<< 4.4.6 Elektrárny na fosilní paliva 4.4.8 Solární energie >>

4.4.7 Vodní a větrné elektrárny

 

Vodní a větrné elektrárny

 

Vodní a větrné elektrárny patří k obnovitelným zdrojům energie (OZE). Obnovitelné zdroje jsou v dlouhodobém časovém horizontu nevyčerpatelné, neboť se jedná o přeměněnou formu solární energie. Vyčerpají se až s koncem života Slunce. K obnovitelným zdrojům energie se řadí vlastní síla a síla zvířat, vodní energie, energie mořských proudů, geotermální energie, energie větru, energie akumulovaná v biomase či vodíku, solární energie.

Evropská unie v r. 2001 iniciovala přijetí zákonů, že do r. 2010 bude vyráběno 8% energie z OZE. Od 1.8.2005 platí i v ČR zákon o obnovitelných zdrojích energie. Ten vychází ze směrnice Evropského parlamentu a rady 2001/77/EC. Podle něho musí být do r.2010 8% energie z OZE.

Kromě četných pozitiv mají však OZE i svá negativa. Tato energie je dražší, například to je hlavní politický důvod, proč se Rakousko staví odmítavě k JE Temelín. Velké přehrady porušují ekologickou rovnováhu a zatopují půdu, větrné elektrárny hyzdí krajinu a obtěžují hlukem, kotle na biomasu rovněž produkují exhalace často nebezpečnější než uhlí. Faktem však zůstává, že 1kWh energie vyrobené z jaderných či obnovitelných zdrojů ušetří zatížení atmosféry 5g prachu, 27g SO2, 4g NOx, v případě pouze obnovitelných zdrojů navíc 2kWh termoemisí. Snižuje se rovněž fotochemický smog.


Vodní elektrárny

Vodní kola se používala už od starověku. Původně poháněla mlýny s kolem s vertikální osou přímo spojené s mlýnským kamenem. Takové mlýny měly jednoduchou konstrukci, ale nízkou účinnost. Později přišla kola s horizontální osou spojené přes převody s mlýnským kamenem.

V ČR pochází první zmínka o mlýnu s vodním kolem z r. 718, ale pramen není zcela věrohodný. První doložená zmínka o vodním kole u nás je z r. 1125 v Úněticích. Koncem 14. stol. měla většina měst vodní mlýny. Účinnost vodních kol bývá v rozmezí 20-65%, nižší je u kol se spodním náhonem, vyšší je u kol s horním náhonem. Korečková kola (dřevěné truhlíky) dosáhla účinnosti až 80%, měly však náročnější konstrukci i náročněji řešený náhon. Asi největší korečkové kolo pracovalo ve Skotsku, mělo průměr 21,3 m. Konstrukcí vodních kol se zabýval i Leonardo da Vinci. Mlýny byly stavěny jako nábřežní, lodní (u těch nebyl problém se stavem vody), nákolní (na pilotách). Brusírny byly časté v Jizerských horách, Kola využívají i dynamický účinek vody. Existovaly i pístové vodní motory analogické s parním strojem.

Turbíny byly postupně vyvinuty neustálým zdokonalováním konstrukce vodních kol, mají účinnost až přes 90% (turbo - latinsky kroužit.) Jedná se o dosud nejdokonalejší vodní motory, používají se nejvíce tři druhy.

Peltonova turbína ( obr. 6.1 ) je vhodná tam, kde je velký rozdíl hladin ale malý průtok vody. Voda pod tlakem stříká tryskou na lopatky.

Francisova turbína je vhodná tam, kde lze zajistit konstantní rozdíl hladin i průtok, na který je turbína konstruována. Na obr. 6.2 , obr. 6.3 a obr. 6.4 je rotor a jeho instalace v největší vodní elektrárně světa Itaipu na řece Parana mezi Brazílií a Paraguayí.

Kaplanova turbína ( obr. 6.5 ) má nastavitelnou polohu lopatek, je vhodná tam kde nelze zajistit konstantní průtok či rozdíl hladin. Pro přehrady s vyšším spádem mívá větší počet lopatek. 3 lopatky bývají při spádu do 8m, 10 lopatek bývá při spádu nad 70m (např. Orlík). V ČR jsou používány nejvíce.

Nejvíce vodních elektráren je v Rakousku, Švýcarsku, Norsku. V Norsku pokrývají 90% spotřeby energie. Tab. 6.1 ukazuje typický rozsah otáček pro jednotlivé nejvíce používané typy turbín. Typické schéma vodní elektrárny je na obr. 6.6 . Voda v náhonu ztrácí potenciální energii a ta se přemění v kinetickou energii rotoru turbíny. Rotor pohání generátor elektrické energie. Malé vodní elektrárny mívají různé konstrukce, příklad je na obr. 6.7 . Obr. 6.8 ukazuje strojovnu malé vodní elektrárny a obr. 6.9 ukazuje česla na vstupu vody do náhonů. Na obr. 6.10 je známá přehrada na řece Colorado v USA. Na obr. 6.11 je strojovna první elektrárny na Niagaře ze začátku 20. století, tehdy její Francisovy turbíny o výkonu 9 MW byly největší na světě.



Tab. 6.1 Rozsah otáček jednotlivých typů turbín

typ turbíny

Peltonova

Francisova

Deriazova

Kaplanova

otáčky (ot.min-1)

12 - 70

80 - 350

300 - 400

350 - 1000


Dosud největší vodní elektrárna Itaipu Binational je na řece Parana mezi Brazílií a Paraguayí. 18 turbín po 700MW bylo postupně uváděno do provozu od května 1984 do 9.dubna 1991. V roce 2003 byl maximální výkon 12600MW. V r.1999 bylo vyrobeno 90 mld. kWh, v r. 2000 bylo vyrobeno 93,4 mld. kWh, do r.2003 nebyl tento rekord překonán a činil 24% spotřeby energie v Brazílii. Od r.2001 probíhala instalace dalších dvou turbín. V polovině r.2004 byly spuštěny a celkový počet turbín je od té doby 20, maximální výkon je 14000MW. Počítá se s trvalým provozem 18 turbín, 2 budou vždy v plánované odstávce kvůli údržbě. O vyrobenou energii se dělí Brazílie a Paraguay. Na obr. 6.12 je letecký snímek této přehrady, na obr. 6.13 jsou vidět náhony k turbínám. Buduje se parametry srovnatelná elektrárna Tři soutěsky v Číně na řece Jang-c-Tiang. Velké elektrárny jsou rovněž na Sibiři na tamních veletocích. Parametry dvou největších světových hydroelektráren ukazuje tab.6.2. V ČR je největší průtočnou hydroelektrárnou Orlík s maximálním výkonem 364 MW, ale úplně největší je přečerpávací elektrárna Dlouhé stráně s maximálním výkonem 650 MW. Tento výkon však nemůže dodávat dlouho, jen do vyčerpání zásoby vody v horní nádrži. Parametry některých hydroelektráren vltavské kaskády ukazuje tab. 6.3. Parametry hydroelektráren provozovaných společností ČEZ, a.s. ukazuje tab. 6.4. Vodní elektrárny v r.2005 dodávají cca 17% světové produkce energie.



Tab. 6.2 Parametry dvou největších světových hydroelektráren

parametr elektrárny

Itaipu

Tři soutěsky

počet turbín

20

(Francisovy po 700MW)

26

(Francisovy po 700MW)

průměr rotoru turbíny (m)

8,6

8,6

maximální výkon elektrárny (MW)

14.000

18.200

předpokládaná výroba energie (kWh/rok)

9,3 .1010

8,6 .1010

množství betonu (m3)

1,257 x 107

2,794 x 107

výška hráze (m)

196

181

délka hráze (m)

7.700 (beton,skály,půda)

2.309 (pouze beton)

průtočná kapacita (m³/s)

62.200

102.500

délka přehradní nádrže (km)

170

600

plocha přehradní nádrže (km2)

1.350

1.084

počet přesídlených obyvatel (mil.)

4

1,1



Tab. 6.3 Parametry některých hydroelektráren vltavské kaskády

(Vysvětlivky: t - turbína, č - čerpadlo, (1) bez obsluhy, (2) dálkové ovládání, A - automaticky, T - turbínový, K - kompenzační, Č - čerpadlový, Gr - gravitační, Sy - sypaná, B - betonová, Z - zemní)



Lipno I

Lipno II

Orlík

Kamýk

Slapy

Štěchovice

Štěchovice přečerpávací

Vrané

počet soustrojí

2

1

4

4

3

2

2

2

výkon soustrojí (MW)

60

1,5

91

10

48

11,25

21

6,25

Spád max./min. (m)

162 /148

10 / 4

70,5 /44

15,5 /12

56 /27

20 /14,5

220 /210

11 /8

Průtok (m3.s-1)

46

20

150

90

100

75

t-12,5 / č-7,5

75

Otáčky (min-1)

375

166,7

187,5

150

230,8

166,7

375

150

Druh turbín

Francis.

Kaplan.

Kaplan.

Kaplan.

Kaplan.

Kaplan.

Francis.

Kaplan.

Výkon generátoru (MW)

68

1,9

100

12,5

60

15

27

9,25

Napětí (kV)

15

6,3

15

10,5

10,5

10,5

10,5

6,3

Způsob provozu

A-T+K

A-T (1)

A-T

A-T (2)

A-T

A-T

A-T-K-Č

A-T (2)

Výška přehrady (m)

25

11,5

90

28

68

31

umělá nádrž

10

Délka přehrady (m)

300


500


250

200

umělá nádrž


Délka přehradní nádrže (km)

44



10

45

8

umělá nádrž

12

Druh přehrady

Gr,Sy-B

Z

B, Gr

B, Gr

B, Gr

B, Gr

umělá nádrž




Tab. 6.4 Vodní elektrárny společnosti ČEZ, a.s.


vodní elektrárny

instalovaný výkon (MW)

rok uvedení do provozu

Lipno I

2 x 60

1959

Lipno II

1 x 1,5

1957

Hněvkovice

2 x 4,8

1992

Kořensko

2 x 1,9

1992

Orlík

4 x 91

1961 - 1962

Kamýk

4 x 10

1961

Slapy

3 x 48

1954 - 1955

Štěchovice I

2 x 11,25

1943 - 1944

Vrané

2 x 6,94

1936

Štvanice (ČEZ, a. s., je pouze provozovatel, nikoli vlastník elektrárny)

3 x 1,89

1987

Mohelno

1 x 1,2

1977

Želina

2 x 0,315

1994

Vodní a malé vodní elektrárny celkem

727


Štěchovice II (přečerpávací)

1 x 45

1947 - 1948

Dalešice (přečerpávací)

4 x 112,5

1978

Dlouhé Stráně (přečerpávací)

2 x 325

1996

Celkem

1 872



Slapové elektrárny se zatím příliš nerozšířily. Bylo vybudováno několik pokusných, největší je Saint Malo ve Francii a má 14 turbín. V ústí řeky Rance ve Francii má slapová elektrárna 24 turbín o průměru 5,8 m, maximální výkon je 240MW, roční produkce 550GWh energie. Kanadsko-Americká elektrárna v zálivu Fundy Bay s jedinou turbínou 20MW byla instalována v r.1984. Nejstarší slapová elektrárna je v Anglii Dee Hydro Station v Cheshire s maximálním výkonem 600 kW. Slapové elektrárny ničí často unikátní pobřežní habitaty v zóně přílivu a odlivu s výskytem endemitických živočichů.



Větrné elektrárny

Energie větru byla nejprve využívána k pohonu plachetnic, později k pohonu větrných mlýnů a dnes k pohonu větrných turbín. Využitelný výkon se globálně odhaduje na 3TW. Do r.2000 byly na světě instalovány větrné turbíny s celkovým maximálním výkonem 6000 MW, započítáme-li koeficienty využití, odpovídá to 1200 MW trvalého výkonu. Využitelné jsou větry v rozmezí rychlostí 3-26m/s.

První zmínka o větrných mlýnech v Evropě je z r.833. U nás v ČR je doložen r.1277 větrný mlýn na zahradě Strahovského kláštera. V Čechách je zdokumentováno 198 větrných mlýnů, na Moravě a ve Slezsku 681 větrných mlýnů. Nejvíce jich bylo v 19. stol.

První elektrický generátor poháněný větrem byl v Dánsku 1890. Ve třicátých letech 20. století byla na Krymu větrná elektrárna s maximálním výkonem 100 kW. Ve čtyřicátých letech pracoval ve Vermontu (USA) dvoulistý agregát s maximálním výkonem 1,25 MW. V r.1960 pracoval na světě milion větrných turbín.Větrné elektrárny se začaly více instalovat od r. 1970 v souvislosti se skleníkovými plyny a s limitovanými zásobami fosilních paliv. Hlavně po embargu na ropu zemí OPEC tehdy prudce stouply ceny ropy. Průkopníkem v instalaci větrných elektráren bylo Dánsko. V r.1991 bylo v Dánsku 3200 větrných elektráren o celkovém maximálním výkonu 410 MW, což činilo 2,4% spotřeby energie Dánska. V Kalifornii bylo do r.1986 zřízeno 14000 malých větrných elektráren s celkovým maximálním výkonem 1100 MW. Aplikace byly různé, ale většinou to byla výroba elektřiny. Poté se hojně instalovaly i v Německu, kde v r. 2004 bylo 16543 větrných elektráren o celkovém maximálním výkonu 16629 MW, což činilo 5,9% spotřeby energie Německa. V ČR bylo v letech 2002-2004 postaveno 15 větrných elektráren o celkovém maximálním výkonu 9,86 MW. V r.2005 činil celkový maximální výkon větrných elektráren v ČR 17,1 MW. Dotované výkupní ceny alternativní energie ve jmenovaných státech umožnily nastartovat tento trend budování alternativních elektráren.

Pro kinetickou energii proudícího vzduchu můžeme psát

 

Form. 4.4.7 - 1 : ,

kde ρ je hustota vzduchu, S je plocha rotoru, d je délka sloupce vzduchu prošlého turbínou a v je rychlost proudění vzduchu. Pro výkon větrné turbíny můžeme psát

 

Form. 4.4.7 - 2 : ,

kde η je účinnost turbíny a r je poloměr rotoru. Hustota výkonu větru se udává ve W.m-2. Je tedy úměrná ρ a v3. Rentabilní místa z hlediska vyrobené energie a výkupních cen udává průměrná dolní mez hustoty výkonu či rychlost větru (ve výšce 30-40m). V ČR je to cca hustota výkonu cca 210 W.m-2 či rychlost cca 5,2 m.s-1. Bohužel dobře rentabilní lokality jsou v ČR jen tři a všechny jsou v chráněných oblastech na hřebenech hor.

Větrné motory jsou konstruovány s horizontální osou ( obr. 6.14 ) či vertikální osou ( obr. 6.15 ). Motory s horizontální osou mají účinnost až 48%. Motory s vertikální mají nižší účinnost až 38%. Schéma větrné elektrárny s horizontální osou je na obr. 6.16 .

Tab. 6.5 ukazuje orientační hodnoty množství vyrobené energie malou větrnou elektrárnou v podmínkách České republiky. Vyšší hodnoty odpovídají velmi příznivým větrným podmínkám - průměrné rychlosti větru cca 7 m.s-1. Pro srovnání běžná domácnost spotřebuje cca 6000 kWh/rok, pokud elektřinou i topí a ohřívá vodu, je to cca 30000 kWh/rok.



Tab. 6.5 Orientační hodnoty množství vyrobené energie malou větrnou elektrárnou v podmínkách České republiky

nominální výkon elektrárny

roční produkce energie

8 kW

15000 - 22000 kWh

10 kW

17000 - 35000 kWh

50 kW

120000 - 250000 kWh

 

Mapka s polohou vodních elektráren a jedné větrné elektrárny ČEZ, a.s. je na obr. 6.17 . Zajímavé podrobnější informace o elektrárnách provozovaných společností ČEZ, a.s. lze najít na internetových stránkách společnosti ČEZ,a.s. na adrese http://www.cez.cz.



<< 4.4.6 Elektrárny na fosilní paliva Top 4.4.8 Solární energie >>