Chceme levně akumulovat elektřinu? Stávající vodní díla mohou být řešením.

Při útlumu uhelných a jaderných elektráren 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.

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 %).

Jak to zatím vypadá?

Nedávno byl v tisku zveřejněn projekt firmy Gravitricity z Edinburgu (Skotsko) pro ukládání energie v bývalých šachtách za pomoci závaží, což prý má být mnohem levnější než úložiště z lithium-iontových 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 se schvalováním předešlých, nikdy nevyužitých, projektů z dotačních programů MPO 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.

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.

Tato finanční injekce ovšem v roce 2007 Ing. Bartoše povzbudila k podání další žádosti o finanční podporu projektu Analýza využitelnosti hlubinných důlních děl pro akumulaci a poskytování elektrické energie, tentokráte z mimořádné výzvy programu ministerstva průmyslu a obchodu EFEKT, kterou pro něj vypsal tehdejší ministr průmyslu a obchodu ČR Ing. Jan Mládek jen 3 dny před svým odvoláním z ministerstva. 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 ale chtěl použít stávající důlní vozíky naplněné kamením a spouštěné s cyklem jen několika minut. Zřejmě však zapomněl na zkušenosti Járy Cimrmana s horníky, kteří se mu začali dole v dole hromadit, a tak si neuvědomil, že zaprvé by 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 ale i každý absolvent obecné školy hravě spočítá (jde jen o násobení a sčítání) 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 nesmysl byl ministerstvem průmyslu a obchodu rovněž schválen a úspěšně oponován.

Jak na energii?

Pokud odhlédneme od výše uvedených nepovedených nápadů, které jsou nepochybně podávány a schvalovány 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 ale jejich výstavba je 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). Osobně 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 při tom využít kaskád současných vodních děl (v České republice především Vltavské kaskády, viz tabulka), která 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).

Ekologie a efektivita

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 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 Berounky, a krátkodobě (asi dvě hodiny) lze tak získat dokonce výkon až celých instalovaných 588 MW.

Celkově lze tak jen 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 též do nádrže Vrané a kterou je tedy prakticky možno celou přečerpávat místo do Vltavy bez vlivu kapacity nádrže Vrané do již stávající (od roku 1945) vysokotlaké přečerpávací části elektrárny v Štěchovicích, jež má při průtoku 27 m3/s 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 přes 700 MW elektrické energie po dobu asi využití stávajícího přivaděče vody z elektrárny Temelín, který lze s výhodou též využít jako přečerpávací vodní elektrárnu (čerpadlo je zde již instalováno, takže zbývá pro změnu instalovat jen turbínu podobně jako ve víceúčelové PVE Dalešice).

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!

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 lithium-iontovými 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 dle 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 třeba 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 bezproblémově již skoro 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 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 projekt 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 velmi vysoké.