Vodná energia

Vodná energia, ako aj väčšina ďalších OZE vzniká v dôsledku slnečnej aktivity, ktorá napomáha odparovaniu z morí, oceánov a vodných plôch, následne tvorbe vodnej pary, oblakov a nakoniec spätnému návratu na zemský povrch vo forme zrážok, čím sa vytvára uzavretý kolobeh vody (vodný cyklus). Energiu, ktorú nám voda takto ponúka, je potom možné využiť na výrobu elektrickej energie vo vodných elektrárňach. Jednoznačnou výhodou týchto zdrojov je ich flexibilita a taktiež skutočnosť, že pri výrobe elektriny neprodukujú škodlivé emisie (vrátane skleníkových plynov). pri veľkých vodných elektrárňach a vodných dielach sa však preukázali aj ich negatívne dopady na životné prostredie a lokálne ekosystémy.

Z tohto pohľadu sa za environmentálne prijateľné zdroje pokladajú vodné elektrárne s menším inštalovaným výkonom, tzv. malé vodné elektrárne (MVE). Ich klasifikácia je v súčasnosti nejednotná a tak sa za MVE v Indii a Číne považujú elektrárne s výkonom do 25 MW, v Latinskej Amerike s výkonom dokonca do 30 MW, naopak Európska únia stanovila hranicu 10 MW, ale jednotlivé členské štáty majú túto hranicu položenú ešte nižšie – Nemecko 5 MW a Taliansko dokonca iba 3 MW. Zároveň by tieto zdroje mali spĺňať určité kritériá – z hľadiska umiestnenia by malo do istej miery ísť o decentralizované zdroje, často umiestňované do opustených resp. odľahlých oblastí, ich výhodou by mala byť ľahká regulovateľnosť, vo väčšine prípadov by mali byť lokálne vlastnené a uspokujúce najmä lokálny dopyt po energii, prednosťou by malo byť aj individuálne technické riešenie a čo najmenší dopad na životné prostredie.

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 sklonitosťou 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 potom platí nasledujúci vzorec:

P = ρ x g x Q x H

Pričom

• ρ ..... je hustota vody (konšt. 1 000 kg/m3)
• g ..... je gravitačná konštanta = 9,81 m/s2
• Q .... je prietok (m3/s)
• H .... je výška spádu (m)

resp. P (W) = ρ (1 000 kg/m3) x Q (m3/s) x [g (9,81 m/s2) x Σ (účinnosť)] x H (m) [g (9,81 m/s2) x Σ (účinnosť)] pri hydroelektrických zariadeniach = ~ 8,0 (7,8).

Potom výkon P (kW) = Q (m3/s) x 8,0 (7,8) x H (m)

Pre výpočet získanej energie platí následne vzťah: E = t1 / t2 ∫P x dt , pričom t ...... je čas (s)

Pre ročne vyrobené množstvo elektriny jednou vodnou elektrárňou potom približne platí: E (kWh) = P (kW) x 4 500 (h)

V prípade samotných vodných elektrární ide o premenu kinetickej, tlakovej a potenciálnej energie vody (ako výsledku hydrologického cyklu) na energiu mechanickú a následne elektrickú. Vodné elektrárne patria medzi zdroje s najväčšou účinnosťou premeny energie, účinnosť turbín dosahuje až 96%. Súvisí to najmä s jednoduchšou premenou kinetickej, tlakovej a potenciálnej energie padajúcej vody na energiu mechanickú, poháňajúcu generátor. Väčšina vodných diel pozostáva z týchto základných častí (samozrejme modifikovaných vzhľadom na konkrétnu lokalitu a potreby): priehrada s vytvoreným koridorom pre migrujúce ryby a iné vodné organizmy, regulujúca prítok a vyrovnávajúca potrebný spád vody, alternatívne prívodný kanál resp. potrubie, ktorým sa privádza voda z vodného toku k turbíne; turbína otáčajúca sa v dôsledku dopadu a tlaku vody na jej lopatky; generátor vyrábajúci elektrickú energiu, transformátor príp. menič napätia a odvodný kanál, odvádzajúci vodu späť do prirodzeného koryta.

Pri výbere najvhodnejšej turbíny je dôležité zamerať sa na účinnosť, odolnosť voči erózii v prípade väčších nánosov piesku a bahna, prevádzkovú rýchlosť a flexibilitu zariadenia, dlhú životnosť a jednoduchú a ľahkú udržbu. V súčasnosti využívané turbíny je možné rozdeliť podľa spôsobu využitia do dvoch skupín:

• rovnotlaké (Bankiho a Peltonova), využívajúce kinetickú energiu prúdenia vody (rýchlosť závisí od spádu toku)
• pretlakové (Kaplanova, Francisova), využívajúce tlakovú energiu

Celkovo možno povedať, že Kaplanova turbína je vhodná pre nízke spády a vysoké prietoky, má lepšiu účinnosť v širokom výkonovom rozsahu a vyššiu rýchlosť otáčania lopatiek. Francisova turbína je vhodná pre stredné spády a stredné prietoky, turbína a generátor sú lacnejšie než v prípade Peltonovej turbíny, výhodou je tiež vyššia prevádzková rýchlosť v porovnaní s Peltonovou turbínou. Peltonova turbína je vhodná pre vysoké spády a malé prietoky, má v provnaní s Francisovou turbínou lepšiu účinnosť, ľahko sa obsluhuje.

Z ekonomického hľadiska sú pre MVE charakteristické vysoké investičné a nízke prevádzkové náklady. Aj v prípade MVE platí „economy of scale“, investičné náklady teda klesajú so zväčšujúcim sa inštalovaným výkonom. Samozrejme závisia od mnohých lokálnych špecifík (výber lokality, hydrologické pomery, topografia atď.). Ekonomickou bariérou by mohla byť aj dlhšia doba návratnosti finančných prostriedkov (15 – 25 rokov), ktorá je ale vyvážená vysokou životnosťou elektrárne (často až nad 60 – 70 rokov).

Potenciál vodnej energie na celom svete bol odhadnutý na 4,6 x 1013 kWh. Čo sa týka doterajšieho využívania tohto potenciálu na výrobu elektrickej energie, je pravdou, že vo výraznej väčšine išlo o budovanie veľkých kapacít s už spomínaným častým nepriaznivým dopadom na životné prostredie. Taktiež prístup k jeho využívaniu bol doteraz značne rozdielny. Napr. Nórsko pokrýva z vodných zdrojov celú svoju spotrebu elektriny, v susednom Švédsku je výstavba veľkých vodných elektrární zakázaná, z dôvodu možných nepriaznivých dopadov na životné prostredie. Medzi európskych lídrov v sektore vodnej energetiky (z pohľadu MVE) patria Taliansko, Francúzsko, Španielsko, Rakúsko a Švédsko. Z nových členských krajín EÚ bol v posledných rokoch najväčší rozvoj zaznamenaný v Českej republike, Poľsku a Slovinsku.

Na Slovensku bolo v malých vodných elektrárňach v roku 2005 vyrobených 250 GWh elektrickej energie. Kumulovaný inštalovaný výkon v roku 2006 predstavoval na Slovensku 63 MW. Podľa oficiálnych štúdií a strategických dokumentov („Stratégia vyššieho využitia obnoviteľných zdrojov energie” resp. návrh „Stratégie energetickej bezpečnosti SR do roku 2030“), by malo byť, pri zohľadnení všetkých environmentálnych rizik, vyrobených v malých vodných elektrárňach na Slovensku v roku 2010 350 (resp. 100) GWh a v roku 2015 celkovo 450 GWh elektrickej energie.