Pumpování vody do výšky
Načerpejte vodu a roztočte turbíny
Pomocí páky napumpujte vodu z řeky do nádrže umístěné nad vámi. Když se vám podaří nádrž naplnit, otevře se klapka a voda je vypuštěna trubicemi do vodních turbín. Sledujte, která z turbín se točí rychleji a kudy se voda přivádí do turbíny. Abychom načerpali vodu do výšky, je třeba vynaložit velké úsilí. Směrem dolů vodě pomáhá gravitační síla, kterou jsme při čerpání museli překonávat. Vypuštění vody z nádrže probíhá díky působení hydrostatického tlaku, jenž v kapalině vzniká díky její tíze. Proud vody potom roztáčí dvě turbíny. Turbína na vrchní vodu se otáčí rychleji než turbína na spodní vodu.
Úkoly k exponátu
Chcete obohatit svou návštěvu VIDA! expozice? Nachystali jsme pro vás k jednotlivým exponátům úkoly, ze kterých si můžete vytvářet pracovní listy. Jejich součástí bude i mapa expozice, díky které pak u nás konkrétní exponáty hravě najdete. Vyvinuli jsme tuto službu primárně pro učitele a jejich žáky a studenty, ale využít ji může kdokoli. Tak vzhůru do světa poznání!
Věkové doporučení: Střední škola - Dospělý
Začni pumpovat a nepřestávej, dokud se neroztočí turbíny pod nádrží. Která z nich se točí rychleji? Zjistíš proč tomu tak je?
Věkové doporučení: 4. třída - 9. třída
Začni pumpovat a nepřestávej, dokud se v nádrži něco nestane. Co se stane po napumpování dostatečné hladiny vody?
Jak exponát poznal, že už je napumpováno dost vody?
Věkové doporučení: 1. třída - 3. třída
Začni pumpovat a nepřestávej, dokud se v nádrži něco nestane. Co se stane po napumpování dostatečné hladiny vody?
Pohledem vědce
Doktor geologie a vidátor Václav Vávra přibližuje využití čerpání vody nejen pro výrobu elektrické energie.
Co se děje ve vodě?
Voda je jednou z nejdůležitějších sloučenin na naší planetě. Její význam pro vzhled povrchu planety, stabilitu klimatu nebo pro vznik a existenci živých organismů je zcela zásadní. Ve sluneční soustavě jsme jedinou planetou, kde se voda vyskytuje ve všech třech skupenstvích zároveň.
A přitom, o co jde? Jeden atom kyslíku, který k sobě váže kovalentní vazbou dva atomy vodíku tak, že výsledná molekula je lomená v úhlu 105°. Tato konstrukce způsobuje, že na kyslíku je mírný přebytek záporného náboje a vodíky zase vykazují přebytek kladného náboje. Molekula je tedy polární, a to v kapalině způsobuje slabé vzájemné přitahování jednotlivých molekul opačnými náboji k sobě, čímž vzniká koheze – slabá soudržnost molekul. Všichni to známe v souvislosti s povrchovým napětím vody. Když nalijeme sklenici až po horní okraj, hladina je vyklenutá, ale sklenice nepřeteče nebo když se vytvoří kapičky vody na mastném povrchu.
Voda má spoustu zajímavých vlastností. Příkladem může být hustota, která u kapalné vody roste s jejím ochlazováním a svého maxima dosahuje při 4 °C a pak opět klesá. Říká se tomu teplotní anomálie vody. Naprostá většina vody na naší planetě je v oceánech, takže se jedná o vodu obsahující rozpuštěné soli, nejvíce je zastoupen chlorid sodný. Čím větší je obsah solí, tím větší je hustota vody a tím nižší je její bod tuhnutí. Zatímco na rybníce začíná vznikat led při 0 °C, na moří musí být 2-3 °C pod nulou.
Impozantní je také koloběh vody v přírodě, kterého se účastní ve všech třech svých skupenstvích. Žádná jiná látka nekoluje na planetě v takovém objemu jako právě voda. V kapalné formě je transportována řekami, v horninovém prostředí nebo oceánskými proudy, v plynném stavu putuje v ohromném množství atmosférou a v pevném stavu se pomalu pohybuje díky kontinentálním nebo horským ledovcům.
Pojďme se ale podívat na vodu jako na fyzikální prostředí, které velmi často využíváme, a to nejen k výrobě energie. Stejně jako v atmosféře, tak i v kapalinách (tedy i vodě) působí tlak. Pokud vodu uzavřeme do nádoby a budeme ji stlačovat, bude se tato síla postupně přenášet na všechny molekuly a tlak v nádobě bude všude stejný. Tento tlak je přímo úměrný síle, kterou působíme a nepřímo úměrný ploše, na kterou tato síla působí. Leckterý fyzik by zapsal p = F/A. Jednotkou tlaku (p) je pascal (Pa). A kde to využíváme? Třeba v hydraulických zařízeních jako je lis. Působením síly na plochu malého pístu vyrobíme tlak, který se šíří kapalinou a působí na plochu velkého pístu. Síla na větším pístu je větší, ale na malém pístu musíme tlačit po delší dráze.
Z vlastní zkušenosti víme, že potopíme-li se do vody, působí na nás tlak. To cítíme zejména na ušních bubíncích a na hrudníku. Jedná se o hydrostatický tlak, který se zvyšuje s hloubkou, do které se ponoříme, a také záleží na hustotě kapaliny. Běžný člověk se dokáže ponořit do hloubky několika desítek metrů, ale jsou organismy, které odolávají hydrostatickému tlaku u oceánského dna, tedy v hloubce několika kilometrů pod hladinou.
Dalším využívaným principem je skutečnost, že kapalina ve spojených nádobách zaujímá stejnou výšku hladiny. To je princip běžně využívaný u vodováhy, i když přiznejme, že na moderních stavbách se dnes používají jiné metody.
A co rozhodně nemůžeme zapomenout? No přece Archimédův zákon. Každé těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno silou, která se označuje jako vztlaková. V závislosti na hustotě kapaliny a tělesa pak různé věci pomou plavat, plovat (vznášet se) nebo klesají ke dnu. S těmito fyzikálními principy běžně pracují ryby a my lidé jich využíváme při lodní dopravě nebo v ponorkách.
Co nás ale bude zajímat nejvíce jsou dynamické fyzikální veličiny, tedy procesy, kdy se voda dá do pohybu. Pustíme-li vodu do potrubí, začíná se nám situace komplikovat – vedle hydrostatického tlaku zde působí i tlak dynamický. Připustíme-li, že kapaliny jsou jen minimálně stlačitelné, je rychlost proudění vody v potrubí nepřímo úměrná ploše průřezu tohoto potrubí. Jinými slovy – v tenčí trubce proudí voda vyšší rychlostí a navyšuje tak svoji kinetickou energii. A toto je okamžik, který nám lidem umožňuje, přeměnit energii vody na práci nebo na elektřinu, která nám zajišťuje snazší a pohodlnější život.
Proč a jak pumpovat vodu do výšky?
Na otázku, proč pumpovat vodu do výšky, nám odpověděl přechozí odstavec. Pohyb vody obsahuje energii, kterou můžeme poměrně snadno využít. Dříve jsme většinou měnili kinetickou energii vody přímo na práci – umlelo se obilí, drtila se ruda nebo se poháněly jednoduché stroje. Dnes většinou energii vody měníme na energii elektrickou. Dává to smysl, vždyť elektrická energie se lépe přenáší, a nakonec si ji můžete přeměnit na co chcete – světlo, teplo nebo mechanickou práci.
Pojďme se ale podívat na otázku, jak pumpovat vodu do výšky. Jednou z nejstarších technologií je Archimédův šroub, který si můžete prohlédnout v naší expozici. Ve středověku často používali horníci velmi důmyslné systémy k čerpání důlních vod, mnohé z nich poháněla koňská síla. Dnes už někteří z nás jen z filmů nebo obrázků znají studně s ruční pumpou, kde vodu dostáváme na povrch pomocí speciálního ventilu. Od 19. století byl používán vodní trkač, ventil, který způsoboval tlakové rázy a umožnil vodu vytlačit do výšky. Na internetu jistě najdete i další technologie používané pro účely čerpání vody.
Pojďme se podívat na moderní zařízení pro čerpání vody. Obvykle mu říkáme čerpadlo nebo hydrogenerátor. Jednoduše řečeno, jedná se o zařízení, které dodává kinetickou energii protékající kapalině a tím ji tlačí na požadované místo. V jednodušších případech může být pohon ruční, ale v průmyslovém využití se samozřejmě používá elektrická energie. Technické provedení čerpadel bývá různé, každý typ je vhodný pro jiné účely.
Pístová čerpadla používají píst, který vytvoří podtlak a nasaje vodu a následně pohyb pístu vytvoří tlak, který může vytlačit vodu do výšky. Membránová čerpadla jsou uzavřené nádoby, ve kterých membrána mění jejich objem. Pomocí sacích a vypouštěcích ventilů se usměrňuje pohyb kapaliny. Většinou se používají pro malé objemy. Asi nejčastěji používaná jsou zubová čerpadla, ve kterých dvojice těsnících ozubených kol tlačí kapalinu do potřebného směru. Velikost ozubených kol může být různá, a tím i výkon čerpadla.
Příkladů využití čerpadel nejrůznější konstrukce najdete spoustu: čerpání vody ze studní, čerpadlo v kotli rozvádí teplou vodu do topných těles vašeho domu, benzin nebo nafta ve vašem voze jde k motoru přes čerpadlo, váš zahradní bazén filtruje vodu pomocí čerpadla, zemědělci zavlažují svá pole díky čerpadlům nebo na stavbách se tlačí beton do stěn či stropu také čerpadlem.
Síla vody a její využití
V přírodě je působení vody na své okolí závislé na typu prostředí a klimatických podmínkách. Uveďme si několik příkladů.
Nejvíce vody najdeme v oceánech. Na mořském dně je obrovský tlak (průměrná hloubka oceánů je kolem 4000 m) a ten působí na horniny oceánského dna. Pohyb samotné vody není nijak závratný, povrchové proudy se pohybují řádově v metrech za sekundu, hlubinné proudy jsou výrazně pomalejší, působení vodní hmoty je tak prakticky zanedbatelné. To se ale dramaticky mění na pobřeží. Moře je mělké, voda je hnána proti pobřeží, kterému předává svoji energii. Místy to tak nevypadá, písečné nebo oblázkové pláže působí klidným dojmem, ale u dna dochází k neustálému přemísťování štěrku a pískových zrn. Ještě dramatičtější obraz se nám naskytne v příboji, který naráží na skalnaté pobřeží. V málo odolných horninách může být rozrušováno značnou rychlostí, dochází k řícení vysokých stěn a jejich rozpadu. Náraz příbojové vlny na skálu může vyvinout tlak až několika tun.
V druhém příkladu začneme také v oceánu, ze kterého se voda odpařuje a ve formě páry směřuje k pevnině. Část srážek spadne zpět do moře, ale část se dostane nad pevninu, kde vodní pára kondenzuje a v podobě srážek dopadá na zem. Možná jste někdy ve vydatném dešti pozorovaly stružky vody stékající po strmém svahu. Zprvu nenápadná stružka se po chvíli mění v rychleji běžící proud, který strhává hlínu a drobné kamínky, později drobné potůčky přecházejí v potoky, říčky, a nakonec celé řeky. Čím více vody proudí, tím větší je její síla a dokáže strhávat a přenášet větší a větší množství materiálu, které nakonec skončí v jezeru nebo moři. Při běžném pozorování je to jen malé množství materiálu, ale toto se při každém dešti děje desítky, stovky, tisíce nebo miliony let. A to už je na krajině velmi dobře poznat. V horských oblastech jsou to hluboko zaříznutá údolí, jinde široká údolí meandrujících řek nebo obrovské množství materiálu v deltách řek ústících do oceánu.
Může se také stát, že na zem nedopadne dešťová kapka, ale sněhová vločka. Pokud je to ve vysoko položených oblastech nad sněžnou čárou, sníh se hromadí a za desítky a stovky let se přemění v led a vznikne ledovec. Ohromné masy ledu podléhají gravitaci a vydávají se na cestu po svahu dolů a brázdí krajinu se stejnou intenzitou a účinkem, jako tekoucí voda.
Využití síly vody odkoukal člověk z přírody. Nejprve to byla síla proudících řek, do kterých naši předci stavěli vodní kola a získávali mechanickou energii, např. na mletí obilí. V současnosti jsme se dopracovali k technicky propracovanějšímu řešení, kdy pomocí regulace toků, přehrad a vodních turbín vyrábíme elektrickou energii, která má univerzální použití.
Vodní turbíny jsou základním zařízením pro přeměnu kinetické vodní energie na mechanickou točivou energii a připojením generátoru můžeme poměrně snadno vyrábět elektrickou energii. Existuje několik typů vodních turbín, každá pracuje v trochu jiném režimu a hodí se do jiných podmínek.
Francisova turbína je přetlakové zařízení, které bylo poprvé do provozu uvedeno v roce 1849. Dnes je v energetice hojně používaná především pro střední a velké průtoky a spády. Jelikož může při zpětném chodu fungovat jako čerpadlo, osazuje se do přečerpávacích vodních elektráren, ale o tom až v další kapitole. Ve velkých vodních elektrárnách po celém světě se používá Kaplanova turbína, poprvé odzkoušená roku 1919 v Brně. Oproti Francisově turbíně je složitější, umožňuje regulaci průtoku, má vyšší účinnost, ale je také dražší. Její nejvhodnější použití je při velkých průtocích a malých spádech. Třetí, běžně používanou turbínou, je Peltonova, která byla poprvé instalována roku 1878. Každá její lopatka stojí kolmo na proudění vody a tím se předává veškerá kinetická energie. Peltonovu turbínu lze regulovat pouze množstvím protékající vody a její nasazení je ideální při malém průtoku ale velkém spádu vodního proudu.
Na našem exponátu „Pumpování vody do výšky“ máme dvě modifikované Bánkiho turbíny, do jedné natéká voda shora a druhá přivádí proud do spodní části. Tento typ turbín se většinou používá u malých vodních elektráren.
Přečerpávací vodní elektrárny
Náš exponát se do jisté míry podobá přečerpávací vodní elektrárně – do horní nádrže musíte napumpovat vodu a ta je potom proudem spuštěna na turbínu, která by připojením na generátor vyrábět elektrický proud. Možná to trochu vypadá jako nesmysl – pumpuju pracně vodu nahoru, abych ji pak zase postil dolů. Čerpání vody nahoru nás vždy stojí víc energie, než kolik získáme jejím pouštěním dolů. Na tento princip je proto potřeba nazírat v kontextu celé energetické soustavy.
Elektrická energie se do našich domácností dostává z různých typů elektráren. Aby soustava byla stabilní musí výroba elektrické energie odpovídat její spotřebě. Bohužel dochází během dne k výkyvům spotřeby v tzv. energetických špičkách, kdy je odběr poměrně vysoký a pak jsou zase části dne, kdy je potřeba výrazně menší množství elektrické energie. Omezovat nebo zvyšovat výrobu v jaderné a tepelných elektrárnách je technicky velmi náročné nebo v krátkém časovém úsek i nemožné. A tady je okamžik pro přečerpávací vodní elektrárnu. Hrozí-li přebytek elektřiny v síti, během okamžiku se spustí turbíny, které tlačí vodu do horní nádrže a tím odebírají velké množství energie ze sítě – navíc při přebytku je energie velmi levná, nikdo ji v daný okamžik nechce. A naopak, při odběrové špičce pouští elektrárna vodu na turbíny a ty během několika desítek sekund dodávají do sítě nedostatkovou elektřinu. Přečerpávací vodní elektrárna tak funguje jako stabilizující prvek přenosové elektrické soustavy.
Význam přečerpávacích vodních elektráren dostává další rozměr právě dnes, kdy se snažíme přejít na obnovitelné zdroje energie. Dotýká se to zejména fotovoltaických a větrných elektráren, jejichž výkon závisí na počasí – sluneční svit a síla větru. Tyto proměnné se obtížně předpovídají, takže obnovitelné zdroje mohou být destabilizujícím prvkem v přenosové soustavě. V ideálním světě bychom ocenili, že když obnovitelné zdroje vyrábí na plný výkon, mohli bychom si přebytečnou energii ukládat na horší časy, resp. na období horšího počasí. Jenomže v reálném světě nám ukládání velkého množství elektrické energie ještě tak úplně nejde. A zde mohou nastoupit přečerpávací vodní elektrárny jako „megabaterie“, do kterých potřebné přebytky uložíme.
Naší největší přečerpávací vodní elektrárnou jsou Dlouhé Stráně v Jeseníkách. Stavba se skládá z dolní a horní přehradní nádrže, mezi nimiž je výškový rozdíl 510 m. Veškerá technologie je zasazena do podzemních prostor, maximální výkon elektrárny je 650 MW, což je více než jeden blok jaderné elektrárny Dukovany. Druhou přečerpávací vodní elektrárnou je soustava Dalešice – Mohelno. Zařízení je uloženo pod hrází dalešické přehrady, výškový spád je 90 m a celkový výkon elektrárny je 475 MW. Nejmenším dílem v republice je PVE Štěchovice II s výkonem 45 MW.
Vodní elektrárny v ČR
Využívání vodní energie je relativně jednoduchý a levný zdroj elektrické energie. Jeho potenciál závisí od geografické a hydrologické situace v každém státě. V sousedním Rakousku pochází přes 60 % veškeré energie z vodních zdrojů, na Slovensku přes 16 %. V podmínkách naší republiky jsou hlavním výrobcem jednotlivé elektrárny na vltavské kaskádě a jimi vyrobená elektřina představuje asi 3,5 % z celkového množství roční vyrobené elektřiny. Bohužel, možnost výstavby dalších vodních energetických zdrojů je v naší republice velmi omezená.
Voda je obnovitelným zdrojem energie a její využití na výrobu elektrické energie dává smysl. Každý vodní tok má ale své limity energie, kterou z něho můžeme získat. Technicky nejméně náročné jsou malé vodní elektrárny, často je potřeba jen minimální úprava vodního toku. Jejich výkon má ale spíše lokální význam a instalace většího počtu zařízení má také svá omezení. Větší výkon poskytují elektrárny instalované jako součást jezů, jejichž počet je na daném úseku toku také omezen. Nejvyšší výkony nám poskytují vodní elektrárny instalované do těles vodních hrází. Bohužel, vybudovat přehradu, bývá často značným zásahem do životního prostředí a říčního systému. Vedle negativních aspektů však najdeme i pozitivní přínosy – možnost regulace řeky při povodních, přehrady jako zdroje pitné vody nebo rekreační využití vodních ploch.
Nevítaným zásahem do provozování vodních elektráren je i postupná změna klimatu. V posledních letech není žádnou výjimkou, že v některých oblastech padá méně srážek nebo někde můžeme mluvit o katastrofálním suchu. Účinnost vodních elektráren se tak významně snižuje nebo dokonce musí být odstaveny z provozu.