Přečerpávací vodní elektrárny

Přečerpávací vodní elektrárnyRoman Portužák

Obsah1. Úvod2. Základní principy PVE3. Vyhledávání vhodných lokalit – principy4. Vyhledávací studie5. Shrnutí a závěr123452

Energetická základna ČR• Energetická základna České republiky je založena především navyužívání fosilních paliv.• tepelné elektrárny (58%),• jaderné elektrárny (32%),• vodní elektrárny včetně přečerpávacích (4%),• celková výroba elektrické energie v ČR přesáhla v roce 2010hodnotu 85 TWh14 www.vsb.cz4

Aspekty ovlivňující rozvoj PVE• Podpora evropského energetického trhu s elektřinou• Integrace obnovitelných zdrojů – Německo, proměnlivost toků• PL - změna portfolia, instalace PST na hranice s DE1Zdroj: ČEPS, a.s.6 www.vsb.cz6

Vliv VTE v Německu na rozvoj PVE≈ 25 000 MW10Zdroj: ČEPS, a.s.7 www.vsb.cz7

21.3.2011 vyšší výroba1Zdroj: ČEPS, a.s.8 www.vsb.cz

3.3.2011 nižší výroba1Zdroj: ČEPS, a.s.9 www.vsb.cz

2Základní principy PVEAkumulace a PVE,přečerpávací vodní elektrárny10

PVE – přečerpávací vodní elektrárna• Přečerpávací vodní elektrárna je v principu soustava dvou výškověrozdílně položených vodních nádrží spojených tlakovým potrubím, naněmž je v jeho dolní části umístěna turbína s elektrickýmgenerátorem. Ta vyrábí elektřinu pro elektrizační soustavu v doběenergetické špičky;• v době útlumu se voda z dolní nádrže přečerpává "levnou elektřinou"do nádrže horní, kde její potenciální energie čeká na své optimálnívyužití v "pravou chvíli".• Na každou akumulovanou kWh, kterou z přečerpávací vodníelektrárny odebíráme, je nutné k načerpání vody do horní nádrževynaložit asi 1,4 kWh.211 www.vsb.cz11

PVE – přečerpávací vodní elektrárna• Ke stabilizaci elektrizační sítě jsou PVE nezastupitelné• na potřebu elektrického výkonu v síti, popř. na eventuální výpadekvýkonu některé z uhelných elektráren, dokáží reagovat okamžitě.• využívají své schopnosti rychlého najetí při velkém výkonu.• Princip přečerpávacích vodních elektráren je perspektivní z hlediskamožnosti akumulace elektrické energie.• Posláním PVE v ČR (ale nejen v ČR je pracovat jako doplňkovézdroje primárních zdrojů (klasických elektráren a jadernýchelektráren, JE Dukovany, JE Temelín).• Přečerpávací vodní elektrárny (PVE) pokrývají špičkové zatížení arychlé výkonové změny denního diagramu zatížení.212 www.vsb.cz12

Základní uspořádání PVE• Třístrojové: sestava se skládá ze třívertikálně uspořádaných strojů: turbína –alternátor (motor) – čerpadlo. Alternátorpracuje v čerpadlovém provozu jako motor.• Dvoustrojové: vertikální uspořádání strojůobsahuje: reverzní turbínu (čerpadlo) –alternátor (motor). Turbinové oběžné kolopracuje v čerpadlovém provozu jakočerpadlo a alternátor jako synchronnímotor.213 www.vsb.cz13

Základní uspořádání PVE• V současné době se využívá hlavnědvoustrojové uspořádání tvořenésynchronním strojem a čerpadlovou turbínou.• Čerpadlová Francisova či Deriazova turbínamění při změně mezi turbinovým ačerpadlovým provozem i smysl otáček.Kaplanova turbína smysl otáčení zachovává,ale natáčejí se oběžné lopatky.• Účinnost procesu je 60-75% a na každouakumulovanou 1 kWh je nutné vynaložit asi1,4 kWh.214 www.vsb.cz14

Rozsah regulace PVE• Rozsah regulace je dán součtem výkonu a příkonu soustrojí:P regul = P t + P čkdeP t ........... turbínový provozP č .......... čerpadlový provoz• U PVE je velice sledovaným údajem rychlost přechodu zčerpadlového do turbínového chodu, který je zpravidla do 5 minut.2• Pro ideální využití přečerpávací vodní elektrárny je nutné splněníněkolika podmínek:• umístění, co nejblíže místa spotřeby,• velký akumulační potenciál,• co největší výškový rozdíl mezi nádržemi,• ideální návrh soustrojí (má-li turbína být také čerpadlem, nebo čerpadlomá být zvlášť).15 www.vsb.cz15

Účinnost PVE• Účinnost PVE je dána součinem účinnostíjednotlivých částí elektrárnyη = η tč η pč η m η č η pt η t η g η ttkdeη tt ......účinnost transformátoru v turbínovém provozuη tč ......účinnost transformátoru v čerpadlovém provozuη m , η g .........účinnost motoru, generátoruη pt , η pč .......účinnost potrubí turbíny a čerpadlaη t, η č ...........účinnost turbíny, čerpadla2• Účinnost PVE je taky dána jakoη = E t /E čkdeE t .........energie dodaná při výrobě [kWh]E č .........energie odebraná při čerpání [kWh]16 www.vsb.cz16

Znázornění palivového efektu přečerpávání• Akumulace velkýchobjemů elektrickéenergie je dnes vpřevážné většiněuskutečňováno pomocíPVE.• PVE jsou velkýmakumulátorem a prodnešní energetiku vpodstatě jedinýmmožným řešením.217 www.vsb.cz17

3Principy vyhledáváníVyhledávání vhodných lokalitpro PVE respektuje základníprincipy18

Provozní požadavky na PVE• Akumulační schopnost PVE je postačující v míře dané Kodexem PS,tj. PVE musí být schopna pro poskytování služby QS10 vyrábětelektrickou energii při instalovaném výkonu po dobu nejméně 4hodin,• soustrojí PVE musí být schopna dosahovat sjednanou zálohuRZQS10 v čase do 10 min od příkazu Dispečinku ČEPS. Přitom sepředpokládá, že skutečné přechodové časy budou činit pro přechodz 0 na T do 100 s, z 0 na Č do 400 s,• zapojení do přenosové soustavy 400/220 kV z důvodu výkonu,• při návrhu celkového objemu dolní nádrže musí být splněnpožadavek vytvořit další provozní objem cca 1,0 mil. m 3 nad rámecobjemu pro přečerpávání, a to za účelem plnění regulace připřívalových deštích nebo povodních. Dolní nádrž tak bude možnozařadit jako důležitý ochranný prvek do integrovaného záchrannéhosystému v lokalitě nebo regionu.319 www.vsb.cz19

Postup při výběru lokalit pro umístění PVEOmezující faktory• Existence chráněných území (národní parky, rezervace, chráněnékrajinné oblasti),• Nemožnost lokalizovat dolní či horní nádrž v území z hlediskageomorfologického (možné sesuvy),• Prostor dolní nádrže by vedl k zatopení důležitého území s existencídopravní a technické infrastruktury (masívní osídlení, silnice,železnice, vedení apod.), nepřijatelnost veřejností,• Nemožnost připojit k elektrizační soustavě (vhodná rozvodna 400 kVse nachází ve velké vzdálenosti od lokality PVE), případně technickáomezení jako přebytek výkonu v dané lokalitě, zkratová odolnost,prostorově se nedá realizovat rozšíření• Nízký spád lokality pro daný instalovaný výkon, vhodná dolní hraniceje cca 200 m,• případně další technické omezení (např. boční hráze).320 www.vsb.cz20

Energetické parametry PVE (1)Energie akumulovaná v horní nádrži:E = m.g.H stř = ρ.g.V E . H střOmezující faktoryz toho energie využitelná při turbínovém provozu je:E T = E.η Tkde:E= energie akumulovaná v horní nádrži [Ws]m= hmotnost vody v horní nádrži [kg]g= tíhové zrychlení [m.s -2 ]H stř = střední spád [m]= měrná hmotnost (hustota) vody [kg.m -3 ]V E = energetický (využitelný) objem horní nádrže [m 3 ]E T = energie využitelná při turbínovém provozu [Ws] T = účinnost při turbínovém provozu321 www.vsb.cz21

Energetické parametry PVE (2)Má-li být energie E načerpána do horní nádrže za dobu nepřetržitéhočerpání t č , je třeba odebírat ze soustavy po dobu t č střední příkon:P čstř = E/(t č . č ) = E T /(t č . č . T ) = E T /(t č . PVE )kde:P čstř =t č = č = PVE =střední výkon [W]doba nepřetržitého čerpání [s]účinnost při čerpadlovém provozucelková účinnost přečerpávacího cyklu3Na základě podrobného vyhodnocení lokalit lze odvodit přibližný vztah:P čstř ≈ P Tmax , kde: P Tmax = P iP i = instalovaný výkon [W]22 www.vsb.cz22

Energetické parametry PVE (3)Z výše uvedených vztahů lze získat pro energii využitelnou přiturbínovém provozu a instalovaný výkon přibližné vztahy, které jsou dálepoužívány v technických pasportech jednotlivých PVE:E = V E .H stř .2,78.10 -6 ; E T = E. T ; P i = Q t . H bred . Tkde:E T = energie využitelná při turbínovém provozu [MWh]V E = energetický (využitelný) objem horní nádrže [m 3 ]H stř = střední spád [m]Q t = jednotkový turbínový průtok maximální [m 3 /s] T = max. účinnost turbínyH bred = max. hrubý spád redukovaný [m]P i = jednotkový instalovaný výkon [MW].323 www.vsb.cz23

Vstupní, výpočtové a výstupní údaje• Vstupní a výpočtové údaje:• Turbínový průtok maximální• Čerpadlový průtok maximální a minimální• Součtový denní provoz v turbínovém režimu• Součtový denní provoz v čerpadlovém režimu• Předpokládané roční nasazení PVE (zpravidla 330 dní v roce)• Výstupní údaje:• Energetický objem nádrží• Využitelná energie vody• Maximální jednotkový a celkový turbínový výkon• Maximální příkon v čerpadlovém režimu3Tyto údaje pak slouží k dimenzování dalších rozhodujících částí PVE jakve stavební části, tak i v technologii.24 www.vsb.cz24

Stavební části PVE• Stavebně je každá PVE rozčleněna na tyto základní části (objekty):• horní nádrž,• vtokový objekt horní nádrže,• přívod vody (podzemní přivaděč),• strojovna PVE,• odpadní tunely,• dolní nádrž a její funkční objekt,• ostatní doprovodné objekty.325 www.vsb.cz25

Zásady návrhu nádrží (1)Horní nádrž je prostor ohraničený obvodovou hrází. Velikost objemuvody závisí na hloubce a ploše dna. Sledují se parametry:h = hloubka vody v nádrži [m]R 2 = poloměr dolní podstavy komolého kužele [m]R 1 = poloměr horní podstavy komolého kužele v ose hráze [m]S dna = plocha dna nádrže [m 2 ]S pláště = plocha svahů nádrže [m 2 ]S celk = celková plocha pláště nádrže [m 2 ]L = obvod hráze v ose [m]W = kubatura hráze [tis. m 3 ]326 www.vsb.cz26

Zásady návrhu nádrží (2)Přehradní profil údolní nádrže je umístěn pokud možno v nejužším místěúdolí. Pro výšku hráze jsou určující energetické parametry. Přehradníprofil a výška hráze jsou koncipovány tak, aby nádrž mohla plnitpožadované funkce:• retenční (protipovodňovou),• energetickou• případně rekreační.Z hlediska vodohospodářského u větších nádrží se uvažuje inalepšování minimálního zůstatkového průtoku pod nádrží.327 www.vsb.cz27

Environmentální podmínky PVE• Součástí posouzení environmentálních podmínek je zmapovánístávajícího stavu životního prostředí.• Lokality se posuzují z pohledu ochrany životního prostředí zejménav následujících oblastech:• rozsah vlivů vzhledem k zasaženému území a populaci;• vlivy na půdu;• vlivy na krajinný ráz;• vlivy na faunu, flóru a chráněná území:• Soustava Natura 2000,• Velkoplošná chráněná území jsou Chráněná krajinná oblast(CHKO), Národní parky (NP)• Maloplošná chráněná území jsou Národní přírodní památky (NPP),Národní přírodní rezervace (NPR), Přírodní památky (PP), Přírodnírezervace (PR)328 www.vsb.cz28

4Vyhledávací studieVyhledávací studiepotenciálně nových PVE v ČRz roku 201029

Výchozí posouzení• Bylo nalezeno cca 55 lokalit, jejichž geomorfologie skýtalaenergetické využití430 Zdroj: EnergoTis 2010www.vsb.cz30

Postupné zúžení (1)• Na základě ekologických, geomorfologických a energetickýchparametrů došlo k zúžení počtu na 21.• Majetkové a vlastnické poměry jsou dalším eliminačním faktorem.Především soukromé vlastnické struktury se mohou ukázat přimajetkoprávním vypořádání jako problematické.• Důležitá je i vazba na územně plánovací dokumentaci.• Pořizovací (investiční) náklady jsou rozděleny na dílčí skupiny:• náklady stavební části,• náklady technologické části,• ostatní doprovodné náklady stavby,• náklady na vybudování vedení 400 kV do příslušné rozvodny.431 Zdroj: EnergoTis 2010www.vsb.cz31

Investiční nákladyNázev PVEVýkoncelkovýMax.spádStavebníčástTechnologická částOstatnínákladyCelkovénákladyMěrný náklad[MW] [m] tis. Kč tis. Kč tis. Kč tis. Kč Kč/kW4 Hoštejn 544 221 9 971 651 7 398 400 2 252 307 19 622 358 36 1005 Červená Jáma 674 388 12 271 284 9 012 400 2 276 216 23 559 900 35 0007 Hřebeny 640 249 12 575 968 8 165 200 2 290 225 23 031 393 36 00010 Jelení hřbet 600 237 12 054 085 8 480 600 1 912 612 22 447 297 37 40013 Kamenný vrch 616 236 11 773 290 8 510 600 2 536 174 22 820 064 37 00017 Kratušín 428 350 9 384 168 7 016 200 1 650 309 18 050 677 42 20019 Lenora 468 299 10 909 246 7 575 600 2 295 783 20 780 629 44 40020 Lipno 412 218 9 018 793 7 190 300 1 733 081 17 942 174 43 500Nové24 Heřminovy 262 251 5 226 026 4 196 600 963 959 10 386 585 39 60032 Sendraž 456 250 9 430 980 7 051 200 1 647 266 18 129 446 39 80035 Slavíč 1 124 444 14 727 291 11 826 300 2 445 125 28 998 716 25 80036 Slezská Harta 224 199 5 504 331 3 983 700 999 165 10 487 196 46 800Smědavský37 vrch 620 476 11 024 478 8 242 600 1 928 391 21 195 469 34 20040 Spálená 888 638 14 468 406 10 817 500 2 314 653 27 600 560 31 10041 Spálov 600 234 13 294 115 7 846 300 2 485 929 23 626 344 39 40042 Stodůlky 1 228 484 17 045 922 13 338 700 3 552 100 33 936 722 27 60044 Stříbrná 732 323 11 879 925 8 949 500 2 332 513 23 161 938 31 60047 Šumný důl 880 380 14 185 258 10 605 800 2 329 030 27 120 088 30 80048 Velká Morava 536 587 9 559 303 7 562 500 1 519 365 18 641 167 34 80050 Vinice 440 249 9 544 634 6 570 800 1 688 947 17 804 381 40 50053 Žárový vrch 592 425 10 819 840 8 089 600 1 720 502 20 629 942 34 80032 Zdroj: EnergoTis 2010www.vsb.cz324

Postupné zúžení (2)• Průběžná lhůta výstavby• Ekonomická analýza• Investiční náklady,• Struktura tržeb,• Provozní náklady,• Způsob financování (půjčka, vlastní zdroje …),• Z ekonomických výpočtů mají pro porovnání ekonomické výhodnostijednotlivých lokalit největší vypovídací schopnost parametry:• vnitřní výnosové procento (IRR) v %,• doba návratnosti vložených investičních prostředků z CF v letech,• měrné investiční náklady v Kč/kW.4Č.PVENázev lokalityVýkoncelkovýInvestičnínákladyIRRDobanávratnosti zCFMěrný nákladMW tis. Kč % let Kč/kW35 Slavíč 1 124 28 998 716 13,61 7,10 25 80042 Stodůlky 1 228 33 936 722 12,57 7,60 27 60047 Šumný důl 880 27 120 088 10,99 8,40 30 80040 Spálená 888 27 600 559 10,88 8,40 31 10044 Stříbrná 732 23 161 938 10,63 8,60 31 70037 Smědavský vrch 620 21 195 469 9,59 9,20 34 2003333 Zdroj: EnergoTis 2010www.vsb.cz

Stanovení pořadí výhodnosti• Posledním eliminačním faktorem bylo environmentální hodnoceníVýslednépořadíČ.PVENázev lokalityCelkový výkonDobanávratnosti zCFMěrný nákladVliv na ŽPMW let Kč/kW1 35 Slavíč 1 124 7,10 25 800 12 47 Šumný důl 880 8,40 30 800 23 40 Spálená 888 8,40 31 100 24 37 Smědavský vrch 620 9,20 34 200 25 48 Velká Morava 536 9,40 34 800 26 05 Červená Jáma 674 9,40 35 000 27 53 Žárový vrch 590 9,40 35 000 28 07 Hřebeny 640 9,60 36 000 19 04 Hoštejn 544 9,70 36 100 210 13 Kamenný vrch 616 9,90 37 000 111 10 Jelení hřbet 600 10,00 37 400 212 41 Spálov 600 10,40 39 400 213 24 Nové Heřminovy 262 10,50 39 600 214 32 Sendraž 456 10,50 39 800 215 50 Vinice 440 10,70 40 500 116 17 Kratušín 428 11,10 42 200 217 20 Lipno 412 11,40 43 500 218 36 Slezská Harta 224 12,20 46 800 1419 42 Stodůlky 1 228 7,60 27 600 320 44 Stříbrná 730 8,60 31 700 321 19 Lenora 468 11,60 44 400 334 Zdroj: EnergoTis 2010www.vsb.cz34

Zapojení do ES ČR435 Zdroj: EnergoTis 2010www.vsb.cz35

Lokalizace doporučených PVE436 Zdroj: EnergoTis 2010www.vsb.cz36

PVE Slavíč – hlavní údajeKraj:MoravskoslezskýOkres:Frýdek-MístekBlízké sídlo:SlavíčVodní tok:MorávkaInstalovaný výkon: 4 x 281 MW (1 124 MW)Maximální hrubý spád: 444 mEnergetický objem: 6,30 mil. m 3Objem HN: 6,50 mil. m 3Objem DN: 11,30 mil. m 3Další funkce PVE: protipovodňová, nalepšovacíSprávce toku: Povodí OdryVelikost a výkon trafa: 4 x 360 MVAVyvedení výkonu: 4,0 km dlouhé nadzemní vedení 2 x 400 kVRozvodna:TR Nošovice437 Zdroj: EnergoTis 2010www.vsb.cz37

PVE Slavíč – vizualizace438 Zdroj: EnergoTis 2010www.vsb.cz38

PVE Smědavský vrch – hlavní údajeKraj:LibereckýOkres:LiberecBlízké sídlo:Bílý potokVodní tok:SmědáInstalovaný výkon: 4 x 155 MW (620 MW)Maximální hrubý spád: 199 mEnergetický objem: 3,24 mil. m 3Objem HN: 3,44 mil. m 3Objem DN: 5,25 mil. m 3Další funkce PVE: protipovodňováSprávce toku: Povodí LabeVelikost a výkon trafa: 2 x 390 MVAVyvedení výkonu: 46,5 km dlouhé nadzemní vedení 400 kVRozvodna:TR Bezděčín439 Zdroj: EnergoTis 2010www.vsb.cz39

PVE Smědavský vrch – vizualizace440 Zdroj: EnergoTis 2010www.vsb.cz40

5Shrnutí a závěr41

Shrnutí a závěr• PVE je prozatím jediným známým způsobem akumulace velkých objemůenergie• Doba od rozhodnutí, územní plánování, projektování a příprava, výstavba,zkušební provoz až po uvedení do provozu je více než 15 let• Dnešní rozhodování se projeví po roce 2025542 www.vsb.cz42

Dotazy?