» Český patent se rozbíhá do světa
__________________________________________________________________________________________
» Unikátní MVE se šroubovými turbínami 600 kW v Plané
__________________________________________________________________________________________
Jeden z nejstarších vynálezů lidstva – Archimédův šroub z 3. stol př. Kr. – nachází po víc jak dvou tisíciletích nové použití. Už nejen coby šroubové čerpadlo, nýbrž jako ekology pochvalovaný vodní motor pro malé vodní elektrárny (MVE).
NADŠENÍ OCHRÁNCI PŘÍRODY
Použít Archimédův šroub místo vodního kola k pohonu mlýnů se pokoušel už před 200 roky francouzský inženýr Claude Naviér, ale do praktické podoby coby vodní turbínu jej jako první na světě před 30 lety přivedli čeští odborníci K. A. Radlík a prof. Ing. K. Brada, DrSc. Pod jejich vedením vyrobila roku 1997 Sigma Hranice první model, instalovaný na říčce Eger v bavorské obci Obere Schlägweidmühle nedaleko Norimberka. Nadšeně je přijali ochránci přírody, protože neubližují vodní fauně, získaly přízvisko „fishfriendly“ a začaly se stavět v Německu, Rakousku, Francii a Itálii v roli malých vodních elektráren.
V Evropské unii je dnes nabízí víc jak desítka strojírenských firem s výkony od 10 do 250 kW. Uplatňují se v nízkospádových lokalitách s menšími, ale výrazně se měnícími průtoky, a překvapují poměrně vysokou účinností až 90 %! Ve střední Evropě o ně roste zájem zejména v místech starých mlýnů, kde nahrazují tradiční mlýnská kola. Začínají se budovat také u velkých rybníků a rekreačních vodních nádrží, kde využívají energii mařenou jinak jalovými přepady. Dají se použít i jako doplňkový motor ke stávajícím turbínám v objektech. Český podíl na vývoji šroubových turbín korunuje spuštění unikátní tříturbínové vodní elektrárny na Vltavě v Plané koncem roku 2015, vyrobenou divizí společnosti Kovosvit MAS, s celkovým výkonem 600 kW.
JEDNODUCHÁ TECHNOLOGIE – VYSOKÁ ÚČINNOST
Srdcem turbíny je dvouchodý nebo trojchodý šnekový rotor otáčející se v šikmém plechovém žlabu. Dutý hřídel je uložen v podpěrném ložisku dole, a v axiálně-radiálním „nosném“ ložisku nahoře. Tam přes převodovku zvyšujícími otáčky pohání obvykle asynchronní generátor mikroelektrárny. Voda natékající shora do žlabu tlačí svou hmotností na šikmé stěny ocelových závitů a nutí šnek podle rychlosti vody a velikosti jeho průměru k otáčení obvykle 20 až 80 ot/min. Na konci šneku voda vystupuje z posledního závitu volně do odpadního kanálu.
Podle aktuálního přehledu bylo v zemích EU do současné doby instalováno a je v provozu více jak 500 těchto ekologických mikroturbín. Vývojáři dospěli k poznatkům, že coby vodní motor jsou vhodné pro sklony od 20 do 36° a pro spády do 10 m. Větší spády vyžadují strmější žlaby a dvouchodé šneky, pro menší průtoky jsou vhodnější trojchodé šneky. Aby voda při průtoku závity šneku nepřestřikovala, je výhodné na této straně žlabu umístit zaoblený kryt. Mezera mezi hřbetem šneku a žlabem nemá být větší než 5 mm. Kvůli optimální účinnosti má být povrch šnekovice co nejhladší, a to i když musí být u větších průměrů (až 4,3 m) vyztužena.
Princip a technologické možnosti umožňují použít tyto turbíny pro průtoky v širokém rozsahu od 0,1 do 15 m3/s, což při spádu kolem 10 m umožňuje dosáhnout výkon do 300 kW. Více nedovoluje průhyb delšího hřídele se šroubovicí. Velkou předností proti dosavadním typům turbín je možnost nasazení i v nečisté vodě, takže nevyžadují na přívodu jemné česle. Jsou šetrné k rybám i vodním živočichům a zdravě okysličují protékající vodu. Vyznačují se jednoduchou konstrukcí. Díky samonosnému ocelovému žlabu nevyžadují nutně stavbu jezu, a výhodně se dají montovat i jako polootevřený žlab na šikmé svahy sypaných hrází.
Jako kompaktní stroj však mohou pracovat i v uzavřené šikmé rouře nesené na stěnách objektu (mlýna, závodu s vodním pohonem apod.). Dutý hřídel šroubovice mívá průměr až poloviny vlastního šroubu, mezera mezi žlabem a hladkým okrajem šneku nepřesahuje 5 mm, voda se nemá přelévat přes horní okraj šroubovice. Jako vodní motor pohánějí převážně asynchronní generátory a přebytečný elektrický výkon dodávají do veřejné sítě. Pokud musí zvládnout velký rozsah průtoků používají generátor s permanentními magnety a variabilní otáčky i frekvenci vyrovnává invertor.
SPOJITOST S RYBÍM PŘECHODEM
Projektanti malých vodních elektráren musí souběžně s vodním dílem řešit možnost jak zajistit rybám a vodním živočichům přirozený pohyb při migraci, který je podmínkou zachování jejich života a diverzity ve vodním toku.
Přechod přes vodní dílo musejí přizpůsobit druhu ryb a současně hydrologickým podmínkám (výšce hladiny, rychlosti proudění, sklonu proudu aj.). Obvykle to probíhá paralelním vodním žlabem s odpovídajícími schodištními stupni s výškou, kterou daný druh ryb dokáže překonat po proudu i proti. K tomu ale musí směrem proti proudu být navedeny tzv. vábicím proudem, pronikajícím co nejdále do spodní vody. Jak se to řeší v nejrůznějších přírodních podmínkách, ukazují příklady několika evropských malých vodních elektráren se šnekovými turbínami.
Technicky nejvyzrálejším je rybí přechod s paralelně běžícím Archimédovým šroubem, tentokráte v roli šroubového čerpadla. Výstup do horní hladiny nesmí být blokován česlemi nebo mřížemi, aby ryby nebyly dezorientovány a mohly pokračovat v přirozené cestě proti proudu... Aktuální novinkou je integrovaný obousměrný přechod ryb turbínou na řece Jessnitz u Neubrucku v Rakousku, vyvinutý a vyrobený firmou Hydroconnect. Ryby až do velikosti 30 cm propouští v turbínovém i čerpacím provozu při průtoku nad 1000 l/s ve spádu 3,3 m!
NEJVÝKONNĚJŠÍ ŠNEK V KINDBERGU PŘEKONÁN NA VLTAVĚ
Rakouský Kindberg využíval energii řeky Mürz již dlouhou dobu ve vlastní elektrárně, vybavené párem Francisových turbín s průtokem 12 m3/s. Roku 2007 se představenstvo elektrárny E-Werk rozhodlo využít i vodu přepadající neužitečně přes přepad hráze, a u štýrského výrobce BEA-Electric objednalo do té doby největší šnekovou turbínu se šroubem o Ø 3,6 m, schopnou při průtoku 6 m3/s poskytnout výkon 160 kW. Až 19 m dlouhý šroub o hmotnosti 25 t, vyrobený firmou Ritz-Atro, koná v ocelovém žlabu 20 až 25 ot/min. Jak ukazují zkušenosti, z velínu elektrárny dálkově a automaticky ovládaný agregát ročně zásobuje místní veřejnou síť až 500 MWh, což region zbavuje ekologické zátěže nejméně 600 tunami CO2.
Zmíněný rakouský výrobce uplatnil svoje šnekové turbíny s plnoautomatickým řízením na řadě rakouských řek, například v Asternu na Unstrutu, s roční produkcí 1,5 mil. kWh.
Od roku 2011 se do vývoje, výzkumu a výroby šnekových turbín zařadila česká společnost Kovosvit MAS v Sezimově Ústí. Již 75 let strojírenských zkušeností jí umožnilo v nejkratší době uplatnit dvě menší MVE v Itálii (MVE Folla a MVE Isola della Scala), a menší MVE instalovat v japonské Ičinoseki. Prostřednictvím nově zřízené divize MAS-Hydro se pustila do projektu a výroby zatím v EU nejvýkonnější MVE na Vltavě v Plané u Českých Budějovic.
Místo původně plánovaných dvou konvenčních Kaplanových turbín navrhli soukromému majiteli nejpokročilejší řešení v použití tří šnekových turbín s celkovým výkonem 600 kW. Šnekové rotory s průměrem 4,1 m, dlouhé víc jak 14 m, mají hmotnost 23 tun. Navaření spirálových lopatek si vyžádalo 400 m kořenového svaru. První turbína byla spuštěna 30. října 2015, a celé zařízení včetně kompletního systému řízení bylo uvedeno do zkušebního provozu koncem roku 2015.
Ing. Jan Tůma