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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ekonomika výroby elektřiny ve vodních elektrárnách

Výstavba vodní elektrárny vyžaduje významnou počáteční investici. Investiční náklady zahrnují výstavbu přehrady, zajištění lokality, nákup generátorů, turbín a infrastruktury pro vyvedení výkonu z elektrárny do přenosové nebo distribuční soustavy. Tyto náklady se mohou zásadně lišit v závislosti na velikosti a typu vodní elektrárny a také geografické poloze.

Hlavní ekonomickou výhodou vodních elektráren jsou minimální provozní náklady, a to především díky absenci palivových nákladů. Ve srovnání s jinými elektrárnami tak mají podstatnou výhodu na trhu s elektřinou, kde jsou vodní elektrárny schopné nabízet elektřinu za podstatně nižší ceny než její konkurenti (zejména palivové elektrárny).

Další výhodou akumulačních vodních elektráren je schopnost regulovat množství dodávaného výkonu v závislosti na vývoji cen elektřiny na velkoobchodním trhu. Díky tomu mohou elektřinu nabízet na trhu v hodinách, kdy je elektřiny nedostatek a naopak nevyrábět (akumulovat vodu v nádrži) v hodinách s nízkou spotřebou elektřiny.

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.

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.