ENERGIE ZADARMO

V řekách a mořích je ukryt obrovský potenciál energie. Energie nevyčerpatelné, protože se stále obnovuje. Energie o to vzácnější, že při jejím získávání neznečišťujeme životní prostředí, neničíme si naši mateřskou planetu. Už stovky let se ji učíme ovládnout a využít, stále však nejsme na konci cesty.

Povodeň na Berounce roku 1872 dokazuje, jaká síla je ukrytá ve vodních tocích.
Turbíny elektrárny Mohelno.

Je vlastností lidí, že se chtějí mít stále lépe. Co člověku stačilo včera, s tím je již dnes nespokojený. A zítřek? Lidská nespokojenost je hybným motorem pokroku. Ovšem, za každý pokrok technické civilizace našeho věku se zatím draze platí. Stále stoupá spotřeba energie se všemi ekologickými důsledky. Dochází tak k nerovnováze. Na jedné straně stojí vyspělá věda a rozvinuté technologie, na druhé straně se po staletí mnoho nezměnilo. Stále se zrychluje čerpání jediných dobře přístupných zdrojů energie, převážně fosilních paliv. Jejich zásoby se však hrozivě zmenšují.
Potřeba hledat nové, netradiční energetické zdroje a zdokonalovat obnovitelné zdroje již známé se jeví se stále větší naléhavostí. Při tomto hledání však je nutno úzkostlivě dbát ekologických hledisek, protože není nic tak vratkého a snadno zranitelného, jako rovnováha životního prostředí.
Takovým stále se obnovujícím zdrojem energie je koloběh vody v přírodě. U tekoucí vody se zatím v největší míře využívá její polohová (potenciální) a pohybová (kinetická) energie. Voda stéká z hor a cestou uvolňuje svou nashromážděnou energii. Po jejím vyčerpání se vrací do moří, kde je potenciální energie nejnižší.

Schéma derivační elektrárny. Zkrácením říční trati získává voda větší výškový rozdíl a roste spád na turbínu.

Původní energii pak voda opět získá působením slunečního záření. Sluneční energie vodu odpaří z hladiny moří a jako dešťové anebo sněhové srážky navrací zpět do míst vysoké potenciální energie a koloběh se opakuje.
Je na člověku, jak tuto zásobárnu využije, neboť z lidského pohledu je to energie získaná takřka zadarmo.

Vodní elektrárny

Nejběžnější způsob využívání vodní energie je její přeměna v energii elektrickou. Ve vodních elektrárnách voda roztáčí turbíny a točící se turbína pohání rotor elektrického generátoru. Konečným výsledkem této činnosti je vyrobená elektrická energie. Ta se pak transformuje a vysokonapěťovými rozvody odvádí do míst spotřeby.
Posláním vodních elektráren je - zejména v naší zemi, kde není dostatek velkých vodních zdrojů - pracovat jako doplňkové elektrárny k velkým energetickým kolosům, kterými jsou tepelné elektrárny na fosilní paliva nebo uran. Doplňují a vyrovnávají okamžitou energetickou bilanci v elektrizační síti. Jejich velkou předností je možnost náběhu ve velmi krátké době, s velkým výkonem.
   Paleta vodních elektráren je velmi široká. Jsou elektrárny ledovcové, elektrárny přečerpávací, elektrárny velké i elektrárny malé. Nelze zcela vyčerpat všechna hlediska, podle kterých jsou vodní elektrárny tříděny a rozlišovány. Všechny bez rozdílu však využívají základní princip - polohový energetický potenciál vody. Jsou takové, které využívají přímo říčního proudu na jezech, další získávají větší spádový zisk výstavbou derivačního kanálu.

Tři základní varianty řešení hydroelektrických děl.

Mezi nejznámější typy vodních elektráren patří akumulační elektrárny. Jsou charakterizovány hrází a jezerem, kde je shromážděna velká zásoba vody. Tato vodní díla v sobě spojují více poslání než pouhou akumulaci vody pro výrobu energie. V trati pod hrází stabilizují průtoky vod říčním korytem, chrání před povodněmi a podporují plavební možnosti toku. Břehy nádrží mohou sloužit jako rekreační oblasti. Mnohdy jsou nádrže také zdrojem pitné vody pro vodárny, technologické vody pro průmysl a závlahové vody pro zemědělství.
Hráze bývají budovány jako sypané( gravitační s těsnícím jádrem), kde hráz vzdoruje tlaku vody svou hmotností a objemností. Jiné jsou hráze klenbové, kde se proti tlaku vody vzpírá poměrně tenká železobetonová protiproudně vyklenutá skořepina. Na řekách jsou stavěny jezy se zabudovanými elektrárenskými objekty. V poslední době se rozšiřuje i výstavba takzvaných malých vodních elektráren, kde akumulace vody je nenáročná a mnohde stačí dřevěný jízek s náhonem na derivační kanál.

Hrázové těleso slapské přehrady.

Hráz velkých vodních děl je technicky složitá stavba protkaná sítí kontrolních chodeb s množstvím pevných bodů, které jsou nepřetržitě kontrolovány a přeměřovány, zda nedochází k nežádoucím pohybům v tělese hráze. Samotná hráz je zabezpečena proti přelití spodními výpustěmi opatřenými klapkami a horními přelivovými hranami, které jsou navíc obvykle stavitelné. Tato zařízení umožňují také průběžně upravovat výšku hladiny ve zdrži. Výpusti a přelivy jsou na vzdušné straně hráze ukončeny bazénem, vývařištěm. Zde se odtékající energeticky bohatá voda zklidní a do řečiště odchází bez dalších škodlivých následků.
   Pod velkými vodními díly se staví další vyrovnávací akumulační nádrž. Jejím úkolem je zachytit velké průtoky vody turbínami. Bez vyrovnávací nádrže by při chodu turbín vznikaly v řečišti pod hrází povodně. Vyrovnávací nádrž tyto pracovní přítoky zachycuje a odtékající vodu rovnoměrně rozloží do času tak, že průtok řečištěm je stabilizovaný.

Umístění elektrárny ve VD Slapy.

Umístění vlastní elektrárny může být různé. Cílem je využít co nejlépe akumulované vody a její energie. Jsou elektrárny zabudované přímo do tělesa hráze. Jinde je elektrárna vystavěna hluboko v podzemí. Voda se k ní přivádí tlakovým potrubím a odvádí se podzemním kanálem s volnou hladinou do vyrovnávací nádrže. Vše záleží na tvaru terénu, výškových a spádových možnostech a na množství vody, které je k dispozici. Elektrárny, které využívají sice menšího množství vody, ale s velkým výškovým rozdílem, často používají tlakového potrubí položeného na povrchu terénu.
Srdcem každé vodní elektrárny je vodní motor, turbínaelektrogenerátorem. K turbíně je voda přiváděna z odběrných zařízení hráze. Energeticky využitá voda pak odtéká do vývařiště hráze anebo zvláštním svodným zařízením přímo do vyrovnávací nádrže.

Na obrázku je znázorněna sistuace vodního díla Orlík a jho vyrovnávací nádrže VD Kamýk.

Volba turbíny je do značné míry přímo závislá na účelu a podmínkách celého vodního díla. Nejčastěji se osazují turbíny reakčního typu, a to Francisova nebo Kaplanova turbína v nepřeberné paletě modifikací. Pro vysoké spády (někdy až 500 m) se používá Peltonova turbína, která se řadí mezi turbíny akční. V přečerpávacích vodních elektrárnách se používá turbín s reverzním chodem a s přestavitelnými lopatkami. V opravdu malých vodních elektrárnách se převážně zabydlela malá horizontální turbína Bánkiho spolu s upravenou jednoduchou turbínou Francisovou.

Umístění elektrárny v podzemí - VD Lipno.

 


Malé vodní elektrárny

Zeměpisná poloha České republiky je taková, že velké řeky u nás většinou pouze pramení, a tak značná část vodní energie je rozptýlena v malých tocích. Je velmi žádoucí tuto zatím unikající energii podchytit a energeticky využít.
Malá vodní elektrárna je pojem ne zcela vystihující obsah. Zahrnuje zdroje elektrické energie od těch nejmenších kapacit o výkonech necelých 20 kW, sloužících pro uspokojení potřeb majitele, až po říční elektrárny o výkonech 20 MW. Podle vodnatosti, spádu a trvání použitelných průtoků jsou pak osazovány vhodnými typy turbín.

Vodní elektrárna na ostrově Štvanice.

Nároky na stavební úpravy malých vodních elektráren rostou s instalovaným výkonem. Pro malé Bánkiho turbíny stačí pouhý dřevěný domek, jednoduché přiváděcí potrubí a dřevěný hradící jízek. Instalace náročnějších typů turbín s většími a velkými výkony vyžaduje i podstatně rozsáhlejší stavební úpravy.
Většina malých vodních elektráren slouží jako sezónní zdroje. Průtoky toků, na kterých jsou zřizovány, jsou kolísavé a silně závislé na počasí a na ročním období.

 

Návrh kaskády ledovcových vodních elektráren v jižním Grónsku (od Švýcarského hydrologa Dr. Staubera.

Přečerpávací elektrárny

Protože elektrickou energii nelze v čistém stavu skladovat, musí elektrizační soustava státu v každém okamžiku vyrobit přesně tolik elektrické energie, kolik jí průmyslové podniky, zemědělství a vůbec celá společnost spotřebují. Spotřeba elektrické energie však kolísá jak během dne, tak i v delších obdobích. Velké energetické zdroje, jako jsou tepelné elektrárny, nejsou schopné a ani uzpůsobené rychle a pružně reagovat na stále se měnící spotřebu. Vznikají tak ztráty z přebytku vyrobené energie.
Používání přečerpávacích vodních elektráren je vedeno nutností zamezit těmto energetickým ztrátám. Tento typ vodních elektráren umí "skladovat" draze vyrobenou energii. Proces uchování nevyužité energie, vyrobené převážně v noci a o sobotách a nedělích, probíhá tak, že elektrická energie je v nich měněna na energii jinou. Takovou energii, která je trvale v pohotovosti a v každém okamžiku je použitelná pro vykrývání energetických špiček a maximálních spotřeb.
Ve zjednodušeném pohledu přečerpávací vodní elektrárna není nic jiného, než soustava dvou výškově rozdílně položených vodních nádrží spojených tlakovým potrubím, na němž je v jeho dolní části umístěna turbína s elektrickým generátorem.

Přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé Stráně. Na snímku vidíme horní i dolní nádrž.

Přebytek elektrické energie je zde ukládán tím způsobem, že elektromotor pohání čerpadlo a to vytlačuje vodu shromážděnou v dolní nádrži do nádrže horní. Přebytečná elektrická energie se zde nejprve mění v energii mechanickou činnost čerpadla. Přeměna pokračuje dál. Mechanická energie čerpadla se předává vytlačené vodě do horní nádrže. Voda získává potenciální energii.
V době potřeby je pak možno kdykoli tuto uskladněnou energii znovu použít. Voda z horní nádrže se přivede potrubím na turbínu. Svým tlakem a rychlostí ji roztočí. Mechanická energie točící se turbíny pohání generátor a mění se zpět na elektrickou energii.

Uspořádání přečerpávací vodní elektrárny.

V praxi se tento proces děje tak, že vodní přečerpávací elektrárny se staví v horském terénu, aby bylo možno získat dostatečný výškový rozdíl mezi oběma nádržemi. Nádrže jsou pak spojeny tlakovým potrubím s osazenou turbínou s generátorem na druhém konci. Turbína je konstruována tak, aby byla schopna pracovat ve dvou režimech. Jednou, při přečerpávání, jako čerpadlo, podruhé, při zužitkování horní vody, jako vodní motor, turbína. Názorným příkladem přečerpávací vodní elektrárny je elektrárna Dlouhé stráně na severní Moravě. Výškový rozdíl hladin obou nádrží je 535 m. Koruna horní hráze leží ve výšce 1 350 m n.m. Elektrárna je osazena dvěma Francisovými turbínami s instalovaným výkonem 325 MW.
Velkou předností přečerpávacích vodních elektráren je ta skutečnost, že kromě "skladovacích" schopností jsou schopny se po spuštění přifázovat do elektrifikační sítě s plným výkonem v několika minutách.

Horní nádrž elektrárny Dlouhé Stráně.