Vodní elektrárny zblízka II
Přehradní nádrž
Nádrž vodního díla je umělý prostor pro akumulaci vody, který vznikl činností člověka, nejčastěji přehrazením řeky nebo potoka hrází v příhodném místě. Největší nádrže se staví pro energetické účely, nezanedbatelná je ale i jejich funkce závlahová, dopravní, hospodářská, či rekreační. Jsou zdrojem pitné vody pro vodárny nebo technologické vody pro průmysl. Díky své retenční schopnosti poskytují vodní nádrže ještě účinnou ochranu před povodní. Často jde u nádrží o kombinaci dvou i více uvedených funkcí.
Vodní energetické dílo, kdy je přehrazen vodní tok se nazývá přehrada a ta je tvořena přehradní hrází a přehradní nádrží. Objem přehradní nádrže závisí na typu elektrárny, kterou přehrada zásobuje. Pro průtočné vodní elektrárny (říční) se staví menší přehrady, přičemž je průtok nad hrází stejný jako odtok z vodní elektrárny. Maximální hltnost turbín je stejná jako původní průměrný průtok v korytu řeky. Zvýšené průtoky jsou bez užitku přepouštěny dál. Hráz tvoří jen minimální spád pro práci turbín a zabezpečuje malé vyrovnání kolísání průtoku.
U akumulačních elektráren se staví větší hráze, které zadrží větší objem vody v přehradní nádrži. Vztaženo k instalovanému výkonu patří akumulační elektrárny k plošně největším energetickým zdrojům. Hltnost turbín převyšuje průměrný průtok, proto akumulační elektrárny pracují v cyklech, kdy se pravidelně střídají fáze výroby špičkové elektrické energie a akumulace vody. Toto cyklování způsobuje značné kolísání hladiny v přehradní nádrži.
Se specifickým příkladem využívání přehradní nádrže pracuje přečerpávací vodní elektrárna. Ta má nádrže dvě – dolní a horní a ve fázi výroby elektrické energie proudí voda z horní nádrže přes turbíny do dolní nádrže. Horní nádrž je většinou bezpřítoková, uměle vybudovaná na blízkém vyvýšeném místě. Akumulaci vody zabezpečuje ta samá elektrárna, pracující v čerpadlovém režimu (čerpající vodu z dolní do horní nádrže). Výhodnost takového přečerpávání spočívá ve využití levné elektřiny v době jejího přebytku v přenosové soustavě k čerpání a výrobu drahé špičkové elektřiny v čase nedostatku.
Přehradní nádrž zadržuje určitý objem vody. Vertikálně se dá prostor nádrže rozdělit na tři základní vrstvy podle účelu užití. První vrstva ode dna až do minimální hladiny v nádrži tvoří prostor stálého naplnění. Voda by v něm měla být vždy (s výjimkou vypuštění nádrže). Druhá vrstva tvoří zásobní prostor nádrže – prostor od minimální do maximální hladiny slouží k akumulaci sezónní vody, která se později využívá k energetickým nebo jiným účelům. V akumulačních elektrárnách dochází k plnění zásobního prostoru nádrže při odstavených turbínách.
Třetí vrstvou, většinou bez vody, je ochranný prostor vodní nádrže sloužící k zadržení povodňových průtoků. Při plnění je tento prostor až do dosažení přelivné hrany částečně ovladatelný, při dalším stoupnutí hladiny se voda neovladatelně valí přes přelivy hráze. V závislosti na předpovědi srážek může obsluha hladinu přehradní nádrže preventivně snížit, aby později nedošlo k naplnění přehrady a přetečení vody přes přelivy.
Při napouštění velkých přehradních nádrží zpravidla dochází k zatopení značné části krajiny. V některých případech je nutné přesídlení celých vesnic a měst, ležících v zátopové oblasti. V ojedinělých případech se přemisťují i cenné historické artefakty, jako tomu bylo při výstavbě Velké asuánské přehrady na Nilu v Egyptě, kdy byly přesunuty dva chrámy Abú Simbel na nové místo o 65 metrů výše.
Přehradní nádrž tvoří dominantu v krajině a svým rozsahem má určitý dopad na životní prostředí. Kromě zaplavení různých vzácných biotopů, vyhnání fauny z původních lokalit, usazování sedimentů, způsobují zaplavené organické materiály v nádrži zvýšenou tvorbu skleníkových plynů, především metanu a oxidu uhličitého. Výzkumy ukazují, že zvýšený dopad na globální oteplování mají nádrže v první dekádě své existence, celkově je ale vliv hydroelektráren na životní prostředí mnohokrát menší než mají tepelné elektrárny srovnatelné výkonové úrovně.
Velké vodní plochy v krajině mají vliv i na lokální mikroklima tím, že zvyšují vlhkost vzduchu a snižují extrémní teploty především v suchých oblastech. Tyto faktory jsou vnímány spíše pozitivně, australští vinaři například tvrdí, že přítomnost vodních ploch zlepšuje kvalitu vína.
V Čechách jsou významné přehradní nádrže hlavně na větších tocích, jako je Vltava, Labe, Ohře nebo Dyje. Největší objem (720 mil. m3) má přehradní nádrž vodního díla Orlík, největší plochu (48 km2) má nádrž přehrady Lipno I. Nejhlubší (85 m) je nádrž přečerpávací elektrárny Dalešice.
Ve světě je nejobjemnější nádrží Kariba na řece Zambezi, která pojme přibližně 180 km3 vody, nádrž s největší plochou (8 482 km2) leží na řece Volta v Ghaně.
Přivaděcí a odtokové potrubí
Přiváděcí a odtokové potrubí tvoří spojovací články mezi zásobárnou vody s využitelnou potenciální energií, vodní turbínou a místem opětovného napojení na původní koryto nebo spodní nádrží vodního díla. Pokud je turbína instalována přímo v tělese hráze jsou přivaděče i odvodní potrubí krátké, při umístění turbíny mimo hráz může být délka těchto potrubí nebo kanálů i několik stovek metrů, v případě derivačních elektráren i několik kilometrů.
Přivaděče
Přivaděče přivádí vodu z nádrží do míst, kde jsou instalovány vodní turbíny. Podle tlakových poměrů se přivaděče dělí na beztlakové a tlakové.
Beztlakové přivaděče představují otevřené kanály, náhony a žlaby s volnou hladinou a případným zakrytím. Budují se převážně ve volném terénu výkopem a utěsněním stěn proti průsakům. Jsou dimenzovány na maximální průtok turbínou a optimalizují se z hlediska nákladů na stavbu i z hlediska minimalizace hydraulických ztrát. Trasa přivaděče se proto navrhuje co nejkratší a s minimem ohybů a zúžení. Beztlakové přivaděče se nejčastěji používají u derivačních a u malých vodních elektráren.
Tlakové přivaděče tvoří ocelové, litinové nebo železobetonové potrubí spojující zdroj vody s vodní turbínou. Od vtokového objektu v nádrži až po lopatky turbíny transportovaná voda nepřichází do styku s atmosférou a postupně zvyšuje svůj tlak. Průměry potrubí jsou poměrně velké, u výkonnějších vodních elektráren je často použito vícenásobné vedení potrubí. Specifickým případem přivaděčů jsou tlakové přivaděče přečerpávacích elektráren spojující elektrárnu v údolí s horní nádrží na vyvýšeném místě. Tyto přivaděče pracují obojsměrně, kromě přivedení vody na turbínu slouží i jako výtlačné potrubí čerpadel při plnění horní nádrže.
U některých elektráren se kombinují tlakové a beztlakové přivaděče s cílem maximálního využití spádu při minimálních nákladech na výstavbu přivaděče.
Odtokové potrubí
Voda po průchodu turbínou musí být vrácena zpět do koryta řeky, případně na úroveň spodní nádrže pod elektrárnou. U rovnotlakých akčních turbín voda padá pod oběžné kolo a do spodní nádrže je odváděna prostým odpadním potrubím. U reakčních přetlakových turbín se potrubí spojující vyústění turbíny a hladinu spodní nádrže (spodní vodu) říká sací roura neboli savka. Její hlavní úlohou je vytvoření podtlaku za oběžným kolem turbíny pomocí uzavřeného sloupce vody a tím zvýšit využitelnost spádu. Turbína totiž dokáže zpracovat nejen přetlak od hladiny v horní nádrži k lopatkám oběžného kola, ale i podtlak vzniklý v savce. Pokud se savka ještě navíc směrem od turbíny rozšiřuje, působí na vodu proudící z výstupu turbíny dynamické a setrvačné síly, které zvyšují podtlak za oběžným kolem. Jinými slovy – rozšiřující se savka jakoby imaginárně posouvá spodní hladinu níž (zvětšuje podtlak), čímž zvyšuje využitelnost energie vody.
Pomocná zařízení
Vtokové objekty zajišťují odvedení potřebného množství vody do přivaděče vodní elektrárny. Zároveň musí zajistit zadržení plavenin a splavenin, které by mohly po vniknutí do přivaděče poškodit turbínu nebo svou přítomností v potrubí změnit charakter proudění kolem nich, co by se odrazilo na viditelném snížení výkonu vodního zdroje. Stejně jako větší objekty jsou nežádoucí i malé pevné částice, které mohou způsobovat erozi lopatek turbíny, nebo vzduch.
Pro beztlakové přivaděče je voda odebírána pomocí beztlakových vtokových objektů s volnou hladinou. Tyto vtoky jsou většinou obdélníkového průřezu. Obsahují česle ve formě svislé mřížoviny zabraňující vnikání plovoucích předmětů do vodního kanálu nebo náhonu, zařízení na regulaci průtoku vody do přivaděče a vtokový práh s usazovacím prostorem ve dně zachycující splaveniny sunuté proudem po dně. Instalace beztlakového vtokového objektu by měla být provedena s ohledem na minimalizaci tlakových ztrát při proudění vodní masy.
Tlakové vtokové objekty se budují na tlakových přivaděčích. Vtokové otvory jsou trvale ponořeny pod minimální provozní hladinu a mají zaoblenou vtokovou hranu. Před mechanickými nečistotami chrání vtoky přivaděčů česle, před usazeninami prahy s proplachem.
Nedílnou součástí všech přivaděčů i odvodních potrubí bývají vodní uzávěry, zabraňující nebo omezující průtok vody kanálem a potrubím. Nejjednodušším uzávěrem je stavidlo – pevná deska vedená ručně nebo pomocí zdvíhacího mechanizmu v postranních drážkách. Dalšími typy uzávěrů jsou různé jezové klapky, potrubní klapkové a kulové uzávěry a nožová šoupátka.
Před turbínou a na výstupu z elektrárny se obvykle nachází systém vtokových a výtokových hradidel, umožňujících úplné zahrazení vtoku a sací roury z důvodu revizí, oprav nebo havárie turbíny.
