Malé vodní elektrárny

Využívání vodní energie se táhne až do období starověku, vodní kola se využívala již ve starověkém Řecku.

V současnosti patří vodní elektrárny mezi obnovitelné zdroje energie a hrají významnou roli při snižování emisí CO₂, neboť neznečišťují ovzduší jako zařízení spalující fosilní paliva. Přesto však mají celou řadu negativních účinků na ekosystémy řek a jezer a tím i na druhy rostlin a živočichů na ně vázané, ovlivňují průtok vody v řekách, stanoviště ryb a vodních organismů.

Vodní energetika v EU

Evropské řeky jsou důležitou součástí našeho bohatého přírodního dědictví. Existence značného počtu původních druhů rostlin a živočichů závisí na říčních a jezerních ekosystémech. Zároveň jsou řeky v Evropě významným zdrojem z hlediska hospodářství i společenské prosperity. V posledních desetiletích však prošly mnoha zásadními změnami. Tyto cenné zdroje jsou vystaveny obrovským tlakům následkem jejich intenzivního využívání, spojeného zejména s výstavbou, protipovodňovou ochranou, vnitrozemskou plavbou a zemědělskými melioracemi, a dochází tak k jejich degradaci a zhoršování ekologických podmínek. Vodní elektrárny (VE) patří mezi zařízení, která ovlivňují vodní režim řek, přírodní procesy i vodní společenstva.

Dle zprávy Evropské komise bylo v roce 2011 v EU registrováno kolem 23 000 vodních elektráren. Naprostá většina z nich (91 %) patří mezi malé vodní elektrárny (s výkonem menším než 10 MWh), které vyrábějí kolem 13 % celkového množství elektřiny produkované vodními zdroji. Naproti tomu velké vodní elektrárny představují pouze 9 % z celkového počtu, vyrábějí však kolem 87 % celkového množství energie produkované vodními zdroji.

Typy vodních elektráren v ČR

Podle instalovaného výkonu

• malé – do 10 MW
• střední – do 100 MW
• velké – nad 100 MW

Podle využívaného spádu

• nízkotlaké – spád do 20 m
• středotlaké – spád od 20 do 100 m
• vysokotlaké – spád nad 100 m

Podle využití vodního toku

• průtočné VE – využívají přirozeného průtoku řeky, který nelze ovlivňovat. Při překročení průtoku, na který je elektrárna dimenzována, je přebytečné množství vody odvedeno bez využití. Dělí se dále na jezové (využívají jezu pro vzedmutí vody a soustředění spádu) a derivační (využívají derivačního přivaděče, který odvádí vodu z koryta řeky k turbíně elektrárny za účelem zvýšení spádu, následně je voda odpadním kanálem vrácena zpět do řečiště)
• akumulační VE – akumulace vody a spád je zajištěn přehrazením řeky přehradní hrází. Přehradní VE bývají umístěny ihned pod přehradou, přehradní derivační VE jsou spojeny s přehradou tlakovým převaděčem. Tento typ elektráren využívá řízeného odběru vody z akumulační nádrže.
• přečerpávací VE – využívají dvou různě výškově položených vodních nádrží a akumulují energii v podobě potenciální energie vody

 

Vodní elektrárny v ČR

V ČR je v provozu 9 velkých vodních elektráren s celkovým instalovaným výkonem 753 MW a 1605 malých vodních elektráren (MVE) s celkovým instalovaným výkonem 348 MW. Mezi MVE se řadí elektrárny s instalovaným výkonem do 10 MW. V ČR se nachází 65 MVE s instalovaným výkonem 1–10 MW s celkovým instalovaným výkonem 184 MW (55 % produkce všech MVE). Kromě klasických VE jsou v ČR provozovány 3 přečerpávací VE s celkovým instalovaným výkonem 1175 MW. Podíl VE na hrubé výrobě elektřiny v ČR je 2,31 % (v rámci obnovitelných zdrojů 19,98 %). (údaje z roku 2019)

Počet MVE se za posledních 15 let zvýšil zhruba o 1000.

Negativní účinky vodních elektráren na říční ekosystémy

Typy účinků, které mohou mít vodní elektrárny na druhy a stanoviště, se silně liší v závislosti na individuální charakteristice jednotlivých řek a jejich fyzickém a ekologickém stavu. Tyto účinky se mohou projevovat v jakékoliv fázi existence vodní elektrárny. Jejich důsledkem může být ztráta, degradace a fragmentace přírodních stanovišť a populací druhů, jejichž existence je na těchto stanovištích závislá.

Hydroenergetická zařízení mohou mít na stanoviště a druhy následující účinky:

• změny říční morfologie a poříčních stanovišť
• překážky migraci a šíření chráněných druhů
• narušení dynamiky transportu sedimentů
• změny v režimu ekologických průtoků
• změny v průtokovém režimu u špičkujících elektráren
• změny v sezónních povodňových cyklech
• chemické a teplotní změny vod
• zraňování a usmrcování živočichů
• vypuzení a vyrušování živočichů
• dopady na suchozemské druhy a stanoviště

Malé vodní elektrárny v ČR

Česká republika se rozkládá na evropském rozvodí tří moří. Velké řeky u nás většinou pramení, a proto je značná část vodní energie na našem území rozptýlena v malých tocích. Z toho plyne, že poměrně značná část technicky využitelného hydroenergetického potenciálu je na našem území získatelná v malých vodních elektrárnách.

MVE představují významný zásah do hydrologického režimu každého toku a v naprosté většině případů představují silný negativní vliv na rybí osídlení v části toku. Právě odběr vody do MVE je spojen s vybudováním stupně, který je nežádoucí migrační bariérou a výrazně mění i charakter toku nad překážkou (jezové vzdutí, přehradní jezero). Komplex MVE je tvořen vlastním objektem se strojním zařízením k výrobě elektrické energie (s využitím turbín různého druhu).

Z hlediska umístění MVE ve vztahu ke stupni, který zajišťuje odběr vody a vzdutí, rozlišujeme dva typy:

• MVE příjezová  – obvykle umístěna ve břehu na úrovni vzdouvacího stupně (Obr. 14a–b),
• MVE derivační –  je spojena s různě dlouhým tzv. derivačním náhonem či kanálem (Obr. 15).

 

^{Obr. 14a – příjezová MVE (autor: Mgr. Radka Jakoubková)}

^{Obr. 14b – Příjezová MVE (fotoarchiv AOPK ČR)}

^{Obr. 15 – derivační MVE (fotoarchiv AOPK ČR)}

 

MVE vystrojená vysokofrekvenční turbínou představuje rizikový prvek pro migrující ryby. Pokud nejsou součástí MVE žádná ochranná či navigační opatření, která by migrující jedince nasměrovala mimo strojovnu MVE, zpravidla dojde k jejich poškození, případně úmrtí způsobené lopatkami turbíny.

Typy turbín

Pracovním prvkem turbín je oběžné kolo, ve kterém je u rovnotlaké turbíny využívána kinetická energie, v případě přetlakové turbíny z části i tlaková energie vody.

Rozdělení turbín z hlediska způsobu přenosu energie

• rovnotlaké – tlak vody se při průchodu vody nemění a využívána je tedy pouze kinetická energie vody. Tyto turbíny jsou označovány také jako akční turbíny.
• přetlakové – tlak vody je před oběžným kolem větší než za ním, takže je částečně využita i tlaková energie vody. Přetlakové turbíny jsou označovány jako reakční.

Rozdělení turbín z hlediska polohy hřídele

• horizontální
• vertikální
• šikmé

Nejčastější typy vodních turbín

Francisova turbína – nejdéle používaný typ moderní turbíny. Využívá se pro velké průtoky a spády a může být využita i jako čerpadlová turbína v přečerpávacích elektrárnách. Řadí se mezi přetlakové turbíny.

Kaplanova turbína – přetlaková axiální turbína, která vznikla vylepšením vrtulové turbíny profesora Kaplana. Konstrukčně je složitější než Francisova. Lopatky oběžného kola je možné regulovat hydraulicky, případně mechanicky u menších turbín, a díky tomu dosahuje vysoké účinnosti v širokém pásmu průtoků.

Peltonova turbína – rovnotlaká turbína, která využívá tzv. dýzy (mechanické omezení průtoků a zvýšení průtokové rychlosti), ve které se tlaková energie vody mění na kinetickou energii paprsku vstřikovaného na lopatky turbíny. Regulace je zajištěna změnou výtokového otvoru dýzy. Lopatky jsou korečkového typu a jsou umístěny po obvodu turbíny. Díky svému tvaru je vhodná pro velké spády.

Bánkiho turbína – rovnotlaká turbína využívaná pro malé a střední spády. Voda u této turbíny prochází přes lopatky dvakrát, při vstupu do oběžného kola a následně při jeho opuštění.

 

Některé další typy turbín

Turbína typu CINK – dvoukomorová průtoková radiální turbína. Jedná se o mírně přetlakovou turbínu s tangenciálním ostřikem lopatek oběžného kola a s horizontální osou. Patří mezi pomaloběžné turbíny. Proud vody prochází nátokovým potrubím přes regulační klapky a nakonec se dostává na oběžné kolo turbíny. Po průchodu oběžným kolem vystupuje voda na jeho opačné straně a zvyšuje tak celkovou účinnost turbíny. Ze skříně turbíny voda odtéká buď volně, nebo savkou do vývaru pod turbínou.

Turbíny vodních elektráren a ryby

Ryby, které migrují po proudu a kterým není zabráněn vstup do strojovny MVE na turbínu, mohou být poškozeny mechanicky seknutím lopatkami turbíny a dále zvýšeným tlakem, kdy dojde k poškození plynového měchýře a krevního systému. Ryby nemusejí uhynout okamžitě, poškození a zranění se často projeví až v delším časovém odstupu.

Některé ryby upřednostňují cestu přes turbíny před využitím rybích přechodů. Při posuzování vlivu turbíny na ryby záleží na mnoha okolnostech. Zatímco například u ryb menší velikosti (např. strdlice lososa obecného Salmo salar) nemusí docházet k výraznému zvýšení mortality, u jiných druhů (např. dospělci úhoře říčního Anguilla anguilla) může mít průchod turbínami fatální následky. Celková mortalita bude výrazně závislá na velikosti, typu, sklonu a počtu otáček turbíny a na tom, zda turbína je nebo není v provozu.

Ke zvýšené mortalitě způsobené turbínami může docházet třemi různými mechanismy:

• změnou tlaku
• mechanickým poškozením lopatkami turbíny
• zvýšením rychlosti vody v blízkosti turbín

Změna tlaku se může projevit jako jeho zvýšení nebo pokles. Mortalita způsobená zvýšením tlaku je velmi nízká. Ryba, která je do turbíny vtažena z větší hloubky, bude na vyšší tlak adaptována lépe než ryba z povrchu hladiny. Obecně jsou ryby citlivější na pokles tlaku. Právě tento mechanismus je hlavní příčinou mortality způsobené změnou tlaku, jelikož může dojít k poškození plynového měchýře ryby v důsledku jeho rychlého snížení.

Mechanické poškození lopatkami turbíny se bude zvyšovat se vzrůstající délkou těla ryby, počtem lopatek, počtem otáček za minutu a snižujícím se průtokem.

Zvýšení rychlosti vody v blízkosti turbín je mechanismem, který sice při experimentálních podmínkách nevykazuje výrazné zvýšení mortality, přesto by však neměl být zcela opomíjen.

Nejvíce náchylní k poškození turbínami jsou díky podlouhlému tvaru těla úhoři. Dle nejrůznějších zahraničních pozorování a studií se mortalita úhořů způsobená při průchodu přes turbíny elektráren pohybuje cca od 15 do 75 %, přičemž jsou zahrnuta přímá úmrtí i pozdější uhynutí na následky zranění K uhynutí dochází i u dalších druhů ryb, např. lososů a jiných. Obecně platí, že mortalita a poškození ryb turbínami se zvyšuje s narůstající velikostí ryb. Záleží na typu turbíny a dalších okolnostech. Jako nejnebezpečnější se jeví turbína typu CINK. Dalším typem turbíny je Kaplanova turbína, která vykazuje variabilitu v mortalitě procházejících úhořů v závislosti na velikosti. Nejnižší mortalita nastává při průchodu Francisovou turbínou, i když záleží na rychlosti rotace turbíny a dalších okolnostech.