Hydroelektráreň

Hydroelektráreň

Úvod
V súčasnosti, v dobe, keď sú zásoby fosílnych palív, a tým aj energie na kriticky nízkom stupni, čoraz častejšie je témou diskusii odborníkov na energetiku otázka alternatívnych zdrojov. Voda- je všade okolo nás, ba aj v nás. Je kolískou života a postupom času sa stáva pre ľudstvo nenahraditeľnou aj vo sfére energetiky a výroby elektrickej energie. Voda už od nepamäti sprevádza človeka pri jeho práci. Svojou silou pomáhala mlieť obilie , neskôr v trochu pozmenenom skupenstve priviedla ľudstvo do novej doby- doby pary a technickej revolúcie. Otázka vodnej energie ešte nikdy nebola tak aktuálna ako dnes. Energiu vody na energiu elektrickú premieňa hydroelektráreň.

1.Energia vody
1.1 ENERGIA VODY
História využívania vodnej energie sa začína datovať už 2. storočí pred naším letopočtom, kedy v Ilýrii (západná časť Balkánskeho polostrova), bolo zostrojené a použité prvé vodné koleso s vertikálnym hriadeľom. Postupným zdokonaľovaním a vývojom sa vodné kolesá stali pohonnou časťou vodných mlynov a gátrov (slúžili na pílenie dosák z kmeňov stromov).  Energia vody má svoj pôvod v slnečnej energii. Prečo? Slnečné žiarenie spôsobuje odparovanie vody z morí, oceánov, riek, potokov a nádrží. Ochladením vodných pár, nachádzajúcich sa nad povrchom, dochádza k  ich kondenzácií a následným zrážkam. Tak sa potenciálna energia vody v mrakoch mení na kinetickú energiu vody vodných tokov, morí a oceánov. Túto energiu vody premieňame potom na mechanickú energiu na pohon vodných turbín a následne na výrobu elektrickej energie.

1.2 Energia morí a oceánov
Hoci naša krajina nemá more, kvôli úplnosti spomenieme aj tento možný zdroj energie. Dnes, v dobe na pokraji ekologickej katastrofy, v dobe veľmi náročnej na energiu, nachádzajú myšlienky využiť aj túto energiu opodstatnené miesto. Jednou s možností, ako “dostať “ energiu z mora, je využívať pravidelne sa opakujúci príliv a odliv. Tieto sú následkom vzájomného gravitačného pôsobenia medzi Mesiacom a Zemou. Prílivová vlna je najväčšia na strane privrátenej k Mesiacu, pričom príliv nastáva aj na strane odvrátenej
. V miestach kolmých na spojnicu prílivov je práve v tom istom čase odliv. Pretože Zem sa otočí okolo svojej osi za 24 hodín, na danom mieste možno pozorovať príliv resp. odliv každých 12 hodín. Spomenieme aspoň jeden z mnohých projektov. Oscilačný stĺpec vzduchu. Využitie kolísania vody v mori počas dňa spočíva v usmernení prílivových vĺn k vodnej turbíne. Stĺpec vody tlačí uzavretý vzduch k turbíne, ktorá roztáča generátor. V lokalitách zvlášť vhodných pre tento druh elektrárne, možno efektívne využiť aj kinetickú energiu prúdiacej vody. Ak je prílivová vlna dostatočne silná, voda sa v dôsledku podtlaku v “zvone” dostáva až k turbíne a roztáča ju.

Prílivové elektrárne založené na tomto princípe sú zatiaľ iba v štádiu overovania (napr. región Islay, Škótsko, 75 kW; kanál Tapchan, Nórsko, 350 kW). Nevýhodou týchto oscilačných vodných elektrárni je okrem časovej závislosti aj nutnosť dostatočnej sily, intenzity prílivu, prípadne veľký rozdiel výšky vodnej hladiny za prílivu a odlivu (min. 4,5 m). Rekord v tejto oblasti drží výbežok Bay of Fundy v Kanade, kde rozdiel hladín dosahuje až 18 metrov.
Reálnejšia možnosť väčšieho energetického zisku je ukrytá v energetickom potenciáli pohybujúcich sa vĺn. Frekvencia morských vĺn je asi 10 sekúnd. V súčasnej dobe je testovaných niekoľko sľubne sa vyvíjajúcich sa projektov, ktoré už sčasti vyriešili aj problémy súvisiace s prevádzkou zariadení nezávisle na veľkosti a intenzite vĺn. Jedným z takýchto projektov je Projekt “ Kačica ”. V princípe ide o generátor s viac-menej pevnou vnútornou časťou, zaťaženou vyrovnávajúcimi zaťažovacími tyčami a pohybujúcou sa vonkajšou časťou. Vonkajšia a vnútorná časť sú od seba vzájomne oddelené rýchlobežnými ložiskami umiestnenými vo vodnom prostredí. Morské vlny narážajúce na vonkajší obal tvaru kačacieho tela (odtiaľ názov), dávajú do pohybu aj vonkajšiu časť generátora. V dôsledku pohybu tak medzi vonkajšou a vnútornou časťou vzniká gyroskopický efekt, generujúci elektrický prúd. Zariadenia tohto typu v základnom prevedení dosahujú rozmery okolo 20 metrov.
 
1.3 Energia vodných tokov a nádrží
V súčasnosti energia vody patrí k najčastejšie využívaným zdrojom energie. Prevažne ide o veľké vodné elektrárne, prípadne prečerpávacie vodné elektrárne, ktoré sú však viazané na väčšie vodné nádrže. Ich výstavba často vyžaduje rapídne zásahy do okolitej krajiny, pritom sa mení aj jej charakter, čo môže byť z ekologického hľadiska nevyhovujúce. V ďalšom sa budeme venovať iba malým vodným elektrárňam, ktorých ekologické dôsledky sú minimálne a existuje množstvo lokalít, v ktorých možno malé vodné elektrárne vybudovať. Pod pojmom malé vodné elektrárne (MVE) budeme rozumieť vodné elektrárne s inštalovaným výkonom do 10 MW. Tie možno rozdeliť podľa rôznych kritérií, z ktorých najdôležitejšie sú inštalovaný výkon, spád a prietok. Spád v mieste inštalácie je rozdiel medzi hornou a dolnou hladinou (pred a za turbínou). Prietok je množstvo, objem pretekajúcej vody za časovú jednotku.

Výstavba a inštalácia VE je limitovaná predovšetkým veľkosťou spádu a objemovým prietokom. Iba rozumným zladením obidvoch faktorov možno docieliť efektívne využívanie vodnej energie. Preto väčšina VE pozostáva z niekoľkých častí, ktoré je treba vybudovať ešte pred jej spustením. Sú to: vzdúvacie zariadenie, privádzače vody k  turbínam, hrablice a strojovňa elektrárne, turbína a odpadové kanály, ktoré odvádzajú využitú vodu späť do riečneho koryta. Vzdúvacie zariadenie, hrádza, hať, slúži na vzdutie vodnej hladiny a  prípadné usmernenie vody do privádzača zadržovanej vody, pričom z ekologického hľadiska majú v  porovnaní s veľkými vodnými elektrárňami minimálny vplyv na okolie. Rozhodujúcim ekonomickým faktorom pri ich výstavbe je ich šírka. Úlohou privádzačov je koncentrovať spád do miesta inštalácie turbíny. Ekonomicky menej náročné ako tlakové privádzače (oceľové rúry, resp. železobetónové kanály) sú beztlakové privádzače (náhony, kanály). Náklady na ich výstavbu závisia od dĺžky, priečného sklonu, terénu a  typu zeminy. Cieľom je však dosiahnuť maximálny spád pri minimálnych nákladoch.

Hrablice, vlastne oceľové mreže, zabraňujú vniknutiu nečistôt do turbíny. Strojovňa slúži na inštaláciu strojového a elektrotechnického zariadenia ako prevodovka, generátory a riadiaca časť. Najdôležitejšou časťou každej elektrárne je vodná turbína. Zaradenie konkrétneho druhu turbíny do VE záleží od podmienok a požiadaviek prevádzkovateľa. Vo všeobecnosti pre každú MVE existuje viac možných riešení.

V súčasnosti sú najpoužívanejšie štyri základné druhy vodných turbín - Bánkiho, Peltonova, Francisova a Kaplanova, prípadne ich inovované a vylepšené konštrukčné riešenia (špirálovité a kašnové riešenia , priamoprúdové). Ich usporiadanie v MVE záleží na viacerých faktoroch, preto sa môžeme stretnúť s vertikálnym aj horizontálnym uložením. Pri inštálacií zohráva podstatnú úlohu aj to, či ide o turbínu rovnakotlakovú alebo pretlakovú.

2. Typy vodných elektrární
2.1 Rozdelenie vodných turbín
 
Bánkiho turbína je rovnakotlaková turbína s dvojnásobným prietokom obežného kolesa. Je vhodná pre MVE so spádom od 1m do 50m, ekonomicky výhodná najmä pre spády od 4 m. Rozsah prietokov je asi od 0,01 do 0,9 m3 .s-1, pričom výkon sa pohybuje v rozmedzí 0,5 až 120 kW. Prietok vody je regulovaný nastaviteľnou obtekajúcou klapkou. Výhodou
Bánkiho turbíny je vysoká účinnosť (ešte pri 30% prietoku neklesne pod 65%). Tá potom roztáča asynchrónny motor, ktorý plní funkciu generátora elektrického prúdu. Pomerne jednoduchá montáž a možnosť prívodu vody v rôznych sklonoch (od horizontálneho po vertikálny) ju umožňuje využívať na dodávky elektrickej energie do osobitných sieti. Príkladom môžu byť VE pri Brnčalovej chate a chate kpt. Nálepku vo Vysokých Tatrách.
Pripojením násavky boli Bánkiho turbíny zdokonalené na turbíny CINK. Pôsobením násavky je turbína na vstupe pretlaková, na výstupe vody podtlaková. Turbíny CINK možno úspešne využívať pri spádoch 1,5 – 200 m pri dosahovanom výkone 3kW – 3MW.
 
Peltonova turbína je rovnakotlaková turbína vhodná pre spády nad 30m. Jej lacnejšou náhradou môžu byť sériovo vyrábané odstredivé čerpadlá v reverznom chode.

Francisova turbína je pretlaková turbína vhodná pre celý rozsah prietokov, pričom si jej inštalácia vyžaduje spád od 10m. Zvlášť výhodné uplatnenie nachádza v lokalitách s veľkými prietokmi, ktoré umožňujú dosahovať vysoké výkony.
 
Kaplanova turbína je klasická pretlaková turbína s výbornou možnosťou regulácie. V súčasnosti sa už vyrába s rôznymi úpravami (vrtuľová, kolenová, Reiffensteinova), čo umožňuje jej využitie pre spády 1 – 40m, prietoky od 0,1 až po niekoľko m3.s-1.

2.2 Typy vodných elektrární
V súčasnosti je už praxou overených množstvo technických riešení, ktoré zvyšujú účinnosť vodných elektrárni. Najperspektívnejšími sa javia vylepšenia:
1. priamoprúdové, kde voda priamo preteká horizontálnou vrtuľovou alebo Kaplanovou turbínou.
2. kašnové, kde je vlastná Kaplanova alebo Fracisova turbína umiestnená vertikálne či horizontálne v nádrži s voľnou hladinou.
3. špirálovité, kde sa využíva fakt, že vhodným tvarovaním vysokotlakového privádzača sa zvyšuje rýchlosť pretekajúcej vody a teda aj prietok turbínou. Najčastejšie používané turbíny (Kaplanova a Francisova) sú uložené vertikálne resp. horizontálne.

Zaujímavým technickým riešením sú aj turbíny METAZ (Obr. 9). Ide o upravené jednoduché vrtuľové turbíny s násavkou. Turbína sa do prevádzky spúšťa vlastným elektromotorom. Najprv pracuje ako klasické čerpadlo, no po zaplnení násavky vodou prechádza automaticky do turbínového chodu, pričom spúšťací elektromotor už plní funkciu generátora. Pri tomto riešení sa dosahuje účinnosť od 74% do 82% pre spády 2-6 metrov a prietoky od 0.3 m3.s-1.
 
2.3  Prečerpávacie vodné elektrárne
Prečerpávacie vodné elektrárne sú charakteristické dvoma, výškovo
rozdielnymi vodnými nádržami.
Proces výroby elektrickej energie v prečerpávacej vodnej elektrárni sa delí na dva úzko prepojené deje a to:
 
1.čerpadlová fáza
2. turbínová fáza
Pri čerpadlovej fázy sa odoberá elektrická energia v čase, keď je zaťaženie sústavy nižšie (obvykle v nočných hodinách). Odobratá energia sa používa na pohon čerpadiel, ktoré dopravujú vodu do vyššie položenej nádrže. Elektrická energia zo siete sa takto mení na potenciálnu energiu vody. Pri turbínovej prevádzke sa odvádzaná voda z vyššej nádrže používa na pohon vodných turbín s elektrickým generátorom v údolnej stanici. Vyrobená elektrická energia sa dodáva do sústavy obvykle na pokrývanie špičkového zaťaženia elektrizačnej sústavy. Potenciálna energia sa takto znova mení na elektrickú energiu. Prečerpávacie vodné elektrárne predstavujú veľké akumulátory energie, ktoré umožňujú získať z nich energiu vtedy, keď to elektrizačná sústava potrebuje. V Slovenskej republike sú nasledujúce prietokové vodné elektrárne:
-vodná elektráreň Liptovská Mara
-Prečerpávacia vodná elektráreň Čierny Váh
-vodná elektráreň Dobšiná 1
-prečerpávacia vodná elektráreň Ružín 1
 
3.Hydroelektráreň ako celok
3.1 Spôsob výroby elektrickej energie vo vodnej elektrárni
Vodné elektrárne fungujú na princípe premeny mechanickej energie vody na elektrickú energiu. Vodný prúd prechádza nepohyblivými rozvádzacími kanálmi turbíny a takto usmernený vodný prúd vteká do opačne zakrivených lopatiek obežného kola vodnej turbíny, roztáča tieto lopatky a odovzdáva im svoju mechanickú energiu. Mechanická energia vody sa mení na mechanická energiu hriadeľa, tá sa následne mení pomocou elektrických generátorov na energiu elektrickú. S vysokou účinnosťou premieňa elektrický generátor vodnej elektrárne energiu mechanickú na energiu elektrickú. Elektrická energia sa v synchrónnom generátore vytvára indukciou rotujúceho magnetického poľa rotora do pevného vinutia statora generátora. Pre vytvorenie magnetického poľa rotora je potrebný budiaci jednosmerný prúd, ktorý je vyrábaný v budiči generátora. Vyrobená elektrická energia sa prenáša pomocou elektrických sietí pozostávajúcich z rozvodných zariadení, z transformovní a cez rozvodné siete až ku konečnému spotrebiteľovi.

Vodné elektrárne sa členia podľa toho, pre aké spády a akým spôsobom vodný tok využíva:
- Akumulačné VE - ich súčasťou je veľká akumulačná nádrž
- Derivačné VE - sú postavené na derivačnom kanále
- Prietokové VE - prehradzujú pôvodné alebo nové koryto vodného toku
- Prečerpávacie VE - v čase nízkej záťaže prečerpávajú vodu do vyššie položenej nádrže. V čase vyššej záťaže táto voda potom poháňa hydrogenerátor na výrobu elektrickej energie.
- Kombinované VE
 
4. Hydroenergetika  na Slovensku
4.1 Vodné elektrárne na Slovensku
Sumárny inštalovaný výkon vodných elektrární SE, a. s. je 1 652,7 MW, čo je 31,48 % z celkového inštalovaného výkonu SE, a. s. Z toho je v prietokových vodných elektrárňach inštalovaných 736,6 MW a v prečerpávacích vodných elektrárňach 916,4 MW. (Prečerpávacie VE v MW: Čierny Váh 734,4, Liptovská Mara 98, Dobšiná 24,0 Ružín 60)

Podiel vodných elektrární na ročnej výrobe elektrickej energie Slovenských elektrární, a.s. predstavuje  13 až 20 %. V roku 2005 vyrobili Vodné elektrárne (vrátane Gabčíkova) 4 483,6 GWh z celkového množstva 26 470,9  GWh vyrobenej elektrickej energie v SE, a.s.

Na výrobu elektrickej energie využívajú VE hydroenergetický potenciál našich tokov, ktorý je trvalo sa obnovujúcim, a preto nevyčerpateľným
primárnym energetickým zdrojom - na rozdiel od všetkých druhov fosílnych palív. VE svojou  prevádzkovou pružnosťou s možnosťou rýchlych zmien výkonov sú schopné pokrývať prudko sa meniace požiadavky na
výkon v špičkovej časti denného diagramu zaťaženia a tým sú vhodné aj
 na pokrývanie havarijných stavov v elektrizačnej sústave. Vodné elektrárne pri veľkých akumulačných nádržiach (napr. Orava, Liptovská Mara, Nosice, Kráľová) a prečerpávacie vodné elektrárne (napr. Čierny Váh, Liptovská Mara, Ružín, Dobšiná) vytvárajú zásobu vody na riešenie nerovnomernosti spotreby elektrickej energie v rámci dňa a tým pomáhajú presne dodržať obchodný plán dodávky elektrickej energie.

Vodné elektrárne sú vhodné ako regulačné alebo záložné zdroje v elektrizačnej sústave a sú vhodné aj z pohľadu využitia prvotných zdrojov energie, ktoré sa nachádzajú na našom území. Vodná elektráreň sa väčšinou stavia ako hydroenergetické dielo, ktoré plní viacero účelov, pričom energetický význam ani nemusí byť prioritný. Účelom týchto vodných diel je:
- ochrana územia pred povodňami
- zásobovanie priemyslu vodou
- zásobovanie poľnohospodárstva vodou
- vyrovnávanie nerovnomerných prietokov v toku v priebehu roka
- ochrana životného prostredia
- lodná doprava
- rekreačno -športové využitie

Súčasná úroveň techniky a technológie umožňuje realizovať vo vodných elektrárňach výrobný proces s vlastnosťami, ktoré sú špecifické práve len pre vodné elektrárne:
- vysoká účinnosť premeny primárnej energie na elektrickú energiu
- vysoká operatívnosť a manévrovateľnosť, to znamená možnosť poskytovania podporných služieb pre ES
- ekologická nezávadnosť technologického procesu
- vysoká spoľahlivosť prevádzky a jej bezpečnosť
- plná automatizovateľnosť procesu, možnosť úplnej bezobslužnej prevádzky a diaľkového riadenia
- vysoká životnosť technologického zariadenia i celej elektrárne pri neobmedzenej životnosti primárneho energetického zdroja
- nízka energetická náročnosť celého procesu
- popri turbínovej a prečerpávacej prevádzke aj možnosť kompenzácie.

Skutočne využitý hydroenergetický potenciál SR je na úrovni 57,5 %.
 
4.2 História vodných elektrární na Slovensku
Najstaršou elektrárňou v akciovej spoločnosti Slovenské elektrárne je malá vodná elektráreň (MVE) Rakovec na rieke Hnilec, ktorá bola uvedená do prevádzky v roku 1912. Sú v nej inštalované dva agregáty s vodnou turbínou typu Francis, každý s výkonom 0,5 MW. Na rovnakej rieke je aj MVE Švedlár z roku 1939, ktorá bola pri jej prevzatí do Slovenských elektrární zrekonštruovaná a znovu uvedená do prevádzky. Sú v nej inštalované dva agregáty po 0,045 MW s Francisovou špirálovou turbínou. Ešte pred touto MVE bola do prevádzky uvedená v roku 1931 MVE Krompachy s agregátom s kalsickou Kaplanovou turbínou, ktorá má inštalovaný výkon 0,33 MW.
História veľkej hydroenergetiky v rámci Slovenských elektrární, a.s. začína  uvedením VE Ladce na Váhu do prevádzky v roku 1936. VE Ladce mala inštalovaný výkon 13,8 MW vo dvoch turboagregátoch (2 x 6,9 MW) a celkovú hltnosť 150 m3.s-1 . Už od tohoto prvého väčšieho vodného diela na Váhu sa požadovalo nielen energetické využitie, ale aj ochrana pred povodňami a umožnenie odtoku katastrofálnych vôd. Rovnaké požiadavky boli kladené aj na všetky ostatné, neskôr budované hydroenergetické diela na Slovensku, pričom na sústave vodných diel na Dunaji je ochrana priľahlého územia pred povodňami prioritným hľadiskom.

Na výstavbu VE Ladce s nádržou tvorenou haťou v Dolných Kočkovciach bolo vybrané miesto na strednom toku Váhu, kde rieka svojimi veľkými vodami často spôsobovala problémy (názov rieky má pôvod v latinskom „vagus“ - túlavý, podľa toho, že Váh často menil koryto) a kde boli na
výstavbu relatívne najvhodnejšie podmienky. Toto prvé veľké vodné dielo na Váhu je však z hľadiska dnešných požiadaviek poddimenzované, pretože všetky ostatné vodné elektrárne nad i pod  týmto dielom majú väčšiu hltnosť a tým historicky prvá derivačná kaskáda vodných elektrární na Váhu tvorí „úzke hrdlo“. O to zložitejšie je riadenie celej sústavy vodných elektrární na celom toku Váhu.

V ďalších rokoch nasledovalo postupné budovanie jednotlivých vodných elektrární Vážskej kaskády a vodných elektrární na Východnom Slovensku - viď tabuľku „Inštalované výkony“. Na rovnakom derivačnom kanále ako je VE Ladce boli vybudované ešte tri VE, z toho posledná, VE Trenčín, v roku 1956. Významným medzníkom v rozvoji závodu Vodných elektrární bolo uvedenie do prevádzky VE Orava s veľkou akumulačnou nádržou a prvej veľkej prečerpávacej vodnej elektrárne (PVE) Dobšiná v roku 1953. PVE Dobšiná má „trostrojové“ usporiadanie, to znamená na jednej osi uprostred motorgenerátor a na jednej strane horizontálna turbína Francis a na druhej akumulačné čerpadlo a prevádzala vody z povodia Hnilca do povodia rieky Slaná. Nasledovala VE Krpeľany s nádržou tesne pod sútokom Oravy s Váhom v roku 1957, PVE Liptovská Mara s veľkou nádržou v roku 1975, PVE Čierny Váh v roku 1981 a Sústava vodných diel s vodnými elektrárňami na Dunaji s najväčšou VE - VE Gabčíkovo- v roku 1992. V súčasnosti je v rámci závodu Vodné elektrárne Slovenských elektrární, a.s. v prevádzke spolu 34 vodných elektrární na riekach Váh, Orava, Hron, Dunaj, Hnilec, Hornád a Ondava, v ktorých je spolu inštalovaných 90 turboagregátov. Na objednávku zabezpečuje závod Vodné elektrárne aj prevádzku a jej riadenie vo VE Žilina na Váhu, ktorá nie je majetkom Slovenských elektrární, a.s.

Záver
Ak ľudstvo chce existovať aj naďalej musí sa obzerať za alternatívnymi zdrojmi energie. V posledných desaťročiach znovu objavená energia vodných tokov, morí a oceánov je možným východiskom z tejto naozaj neľahkej situácie. Vodná energia a elektrická energia z nej získaná je úplne čistá, nevzniká pri jej výrobe žiaden nebezpečný odpad, čiže spĺňa ďalšiu pre svet dôležitú podmienku , a to že je to energia ekologická. Nespočetné výhody výroby elektrickej energie z energie vôd by mali byť dôvodom pre rozvoj siete vodných elektrární aj na Slovensku. Určite sa výstavba vodnej elektrárne mnohonásobne odplatí aj pri vyšších nákladoch.