ikona
1. Stupeň
Studijní témata pro 1. stupeň základní školy.

Energie z vody

Nevyčerpatelná energie vody nabízí člověku četné možnosti využití. Příležitost k výrobě ekologické elektrické energie nepřinášejí pouze říční toky, ale také moře a oceány.

energie_z_vody_velka

Mořské vodní elektrárny využívají energii přílivu a odlivu nebo mořského vlnění.

Síla vodního živlu slouží člověku také k akumulaci již vyrobené elektrické energie díky přečerpávacím elektrárnám, které v době přebytku elektřiny načerpají vodu vzhůru   do vodní nádrže a v době vysoké spotřeby elektřiny ji naopak z nádrže vypouštějí za současné výroby elektrického proudu. Právě díky všestranným možnostem využití hraje vodní energetika v oblasti obnovitelných zdrojů velmi významnou roli u nás i ve světě.

Vodní energie je technicky využitelná potenciální, kinetická nebo tepelná energie veškerého vodstva na Zemi. Jedná se hned po biomase o druhý nejvyužívanější obnovitelný zdroj energie. Nejvíce se v dnešní době využívá přeměny ve vodních elektrárnách na elektrickou energii. Elektřina vyrobená ve vodních elektrárnách tvořila v roce 2010 na našem území téměř polovinu (48 %) z celkového objemu elektrické energie vyrobené z obnovitelných zdrojů. Byly to tedy především vodní elektrárny, které České republice pomohly splnit závazek Evropské unii, pokrýt alespoň 8 % spotřeby elektřiny prostřednictvím energie vyrobené z obnovitelných zdrojů.

Na celkovém množství energie, která u nás byla v průběhu roku 2010 vyrobena, tvoří podíl  elektřiny z vodních elektráren jen o něco málo více než 3 %. Necelá polovina takto vyrobené elektřiny pochází z malých vodních elektráren, kterých se na našem území nachází přibližně 1400.

Jako malé vodní elektrárny se označují zařízení s instalovaným výkonem do 10 MW (nebo 5 MW podle terminologie EU).

Malé vodní elektrárny u nás početně převažují nad elektrárnami s výkonem větším. Geografická poloha České republiky na tzv. evropském rozvodí, kde pramení mnoho vodních toků, vytváří velmi vhodné podmínky pro využití vodního živlu v rámci malých vodních elektráren. Malé vodní elektrárny jsou plošně rozloženy na celém našem území, což je výhodné i pro elektrizační soustavu, protože malé decentralizované zdroje neohrožují elektrickou síť možným přetížením, a naopak mohou napomáhat lepší stabilitě systému.

Česká republika ještě zdaleka nevyužívá maximálního potenciálu, který se vodní energetice u nás nabízí. Další výraznější rozvoj však naráží na řadu problémů. Velké vodní elektrárny jsou investičně dosti náročné a navíc jsou možnosti jejich další výstavby z hlediska možných dopadů na životní prostředí velmi omezené. Na druhou stranu většina příhodných míst pro výstavbu malých vodních elektráren je dnes již obsazena a v dalších vhodných lokalitách bývá zřizování nových elektráren z různých důvodů problematické.

Historie

Vodní energie se využívá již od starověku. Nejprve to bylo k dopravě (splavování lodí a vorů či dřeva po proudu řek), později k pohonu mechanismů (mlýnů, hamrů, čerpadel – například vodního trkače – a pil).

K rozšíření jejího využívání v Evropě došlo v období středověku primárně zásluhou mnišských řádů (především benediktinů a cisterciáků), jejichž kláštery ji nejen hojně využívaly, ale též si mezi sebou relativně rychle předávaly vylepšení zvyšující efektivitu jejího využití. První vodní elektrárna byla postavena v Appletonu ve státě Wisconsin v USA v roce 1882. Výroba elektřiny je dnes převažujícím způsobem využití vodní energie.

Současnost

Velký podíl celkové produkce elektřiny vykazují vodní elektrárny např. v Norsku (99,5 %), Švýcarsku nebo v Kanadě.

Důležité jsou dnes i přečerpávací vodní elektrárny, které akumulují energii a vyrovnávají rozdílnou spotřebu elektrické energie, hlavně z toho důvodu, že jaderné a tepelné elektrárny reagují na výkon odebíraný sítí mnohem pomaleji než elektrárny vodní.

Mezi obnovitelnými zdroji energie v České republice dominují vodní elektrárny. Převážnou většinu obnovitelných zdrojů získává ČEZ nikoli díky solárním farmám či polím osázeným větrnými elektrárnami (tzv. větrné parky), ale pomocí vodních elektráren. V současné době 21 vodních děl vyrábí zhruba 83 % obnovitelné energie skupiny ČEZ (830 MWh elektrického výkonu).

Od vodního kola k turbíně

Lidé využívají energii vody k mnoha účelům již stovky let. Na počátku vodních strojů stojí různé typy vodních kol, která však většinou nedosahovala vysoké účinnosti. Vodní kola poháněla mlýny, důlní čerpadla, pily či vodárenské stroje.

Snaha o technické zdokonalení a zvýšení účinnosti vodních kol postupně vedla ke zrodu vodních turbín. První turbína vznikla již v první polovině 19. století, přičemž v průběhu následujících desetiletí bylo vynalezeno hned několik dalších typů turbín vhodných pro různé vodní toky.

kaplanova_turbina

Podle principu jejich fungování se vodní turbíny rozlišují na rovnotlaké, využívající zejména pohybové energie vody a na přetlakové, které používají vodní energii pohybovou i tlakovou. Mezi nejznámější přetlakové turbíny patří Kaplanova (má několik modifikací) a Francisova, které jsou zároveň nejčastěji používanými turbínami v našich vodních elektrárnách. Mezi rovnotlakými turbínami jsou pak nejznámější Bánkiho a Peltonova.

Vodní turbíny jsou obecně považovány za technicky nejdokonalejší mechanické motory, protože mohou dosáhnout až 95% účinnosti za současného ekologicky čistého provozu.

Malé vodní elektrárny (MVE)

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.

Jak funguje vodní elektrárna

vodní turbíně, která je srdcem vodní elektrárny, je spád vody směřován prostřednictvím různých typů přivaděčů. Před turbínou ještě voda proteče česlemi, které si můžeme představit jako sběrné síto, které brání přiváděným nečistotám vniknout do turbíny. Po průchodu turbínou je voda odváděna odpadními kanály zpět do původního říčního toku. Nezbytnou součástí vodních elektráren je dále generátor, který umožňuje samotný převod mechanické energie na elektrickou.

Princip funkce

Vodní elektrárny soustředí měrnou energii vodního toku vybudováním jezu nebo přehrady. Voda roztáčí turbínu, ta je na společné hřídeli s elektrickým generátorem (dohromady tvoří tzv. turbogenerátor). Mechanická energie proudící vody se tak mění na energii elektrickou, která se transformuje a odvádí do míst spotřeby.

Stavba vodní elektrárny – dobré plánování

Existuje mnoho variant technického řešení vodních elektráren, přičemž samotné výstavbě musí předcházet dobré plánování a posouzení všech významných vstupních parametrů vycházejících z podmínek konkrétní lokality. Mezi rozhodující parametry patří využitelný spád vodního toku a průtok vody. Na základě těchto hodnot se vybere vhodný typ a výkon turbíny a další součásti provozu.

Obecně platí, že místa s vyššími spády jsou pro vodní elektrárnu z hlediska ekonomiky provozu výhodnější. Malé vodní elektrárny na říčních tocích proto k zajištění dostatečného spádu používají jezy, které umožní potřebné vzdutí vody. Tohoto principu však nejlépe využívají vodní elektrárny postavené v rámci přehradních nádrží.

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.

Přírodní podmínky ČR pro MVE

V ČR nejsou přírodní poměry pro budování vodních energetických děl ideální, naše toky nemají velké spády a potřebný dostatek vody. Přesto je ještě možné nalézt vhodné lokality pro výstavbu nebo obnovu malých vodních elektráren, přičemž nejvýhodnější využití je v oblastech vysokých spádů. Nezbytnou a velmi nákladnou součástí každé elektrárny je vzdouvací zařízení (jez), případně přiváděcí nebo odtokový kanál. Je-li nutné tyto části vybudovat zcela nové, elektrárna se hodně prodraží. Pokud je tedy možné pouze rekonstruovat starší vodní dílo, investice se vyplatí mnohem více, neboť náklady na výstavbu významně klesnou.

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

Vliv MVE na životní prostředí

Vodní elektrárny neznečišťují ovzduší, nedevastují krajinu a povrchové či podzemní vody těžbou a dopravou paliv a surovin, jsou bezodpadové, nezávislé na dovozu surovin a vysoce bezpečné.  Z hlediska ochrany životního prostředí je nutné pro výstavbu vodních elektráren pečlivě vybírat vhodné lokality, ve kterých stavba nezpůsobí velký zásah do okolní přírody. Celou elektrárnu je také potřeba začlenit do okolního prostředí, aby nedošlo k narušení místního krajinného rázu. Oproti velkým hydroelektrárnám jsou malé vodní elektrárny z tohoto pohledu samozřejmě šetrnější.

mala_vodni_elektrarna

Pokud jsou při plánování a následné výrobě elektřiny dodržovány všechny normy a požadavky, vyznačují se vodní elektrárny velmi „čistým“ provozem, protože využívají obnovitelný zdroj energie. Obavy ze znečištění vody ropnými produkty jsou většinou neopodstatněné vzhledem k tomu, že v moderních provozech se používají ekologicky šetrná maziva a samomazná ložiska. Správně řešená vodní elektrárna je zároveň charakteristická velmi nízkou hlučností a také vstřícností k vodním živočichům, pro které je možné zbudovat tzv. rybí přechody, které pomohou eliminovat vzniklou migrační bariéru.

Zejména malá vodní elektrárna může mít na okolní životní prostředí dokonce přímo pozitivní vliv. Vodní elektrárna se podílí na čištění toku zejména proto, že elektrárnou zachycené naplaveniny se nesmí do řeky opětovně vracet. Zároveň také činnost elektrárny vede k provzdušňování vody, což může podpořit obnovování místního říčního života.

Odběry vody v MVE vždy ale představují významný zásah do celkového hydrogeologického režimu toku a ve většině případů představují silný negativní vliv rybí osídlení pod profilem odběru a nepřímo i nad ním, neboť ve většině případů musí být vybudován stupeň, což je negativní migrační bariéra. Z hlediska odběru ovlivňuje pouze malou část toku a podjezí.

Rozlišujeme MVE příjezové a derivační.

Příjezová – je umístěna na úrovni vzdouvacího stupně v břehové části. Samotný odběr vody je v nadjezí a výtok do podjezí je maximálně několik desítek metrů.

Derivační – je spojena s různě dlouhým derivačním kanálem nebo náhonem, jenž zajišťuje dostatečně velký rozdíl hladin vody pro dané turbiny.Délka derivačního honu se pohybuje v délce několika desítek až stovek metrů, výjimečně až několik kilometrů. V takovém případě může být na náhonu hned několik MVE.

Je třeba si uvědomit již před stavbou negativní dopady  na celý daný ekosystém. V prvé řadě se jedná o stavbu, jejíž provoz vždy ovlivní a to dosti negativně hydromorfologické charakteristiky vodního toku a následně vodní biotu a též dojde k fyzikálně chemickým změnám. MVE negativně ovlivní  rybí osádku daného toku, neboť dojde k vytvoření  migračních bariér, dojde k fragmentaci toku, což může způsobit nekontinuální rybí populace, dojde ke změně průtokových režimů v dané lokalitě, což vede ke změnám teplot, zarůstání, sedimentaci jílovitých částí, ale i ke zvýšené predaci ryb rybožravým ptactvem. Dochází ke snižování potravní základny a to vlivem rozkolísanosti průtoků a celkové zhoršení kvality vod, neboť v mnoha případech se zvyšuje kvantita organické hmoty v podjezí, což může vést až ke zvýšenému úhynu ryb.

0

Diskuse


Zapojte se do diskuse!