Tři trpaslíci: zajímavý potenciál přečerpávacích vodních elektráren v Česku

Od posledního „reportu“ o potenciálu přečerpávacích elektráren v Českých zemích se mnoho změnilo. Válka na Ukrajině způsobila šokové vlny, které prolétly celou evropskou a v menší míře světovou ekonomikou, vyvolaly další zpřetrhání dodavatelských řetězců a spolu s dalšími událostmi vedly k prudkému růstu cen energií z důvodu rekonfigurace trhu.

AUTOR: Karel Schweitzer

Spolu s evropskou zelenou transformací vedly k přehodnocení českých plánů na rozvoj jaderné energetiky. Místo jednoho reaktoru v Dukovanech mají vzniknout dva a další dva v Temelíně jsou pod opcí.

Téměř ihned se také objevily úvahy o tom jak by bylo možné zajistit navíc ještě souběžný provoz současných bloků, což by s sebou neslo různé dílčí problémy. Z Dukovan by se pak stala, v hrubém výkonu (4 140MW), 15. nejvýkonnější jaderka světa, výkonově těsně za Vogtle a před elektrárnou Quinshan.

SOUVISEJÍCÍ: Malé vodní elektrárny – cesta k čisté a levné elektřině

Spolu s tím se objevily i úvahy o malých reaktorech. Kromě ČEZ o minimálně jednom uvažuje i Sokolovská Uhelná a jak se zdá, měly by nahradit současné uhelné elektrárny, je však otázka jestli česká legislativa je natolik pružná aby byla s to umožnit výstavbu moderního reaktoru „na náměstí“.

Ale nejsou to jen velké firmy s plány na výstavbu jaderných elektráren, prudký růst ceny elektřiny a paliv přes noc transformoval národ po patnáct let stavějící se k OZE přinejlepším vlažně, často však odmítavě, v jejich nadšené zastánce.

Na začátku minulého roku leželo na stole distributorů přes 17 GWp žádostí a číslo dále rostlo, mezi začátkem roku 2022 a polovinou roku 2023 v síti přibylo přes 780 MWp nových solárních zdrojů. A nejsou to jenom FVE, pomalu se vracejí i projekty větrných elektráren, byť v jejich případě je rozvoj pozvolnější a problematičtější. Zatímco solární panely se bez větší pozornosti objevují na střechách, větrné elektrárny budí přece jen více kontroverzí, zejména ty velké a malé na trhu již asi nejsou.

Nové jaderné bloky, OZE, které mají výkyvy a ne zcela se kryjí s odběrem, ostatně stejně jako JE, objem doposud zamluvené kapacity, změny na straně spotřeby, nebo úbytek rotujících mas v síti, to všechno, stejně jako nutnost zvýšit její odolnost proti poškození, čeká elektroenergetiku v nadcházejících letech. Jedním z možných řešení těchto problémů je právě rozvoj přečerpávacích elektráren.

Orlík – Aktualizace

V jednom z minulých textů jsem jsem se věnoval možnosti přestavby Orlické elektrárny na elektrárnu kombinující akumulaci a přečerpávání. Na rozdíl od ostatních prezentovaných návrhů jsem u něj vycházel ze záměru zvažovaného okolo roku 2012.

Projekt se nyní znovu objevil a nabyl konkrétnějších obrysů. V souvislosti s rekonstrukcí elektrárny by mělo podle vyjádření ČEZ dojít k výměně všech soustrojí, Kaplanovy turbíny budou nahrazeny turbínami Francisovými z nichž dvě budou reverzibilní. Současný výkon elektrárny bude zachován.

SOUVISEJÍCÍ: Přečerpávací vodní elektrárny v Česku: potenciál mají Lipno i Kyjice

Jenže jeden relativně malý projekt jen stěží může splnit všechno co bude potřeba. Proto je zapotřebí hledat další lokality kde by bylo možné zřídit PVE ideálně bez větších kontroverzí. Jistě, nejvýhodnější uspořádání je takové jako mají Orlík a Kamýk, potažmo Slapy a Štěchovice kde je možné bez větších úprav PVE realizovat jen dosazením reverzibilních soustrojí, ale takových míst bohužel v ČR moc není. Nicméně i existence potenciální spodní nádrže může realizaci celého projektu usnadnit. 

Trnávka

Vodní dílo Trnávka se nachází přibližně deset kilometrů od Pelhřimova, dokončeno bylo v roce 1981. S plochou 98 ha (podle brožury povodí, měření na mapy.cz dává jiné hodnoty) a objemem 6,6 milionu kubíků se řadí k těm menším z přehrad.

Jejím patrně nejdůležitějším účelem je zachytávání splavenin, které by jinak končily v Želivce, dále slouží k rekreaci a v malém i k energetickému využití kdy je odtok zpracováván v průtočné elektrárně.

Přehradní jezero je rozděleno na dvě části zanořeným stupněm u Červené Řečice. Spodní část má rozlohu přibližně 77 ha, horní pak přibližně 6 ha. Toto, spolu s nutností brát v potaz rekreační využití, bude představovat hlavní omezení při návrhu PVE. 

Trnávka bohužel přímo nenavazuje na další jezero v kaskádě, nelze tedy přečerpávací elektrárnu realizovat jen pouhou výměnnou turbíny za reverzibilní. Nádrže v okolí také nelze použít, rozdíl hladin mezi nimi není dostatečný, stejně jako jejich objem, nad to by bylo potřeba vyrazit přes tři kilometry dlouhou štolu. Zbývá tak koncepce s umělou horní nádrží, podobně jako je tomu ve Štěchovicích. A těm by se elektrárna podobala i v dalších ohledech. 

Dostupný objem vody by při uvažovaném kolísání hladiny o 50 centimetrů byl 385 000 m³, tedy tedy přibližně 77 % objemu Štěchovické nádrže na Homoli. Elektrárnu by s nádrží Na Vrších spojovalo přibližně 1 300 m dlouhé potrubí. Rozloha horní nádrže by nemusela být vzhledem k potřebnému objemu nikterak velká.

Lokalita umožňuje bez větších problémů realizovat nádrže s rozlohou až do velikosti 7 ha, a tomu odpovídající hloubkou. Terén by umožňoval celu nádrž realizovat jako téměř zcela zahloubenou, čímž by splynula s okolní krajinou. Jediným náznakem že se nejedná o rybník by byla nutná izolace.

Kóta minimální hladiny nádrže  by v takovém případě byla 525 m.n.m. Při uvažované hladině v Trnávce na úrovni 412,5 m.n.m. by elektrárna pracovala s minimálním spádem 112,5 m, maximální spád by při rozloze horní nádrže 6 ha byl 118,4 metrů. Při uvažované hltnosti 21 kubíků by výkon elektrárny dosahoval 20 MW. Při uvažovaná provozní doby 5 hodin v turbínovém režimu by její kapacita byla přibližně 100 MWh. 

Jistý problém by mohlo představovat vyvedení výkonu. Trnávka není přehradou s významnou hydroenergetickou funkcí a je tedy připojena jen k běžné síti 22 kV, to stejné pak platí i pro elektrárnu Sedlickou.

Zřízení nového vedení 110 kV a příslušné rozvodny by se pak mohlo ukázat jako problematické. Naštěstí je Trnávka jen necelých 10 kilometrů od Pelhřimova kde se nachází rozvodna. Možností by tak mohlo být posílení (a zdvojení) existujícího vedení.

Na druhou stranu se lokalita nachází v blízkosti oblastí s dobrými podmínkami pro výstavbu větrných elektráren. Pokud by došlo k rozvoji větrné energetiky, bude pravděpodobně třeba značně posílit síť v regionu a tedy by mohly vzniknout i podmínky pro připojení PVE, která by se zároveň mohla stát zajímavým doplňkem který by zvýšil flexibilitu výroby regionu z pohledu vnější sítě.

Pastviny

V jednom z minulých článků jsem došel k závěru že znovuzprovoznění Pastviny jako PVE nemá příliš smysl z důvodu velmi omezené kapacity a výkonu. Přesto se ale nádrž dostala na oficiální seznam míst, kde by mohly PVE vzniknout. Je však otázka jak by mohla tato „nová“ PVE vypadat. V zásadě se totiž nabízejí tři možná uspořádání celého vodního díla.

Některá z nich by nepředstavovala zásadnější zásahy do okolí a jiná by si vyžádala výstavbu horní nádrže. Těžko říct jaký je přesný záměr ministerstva, zda pouze znovuzprovoznění, výstavba horní nádrže v těsném sousedství současné elektrárny, nebo, i vzhledem k navrhované elektrárně Vinice, výstavba relativně velké a výkonné elektrárny s horní nádrží na některém ze vzdálenějších kopců.

Takové řešení by však poskytovalo při poměrně velkých nákladech na dlouhé podzemní přivaděče a horní nádrž jen omezený výkon, podstatně menší něž u Dlouhých Strání, a stejně tak oproti nim jen omezenou kapacitu.

Reaktivace

Jako nejpřímočařejší řešení se jeví obnovení přečerpávacích schopností současné elektrárny, ale jak již jsem rozebíral v textu z roku 2021 je zde poměrně dost limitujících faktorů. K primárním patří například objem spodní nádrže, která musí zajišťovat jak vodu pro přečerpávání, tak pro zachování průtoku v Orlici až do objemu 4 kubíků, což představuje, podle Povodí Labe, průměrný průtok v místech Pastvinské přehrady. Všechno toto musí zajistit objem přibližně 230 000 m³, to by limitovalo dobu čerpadlového provozu přibližně na 4 hodiny v době kdy by bylo třeba do Orlice odpouštět průměrný průtok.

Zároveň by bylo potřeba vyřešit problém zachování průtoku v době kdy elektrárna nepracuje a to zejména v situaci kdy je spodní nádrž prázdná. Jelikož by po čerpání již v nádrži nezůstala žádná voda, bylo by potřeba vyřešit stabilní odtok přímo z nádrže Pastviny I.

Za tímto účelem by bylo možné instalovat buď druhé soustrojí místo původního čerpadla, pokud by to nevedlo při provozu hlavní turbíny k jejímu negativnímu ovlivnění, nebo zřídit odbočku z jedné ze základových výpustí a novou turbínu, s hltností 5 m³/s (shodná s turbínou na vyrovnávací nádrži).

Výkon průtočné turbíny by byl při plném spádu přibližně 1,1 MW. Tím by instalovaný výkon elektrárny stoupl přibližně o třetinu na 4,1 MW, avšak akumulační kapacita by stále zůstala velmi omezená. Čerpáním by bylo možné v nádrži uložit přibližně 12 MWh.

Zároveň je třeba počítat s nutností doplnit do spodní nádrže i objem vody, který byl použit pro zachování průtoku v době čerpání, protože se dá předpokládat že by během čerpání byla odstavena průtočná turbína. To by znamenalo že turbínový provoz hlavního soustrojí by mohl trvat asi 5 hodin a 20 minut, a tedy by bylo v přehradě reálně uloženo přibližně 15 MWh.

Nové přečerpávací vodní elektrárny

Pokud není možné pouhou rekonstrukcí současného zařízení dosáhnout zajímavého výkonu a akumulační kapacity, nabízí se jiný model jak PVE realizovat. 

Při levém břehu se nad přehradou nachází vrch Výrov, přestože není vyšší než kopce na levém břehu, je na rozdíl od nich plochý a umístit na něj horní nádrž přečerpávací elektrárny by tak nemusel být větší problém.

Zároveň je od současné elektrárny vzdálen jen několik stovek metrů a potrubí by bylo také možné vést, alespoň po část trasy, po povrchu a nebylo by třeba razit podzemní štoly jako je tomu u Dlouhých Strání. Jako spodní nádrž by mohla v tomto případě sloužit jak nádrž Pastviny I, tak nádrž Pastviny II.

Horní nádrž by se nacházela přibližně na kótě 525 m.n.m. a v závislosti na tom která z nádrží by byla zvolená jako spodní by pak spád byl přibližně 85 m v případě využití nádrže Pastviny II, a přibližně 65 metrů v případě využití nádrže Pastviny I.

Dostupná plocha pro horní nádrž je přibližně 3 ha. To by také poněkud limitovalo možný objem vody, který by bylo možné pro přečerpávání použít. Respektive by jeho zvyšování vedlo k nutnosti nádrž vytvořit hlubší, což by se pak projevovalo na dosažitelném průměrném spádu a následně výkonu elektrárny.

Z tohoto místa lze uvažovat o dvou možných řešeních, první z nich zahrnuje využití současné nádrže Pastviny II a objemu 200 000 m³ bez modifikace současného turbosoustrojí. U budovy elektrárny se krom výpusti nachází ještě druhý kanál, který pravděpodobně sloužilo jako vpust čerpadla. A právě zde by bylo pravděpodobně možné nainstalovat reverzibilní soustrojí.

Dosažený spád by byl přibližně 80 m po odečtení přibližné hloubky horní nádrže, a při hltnosti 10 m³/s by dosahovalo výkonu 6,5-7 MW. Při provozní době 5,5 hodiny by objem uložené energie byl 37 MWh. Hloubka horní nádrže při tomto řešení by dosahovala necelých sedmi metrů.

Současné turbosoustrojí by bylo možné bez větších problémů zachovat a nadále provozovat v poloprůtočném režimu kdy by přes ně byla přepouštěna voda do spodní nádrže průtokem při kterém již instalovaná Francisova turbína dosahuje dobré účinnosti. A samozřejmě jen v době kdy přečerpávací soustrojí nepoběží v čerpadlovém režimu.

Celkový výkon této varianty by mohl dosáhnout až 10 MW.

Další možností, jak elektrárnu realizovat, je propojení horní nádrže s vysokou přehradou. Současné turbosoustrojí by bylo nahrazeno novým, které by přečerpávalo vodu mezi nádržemi a pro zachování průtoku by bylo, tak jako v jedné z variant reaktivace, nutné instalovat nové, které by zajistilo převod vody do spodní nádrže.

Při tomto uspořádání by však bylo potřeba pro dosažení stejného množství naakumulované energie počítat s 1,3 násobkem objemu, který by byl potřeba v předešlém řešení, tedy nikoliv 200 000 m³, ale celých 260 tisíc kubíků. Hloubka horní nádrže by musela vzrůst na téměř 9 metrů a dosažitelný spád by poklesl, při použití stejného přístupu jako v minulém případě na 58 metrů. 

Tato varianta by tak dosahovala výkonu jen 6,6 MW a při stejné provozní době by akumulovala přibližně 36 MWh, což je přibližně srovnatelné s minulým řešením. Nové soustrojí by pak bylo potřeba navrhnout na přibližně 6,5-7 m³/s, tak aby bylo možné ve spodní nádrži kompenzovat odtok během čerpadlového provozu kdy by nemělo být ze zjevných důvodů toto soustrojí v provozu. Jeho výkon by pak byl přibližně 1,5 MW a celkový instalovaný výkon by dosáhl 8,1 MW. 

Samozřejmě s podstatně větší spodní nádrží, kolísání hladiny v ní by při tomto návrhu bylo asi 37 centimetrů, se nabízí použít ještě větší objem vody. Například při 300 000 m³ by hloubka horní nádrže dosáhla 10 m a spád poklesl na 57 m a výkon vzrostl, při stejné provozní době na 7,5 MW, celkově pak na 9 MW.

A kolísání hladiny v Pastvinské nádrži by bylo asi 40 centimetrů. Akumulační kapacita by pak byla 41 MWh. Zároveň je otázka zda by další navyšování přečerpávaného objemu bylo vhodné a to zejména s přihlédnutím k silné rekreační funkci Pastvinské nádrže.

Pastvinské nádrže jsou dnes již téměř devadesát let staré a dohledat k nim potřebné informace není jednoduché. Některé z nalezených se pak navzájem vylučují, jiné se naopak podporují, a další kombinace vzbuzují celou řadu otázek. Kupříkladu v mapách vrstevnic je znázorněna hladina pod kótou 441 m.n.m., spíše blíže kótě 440 m.n.m.

Tu podporuje i starší hydrologická mapa, která uvádí u levostranného přítoku kótu soutoku s Orlicí jako 437,2 m.n.m, což při přičtení historického kolísání 2,8 m dává 440 m.n.m. Naproti tomu nákresy dostupné zde uvádí hladinu až na kótě 441.5 m.n.m., což může představovat absolutní možné maximum hladiny Pastvin II za povodně kdy voda přepadá přes celou šíři hráze.

Pokud by bylo možné využít (část) tohoto nyní nedostupného prostoru, celý projekt PVE by se zjednodušil. Zvýšení hráze dosazením klapky půl metru vysoké by umožnilo plně využít 200 000 m³ spodní nádrže a zajistit nezměněný průtok 4 m³/s po celou dobu čerpadlového provozu.

Dá se jen hádat co je s Pastvinskou přehradou ze strany ministerstva zamýšleno, je totiž možné, že se má jednat jen o malý projekt který z celostátního hlediska nebude hrát zásadnější roli. Ostatně to by nehrály ani žádné z variant probíraných v tomto článku. A nákladnost těchto by byla, při relativně malém navýšení akumulačních schopností, oproti „prosté“ reaktivaci, značná.

Proto jsem se rozhodl Pastviny do přehledu zařadit v následující podobě mírně rozšířené reaktivace. Ta by spočívala v obnovení čerpacích schopností elektrárny, ať již modifikací turbíny či doplněním čerpacího agregátu, dosazením nových, metr vysokých klapek na hráz spodní nádrže, čímž by bylo možné využít cca 220 000 m³ pro přečerpávání a nové turbíny s hltností 7 m³/s pro zajištění průtoku.

Instalovaný výkon současného soustrojí by se nezměnil. Nové soustrojí by dosáhlo výkonu 1,8 MW a akumulační schopnost soustavy by vzrostla na 15 + 9 MWh, kde by 15 bylo zajištěno přečerpáváním a 9 by připadlo na energii nashromážděnou během čerpadlového provozu v nádrži. Tedy přibližně 60-70 % kapacity dosažitelné s novou horní nádrží.

Les Království

Les Království patří k nejstarším přehradám v Čechách, hráz postavená v letech 1910 až 1911 se pro svou až pohádkovou podobu stala jedním z turistických cílů regionu. Rozlohou, přibližně 36 ha, ani objemem, 7,2 milionu m³, z toho většina v ochranném objemu, nepatří k největším.

Výkon její elektrárny na úrovni přibližně 2,2 MW také není zvláště působivým z dnešního pohledu. I přesto by zde mohla vzniknout další z malých PVE, které se mohou stát, na rozdíl od velkých PVE jako Orlík či Vinice, zajímavé z pohledu menších investorů a z pohledu stabilizace sítě v regionu.

FVE, stejně jako třeba VtE, nebo kogenerační jednotky, stejně jakožto i odběr napojují na síť 35 kV. A stejně tak by na tuto napěťovou hladinu byla (pravděpodobně) napojena. Kolísání výroby a spotřeby, případné přenosy výroby do virtuálních baterií by pak nemusely být přenášeny do sítě 110 kV.

Nad soutěskou, kterou si pod Nemojovem vymlelo Labe, se zde zvedá bezejmenný, poměrně plochý a zalesněný hřbet. V místech někdejší vsi Kousky dosahuje výšky téměř 480 m.n.m., přibližně 160 m nad hladinou v přehradě, a následně pozvolna spadá ke vsi Vítězná v údolí Huntířovského potoka. Poměrně vysoký spád lokality spolu s poměrně velkou přirozenou plochou hřbetu vytváří zajímavou lokalitu z pohledu možnosti výstavby Přečerpávací elektrárny.

I zde však představuje problém objem dostupné vody. Z celkového objemu 7,2 milionů m³ představuje zásobní prostor jen asi 1,42 milionu a 5,63 milionu připadá na prostor ochranný. Zároveň malá rozloha, nejmenší z přehrad v tomto textu diskutovaných, znamená, že i poměrně malý objem bude mít značný vliv na výšku hladiny v nádrži.

Naštěstí, na rozdíl od Pastvin a Trnávky, nemá přehrada rekreační funkci, která by přímo zahrnovala využití vodní hladiny. Její kolísání by tak nemělo ovlivňovat ani koupání ani vodní dopravu a nemuselo by být tedy natolik nutné se jím zabývat. Problémové by mohlo spíš být vedení potrubí a umístění horní nádrže z pohledu narušení krajiny, byť i tyto problémy by mohly být omezeny.

Přesné řešení elektrárny, tedy zda je možné nějakým způsobem modifikovat současnou elektrárnu, případně přehradu, zda by například využití jedné spodní výpusti nepředstavovalo bezpečnostní problém, případně zda by bylo třeba vybudovat zcela novou, která by vhodně  zapadla do celkové kompozice přehrady a jejího okolí, je nad rámec textu. Základní koncepce elektrárny by však mohla být následující.

K přečerpávání by bylo dostupných přibližně 300 000 m³, to by vytvářelo kolísání v rozmezí 0,8 – 1 metr, podle aktuální výšky hladiny, v případě plného zásobního prostoru – 315,6 m.n.m. – by toto kolísání bylo právě přibližně 80 centimetru. Budeme-li tuto hladinu brát jako střední hodnotu při vyrovnaném přítoku a odtoku, pak by bylo jak ze zásobního, tak ochranného prostoru 150 000 m³ krychlových.

Od elektrárny by na hřbet pokračovalo tlakové potrubí, podobně jako tomu je u Štěchovic, Spirovy elektrárna ve Vyšším Brodě, nebo Trnávky, téměř dva kilometry dlouhé. Zprvu by vedlo tak aby se, nejlépe skrytě, dostalo k průseku elektrického vedení, ke kterému by se přimklo a sledovalo je až nad kótu 455 m.n.m. a následně pokračovalo ještě několik desítek metrů v vodnímu zámku u horní nádrže.

Ta samotná by pak mohla být koncipovaná tak, aby při rozloze 4-5 ha byla částečně tvořená výkopem a částečně hrází. Tím by se mohl omezit objem přepraveného materiálu. Zároveň by se tak usnadnilo její skrytí. Při přečerpávaném objemu 300 000 m³ a rozloze 4 ha by její hloubka dosahovala přibližně 7,5 metru.

Pokud by elektrárna měla v turbínovém režimu pracovat přibližně 5 hodin (a tedy například pokrývat odpolední odběr a akumulovat v době nejsilnějšího osvitu), pak by k dispozici byl průtok přibližně 16 m³/s. Spád mezi dnem nádrže a hladinou zásobního prostoru přehrady by dosahoval přibližně 134 m. S těmito parametry by pak elektrárna dosahovala výkonu přibližně 18 MW (ne-li více) a byla s to akumulovat až 90 MWh energie.

Lokalita Lesa Království má, krom příhodných geomorfologických podmínek, ještě jednu zajímavou výhodu. Nachází se totiž přibližně 4 kilometry od Dvora Králové nad Labem, a rozvodny v Lipnici, se kterou by bylo možné elektrárnu spojit přímým vedením.

Tím by mohla sloužit nejen k akumulaci přebytků vyprodukovaných v nejbližším okolí, ale i jako článek který by snížil nároky na kapacitu dálkových vedení a umožnil další rozvoj aniž by bylo potřeba je posilovat. Její výstavba by také mohla přispět k posílení energetické bezpečnosti Podkrkonoší. Avšak zde by možná již bylo třeba i dalších změn, jako například zajištění přímého spojení s elektrárnou Poříčí. 

Závěr

Celkový výkon a kapacita elektráren prezentovaných v tomto textu nejsou, oproti textům dřívějším, závratný a zcela jistě se nedá kapacitou srovnávat s velkými přestavbami jako tomu bylo v případě Orlíku, Slap a Lipna. Přesto je myslím vhodné na takovéto menší projekty nezapomínat.

Mohou být zajímavé pro menší investory, ať už se jedná o svaz obcí který chce vytvořit lokální ekologickou energetiku, nebo třeba společnost uvažující o zřízení větrné farmy kterou by chtěla doplnit o nějakou formu akumulace.

Pro ty všechny mohou být elektrárny v řádu jednotek až nízkých desítek MW zajímavé. Ostatně jednu takovou plánují například ve Slatinicích.

Poznámka: Oproti dřívějším textům byla data všech PVE z tohoto textu, a navíc PVE Práčov z minulého textu, shrnuta pod jedinou souhrnnou položku

zdroj: vlastní