Pumpování vody 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.

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.

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.

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.