Přečerpávací vodní elektrárna - princip a uspořádání

Přečerpávací vodní elektrárny (PVE) jsou nezbytným prvkem elektrizačních soustav. V minulosti byly využívány z čistě ekonomických důvodů. Díky schopnosti krátkodobé i dlouhodobé akumulace elektrické energie mohou provozovatelé těchto zařízení přeměňovat levnou energii na dražší.

Dalším typem využití, díky kterému došlo k nějvětšímu rozvoji PVE, je spolupráce s jadernými elektrárnami (JE). Regulace JE je technologicky i ekonomicky neefektivní záležitostí. PVE tak byly v minulosti využívány především k vyrovnávání poptávky po elektřině v soustavě, čímž umožňovaly minimálně regulovaný provoz JE.

V dnešní době význam PVE stoupá především kvůli integraci intermitentních obnovitelných zdrojů energie (OZE), jejichž obtížně předvídatelný výkon je zdrojem výrazných výkyvů na výrobní straně výkonové bilance elektrizační soustavy. PVE dokáží díky velmi rychlému najetí elektrárny (kolem jedné minuty) tyto výkyvy spolehlivě vyrovnávat.

Princip akumulace elektřiny v PVE

Hydraulická akumulace elektrické energie je využívána téměř 100 let. Jak je již uvedeno výše, její největší rozvoj nastal v době rozvoje jaderné energetiky. V České republice o tom svědčí výstavba PVE Dalešice související s výstavbou JE Dukovany.

Její princip je v zásadě jednoduchý. Jsou využívány dvě vodní nádrže – horní a dolní. V době, kdy v elektrizační soustavě klesá spotřeba (např. v noci), pracuje PVE v čerpadlovém režimu a elektřina je spotřebovávána na čerpání vody z dolní do horní nádrže. Využívá se tedy méně hodnotné elektrické energie, která je ukládána v horní akumulační nádrži ve formě potenciální energie načerpané vody. Tam je načerpaná voda uložena až do vyslání požadavku z dispečinku přenosové soustavy (PS). K tomu dochází většinou v období špičkového zatížení elektrizační soustavy nebo při potřebě pokrýt chybějící výrobu z intermitentních OZE při nepříznivých povětrnostních podmínkách. Po přechodu do turbínového režimu je zadrženou vodou poháněna turbína a je vyráběna elektrická energie.

Co se účinnosti týče, v současnosti provozované PVE mají celkovou účinnost kolem 75 %. Vývoj tohoto typu elektráren je přitom ve stadiu, kdy lze očekávat další nárůst účinnosti pouze v řádech jednotek procent. Nezanedbatelná část akumulované energie jde tedy na vrub ztrátám (ztráty mechanické, tepelné, přenosem, hydraulické, …).

Výsledná účinnost PVE je dána součinem účinností jednotlivých částí technologického procesu. Při stanovení účinnosti PVE dále rozlišujeme, zda jde o účinnost velkého nebo malého cyklu. Účinnost velkého cyklu v sobě zahrnuje i ztráty vzniklé přenosem elektrické energie od jejího zdroje k čerpadlu při čerpadlovém provozu a ztráty vzniklé přenosem elektrické energie do místa spotřeby při turbínovém provozu. Hodnoty udávané v praxi souvisejí s malým cyklem a celková účinnost je tedy vztažena ke vstupnímu transformátoru na straně velmi vysokého napětí.

Samotný výkon PVE (při zanedbání ztrát) odpovídá vztahu

 P = Q · ρ · g · H

kde

P je teoretický výkon [W],

Q je průtok turbínou [m³/s],

 ρ je hustota vody [kg/m³],

g je tíhové zrychlení [m/s²],

 H je střední spád [m].

Energetická kapacita elektrárny (při zanedbání zdrát) je vyjádřena vztahem

E = P · t = V · ρ · g · H

kde

E je teoretická energie vody [J, W∙s],

V je využitelný objem vody [m³].

Uspořádání PVE

Uspořádání PVE Dlouhé Stráně. Zdroj: taurus.opole.pl

Stavební část

Akumulační nádrže

Při návrhu PVE je třeba řešit především otázku, jak lze zajistit potřebné akumulační prostory při využití co největšího výškového rozdílu nádrží. Přitom je kladen důraz na co nejmenší délku přivaděčů. Tuto vlastnost popisuje parametr H/L, kde H je rozdíl hladin dolní a horní nádrže a L je délka přivaděčů. Na základě hodnoty tohoto parametru je následně volena vhodná lokalita pro nový projekt.

Nádrže mohou vzniknout buď přehrazením horského údolí, nebo vyhloubením a vybudováním obvodových hrází. Dle použitého materiálu lze nádrže rozdělit na:

• zděné:
• z lomového zdiva,
• betonové gravitační nebo klenbové,
• železobetonové klenuté,
• zemní:
• hlinité,
• balvanité.

Pro vybudování akumulační nádrže lze využít nejen vhodných údolí, ale také zvýšení stavu hladin přírodních jezer zřízením hrází. Takové nádrže jsou využívány například v alpských oblastech.

Přivaděče

Podle topografických a  geologických podmínek mohou být přivaděče umístěné v podzemí ve formě tlakových šachet nebo vylámány ve skále. V některých případech jsou přivaděče vedeny po povrchu jako ocelová tlaková potrubí. Tato potrubí se většinou kvůli zabezpečení proti nahodilému poškození nebo čistě z estetických důvodů zasypávají.

Proudění vody v přivaděčích je spojeno se ztrátami. Jsou to především ztráty třením, ztráty způsobené vtokem do přivaděčů, změnou průtokového průřezu nebo například změnou směru potrubí. U PVE jsou většinou přivaděče velmi dlouhé, a proto se při výpočtech uvažují především ztráty třením a místní ztráty se zanedbávají.

Nedílnou součástí přivaděčů jsou uzavírací orgány. Po vtokovém objektu, který má na samém začátku česle pro zachytávání větších nečistot (stromy, větve, apod.), následují uzávěry – tabulové nebo klapkové. Další uzávěry, které jsou v přivaděčích instalovány, jsou uzávěry umístěné před a za turbínovým čerpadlem (převážně kulové nebo prstencové). Funkce těchto uzávěrů je stěžejní z hlediska zajištění bezpečného a regulovatelného provozu elektrárny.

Celkové uspořádání

Kromě akumulačních nádrží a přivaděčů je ze stavebního hlediska třeba jmenovat základní stavební prvky elektrárny – strojovna, transformovna a rozvodna. Strojovna a transformovna bývají často z bezpečnostních důvodů odděleny. Elektrárna může být postavena při patě hráze, při úpatí hory nebo jako podzemní, kdy jsou jednotlivé části elektrárny v kavernách (např. PVE Dlouhé Stráně). Podzemnímu řešení se dává přednost při budování elektráren v chráněných oblastech.

Na zásadní koncepci strojovny PVE má vliv zvolené horizontální nebo vertikální uspořádání instalovaných soustrojí. Horizontální řešení je do jisté míry přehlednější a využíváno je především pro menší spády. V případě větších spádů se dává přednost vertikálnímu řešení. Vertikální řešení je zvoleno (hlavně ze stavebních důvodů) také při podzemní koncepci elektrárny v kavernách.

Technologická část

Turbíny a čerpadla

Volba turbíny a čerpadla (případně turbínového čerpadla u dvoustrojového provedení) závisí na charakteru služeb, pro které je PVE projektována. Z toho plynou podmínky, které následně ovlivňují výběr turbíny a její parametry. Jde především o využívaný spád H a o průtok Q. S těmito parametry dále souvisí rozměry celého soustrojí.

Základní rozdělení turbín spočívá v tom, jakou složku energie vody turbína využívá. První skupinou jsou přetlakové (reakční) turbíny, využívající potenciální i kinetickou energii vody. Nejvíce používaným typem přetlakové turbíny je Francisova turbína (pro spád 50 – 800 m), a to především díky možnosti reverzibility. Dalším zástupcem přetlakových turbín je turbína Kaplanova, používána hlavně pro spády v rozmezí 10 – 80 m.

Druhou skupinou jsou turbíny rovnotlaké (akční), jejichž zástupcem je turbína typu Pelton, využívající pouze kinetickou energii vody. Peltonova turbína je schopna pracovat s téměř dvoukilometrovým spádem.

V případě třístrojového provedení (turbína – motorgenerátor – čerpadlo), které se dnes využívá především v případě velkých spádů právě v kombinaci s Peltonovou turbínou, je důležitým prvkem soustrojí čerpadlo. Dopravovaný průtok čerpadla by měl být srovnatelný s hltností turbíny, aby byl zajištěn rovnoměrný provoz PVE. Dalším charakteristickým parametrem čerpadel je dopravní výška. Tyto parametry určují konstrukční provedení čerpadla a jeho velikost.

Elektrická část

Vzhledem k topografickým podmínkám a již pracujícím PVE na území České republiky bude dále popsáno dvoustrojové provedení (turbínové čerpadlo a motorgenerátor).

Motorgenerátor

Motorgenerátor je synchronní stroj s vyniklými póly schopný pracovat jako motor při čerpadlovém provozu i jako generátor při turbínovém provozu. Patří do zvláštní skupiny synchronních strojů s vyniklými póly, které jsou poháněné vodními turbínami – hydroalternátory.

Hydroalternátory jsou instalovány vzhledem k požadavku frekvence výstupního napětí f = 50Hz. To znamená synchronní otáčky 3000 ot/min. Otáčky pomaluběžné Francisovy turbíny jsou ovšem podstatně nižší – řádově stovky ot/min. Zde se uplatní vlastnost synchronního generátoru, která plyne ze vztahu

 n = f / p

kde

n je počet otáček [ot/min],

f je frekvence [Hz],

p je počet pólových dvojic statoru [-].[7]

Použití vhodného počtu pólových dvojic statoru (typicky 6 a více) tak zaručí synchronní běh stroje i při nižších otáčkách.

Transformátor

Pro úplnost uvádím i tento elektrický netočivý stroj, který je součástí každé elektrárny. Zajišťuje potřebné zvýšení napětí a snížení proudu na výstupu elektrárny pro snížení přenosových ztrát. Na vstupních svorkách elektrárny potom probíhá proces opačný.

Ostatní prvky

Dalším technologickým prvkem jsou závěsná a vodící ložiska, jejichž konstrukční provedení není ovlivněno jen velkým provozním zatížením, ale u dnes převážně využívaných reverzních strojů také potřebou obojího smyslu otáčení. Součástí návrhu soustrojí je tak detailní propočet zatížení ložisek. V případě třístrojového provedení je třeba uvést další důležitý prvek soustrojí – spojku.