Témata

Úspory naruby - Obraťme toky řek

Při útlumu uhelných a jaderných elektráren a s nárůstem podílu obnovitelných zdrojů energie, především slunce a větru, nastal problém s přenosem a akumulací jejich elektrického výkonu mimo špičku zatížení elektrizační sítě. Tento problém však mohou i v Česku do značné míry a levně vyřešit stávající vodní díla (přehrady, jezy a hráze včetně turbín a kanálů a regulací) s využitím stávající přenosové soustavy.

Tento článek je součástí seriálu:
Úspory naruby
Díly
Petr Měchura

Autor v letech 1990 až 1995 spoluzakládal a vedl jako tajemník parlamentní Výbor pro veřejnou správu, životní prostředí a urbanismus a poté pracoval jako výkonný ředitel Philips Lighting. Je autorem několikabrožurek a článků na úspory energií.

Známé způsoby akumulace elektrické energie mají buď nedostačující kapacitu (pokročilé olověné nebo setrvačníkové akumulátory jen do 50 MWh), nebo jsou drahé (lithiové akumulátory), nebo mají ohraničenou dobu akumulace (supravodivé indukční, setrvačníkové a tlakovzdušné akumulátory), či nízkou účinnost (pod 65 %).

Nedávno byl v tisku zveřejněn projekt firmy Gravitricity z Edinburghu (Skotsko) pro ukládání energie v bývalých šachtách za pomoci závaží, což prý má být mnohem levnější než úložiště z lithioiontových akumulátorů, a vládní agentura Spojeného království technologii podpořila částkou 640 tisíc liber (19 milionů Kč). U nás se obdobným využitím opuštěných důlních šachet v Ostravsko-karvinském revíru zabýval bývalý viceprezident Hospodářské komory ČR Ing. Pavel Bartoš, ředitel společnosti FITE. Po zkušenostech s hladkým schvalováním svých předešlých, ale nikdy nevyužitých jiných projektů z dotačních programů MPO v celkové výši jen pro FITE kolem 300 mil. Kč nejprve navrhl v roce 2009 pilotní projekt přečerpávací důlní elektrárny (vyčerpaná důlní voda by se v energetických špičkách pouštěla přes turbínu zpět dolů) a získal na něj v rámci programu MPO TIP podporu ze státního rozpočtu více než 52 milionů Kč, z toho jen pro svou firmu FITE skoro 30 milionů Kč. Tristním výsledkem je po technické i finanční stránce naprosto nevyužitelný prototyp (drahé zařízení i příslušenství pro výbušné prostředí, agresivní důlní vody navíc s uvolňováním sirovodíku a nutností jeho odvětrávání, malé akumulační prostory dole i nahoře), který ukázkově běžel jen pár minut a s komerčním provozem se proto nikdy nepočítá. Zkrátka, i tady trochu drahý špás ze státních peněz, ale hlavně zcela zbytečný!

Vodní dílo Lipno I (Foto: Povodí Vltavy)

Tato milá finanční částka pro jeho firmu FITE ho povzbudila v roce 2017 k podání další žádosti o finanční podporu projektu Analýza využitelnosti hlubinných důlních děl pro akumulaci a poskytování elektrické energie, tentokráte z mimořádné výzvy programu MPO EFEKT, kterou pro něj vypsal tehdejší ministr průmyslu a obchodu Ing. Jan Mládek jen tři dny před svým odvoláním. Obdobně jako výše uvedená skotská firma Gravitricity chtěl Ing. Bartoš spouštět v energetických špičkách závaží šachtou dolů a následně je zase vytahovat na povrch. Jako závaží chtěl však použít stávající důlní vozíky naplněné kamením a spouštěné s cyklem jen několika minut. Ale asi zapomněl na zkušenosti Járy Cimrmana s horníky, kteří se mu začali dole v dole hromadit, a tak si neuvědomil (nebo spíše zatajil), že zaprvé by těch důlních vozíků potřeboval pro v projektu uvedených 17 šachet několik desítek tisíc (a takové množství není k dispozici v celé Evropě), a protože by se nevysypávaly, tak by je nebylo nahoře, a především dole v šachtě v tak vysokém počtu kde skladovat a manipulovat s nimi. Především si však i každý absolvent obecné školy hravě spočítá náklady (třísměnný provoz několika lidí v každé šachtě nahoře i dole + vedení + pronájem šachty, vozíků a těžní věže, údržba a další) na tento provoz, které vysoko převyšují jiné způsoby akumulace udávaného hodinového výkonu pouhých 11 MW. Nicméně tento návrh za 5 milionů Kč ze státních peněz pouze pro něj, ve skutečnosti jen za několik hodin práce za opsání několika údajů z ročenky OKD, byl přes mé výhrady MPO schválen a úspěšně oponován.

Takže když odhlédneme od výše uvedených faktů, která jsou nepochybně podávána a schvalována jen za účelem získávání dotací pro spřátelené firmy či pro odbyt určitých výrobků a zařízení, tak pro vysoké kapacity (až 3 000 MWh) po technické stránce u nás přicházejí v úvahu jedině přečerpávací hydroelektrárny, které mají vyšší celkovou účinnost než jiné způsoby akumulace (kolem 75 %) a prakticky neomezenou dobu akumulace. Na druhé straně je však jejich výstavba komplikovaná, zdlouhavá (např. přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé stráně se stavěla dlouhých 18 let), drahá a mívá často negativní vliv na přírodu (zábor pozemků, devastace zpravidla chráněné krajiny).

Při realizaci projektu akumulace na Vltavské kaskádě lze získat výkon 350 MW. (Foto: Povodí Vltavy)

Ve svém projektu však navrhuji ještě jiné řešení: vodu ze stávajících vodních nádrží „prohnat” každý den i několikrát turbínami stávajících vodních elektráren a čerpadly (nebo reverzními turbínami) ji zase vrátit zpět!

Charakteristika projektu

Navrhovaný projekt by využil k akumulaci elektrické energie především stávající vodní díla (vodní přehrady a jezy, jejich hráze včetně turbín a kanálů a regulací) a stávající přenosovou soustavu (včetně vysokonapěťových vedení a transformátorů). Pouze by je „doplnil" o čerpadla (nebo při rekonstrukci stávající turbínu nahradil reverzní turbínou), která by v období přebytku elektrické energie vracela vodu ze spodních nádrží do horních, tedy „proti toku řek“.

S výhodou lze přitom využít kaskád současných vodních děl (v České republice především Vltavské kaskády, viz tabulka), které na sebe navazují (vzdutí jedné přehrady zpravidla končí u paty další přehrady, takže není třeba budovat kanály či nové přívodní šachty, protože kolísání vodních hladin je nevýznamné (od 20 cm u Orlické nádrže až po max. 200 cm u nádrže Vrané), nebo solitérní stávající vodní díla doplňuje o spodní či horní (nebo obojí) akumulační nádrž (například nádrž Švihov na Želivce).

Ekologický a efektivní

Oproti výstavbě nových elektráren se projekt obejde zcela bez dalších zásahů do přírody a krajiny. Negativní vliv na životní prostředí nemá ani samotný provoz přečerpávací elektrárny, což je za 100 let již vyzkoušeno. Již stávající soustava vodních děl tak dokáže s účinností až kolem 75 % vracet odběratelům zpět přebytečnou elektrickou energii, pro kterou neexistuje momentální spotřeba a která by tak (bez akumulace) přišla vniveč (nutnost odstavení větrných turbín či fotovoltaických panelů). A to při relativně malých investičních nákladech — jde pouze o cenu čerpadel a jejich instalace, při rekonstrukcích dokonce jen o záměnu turbíny za reverzní turbínu oproti vysokým nákladům při stavbě nové elektrárny (výkup pozemků, jejich zatopení či úprava, stavba přehradní hráze, přívodních kanálů, nákup vodních turbín a instalace, výstavba vysokonapěťového vedení, nákup a instalace transformátorů a rozvoden, zázemí pro obsluhu atd.). To zvyšuje reálné využití (resp. účinnost) již instalovaných či budoucích obnovitelných zdrojů energie (hlavně již existujících vodních elektráren) a rozvodných sítí až o desítky procent nejen u nás, ale i ve světě.

Šance pro Vltavskou kaskádu

U vodních nádrží Lipno I a II lze podle mého výpočtu tímto způsobem při spádu 160 m získat výkon až 100 MW (k již instalovaným 120 MW) až po dobu pěti hodin (při mírném zvýšení kapacity vyrovnávací nádrže Lipno II) a z kaskády vodních nádrží na horní Vltavě a jejich elektráren Kořensko – Orlík – Kamýk – Slapy – Štěchovice – Vrané lze při jejich celkovém spádu 180 m z 588 MW instalovaného výkonu získat navíc skoro polovinu, tedy přes 250 MW po dobu asi pěti hodin. Vyšší využití je omezeno kapacitou vodní nádrže ve Vraném, aby nedocházelo k výraznému poklesu její hladiny a tím zhoršení splavnosti, lze však případně i využít vodu ze vzdutí modřanského jezu, tedy především celý přítok 38 m3.s-1 Berounky, a krátkodobě (asi dvě hodiny) tak lze získat dokonce výkon až celých instalovaných 588 MW.

Celkově by bylo možné z Vltavské kaskády plně využít z jejích 525 metrů spádu od Lipna I až po Vrané celých 339 m, což dává v součtu po jednotlivých vodních dílech celkový reálný výkon asi 350 MW. Když k tomu připočteme i řeku Sázavu, která se vlévá s průtokem přes 25 m3.s-1 též do nádrže Vrané a kterou je tedy prakticky možné celou přečerpávat místo Vltavy bez vlivu kapacity nádrže Vrané do již stávající (od roku 1945) vysokotlaké přečerpávací části elektrárny ve Štěchovicích, jež má při průtoku 27 m3.s-1 při spádu 200 m výkon 45 MW po dobu pěti hodin, tak dojdeme při podrobném propočtu k celkovému výkonu minimálně 400 MW po dobu pěti hodin či více než 700 MW elektrické energie po dobu asi dvou hodin. A to nepočítám možnost využití stávajícího přivaděče vody z elektrárny Temelín, který lze s výhodou též využít jako přečerpávací vodní elektrárnu (čerpadlo je zde již instalováno, takže pro změnu zbývá instalovat pouze turbínu, podobně jako ve víceúčelové PVE Dalešice).

Společnost ČEZ při nadcházející rekonstrukci vodní elektrárny Orlík uvažuje o reverzní turbíně. (Foto: Povodí Vltavy)


A to vše bez nutnosti stavby nových vodních nádrží, jaderných či uhelných elektráren a rozvodných sítí a jejich negativního vlivu na životní prostředí, a navíc s obrovskými úsporami energií a financí!

Ekonomické parametry

Investiční náklady:

Konkrétní výpočet závisí na rozsahu projektu, místních podmínkách, cenách čerpadel nebo při rekonstrukcích na cenách reverzních turbín a nezbytných úprav a také na cenách špičkové elektrické energie. Každopádně efektivnost je obrovská (minimálně v miliardách eur) a návratnost investice právě v současnosti bouřlivého rozvoje OZE je velmi krátká.

Jen pro srovnání: současné nejlevnější domácí úložiště sluneční energie s pokročilými lithioiontovými akumulátory nejnovější generace s výkonem pouhých 7 kW je u nás k dostání za cca 200 tis. Kč, takže v projektu uvedených 700 MW jen z Vltavské kaskády by odpovídalo cca 20 miliardám korun. Za to se dá určitě pořídit podle projektu potřebných šest čerpadel a jejich připojení k původním kanálům k turbínám (nebo přímo reverzních turbín výměnou za vysloužilé turbíny) – a několik miliard korun ještě zbude.

Elektrické akumulátory bude přitom potřeba nejdéle po deseti letech vyměnit a staré nákladně recyklovat, a navíc neřeší problém s přenosem energií z větrných a solárních parků, protože mají kapacitu maximálně do 70 MW, tedy 100x menší než přečerpávací hydroelektrárny. Vodní nádrže s turbínami a čerpadly či s reverzními turbínami však mají oproti nim životnost nejméně 100 let (Štěchovická přečerpávací elektrárna slouží bezproblémové již téměř 75 let).

Náklady na provoz:

Provozní náklady jsou velmi malé. Stávající obsluha turbín zvládne obsloužit i čerpadla či reverzní turbíny, neboť nikdy neběží oboje současně a náplň práce je téměř shodná. Obdobně údržba a provoz přenosové soustavy nevyžadují další náklady, protože elektřina, která v nich nyní proudí jen po několik hodin denně (ve špičkách) jedním směrem z elektrárny, by nyní proudila tam a zpět několikrát denně, ale pro obsluhu se tím nic nezmění. Také se nebudou muset stavět další přenosová vedení a transformátory a omezovače na hranicích (sníží se poruchovost), protože výkon se nebude přenášet přes celou republiku, ale jen do nejbližších vodních elektráren, tedy zhruba na poloviční vzdálenost. Tím se významně sníží i ztráty ve vedení elektřiny.

Pomoc pro OZE a přenosové sítě

Při aplikaci projektu jen na Vltavskou kaskádu lze v České republice zdvojnásobit současný nízký podíl energie z vodních elektráren a tím omezit nutnost stavět nové nebo modernizovat stávající uhelné elektrárny, a naopak pomoci dalšímu rozvoji využití obnovitelných zdrojů energie nejen v naší republice, ale i v sousedních zemích (především v Německu). Navíc se odlehčí přenosové soustavě, protože už by nebylo nutné přebytky elektrické energie ze západní Evropy přenášet přes celou naši republiku do sousedních zemí, nýbrž je u nás akumulovat a s vysokou přidanou hodnotou vracet zpět zahraničním producentům v dobách jejich spotřebních špiček, což by přineslo obrovské finanční příjmy s minimálními náklady a také menší zatížení životního prostředí.

Tento svůj projekt nabízím oproti Ing. Bartošovi všem zájemcům zcela zdarma, bez dotačních programů ze státních či evropských peněz. A je samozřejmě aplikovatelný i v dalších zemích, které mají soustavy elektráren či vodních nádrží na svých vodních tocích, takže celkové úspory energie mohou být v celosvětovém měřítku opravdu obrovské! A není bez zajímavosti, že společnost ČEZ po předloňském zveřejnění mého projektu nedávno oznámila, že při plánované rekonstrukci VE Orlík již uvažuje o reverzní turbíně.

JUDr. Ing. et Ing. Mgr. Petr Měchura
mechura.p@gmail.com

Související články
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit