Vodná energia

Vodná energia je technicky využiteľná potenciálna, kinetická alebo tepelná energia všetkého vodstva na Zemi. Na elektrinu sa premieňa vo vodných elektrárňach.

Obnoviteľné zdroje energie

Geotermálna energia Vodná energia Slnečná energia Veterná energia Biomasa Bioplyn Biopalivo OTEC

Schéma Kaplanovej vodnej turbíny

Voda je na Zemi a v jej atmosfére v neustálom pohybe. V dôsledku aktivity Slnka sa odparuje z vodných plôch, vytvára oblaky pary a padá k Zemi vo forme dažďa alebo snehu. Energia tohto vodného cyklu je veľmi účinne využívaná vodnými elektrárňami alebo vodou poháňanými mechanickými strojmi. Voda je obnoviteľný energetický zdroj, ktorého využívanie nezaťažuje atmosféru žiadnymi emisiami. Dá sa využiť na okamžité pokrytie spotreby energie (výroba elektriny v prietokovej elektrárni) a je možné ho využiť aj na uskladňovanie energie (v prečerpávacej elektrárni, ktorá v čase menšej spotreby ukladá energiu čerpaním vody do zásobnej nádrže nad turbínami).

Vodná energetika je vo svetovom meradle druhým najväčším zdrojom elektrickej energie a do roku 2030 môžeme očakávať nárast množstva vyrobenej elektrickej energie až na 4259 TWh ročne.

História

Využívanie energie vody na pohon mechanických zariadení je veľmi starou činnosťou a siaha ďaleko do minulosti. Jednoduché vodou poháňané kolesá, nahradzujúce namáhavú prácu, ľudstvo používalo od nepamäti. Prvá zmienka o takýchto zariadeniach sa objavuje u starých Grékov asi 4000 rokov pred Kr. Gréci používali vodnú energiu hlavne na mletie obilia. Využívanie tejto prírodnej energie sa stalo ešte jednoduchším a rozšírenejším po tom, čom bola vyvinutá prvá vodná turbína na začiatku 19.storočia. Od tohto obdobia sa začína postupne presadzovať výroba elektrickej energie vodnými elektrárňami.

História na Slovensku

Výstavba vodných diel na Slovensku má dlhoročnú históriu. Voda bola pre baníctvo súčasťou jeho rozvoja a slúžila na pohon rozličných banských zariadení; v tom čase to bol takmer jediný dostupný zdroj energie. Na zabezpečenie dostatočného množstva vody sa celé generácie budovali sústavy vodných privádzačov a nádrží. Počiatky budovania Turčekovského vodovodu siahajú do 16. storočia, ale už dávno predtým museli byť vybudované jednoduchšie vodné diela. Tento vodovod – privádzač úžitkovej vody pre Kremnicu a jej bane – previedol vodu z povodia Váhu do povodia Hrona, a na to bolo treba už dosť skúseností z budovania a prevádzky iných vodných diel. To potvrdzujú aj mapy zo 14. storočia, v ktorých sa už uvádza trasa tohto vodovodu. Jeho dĺžka bola pôvodne 22,0 km, zachytával 15 odberov povrchovej vody a je funkčný aj v súčasnosti. Zlatým obdobím výstavby vodných nádrží na Slovensku bolo celé 18. storočie. Zlatým sa nazýva nielen preto, že v tej dobe sa u nás vybudovalo najviac nádrží, z ktorých mnohé slúžia dodnes, ale aj preto, že voda z nich sa využívala na pohon zariadení v baniach na zlato a striebro v okolí Banskej Štiavnice. Banskoštiavnická sústava vodných nádrží je pozoruhodná z hľadiska konštrukčného riešenia priehrad, aj z vodohospodárskeho hľadiska. Umožnila zvýšenie ťažby rúd drahých kovov a celkový rozvoj baníctva v tejto oblasti.

Vodné stroje na Slovensku

Vodné kolesá sa na pohon rôznych zariadení používali už dávno, ale historické dokumenty o nich na území dnešného Slovenska sú až zo 14. storočia – v roku 1320 sa už používalo v Uhorsku vodné koleso na skujňovanie železa v hámroch. Dokladom o iných strojoch, používajúcich ako zdroj energie silu vody, je použitie vodostĺpcových motorov, t. j. piestových vodných motorov na čerpanie vody z baní v Smolníku v roku 1853. Prvý zdokumentovaný návrh stroja, podobného vodnej turbíne je od Leonarda da Vinciho z doby okolo roku 1500.

Niektoré vodné turbíny na území Slovenska, o ktorých existuje doklad boli:

• 1853 – Jonvalova v Podbrezovských železiarňach na pohon valcovní, pechovacieho kladiva, dúchadla, píly a štiepacieho stroja na drevo;
• 1877 – Peltonova v ortuťovej bani Svätá trojica v Nižnej Slanej na pohon piestového čerpadla; a vo vodných elektrárňach to boli:
• 1886 – Francisova vo VE Košice – Horná elektráreň;
• 1889 – Girardova vo VE Krompachy;
• Lavalova v Kremnickej mincovni;
• 1904 – Peltonova vo VE Smolník – Spodná elektráreň;
• 1928 – Kaplanova v rekonštruovanej VE Máriahuta;
• 1939 – Bánkiho vo VE Švedlár.

Pozoruhodnosťou je to, že Francisova turbína vo VE Košice – Horná elektráreň bola vyrobená v miestnej strojárni Fleischer a spol.

Druhy vodných elektrární

Rozdelenie vodných elektrární na malé a veľké je vo svete zaužívané, pričom sa akceptuje, že elektrárne s výkonom viac ako 10 MW sa označujú ako veľké a ostatné sú malé. Aj medzi malými vodnými elektrárňami však existuje isté delenie, pričom elektrárne (turbíny) s výkonom menším ako 1 kW sa označujú ako mikro. Z hľadiska svojej činnosti je vodné elektrárne možné rozdeliť na tri základné typy:

• prietokové
• akumulačné
• prečerpávacie.

Iné rozdelenie súvisí napr. s typom turbíny (Kaplanova, Peltonova, Francisova a i.) alebo s výškou spádu (nízky, stredný a vysoký spád).

Prietokové (bežné) vodné elektrárne využívajú na svoju prevádzku energiu vody z rieky alebo prívodného kanála.

Akumulačné elektrárne majú nádrže, do ktorých môžu v prípade potreby uskladniť vodu. Voda môže byť k turbíne privádzaná buď v čase potreby výroby elektriny alebo priebežne.

Prečerpávacie vodné elektrárne sú dôležitou súčasťou elektrizačnej sústavy. Pracujú na veľmi jednoduchom princípe využívajúc dve navzájom prepojené vodné nádrže (vyššie a nižšie položenú). Voda skladovaná vo vyššie položenej nádrži je zásobárňou potenciálnej energie. Počas obdobia s vysokou spotrebou elektrickej energie sa voda z vyššej nádrže vypúšťa kanálom do spodnej nádrže, pričom prechádza cez turbínu elektrárne (výroba elektriny). V čase, keď spotreba elektriny v sieti je nízka, prečerpáva sa voda zo spodnej do hornej nádrže, pričom sa energia spotrebováva. Toto prebieha zvyčajne v noci.

Výpočet množstva využiteľnej energie

Z fyzikálneho hľadiska je pri využití energie vody rozhodujúci predovšetkým prietok Q, t.j. množstvo / objem vody, ktorý pretečie daným profilom za jednotku času (m³/s) a vertikálna výška spádu vody H (m), vyjadrujúceho tlak padajúcej vody. Spád pritom môže byť prirodzený, daný sklonom reliéfu resp. môže byť umelo vytvorený (prehradením). Rozlišujeme pritom tzv. „hrubý“ statický spád, definovaný ako vertikálna vzdialenosť medzi vrcholom potrubia resp. kanála privádzajúceho vodu k turbíne a bodom, v ktorom sa voda z turbíny vypúšťa. „Čistý“ dynamický spád je rozdiel hrubého spádu zmenšený o stratu v dôsledku turbulencií a trenia v potrubí alebo kanále, ktoré závisia na type, dĺžke a priemere privádzacieho potrubia, počte spojov a kolien. V prípade nízkeho spádu (t.j. do 3 metrov, spády pod 0,6 metra sú väčšinou nepoužiteľné) sú tak potrebné vyššie prietoky, čo sa následne prejavuje v potrebe väčších a výkonnejších a teda aj investične náročnejších vodných turbín. Obe uvedené veličiny (t.j. prietok a výška spádu) zohrávajú najdôležitejšiu úlohu pri stanovení hydroenergetického potenciálu danej lokality. Pre výpočet výkonu s uvažovaním účinnosti turbíny potom platí nasledujúci vzorec:

$P=\rho \times g\times Q\times h\times \eta$

Kde

• P – výkon [W - pri použití jednotiek nižšie]
• ρ – hustota vody [kg.m^-3]
• g – gravitačné zrýchlenie [m.s^-2]
• Q – prietok [m³.s^-1]
• h – spád [m]
• η – účinnosť turbíny [-]

Na ilustráciu, výkon, ktorý získame z turbíny s 85 % účinnosťou, s hustotou vody 1000 kg.m^-3 a prietokom 80 m³.s^-1, gravitačným zrýchlením 9,81m.s^-2 a spádom 145 m bude:

$P=1000kg/m^{3}\times 9,81m/s^{2}\times 80m^{3}/s^{1}\times 145m\times 0,85=97MW$

Vplyv vodných elektrární na životné prostredie

Hlavným dôvodom prečo sa vodné elektrárne nestavajú všade tam, kde to je možné je, že sú relatívne drahé a sú s nimi spojené negatívne ekologické i sociálne dopady. Platí to predovšetkým pre veľké vodné elektrárne.

Vodný tok je súčasťou ekologického systému, v ktorom jedna zmena môže vyvolať následné zmeny v iných častiach systému. Príkladom môže byť zmena prietoku vody v rieke, ktorá môže vyvolať zmeny v kvalite vody a životných podmienkach vodných organizmov hlavne rýb. Priehrady, ktoré sú súčasťou väčšiny veľkých vodných elektrární môžu významne ovplyvniť životné podmienky rýb. Navyše novo vzniknuté priehradné jazero zvyčajne oddelí populácie rýb žijúcich v dolnej a hornej časti toku, čím zablokuje ich migračné cesty. Ekologické dopady takýchto vodných diel môžu byť sledované ešte veľmi ďaleko od miesta priehrady. V tropických oblastiach dochádza k výraznej sezónnej variácii množstva zrážok a v období sucha dochádza k významnému odparovaniu z priehradného jazera. Toto môže ovplyvňovať výšku hladiny v nádrži v oveľa väčšom rozsahu ako napr. v miernom pásme. Vodné toky a zrážková činnosť vzájomne súvisia. Vodné toky môžu ovplyvňovať nielen miestnu klímu ale aj hladinu spodných vôd vo svojom okolí. Sedimentácia v jazerách môže viesť k zvýšenej erózii v dolnej časti toku. Zmeny v prietoku vody tiež majú za následok zmeny v prenose sedimentov. Počas výstavby veľkých vodných diel, prenos bahna a sedimentov je obzvlášť významný v dolnom toku rieky. Stavebné práce môžu viesť k zníženiu kvality vody a s tým súvisiacim problémom pre obyvateľov závislých na takýchto vodných zdrojoch.

Spodné vody

Hladina spodnej vody je dôležitá tak pre ľudí ako i rastliny a zvieratá. Je dôležitou zložkou ekosystému hlavne z hľadiska zabezpečenia dostatku pitnej vody. Vytvorenie priehradného jazera má zvyčajne veľký vplyv na úroveň spodnej vody a napĺňanie podzemných rezervoárov. Takéto jazero spolu so zmenami prietoku vody v dôsledku činnosti vodnej elektrárne mávajú za následok aj zmeny hladiny spodnej vody v okolitých oblastiach. V týchto oblastiach môže preto postupne dochádzať k zhoršovaniu kvality pitnej vody.

Flóra a fauna

Keď v priehradnom jazere dochádza k záchytu živín (hnojív) vždy to má za následok zvýšenú eutrofizáciu (zníženie obsahu kyslíka vo vode) nádrže. Toto môže spôsobovať rýchlejší rast rias alebo iných vodných rastlín. Zvýšená produkcia organickej hmoty v jazere môže ovplyvniť anerobné procesy ako sú nedostatok kyslíka vo väčších hĺbkach jazera. Vo všeobecnosti sú plytké jazerá s veľkou plochou vo väčšom riziku z hľadiska eutrofizácie, pretože zásoba kyslíka vo väčších hĺbkach je úmerne obmedzená plochou jazera. V hlbokých úzkych jazerách, s pravidelnou cirkuláciou vody, je zvyčajne dostatok kyslíka vo väčších hĺbkach na to, aby dochádzalo k recyklácii ku dnu klesajúcej organickej hmoty. Odparovanie môže taktiež spôsobovať koncentráciu živín vedúcu k k eutrifizácii. V tropických oblastiach má pôda nízky obsah humusu, čo v kombinácii so sezónnymi variáciami zrážok môže spôsobovať značnú eróziu. Transport erodovaných sedimentov sa zastaví a ukladá sa v priehradnom jazere, čo si vyžaduje častejšie čistenie a zvýšené náklady na prevádzku. Vybudovanie priehradného jazera má za následok zastavenie prenosu živín do dolnej časti rieky a ovplyvnenie biologickej produkcie nielen v rieke, ale v celej oblasti často siahajúcej až do mora. Vo svete existuje viacero príkladov takého dopadu veľkého vodného diela na život v riekach. Zmeny úrovne vodnej hladiny, ku ktorým dochádza pri prevádzke vodných diel, majú za následok aj zmeny zloženia rybných druhov. Umelé vodné nádrže zvyčajne obsahujú menšie množstvo vodných organizmov ako prírodné jazerá. Zmeny v dolných tokoch riek za priehradnými jazerami sú vyvolané hlavne zmenami prenosu živín. Zatopenie veľkého územia, ku ktorému dochádza pri výstavbe vodnej nádrže vyvoláva tlak na migráciu zvierat z tejto oblasti, v prípade keď je ešte kam migrovať. Avšak v mnohých prípadoch zaplavením veľkých území je mnoho organických druhov v postihnutej oblasti zlikvidovaných. Väčšinou je len veľmi ťažké predvídať k akým zmenám môže pri zaplavení dochádzať. Nielen zaplavenie oblasti ale aj konštrukčné práce, doprava a hluk počas výstavby majú negatívny vplyv na živočíchy.

Záber pôdy

je nepriaznivý faktor, ktorý sa aspoň sčasti kompenzuje premiestnením ornice na menej úrodné územia a vyvažuje sa zásobami vody. Ani jedno hydroenergetické dielo nie je iba jednoúčelové ale slúži aj ako zásobáreň vody na rôzne účely.

Klíma

sa v tesnej blízkosti veľkých vodných diel síce mení, ale tento vplyv nemusí siahať ďaleko. Zväčšenie vlhkosti môže pomôcť pri dýchacích problémoch, lebo obyvateľstvo najmä v mestách trpí skôr suchým ovzduším. Častejšia je ale aj inverzia v okolí. Z dopravného hľadiska je nepriaznivým vplyvom vznik hmly alebo námrazy v zimnom období v okolí vodných nádrží.

Prietokové pomery

sú ovplyvnené, ale nie je to len nepriaznivý vplyv, lebo vodné diela zvyšujú ochranu pred povodňami a zvýšený odtok v zime zabraňuje zimným povodniam a zabránením vymŕzania koryta pomáha udržiavať život v riekach.

Rekreačná plavba

je na väčšine našich tokov možná len počas krátkej časti roka so zvýšenými prietokmi. Pri energetickej prevádzke je však možné na požiadanie napríklad športovcov upraviť režim odtokov tak, že časti riek sú splavné aj v čase nízkych prirodzených prietokov.

Náhrada výroby elektrickej energie za klasické zdroje je najdôležitejším kladným vplyvom vodných elektrární na životné prostredie. Ľudstvo by totiž nespotrebovalo menej elektrickej energie, keby vodné elektrárne neboli, len by sa táto musela vyrobiť iným, menej ekologickým spôsobom. Na výrobu 1 MWh elektrickej energie sa v tepelnej elektrárni musí spáliť 1,1 tony (veľmi kvalitné hnedé uhlie) až 1,5 tony hnedého energetického uhlia a tým sa prejavia aj všetky nepriaznivé dôsledky spaľovania. Zníženie spotreby fosílnych palív zabezpečujú akumulačné a prečerpávacie vodné elektrárne už samotnou svojou existenciou. Elektrizačná sústava totiž musí nielen pokrývať premenlivé zaťaženie v priebehu dňa, ale musí byť aj pripravená riešiť havarijné výpadky zdrojov. Vodné elektrárne sú vždy pripravené okamžite začať vyrábať, ale v tepelných elektrárňach na to, aby boli pripravené dodať elektrinu aspoň vo vyhovujúcich časoch, musia byť turbíny predhriate a v kotloch sa musí kúriť, aj keď tieto zdroje práve nevyrábajú nič. Hovorí sa tomu teplá záloha. Takže tepelná elektráreň spotrebováva palivo aj v čase, keď nič nevyrába. Odhaduje sa, že na 1 MW teplej zálohy sa spotrebuje až 1 000 ton paliva za rok.

Vodné elektrárne v elektrizačnej sústave

Technologické zariadenie vodných elektrární, turbíny, generátory, pomocné zariadenia aj riadiaci systém sú konštruované na prevádzku s premenlivým zaťažením. To znamená, že sú veľmi pružným zdrojom v elektrizačnej sústave, ktorý je schopný z odstaveného stavu nabehnúť na svoj maximálny disponibilný výkon za veľmi krátky čas. Kým spúšťací proces v tepelných elektrárňach trvá viac ako 6 hodín a v jadrových ešte podstatne viac, dosiahnu vodné elektrárne svoj menovitý výkon z odstaveného stavu za 2 – 3 minúty a v nových VE ešte skôr. Napríklad PVE Čierny Váh za 70 sekúnd po vyslaní signálu na spustenie. Rovnako je jednoduché aj ich odstavenie z prevádzky a navyše počas odstavenia nespotrebovávajú žiadnu energiu, ale akumulačné VE zbierajú bez vplyvu na životné prostredie vodu v nádrži na dobu, keď bude potrebný špičkový výkon. Vodné elektrárne sú bezodpadovým zdrojom a ani vodu, využitú na výrobu elektrickej energie, nespotrebovávajú, len ju prevedú z vyššej hladiny na nižšiu. Pri svojej prevádzke neznečisťujú ovzdušie spalinami, oxidmi uhlíka, síry a dusíka, ani ťažkými kovmi a pod. Problémom sú ale organické zvyšky rastlín a živočíchov, ktoré sa dostali do nádrže a rozkladajú sa a uniká z nich metán do atmosféry. Preto devastujú a znečisťujú okolité životné prostredie iba v malej miere, aj to hlavne akumulačné VE, a neznečisťujú povrchové ani podzemné vody.

Úplne odpadajú problémy s dopravou primárneho energetického zdroja, aké sú pri doprave ropy, zemného plynu, uhlia alebo uránu, často na obrovské vzdialenosti. Veľkou prednosťou je predovšetkým to, že hydroenergetický potenciál máme tu u nás doma a jeho využívanie nie je závislé od svetových cien a zahraničnej situácie. Rozhodujeme o jeho využívaní (okrem vodných elektrární na hraničných tokoch) sami. Navyše je to zdroj neustále sa obnovujúci, a preto nevyčerpateľný, nemusíme sa obávať, že časom sa jeho zásoby budú zmenšovať, alebo cena neúmerne rásť.

Ekonomická stránka vodných elektrární

Dôležitá je ekonomická stránka výroby elektrickej energie vo vodných elektrárňach. Tie v porovnaní s inými zdrojmi majú veľmi nízke prevádzkové náklady, pretože odpadajú náklady na palivo, a pritom majú dlhú životnosť, ktorá vysoko prekračuje dobu návratnosti vložených investičných nákladov. V praxi to znamená, že počas životnosti vodnej elektrárne by sa museli po sebe vybudovať viac ako dve tepelné elektrárne s rovnakým inštalovaným výkonom, aby mali rovnakú dobu životnosti, a to by znamenalo viac ako dvojnásobné investičné náklady prvotnej investície.

Vodné elektrárne na Slovensku

Celkový inštalovaný výkon vodných elektrární v prevádzkovaný Slovenskými elektrárňami je 1 652,7 MW, čo tvorí približne 38 % z celkového inštalovaného výkonu Slovenských elektrární. Prietočné vodné elektrárne majú inštalovaný výkon 736,6 MW a prečerpávacie vodné elektrárne 916,4 MW (Čierny Váh 734,4 MW, Liptovská Mara 98 MW, Dobšiná 24 MW, Orava 21,75MW a Ružín 60 MW). Skutočne využitý hydroenergetický potenciál SR je na úrovni 57,5 %.

Referencie

• Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Vodní energie na českej Wikipédii.

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Vodná energia

Externé odkazy

• Micro Hydro Power Archivované 2009-03-25 na Wayback Machine
• Oravská priehrada