Vodní elektrárny

Historie

Na našem území byl v roce 718, jako první ve střední Evropě, vybudován na řece Ohři u Žatce mlýn poháněný vodní energií. Ve středověku umožnilo vodní kolo zřizování manufaktur vznikajících z řemeslné výroby. Nejčastěji využití vodní síly sloužilo ve mlýnech k drcení zrna, na pilách atd. Technický rozvoj se do první poloviny 19. století omezil pouze na zdokonalování různých typů vodních kol.

Rozhodující pro rozvoj byl vznik a vývoj vodních turbin jako základní součásti MVE. V letech 1848 – 1849 vyvinul první turbinu vhodnou pro velké výrobní série Američan Francis. Tato turbina se začala uplatňovat v Evropě po roce 1870.

Na principu vstřiku tlakové vody do miskových lopatek vyvinul v roce 1877 Američan Pelton svoji turbinu. Spirálová Francisova turbina byla dořešena v roce 1886.

V roce 1912 vyvinul prof. Viktor Kaplan v Brně první vrtulovou turbinu (propeler) a v roce 1913 turbinu s natáčivými oběžnými lopatkami.

V letech 1912 až 1919 prof. D. Bánki (Maďarsko) vypracoval teorii řešení specifického typu rovnotlakých turbin s dvojnásobným průtokem.

Uvedené typy vodních turbin jsou základní i v současné době, i když jsou samozřejmě různě modifikovány a řešeny na soudobé technické úrovni.

Vodní motory se v českých zemích začaly vyrábět od založení blanenských železáren v roce 1698. Nejdříve se vyráběla pouze vodní kola. Od roku 1870 se zde již vyráběly Francisovy turbiny. V roce 1870 byla založena továrna na výrobu vodních turbin Josef Prokop a synové v Pardubicích, která se stala před druhou světovou válkou dominantní ve výrobě Francisových turbin u nás a vyvážela je do všech států Evropy a i do některých asijských zemí.

Rozhodujícími výrobci vodních turbin v minulosti u nás byly firmy:

• Josef Prokop a synové, Pardubice (Francis)
• Ignác Storek v Brně (Kaplan)
• Českomoravská – Kolben, Praha (Francis, Pelton)
• ČKD Blansko (Francis, Kaplan, Pelton)

O rozvoji malých vodních elektráren svědčí inventarizace provedená v roce 1930, podle které v českých zemích bylo provozováno 11 785 hydroenergetických děl s instalovaným výkonem 194,4 MW. Tento stav odpovídal v zásadě i roku 1948.

Po roce 1948 pak došlo ke znárodnění elektráren a k rušení MVE, neboť velké energetické státní podniky o MVE neměly zájem. Do tehdejšího ústředního ředitelství ČEZ bylo v roce 1949 převzato 152 větších malých vodních elektráren s instalovaným výkonem cca 84 MW. Další malé MVE zůstaly v držení JZD, místních národních výborů a znárodněných průmyslových podniků. Většina z nich postupně dosloužila nebo byla zrušena.

Po roce 1990 došlo k úplnému uvolnění soukromého podnikání i v oblasti malých vodních elektráren. Byla zrušeno omezení výroby elektřiny hranicí 200 000 kWh/rok a soukromí podnikatelé mohli obnovovat a budovat MVE bez administrativních omezení, týkajících se instalovaného výkonu nebo o výše roční výroby elektřiny. Došlo k postupné privatizaci části MVE dosud spravovaných státními organizacemi (ČEZ, rozvodné distribuční podniky) a k postupné obnově zrušených MVE. Dále se začaly soukromými podnikateli budovat i nové MVE ve vhodných lokalitách. V současné době je v provozu v ČR cca 1400 MVE.

Základní pojmy a názvosloví

Pro navrhování, výstavbu, rekonstrukce a provoz malých vodních elektráren (MVE) existuje norma ČSN 75 2601   (752601) – malé vodní elektrárny.

Z této normy vychází základní názvosloví a pojmy:

• Malými vodními elektrárnami jsou zdroje využívající vodní energii pro výrobu elektřiny o instalovaném výkonu do 10 MW.
• Základními parametry MVE je spád, průtok turbínami, instalovaný výkon MVE a průměrná roční výroba elektrické energie.
• Instalovaný výkon je součet jmenovitých činných výkonů všech soustrojí elektrárny.
• Dosažitelný výkon MVE je nejvyšší činný výkon, kterého MVE může dosáhnout při daném stavu všech zařízení a při provozních podmínkách.
• Využitelný průtok je maximální průtok, který je MVE schopna při příslušném spádu energeticky zpracovat.
• Celkový spád MVE je výškový rozdíl hladin před vtokem a před vyústěním odpadu za předpokladu nulového průtoku elektrárnou.
• Čistý (provozní) spád MVE je výškový rozdíl hladin před vtokovým objektem (vtokem turbíny) a před vyústěním odpadu (za savkou) zmenšený o ztráty v hydraulickém obvodu MVE.
• Hydraulický obvod MVE jsou všechny prostory protékané energeticky využívanou vodou od prvního příčného průřezu na vtokovém objektu do posledního příčného průřezu na výtoku MVE.

MVE jsou navrhovány jako:

• průtočné (neovlivňující v daném profilu přirozený průtok vodního toku)
• akumulační (využívající akumulace průtoků ve vodní nádrži a potřebných odběrů vody z jejích prostorů)

MVE mohou mít následné 3 varianty dispozičního řešení:

• jezová (příjezová) v řadě variant uspořádání,
• derivační (před vzdouvacím zařízením je část vody přivedena do derivačního přiváděče k MVE, kde je využit spád mezi horní hladinou a výtokem do původního toku)
• přehradní (MVE je zcela nebo z podstatné části v tělese hráze, nebo jako podpřehradová, popř. věžová)

Kriteria výběru lokality

MVE se navrhuje jako průtočná, která neovlivňuje v daném profilu průtok vodního toku, nebo jako akumulační využívající akumulace průtoků ve vodní nádrži při respektování potřebných odběrů z jejich prostorů.

Návrh MVE se projednává zpravidla z hlediska vodohospodářského, územně plánovacího a možnosti připojení na elektrizační soustavu.

Základními předpoklady pro posouzení efektivního řešení MVE, kromě vhodné dispozice lokality pro stavbu MVE, jsou:

• vyjasněné majetkoprávní vztahy k území,
• geodetické podklady,
• geologické podklady,
• hydrologické údaje o lokalitě od Českého hydrometeorologického úřadu (ČHMÚ),
• údaje o spádových poměrech na lokalitě,
• zásady technického řešení MVE vč. předběžného rozpočtu investice,
• případně projekt pro územní nebo stavební povolení,
• povolení s nakládání s vodami vč. schváleného MZP (minimálního zůstatkového průtoku),
• výpočet výroby elektřiny MVE provedený na základě hydrologických údajů lokality a v souladu s povolením s nakládání s vodami. Vypočtená hodnota pak je výchozí pro posouzení ekonomie MVE.

Výpočet výroby elektřiny

Hydroenergetické řešení stanoví optimální návrh instalovaného výkonu, počet soustrojí MVE a průměrnou roční výrobu. Po stanovení typu MVE, instalovaného výkonu a typu a počtu soustrojí se provedou zpřesněné výpočty průměrné roční výroby elektřiny pro průměrně vodný rok. Tento výpočet je potom základní informací vedoucí ke stanovení ekonomické efektivnosti navrhované MVE.

Výpočet výkonu MVE, resp. roční výroby elektřiny vychází z hydrologie lokality (hodnot M-denních průtoků Q_md, které se obvykle vyjadřují graficky jako čára překročení denních průtoků).

Na př.:

Obrázek

Výpočet se provede postupně pro jednotlivé časové úseky roku a vychází ze vzorce:

P_G = g . Q_T. H_u . η_T . η_Př . η_G

kde:

P_G = výkon generátoru v kW při daném průtoku
g = gravitační zrychleni, tj. 9,81 m/s²
Q_T = průtok turbínou v m³/s = (Q_md – MZP), přičemž je omezen maximálním průtokem turbínou (hltností) a minimálním průtokem turbínou
H_u = čistý spád MVE v m (při daném průtoku)
η_T = účinnost konkrétní turbíny
η_Př = účinnost převodu
η_G = účinnost generátoru

Objem roční výroby elektřiny E_G v kWh v průměrném daném roce se pak vypočte:

E_G= ∑ (P_G . 24 . počet dní)

Účinnosti turbin, převodů a generátorů dosahují následujících hodnot:

*) Pozn.: Účinnost turbiny je stanovena v optimálních podmínkách. Účinnost turbíny musí u nově instalovaných turbín dosáhnout v provozním optimu minimálně 85%, u renovací starších typů minimálně 80% při nezbytnosti jejich koncepce automatického provozu. Hodnoty účinnosti je třeba vyžadovat od výrobce, u turbin je musí doložit křivkou účinnosti v závislosti na různých provozních stavech.

**) Pozn.: Účinnost u přímého převodu je 1,0.

V případě, že měření dodané elektřiny do distribučních elektrovodných sítí je až za transformátorem, pak je třeba počítat i s účinností transformátoru (obvykle 96%).

Počet dnů v prvých dnech (při nejvyšších průtocích v roce) se obvykle snižuje o cca 10 až 15 dnů dle konkrétní dispozice lokality (vlivem nedostatečných spádů způsobených povodňovými stavy, poruchami a pod.).