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, turbína
s elektrogenerátorem.
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. |
|