Malá vodní elektrárna Spálov Na úvod něco z teorie a minulosti využívání energie vody Část energie slunečního záření dopadajícího na zem se přetváří v energii vody. Ta patří mezi nevyčerpatelné (obnovitelné), nejbezpečnější a nejšetrnější zdroje energie. V ČR je jen doplňkovým zdrojem (např.ve Švýcarsku a Norsku má veliký podíl na celkové výrobě energie). Poruchovost malých vodních elektráren (MVE) je minimální, provozní náklady nízké, počáteční investice do nich bývá poněkud vyšší. Náklady se mohou podstatně snížit při přestavbě mlýnů, hamrů, pil a jiných areálů, které již dříve využívaly energii vody, další možností je koupě repasované turbíny (není sice nová, ale svůj účel plní stejně dobře i po několik desítek let). Bezobslužný provoz je nyní standardem, jistou výhodou je rozptýlení po velkém území (distribuce realizovaná pro oblastní spotřebu, menší ztráty vedením, výpadek jedné vodní elektrárny (VE) nemá takový dopad jako výpadek velké konvenční elektrárny). Elektrická energie vyrobená v ČR vodními elektrárnami v roce 2004 dosahovala 13% z vyrobené energie z obnovitelných zdrojů energie (OZE). Výkon VE nyní je zhruba až 17% z instalovaného výkonu všech elektráren v ČR. Podíl na celkové výrobě všech energií je zanedbatelný, v roce 2004 jen 0,38%, z celkové produkce elektřiny v ČR se nyní ve VE vyrobí necelá 4%. Evropská unie považuje za MVE vodní elektrárny do výkonu 5 MW, ale v ČR jsou za MVE považovány elektrárny do 10 MW. Velká většina výkonu vodních elektráren, cca 90% je z elektráren o výkonu větším než 5 MW a zbylých cca10% je z MVE podle evropského řazení. Členstvím v Evropské unii jsme zavázáni k většímu podílu výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů, v roce 2010 má podíl dosáhnout alespoň 8%. Dělení MVE podle některých parametrů: Dle výkonu •průmyslové (od 1MW) •minielektrárny (do 1 MW) •mikrozdroje (do 0,1 MW) •domácí (do 35 kW)
Podle spádu •nízkotlaké (do 20 m) •středotlaké (20 - 100 m) •vysokotlaké (od 100 m)
Dle nakládání s vodou •průtokové •akumulační •přečerpávací
Ještě do konce 1. poloviny 20. století bylo v Československu více než 14 tisíc zařízení využívajících energii proudící vody pro výrobu elektrické energie (část z nich vyráběla elektrickou energii jen jako doplněk původních zařízení (např. textilních továren, hamrů, mlýnů, pil). V 50. letech 20.století však byla velká většina malých, nejen soukromých zdrojů elektrické energie kvůli komunistické ideologii násilně odstavována a často úmyslně likvidována funkční strojní zařízení. Vůbec tento nízký podíl všech OZE je výsledkem nejen situace za minulého režimu, ale i selhání či až nezájmu dosavadní politiky v podpoře ekologicky příznivějších technologií výroby energií. I když se teoreticky využitelný potenciál našich toků pro MVE pohybuje okolo 3 400 GWh/rok, prakticky využitelný potenciál v MVE dosahuje 1570 GWh/rok, tak MVE nyní využívají potenciál přibližně ze 45 % (700 GWh/rok). Za posledních pět let má výstavba MVE tendenci minimálního přírůstku, viz Tab.č.1. což je způsobeno obsazením většiny lokalit s výhodnějšími podmínkami. Velké množství z nevyužitých lokalit má totiž malé spády, ke kterým je obtížné nalézt nejoptimálnější druh turbíny pro maximální využití daných podmínek Obr.č.1. s co nejkratší návratností investice. Tyto spády méně než dva metry se u nás v ČR vyskytují celkem hojně. Větší rozvoj MVE u nás narážel a naráží ještě dosud na několik problémů:
• Delší návratnost investice • Většina vhodných lokalit je již obsazena • Složitější legislativa • Problematická využitelnost malých spádů • Relativně nízké výkupní ceny energií • Znevýhodnění oproti konvenčním zdrojům energií Všechny OZE jsou oproti konvenčním zdrojům znevýhodněny cenou za ekologické škody. V ceně energie by musela být asi zahrnuta daň z neobnovitelné suroviny, příspěvek na revitalizaci krajiny po povrchové těžbě uhlí nebo jiný typ daně. Tento stav je nejspíš zaviněn nevhodným řešením státní energetické koncepce ČR, navrženými výkupními cenami Energetickým regulačním úřadem (ERÚ) a spoustou dalších ekonomických a legislativních aspektů. Základní informace o MVE Spálov Patří mezi středotlaké průmyslové derivační průtokové elektrárny s využitím potenciální energie vody. Lokalizace: MVE se nachází na řece Jizeře mezi městy Železný Brod a Semily Provozovatel: VČE a.s. Skupina Hydro ČEZ, do konce roku má proběhnout přesun do skupiny ČEZ Obnovitelé zdroje energie (bude vlastnit 21 MVE) Uvedena do provozu: roku 1926, rekonstrukce roku 1998 Soustrojí: dříve dvě spirálovité Francisovy turbíny, v současnosti dvě přímoproudé Kaplanovy turbíny Max. výkon: dříve 2 MW, v současnosti 2,4 MW Max. objem nádrže: 43 000m3 Délka přívodního potrubí: 1,84 km Čistý spád: 22.86m Max. hltnost jedné turbíny: 6m3/s Historie MVE Spálov Síla Jizery byla využívána odedávna, v novějších dějinách především při výrobě v textilních továrnách. Roku 1918 projekt vypracovala a vodoprávní povolení pro zemský správní výbor získala tehdejší Zemská sekce pro využití vodních sil s přednostou vrchního stavitelského rady Ing. Rudolfa Heindla. Autorem návrhu byl profesor Vysokého učení technického v Praze Ing. Dr. Antonín Jílek. Spálov se měl stát jedním z vodních děl na Jizeře v blízkosti soutoku s Kamenicí. K realizaci dalších projektů v této oblasti kvůli válce již nedošlo. Účelem projektu bylo získat 25m nevyužitého spádu řeky mezi výpustí z tehdejší Schmittovy továrny u Semil a soutokem s Kamenicí. V projektu se počítalo s využitím 12 m3/s, s tím že tato hodnota bude překročena 120 dní v roce, s více než 6 m3/s okolo 240 dní za rok a po zbytek roku se průtok mohl dostat i pod 2 m3/s. Realizace projektu MVE Spálov byla rozdělena do dvou etap. První etapa zahrnovala výstavbu jezu, štoly a na něj navazujícího přívodního kanálu. Ta začala v srpnu roku 1921 přípravnými pracemi ke stavbě. Jez byl postaven pro jednoduchost technického řešení a hlavně z finančních důvodů v soutěsce, je pevný, 5,2m vysoký s 34m dlouhým přepadem navazujícím na jedné straně přímo na skálu. Na druhém břehu je štěrková propust a stavidla, která zajišťují velmi jemnou regulaci vodní hladiny nad jezem. Takto zvýšená hladina vody odtéká do usazovací nádrže, na kterou už navazuje vtok
do štoly. Její ražba probíhala pro urychlení z obou stran, ale celý masiv je tvořen vyvřelými diabasy, které jsou velmi tvrdé. Štola je dlouhá 1323m, má spád pouhých 0,5‰, skoro kruhový průřez o ploše 7,9m2. Byla ražena zpočátku ručně a práce probíhala velmi pomalu, za osmihodinovou směnu byl postup jen o 20 až 30cm. Z Vysokého nad Jizerou byla budována linka pro napájení potřebného zařízení, to však trvalo dlouho a tak byly pro pohon zařízení přistaveny dva výbušné motory. Tyto motory byly zprovozněny až před polovinou března 1922. Od té doby vrtání pokračovalo průměrně rychlostí 28m za týden a 5.dubna 1924 byla štola hotova. Stavba navazujícího úbočního kanálu začala v květnu 1924 a za 190 dní zhotovena v délce 437 metrů. V druhé etapě, která začala v červnu 1923, byla dobudována zbývající část přívodního kanálu, objekt vodních zámků a česel, dvojí tlakové potrubí Obr.č.2., vyrovnávací komora, přepad u objektu vodních zámků s odpadním kanálem a hlavní budova elektrárny. Do strojovny byly v dubnu 1925 nainstalovány dvě symetricky uspořádané spirálovité Francisovy turbíny, každá o hltnosti 6 m3/s. Třífázové generátory byly na jedné vodorovné hřídeli s turbínou a budičem. Oba pracovaly na jmenovitých otáčkách 375ot/min, účiník cosφ 0,5 a dohromady vykazovaly maximální výkon 2 MW. Nad strojovnou je galerie s manipulačními pulty a měřící přístroje důležité pro řízení elektrárny.Obr.č.3. Zkušební provoz začal 12. května 1926, do konce tohoto roku byly dokončeny všechny zásadní dokončovací úpravy celého díla. V Pamětní knize hydrocentrály pod Spálovem bylo 16.5. podepsáno Odevzdání hydroelektrárny zemským správním výborem Východočeské elektrárně. Obr.č.4. Při stavbě zemřeli celkem dva lidé, první byl dělníkem při ražbě štoly, jeho zabil odstřel skály. Druhý, Ing.Havlíček, byl zasažen při práci s vysokým napětím 10 kV a následkům podlehl. Brzy po zprovoznění se stala kuriózní nehoda, při výkonových zkouškách praskl obvodový plášť jedné z turbín a během pár vteřin byla strojovna zalita vodou do výše jednoho metru, naštěstí na elektrárně nevznikla žádná vážnější škoda. Při plánovaném nepřetržitém provozu měla elektrárna vyrábět ročně 11 GWh. První rok vyrobila necelých 3,5 GWh. Obr.č.5. Celých 72 let sloužila tato elektrárna bez nutnosti větších oprav. Na tom měl podíl jak fortel projektantů a konstruktérů, tak samozřejmě i vztah vedení elektrárny k práci a svědomitost. Na vedení se v průběhu let podíleli: 6. Václav Kučera 1. Karel Glück 7. Václav Buriánek 2. Ludvík Rejsek 8. Daniel Petr 3. Bohumil Kyncl 9. Josef Sochor 4. Jan Trojan 5. Robert Vaníček Protože se s postupným zvyšováním výkonu sítě mohla čím dál méně účastnit regulace sítě a zároveň se na elektrárně projevoval zub času (častější praskání lopatek oběžného kola, menší účinnost, poškozené betonové konstrukce), bylo přistoupeno k zásadní rekonstrukci. Bylo rozhodnuto, že elektrárna bude 16.března 1998 odstavena a začne rekonstrukce. Pro VČE bylo hlavním mottem modernizace ponechat elektrárně její jedinečnost, její autentičnost, její krásu a vrátit jí původní sílu, mládí a svěžest. Další kritéria: • Výměna přesluhujícího zařízení za nové, modernější • Minimálně upravovat původní stavební konstrukci při výměně či pouhé modernizaci strojního zařízení • Snížení obsluhy a zavedení pochůzkové služby v jedné směně • Snížení množství ropných látek v celé elektrárně • Provést rekonstrukci v co nejkratším možném termínu a opravit vše co by bylo při provozu zatopeno vodou či jinak znepřístupněno bez nutnosti odstávky elektrárny
Byla opravena štola s úbočním kanálem, budova vodních zámků byla zateplena, dostala novou střechu, nutná byla také sanace vlhkostí poškozeného zdiva a nová meliorace. Objekt je v zimě temperován přímotopnými konvektory (kvůli kondenzaci vodní páry na stěnách). Zcela opraven byl výtok vody z elektrárny do Jizery, který byl snad nejvíce poškozenou betonovou částí. Hlavní budova i domek obsluhy mají zvenčí opravenou a natřenou původní fasádu. Obr.č.6. Interiér hlavní budovy byl také zrekonstruován. Té se dočkala také galerie nad strojovnou s původními manipulačními pulty a freska nad strojovnou. Při rekonstrukci proběhla automatizace provozu elektrárny. Základní parametry soustrojí byly ponechány (spád se o něco zvětšil jinou konstrukcí turbíny, napětí generátorů zůstalo 6,3 kV, hltnost 6m3/s). Dosluhující spirálovité Francisovy turbíny byly nahrazeny přímoproudými Kaplanovými vertikálními turbínami Obr.č.7,8., které byly do konstrukce zapojeny s maximálním zřetelem na původní konstrukci stavby. Díky vyšší účinnosti turbín mohl být maximální výkon generátorů zvýšen o 20% (z 2 MW na 2,4 MW). Na koncích přívodního tlakového potrubí nahradily původní šoupátka nové uzávěry, klapky uzavírané závažím. Na místo Křižíkových generátorů přišly výkonnější synchronní generátory Obr.č.9.,10. s vyššími provozními otáčkami (600 ot./min). Zdánlivý výkon tak stoupl na 3000 kVA. Oproti starým generátorům mají nové účiník cosφ 0,8. Původní rozvodnu o napětích 10,5kV a 35 kV nahradila rozvodna s novými blokovými suchými transformátory 35 kV. Dálkové ovládání elektrárny a rozvodny VN je na dispečinku v Hradci Králové. Řízení technologického celku je konstruováno pro možnost ovládání pouze z jednoho pracoviště a dá se přepojit volícím přepínačem v rozvaděči s procesní stanicí. Řídit se dá elektrárna plně automaticky, dá se přepnout na automat s možností manuálního nastavení některých hodnot. Je možno také přepnout na plně manuální provoz. Dálkově lze elektrocentrálu nejen řídit, ale i vyhodnocovat případné poruchy. Komplet systému elektrických ochran je řešen pomocí číslicových ochran od ABB a GE. Pomocí tohoto řešení je zajištěna komunikace s pracovištěm správce a případná možnost vyhodnocení poruch. Pracoviště správce je tvořeno serverem s vazbou na jednotlivé části řídícího systému a pracovní stanicí s rozhraním pro obsluhu. Obr.č.11. Provoz je hlídán průmyslovým kamerovým systémem. Rekonstrukce štoly s kanálem byla zadána italské firmě CAPRI, která se specializuje na progresivní utěsnění vodohospodářských staveb. Turbíny dodala rakouská firma Kössler GmbH. Generátory s elektrickými součástmi vyrobila Škoda Plzeň. Automatiku řízení, transformátory a část zařízení pro rozvodnu dodala firma Asea Browm Boveri (ABB). Modernizaci rozvodny provedla firma Energoland. Celý projekt rekonstrukce dostala na starost společnost Hydropol Project & Management a.s. Dne 3.2.1999 a dne následujícího byla přifázována nová soustrojí k síti. Plánovaná doba rekonstrukce byla skoro dvojnásobkem času realizované rekonstrukce, ta trvala 11 měsíců. Zajímavostí je například u soustrojí provedení ovládání oběžného kola turbíny skrz vrtanou hřídel generátoru, což je u generátoru této velikosti vyjímkou. Před hlavní budovou elektrárny je vystaveno jedno zrestaurované původní soustrojí s Francisovou turbínou. Obr.č.12. Výsledky: Roční produkce energie vzrostla cca o 30% na 12 GWh. Loňský rok byla elektřina vykupována za 1,60Kč /kWh. Obr.č.13. V brzké době po další výměně generátorů má výkupní cena stoupnout na 2,30Kč/kWh Budoucnost I když nemá MVE Spálov takový výkon aby mohla výrazně zasahovat do regulace sítě, má před sebou dalších několik desítek let provozu bez nutnosti výměny soustrojí z technických
důvodů. V blízké době sice budou vyměněny generátory za nové, ne však z důvodu poruchového provozu, ale z možnosti většího zisku z prodávané energie. Je to umožněno zákonem o OZE, zprovozněných po květnu 2005. Ty pak mají nárok na vyšší odkupní ceny energie, což pro Spálov znamená zvýšení výkupní ceny oproti roku 2005 z 1,60 Kč /kWh na 2,30 Kč /kWh. Návštěva vodního díla na Spálově Ráno 1.2.2006 nás ve Spálovské elektrárně přívětivě pozval dál jeden ze správců objektu, pan Synek. Ten nás provedl po areálu elektrárny a při tom vyprávěl o zajímavostech zařízení. I přes to, že na této elektrárně pracuje poměrně krátkou dobu, tak na většinu položených dotazů dokázal pohotově odpovědět. V kanceláři nám dal k nahlédnutí Pamětní knihu hydrocentrály pod Spálovem. Obr.č.14,15,16. Pro další informace, které sám nevěděl, nás odkázal na dalšího správce, pana Podobského. Nakonec jsme dostali také brožuru Vodní elektrárna Spálov na Jizeře. Závěr - Můj názor na problematiku MVE Malé vodní elektrárny mají jistě před sebou ještě perspektivní budoucnost, nebude se sice stavět velké množství velikých zdrojů, ale budou se spíše více přestavovat staré objekty (hamry, mlýny aj.) na malé vodní elektrárny. Díky nutnosti splnit limit Evropské unie pokrytím 8% z celkové spotřeby elektrické energie energií z obnovitelných zdrojů (OZE) do roku 2010 by se dala očekávat masovější podpora těchto zdrojů dotacemi od státu.V tomto roce by měla EU poskytnout pro Českou republiku obrovskou finanční podporu na dotace staveb a obnovy obnovitelných zdrojů. Dotace přerozděluje Česká energetická agentura (ČEA). Nedávno byla pro velmi nízké spády (do 2 m) s velkým průtokem na VUT v Brně vyvinuta tzv. vírová turbína, což je modifikace Kaplanovy turbíny. Má poměrně vysokou účinnost oproti ostatním typům turbín, její konstrukce není složitá což jí zaručuje nižší pořizovací cenu oproti ostatním. Tento nový typ turbíny je již patentován, nedávno byla pro testování v reálných podmínkách instalována na jedné nejmenované elektrárně. Díky tomu očekávám větší využití malých spádů s větším průtokem. Obr.č.17. Bohužel využívání těchto méně výhodných lokalit neláká velké energetické společnosti a pro soukromníky v začátcích byly donedávna výkupní ceny energie skoro likvidační. I když MVE nemají zásadní význam ve zdrojích elektrické energie, bylo by jistě škoda nevyužít přiměřeně této možnosti. Přiměřeně říkám proto, že není přípustné využívat průtok řekou nad povolenou míru (dodržení sjednaného odběru vody). Tento fakt by měl být brán velmi vážně, neboť se tímto může jinak ekologický zdroj energie stát poměrně nebezpečným prvkem v prostředí. Dalším důvodem proč i nadále investovat do obnovy či stavby MVE je jejich šetrnost k prostředí, které bychom měli ponechat nezničené dalším generacím, jejich dlouhá životnost (oproti většině ostatních zdrojů) a příznivý vliv na vodní toky (okysličení vody a čištění toků od naplavenin). Na závěr bych chtěl ještě podotknout, že nejlepší energie je vlastně ta, která se nemusí vůbec vyrobit. Poděkování Tímto děkujeme za vstřícnost a poskytnuté informace: Řediteli VČE, panu Vladimíru Tomkovi Správci MVE Spálov, panu Synkovi
