Přečerpávací vodní elektrárna

Přečerpávací elektrárna Koepchenwerk

Přečerpávací elektrárna Dlouhé stráně – horní nádrž

Dlouhé stráně – nejvyšší patro podzemní kaverny s turbínami

Přečerpávací vodní elektrárna, zkráceně PVE, je typ vodní elektrárny, která ukládá energii v podobě potenciální energie zásoby vody. Jejich úkolem je udržování stability elektroenergetické přenosové soustavy daného státu. To znamená spotřebovávání elektrické energie v době jejího přebytku v síti a výroby v době nedostatku nebo v době energetické špičky.

Většinou mají dvě vodní nádrže, každou v jiné nadmořské výšce. Při přebytku elektrické energie v síti přechází elektrárna do čerpadlového režimu a čerpá vodu do vyšších nádrží. Před rozvojem OZE byl přebytek elektrické energie téměř výhradně v noci. V současnosti čerpají elektrárny energii do vyšší nádrže několikrát denně. Energie je nashromážděná v podobě potenciální energie vody ve vyšší nadmořské výšce. V době energetické špičky nebo nedostatku energii v síti využívá elektrárna kinetickou energii padající vody k výrobě elektrické energie a pracuje v tzv. turbínovém režimu. Přečerpávací vodní elektrárny jsou zatím jediným nástrojem, jak uchovat větší množství přebytečné elektrické energie na delší dobu.

V přímořských a ostrovních státech je možné na vhodných místech stavět i přečerpávací mořské elektrárny. Ty vzniknou postavením umělé horní nádrže nad hladinou moře. Voda se přečerpává z nebo do umělé horní nádrže. Taková elektrárna je např. přečerpávací elektrárna Okinawa Yanbaru na japonském ostrově Okinawa, jejíž umělá nádrž se nachází 150 metrů nad hladinou moře. V současnosti je to jediná PVE tohoto druhu, je ale plánována stavba podobných elektráren na Havajských ostrovech (USA) a v Irsku.^[zdroj?]

Vodní elektrárny obecně jsou jednoduché na obsluhu a na rozdíl od ostatních způsobů akumulace elektrické energie mají životnost až 100 let. Srbská státní elektrárenská společnost EPS revitalizovala staré vodní elektrárny Vučje a Jelašnica za přibližně tři miliony eur a prodloužila jejich životnost na 130 let.

Nevýhodou přečerpávacích vodních elektráren je náročnost stavby a možnost umístění jen ve vhodných terénních podmínkách. V některých případech mohou být efektivnější elektrické akumulátory energie.

Souvislost s rozvojem větrných a solárních elektráren

Potřeba okamžité regulace výroby energie se zvýšila zejména po znásobení (nepredikovatelné) aktuální výroby větrných a solárních elektráren v Česku, ale zejména v Německu a Rakousku po roce 2010. Náhlou velkou nebo naopak malou výrobou elektrické energie se zvýšila nestabilita elektroenergetické přenosové soustavy v celém regionu střední Evropy s rizikem blackoutu, a to zejména proto, že elektroenergetická síť je přirozeně propojena na téměř celém území Evropy. Společnost Wien Energie, dodavatel elektrické energie pro přibližně čtvrtinu obyvatel a firem Rakouska, musela před rokem 2010 pro stabilizaci sítě akutně zasahovat (nárůstem nebo snížením výroby) pro odvrácení výpadku sítě zhruba 15 krát za rok, v roce 2021 to bylo 240 krát. Rakousko i Německo proto postavily desítky přečerpávacích vodních elektráren pro stabilizaci elektrické sítě při vysokém podílu energie z OZE.

Historie energetického přečerpávání vody

První přečerpávací vodní elektrárna Černé jezero (v provozu od 1930). Další přečerpávací elektrárny u nás jsou vodní elektrárna Dalešice (480 MW), vodní elektrárna Štěchovice (45 MW, zprovozněna 1947) a Dlouhé stráně (650 MW). PVE Dlouhé stráně je nejmladší, byla dostavena roku 1996.

Ve světě se dnes nachází stovky přečerpávacích vodních elektráren. Jen v Německu je cca 35 PVE. Přečerpávacích vodních elektráren s výkonem nad 1000 MW se na světě nachází přibližně 61.^[zdroj?]

Princip

Přečerpávací vodní elektrárna má zpravidla dvě vodní nádrže, výhodou je když je vybudována na řece a dvě nádrže odděluje pouze přehradní hráz. V tom případě má velmi široký regulační prostor. Obecně je ale jedna z nádrží umístěna na níže položeném místě , druhá pak na vyšším místě (horní nádrž). Obě nádrže jsou spojeny spádovým potrubím o velkém průměru. Při přebytku elektrické energie se využívá přebytečná energie z elektroenergetické sítě a voda se přečerpává z dolní nádrže do horní (elektrárna se v tomto režimu chová jako velký spotřebič elektrické energie). V horní nádrži se tak vytvoří zásoba vody s vysokou potenciální energií. Když vznikne v síti potřeba většího množství špičkové energie, je voda řízeně vypouštěna z horní nádrže do nádrže spodní přes turbínu vodní elektrárny a elektrická energie se vrací zpět do elektroenergetické přenosové soustavy.

Vodní turbíny mají několik možných konstrukcí. V přečerpávacích elektrárnách se často užívá Francisova turbína (pro spád 50 - 800 metrů). Výhodou je, když je reverzní, v tom případě lze pro turbínový i čerpadlový režim využívat jednu turbínu. Pro spády až 2 000 metrů lze využívat Peltonovu turbínu.

Funkce

Části PVE jsou horní nádrž, dolní nádrž, mezi nimi vede tlakovými ocelovými přivaděči a strojovnou. V tlakových přivaděčích jsou vybudovány vyrovnávací komory, které mají tlumit hydraulické rázy vznikající při manipulaci s vodním sloupcem.

U nádrží záleží na tom, zdali se jedná o přečerpávací vodní elektrárnu s čistě umělou akumulací vody nebo se smíšenou akumulací vody. Pokud má elektrárna čistě umělou akumulaci vody, tak je horní nádrž uměle vytvořena bez přirozeného přítoku vody (např. PVE Dlouhé stráně). Tyto elektrárny mají uzavřený koloběh vody. Voda se tudíž do horní nádrže čerpá pouze ze spodní nádrže, ta má být vždy postavena na vodním toku. Ztráty vody z důsledku odpařování či prosaku se nahrazují přirozeným přítokem do spodní nádrže. Horní umělá nádrž má většinou nepravidelný tvar přizpůsobený terénu. K vytvoření umělé hráze se většinou používají sypané hráze, výjimečně i betonové obvodové přehrady. Protože je dno a svahy horní nádrže nutné utěsnit, používá se k těsnění asfaltový beton, beton či plastové fólie. Pod těsněním se staví pečlivá drenáž. A to z důvodu, že voda, která se může dostat pod těsnění při jeho poškození, by mohla při rychlém poklesu hladiny během turbínového provozu poškodit těsnění přetlakem. Bezpečnostní nehrazený přeliv slouží jako ochrana proti přelití obvodové hráze. Horní nádrž se výškově umísťuje tak, aby byl objem jejich hrází odpovídající objemu výkopu a výlomu pro nádrž. Takové řešení stavby je ekonomicky nejvýhodnější. PVE s čistě umělou akumulací vody pracují s velkým spádem a tudíž je při jejich stavbě využita morfologie terénu (dolní nádrž umístěna v údolí, horní nádrž postavena na kopci).

PVE se smíšenou akumulací (smíšenou primární a sekundární akumulací) vody je postavena tak, že horní nádrž je tvořena přehradní hrází v korytě řeky. Jedná se tedy o přehradu. Horní nádrž má tedy přirozený přítok vody (primární přirozenou akumulaci). Dolní nádrž bývá současně vyrovnávací nádrží, je v ní malá průtočná elektrárna (např. PVE Dalešice). Další možností technického řešení PVE se smíšeným přítokem je ta, kdy horní nádrž a spodní nádrž se nachází každá v jiné řece (např. PVE Dobšiná).

Tlakové přivaděče mezi horní a dolní nádrží je obvykle tvoří tlakové ocelové potrubí. V případě umělých horních nádrží, kdy jsou od sebe obě nádrže vzhledem k terénu a reliéfu vzdáleny celkem daleko, je délka potrubí výrazně delší oproti druhému typu PVE. V případě, kdy je PVE se smíšenou akumulací vody, je tedy umístěna na toku řeky, tak potrubí prochází pouze přehradou a má tedy minimální délku.

Strojovna PVE bývá postavena pod zemí v klimatizované kaverně nebo je postavena nad zemí. V ní je umístěno čtyřstrojové uspořádání, které se používá při čerpání vody na velké dopravní výšky, a to je tvořeno turbínou, generátorem, motorem a čerpadlem. Další možností je třístrojové uspořádání, které je tvořeno turbínou (obvykle Francisovou turbínou), čerpadlem a motorgenerátorem. Soustrojí je obvykle sestaveno shora směrem dolů. Spojení turbíny a čerpadla je buď pevnou spojkou nebo vysouvatelnou spojkou, příp. hydrodynamickým měničem. Při použití pevné spojky je nutné při turbínovém provozu odvodnit a zavzdušnit oběžné kolo čerpadla. To způsobuje ztráty z výkonu a proto se řešení s pevnou spojkou moc nepoužívá. Nejčastější realizací při vertikálním uložení soustrojí je vysouvatelná spojka. Při turbínovém provozu je spojka rozpojena a oběžné kolo čerpadla stojí, tudíž odpadá ztráta výkonu. Vzhledem k tomu, že toto uspořádání umožňuje otáčení soustrojí při turbínovém i při čerpadlovém provozu jedním směrem, je tak zkrácen manipulační čas mezi přechody mezi jednotlivými provozy. To je výhodné při regulaci kmitočtu v elektrizační síti. Pro nejkratší dopravu se používá dvoustrojové uspořádání, které tvoří motorgenerátor s reverzní turbínou, která při vhodném natočení lopatek pracuje jako čerpadlo. Motor a čerpadlo jsou tedy sloučeny v jeden hydraulický stroj. Nejběžnějším typem reverzní turbíny je dvousměrná turbína, ta pracuje v jednom směru jako turbína a v druhém směru jako čerpadlo. Nutnost změny směru otáčení motorgenerátoru prodlužuje čas při přechodu mezi provozními stavy. Existují i konstrukce jednosměrných turbín odstraňující tyto nedostatky. Dvoustrojové uspořádání má menší výšku, je tudíž jednodušší na stavbu, což snižuje náklady na stavbu PVE. První PVE měly čtyřstrojové uspořádání, postupem techniky bylo možno je nahradit za třístrojové uspořádání, a to když se začal používat motorgenerátor. Dnes se používá dvoustrojové uspořádání, kde je místo turbíny a čerpadla používána reverzní turbína (čerpadlová turbína).

PVE bývají většinou středotlaké či vysokotlaké. Středotlaké vodní elektrárny mají spád od 15 do 50 metrů. Vysokotlaké vodní elektrárny mají spád větší než 50 metrů. V nízkotlakých vodních elektrárnách (spád do 15 metrů) je přečerpávání většinou nevýhodné.

Provoz

Soustrojí PVE se může nacházet v následujících stavech:

• klidový stav
• turbínový provoz
• čerpadlový provoz
• kompenzační provoz

Start soustrojí PVE do čerpadlového provozu je možno provést několika způsoby:

• asynchronním rozběhem synchronního motorgenerátoru
• pomocí rozběhového asynchronního motoru
• frekvenčním rozběhem (např. hydroalternátorem)

Co nejkratší by měly být přechody mezi jednotlivými provozními stavy. Časy ovlivňuje:

• dynamické děje (rozběh a zastavení strojů, změna proudění vody)
• pomocné děje (spouštění pomocných strojů,..)

Nejrychlejší má přechody třístrojové uspořádání. Nejrychlejší je přechod z klidového stavu do turbínového provozu, většinou trvá do 1 minuty. Přechod mezi čerpadlovým a turbínovým provozem trvá běžně mezi 3 až 6 minutami.

Účinnost přečerpávacích elektráren

Z fyzikální podstaty činnosti přečerpávacích elektráren je zřejmé, že více energie spotřebují, než vyrobí. Jejich účinnost je menší než 1. Konkrétní hodnota účinnosti je závislá na způsobu provozu elektrárny a na jejím technickém řešení. Z matematického hlediska součin účinností jednotlivých částí udá účinnost výslednou.

Stanovit účinnost PVE lze pro velký a malý cyklus. Velký cyklus zahrnuje i ztráty vzniklé při přenosu elektrické energie od zdroje k čerpadlu při čerpadlovém provozu a ztráty vzniklé přenosem energie k zákazníkovi při provozu turbínovém. Malý cyklus tyto ztráty zanedbává. V praxi se většinou udává účinnost malého cyklu. Provozované PVE (k roku 2015) mají celkovou účinnost kolem 75 %.

Přečerpávací vodní elektrárny v Česku

V Česku bylo vybudováno pět přečerpávacích vodních elektráren:

Dlouhé stráně

Přečerpávací elektrárna Dlouhé stráně má nejvyšší instalovaný výkon v Česku – 650 MW. Byla zprovozněna v roce 1996 a v roce 2007 prošla generální rekonstrukcí, protože v době stavby nebyla dodržena všechna hlediska kvality. Její umístění přímo doprostřed horského masivu Hrubého Jeseníku bylo z hlediska ochrany horské přírody a životního prostředí často kritizováno (velmi výrazně upraven vrchol Dlouhé stráně). Z technického hlediska se jedná o velice zajímavý objekt, kde se aktivně používají Francisovy turbíny.

Vodní dílo Dalešice

Vodní dílo Dalešice se skládá z horní nádrže Dalešice a dolní nádrže Mohelno, leží na řece Jihlavě asi 30 km od Třebíče. Hlavní funkce díla jsou zásobárna technologické vody pro provoz Jaderné elektrárny Dukovany, výroba elektrické energie, vyrovnávání minimálních a maximálních průtoků, zásoba vody pro zemědělství (závlahy) a v neposlední řadě k rekreaci. Přehradní hráz Dalešic je nejvyšší sypanou hrází v Česku a ve střední Evropě. Přečerpávací elektrárna Dalešice je nejrychleji najíždějící elektrárnou v Česku, proto plní nenahraditelnou funkci v době špiček a energetických krizí. Společně s elektrárnou Mohelno mohou najet i když budou odpojeny od vnější sítě, například v době výpadku nebo v době války. Svým výkonem 480 MW je druhou největší vodní elektrárnou v Česku co do instalovaného výkonu. Jsou zde 4 Francisovy turbíny, které jsou svými rozměry největší v Česku a podobné se nacházejí jen v Polsku a Argentině.

Vodní elektrárna Štěchovice

Vodní elektrárna Štěchovice je třetí a nejmenší přečerpávací vodní elektrárnou v Česku. Dolní nádrž je součástí Vltavské vodní kaskády a horní nádrž je uměle vybudovaná na kopci Homole. Zajímavá je tím, že konstrukce hráze plně odpovídá požadavkům lodního provozu na řece Vltavě. Instalovaný výkon přečerpávací elektrárny je 45 MW.

Vodní elektrárna Černé jezero

Vodní elektrárna Černé jezero ležící na Šumavě. Roku 1960 byl čerpadlový provoz omezen, tento stav trvá dodnes.

Vodní elektrárna Pastviny

Vodní elektrárna Pastviny leží u obce Pastviny v podhůří Orlických hor, asi 7 km východně od Žamberka a napájí ji řeka Divoká Orlice. Přehrada se stavěla v letech 1933–1938. Původně byla vybudována jako přečerpávací, v době dostavby byla v Československu největší elektrárnou tohoto druhu a první elektrárnou bez stavby strojovny (soustrojí bylo umístěno venku). Naposledy byla v čerpadlovém provozu 9. 3. 1964, od té doby pracuje pouze v průtočném režimu.

Záměry

V letech 2024 až 2030 má vzniknout další přečerpávací elektrárna přestavbou vodní elektrárny Orlík a to tak, že všechny dosavadní čtyři Kaplanovy turbíny budou vyměněny za Francisovy turbíny s tím, že dvě budou jednosměrné a dvě reverzní. Voda se bude z nádrže Kamýk přečerpávat přes 90 metrů vysokou hráz do nádrže Orlík. Zatímco v Orlíku půjde o změny hladiny řádově v centimetrech, u Kamýku se očekává změna i více než dva metry. Na konci roku 2023 je hledán dodavatel stavby.

Roku 2024 byl představen záměr výstavby dalších přečerpávacích elektráren, který by zvýšil kapacitu stávajících zhruba dvakrát.

Výroba energie v přečerpávacích elektrárnách v Evropě

Výroba elektrické energie v GWh

Země	1990	1995	2000	2005	2010	2011
Belgie	624	889	1237	1307	1348	1127
Bulharsko	0	0	0	0	0	0
Dánsko	0	0	0	0	0	0
Německo	2342	4187	4176	7015	6785	6099
Estonsko	0	0	0	0	0	0
Finsko	0	0	0	0	0	0
Francie	3459	2961	4621	4659	4812	5074
Řecko	228	253	418	593	25	264
Irsko	283	252	301	340	175	0
Island	0	0	0	0	‡	‡
Itálie	3372	4057	6603	6765	3290	1934
Chorvatsko	0	0	18	105	106	129
Lotyšsko	0	0	0	0	0	0
Litva	0	358	287	354	741	564
Lucembursko	746	743	737	777	1353	1069
Malta	0	0	0	0	0	0
Makedonie	0	0	0	0	0	0
Nizozemsko	0	0	0	0	0	0
Norsko	223	838	396	734	378	1240
Rakousko	988	1037	1369	2319	3163	3504
Polsko	1877	1947	1991	1566	560	422
Portugalsko	140	107	381	376	391	564
Rumunsko	0	0	0	0	360	218
Švédsko	525	57	35	67	103	122
Švýcarsko	1134	769	1357	1820	1738	‡
Slovensko	558	300	318	103	394	368
Slovinsko	0	0	0	0	184	143
Španělsko	702	1493	3490	4552	3152	2275
Česko	288	272	555	647	591	701
Turecko	0	0	0	0	0	0
Maďarsko	0	0	0	0	0	0
Spojené království	1892	1502	2603	2776	3139	2895
Kypr	0	0	0	0	0	0

Odkazy

Související články

• Seznam vodních elektráren v Česku
• Vltavská kaskáda
• Malá vodní elektrárna
• Vodní elektrárna
• Francisova turbína
• Peltonova turbína

V zahraničí

• Dinorwig Power Station (Wales)
• Čierny Váh (vodní nádrž) (Slovensko)

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu přečerpávací vodní elektrárna na Wikimedia Commons
• Přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé stráně
• Přečerpávací vodní elektrárna Dalešice na webu ČEZ
• Vodní elektrárna Dalešice na tvinfo.cz
• Podzemí PVE Dlouhé stráně na webu ejeseniky.com
• Vodní dílo Dalešice: středověké hrady a jaderná elektrárna
• O energetice.cz – Přečerpávací vodní elektrárna - princip a uspořádání

Autoritní data	NKC: ph316242 PSH: 2468 GND: 4176364-6 LCCN: sh85109063 LNB: 000326663 NDL: 01172748 NLI: 987007548548905171