www.projektsako.cz
Obnovitelné zdroje energie Pracovní list č. X Téma: Vodní elektrárny, typy a funkce
Lektor:
Mgr. Jan Hoza
Projekt: Student a konkurenceschopnost Reg. číslo: CZ.1.07/1.1.07/03.0075
Teorie: Účelem této přednášky je získat přehled o obnovitelných zdrojích energie, hlavně o vodní energii, vodních elektrárnách a zamyslet se nad tím, jestli jsou OZE opravdu tak energeticky výhodné, jak se prezentuje ve veřejných médiích. Zamyslet se nad problémem zvyšování energetické spotřeby v ČR. Definice, co jsou obnovitelné zdroje energie (dále jen „OZE“) je celá řada, v právní úpravě ČR se rozumí obnovitelné nefosilní přírodní zdroje energie, jimiž jsou: i)
Energie slunečního záření
ii)
Geotermální energie
iii)
Energie vody
iv)
Energie přílivu
v)
Energie půdy
vi)
Energie vzduchu
vii)
Energie biomasy
viii)
Energie skládkového plynu
ix)
Energie kalového plynu
x)
Energie bioplynu
Takže při čerpání obnovitelných zdrojů energie lze v podstatě na dlouhou dobu bez jejich vyčerpání. Na grafu níže vidíme, jak jsou zastoupeny obnovitelné zdroje na získávání energie v ČR v roce 2010. Celkem byla výroba z OZE v roce 2010 v podílu s ostatními zdroji výroby energie se podílela 8,33%, což je splněný plán, který je definován v národním akčním plánu pro energii z obnovitelných zdrojů. V grafu vidíme, jak si stojí ČR v EU v podpoře a využití OZE v roce 2010: Zdroj: ERU, 2011
Graf č.1 – Indikativní cíle EU v roce 2010
-2-
Graf č.2 – energetický podíl ze obnovitelných zdrojů
Podíl energie z obnovitelných zdrojů z 2010 v ČR Vodní elektrárny (mimo přečerpávací)
1,00% 11%
Větrné elektrárny 25%
47%
Biomasa Bioplyn
6,00%
Biologicky rozložitelný materiál
Zdroj: vlastní, přepočet z MPO - zpráva o plnění indikativního cíle výroby z OZ energie za rok 2010
Většina obnovitelných zdrojů – energie větru, vody, biomasy aj. má původ ve slunečním záření, které dopadá na zeměkouli. Výjimkou je geotermální energie, která vzniká různými procesy v nitru Země. Také energie přílivu a odlivu nepochází ze Slunce, ale z přitažlivosti Měsíce a Země. Slunečního záření dopadající na Zemi je k dispozici více než dost: uvádí se, že za hodinu dopadne na zeměkouli zhruba tolik solární energie, kolik činí veškerá spotřeba primárních zdrojů na celé planetě za rok. Roční spotřeba všech primárních zdrojů v ČR odpovídá sluneční energii, která dopadne za rok na 0,7 % plochy republiky. To je zhruba výměra polí, na kterých se v roce 2009 pěstovala cukrovka. Potenciál obnovitelných zdrojů je samozřejmě omezen. Například pokud bychom veškerou ornou půdu, lesy a další zemědělskou půdu využili pro energetické účely, mohli bychom získat až 700 PJ, což je více než polovina celkové energetické spotřeby. Ve skutečnosti samozřejmě potřebujeme půdu pro pěstování potravin a krmiv (což je také energie, která se ale v energetických statistikách neobjevuje). Podobně nelze spálit všechno dřevo, které lesy poskytují; stavební, nábytkářský a papírenský průmysl by neměl z čeho vyrábět. V krajině existují i další zájmy vyjádřené například ochranou území formou národních parků a CHKO a nepominutelná je také ochrana biodiverzity. Reálný potenciál biomasy je tedy odhadován na 276 PJ (petajoule, což je 2,76 x 1015 Joule, což je energie vyšší než nejsilnější vodíková
-3-
bomba, kterou jsme kdy vyrobili, tzv. Car – Bomba, která měla energii 50.000.000 tun TNT), tedy asi 40 % teoretického potenciálu. Podobně je omezen potenciál využití větrné, vodní nebo geotermální energie. Zde je třeba najít lokalitu, kde jsou vhodné přírodní podmínky (například dostatečná rychlost větru), a kde současně stavbě nebrání jiné zájmy, třeba nesouhlas místních obyvatel. Všude pak hraje důležitou roli i ekonomika: kdo postaví větrnou elektrárnu tam, kde nefouká vítr, brzy zkrachuje. Pouze sluneční energie má téměř neomezený potenciál. Jejímu většímu využití brání zatím jen konkurence levné energie z konvenčních zdrojů. I když slunce svítí zadarmo a dokonce nezdaněně, získaná energie zadarmo není. Solární systém nebo elektrárna mají omezenou životnost a náklady na jejich pořízení se promítají do energie, kterou za svůj život dodají. Zatím platí, že ceny konvenčních paliv a energií rostou, zatímco cena solárních zařízení klesá. Například v roce 2000 zaplatil spotřebitel za elektřinu ze zásuvky necelé 2 Kč/kWh, zatímco v roce 2009 to je už okolo 4,50 Kč/kWh. Naproti tomu elektřina z fotovoltaického systému vyšla v roce 2000 zhruba na 17 Kč/kWh, v současnosti je to i méně než 10 Kč/kWh. Pokud budou tyto trendy pokračovat, lze čekat další výrazný rozvoj obnovitelných zdrojů. V oblasti vytápění jsou dřevní štěpky i pelety už dávno levnější než zemní plyn, a úplně nejlevnějším palivem je polenové dřevo. I když je potenciál obnovitelných zdrojů obrovský, zásadním problémem zůstává účinnost přeměny. Zejména u biomasy je účinnost velmi nízká – sklizené rostliny obsahují méně než jedno procento sluneční energie. To je dáno i tím, že rostliny využívají sluneční paprsky jen během několika měsíců vegetačního období. Účinnost se dále snižuje tím, že využíváme jen část biomasy (např. zrno). Další významné ztráty vznikají při jejím spalování – zatímco při přeměně na teplo v kotlích na biomasu využijeme až 80 % energie v rostlinách, automobilový motor poháněný třeba řepkovým olejem má účinnost jen okolo 25 %. Důsledkem ztrát v celém řetězci je pak potřeba velkých ploch pro pěstování biomasy, zejména při výrobě biopaliv. Z hlediska účinnosti je výhodnější přeměňovat sluneční záření na energii přímo. Pokud chceme získat elektřinu, lze použít fotovoltaické panely. Vlastní fotovoltaická elektrárna vypadá velmi jednoduše – panely na nosné konstrukci na terénu nebo na střeše budovy, kabely a pár dalších drobností. Nikde se nic netočí, nehlučí, nekouří, není třeba topiče nebo jiné obsluhy, vše běží zcela tiše. Fotovoltaický panel však vyžaduje velmi náročnou výrobní technologii; na rozdíl třeba od větrné elektrárny si ho kutil stěží vyrobí doma. To je i důvod vysoké ceny; elektřina z fotovoltaiky je již léta zdaleka nejdražší elektřinou. Ceny
-4-
fotovoltaických panelů se však neustále snižují, fosilní paliva naopak docházejí a jejich ceny se zvyšují. Lze tedy předpokládat, že se ceny po určité době vyrovnají. Naproti tomu teplo ze slunečního záření lze získat i pomocí celkem málo sofistikované technologie, jako je třeba načerněný plechový sud. Používají se samozřejmě komfortnější zařízení, ale princip je stále stejný: sluneční paprsky dopadající na nějakou plochu ohřívají vodu (nebo i vzduch), ohřáté médium se pak rozvádí v budově tam, kde je potřeba (teplá voda do koupelen aj.). Z tabulky níže uvidíme podíl obnovitelné energie versus energie z primárních energetických zdrojů, tak je stanovena ve státní energetické koncepci ČR. Plnění indikativních cílů státní energetické koncepce % z btto spotřeby 2000 2005 2010 2015 2020 elektřiny Obnovitelné zdroje 2,7 6,2 8,3 11,8 13,5 Zdroj: Obnovitelné zdroje energie a možnosti jejich uplatnění v ČR, 2007, ČEZ, MPO 2011 – Národní akční plán pro energii z OZ
V současné době jsou v ČR nejrozšířenějším zdrojem energie fosilní paliva a to především uhlí a zemní plyn. Tyto paliva sice patří mezi přírodní zdroje, ale rozhodně je nemůžeme považovat za nevyčerpatelné zdroje. Vezmeme-li v úvahu například uhlí, k jehož přeměně do využitelné podoby bylo zapotřebí milióny let, podařilo se během pouhých sto let jeho zásoby natolik snížit, že se jejich vyčerpání předpokládá již v první polovině tohoto století. Všechna ostatní fosilní paliva (plyn, ropa) je třeba dovážet, přičemž se dá předpokládat celosvětový nárůst jejich cen. Dalším aspektem ukazujícím v neprospěch fosilních paliv je jejich negativní účinek při spalovacích procesech, kdy vznikají oxidy uhlíku a dusíku, které se významnou měrou podílejí na skleníkovém efektu. Z výše uvedených skutečností, tj. snižování zásob, stoupající ceny a negativní působení používání fosilních paliv na životní prostředí, vyplývá nutnost snižování jejich spotřeby a součastně vyšší využívání obnovitelných zdrojů energie. Jejich podíl na celkové energetické bilanci bude v závislosti na zeměpisné poloze, přírodních podmínkách, společenských i politických podmínkách jednotlivých oblastí různý. Odlišný bude i význam jednotlivých zdrojů (slunce, zemská kůra, biomasa, voda a vítr). Z hlediska ČR se bude vyvíjet poměr energie z OZ v letech 2010 – 2015 takto, lze vidět, že národní akční plán počítá s rovnoměrného přírůstku OZE, hlavně pak z biomasy, kde biomasa předehnala energii z vody již v roce 2011.
-5-
Graf č.3 – Výroba energie z OZE v ČR v letech 2010 - 2015
Přehled výroby OZE v letech 2010 - 2015 v ČR 6939
10000
7855
8635
9741
9236
5072
8000 6000 4000 2000 0
MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh 2010 2011 2012 2013
Vodní elektrárny
Geotermální
Fotovoltaická
MW
GWh
2014 Větrná
MW
GWh
2015 Biomasa
Celkem
Zdroj: vlastní, data z MPO 2011 – Národní akční plán pro energii z OZ
Vysvětlení jednotlivých druhů zdrojů obnovitelné energie: a. Vodní elektrárny Největší podíl mezi obnovitelnými zdroji má v podmínkách ČR vodní energie. Zatímco energie vodního kola byla využívána pro velmi pestrou paletu nejrůznějších lidských činností, moderní vodní turbíny nacházejí své uplatnění takřka výhradně při výrobě elektřiny. Hydroenergetika je perspektivní především v oblastech prudkých toků s velkými spády. V ČR nejsou přírodní poměry pro budování vodních energetických děl ideální. Naše toky nemají potřebný spád ani dostatečné množství vody. Proto je podíl výroby elektrické energie ve vodních elektrárnách na celkové výrobě v ČR poměrně nízký, v roce 2010 činil pouhá 4 %. Významným posláním vodních elektráren v ČR je pracovat jako doplňkové zdroje hlavních zdrojů (uhelné elektrárny, JE Dukovany, JE Temelín). Využívá se přitom jejich schopnost rychlého najetí velkého výkonu a tedy operativního vyrovnání okamžité energetické bilance v elektrizační soustavě ČR.
-6-
Princip vodní elektrárny: Obrázek č.4 – Průřez vodní elektrárnou
A - hladina přehradní nádrže B - Budova elektrárny C - turbína, kolem ní rozváděcí kolo a pod ní odtokový kanál D - generátor na společné ose s turbínou E - česle a uzávěr F - přívodní kanál G - transformátor, napojující elektrárnu do rozvodné sítě H - odtok
Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/Vodn%C3%AD_elektr%C3%A1rna
b. Biomasa Biomasa je definována jako hmota organického původu. V souvislosti s energetikou jde nejčastěji o dřevo a dřevní odpad, slámu a jiné zemědělské zbytky včetně exkrementů užitkových zvířat. Rozlišujeme biomasu "suchou" (např. dřevo) a "mokrou" (např. tzv. kejda tekuté a pevné výkaly hospodářských zvířat promísené s vodou). Základní technologie zpracování se dělí na suché procesy (termochemická přeměna) jako je spalování, zplyňování a pyrolýza a procesy mokré (biochemická přeměna), které zahrnují anaerobní vyhnívání (metanové kvašení), lihové kvašení a výrobu biovodíku. Zvláštní podskupinu potom tvoří lisování olejů a jejich následná úprava, což je v podstatě mechanicko-chemická přeměna (např. výroba bionafty a přírodních maziv). Ze suché biomasy se působením vysokých teplot uvolňují hořlavé plynné složky, tzv. dřevoplyn. Jestliže je přítomen vzduch, dojde k hoření, tj. jde o prosté spalování. Pokud jde o -7-
zahřívání bez přístupu vzduchu, odvádí se vzniklý dřevoplyn do spalovacího prostoru, kde se spaluje obdobně jako jiná plynná paliva. Část vzniklého tepla je použita na zplyňování další biomasy. Výhodou je snadná regulace výkonu, nižší emise, vyšší účinnost. Zařízení se zplyňováním biomasy se používají stále více. Na první pohled se neliší od běžných spalovacích zařízení. Biomasa je velmi složité palivo, protože podíl částí zplyňovaných při spalování je velmi vysoký (u dřeva je 70 %, u slámy 80 %). Vzniklé plyny mají různé spalovací teploty. Proto se také stává, že ve skutečnosti hoří jenom část paliva. Podmínkou dokonalého spalování je vysoká teplota, účinné směšování se vzduchem a dostatek prostoru pro to, aby všechny plyny dobře shořely a nestávalo se, že budou hořet až v komíně. Biomasa (nejčastěji ve formě dřevní štěpky) se ve velkém spaluje v klasických elektrárnách ve fluidních kotlích s cirkulací spalin spolu s energetickým uhlím. Pro průmyslové aplikace nebo systémy centrálního zásobování teplem se používají kotle nad 100 kW spalující také dřevní štěpku nebo balíky slámy. Často jsou vybaveny automatickým přikládáním paliva a dokáží spalovat i méně kvalitní a vlhčí biomasu. Někdy tato zařízení využívají kombinovanou výrobu tepla a elektřiny (kogenerace). Spalování čisté biomasy a spolu-spalování biomasy s energetickým uhlím ve větším množství se v závislosti na případných změnách související legislativy jeví jako perspektivní směr energetického využívání obnovitelných zdrojů v ČR.
-8-
Graf č.5 – Schéma energie z biomasy
Zdroj: http://www.evecobrno.cz/uploads/images/Obrazky_web/Technologie-CZ.jpg
c. Větrné elektrárny Zatímco na konci roku 2004 pracovaly větrné elektrárny v ČR s celkovým instalovaným výkonem o něco málo vyšším než 15 MW (vyrobily necelých 10 GWh elektrické energie), v roce 2010 dosáhly asi 243 MW. Nepravidelnost, nahodilost a nepřesnost předpovědí síly i směru větru způsobují, že zařízení určená k využívání jeho energie jsou schopna pracovat pouze po 10 až 20 % roční doby. Až na výjimky leží vhodné lokality v horských pohraničních pásmech Krušných hor a Jeseníků, popř. v oblasti Českomoravské vrchoviny. Podle předběžných odhadů by bylo možné v Krušných horách postavit 320 až 340 větrných elektráren o jednotkovém výkonu 1,2 až 2 MW. Při racionálním využití větrného potenciálu, který je v České republice k dispozici, by se zde mohlo vyrábět 6 TWh ročně, což je spotřeba více než 4 milionů lidí.
-9-
Obrázek č. 6 – Významné větrné elektrárny
Zdroj: http://is.muni.cz/th/128508/pedf_m/5517327/
- 10 -
Princip větrné elektrárny: Obrázek č. 7 – Princip větrné elektrárny
d. Fotovoltaika Elektrickou energii lze získat ze sluneční energie různými způsoby, přímo i nepřímo. Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu, při kterém se v určité látce působením světla (fotonů) uvolňují elektrony. Tento jev může nastat v některých polovodičích (např. v křemíku, germaniu, sirníku kadmia aj.). Fotovoltaický článek je tvořen nejčastěji tenkou destičkou z monokrystalu křemíku, použít lze i polykrystalický materiál. Destička je z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (např. bóru), z druhé strany atomy pětimocného prvku (např. arzenu). Když na destičku dopadnou fotony, záporné elektrony se uvolňují a zbývají kladně nabité "díry". Přiložíme-li na obě strany destičky elektrody a spojíme je vodičem, začne protékat elektrický proud. Jeden cm2 dává proud okolo 12 mW (miliwattů). - 11 -
Jeden metr čtvereční slunečních článků může dát v letní poledne až 150 W stejnosměrného proudu. Sluneční články se zapojují bud' za sebou, abychom dosáhli potřebného napětí (na jednom článku je 0,5 V), nebo vedle sebe tak, abychom získali větší proud. Spojením mnoha článků vedle sebe a za sebou vzniká sluneční panel. Obrázek č. 8 – Princip fotovoltaického článku
Zdroj: http://www.oze.hu.cz/solarenergy.php
Dostupnost solární energie v České republice je samozřejmě ovlivněna mnoha faktory. Patří mezi ně především zeměpisná šířka, roční doba, oblačnost a lokální podmínky, sklon plochy na níž sluneční záření dopadá a další. Zajímavým faktem nicméně zůstává, že se údaje o slunečním záření v ČR z jednotlivých zdrojů v mnohém liší. Shrneme-li dosud publikované informace, dojdeme k následujícím výsledkům: -
v České republice dopadne na 1m² vodorovné plochy zhruba 950 – 1340 kWh energie
-
roční množství slunečních hodin se pohybuje v rozmezí 1331 – 1844 hod (ČHMÚ), odborná literatura uvádí jako průměrné rozmezí 1600 – 2100 hod
-
Známe-li, kolik slunečního záření ročně dopadne na 1m2 fotovoltaického systému a konverzní účinnost fotovoltaického panelu, která je přibližně 14%, dostaneme z této plochy asi 133 - 188kWh elektrické energie za rok.
- 12 -
Obrázek č. 9 – Sluneční svit v ČR
Zdroj: http://www.isofenenergy.cz/Slunecni-zareni-v-CR.aspx
e. Geotermální V zemi, vodě i ve vzduchu je obsaženo nesmírné množství tepla; jeho nízká teplotní hladina však neumožňuje přímé energetické využití. Tepelná čerpadla jsou zařízení, která umožňují odnímat teplo okolnímu prostředí, převádět je na vyšší teplotní hladinu a předávat ho cíleně pro potřeby vytápění nebo pro ohřev teplé užitkové vody. Tepelná čerpadla neprodukují odpad, jde o zcela bezodpadovou technologii. Princip tepelného čerpadla Principem tepelného čerpadla je uzavřený chladicí okruh (obdobně jako u chladničky), jímž se teplo na jedné straně odebírá a na druhé předává. Chladnička odebírá teplo z vnitřního prostoru a předává je kondenzátorem na své zadní straně do místnosti. Tepelné čerpadlo místo potravin ochlazuje například vzduch, půdu nebo podzemní vodu. Teplo odebrané těmto zdrojům předává do topných systémů. Činnost tepelného čerpadla využívá fyzikální jevy spojené se změnou skupenství pracovní látky - chladiva. Ve výparníku tepelného čerpadla chladivo při nízkém tlaku a teplotě odnímá teplo zdroji nízkopotenciálního tepla, dochází k varu. Páry chladiva jsou stlačeny, zahřívají se a v kondenzátoru předávají kondenzační teplo ohřívané látce. Tím se opět ochlazují a zkapalňují. Celý oběh je uzavřen odvodem chladiva do výparníku přes expanzní ventil, který snižuje tlak kapalného chladiva. Tepelné čerpadlo dokáže odebrat teplo z okolního vzduchu, odpadního vzduchu, povrchových vod, půdy, vrtů i z podzemní vody. Využitelným zdrojem je i odpadní teplo technologických procesů. - 13 -
Graf č. 10 – Princip tepelného čerpadla
Zdroj: http://www.teplotechnika.cz/funkce-tepelneho-cerpadla
Je třeba si uvědomit, že problematika OZE velice souvisí s celkovými náklady životního cyklu zdroje, tj. musíme si uvědomit, že i výroba, doprava a likvidace zařízení sloužícího jako OZE spotřebovává suroviny a energii. Z tohoto úhlu pohledu je nám jeví jako nejvýhodnější varianta OZE vodní energie. Potřeba hledat nové, alternativní energetické zdroje a zdokonalovat obnovitelné zdroje již známé je stále naléhavější. Neustále se obnovujícím zdrojem energie je koloběh vody v přírodě. Nejběžnější způsob jeho využívání představuje přeměna energie vodního toku v energii elektrickou. Právě takto získaná energie se jeví jako ekonomicky nejvýhodnější, přičemž způsob její výroby je navíc ekologicky čistý. Dvacáté století poznamenalo nevratně tvář země velkými vodními díly, jejichž realizace, jak dnes víme, nebyly ve všech případech nutné. Nyní se s ohledem na životní prostředí vracíme zpět k „malým vodám“. Malé vodní elektrárny se zaručeným výkonem a vyráběnou energií představují v souhrnu velký energetický zdroj a mohou tak ušetřit mnoho tuhých, plynných a kapalných paliv, jejichž spalování škodí životnímu prostředí. Přestože vodní energie patří k nejdéle využívaným energetickým zdrojům, měl vývoj jejího využití nerovnoměrný a poměrně pomalý průběh. Rozvoj techniky v této oblasti se na dlouhé období prakticky zastavil a její efektivnost se zvyšovala pouze velikostí vodních kol. Překonání tohoto stavu bylo podmíněno vynálezy, které postupně odstraňovaly některé - 14 -
nevýhody a těžkosti spojené s uplatněním vodní energie. První přetlaková turbína byla sestrojena v roce 1827, Francisova turbína v roce 1847, Peltonova turbína v roce 1880 a Kaplanova turbína v roce 1918. Další rozhodující podstatou rozvoje hydroenergetiky byl přenos elektrické energie na větší vzdálenosti, což přiblížilo zdroje vodní síly k místům spotřeby. První vodní elektrárna vyrábějící střídavý elektrický proud byla uvedena do provozu v roce 1896 na Niagaře v USA. Zcela zásadní význam pro rozvoj hydroenergetiky však měla až rozvíjející se elektrizační soustava. Ta umožnila rovnoměrně využít vyrobenou energii jak z velkých, tak i z malých zdrojů a vyrovnala nedostatek způsobený závislostí na měnícím se potenciálu vodních toků v jednotlivých ročních obdobích. Rozvinutá elektrizační soustava využívá možnosti rychlého najetí hydroagregátů v akumulačních elektrárnách při krytí zatížení ve špičkách a energie z průtočných elektráren pro pokrytí základního zatížení. K propojení izolovaně pracujících elektrizačních soustav došlo na území naší republiky až v polovině dvacátého století a připojení k centrálnímu evropskému energetickému systému až v devadesátých letech. Teprve v současné době jsou v plné míře splněny všechny rozhodující podmínky k úspěšnému využití i malých vodních energetických zdrojů – byly vyvinuty moderní vodní turbíny s vysokou účinností, spolehlivé a hlavně ekologicky nezávadné. Máme moderní rozvinutou přenosovou elektrizační soustavu, která umožňuje přenos energie z kteréhokoliv zdroje ke spotřebiteli. Bylo by proto chybou tento čistý, stále se obnovující zdroj energie plně nevyužít. Převážná část hydropotenciálu, kterou bude ještě možno využít, je soustředěna na menších tocích, kde pro výstavbu velkých vodních elektráren (VE) - nad 10 MW; již nejsou k dispozici příznivé podmínky. Ve stádiu úvah a studií je pouze výstavba přečerpacích vodních elektráren (PVE), přičemž jejich realizace nemá také zatím konkrétní podobu. Rozvoj hydroenergetiky v oblasti malých vodních elektráren, tj. do výkonu 10 MW (dále jen MVE), doznal v období od roku 1990 na území České republiky výrazného pokroku. V této souvislosti došlo také k významnému posunu v poměru energeticky využitých k dosud nevyužitým lokalitám, jinak řečeno v poměru energetického využití vodních toků. Hodnota uvádějící využití celého našeho hydropotenciálu (cca 1500 GWh), zhruba na 50 %, je v posledním období cca. od r. 2001 upravována hlavně se zřetelem na hydrologické podmínky a skutečný ještě využitelný spád. Přijatelnější odhad počítá již se 70 % využitého potenciálu a pouze se 30 % k dispozici pro využití. Potenciál zbývající k využití má již výrazně horší hydrologické podmínky než potenciál využitý, z čehož vyplývá, že ekonomie u budoucích realizací se bude vyznačovat delší dobou návratnosti investic a tím i sníženým zájmem investorů. Zřejmě krajní mezí pro již méně ekonomické podnikatelské záměry se zřetelem na hydrologické podmínky je hranice spádu kolem hodnoty 2 m. - 15 -
Graf č. 11 – Zastoupení vodních elektrárnen v ČR v roce 2012
Poměr výroby energie na vodních elektrárnách v ČR v roce 2012 14% < 1MW 55%
31%
1MW - 10 MW > 10 MW
Zdroj: vlastní, data z MPO 2011 – Národní akční plán pro energii z OZ
Z provedených šetření lze rozdělit dosud nevyužívaný hydroenergetický potenciál podle četnosti lokalit na vodních tocích se zřetelem na získání spádu do tří skupin: • spád větší než 5 m četnost 10 %, • spád od 2do 5 m
četnost 55 %
• spád menší než 2 m četnost 35 % (extrémně nízké spády) Z tohoto pohledu je zřejmé, že obecně udávaná hodnota našeho využitelného potenciálu v MVE na úrovni 1500 GWh/r představuje teoreticky plné pokrytí vodních toků stávajícími a nově doplněnými vzdouvacími objekty, navazujícími svým vzdutím navzájem. V současné době však rozhodující vodoprávní orgány povolují stavby nových jezových stupňů jen velmi zřídka a ani perspektivně nelze uvažovat o jiných podmínkách (zvláště po nedávných povodních). Znamená to vyhledávat jezové stupně, které jsou dosud bez energetického využití, a lokality po bývalých vodních dílech, kde je možná obnova. Je také třeba hledat nové možnosti
využití
hydroenergetického
potenciálu,
aby
pokračoval
další
rozvoj
hydroenergetiky. Vodní toky na území České republiky jsou řízeny celkem pěti správami. Jsou to: Povodí Labe, Povodí Vltavy, Povodí Ohře, Povodí Moravy a Povodí Odry. Do konce roku 2000 měly charakter akciových společností a od roku 2001 jsou státními podniky. Vedou veškerou legislativu provozu, užívání a využívání toků v rozvodí těchto řek. Hydroenergetický potenciál je rozložen i využíván nerovnoměrně, což je způsobeno právě hydrologickými podmínkami na území republiky.
- 16 -
Technicky využitelný hydroenergetický potenciál toků v ČR do 10 MW dělený podle dílčích povodí Povodí Labe Vltava Ohře Odra Morava Celkem
Výkon MW 114 164 78 56 100 512
Výroba GWh/rok 420 430 300 100 250 1500
Zdroj: ČEZ, www.cez.cz
Na Povodí Odry je situace na tocích ve správě povodí následující: Povodí ODRY: Odra 50 %
Opava 55 %
Moravice 50 %
Ostravice 65 %
Olše 45 %
Stonávka 45 %
Bělá 60 %
Morávka 50 %
Čeladěnka 30 %
Mohelnice 45 %
Č. Ostravice 45 %
Černý potok 30 %
Lučina 30 %
Lomná 45 %
Olešnice 50 %
Zdroj: vlastní, Povodí Odry, ČEZ, www.cez.cz a www.pod.cz
Princip vodní elektrárny Ve vodní elektrárně 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.
- 17 -
Obrázek č. 12 – Princip vodní turbíny
Zdroj: http://www.energetickyporadce.cz/obnovitelne-zdroje/energie-vody.html
Výběr turbíny závisí na účelu a podmínkách celého vodního díla. Nejčastěji se osazují turbíny reakčního typu (Francisova nebo Kaplanova turbína), a to v nepřeberné paletě modifikací. Pro vysoké spády (někdy až 500 m) se používá akční Peltonova turbína. V přečerpávacích vodních elektrárnách se používá turbín s reverzním chodem a s přestavitelnými lopatkami. V malých vodních elektrárnách se převážně zabydlela Kaplanova turbína, která je dostatečně účinná při malém spádu hladin (2-5m) a vysokou hltností anebo Francisova jednoduchá turbína.
- 18 -
Schéma Kaplanova turbína: Obrázek č. 13 – Kaplanova turbína
Zdroj: http://mve.energetika.cz/pretlakoveturbiny/kaplan-s.htm
Nevýhodou Kaplanovy turbíny je - stejně jako všech Kaplanových turbín s regulací je značná mechanická složitost a od toho se odvíjející vysoká cena a vyšší náklady na údržbu. Proto má význam tento typ turbíny instalovat pouze na lokality, kde je to jejich hydrologickým charakterem skutečně opodstatněné. Mezi takové patří lokality bez možnosti akumulace vody, na kterých je navíc průtok během roku natolik rozkolísaný, že by použití jednodušších typů strojů přinášelo velké ztráty. Stroj je (stejně jako většina rychloběžných strojů) citlivý na dodržení přesného spádu, otáček a správně seřízené regulační vazby mezi rozváděčem (RK) a oběžným kolem (OK). Samotná turbína je umístěna přímo ve spodní části strojovny a přes přírubu spojena s přechodovým kusem, který zajišťuje přívod vody. Voda vtéká do difuzéru stroje, který se kuželovitě zužuje. Tím se rychlost vody zvýší. Následně míjí centrační kříž, který drží hlavici ložiskového tělesa a vstupuje mezi rozváděcí lopatky. Lopatky upraví směr a rychlost vody pro vstup do oběžného kola. Oběžné kolo je umístěno v nejužším průřezu celého stroje, kde je rychlost proudění vody nejvyšší. Plášť stroje je v tomto místě mírně kulovitě vyklenutý, aby
- 19 -
dovoloval změnu sklonu lopatek oběžného kola bez toho, že by zachytily o stěnu. Počet lopatek oběžného kola je (s ohledem na jejich ovládání) sudý. Nejčastěji jsou čtyři. Jejich zakřivení je voleno tak, aby se mezilopatkové kanály ve směru proudění zužovaly. Voda, která jimi proudí, musí zvyšovat rychlost a měnit směr. Tím vzniká na lopatky reakční síla uvádějící oběžné kolo do pohybu. Voda opouští oběžné kolo poměrně značnou zbytkovou energií. Tu však následně využívá savka turbíny a transformuje ji na zápornou tlakovou energii, která podporuje průtok vody strojem. Turbína musí být vždy současně regulována rozváděcími lopatkami i sklonem lopatek oběžného kola tak, aby bylo proudění vody na výstupu z oběžného kola rovnoběžné s hřídelem, bez parazitní rotace. V opačném případě dochází v savce ke značným ztrátám, poklesu účinnosti stroje a ztrátě většiny výhod, které Kaplanova turbína ve srovnání s jinými vodními motory přináší. Savka může končit ve vývařišti (na obrázku). Její okraj musí být i při zastavené turbíně pod hladinou. U větších strojů savka plynule přechází do vodorovně orientovaného obdélného průřezu, který se rozšiřuje a plynule přechází do odpadního kanálu. Vedle průtokových vodních elektráren patří mezi nejznámější typy vodních elektráren elektrárny akumulační. Jsou součástí vodních děl - nádrží. Tato vodní díla kromě akumulace vody pro výrobu elektrické energie stabilizují průtoky 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. Umístění vlastní elektrárny může být různé podle tvaru terénu, výškových a spádových možností a podle množství vody. Existují 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. Postavit malou vodní elektrárnu je dost složitý projekt. V rámci projektové přípravy je nutné získat hlavně kladné vyjádření odboru územního plánování o tom, že je možné umístit na vybranou lokaci MVE, dále je nutné zajistit kladné vyjádření odboru životního prostředí, že záměr nebude mít negativní dopad na životní prostředí, zejména narušení rybí osádky v řece, ichtyofaunu a flóru v bezprostředním okolí stavby a při provozu. Stavba MVE bude vždy znamenat významný zásah do okolního života řeky, je nutné, aby projekt pamatoval na záchranná a kompenzační opatření, s kterými se investor zavazuje vykonat práce, kterými snižuje dopad na životní prostředí. Při významné diskuzi se správcem povodí – v našem případě Povodí Odry – musí být vyřešeny veškeré otázky směřující k bezproblémovému chodu MVE v režimu umístění stavby do vodního toku. Veškeré povinnosti, které správce povodí požaduje po investorovi, se objeví v dokumentu „provozní řád“, který musí být - 20 -
schválen správcem a orgánem ochrany životního prostředí. Již v rámci stavby investor musí začít vyjednávat s energetickou společností (standardně ČEZ), která jej pustí do energetické sítě, aby mohl začít dodávat energii do veřejné sítě. Bez tohoto souhlasu nelze dodávat energii do sítě, i když se jedná o stavbu, která vyrábí čistou energii bez jakýchkoli emisí zplodin, které se uvolňují při výrobě energie z primárních zdrojů. Závěr Obnovitelné zdroje v současnosti pokrývají asi 9 % spotřeby primárních zdrojů. Teoretický potenciál obnovitelných zdrojů mnohokrát přesahuje současnou spotřebu. Pro využití však můžeme použít pouze ekonomicky dostupné technologie, což potenciál značně snižuje. Odhadované využití v roce 2030 ve výši 320 PJ by představovalo pokrytí 17 % dnešní spotřeby primárních zdrojů. V současnosti však primární zdroje využíváme jen s účinností 60 %, což je poměrně málo. Spotřebu primárních zdrojů lze snížit například úsporami energií, vyšší účinností energetických procesů nebo snížením vývozu elektřiny. Potom mohou obnovitelné zdroje pokrýt vyšší podíl spotřeby. V následující tabulce lze vidět, jaká je účinnost OZE: Forma energie
Energetický potenciál
Účinnost
Dopadající sluneční záření
Cca. 1000 kWh/m2 * rok
100%
Fotovoltaika
Cca. 120 kWh/ m2 * rok
12%
Biomasa (15 – 25t/hektar)
Cca. 10 kWh/ m2 * rok
1%
3
Les – výnos dřeva 6,5 m /ha
2
Cca. 1 kWh/ m * rok
0,1%
Vodní elektrárna
> 90%
Větrná elektrárna
38 – 48%
Uhelná elektrárna Jaderná elektrárna
1kg koks = 8,141 kWh
až 50%
1 kg uran U-235
až 30%
= 122.115 kWh 1 kg deuterium + tritium =
Termonukleární elektrárna
až 99%
hélium + energie = 99.971.480 kWh
Faktem však zůstává, že 1kWh energie vyrobené z jaderných či obnovitelných zdrojů ušetří zatížení atmosféry 5g prachu, 27g SO2, 4g NOx, v případě pouze obnovitelných zdrojů navíc 2kWh termoemisí.
- 21 -
Je ale potřeba si uvědomit, že životní cyklus všech zařízení, které slouží k výrobě čisté energie, byly vyprodukovány z přírodních zdrojů a byla při jejich výrobě použita energie, takže když budeme chtít spočítat takzvanou ekologickou stopu investice – např. kolik se vypustilo do atmosféry škodlivých plynů, při jejich výrobě, transportu a recyklaci zařízení, při ukončení jejich životnosti, je nutné spočítat i toto.
Zdroje: -
HOZA, Jan. (zprac.). Studie proveditelnosti na MVE Děhylov. 2012
-
VANGORČÍK, Dušan. (zprac.). Obnovitelné zdroje energie. 2012
www odkazy: -
http://cs.wikipedia.org/wiki/Obnoviteln%C3%A9_zdroje_energie
-
http://aplikace.mvcr.cz/archiv2008/sbirka/2005/sb066-05.pdf
-
http://mve.energetika.cz/
-
http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=COM:2011:0112:FIN:CS:PDF
-
http://vec.vsb.cz/userfiles/pdf/studijni-materialy/prim_en_zdr.pdf
-
http://abicko.avcr.cz/archiv/2002/4/obsah/obnovitelne-energie.html
-
http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnovitelne-zdroje.html
-
http://www.mpo.cz/dokument92086.html
-
http://www.teplotechnika.cz/funkce-tepelneho-cerpadla
-
http://www.czrea.org/cs/druhy-oze
-
http://is.muni.cz/th/128508/pedf_m/5517327/
-
http://www.klimaskeptik.cz/news/porovnani-ucinnosti-jaderne-a-vetrne-energetiky/
-
http://etext.czu.cz/php/skripta/kapitola.php?titul_key=64&idkapitola=123
- 22 -
Otázky: 1. Co je to obnovitelný zdroj energie? ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 2. Co to jsou primární zdroje energie? ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 3. Jaké znáš zdroje energie z obnovitelných zdrojů? ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 4. Dle tvého názoru, jaký zdroj OZE je nejvýhodnější v ČR? ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………
- 23 -
5. Jaké druhy základních turbín pro vodní elektrárny znáš? ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 6. Jaké jsou výhody a nevýhody vodních elektráren? ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………
- 24 -
