Vodní energie

Michal Kos, redakce energeticky.cz

Vyprávění má zpravidla tuto podobu: úvod, zápletka, vyvrcholení a závěr. Vypadá tedy asi takto:

Byl jednou jeden mlynář a ten hospodařil ve mlýně na říčce Bublávce. V práci mu pomáhala jeho dcera Doubravka, nejkrásnější dívka široko daleko. V hluboké tůni Bublávky však přebýval ještě někdo. Byl to hastrman, který mlynáři tropil neplechy a který si myslil na Doubravku.(úvod)

Vše by dále plynulo svojí cestou, kdyby se jednoho dne ve mlýně neobjevil krajánek Martin, který se do Doubravky zamiloval…(zápletka)

…Když už se Martin blížil k hastrmanovi, tu mu zelený panáček vrazil kůl do pramice, a milý Martin počal klesat ke dnu…(vyvrcholení)

A tak nakonec všechno dobře dopadlo. Martin se neutopil a vzal si Doubravku za ženu. A hastrman? Ten si musel sbalit svých pět švestek a putovat o dům dál. (závěr)

Trocha literární teorie a pohádek na úvod. Bodejť by ne, vyprávění, pohádky, o to si mlýn přímo říká. Ale proč u mlýna sídlí vodník? To je jasné, vodník musí být ve vodě. A pak taky ta Doubravka. A co hledá u vody mlynář? To je přece také jasné, sílu vody. A nejen mlynář, dříve to byli třeba i hamerníci, za které voda kula železo.

Malé vodní elektrárny

Dnes už voda kuje železo a otáčí mlýnským kolem zpravidla jenom ve skanzenech lidové řemeslné výroby. I dnes využíváme vodní energii, avšak voda většinou neotáčí mlýnskými koly, zato roztáčí lopatky vodních turbín, jejichž točivý pohyb dokážeme využít k výrobě elektrické energie.

Malé vodní elektrárny se stavějí na vodních tocích v místech bývalých mlýnu a jezů. Je možné začít stavbu i tzv. na zelené louce, náklady však budou podstatně vyšší. Určujícím parametrem zařazení mezi malé vodní elektrárny (dále jen MVE) je výkon těchto zařízení, který nepřesahuje 10 MW (pro EU je to 5 MW). Malé vodní elektrárny slouží většinou jako sezónní zdroje energie, protože průtoky vodních toků, které tyto elektrárny využívají, jsou velmi kolísavé v závislosti na počasí a na ročním období.

Dělení MVE

I mezi malými vodními elektrárnami můžeme dále rozlišovat elektrárny menší a větší, lišit se mohou i v jiných parametrech.

Dělení podle výkonu:
- elektrárny domácí (do 35 kW)
- mikrozdroje (do 0,1 MW)
- minielektrárny (do 1 MW)
- elektrárny průmyslové (od 1 MW)

Podle spádu mohou být elektrárny:
- nízkotlaké (do 20 m)
- středotlaké (20 -100 m)
- vysokotlaké (od 100 m)

Podle způsobu využití vodní energie:
- průtokové
- akumulační
- přečerpávací

Části a zařízení MVE

Vzdouvací zařízení

Zpravidla potřebujeme zvýšit hladinu vodního toku a vodu nasměrovat do přivaděče. K tomu slouží hráze nebo jezy. Stavět novou hráz kvůli MVE je zpravidla ekonomicky neúnosné, naopak výhodné je využít hráze již postavené a instalovat turbínu třeba u její základové výpusti. Turbínu lze instalovat také na přivaděčích pitné vody. Stavba jezu je možná, avšak prodražuje se s jeho šířkou, na větších tocích je navíc nutná speciální mechanizace a zvětšuje se i množství potřebných povolení či jiných překážek (nutnost průjezdu lodí atd.).

Přivaděče

Přivaděč je zařízení soustřeďující spád k místu osazení turbíny. Přivaděče mohou být beztlakové (náhony a kanály) nebo tlakové (potrubí).

Přivaděče beztlakové
Náhony a kanály se zpravidla budují výkopem v terénu. Náklady rostou v závislosti na délce přivaděče, na příčné svažitosti terénu a také na typu zeminy, který určuje způsob opevnění stěn přivaděče. I zde je výhodné využít již dříve vybudovaného náhonu. V případě, že je původní náhon zavezen nebo rozebrán, vyplatí se budovat nový náhon na stejném místě kvůli jednoduššímu získání a zaměření pozemku.

Přivaděče tlakové
Tlakovým přivaděčem bývá zpravidla ocelové, plastové nebo železobetonové potrubí. Měrné náklady na výstavbu tohoto typu přivaděčů jsou vyšší než u přivaděčů beztlakových. Oba typy lze kombinovat pro dosažení maximálního spádu a minimálních nákladů.

Česle

Česle slouží jako ochrana před vniknutím nečistot a jiných předmětů plovoucích ve vodě do turbíny. Obyčejně jsou to ocelové mříže, jedna hrubší a jedna jemnější plus tzv. hrabačka, která zajišťuje čištění česlí.

Strojovna

Strojovna v sobě skrývá strojní a elektrotechnické vybavení elektrárny.

Stavební část turbíny

Stavební část turbíny tvoří základy, kašna, betonová spirála atd., podle typu turbíny. Při volbě typu turbíny bychom měli pamatovat i na stavební část. Dražší, ale kompaktnější turbína může náklady na stavební část snížit.

Odpadní kanály a jalový kanál

Odpadními kanály se voda vrací zpátky do koryta řeky. Bývají krátké, a tedy i méně nákladné. Jalový kanál zajišťuje průtok mimo turbínu v době její nečinnosti, při opravě apod.

Vodní kolo

I dnes můžeme jako vodního motoru využít vodního kola. Uplatnit jej lze u spádů do 1 m při průtocích do několika m³ / s.

Bánkiho turbína

Rovnotlaká turbína, není výrobně náročná, a tedy ani tolik nákladná. Tyto turbíny se vyrábějí pro spády 5 – 60 m a průtoky 0,01 až 0,9 m³/ s.

Francisova turbína

Dříve to byla nejpoužívanější přetlaková turbína pro širokou škálu průtoků a spádů. Oprava starších turbín tohoto typu se vyplácí především od spádu 3 m výše. Nové Francisovy turbíny se dnes instalují od spádu 10 m výše a při vyšších průtocích, tedy tam, kde jde o vyšší výkony.

Kaplanova turbína

Tento typ přetlakové turbíny vyrábí v České republice v různých úpravách řada firem. Používá se pro spády od 1 do 20 m při průtoku 0,15 až po několik desítek m³ / s. Tato turbína je vhodná právě pro říční elektrárny.

Peltonova turbína

Rovnotlaká turbína užívaná pro spády nad 30 m a průtoky od 0,01 m³ / s. V podobných podmínkách lze využít i levnějších, ale méně účinných odstředivých čerpadel.

Turbína SETUR

Využitelná pro spády od 3,5 do 20 m a průtoky od 0,004 m³ / s do 0,02 m³ / s.

Zásady výběru lokality

Pro stavby MVE se nabízí relativně široký prostor např. v místech bývalých mlýnů, hamrů a pil. Využití těchto bývalých vodních děl se projeví i na celkovém snížení nákladů. Díky tzv. mikroturbínám lze využít i toky s velmi malým energetickým potenciálem, dokonce i vodovodní zařízení. Díky moderním účinnějším turbínám se dají stávající MVE inovovat.

Pro posouzení vhodnosti dané lokality jsou důležité především tyto dva ukazatele: využitelný spád a průtočné množství vody v profilu toku, který je určen k využívání.

Spád

Spádem označujeme výškový rozdíl vodních hladin. V praxi potom rozlišujeme hrubý spád a užitný spád. Hrubým spádem, Hb, označujeme celkový statický (brutto) spád, který je dán rozdílem vodních hladin za nulového průtoku elektrárnou. Stanovujeme ho výškovou nivelací úseku od vtokového objektu (nad jezem) po úroveň spodní hladiny odpadu turbíny. Odhad si můžeme učinit sami pomocí latě s centimetrovým dělením, pro získání přesných údajů budeme muset využít služeb specialisty.

Užitný (čistý, netto) spád, H, vyjadřuje výsledek, který získáme, odečteme-li od hrubého spádu hydraulické ztráty vznikající před a za vodním motorem, v přivaděči a v odpadu následkem poklesu hladiny horní vody při provozu a vlivem vzdutí hladiny vody spodní, dále pak změnami směru toku vody a objemovými ztrátami v česlích, v přiváděcím kanálu, v potrubí atd.

Průtok

Průtokem označujeme průtočné množství vody v daném využitelném profilu. Přesné údaje o průtoku nám za úplatu poskytne Český hydrometeorologický ústav a také příslušná správa toku. Údaje, které nám poskytnou, budou vyjadřovat dlouhodobý průměrný průtok QA, N-leté průtoky a M-denní průtoky. Z hlediska využitelnosti vodní energie jsou nejdůležitější ony M-denní průtoky, které vyjadřuje křivka překročení průtoků v průměrně vodném roce neboli M-denní odtoková závislost. Tyto údaje nás informují o zaručeném průtoku v daném profilu toku po určitý počet dní. Data se uvádějí zpravidla v členění po 30 dnech v průběhu roku.

Příkladová tabulka M-denní průtokové závislosti

Průběh průtoku v roce

Dalšími důležitými parametry jsou:
- geologické podmínky, dostupnost lokality pro těžké mechanizmy případně možnost vybudování zpevněné přístupové cesty, možnost umístění patřičné technologie
- vzdálenost přípojky el. proudu s dostatečným napětím
- míra zásahů do okolní přírody, vhodné začlenění zařízení MVE do reliéfu lokality, zátěž lokality výstavbou elektrárny a budováním přípojky, ohrožení vodních živočichů provozem elektrárny
- způsob odstraňování naplavenin (nutno zajistit odvoz a likvidaci)
- nutnost dodržení sjednaného odběru vody (využití spolehlivého automatického řízení s hladinovou regulací)
- stav majetkoprávních vztahů k pozemku, postoj místních úřadů
- minimalizace případného rušení sousedních obyvatel hlukem (odhlučnění)

Dimenzování elektrárny

Každá elektrárna se dimenzuje „na míru“ toku, na kterém má být vystavěna. Základem pro toto dimenzování je zpravidla průměrný průtok za 90 nebo za 180 dní. Roli zde hraje schopnost turbíny přizpůsobit se změnám průtoku. Abychom došli k číslu, jaký je využitelný průtok pro naši elektrárnu, musíme počítat s minimálním sanačním průtokem korytem řeky nebo potoka. Jde o minimální množství vody, která musí korytem protékat, a kterou nemůžeme využít. Sanační množství je předepsáno při vodoprávním řízení.

Odhad výkonu a množství vyrobené energie MVE

K odhadu dosažitelného výkonu MVE poslouží zjednodušený výpočet podle vzorce:
P = k × Q × H

P - výkon [kW]
k - konstanta (pro MVE 5-7, podle účinnosti soustrojí a použité technologie)
Q - průtočné množství vody, průměrný průtok [m³ / s]
H - spád využitelný turbínou [m]

Množství vyrobené energie je potom dáno vztahem:
E = P × T

E – množství energie vyrobené během roku [kWh]
P – výkon [kW]
T – počet provozních hodin v roce [h]
T vychází z počtu M-dní, tedy dní, ve kterých může turbína s daným regulačním rozsahem pracovat (mělo by jít alespoň o 4000 h).

Malý průtok také průtok

No ano, kamarád má vedle chalupy řeku. A navíc to není obyčejná chalupa, vždyť to byl mlýn! To se mu to buduje elektrárna! A co já, s tou svojí stroužkou…ta je dobrá tak leda pro děti na čvachtání.

I pro tu dětskou radost je dobré mít vedle chalupy nějaký ten potůček. Ale skutečně by se na něm nedala postavit elektrárna? Dala. Když máme mikroturbínu, můžeme mít elektrárnu i na potůčku.

Mikroturbíny

Mikroturbíny se dostávají ke slovu právě v místech, kde instalace elektrárny nebyla dosud z technických nebo ekonomických důvodů možná. V lokalitách s průtoky do 20 l / s lze využít turbínu SETUR s výkonem do 1 kW, při velmi nízkých spádech (okolo 2 m) lze využít turbínu vírovou.

Co s vyrobenou elektřinou?

Elektřinu, kterou vyrobíme v MVE, můžeme dodávat do sítě za ceny, které každý rok stanovuje Energetický regulační úřad. Elektrickou energii od nás vykoupí místní distributor elektřiny (ČEZ, E.ON). Naštěstí nemusíme mít strach z toho, že si postavíme MVE a za pět let budou výkupní ceny tak malé, že se nám ani nevyplatí udržovat elektrárnu v provozu. Zákon garantuje, že výkupní cena se nezmění po dobu 30 let od uvedení MVE do provozu nebo od její rekonstrukce.

Průtokové elektrárny dodávají energii do sítě v průběhu dne za jednotnou cenu, elektrárnám, které mohou vodu zadržovat, se vyplatí zvyšovat výkon v době špičky, kdy je cena vyšší, a naopak mimo špičku výkon snižovat. Jestliže je MVE součástí průmyslového areálu, může se vyplatit využívat elektřinu na místě a dostávat tzv. zelené bonusy, které vyplácí opět místní distributor. Vyrobenou elektřinu můžeme spotřebovávat i na jiném místě, než jsme ji vyrobili, a pobírat za to zmíněné bonusy, avšak platíme za distribuci veřejnou sítí. Lze také prodat vyrobenou elektřinu další osobě. Informace o výkupních cenách a bonusech podává Energetický regulační úřad.

Dotace státu a EU

Stejně jako u jiných ekologicky šetrných zdrojů jsou i v případě MVE k dispozici dotace státu, které lze získat jak na výstavbu MVE, tak na jejich rekonstrukci. Protože se podmínky udílení dotací často mění, je nejlepší sledovat jejich aktuální stav přímo na webových stránkách Ministerstva průmyslu a obchodu ČR a na stránkách Fondy Evropské unie.

Výhody a nevýhody MVE

Výhody

- pokrytí vlastní spotřeby el. energie
- možnost prodeje energie do sítě velkých distributorů, čerpání tzv. zelených bonusů
- snížení závislosti na dodávkách energie od velkých distributorů
- využitelnost starších vodních děl (mlýnů, hamrů, pil)
- dotační podpora ČR a EU
- ekologicky čistá výroba energie

Nevýhody

- závislost na ročním období a na počasí
- technická náročnost instalace zařízení
- zůstává určitá závislost na dodávkách energie od velkých distributorů
- dlouhá doba návratnosti investice
- zásahy stavby do okolního přírodního prostředí