 3 přečerpávací vodní elektrárny s celkovým instalovaným výkonem 1 175 MW.

        V následující tabulce jsou uvedeny všechny české velké vodní elektrárny a přečerpávací vodní elektrárny.

        ElektrárnaTypInst. výkon (MW)SpuštěníŘekaKrajProvozovatel
        Dlouhé StráněPřečerpávací6501996Divoká DesnáOlomouckýČEZ
        DalešicePřečerpávací4801978JihlavaVysočinaČEZ
        OrlíkAkumulační3641961-1962VltavaStředočeskýČEZ
        SlapyAkumulační1441954-1955VltavaStředočeskýČEZ
        Lipno IAkumulační1201959VltavaJihočeskýČEZ
        Štěchovice IIPřečerpávací451947VltavaStředočeskýČEZ
        KamýkAkumulační401961VltavaStředočeskýČEZ
        Štěchovice IAkumulační22,51943-1944VltavaStředočeskýČEZ
        StřekovPrůtočná19,51936LabeÚsteckýČEZ
        Vranov nad DyjíAkumulační18,91934DyjeJihomoravskýE.ON
        VranéAkumulační13,81936VltavaStředočeskýČEZ
        NechraniceAkumulační101968OhřeÚsteckýPovodí Ohře

        Velké vodní elektrárny a přečerpávací vodní elektrárny v ČR

        V roce 2015 vyrobily vodní elektrárny v ČR 1 795 GWh elektřiny, z čehož 1 002 GWh vyrobily MVE. Zatímco výroba klasických vodních elektráren v ČR má v posledních 10 letech kolísavý charakter, u PVE lze pozorovat jasně rostoucí trend spojený zejména s potřebou regulace nestálé výroby z intermitentních OZE.

        Na následujícím grafu je dále zachycen rozvoj malých vodních elektráren v Českém republice. Z grafu je patrné, že počet MVE se za posledních 15 let zvýšil zhruba o 1000. Instalovaný výkon těchto elektráren vzrostl ve stejném období přibližně o 167 MW.

        var options = {

        "chart": {

        "type": "line",

        "height": 400,

        "width": 675

        },

        "series": [

        {

        "type": "column",

        "index": 0,

        "name": "Počet provozoven",

        "data": [

        [

        2002,

        611

        ],

        [

        2003,

        1137

        ],

        [

        2004,

        1211

        ],

        [

        2005,

        1297

        ],

        [

        2006,

        1326

        ],

        [

        2007,

        1387

        ],

        [

        2008,

        1395

        ],

        [

        2009,

        1409

        ],

        [

        2010,

        1448

        ],

        [

        2011,

        1470

        ],

        [

        2012,

        1501

        ],

        [

        2013,

        1558

        ],

        [

        2014,

        1589

        ],

        [

        2015,

        1615

        ]

        ]

        },

        {

        "index": 1,

        "name": "Instalovaný výkon [MW]",

        "data": [

        [

        2002,

        181.6

        ],

        [

        2003,

        218.6

        ],

        [

        2004,

        225.4

        ],

        [

        2005,

        270.9

        ],

        [

        2006,

        259.1

        ],

        [

        2007,

        271.5

        ],

        [

        2008,

        275.9

        ],

        [

        2009,

        282.1

        ],

        [

        2010,

        296

        ],

        [

        2011,

        298.1

        ],

        [

        2012,

        312.3

        ],

        [

        2013,

        327.8

        ],

        [

        2014,

        342.7

        ],

        [

        2015,

        348.2

        ]

        ]

        }

        ],

        "title": {

        "text": "Malé vodní elektrárny v ČR"

        },

        "yAxis": {

        "title": {

        "text": "[-], [MW]"

        }

        },

        "credits": {

        "text": "OEnergetice.cz",

        "href": null

        }

        };

        Highcharts.chart('mve-v-cr',options);

        var options = {

        "chart": {

        "type": "line",

        "height": 400,

        "width": 675

        },

        "title": {

        "text": "VE a PVE v ČR"

        },

        "yAxis": {

        "title": {

        "text": "[GWh]"

        }

        },

        "credits": {

        "text": "OEnergetice.cz",

        "href": null

        },

        "series": [

        {

        "index": 0,

        "name": "Vodní elektrárny bez PVE",

        "data": [

        [

        2006,

        2550.6

        ],

        [

        2007,

        2089.6

        ],

        [

        2008,

        2024.3

        ],

        [

        2009,

        2429.6

        ],

        [

        2010,

        2789.4

        ],

        [

        2011,

        2134.1

        ],

        [

        2012,

        2231.5

        ],

        [

        2013,

        2856.4

        ],

        [

        2014,

        1909.2

        ],

        [

        2015,

        1794.8

        ]

        ]

        },

        {

        "index": 1,

        "name": "PVE",

        "data": [

        [

        2006,

        706.7

        ],

        [

        2007,

        434.1

        ],

        [

        2008,

        352

        ],

        [

        2009,

        553.1

        ],

        [

        2010,

        591.2

        ],

        [

        2011,

        700.9

        ],

        [

        2012,

        731.4

        ],

        [

        2013,

        905.3

        ],

        [

        2014,

        1051.5

        ],

        [

        2015,

        1276

        ]

        ]

        }

        ]

        };

        Highcharts.chart('ve-pve-v-cr',options);

        Komentáře

        (4)

        Barbora Hartmanová

        4. červen 2020, 22:58

        Dobrý den, mám prosbu. Pro vytvoření prezentace do školy bych potřebovala graf o zvýšení výroby energie v malých vodních elektrárnách za posledních 15 let. V článku píšete, že má být graf níže, ale tam jsem bohužel žádný graf nenašla. Mohli byste mi prosím poslat případně odkaz? Předem děkuji.

        energetik

        5. červen 2020, 07:55

        Výroba ve vodních elektrárnách je závislá na množství srážek. Sucho je stále větší a výroba z vody je tedy stále menší.

        Zkuste OTE - statistika - Národní energetický mix a nebo Statistika POZE, ale tam nemusí být všechny zdroje.

        Nebo ERÚ - elektřina - Statistika a sledování kvality - Zprávy o provozu elektrizační soustavy

        ale zde už také nemusí být všechny zdroje, hlavně ty malé do 10kW tam už většinou nejsou.

        Carlos

        5. červen 2020, 08:08

        Existuje ročenka provozu elektrizační soustavy, tam by to mohlo být, ale bude to přepisování do excelu a pátrání po datech. Buď je to na stránkách ERÚ, nebo OTE.

        Emil

        5. červen 2020, 08:36

        V ročence tyto údaje jsou, ale s rozdělením podle instalovaného výkonu na malé, střední a velké bohužel jen od roku 2014. Dohledat 15 let zpátky bude asi trochu složitější.

        Přidat komentář

        Vaše emailová adresa nebude zveřejněna u komentáře
        Vyžadované informace jsou označeny *
        Pravidla diskuze
        Veškeré příspěvky v diskuzi na webu oEnergetice.cz musí splňovat Pravidla diskuze. Přidáním příspěvku do diskuse uživatel vyjadřuje souhlas s těmito pravidly a zavazuje se je dodržovat.
        Komentáře pouze pro přihlášené uživatele
        Upozorňujeme diskutující, že komentáře v diskuzi budou moci přidávat již brzy pouze přihlášení uživatelé. V diskuzi se stále častěji objevují příspěvky od anonymních uživatelů, které porušují pravidla diskuze. Věříme, že díky tomuto opatření bude diskuze pod články pro všechny přínosnější.
        Pokud ještě účet nemáte, je možné si jej vytvořit na stránce registrace. Pokud již účet máte, přihlaste se do něj na této stránce.
        V uživatelské sekci pak můžete najít poslední vaše komentáře.
        OM Solutions s.r.o.
        Kpt. Nálepky 620/7, Nové Dvory, 674 01
        Třebíč
        IČ: 02682516
        SOCIÁLNÍ SÍTĚ
        © 2021 oEnergetice.cz All Rights Reserved.