Vodní elektrárny zblízka I

Jak fungují

Vodní elektrárny jsou energetické zdroje využívající akumulovanou energii vody k výrobě elektrické energie. Voda jako primární zdroj odevzdává ve vodní turbíně svou potenciální a kinetickou energii, ale prostřednictvím přírodního koloběhu, založeném na vypařování a kondenzaci, se neustále obnovuje. Vodní elektrárny jsou nejvýznamnější obnovitelné zdroje energie.

V českých zemích má využívání vodní energie dlouholetou tradici. Nejprve jako přímý mechanický pohon mlýnů, pil a hamrů, dnes jako zdroj elektrické energie. Naše toky však nemají potřebný spád ani dostatečné množství vody, proto je podíl výroby elektrické energie ve vodních elektrárnách na celkové výrobě poměrně nízký. Největší výhodou vodních elektráren je schopnost rychlého najetí velkého výkonu, a tedy operativního vyrovnání okamžité energetické potřeby v elektrizační soustavě.

První přehrady ze začátku minulého století, jako je Les Království nedaleko Dvora Králové nad Labem, byly skvostnými technickými a architektonickými díly.

Vodní elektrárny neznečišťují ovzduší, prokysličují vodní tok, nevyžadují palivo, jsou bezodpadové a vysoce bezpečné. Pružným pokrýváním spotřeby a schopností akumulace energie (v přečerpávacích elektrárnách) zvyšují efektivnost provozu elektrizační soustavy.

Akumulační nádrže vodních elektráren zlepšují kvalitu vody, slouží jako zdroj pro odběr průmyslové vody a vody určené pro zavlažování a pro úpravu na vodu pitnou. Schopností zadržet vodu snižují nebezpečí povodní, naopak v případě sucha zvyšují minimální průtoky a zlepšují plavební podmínky. A nesmíme zapomenout na nezanedbatelnou funkci rekreační.

Počátky vodní energetiky v Čechách

V českých zemích se vodní energetika podílela na historicky prvních krocích elektrizace. Nejstarším zařízením tohoto typu v Čechách byla vodní elektrárna v Písku, vybudovaná v roce 1888. V Praze existovaly již na začátku 20. století dokonce dvě vodní elektrárny – na Těšnově a na Štvanici (ta je po rekonstrukci dodnes v provozu). Vodní energetika byla významnou součástí již předchůdce dnešní akciové společnosti ČEZ. Postupně se budovala vltavská kaskáda a další přehradní díla osazená vodními turbínami na Labi, Ohři, Dyji, Moravě a Jihlavě. Později byly pro potřeby pokrytí špičkových výkonů postaveny na Moravě přečerpávací vodní elektrárny Dalešice a Dlouhé stráně. K historicky nejstarším a významným malým vodním elektrárnám provozovaným v českých zemích patří elektrárna Želina z roku1908, Hučák a Čeňkova pila z roku 1912.

Historický vodní mlýn v Českém Krumlově je dokladem dlouholetého využívání vodní energie v Čechách

Vodní elektrárna Hučák (secesní a technický unikát v Hradci Králové) na řece Labe patří mezi nejstarší vodní elektrárny v Čechách

Typy vodních elektráren

Akumulační průtočné elektrárny

Nejznámějšími vodními elektrárnami jsou tzv. akumulační vodní elektrárny. Charakteristické jsou pro ně přehradní hráze zadržující vodu a vytvářející jezera. Hráze mohou být tzv. gravitační, tj. z obrovského množství sypaného materiálu, který vzdoruje tlaku vody svou hmotností a objemem, nebo klenbové, kde tlaku vody čelí železobetonová, protiproudně vyklenutá skořepina. Hráz bývá protkána kontrolními chodbami, v nichž se průběžně měří eventuální posuny a průsaky. Přelití vodní masy brání spodní výpusti a horní přelivy. Pod hrází je tzv. vývařiště, do něhož odchází voda od turbín a do něhož ústí výpustě. Pod velkými vodními díly se většinou staví ještě tzv. vyrovnávací nádrž, jejímž úkolem je vyrovnávat hladinu vody mezi stavem kdy protéká voda turbínami a kdy nikoli. Tyto nádrže v korytě řeky stabilizují průtok. V jezeře nad hrází bývá vtokový objekt opatřen česlemi, které zajišťují, aby se na turbínu nedostaly mechanické nečistoty.

Akumulační vodní elektrárny jsou charakteristické velkým množstvím zadržované vody a poměrně rozsáhlými plochami přehradních nádrží.

Průtočné elektrárny využívají říční proud na jezech, pro některé se staví derivační kanály, které zkracují vodní tok a voda tak získává větší spád.

Přečerpávací vodní elektrárny

Elektrizační soustava státu musí mít v každém okamžiku k dispozici přesně tolik elektrické energie, kolik je jí třeba. Spotřeba elektrické energie přitom během dne i v delších obdobích kolísá. Elektrickou energii sice nelze v čistém stavu skladovat, funkci akumulace však účinně pomáhají řešit přečerpávací vodní elektrárny. Pro stabilizaci elektrické sítě je tento typ elektráren nezastupitelný. Velkou předností přečerpávacích vodních elektráren je – stejně jako u ostatních vodních elektráren – schopnost přifázování do elektrifikační sítě s plným výkonem v několika minutách.

Hladina v dolní nádrži přečerpávací elektrárny Dlouhé stráně na říčce Divoká Desná v Jeseníkách může kolísat v rozmezí 20 metrů.

Přečerpávací vodní elektrárna je v principu soustava dvou výškově rozdílně položených vodních nádrží spojených tlakovým potrubím, na němž je v jeho dolní části umístěna turbína s elektrickým generátorem. V době energetické potřeby generátor v tzv. turbínovém režimu vyrábí pomocí spádu vody v potrubí elektřinu, v době útlumu stejná turbína v tzv. čerpadlovém režimu vodu z dolní nádrže přečerpává do nádrže horní, kde její potenciální energie čeká na své optimální využití v době špičkové spotřeby. Na každou akumulovanou kWh, kterou z přečerpávací elektrárny odebíráme, je třeba k načerpání vody do horní nádrže vynaložit asi 1,4 kWh.

Horní nádrž přečerpávací vodní elektrárny je většinou uměle vybudovaná na blízkém vrchu nad dolní nádrží.

Horní nádrž může být uměle vybudovaná na výše položeném místě (např. nádrž na vrchu Homole nad Štěchovicemi nebo horní nádrž přečerpávací elektrárny Dlouhé stráně) nebo ji tvoří jezero nad hrází akumulační elektrárny (např. Dalešice). Princip přeměny mechanické energie v elektrickou je stejný jako u ostatních vodních elektráren.

Jak funguje přečerpávací vodní elektrárna

Hráz

Akumulace vody u vodní elektrárny je založena na přehrazení původního toku hrází nebo jezem. Tím se omezí volný průtok korytem a zadržovaná voda způsobí vzdutí hladiny. Postavení hráze je samozřejmě možné jen v místech s vhodným podložím a dostatečně profilovanými břehy původního koryta toku. Ideální z tohoto hlediska jsou horské kaňony, kde relativně krátká, ale vysoká hráz dokáže zvednout hladinu o desítky až stovky metrů. Těleso hráze musí být nepropustně spojeno s podložím, aby se zamezilo průsakům vody a případným erozím, které by mohly způsobit poškození vodního díla. Každá hráz vodní elektrárny by měla mít pod úrovní své koruny bezpečnostní přelivy, chránící její konstrukci v případě povodní. Důležitá je také spodní výpusť v tělese hráze, umožňující regulaci zvýšené vodní hladiny, případně částečné nebo úplné vypuštění přehrady při její revizi nebo rekonstrukci.

Historie

Nejstarší hráze jsou datovány přibližně do 3. tisíciletí př. n. l. do oblasti Středního východu. Nádrže jimi vytvořené sloužily převážně jako zásobárny vody pro zavlažování a plnily ochrannou funkci před povodněmi. Historické hráze většinou tvořily stavby kombinující zděný kámen s oboustranným zemním náspem nebo zemní jádro zpevněné z obou stran kameny. Mezi významné oblasti, kde se budovaly nejstarší hráze a přehrady patřily: Jordánsko, Egypt, Jemen, Turecko nebo Indie.

V římských dobách již stavitelé budovali větší přehradní díla zásobující osídlené oblasti vodou v sušším období. Při stavbě hrází využívali vodovzdorné malty a později i první formy betonu. Zavedli v podstatě všechny moderní typy hrází, jaké známe dnes. Jejich vynalézavost umožňovala stavět větší přehradní konstrukce než dříve a akumulovaná voda se používala i na pohon vodních kol a mlýnů.

I když Římané znali a stavěli pokrokové typy hrází, až průmyslová revoluce v 19. století umožnila využít technické dovednosti a moderní stavební materiály pro výstavbu prvních velkých klenutých hrází, takých, jak je známe dnes. Hráze vznikaly na teritoriu Britského impéria, v Austrálii, Kanadě, Francii i v dalších místech. V druhé polovině 19. století se přistupovalo k přehradním konstrukcím více vědecky a původní empirické metodiky byly nahrazeny metodami, založenými na teoretické bázi. Teoretickými otázkami výstavby přehradních hrází se začala zabývat řada renomovaných univerzit.

Éra velkých vodních děl začala počátkem 20. století výstavbou Asuánské přehrady na Nilu a později velké Hooverovy přehrady na řece Colorado. Její betonová klenbová hráz je 220 metrů vysoká a 379 metrů dlouhá a ve své době patřila k vrcholu stavitelského umění. Postupem času se hráze pro přehrady různých velikostí stavěly po celém světě a koncem 20. století bylo evidováno více než 40 000 hrází vyšších než 15 metrů. Počet všech přehrad na světě je odhadován na přibližně 800 000.

Typy hrází

Hráze vodních děl vytvořených člověkem se podle struktury dělí na gravitační (sypané nebo betonové), zadržující vodu jen na základě své hmotnosti, klenuté betonové hráze a hráze s opěrnými pilíři. Tyto čtyři typy jsou dále podrobněji popsány. Výběr typu hráze záleží na charakteru podloží a údolí, na dostupnosti stavebních materiálů a rozsahu vodního díla.

Sypané hráze vzdorují tlaku vody svou hmotností. Mohou být plněny zemí, nebo kameny. Návodní strana kamenné sypané gravitační hráze bývá pokryta vodotěsnou vrstvou, která může být z betonu, kamenných desek, ocelových plátů nebo jiného vodě odolného materiálu. Hráze, které jsou vyplněny zhutněnou zemí, mají vodní stranu postavenou z libovolného pevného materiálu, aby se zabránilo případné erozi výplňového materiálu. Vodotěsnost hráze zajišťuje centrální jádro – vrstva nepropustného jílu, který zabraňuje prosakování vody. V posledních letech se na jádro sypané zemní hráze často používá asfaltový beton. Jeho pružnost ho předurčuje k použití v roli materiálu jádra sypaných hrází stavěných v seismických oblastech. Zemní hráze vyžadují speciální přepady a propusti odolné vůči proudu erozivní vody.

Vzhledem k tomu, že se sypané hráze mohou plnit materiály, které jsou levné a dostupné v místě stavby nebo v jejím okolí, může být výstavba takové hráze velmi efektivní z hlediska nákladů. Především to platí pro regiony, které si finančně nemohou dovolit stavbu velké betonové hráze.

Zemní sypané hráze musí být v základu poměrně široké

Přehrada Naramata v Japonsku s vysokou sypanou kamennou hrází

Sypaná hráz přehrady Ratchaprapha v Thajsku

Betonová klenutá hráz

Betonové klenuté hráze jsou tenké skořepiny, pevně ukotvené v podloží a ve strmých svazích hlubokých kaňonů. Jejich stabilita je dosažena rozložením hydrostatických sil vody do oblouku (klenby) a působením gravitačních sil hráze na podloží. Těleso hráze vypouklé proti proudu přenáší obrovský tlak vody na kamenné stěny kaňonu. Klenbové hráze jsou impozantní na pohled a vyžadují nejméně materiálu na svou stavbu.

Přehrada Parker

Přehrada Parker na řece Colorado je zástupcem hrází s pevným úhlem ukotvení

Existuje několik podtypů klenutých hrází:

Hráze se stejným poloměrem po výšce – připomínají výřez z pláště válce zasunutý kolmo do kaňonu,
Hráze se stejným úhlem ukotvení – úhel svírající místo dotyku klenby s boční, opěrnou stěnou kaňonu je po výšce stejný a tím pádem se poloměr hráze po výšce zvětšuje,
Hráze zakřivené v horizontálním i vertikálním směru – připomínají část sférické čočky a opírají se jak do stěn kaňonu, tak i do jeho podloží,
Vícenásobné klenbové hráze – minimalizují potřebné množství stavebního materiálu a sestávají z několika spojených kleneb. Značné zatížení přebírají meziklenbové opěrné pilíře.

Dvě betonové klenbové hráze uzavírají rozdvojené údolí

Typická skořepina betonové klenbové hráze přenáší tlak vody do podloží a bočních stěn, do kterých je ukotvena

Na betonové klenuté hrázi je patrné její proměnlivé zakřivení

Gravitační hráze se většinou budují z těžké směsi betonu a kameniva a zadržují vodu jen na základě své hmotnosti, která působí proti horizontální síle zadržované vody a tlačí hráz k podloží. Tlak vody se naopak snaží převrhnout těleso hráze, přičemž nejvíce zatíženým bodem hráze je konec základny na její vzdušné straně.

Betonová gravitační hráz

Betonové gravitační hráze mají trojúhelníkový průřez se silnější základnou a tenčí horní částí. Vodní strana hráze je obvykle kolmá k vodní hladině. Hráze jsou konstruovány tak, že každá její část je samostatně stabilní nezávisle od jiných částí – v tělese není horizontální přenos sil.

Typickým zástupcem rovných gravitačních betonových hrází je hráz přehrady Grand Coulee na řece Colorado

Přehrada Shasta na řece Sacramento v Kalifornii má betonovou, gravitační, mírně prohnutou hráz

Typický trojúhelníkový profil betonové gravitační hráze, Shasta/Sacramento

Železobetonové hráze jsou na vzdušné straně vyztuženy několika pilíři. V závislosti na velikosti a konstrukci hráze jsou pilíře rozmístěny každých 5 až 30 metrů. Na samotné těleso hráze pak může být použito méně stavebních materiálů.

Hráz s opěrnými pilíři

Opěrné pilíře nižší hráze poblíž italských Dolomitů

Tenčí hráz horského jezera je vyztužena větším množstvím podpůrných pilířů, Trentino, Itálie

Detail pilířů horské přehradní hráze Panta de cavallers ve španělských Pyrenejích

Fyzikální principy

Těleso hráze je mohutná stavba odolávající tlaku vody, kterou zadržuje. Síly působící na vodní stranu hráze jsou velké, a proto musí být věnována velká pozornost její konstrukci. Zkusme si nastínit tuto problematiku podrobněji a vyjádřit vztahy a závislosti určující sílu, která se snaží horizontálně posunout těleso hráze.

Pro zjednodušení uvažujeme o hrázi ve tvaru obdélníku, která je dlouhá L metrů a voda sahá do výšky H metrů. Základními vztahy pro výpočet výsledné síly, působící na hráz, je vztah pro vyjádření síly F [N] a vztah pro hydrostatický tlak Ph [Pa] v zadané hloubce Y metrů:

F = Ph . S

Ph = ρ . g . Y

Kde:

S – plocha, na kterou tlak působí [m²]

ρ – měrná hmotnost vody [kg/m³]

g – konstanta gravitačního zrychlení [m/s²]

Kromě hydrostatického tlaku působí na těleso hráze ještě atmosférický tlak, ale vzhledem ke skutečnosti, že působí na obě strany hráze přibližně stejným tlakem, můžeme jeho vliv na výslednou sílu zanedbat.

Jak je vidět ze vztahu hodnota hydrostatického tlaku se mění v závislosti na hloubce Y, proto bude nutné zkoumat elementární plošku dS jako obdélník o stranách L a dY, kde můžeme považovat tlak za konstantní a sílu potom integrovat po celé výšce vodního sloupce Y. Pro velikost elementární tlakové síly platí:

dF = Ph . dS = Ph . L . dY

Dosazením vztahu pro hydrostatický tlak dostáváme výsledný vztah pro velikost elementární síly dF:

dF = ρ . g . Y . L . dY

Integrováním elementu dF podle Y od 0 do výšky hladiny H dostaneme vztah pro výslednou sílu působící na těleso hráze:

F = ∫dF = ρ . g . L . ∫0H Y . dy = ρ . g . L . [ Y2/2 ]0H = ρ . g . L . H2 / 2

Pokud bychom chtěli vyjádřit vztah pro výslednou sílu působící na hráz tvaru obráceného rovnoramenného lichoběžníku s délkou spodní hrany L1 [m] a délkou horní hrany L2 [m], postup by byl analogický.

Jediný rozdíl spočívá v měnící se délce L po výšce hráze podle vztahu:

L = L2 – (L2 – L1) . Y / H

Integrováním elementární síly dF pak dostaneme výsledný vztah pro výpočet síly působící na těleso lichoběžníkové hráze:

F = ρ . g . H2 . (L1 + L2 / 2) / 3