Využití vodní energie vodní elektrárny Dr. Ing. Petr Nowak ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra hydrotechniky
Typy energetických zdrojů • klasické – fosilní - uhlí, plyn, ropa – jaderné
• obnovitelné – vodní energie • vodních toků - kinetická a potenciální energie • energie vln, přílivu a odlivu, mořských proudů
– větrná energie – sluneční energie • solární ohřev • fotovoltaika
– biomasa – štěpky, pelety, bioplyn atd. – kogenerace ?
Historie • Využití vodní energie - staré zdroje – počátky ji před cca 2000 roky • Převod na mechanickou energii, která se dále využívala pro – mletí obilí – čerpání závlahové i pitné vody, průsakové vody z dolů – zdvíhání břemen – hamry, stoupy, brusírny, pily, obrobny
• Doprava mechanická energie ke spotřebě transmisemi • Umístění výroby v bezprostřední blízkosti vodního stroje
Typy vodních strojů – vodní kolo (na horní, střední a spodní vodu) – Leonardo da Vinci – korečkové kolo – začátek 19. století – Poncelet – konec 19. století • Francis – 1855 (1873 – Voith regulace rozváděcími lopatkami) • Pelton - 1880 • Kaplan – 1913 (rozšíření až po 1926)
Vodní elektrárna –> výroba elektrické energie • Na počátku 20. století – velký vývoj elektrických točivých strojů, přenosu elektrické energie – Stejnosměrný proud – František Křižík – Jubilejní výstava v Praze roku 1891 – tramvajová trať, oblouková lampa – Střídavý proud – třífázová soustava – Emil Kolben – Rozšíření díky třífázové soustavě – rotační elektromagnatické pole – nízké nároky na konstrukci motorů
• Oddělení výroby energie od její spotřeby • Bilance výroby a spotřeby – rovnováha, specifické komodita
Subjekty na trhu s elektřinou • ERU – Energetický regulační úřad – www.eru.cz – vydává cenová rozhodnutí • ČEPS – Česká energetická přenosová soustava, a.s. – www.ceps.cz Zajišťuje následující funkce: – Systémové služby • udržování kvality elektřiny – napětí, frekvence • udržování výkonové rovnováhy v reálném čase • obnovení provozu – start ze tmy • dispečerské řízení
– Přenosové služby • Vnitrostátní • přeshraniční – Podpůrné služby
• OTE, a.s. – Operátor trhu a elektřinou – www.ote.cz
1895 1912 1918 1920 1922 1924 1926 1928 1930 1932 1934 1936 1938 1940 1942 1944 1946 1948 1950 1952 1954 1956 1958 1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
Výroba a spotřeba elektřiny
[GWh]
100000
90000
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
výroba spotřeba
Struktura instalovaného výkonu elektráren ČR v % Celkový instalovaný výkon v ČR je 20 519 MW (brutto - k 31.12.2012)
Struktura instalovaného výkonu elektráren ČR
FVE 10,2%
Parní Jaderné Fotovoltaika Vodní PPE+PSE Větrné Celkem
PE JE FVE VE+PVE PPE+PSE VTE
VE+PVE 10,8%
PPE+PSE 6,2%
JE 19,7%
VTE 1,3%
PE 51,9%
MW 51,9% 19,7% 10,2% 10,8% 6,2% 1,3% 1
MW 10 644 4 040 2 086 2 216 1271 263 20 520
Struktura vyrobené elektřiny ČR v % Celkové množství elektřiny vyrobené v ČR je 87,574 TWh (brutto - k 31.12.2012)
Struktura vyrobené elektřiny ČR Parní Jaderné Fotovoltaika Vodní PPE+PSE Větrné Celkem
FVE 2,481% JE 34,627% VE+PVE 3,383%
PPE+PSE 5,064%
VTE 0,477% PE 53,967%
PE JE FVE VE+PVE PPE+PSE VTE
MWh 53,967% 34,627% 2,481% 3,383% 5,064% 0,477% 1,000
MWh 47,261 30,324 2,173 2,963 4,4351 0,417 87,574
Dodávaný výkon větrných elektráren v jednotlivých oblastech Německa
Průběh výkonu vodních elektráren
Energetická spotřeba na obyvatele • velmi se liší podle stupně průmyslového rozvoje – max. USA – min. 3. svět • nejrychlejší růst spotřeby – rychle se rozvíjející se ekonomiky – Čína, Indie, Brazílie apod.
• stupeň využití vodní energie – možné oblasti investic • stupně rozvoje daného regionu • přírodní podmínky – morfologie, srážky a odtoky – využitelný potenciál a stupeň jeho využití • některé státy mají cca 100 % energie z vody – Norsko
Výhody vodní energetiky: • obnovitelný zdroj a zdarma (poplatky za „vodní práva“) • vysoká účinnost převodu – vodní turbíny dosahují až 93% účinnosti • dlouhá životnost zařízení • jednoduchá a spolehlivá technologie • nízké provozní náklady • možnost akumulace energie • rychlost najetí zdroje – nezastupitelná funkce pro elektrizační soustavu – desítky sekund až minuta • Možnost startu „do tmy“ • vodní díla mohou mít mimo energetické i jiná využití (plavba apod.) • ochrana životního prostředí – neprodukuje odpady • může zlepšit životní prostředí – zlepšení kvality vody (akumulace), mikroklima pomocí odparu, zvýšení hladiny podzemní vody
Nevýhody vodní energetiky: • • • • • • • • •
vysoké investiční nároky dlouhá doba výstavby vzdálenost mezi výrobou a spotřebou výroba závislá na hydrologii i při vyšší akumulaci zatopení oblastí při výstavbě včetně sociálních aspektů stojící voda – malárie, komáři ovlivnění chodu splavenin zaplavení ekologicky hodnotného území ztráta vody odparem
Základní funkce vodních elektráren v elektrizační soustavě • regulace dodávaného výkonu • spolupráce při regulaci frekvence • spolupráce při regulaci napětí – možnost i kompenzačního provozu • schopnost najetí do tmy – tzv. "black start" – při rozpadu sítě • PVE a ŠVE – záloha výkonu pro případ výpadku jiného zdroje
Hydroenergetiký potenciál vodního toku • teoretický hydroenergetický potenciál – výpočet po úsecích, rozdělení toku na několik na sebe navazujících úseků – předpoklad 100% účinnosti – P = g..H.Q , kde g - tíhové zrychlení (m.s-2) - měrná hmotnost vody (kg.m-3) H - spád na daném úseku (m) Q - průtok úsekem (m3.s-1)
• reálně využitelný hydroenergetický potenciál – započtení ztráty spádu vlivem ztrát a stavebních omezení – celková účinnost energetické přeměny odhadujeme na cca 75% – výsledkem je cca 50% teoretického potenciálu
Potenciální energie vody v nádrži V = ∫Q.dt (m3) V – objem Q – průtok t - čas
Ep = m.g.H (J)
3,6.106 J = 1 kWh
cca 2-3 Kč
Ep – potenciální energie (převod na obchodovatelné jednotky kWh) m – hmotnost g – tíhové zrychlení H – spád, resp. potenciál tíhového pole při intenzitě g
𝑃=
𝑑𝐸 𝑑𝑡
(W),
resp. 𝐸 =
𝑃. 𝑑𝑡
P - výkon
P = H.Q.g..celk
celk – celková účinnost převodu
• Základní úkol při využití vodní energie je maximalizace součinu H.Q při zachování ekonomické efektivnosti • Pro hrubý odhad výkonu lze použít P = (5-8).H.Q (kW)
Převod druhů energie • Turbína – převod druhu energie – Vstup – mechanická energie vody (polohová, tlaková a rychlostní) – Výstup – mechanická energie rotující hřídele
• Převodovka – pokud je instalována – Zvýšení otáček při snížení momentu
• Generátor – převod druhu energie – Vstup – mechanická energie rotující hřídele – Výstup – elektrická energie na svorkách
• Transformátor – Zvýšení napětí
Soustředění spádu • přirozené – na prahu ve dně toku nebo vodopády – blízko ležící sousední toky se spádovým rozdílem
• umělé – přehrada na toku – přivaděč a odpadní kanál – viz. Rýn, Váh apod. – tlakový přivaděč s odběrem vody ze zdrže nebo nádrže
Soustředění průtoku • soustředěním vody z vlastního povodí – zachycení bočních níže ležících přítoků • převedení vody z jiného povodí – gravitační doprava i čerpání
Klasifikace vodních elektráren •
podle hospodaření s vodou - podobné terminologii nádrže a jezové zdrže – bez akumulace – typ provozu "průběžný" • voda má minimální zdržení a zpravidla se reguluje na hladinu, což potažmo odpovídá regulaci průtoku • provoz celých kaskád v průběžném režimu
– s akumulací • krátkodobá akumulace – proměnlivý odběr při relativně vyrovnaném přítoku • dlouhodobá akumulace – jednodenní, týdenní, měsíční, roční popř. víceletá akumulace
– s přečerpáváním
•
podle způsobu provozu – souvisí i se spoluprací s energetickou sítí – – – –
•
průběžná pološpičková špičková přečerpávací
podle spolupráce s energetickou sítí – dodávka výkonu do velké sítě – prakticky veškeré elektrárny v Čechách – dodávka do oddělení sítě – odlehlé lokality v horách nebo při havarijních situacích
•
podle výkonu – velké vodní elektrárny • Itaipu – Brazilie, Paraguay – cca 12.000MW • Tři soutěsky – Čína
– malé vodní elektrárny – 100 kW až 10 MW – mikroelektrárny – pod 100 kW
Klasifikace vodních elektráren - pokračování •
podle technického provedení – – – – –
•
využití energie toků a jezer přečerpávání přílivové příbojové - využití energie vln využití depresí – Mrtvé moře
podle topografie – nížinné – podhorské – horské
•
podle typu energetické přeměny – výstup ve formě mechanické energie • III. svět často • přečerpávání jiného okruhu vody nebo jiného média - průmysl
– dodávka elektrické energie
•
podle účelovosti díla – jednoúčelové – provoz díla pouze pro energetické využití – víceúčelové dílo – většina našich VE na velkých tocích – VE jako vedlejší produkt – vodárenské rozvody, rozvody průmyslové vody (chlazení apod.), zasněžování, závlahy, rybí hospodářství atd.
•
podle spádu – nízkotlaká – spád menší než 15 m – středotlaká – spád 15 – 50 m – vysokotlaká – spád vyšší než 50 m
Průběžná vodní elektrárna Schaffhausen - Rhein
Špičková vodní elektrárna „Orlík“
Schaffhausen - Rhein
Špičková vodní elektrárna „Orlík“
Špičková vodní elektrárna „Orlík“
VE a PVE Štěchovice
VE a PVE Štěchovice
Vtokové objekty
Tlakové přivaděče
Woodfibre penstock, screen house and surge tank – BC Hydro
Hydraulický ráz - následky
Vodní turbíny
Hlavní parametry turbín: • spád • průtok • provozní otáčky • výkon • účinnost
Peltonova turbína
Peltonova turbína
Vodní turbíny Francisova turbína
• Nejužívanější typ turbíny • Nejvyšší výkony přes 700 MW pro vertikální uspořádání • Spády přes 600 m • Max. průměr oběžného kola cca 10 m
Kaplanova turbína
Kaplanova turbína
Kaplanova turbína
Kaplanova turbína
Kaplanova turbína
NETRADIČNÍ OBLASTI VYUŽITÍ VODNÍ ENERGIE
Vodní mikroelektrárna - “Cuemba”- Angola Přívodní kanál
Tlakový přivaděč
Strojovna ČVUT v Praze, FSv, katedra hydrotechniky
54
NETRADIČNÍ OBLASTI VYUŽITÍ VODNÍ ENERGIE
Transport generátoru
ČVUT v Praze, FSv, katedra hydrotechniky
55
NETRADIČNÍ OBLASTI VYUŽITÍ VODNÍ ENERGIE Elektrický rozváděč se zátěžovou frekvenční regulací
Balastní zátěže
Čerpadlo v turbínovém provozu
Turbine set with ballast load control cabinet Synchronní generátor ČVUT v Praze, FSv, katedra hydrotechniky
56
Archimédův šroub
Fyzikální modelování turbín
Fyzikální modelování v hydroenergetice
Fyzikální model Peltonovy turbíny Hydrotechnická laboratoř ČVUT v Praze, FSv, katedra hydrotechniky
59
Hydraulický ráz v potrubních přivaděčích vodních elektráren
Hydraulický ráz – model Francisovy turbíny
