UNIVERZITET U BEOGRADU ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET
DIPLOMSKI RAD Planiranje hidroelektrana
Kandidat: Ivan Milanov
Mentor: prof. Ivan Škokljev
Beograd, 2005.
Sadržaj 1. Uvod 1.1 Globalni problemi 1.2 Deklaracija iz Berna 1.3 Razvoj hidroenergetike 2. Merne jedinice 3. Energija vodotoka 4. Energija rezervoara 5. Hidroelektrana kao deo EES 5.1 Osobine hidroelektrana 5.2 Uslovi uključenja hidroelektrana u EES 5.3 Pokrivanje dijagrama opterećenja u mešovitom EES 5.4 Rezerve snage u sistemu 6. Karakteristike hidroelektrana 7. Pojmovi u hidroenergetici 8. Planiranje hidroelektrana 8.1 Korišćenje vodnih snaga 8.2 Izučavanje hidroenergetskog potencijala 9. Potencijal vodotoka 10. Kurs planiranja i izgradnje 11. Ekonomske karakteristike 11.1 Ekonomska analiza projekta 11.2 Troškovi elektrana 11.3 Cena električne energije kao faktor planiranja 11.4 Načini ekonomskog vrednovanja projekta 12. Optimalno dimenzionisanje hidroelektrana 13. Ekonomska analiza HE Orlovača na Velikom Rzavu 14. Izbor osnovnih elemenata hidroelektrane 14.1 Izbor tipa hidroelektrane 14.2 Izbor broja agregata 14.3 Izbor tipa turbina 14.4 Izbor generatora 14.5 Uslovi koji utiču na planiranje hidroelektrana 15. Reverzibilne hidroelektrane 16. Hidroenergetski potencijal Srbije i Crne Gore 16.1 Hidroenergetski potencijal Srbije 16.2 Hidroenergetski potencijal Crne Gore 16.3 Problem iskorišćenja hidroenergetskog potencijala Tare 17. Razvoj hidroenergetskih sistema Prilog 1
1 1 1 2 3 8 13 15 15 17 19 20 21 25 30 30 31 33 36 38 38 40 43 46 49 53 57 59 62 63 67 68 70 73 73 74 75 77 80
1
1. Uvod 1.1 Globalni problemi Ljudsko društvo je tokom čitavog svog razvoja gradilo svoj materijalni i društveni prosperitet na jeftinoj energiji, čija je vrednost bila potcenjena. Svoje ponašanje u sferi energije svet je zasnivao na pretpostavci da su svi energetski resursi, pa i oni neobnovljivi, praktično neograničeni. To je sve išlo na štetu energetike, jer su stvarane vrlo neracionalne tehnologije. Sa razvojem čovečanstva, naročito u zadnje dve decenije, došlo je naglog zaoštravanja problema energije, vode i životne sredine. Istraživanja su pokazala da su energetski resursi čitave planete ograničeni, da su najvećim delom neobnovljivi i neravnomerno raspoređeni. Vrlo brzo to su postali najkrupniji globalni problemi planete, od čijeg rešavanja zavisi i sam opstanak naše civilizacije. To "energetsko otrežnjenje" je uticalo da države počnu da razmatraju mogućnosti iskorišćenja svojih hidroenergetskih potencijala, kao najracionalnijeg i najčistijeg obnovljivog izvora energije.Može se oceniti da nastupa "renesansa" hidroenergetike. Ona će usloviti mnoge promene u energetskoj politici svih zemalja. Stabilne i uspešne će biti samo one države koje vode dugoročnu stabilnu i raconalnu energetsku i vodoprivrednu politiku. Dobra politika u tim oblastima je neosporna-tako da države koje nisu iskoristile svoje hidroenergetske potencijale - treba intenzivnije da počnu da ih koriste, a one koje su ih većim delom iskoristile - da dograđuju, proširuju i usavršavaju svoje hidroenergetske sisteme. O tome najbolje govori Deklaracija iz Berna. Međunarodna asocijacija za hidroenergetiku (IHA) je 3. oktobra 2000. godine na zasedanju u Bernu donela deklaraciju, koja na najbolji i najsažetiji način definiše stanje u oblasti energetike i ulogu hidroenergije u rešavanju svetskih energetskih problema.
1.2 Deklaracija iz Berna Međunarodna asocijacija za hidroenergetiku (IHA) je vrlo uticajna nevladina organizacija, čiji je zadatak da, u okviru strategije državnog razvoja, podstiče i unapređuje razvoj hidroenergetike, kao obnovljivog izvora energije. Razvoj hidroenergetike se promoviše vodeći računa da se na najbolji način ostvare svi ciljevi zaštite životne sredine i socijalni ciljevi. Na osnovu sledećih činjenica bitnih za budući opšti razvoj:
oko 2050. godine svetska populacija će porasti sa 6 na oko 9 milijardi, potrebe za energijom rastu širom sveta, naročito u zemljama u razvoju, raspoloživost električne enrgije je preduslov za ostvarivanje prihvatljivog standarda života i za ekonomski razvoj, dve milijarde ljudi danas nemaju pouzdano snabdevanje električnom energijom, oko 80% svetske proizvodnje energije sada se ostvaruje korišćenjem fosilnih goriva(ugalj, nafta, gas), sagorevanje fosilnih goriva prouzrokuje zdravstvene probleme i kisele kiše, a emisija gasova, koji su uzročnici efekta "staklene bašte", dovodi do klimatskih promena, u sledećih 50 godina biće potrebno obezbediti pitku vodu za nove tri milijarde ljudi, proizvodnja hrane se mora povećati, pre svega navodnjavanjem, mora se poboljšati zaštita od poplava, posebno imajući u vidu klimatske promene,
2
IHA smatra :
razvoj obnovljivih izvora energije je bitan za globalnu sigurnost, do sada je iskorišćena samo jedna trećina svetskog ekonomski iskoristivog hidroenergetskog potencijala, intenzivnijim korišćenjem hidroenergije, uz smanjivanje proizvodnje u termoelektranama, može se smanjiti emisija gasova "staklene bašte" i ostalih teških polutanata, hidroenergija je, za sada, jedini pouzdan i ekonomski prihvatljiv izvor obnovljive energije, koji može da pokrije znatan deo potreba za električnom energijom, vodne akumulacije omogućavaju, sa visokom efikasnošću proizvodnju energije upravo onda kada se ona traži, hidroelektrane, takođe, omogućavaju razvoj i drugih vitalnih potreba čovečanstva, kao što su proizvodnja hrane, snabdevanje vodom, zaštita od poplava i poboljšanje uslova plovidbe.
1.3 Razvoj hidroenergetike Hidroenergetika ima više od sto godina iskustva u obezbeđivanju pouzdanog snabdevanja električnom energijom. Sada širom sveta oko 20% proizvodnje električne energije dolazi iz hidroelektrana, kako u razvijenim zemljama, tako i u zemljama u razvoju. U poslednjih 30 godina, tokom planiranja, realizacije i eksploatacije hidropostrojenja stečena su važna iskustva na planu rešavanja problema zaštite okoline i uklapanja elektrana u socijalno okruženje. Imajući sve to u vidu može se zaključiti :
Korišćenje hidroenergetskog potencijala treba forsirati do izvodljivog maksimuma, uzimajući u obzir sve kriterijume zaštite okoline, kao i socijalne, ekonomske i tehničke kriterijume. Hidroenergetska postrojenja treba integralno posmatrati, u okviru politike razvoja energetskih i vodnih potencijala regiona i država. Hidroenergiju treba posmatrati kao najracionalniji obnovljivi izvor energije, i što je veoma važno - ekološki najčistiji.
3
2. Merne jedinice Pre nego krenemo sa proučavanjem energije vodotoka, daćemo kratak pregled mernih jedinica koje se najčešće koriste pri proračunima u hidroenergetici. U hidroenergetici, rad i energija (na pragu hidroelektrane) se izražavaju u kilovat-časovima (kWh). Instalisana snaga hidroelektrane se obično izražava u kilovatima (kW), dok proizvođači snagu hidrauličkih mašina često iskazuju u konjskim snagama. (skr. KS na srpskom, HP na engleskom, PS na nemačkom, CV na francuskom). KS se često podrazumevaju kao metričke jedinice. Takođe, u literaturi se karakteristike elektrana prikazuju preko jedinica iz tzv. Engleskog (Britanskog) sistema jedinica. Jedinice snage, u ova dva sistema, su povezane sledećim izrazima: 1 KS (metrički sistem) = 0.9863 KS (Britanski sistem) Jedinica koja se često koristi za iskazivanje snage je megavat (1 MW = 1000 kW), dok se energija i rad najčešće izražavaju preko megavat-časova (1 MWh = 1000 kWh), ili čak preko gigawat-časova (1 GWh = 1,000,000 kWh). Često se javlja potreba za konvertovanje energije date u kilovat-časovima u metričke jedinice kao što su metar-kilogram (mkg) i metar-tona (mt). Iz fizike je poznato da važi sledeća relacija: 1 KS = 75 mkg/sec = 736 W = 0.736 kW ili 1 kW = 1.36 KS Iz gornjih relacija se dobija da je: 1 KS-čas = 0.736 kWh Takođe, važi i da je : 1 KS – čas = 75mkg/sec x 3600 = 270,000 mkg kao i da je
1kWh
270,000 mkg 367,000mkg 367mt 0.736
U oblasti termoelektrana, rad i energija se mere u kilogram-calorijama [Cal]. Iz fizike je poznato: 1 Cal = 427 mkg kao i
1kWh
367,000mkg 860Cal. 427mkg / Cal
4
Naučna jedinica za energiju iz sistema fizičkih jedinica je termalni din. Sila od jednog dina, koja deluje na telo mase jednog grama, daje ubrzanje od 1 cm/sec2, odn. 1 g x 1 cm/sec2 = 1 din [g cm sec-2]. U oblasti delovanja gravitacije zemlje, sila koja deluje na masu od jednog grama iznosi: 1 g x 1 cm sec-2 = 981 dina = težini od jednog grama, odavde sledi da jedan kilogram teži vrednosti od 981,000 dina. Naučna jedinica za rad je termalni erg i ona je brojno jednaka radu koji izvrši sila od jednog dina na razdaljini od jednog centimetra: 1 din x 1 cm = 1 erg. [g cm2 sec-2]. Jedinica koja se koristi u praksi jednaka je po veličini električnom radu koji izvrši sila od jednog kilograma na distanci od jednog metra: 1 mkg = 981,000 dina x 100 cm = 9,81 x 107 erg. Takođe, postoji naučna i praktična jedinica električnog rada koja je povezana sa gornjom relacijom i ona se može izraziti kao: 1 Džul = 107 erg, kao i 1 mkg = 9.81 Džula. Veze između jedinica za snagu su sledeće: 1 mkg/sec = 9.81 Džula/sec = 9.81 W 1 KS = 75 mkg/sec = 75 x 9.81 W = 736 W.
5
Primer 1 – Izračunati količinu energije u kWh, koja se dobija od jednog kilograma uglja energetske vrednosti 4000 calorija, u termoelektrani, ako je stepen iskorišćenja 24%. Uzimajući u obzir da je η = 0.24, iz 1 kg uglja energetske vrednosti 4000 kalorija termoelektrana će generisati električnu energiju čija je vrednost 0.24 x 4000 = 960 kalorija. Pošto je 1 kWh = 860 Cal, Sledi da će električna energija koja se dobija iz 1 kg uglja iznositi: 960Cal 1.12kWh 860Cal / kWh
Primer 2 – Izračunati koliko se kilograma uglja energetske vrednosti od 4000 Cal/kg uštedi, ako se umesto termoelektrane čija je potrošnja uglja 3500 Cal/kWh, koristi hidroelektrana čiji je prosečan godišnji kapacitet 8000kW. Hidroelektrana na pragu proizvodi godišnje 8000 kW x 365 dana x 24 časova/danu = 70 x 106 kWh energije. Za istu količinu energije, potrošnja termoelektrana bi iznosila 3500 Cal/kWh x 70 x 106 kWh = 24.5 x 1010 Cal.. Na osnovu ovoga, godišnja ušteda zamenjujuće hidroelektrane iznosi:
24.5 x1010 Cal 6.12 x10 7 kg 61,200tona 3 4 x10 Cal / kg Primer 3 – Koliko je vremena potrebno sijalici snage 100 W da potroši istu količinu energije koju bi potrošio turista težine 70 kg, koji nosi opremu težine 35 kg i penje se na planinu visine 970 m. Pretpostavlja se da je turista krenuo ka vrhu, na visini od 970 m, iz hotela koji sa nalazi na 340 m nadmorske visine. (Rad koji je potreban da se izvrši kretajući se horizontalno, kao i umor su zanemarivi). Rad koji vrši turista iznosi: (970 m – 340 m)(70 kg + 35 kg) = 66,150 mkg. Jednočasovno korišćenje 100 W-ne sijalice iznosi 0.1 kWh. Uzimajući u obzir da je 1 kWh = 367,000 mkg, električna energija koju iskoristi sijalica ekvivalentna je mehaničkom radu od 36,700mkg. To znači da električnu energiju koja je ekvivalentna radu koji izvrši turista, sijalica utroši za vreme: 66,150mkg 1.8časova . 36,700mkg / čas
6
Primer 4 – Koliki je rad potreban da se teret težine 125 kg, podigne sa 1600m na 4500m nadmorske visine. Ovaj rad iznosi: (4500 m – 1600 m)125 kg ≈ 367,000 = 1 kWh. Primer 5 – Lopatama, čiji je prosečan kapacitet 8 m3 zemlje dnevno, se prenosi materijal čija je gustina 1.8 tona/m3 na visinu od 1.6m. Izračunati koliko je kilograma uglja energetske vrednosti 4200 Cal potrebno da bi se izvršio isti rad, ako termoelektrana ima stepen iskorišćenja 24%. Rad koji se dnevno izvrši lopatama iznosi: 8 m3 x 1.8 t/m3 x 1.6m = 23.04 mt = 23,040 mkg. 1 Cal = 427 mkg → 23,040 mkg = 23,040/427 = 53.9 Cal. U slučaju stepena iskorišćenja od 24%, potrebno je
53.9Cal 0.0535kg 53.5 g 0.24 x 4200Cal / kg uglja da bi se zamenio jednodnevni rad lopatama.
Primer 6 – Definisaćemo količinu toplotne energije koja se oslobodi pri kočenju i zaustavljanju voza kompozicije 50 vagona, koji se kreće brzinom od 36 km/h. Izračunati vreme koje potrebno maloj hidroelektrani snage 15 kW da generiše istu količinu električne energije. Prosečna težina svakog vagona iznosi 20 tona. Ukupna masa cele kompozicije je
50 x20,000kg 102,000kg sec 2 / m 2 9,81m / sec U trenutku kočenja voz se kreće brzinom od 36 km/h = 10 m/sec, kinetička energija konvertovana u toploti iznosi: 102,000kg sec 2 / m 100m 2 / sec 2 5100 5.1x10 6 mkg 5100mt kWh 13.9kWh. 2 367 Na osnovu ovoga, mala hidroelektrana snage 15 kW je sposobna da proizvede ekvivalentnu električnu energiju za vreme: 13.9kwH 0.925sati 55.5 min 15kW
7
3. Energija vodotoka Kao rezultat neprekidnog procesa hidrološkog ciklusa, snaga vode se može smatrati stalno obnovljivom. Međutim, nije potpuno opravdano govoriti o izričitoj potencijalnoj energiji ili radu vode; to je, ustvari, energija po jedinici vremena koju voda stvara prilikom neprekidnog pada i koja se mora uzeti u obzir prilikom proučavanja iskorišćenja energije vodenog toka. Na osnovu sledeće definicije za snagu N
dE dt
3.1
možemo videti da ona predstavlja izvod rada po vremenu. Pre svega, analiziraćemo vrednost izvršenog rada (ukupne energije), kao i postojeće energije dela vode u pokretu, i na osnovu toga definisati snagu koja se dobija na određenoj deonici toka usled trenja.
Na osnovu gornje slike, ukupna energija jednog dela vode težine G pod pritiskom p koji se kreće brzinom v na visini h1 od referentnog nivoa (datum level Z), može se izračunati na osnovu Bernulijeve teoreme: v2 p E G h1 mkg 3.2 2g gde je γ specifična težina posmatranog dela vode. Ako uvedemo smenu p
h2
p0
,
3.3
izraz za energiju postaje
v 2 p0 E G h mkg 2g
3.4
8
Ako pretpostavimo da se ovaj delić vode postavi na referentnom nivou Z, gde pritisak ima vrednost p0/γ, onda se energija referentnog nivoa može izraziti kao
v2 E G h mkg . 2g
3.5
Pošto gornja formula važi za sve nivoe vodenog toka, očigledno je da se energija svih delova jednake mase ili težine ne razlikuje od posmatranog elementa vode težine G, koji se kreće po površini vodenog toka. To znači da ukupna mehanička energija bilo koje vodene mase težine 1 kg iznosi:
E h
v2 mkg / kg m 2g
3.6
Međutim, ovde treba istaći bitnu činjenicu da gore definisani rad nije jednak postojećoj energiji elementarnog dela vode, koja uzimajući u obzir visinu iznosi v2 . E h1 3.7 2g Razlog ovome je što se dodatna potencijalna energija p/γ dobija iz susednih delova vode i to u formi pritiska. Ovo se može razjasniti na sledeći način. Ukoliko voda isteče iz bazena, ili iz rezervoara koji je napravljen podizanjem rečne brane, ukupna potencijalna energija svih delova vode je, u posmatranom trenutku pražnjenja srazmerna visini H0, dok je postojeća energija pojedinih (elementarnih) delova vode izražena drugom visinom H, što je prikazano na sledećim slikama.
Uzimajući u obzir da je ukupna potencijalna energija vode zapremine V u rezervoaru
E VH 0 ,
3.8
9
dok je postojeća energija vode samo
Ei VH c
3.9
gde je Hc visina centra gravitacije zapremine vode u rezervoaru iznad referentnog nivoa. Energija sadržaja rezervoara je smanjenja ne samo zbog postojeće energije delova vode koji napuštaju rezervoar, već i zbog energije vodene mase približno iste težine na površini, s obzirom da se energija prenosi kao pritisak kretajući se od površine ka najnižim česticama koje ističu iz rezervoara. Bilo kakav pad u visini površine vode dovodi do smanjenja energije vode koja napušta rezervoar. Jasno je da je energija pražnjenja rezervoara jednaka postojećoj energiji celokupne mase vode koja se fiktivno nalazi u centru gravitacije. Ukupna energija vode pražnjenja rezervoara je podložna promenama i jednaka je postojećoj energiji koja zavisi od trenutnog stanja površine vode. To znači da rad koji se izvrši pražnjenjem rezervoara nije jednak sumi ukupne energije elementarnih delova vode u rezervoaru, već potencijalnoj energiji vodene mase. Ukoliko se nivo vode u rezervoaru održava konstatnim, ukupna energija i postojeća energija bilo koje zapremine vode težine G, će biti jednake u svakom trenutku, i imaće istu vrednost kao u slučaju odlivanja sa površine, odn. Ei E VH 0 GH 0
3.10
Ako je protok, pri brzini v1 kroz bilo koju deonicu vodotoka, Q (m3/sec), snaga vodene mase u sekundi, na dubini H1 ispod površine(gornja slika), iznosi 2 dE1 v1 kg m 3 3 Q H 1 m mkg / sec dt 2 g m sec
3.11
Energija u sekundi mase vode koja protiče kroz presek 2 nizvodno od preseka 1, i nalazi se na visini H2, iznosi 2 dE 2 v2 mkg / sec Q H 2 dt 2 g
3.12
Može se reći da sistem ograničen presecima 1 i 2 dobija energiju 2 v1 Q H 1 dt 2 g
3.13
2 v Q H 2 2 dt 2g
3.14
dE
u sekundi, a daje energiju dE
na izlaznom preseku.
10
To znači da,usled protoka Q vode između dva konstatna nivoa koji se mogu predstaviti razlikom u visini H = H1 – H2, dolazi do disipacije energije, između preseka 1 i 2, koja u svakoj sekundi iznosi 2 2 2 2 v v v v2 Q H 1 1 Q H 2 2 Q H 1 dt 2g 2g 2g
dE
3.15
Drugim rečima, gornja formula predstavlja snagu vode potrebnu da se savlada trenje na deonici 1-2 i ona se može napisati kao 2 2 v1 v 2 mkg/sec . N Q H 2 g
3.16
Sa povećanjem brzine pored potencijalne energije, za savlađivanje trenja je potrebna i kinetička energija. Zato se izgradnjom brane postiže da brzina bude približno konstantna, odn. da je v1≈v2, što dovodi do toga kinetička energija bude zanemarljiva u odnosu na potencijalnu energiju. Zato se samo ostvarivanjem pada može dobiti potencijalna energija vodenog toka, koja se dalje može iskoristiti u turbini i pretvoriti u mehaničku, odnosno preko generatora u električnu energiju. Ova potencijalna energija ima oblik N p QH mkg/sec
3.17
Da bi izrazili snagu preko jedinica u SI sistemu, pretpostavićemo da je ubrzanje zemljine teže g = 9.81 m/sec2 i da je gustina vode ρ = 1000kg/m3 odn. da je specifična težina vode γ = 9810 N/m3. Zato se gornji izraz može prikazati kao N m3 N 9810QH 3 m Nm / sec m sec
3.18
S obzirom da je 1 Nm/sec = 1 W i da je 1000 Nm/sec = 1 kW sledi da je N 9810QH kW .
3.19
Ovde je uzeto da je ubrzanje zemljine teže konstatno i da iznosi 9.81 m/sec2 . Međutim, ova vrednost u realnosti varira od 9.78 m/sec2 do 9.83 m/sec2, između ekvatora i polova. Zato pri konstrukciji i izboru turbina treba voditi računa o stvarnim vrednostima g i γ. Prikazaćemo i da je snaga koja se dobija samo od kinetičke energije ravničarske reke takođe mala i zanemarljiva. Ukoliko ne postoji brana na reci, korisna snaga se može odrediti kao
N Q
2
v1 2g
3.20
11
Ovo je moguće samo ako je v2 = 0, što je u praksi neostvarljivo. Ukoliko bi ipak postojala neka mala vrednost brzine v2, tada će kinetička energija iznositi
v v2 N Q 1 2g 2
2
3.21
Na primer, šta bi ovo značilo za Dunav sa protokom od 2500 m3/sec, sa stanovišta dobijanja energije ali samo na račun kinetičke energije, ako se brzina proticanja reka sa 1 m/sec nekako smanji na 0,5 m/sec: v v2 1.0 0.25 N Q 1 2500t / sec m 2500t / sec x0.083m 95mt / sec 2g 19.62 N 95,000mkg / sec 1270 KS 2
2
Ovako dobijena energija odgovara potencijalnoj energiji koja bi se dobila pri padu od samo 4cm.
12
4. Energija rezervoara Kapacitet rezervoara nastalih izgradnjom brana može se definisati ne samo proračunom apsolutnog i relativnog kapaciteta, već i potencijalnom energijom vode koja puni rezervoar do određenog nivoa. Pošto ima veliku važnost u oblasti energetske ekonomije, energija uskladištena u rezervoare se često daje i kao podatak u statističkim izveštajima (ponekad u kWh, a u slučaju velikih rezervoara u milionima kWh). Rad koji se vrši pražnjenjem rezervoara nije srazmeran veličini rada koji izvrši masa vode u rezervoaru, već je srazmeran postojećoj potencijalnoj energiji vode u istom rezervoaru. Umesto nivoa površine vode u rezervoaru češće se u proračunima koristi visina centra gravitacije uskladištene vode (Hc), pa se na osnovu toga može napisati izraz za energiju. E N t 9.81 Q H c t 9.81
V N H c t 9.81 3 V m 3 H c m t m
E 9.81 V H c [Nm]
4.1
Pošto je poznato da je 1 (Nm) = 1 (Ws) = 1 (J) = 1/3600 (Wh) = 1/3.600000 (kWh), sledi da energija rezervoara iznosi: Ei
VH c 367
[kWh]
4.2
gde su: γ = 1 t/m3, a V i Hc su dati u m3 i m , respektivno. (Ako je zapremina rezervoara data u milionima m3, onda će energija biti izražena u milionima kWh) Energija rezervoara se često u literaturi daje u drugačijoj formi. Razlika proizilazi iz činjenice da se gubici pri konverziji energije takođe uzimaju pri proračunu kao na primeru električne energije koja se dobija pri kompletnom pražnjenju punog rezervoara gde je uzet u obzir stepen iskorišćenja (koji u sebe ubraja gubitke u cevovodima, turbinama, generatorima itd.),
Ei
Vk H c 367
[kWh]
4.3
Očigledno je da energiju rezervoara treba pripisati samo zapremini rezervoara koja se koristi samo za proizvodnju energije i nema druge svrhe niti obuhvata tzv. rezervisani prostor za ublažavanje talasa velikih voda. To je korisna zapremina koja se označava sa Vk. Ukoliko zamenimo 1000 V u relaciji 1 dobijamo sledeći izraz:
Ei
1x1000VH c 2.72VH c [kWh] 367
4.4
Vidimo da se ovde koristi visina centra gravitacije (Hc) koja predstavlja stvarni kapacitet rezervoara bez gubitaka, kao npr. energija koja se dobija tokom jednog pražnjenja. U nekim slučajevima se umesto Hc koristi visina nivoa površine rezervoara H. Razlike u dobijenim vrednostima su zanemarive. Treba naglasiti da energija rezervoara nije jednaka količini prosečne godišnje energije koja se dobija skladištenjem. 13
Primer 1 – Vertikalno rastojanje između centra gravitacije rezervoara zapremine 50 miliona m3 i nivoa turbine hidroelektrane iznosi 200 m. Izračunati energiju rezervoara ako je koeficijent iskorišćenja 77%. Na osnovu relacije V H Ei k c [kWh] , 367 dobija se:
E 0.77
1t / m 3 50 10 6 m 3 200m 21 10 6 [kWh] 367mt / kWh
Primer 2 – Dozvoljena promena nivoa gornje vode na rečnoj brani iznosi 1.5 m, pri zapremini rezervoara od 12 miliona m3. Maksimalni nivo gornje vode je 8 m iznad nivoa donje vode. Izračunati vrednost dnevne dodatne energije potrebne za smanjenje nivoa gornje vode jednom dnevnom za vreme vršnog opterećenja, pri stepenu iskorišćenja od 80%. H c 8 1.5 / 2 7.25m
Na osnovu relacije
Ei
Vk H c 367
[kWh] ,
dobija se:
E 0.80
12 10 6 m 3 7.25m 189.600[kWh] 367mt / kWh
14
5. Hidroelektrane kao deo EES 5.1 Osobine hidroelektrana 5.2 Uslovi uključenja hidroelektrana u EES
Dovoljnost Kvalitet Sigurnost Ekonomičnost
5.3 Pokrivanje dijagrama opterećenja u mešovitom EES 5.4 Rezerve snage u sistemu
5.1 Osobine hidroelektrana
Proizvodnja, prenos, distribucija i potrošnja električne energije imaju neke specifične odlike, koje bitno izdvajaju elektroenergetiku od ostalih grana energetike. Za korišćenje vodnih snaga posebno su važne sledeće osobenosti elektroenergetike: Kao prelazni oblik energije, električna energija, proizvodi se, prenosi i troši u praktično istom trenutku, bez mogućnosti akumulisanja u tom energetskom vidu. Električna energija se može trošiti samo kada se proizvodi, i obratno, i to se mora odvijati u potpuno izbalansiranim odnosima proizvodnje i potrošnje. To podrazumeva da u EES mora stalno da bude zadovoljena jednakost : Proizvodnja = Potrošnja + Gubici pri prenosu
Neravnomernost tražnje energije i nemogućnost njenog skladištenja dovode do toga da se čak i manja izolovana područja teško mogu snabdeti kvalitetnom energijom iz pojedinačnih elektrana jer bi u tom slučaju elektrane često radile u izuzetno nepovoljnim i neekonomičnim režimima. Zato se nameće potreba da elektrane rade u okviru jedinstvenog mešovitog sistema. Kombinacija termoelektrana i hidroelektrana raznih tipova, sa raznim stepenima regulisanosti protoka, daje poseban kvalitet EES, jer može da radi fleksibilnije, prilagođavajući se dinamici promene konzuma.
Kada nastupi kratkotrajno narušavanje gornje jednakosti, prelazni procesi u EES se odvijaju mnogo brže nego u drugim tehničkim sistemima. Narušena stabilnost sistema se mora ponovo uspostaviti veoma brzo. Zbog toga je neophodno da u EES postoje visoko mobilne elektrane, opremljene takvim regulacionim uređajima koji omogućavaju da se za najkraće moguće vreme obezbedi ravnoteža između snage koju traži konzum i one koju proizvodi elektrane. Najpogodniji objekti za tu svrhu su hidroelektrane, posebno one sa dvojnom regulacijom, koje mogu da rade u vrlo širokom opsegu opterećenja, i na taj način veoma fleksibilno i brzo utiču na stabilizaciju EES.
15
Potrošnja je neravnomerna tokom godine, sedmice, dana, pa i u jednom satu. Moguće su i skokovite, nagle promene opterećenja, u nekim okolnostima predvidive, ali često i nepredvidive, nastale usled havarija i drugih sličnih događaja u EES. U takvim uslovima potrebne su visokomanevarske elektrane, koje mogu veoma brzo da prime puno opterećenje. Upravo takvi objekti su hidroelektrane. Za njih je posebno bitno to što su sposobne da iz stanja mirovanja uđu u rad, sinhronizuju se na mreži i prime puno opterećenje za veoma kratko vreme, koje se meri desetinama sekundi. U tom pogledu su neuporedivo povoljnije od termoelektrana, koje sporo primaju opterećenje.
EES su investiciono veoma skupi sistemi, tako da se racionalnost u njihovom razvoju svodi na racionalnost investicione politike, a u znatno manjoj meri na podizanje produktivnosti rada sistema, kada su veliki investicioni zahvati već završeni. To znači da cena električne energije mora u sebi da sadrži i deo troškova proširene reprodukcije. Zato se opravdano smatra da su hidroelektrane, koje imaju samo stalne (investicione) troškove, i čije su cene energije zbog toga niže i manje osetljive na promene na tržištu energenata, najelastičnije uklapaju u razne koncepcije razvoja EES. Pojednostavljeno rečeno, valjano planirana i realizovana hidroelektrana ne može da bude investicioni promašaj u bilo kom konceptu razvoja EES.
16
5.2 Uslovi uključenja hidroelektrana u EES Proizvedena električna energija mora da zadovolji više uslova, od kojih poseban značaj imaju uslovi dovoljnosti, kvaliteta, sigurnosti i ekonomičnosti.
Dovoljnost Potrošačima treba obezbediti, u uslovima racionalnog korišćenja energije, dovoljno energije za nesmetanu proizvodnju, rad i razvoj. Uskraćivanje traženih količina električne energije, na bilo koji način (redukcijom isporuke, havarijskim isključenjima, i sl.), dovodi do velikih poremećaja u privrednom i socijalnom tkivu zemlje. U zemljama sa potpuno uređenim i izbalansiranim reprodukcionim lancima, neplanirane redukcije isporuke električne energije izazivaju velike štete. Zato je neplanirano uskraćena električna energija ne samo najskuplji vid energije, već i indikator nastanka znatno krupnijih poremećaja u privrednom sistemu.
Kvalitet Vrednosti učestanosti i napona, kao pokazatelja kvaliteta isporučene električne energije, moraju se održavati u dopuštenim granicama oko nominalne vrednosti, jer je to neophodan uslov za ispravan i bezbedan rad svih potrošačkih i proizvodnih postrojenja i uređaja. Regulacija učestanosti vezana je za regulaciju proizvedenih i utrošenih aktivnih snaga, i ta regulacija se obavlja centralizovano, na nivou celog EES, jer je frekvencija identična u svim tačkama jedinstveno povezanog EES. Za razliku od učestanosti, koja je globalna sistemska veličina, napon je lokalna promenljiva, i njegova veličina se vezuje za ravnotežu proizvedenih i potrošenih reaktivnih snaga. Hidroelektrane raznih tipova, uključujući i reverzibilne hidroelektrane, imaju izvanrednu ulogu u procesu regulacije frekvencije i napona.
Sigurnost Rad EES mora da zadovolji vrlo visoku sigurnost u funkcionisanja, u okviru koje postoje tri kategorije: operativna gotovost objekata, pouzdanost ispunjenja zadatka i obezbeđenost. Operativna gotovost objekata se definiše verovatnoćom da objekti zadovoljavajuće funkcionišu u bilo kom trenutku vremena, ili su razpoloživi da prime opterećenje kada se od njih to zatraži. Pouzdanost ispunjenja zadatka sa definiše verovatnoćom da sistem neće otkazati tokom trajanja zadatka. Obezbeđenost se definiše verovatnoćom da će sistem uspešno ispuniti svoje planirane funkcije sa stanovišta neophodnih resursa. Objekti hidroelektrana svih tipova su, zbog prirode svojih mašina i radnih procesa, neosporno povoljni sa gledišta operativne gotovosti/raspoloživosti i pouzdanosti. Sa druge strane, akumulacione hidroelektrane predstavljaju izvrsne objekte u pogledu obezbeđenosti, posebno ukoliko se njima valjano upravlja. Zato su elektroenergetski sistemi koji u svom sastavu imaju akumulacione hidroelektrane velikih zapremina i instalisanih snaga, povoljniji sa gledišta sigurnosti. U novije vreme se čak i u najrazvijenijim EES grade visoko instalisane akumulacione ili reverzibilne hidroelektrane, prevashodno zato da bi se poboljšala sigurnost funkcionisanja EES.
17
Ekonomičnost Posmatrajući EES kao tehnološku celinu, zahteva se da troškovi proizvodnje, prenosa i raspodele električne energije budu što niži. Ispunjenju tog zahteva najviše doprinose hidroelektrane različitih tipova, ne samo zbog proizvodnje neuporedivo jeftinije hidroenergije, već i zbog toga što svojim fleksibilnim radom omogućavaju da postojeće termoelktrane rade u ekonomski najpovoljnijim režimima, što ravnomernije, sa najvećim koeficijentom korisnog dejstva. Zato se i smatra da uvođenje hidroelektrana u EES, doprinosi jačanju ekonomske stabilnosti EES. Na to ukazuju i sledeće činjenice:
Sa razvojem EES i promenama nivoa konzuma i strukture proizvodnje menja se uloga hidroelektrane u sistemu, pa time i uslovi za njihovu ekonomsku valorizaciju. Povećava se vremenom optimalna instalisana snaga hidroelektrana svih tipova, a u EES one preuzimaju sve važniju i delikatniju ulogu u obezbeđivanju vršne snage i energije i ostvarivanje zahtevane rezerve i sigurnosti funkcionisanja sistema. Ta promena uloge hidroelektrana u EES učiniće ekonomičnim u budućnosti i neka postrojenja, koja se do sada ne bi mogla svrstati u kategoriju ekonomski iskoristivog potencijala. Zbog tendencija poskupljenja fosilnih goriva i porasta cena energije na pragu termoelektrana, sve veći broj planiranih hidroelektrana, ranije neekonomičnih, postaje ekonomski prihvatljiv. Tendencije u sferi vrednovanja hidroelektrane su takve da kriterijum ekonomičnosti za razmatrane hidroelektrane postaje dosta uprošćen: postaje ekonomična svaka hidroelektrana čija je cena energije niža od cene energije najskuplje termoelektrane čiju bi proizvodnju svojim ulaskom u pogon istisla iz EES. Uvođenje novih hidroelektrana u EES doprinosi povećanju njegove ekonomske stabilnosti. Ta činjenica će biti sve relevantnija u budućnosti. Razvoj tehnologije opreme za hidroelektrane omogućava sve ekonomičnije korišćenje i dela potencijala koji se ranije klasičnom tehnologijom nije mogao ekonomično koristiti. To se naročito odnosi na razvoj cevnih agregata raznih izvedbi, koji omogućavaju hidroenergetsko korišćenje i sasvim malih padova.
Iz svega gore navednog može se zaključiti da su hidroelektrane najpogodniji objekti za zadovoljenje uslova dovoljnosti, kvaliteta, sigurnosti i ekonomičnosti u jednom mešovitom EES. Sve to, uz izuzetno važnu činjenicu da se u njihovom slučaju radi o obnovljivom i ekološki čistom vidu energije, upućuje na nužnost inteziviranja korišćenja hidroenergetskog potencijala. Ako se još i zna da se sve savremene strategije razvoja energetike prave pod sloganom "3E - efikasnost, ekonomičnost, ekološka zaštita" - pravi objekti, koji zadovoljavaju sva ta tri uslova su hidroelektrane.
18
5.3 Pokrivanje dijagrama opterećenja u mešovitom EES Uloga jedne hidroelektrane u EES i način njenog korišćenja (uklapanja u dijagram opterećenja, uloga u rezervi sistema) zavisi od niza faktora, od kojih su najbitniji sledeći:
struktura elektrana u EES, njihova veličina, udeo u proizvodnji, radne karakteristike (veličine tehničkih minimuma termoelektrana, itd.); oblik i karakteristike dijagrama opterećenja; karakteristike hidroelektrana (protočne, akumulacione) i njihove radne performanse (instalisana snaga, veličina pojedinih agregata, tip turbina, vrednost koeficijenta korisnog dejstva, karakteristike prelaznih režima); hidrološke prilike na području EES itd.
Protočne hidroelektrane su energetski manje vredni objekti. To proizilazi iz činjenice da je raspoloživa snaga određena dotokom vode i raspoloživim padom. U uslovima napregnutog rada EES čine se napori da se i ovakve hidroelektrane kratkotrajnim regulisanjem prilagođavaju potrebama, kako bi dale veću snagu od raspoložive snage vodotoka na račun izvesnog obaranja pada. Međutim, zbog veoma male zapremine u zoni gornje vode takve su mogućnosti ograničene. Zbog toga se za prave protočne hidroelektrane može reći da je raspoloživa snaga hidroelektrane jednaka trenutnoj snazi vodotoka. Zato one imaju značajniju ulogu u EES samo u vodnom delu godine, dok im se u sušnom delu godine određuje vreme za remont. Akumulacione hidroelektrane mogu biti raznih stepena regulisanja - dnevnog, nedeljnog, godišnjeg i višegodišnjeg. Njihova glavna karakteristika je da mogu u određenim intervalima vremena, da razviju snagu koja je samo funkcija pada i koja ne zavisi od trenutnog dotoka u akumulaciju. To je maksimalna snaga koju može da da hidroelektrana i koja je ograničena njenom instalisanom snagom. Zato su akumulacione hidroelektrane veoma važne za EES iz sledećih razloga: a. Zbog visokih manevarskih sposobnosti veoma su pogodne da rade kao rotirajuća rezerva sistema(ovu rezervu čine oni agregati koji se nalaze u radu, ali su samo delimično opterećeni, pa su u stanju da vrlo brzo prime na sebe dodatno opterećenje).U tom slučaju, podizanje opterećenja i dostizanje najveće raspoložive snage jednako je brzini delovanja regulatora turbina i iznosi samo nekoliko sekundi. b. Zbog mogućnosti veoma brzog ulaska u rad (start i sinhronozacija na mrežu iz stanja mirovanja iznosi samo nekoliko desetina sekundi) veoma su pogodne da prime na sebe ulogu hladne rezerve sistema. c. Veoma se fleksibilno prilagođavaju opterećenju, tako da su najpogodnije za pokrivanje vršnih delova opterećenja. Reverzibilne hidroelektrane su elektrane visokih manevarskih sposobnosti. Međutim, njihova energija je jako skupa zbog utrošene energije za pumpanje. Zbog toga se one koriste da kratkotrajnim angažovanjem pokriju same vrhove dijagrama opterećenja, pa zatim prelaze u čekanje kao vrlo važna hladna rezerva(ovu rezervu čine agregati elektrana koji se nalaze u punoj pogonskoj spremnosti, ali su van pogona).
19
5.4 Rezerve snage u sistemu Savremeni EES zahtevaju visoku pouzdanost isporuke tražene električne energije, kao i njen visok kvalitet, sa stanoviša učestanosti i napona. Te zahteve treba ostvariti u uslovima stalnih varijacija potrošnje, kao i u uslovima raznih stohastičkih događaja koja menjaju konzum ili utiču na proizvodni podsistem. Zato je potrebno, u skladu sa promenama konzuma, uključivanjem i isključivanjem pojedinih agregata, odnosno zahtevima dispečera da elektrane dižu ili smanjuju opterećenje. Za ovo su najpogodniji agregati hidroelektrana, zbog veoma velike operativnosti. Obezbeđivanje rezerve je posebno bitno za ostvarivanje visoke pouzdanosti EES u uslovima kvarova, raznih vidova remonta i održavanja agregata. Planski remonti se obavljaju po unapred predviđenom programu za svako postrojenje u EES. Teži se da se agregati hidroelektrana remontuju onda kada njihovo izvođenje iz pogona ima najmanje posledice po EES. Tako se za protočne hidroelektrane remont planira u periodu kada su najmanji protoci u rekama (leto, početak jeseni). Remont akumulacionih hidroelektrana se planira u periodu povoljnih hidroloških prilika, kada je predviđeno intenzivno punjenje akumulacija, po pravilu u proleće. Aspekt rezerve EES postaje sve bitniji za planiranje hidroelektrana. Naime, postoji tendencija ugrađivanja sve krupnijih proizvodnih jedinica u EES. To ukrupnjavanje agregata ima veoma bitan odraz na planiranje hidroelektrana, jer se od njih sve više očekuje da, zahvaljujući svojoj mobilnosti, podmiruju vršni deo dnevnog dijagrama opterećenja, kao i da učestvuju u obezbeđenju potrebne rezerve EES. Kao posledica tih zahteva znatno se povećava instalisanost hidroelektrana. Od njih se sada traži da svojom snažnom instalacijom predstavljaju moćnu rezervu EES, da u slučaju potrebe vrlo brzo uđu u rad (u mogućnosti da iz stanja mirovanja prime puno opterećenje za nekoliko minuta), pokriju vršni deo dnevnog dijagrama opterećenja, a zatim ponovo pređu u rezervu u pripravnosti, obezbeđujući na taj način neophodnu visoku pouzdanost EES. Od hidroelektrana se sve manje očekuje da rade dugo, već da sa relativno kratkim ulascima u sistem obezbeđuju operativne rezerve EES i pokrivaju vrhove opterećenja. To ujedno utiče i na kriterijum za određivanje instalisanosti hidroelektrana , pa će se ubuduće povećavati njihova instalisana snaga.
20
6. Karakteristike hidroelektrana Instalisana snaga Faktor snage Maksimalna snaga Raspoloživa snaga Garantovana snaga hidroelektrane Instalisani protok Karakteristični padovi Moguća godišnja proizvodnja Moguća srednja godišnja proizvodnja Realizovana godišnja proizvodnja Godišnja proizvodnja određenih verovatnoća Moguća proizvodnja varijabilne i konstantne energije Korisna zapremina akumulacije
Instalisana snaga Instalisana snaga se definiše kao aritmetička suma snaga svih agregata - generatora. Po pravilu se iskazuje preko prividne snage S (MVA), ali se često paralelno sa tim navodi i aktivna snaga P (MW).
Faktor snage Faktor snage cosφ je bitna karakteristika naizmenične struje. Ako postoji izvesna fazna razlika φ između struje i napona onda u toku periode postoje intervali tokom kojih izvor daje energiju kolu i drugi tokom kojih izbor dobija energiju nazad iz kola. Iz ovoga proizilazi važan zakljužak: fazna razlika između struje i napona napoželjna je u električnim kolima čiji je zadatak isporuka energije iz izvora ka potrošaču, jer smanjuje korisno vreme slanja energije. Zbog toga se u elektrotehnici teži da se smanji ugao fazne razlike φ, tj. da se faktor snage cosφ dovede do vrednosti što bližih jedinici. U EES regulacija reaktivnih snaga, odnosno uspostavljanje ravnoteže između odatih i apsorbovanih reaktivnih snaga koja prati regulaciju napona, veoma je važan proces, od čijeg valjanog rešenja zavise gubici u EES i ostvarenje zahtevanih napona u ključnim čvorovima EES. Tok reaktivne snage u mreži prouzrokuje dodatne gubitke, pad napona i smanjenje propusne sposobnosti vodova i transformatora. Zbog toga se teži da se elektranama u blizini velikih potrošača reaktivne snage poveri što veća uloga u generisanju reaktivne snage, dok se kod elektrana na periferiji EES teži da se što više poveća faktor snage kako bi se smanjili gubici na prenosu. Zato se kod hidroelektrana obavezno iskazuje cosφ čime se definiše njena uloga u generisanju reaktivne snage.
21
Maksimalna snaga Maksimalna snaga se može razlikovati od instalisane snage. Dok je instalisana snaga suma snaga agregata posmatrajući ih pojedinačno, maksimalna snaga je najveća snaga koju elektrana može da postigne kao celina, uz pretpostavku da su svi delovi spremni za pogon. U slučaju hidroelektrane pri određivanju maksimalne snage pretpostavlja se da su pad i proticaj optimalni. To je slučaj kada je nivo u jezeru na najvišoj koti, a dotok je približno jednak instalisanom protoku, tako da nema prelivanja preko preliva koje bi podiglo kotu donje vode i smanjilo pad.
Raspoloživa snaga Za razliku od maksimalne snage, koja pretpostavlja najpovoljnije uslove pogona elektrane kao celine, raspoloživa snaga je najveća snaga koju hidroelektrana može da ostvari u nekom vremenskom preseku, polazeći od realnog stanja u elektrani (remonti, defekti, pregledi i sl.), a uz pretpostavku da nema ograničenja plasmanu, kao ni ograničenja zbog zahteva za proizvodnju reaktivne snage. Pri određivanju raspoložive snage hidroelektrane uzima se u obzir trenutno raspoloživ dotok vode (posebno važno kod protočnih hidroelektrana) kao i stanje u akumulaciji (raspoloživ pad). I ovde razlikujemo raspoloživu snagu na izlazu iz generatora i snagu na pragu elektrane.
Garantovana snaga hidroelektrane Pošto je rečni protok stohastička kategorija, sa velikim varijacijama protoka kako na godišnjem nivou, tako i na nivou kraćih vremenskih intervala, vrlo je bitno znati tzv. garantovanu snagu. Garantovana snaga je ona snaga koju bez obzira na hidrološke prilike hidroelektrana može da ostvari sa nekom velikom verovatnoćom. Kod protočne hidroelektrane ona se najčešće definiše kao snaga obezbeđenosti 95% sa dijagrama trajanja snage. kod akumulacionih hidroelektrana garantovana snaga ne zavisi samo od dotoka, već i od stanja akumulacije. Zahvaljujući akumulisanoj vodi takva hidroelektrana čak i pri najmanjim protocima može da razvije snagu znatno veću od od snage vodotoka, što predstavlja ključnu prednost akumulacionih hidroelektrana.
Instalisani protok Definiše se i kao veličina izgradnje hidroelektrane. To je jedna od ključnih karakteristika hidroelektrane. To je najveći protok koji hidroelektrana može da koristi u normalnom pogomu, uzimajući u obzir propusnu sposobnost turbina i kapacitet čitave dovodne i odvodne derivacije.
Karakteristični padovi Maksimalni i minimalni bruto pad hidroelektrane uslovljeni su odgovarajućim maksimalnim i minimalnim radnim nivoom u zoni zahvata i nivoima donje vode. Vrlo su bitni za izbor turbina, tako da ih često uslovljava izbor odgovarajuće turbine (često se minimalni pad koriguje na veću vrednost, jer odabrana turbina ne može da radi u tako širokom opsegu). Srednji pad (najčešće pad sa trajanjem 50% sa krive trajanja bruto pada hidroelektrane) koristi se pri analizama potencijala. Računski pad je minimalan pad pri kome se može ostvariti instalisana snaga HE pri računskom cosφ.
22
Moguća godišnja proizvodnja To je maksimalna proizvodnja koja se može ostvariti u hidroelektrani tokom razmatrane godine, uzimajući u obzir veličinu instalisane snage, veličinu vlastite i uzvodnih akumulacija, kao i konkretne vodoprivredne uslove koji su postavljeni pred razmatranom hidroelektranom (ispuštanje garantovanih protoka, potrebe plovidbe, navodnjavanje itd.).
Moguća srednja godišnja proizvodnja Definiše se kao aritmetička sredina mogućih godišnijh proizvodnji u nekom razmatranom nizu. Služi kao baza za planiranje, posebno pri upoređivanju varijantnih rešenja hidroelektrana.
Realizovana godišnja proizvodnja Ona je po pravilu niža od moguće proizvodnje, zbog povremenih ograničenja u pogledu mogućnosti plasmana energije, kao i zbog nepredvidivih ispada iz pogona pojedinih delova hidroelektrane.
Godišnja proizvodnja određenih verovatnoća Za određeni duži vremenski niz rade se energetski proračuni moguće godišnje proizvodnje za svaku godinu, uzimajući u obzir uticaj vlastite akumulacije i uzvodnih akumulacija, koje se koriste za potrebe planiranja rada hidroelektrana.
Moguća proizvodnja varijabilne i konstantne energije To je izuzetno važan pokazatelj za vrednovanje hidroelektrana. Tek se na osnovu tih pokazatelja sagledava realna uloga hidroelektrane u EES i mogućava njena realnija i ekonomska valorizacija. Zbog toga se za svaku razmatranu hidroelektranu uvek iskazuju tri veličine moguće godišnje proizvodnje: ukupna, proizvodnja varijabilne i konstantne energije. Varijabilna (vršna) energija je ona energija koju hidroelektrana može da proizvede u periodu vršnog opterećenja. Konstantna energija je ona energija koju mora da proizvede hidroelektrana i u periodu niskih opterećenja,da bi se sprečio preliv vode. Ubuduće će na energetsko-ekonomsku valorizaciju hidroelektrana sve veći uticaj imati aspekt proizvedene energije, izražen udelom varijabilne energije u odnosu na ukupnu moguću proizvodnju. Zbog toga će se ubuduće dogradnje i rekonstrukcija postojećih hidroelektrana sve više raditi zbog povećanja mogućnosti proizvodnje vršne energije, a ne zbog povećanja ukupne proizvodnje.
23
N
varijabilna konstantna energija
0
24
Na ovoj slici je prikazana podela energetske proizvodnje jedne hidroelektrane tokom 24h, sa stanovišta podele na konstantnu i varijabilnu energiju. U savremenim EES raste potreba za vršnom snagom i energijom i to utoliko više ukoliko se smanjuje učešće hidroenergije u ukupnoj elektroenergetskoj proizvodnji. Zbog toga se čine posebni napori da se poveća udeo varijabilne energije raznim tehničkim merama: dodatnim povećanjem instalisane snage hidroelektrana dogradnjom novih agregata (npr. Vrla I do IV), izgradnjom uzvodnih akumulacija koje svojim izravnjavanjem voda poboljšavaju vršni rad nizvodninh postrojenja, otklanjanjem ograničenja pogona zbog nizvodnih uslova, što se može ostvariti izgradnjom nizvodnih manjih stepenica, koje primaju na sebe ulogu kompenzacionih bazena. Takav je karakterističan slučaj sa HE Đerdap I, kome su izgradnjom nizvodne stepenice HE Đerdap II otklonjena pogonska ograničenja obaveznost konstantnog rada zbog obezbeđivanja plovidbe - te je nakon toga mogao da pređe na znatno izraženiji varijabilni rad. Karakterističan je slučaj akumulacionih hidroelektrana velikih instalisanih protoka, iznad većih naselja, koje bi, kada bi radile same, imale oštra pogonska ograničenja, jer nije u naselju dopustivo da se veoma naglo menjaju protoci/nivoi, zbog elementarne bezbednosti ljudi koji silaze do reke. U takvim slučajevima se pogonska opterećenja otklanjaju nizvodnim kompenzacionim bazenom, tako da uzvodno postrojenje može da proizvodi znatno veću količinu varijabilne energije.
Korisna zapremina akumulacije Korisna zapremina akumulacije akumulacionih hidroelektrana definiše se, po pravilu ne samo jedinicama zapremine (m3) već i preko ekvivalenta, izraženog u kWh, na osnovu relacije
E
Vk H 367
gde je: Vk - zapremina korisnog prostora akumulacije, H - prosečan pad sa kojim hidroelektrana može da preradi tu vodu, η - prosečan koeficijent korisnog dejstva.
24
7. Pojmovi u hidroenergetici Na Konferenciji o energiji u svetu usvojene su sledeće definicije koje predstavljaju osnovno uputstvo organizacijama koje se bave planiranjem hidroelektrana:
61. Energetske lokacije Hidroenergetske lokacije predstavljaju deonice vodotoka na kojima je već iskorišćena ili postoji mogućnost iskorišćenja snage vode. Lokacije na kojima su izgrađeni objekti za proizvodnju energije, gde su već instalirani „vodenički točkovi“, gde se energija proizvodi ili postoji mogućnost njene proizvodnje, nadalje ćemo nazivati razvijenim energetskim lokacijama. Sve ostale lokacije nazivaćemo nerazvijenim. 62. Potencijalni energetski resursi a) Potencijalni energetski resursi bilo koje zemlje, deonice ili rečnog basena predstavljaju ukupni potencijal svih energetskih lokacija i razvijenih i nerazvijenih u toj zemlji, deonici ili rečnom basenu. b) Da bi se i nerazvijene lokacije uključile u ovu definiciju, one moraju imati takav pad, protok i fizičke uslove da bi se mogle iskoristiti za proizvodnju energije.
63. Bruto potencijal energetskih lokacija a) Bruto potencijal energetskih lokacija predstavlja ukupan teoretski 100%-ni potencijal izražen u kW i zavisi od protoka i raspoloživog pada. b) Bruto potencijal se može izračunati na osnovu sledeće formule: N
dE mgH VgH kg m g Q H 1000 3 9.81 2 Q H dt t t m s
7.1
kada je visina H data u metrima, a protok Q u m3/s, bruto potencijal iznosi: N = 9.8QH [kW],
7.2
a kada je visina H data u stopama, a protok Q u ft3/sec, bruto potencijal iznosi: N = 0.085QH [kW]
7.3
25
64. Stepeni protoka a) Bruto potencijal energetskih lokacija biće izračunat preko tri stepena protoka koje Međunarodna elektro-tehnička komisija definiše na sledeći način: 1. Q95, ili „prirodni ili trenutni protok na 95% vremena ili ekvivalenta“ 2. Q50, ili „prirodni ili trenutni protok na 50% vremena ili ekvivalenta“ 3. „Srednji aritmetički protok“ I u slučaju razvijenih energetskih lokacija, četvrti stepen protoka biće prosečan protok na ovakvoj lokaciji određen maksimalnim hidropotencijalom ugrađenih „vodeničkih točkova“. b) „Prirodni protok“ je protok koji nije veštački promenjen derivacionim kanalom ili izgradnjom akumulacije. c) „Trenutni protok“ je protok, prirodni ili modifikovani, koji se dešava za vreme prikupljanja podataka i pod trenutnim uslovima. d) Kada „trenutni protok“ odstupa od „prirodnog“ onda se u obzir uzima prethodni protok koji je ili izmeren ili procenjen. e) Srednji protok utvrđen za niz godina Q95S ili Q50S, za pojedinačnu godinu i modifikovan približnim faktorom protoka koji je zasnovan na ostalim procentima, biće definisan kao „ekvivalent“ protocima Q95 i Q50 koji su gore navedeni.
65. Bruto pad energetskih lokacija Bruto pad koji se koristi pri proračunu ukupnog potencijala energetskih lokacija za svaki od navedenih stepena protoka predstavlja trenutnu razliku u nivou između površine vode na početku i na kraju lokacije, ne uzimajući u obzir smanjenje zbog gubitaka.
66. Lokacija akumulacije a) Akumulacija predstavlja jezero ili deonicu rečne doline čiji je potencijal uskladištene vode veštački povećan izgradnjom brane. b) Pri proračunu potencijala ovih akumulacija, biće uvrštene samo one lokacije koje doprinose povećanju protoka, dok akumulacije koje se koriste samo za promenu dnevnog protoka neće biti uvrštene. c) „Razvijene akumulacije“ obuhvataju samo one lokacije kod kojih je veštačkim putem ostvareno iskorišćenje potencijala i iz kojih se koristi uskladištena voda, ili postoji mogućnost njenog iskorišćenja za proizvodnju energije.
26
67. Bruto potencijal akumulacije a) „Bruto potencijal“ akumulacija predstavlja ukupan teoretski 100%-ni potencijal izražen u kWh/god koji se ostvaruje pri bruto padu . b) Bruto potencijal se može izračunati preko sledeće formule: E N t 9.81 Q H t 9.81
V N H t 9.81 3 V m 3 H m t m
E 9.81 V H [Nm]
7.4
Pošto je poznato da je 1 (Nm) = 1 (Ws) = 1 (J) = 1/3600 (Wh) = 1/3.600000 (kWh), sledi da: kada je zapremina vode V data u hiljadama metara kubnih, a bruto pad H u metrima, ; bruto potencijal akumulacije iznosi E= 2.72VH [kWh],
7.5
a kada je zapremina vode V data u milionima metara kubnih, a bruto pad H u stopama; ili preko formule: E= 23.5VH [kWh],
7.6
a kada je zapremina vode V data u kubnim stopama, a bruto pad H u stopama.
E= VH [kWh].
7.7
c) Bruto potencijal razvijenih akumulacija predstavlja postojeći trenutni potencijal, ili teoretski kWh energije koju akumulisana voda može da proizvede u postojećoj hidroelektrani.
68. Zapremina akumulacija Zapremina akumulacije se koristi za proračun bruto potencijala razvijene akumulacije i predstavlja prosečnu godišnju zapreminu akumulisane vode u rezervoaru koja se koristi za proizvodnju energije u posmatranom periodu u zavisnosti od krive zapreminskog potencijala rezervoara i nivoa vode. 69. Bruto pad akumulacije Bruto pad se koristi za proračun bruto potencijala razvijene akumulacije i predstavlja sumu bruto potencijala, koji su definisanu u paragrafu 65, svih razvijenih energetskih lokacija, koje koriste, ili su u mogućnosti da koriste akumulisanu vodu iz ovih rezervoara.
27
70. Elektrana a) „Hidroelektrana“ predstavlja skup fizičkih kostrukcija i oprema postavljenih na određenim energetskim lokacijama i koje su u mogućnosti da delimično ili u potpunosti iskoriste potencijal ovih lokacija. Ovaj termin obuhvata i brane, cevovode, mašinske hale i opremu itd. b) Hidroelektrane su elektrane kod kojih se mehanička energija „vodeničkih točkova“ preko generatora pretvara u električnu. Ponekad se ova mehanička energija vode direktno koristi bez pretvaranja u električnu. Tada se radi o „neelektričnim elektranama“ 71. Vodenički točak Termin „vodenički točak“ obuhvata tip obrtnih mašina kao što su turbine, koje se koriste za pretvaranje potencijalne energije vode u mehaničku energiju. 72. Instalisani potencijal vodeničkog točka Instalisani potencijal vodeničkog točka u razvijenim elektranama obuhvata potencijal svih turbina koje su u pogonu, ili koje su spremne da uđu u pogon kada se to zahteva; on se meri na vratilu turbine i izražava se u kW. 73. Instalisani potencijal generatora Instalisani potencijal generatora u razvijenim elektranama obuhvata potencijal svih generatora koji su u pogonu, ili koji su spremni da uđu u pogon kada se to zahteva; meri se na izlaznim krajevima i izražava u kW za jednosmernu struju i u kVA za naizmeničnu struju.
28
Primer 1 – Date su karakteristike vodotoka jedne deonice reke Tise : maksimalan Protok Q..................................3500 Brzina v.................................... 140 Prosečan gradijent...................5 cm/km
srednji 460 0.70
minimalni 90 m3/sec 0.30 m/sec
Izračunati potencijalnu snaga vode na deonici od 40km i udeo kinetičke energije pri navedenim protocima. Potencijalna snaga vode se izračunava preko formule: Np [kW] = 9.8Q [m3/sec] x H [m]
Za
maksimalan srednji minimalni
protok:
Np = 9.8 x 3500 x 2.00 ≈ 68,600 kW Np = 9.8 x 460 x 2.00 ≈ 9,020 kW Np = 9.8 x 90 x 2.00 ≈ 1.764 kW
za k=v2/2g dobija se: pri maksimalnom protoku: 1.402/19.62 = 10 cm pri srednjem protoku: 0.702/19.62 = 2.5 cm pri minimalnom protoku: 0.302/19.62 = 0.5 cm Na celokupnom padu posmatrane deonice, udeo kinetičke energije iznosi:
pri maksimalnom protoku: (10/200) x 100 = 5.00 pri srednjem protoku: (2.5/200) x 100 = 1.25 pri minimalnom protoku: (0.5/200) x 100 = 0.25 procenata potencijalne snage vode.
Primer 2 – Proceniti specifičnu snagu vode po kilometru deonice reke ako je data vrednost protoka Q50 = 126 m3/sec i pada H = 38.47m. Potencijalna snaga vode posmatrane deonice iznosi: Np50 = 9.8Q50H = 9.8 x 126 x 38.47 = 47,500 kW Pošto ukupna dužina posmatrane deonice iznosi 27.8 km, specifična potencijalna energija iznosi: 47,500/27.8 = 1708 kW/km
29
8. Planiranje hidroelektrana
8.1 Korišćenje vodnih snaga 8.2 Izučavanje hidroenergetskog potencijala
8.1 Korišćenje vodnih snaga Hidroenergetski objekti i sistemi su najsloženiji zahvati u prostoru. Kao grana hidrotehnike, korišćenje vodnih snaga koristi naučna dostignuća još i čitavog niza drugih nauka - geotehnika, elektroenergetike, turbomašinstva, teorije sistema, ekonomije, ekologije (veće hidroelektrane su ozbiljan zahvat u vodenom ekosistemu, koga valja na vreme i detaljno proučiti, kako bi se tokom planiranja postrojenja našla adekvatna rešenja kojima se neutrališu ili ublažavaju negativni, a povećavaju pozitivni efekti objekata na ekosisteme); sociologije, a posebno socijalne psihologije (realizacija većih hidroenergetskih sistema zahteva mudro rešavanje niza socijalnih problema koji izazivaju potapanje naselja i obradivih površina, nephodnost migracije i profesionalne preorijentacije stanovništva na području sistema), itd. Zasniva se, takođe, i na primeni praktično svih oblasti građevinske tehnike: mehanike, otpornosti materijala, hidrologije, mehanike fluida i hidraulike, teorije konstrukcija, tehnologije građevinskog materijala, mehanike tla, teorije hidrotehničkih i betonskih i čeličnih konstrukcija, organizacije građevinskih radova, itd. Takođe, primenjuju se i dostignuća iz: inženjerske geologije, mehanike stena, seizmologije, automatike, elektromašinstva, teorije informacija, teorije odlučivanja, itd. Posebno se izdvajaju: problemi dinamike rečnih tokova, regulacija reka i stabilizacija obala u zoni uspora i nizvodno od elektrana, plovidba i brodske prevodnice, odvodnjavanje i zaštita priobalja, problemi zaštite kvaliteta vode u akumulacijama, kanalisanje naselja koja se nalaze u zoni prostiranja uspora, antieroziona zaštita i asanacija zemljišta sliva, odbrana od poplava. O složenosti i kompleksnosti korišćenja vodnih snaga govori činjenica da u okviru jednog složenog hidroenergetskog sistema treba uklopiti u skladnu celinu visoke brane, dovodne i odvodne derivacije, naći optimalna rešenja za dispoziciju mašinskih zgrada, izmestiti stare i podići nove komunikacije sa brojnim objektima (mostovima, tunelima), raseliti naselja i podići nova, rešiti egzistencijalne probleme stanovništva koje se preseljava i/ili kojima se menja zanimanje, rešiti probleme odvodnjavanja priobalja, regulisanje i stabilizacija rečnog toka uzvodno i nizvodno, rekonstrukcija vodovoda i kanalizacije naselja, itd. To zahtava stručnjaka visoke tehničke i opšte kulture, koji je u stanju da sve probleme uoči na vreme, a zatim da ih u saradnji sa stručnjacima drugih profila rešava, dovodeći čitav planirani sistem u jednu skladnu, funkcionalnu, pouzdanu, humanističku i ekološki celishodnu i ekonomski opravdanu strukturu.
30
8.2 Izučavanje hidroenergetskog potencijala Izučavanje hidroenergetskog potencijala predstavlja osnovu za sva druga planiranja u domenu iskorišćenja vodnih snaga u okviru kompleksne energetike. Iako hidroenergetski potencijal, posmatran kao energetska kategorija, predstavlja obnovljiv i postojan vid primarne energije, neophodno je detaljno izučavanje njegovih karakteristika, kako bi se uvek raspolagalo aktuelnim podacima o njegovim iskoristivim oblicima. Pošto je rečni protok stohastička kategorija, neophodna su stalna hidrološka istraživanja, koja omogućavaju što pouzdanije određivanje raznih oblika vodnih potencijala. Konačan cilj izučavanja hidroenergetskog potencijala je određivanje tehnički i ekonomski iskoristivih potencijala, na osnovu kojih se ulazi u dalja planiranja. Bitno je imati u vidu da se te dve kategorije potencijala menjaju tokom vremena. One zavise od tehničkih koncepcija i ekonomskih uslova iskorišćenja vodnih potencijala, kao i od uslova u EES pod kojima se valorizuje elektroenergetska proizvodnja.
Tehnički iskoristiv potencijal Tehnički iskoristiv potencijal predstavlja onaj deo hidroenergetskog potencijala za koji je odgovarajućom tehničkom dokumentacijom utvrđeno da se može tehnički realizovati. Ovaj potencijal se određuje na osnovu hidroenergetskih ili vodoprivrednih osnova slivova i dovoljno pouzdane razrade generalnih projekata hidroenergetskih objekata. U ovoj fazi se bira optimalna varijanta konfiguracije sistema, određuju se kote uspora i zapremine akumulacija, bira se instalisanost HE, a zatim se određuje energetska proizvodnja. Postrojenja moraju biti hidrološki tako izučena da se može dovoljno pouzdano odrediti prosečna hidroenergetska proizvodnja. Osnovni razlozi promene tehnički iskoristivog potencijala su :
Nekontrolisana urbanizacija dolina i njihovo zaposedanje industrijskim i infrastrukturnim objektima onemogućiće u budućnosti realizaciju izvesnog broja hidroenergeskih postrojenja koja se sada svrstavaju u kategoriju tehnički iskoristivog potencijala. Urbani, privredni i infrastrukturni objekti i sistemi, najčešće sa razvijaju ne vodeći računa o položaju i dispoziciji objekata za iskorišćavanje vodnog potencijala. To za posledicu ima da se kasnije nameću sve brojnija i oštrija ograničenja, naročito u pogledu mogućnosti realizacije planiranih akumulacija. Brz demografski rast, tehnološki i urbani razvoj dovode do velikog povećanja potrošnje vode u raznim granama vodoprivrede. Tada deo zahvaćene vode postaje nepovratno izgubljen sa stanovišta iskorišćenja hidroenergetskog potencijala i ne može se iskoristiti zbog smanjenja proticaja za HE i obaranja pada. Građenje krupnih objekata i sistema u novije vreme se podvrgava sve oštrijim ograničenjem sa stanovišta uklapanja u okruženje. Znatno je porasla svest društva da se zaštite prirodne retkosti, spomenici kulture, itd, pa se dovodi u pitanje realizacija hidroenergetskih objekata na tim lokalitetima. Usled toga jedan deo iskoristivog potencijala, najčešće ekonomskog, neće moći da se iskoristi. Međutim, često se zaboravlja da akumulaciona jezera, naročito ona koja predstavljaju velike rezervoare vode najvišeg kvaliteta, locirane u gornjim slivovima, imaju veoma pozitivan uticaj na životnu sredinu, jer povećanim protocima čiste vode spasavaju nizvodne ekosisteme.
31
Ekonomski iskoristiv potencijal Ekonomski iskoristiv potencijal predstavlja onaj deo tehnički iskoristivog potencijala čije se korišćenje ekonomski isplati, prema energetsko - ekonomskim kriterijumima i uslovima. Njegovo određivanje zahteva znatno viši nivo razrade tehničke i ekonomske dokumentacije za razmatrana postrojenja. Mora se znati ne samo da li je svaki pojedinačni objekat tehnički ostvarljiv, već i koliko košta i to na osnovu dovoljno pouzdanih predmera i predračuna. Takođe, moraju da budu razrešene sve dileme u pogledu izbora i koštanja opreme. Podrazumeva se da su potpunosti rešeni sukobi interesa energetike i ostalih korisnika voda, kako u pogledu zahtevanih vodnih režima, načina korišćenja akumulacije, tako i u pogledu utvrđivanja visine učešća pojedinih grana u izgradnji zajedničkog objekta. Drugi deo problema podrazumeva detaljnu analizu razmatrane hidroelektrane, kako bi se sagledali energetski i ekonomski efekti koji bi nastupili u EES uvođenjem u njega razmatrane hidroelektrane. Ovde se za neki merodavan vremenski presek u budućnosti definiše nivo konzuma, njegove karakteristike, karakteristike i performanse svih elektrana u sistemu, itd. Zatim se na bazi analize troškova u EES bez razmatrane hidroelektrane i sa njom određuju uštede u EES do kojih dolazi usled izgradnje analizirane hidroelektrane. Tek tada se može, na osnovu analize ušteda i troškova građenja hidroelektrane, odrediti da li taj objekat spada u klasu ekonomski iskoristivog potencijala. To će biti detaljnije objašnjeno u poglavlju 12.
32
9. Potencijal vodotoka Prvi korak iskorišćavanja energije vodotoka je proučavanje fizičke snage posmatrane deonice reke. Rad koji se na toj deonici izvrši za savlađivanje trenja može se korisno upotrebiti. Za bilo koju deonicu rečnog toka, koju karakteriše pad H (m) i protok Q m3/sec, teoretski se potencijalna energija može iskazati sledećom formulom:
N p QH 1000QH [mkg/sec]
9.1
ili izražena preko konjskih snaga: Np
1000 QH 13.3QH [KS] 75
9.2
ili u kilovatima: N p 13.3 0.736 QH 9.8QH [kW]
9.3
Zbog promene protoka, usled gubitaka na posmatranoj deonici, protok Q u gornjoj relaciji, ustvari, predstavlja srednju vrednost protoka Q1 na početku deonice i protoka Q2 na kraju deonice. Q = (Q1 + Q2)/2
9.4
Teorijski se snaga reke računa kao ukupna suma vrednosti snaga pojedinih deonica:
Np
1000QH 0.736 9.8 QH [kW] 75
9.5
Pri određivanju vrednosti snage vodotoka postavlja se pitanje koje vrednosti H i Q upotrebiti pri proračunu.Ukoliko zanemarimo veoma kratke deonice reke, promena pada H je zanemarljiva, pa se nivo površine može smatrati konstantnim. S druge strane, proučavanje promene protoka je od velike važnosti. Potencijalna snaga vode se menja sa promenom vrednosti protoka.Uobičajene vrednosti protoka su date na sledećoj slici:
33
1. Minimalna potencijalna snaga ili teoretski 100% potencijal predstavlja vrednost dobijenu za najmanji posmatrani protok – NP100. 2. Mala potencijalna snaga. Teoretski potencijal od 95% se dobija za protok pri 95% posmatranog vremenskog intervala na krivoj protoka – NP96. 3. Potencijalna snaga mediane. Teoretski potencijal od 50 % koji se dobija za protok pri 50% posmatranog vremenskog intervala na krivoj protoka (ponekad se naziva snagom koja je iskoristiva za šest meseci ili 4380 h) – NP50. 4. Srednja potencijalna snaga. Vrednost srednjeg teoretskog potencijala koji se dobija na osnovu srednjeg godišnjeg protoka za period 10-30 godina. Treba napomenuti da se vrednosti NP95 i NP50 najčeše uzimaju sa krive prosečnog protoka, bez obzira na to što kriva prosečnog protoka za posmatranu godinu ne predstavlja ujedno i krivu prosečnog protoka za duži period. Greška u proračunima je zanemarljiva. Međutim, stvarno iskoristivi potencijal je manji od teoretski iskoristivog potencijala zbog neizbežnih gubitaka pada između razmatranih preseka na deonici korišćenja, zbog nemogućnosti energetskog iskorišćenja celokupnog protoka, kao i zbog gubitaka u procesu energetske transformacije. Deo pada se izgubi zbog uspora na deonici korišćenja, a jedan deo zbog nemogućnosti da se svi potezi reke iskoriste, usled ograničenja koja postavljaju naselja i razni objekti locirani u dolini. Gubitak protoka nastaje zbog toga što je instalisani protok uvek manji od protoka u reci u periodu velikih voda, zbog isparavanja sa vodene površine akumulacija, a i zbog infiltracije u podzemlje. Svi ovi gubici se mogu obuhvatiti koeficijentom iskorišćenja koji se kreće u granicama od 0.75-0.80.
34
Zbog toga je neto iskoristiva snaga rečnog toka:
N mnet (7.4 8.0) Qm H [kW]
9.6
gde je Qm – srednji godišnji protok.
35
10. Kurs planiranja i izgradnje Planiranje elektrana se može svrstati u sledeće faze: 1. Naučne i tehničke pripreme: hidrografske, meteorološke, hidrogeološke, geološke itd.; osnovna istraživanja i studije; geodetski pregled i modelovanje. (Operacije u hidrografiji, meteorologiji i hidrogeologiji se mogu svrstati pod imenom hidrologije). 2. Procene snage. Krive snage, istraživanja opterećenja. Planiranje kooperacije. Ekonomske analize. 3. Projektovanje građevinskih i hidrauličkih struktura (uključujući sva hidraulička, strukturalna, geološka i druga istraživanja zajedno sa detaljno anliziranim modelima). 4. Projektovanje mehaničke i elektro opreme (uključujući neophodne proračune i testove, kako hidrauličke, tako i ostale). 5. Projektovanje čeličnih konstrukcija, koje se, s jedne strane, odnosi na građevinske strukture, a sa druge strane na mehaničku opremu. 6. Arhitektonski dizajn 7. Procene troškova i ekonomska razmatranja. Planiranje hidrauličkih projekata najčešće nije izvodljivo do krajnje forme, ali na osnovu zahteva svake faze, studije moraju da obuhvataju i najsitnije detalje što omogućava visok nivo pouzdanosti i pripremljenosti. U planiranje moraju da budu uključeni stručnjaci iz velikog broja oblasti. Pravi kurs planiranja je zasnovan na postepenom aproksimiranju. Razlikuju se sledeće faze planiranja: a)
b)
c)
d)
Raspored i uređenje (hidrološke studije; skice dijagrama sa osnovnim podacima; probne procene snage; procene troškova investiranja). Ovaj pripremni izveštaj je zasnovan na dostupnim podacima i mapama, dopunjen iskustvenim građevinskim podacima. Najbolje je u prvoj fazi planiranja sagledati sve moguće uticaje na okolinu. Preliminarno projektovanje (uključujući informativne procene snage i analizu troškova). U ovoj fazi neophodno prikupiti podatke geofizičkih i hidrografskih istraživanja. Takodje, neophodna je i procena uticaja na okolinu. Glavni projekat (uključujući detaljne procene snage i detaljnu ekonomsku analizu). U ovoj fazi planiranja su hidrološki i geološki istraživački radovi, topografske mape, kao i petrografička proučavanja nezamenljivi. Za pripremu glavnog projekta, rezultati hidroloških testiranja na modelima su već dostupna i jedino su odložena ona od manje važnosti. Detaljna studija uticaja na okolinu je već priključena projektu. U cilju stvaranja kompletne slike napredovanja projekta, potrebno je u mnogim slučajevima pripremiti komparativnu analizu. Završni projekat (uključujući sve neophodne proračune i dodatne procene troškova investiranja).
Gore navedene operacije, planovi i proračuni u kombinaciji sa nizom različitih struka u okviru tehničkih nauka dovode do potpunog sklada svih faza planiranja. Budući da su svi naučni principi i praktične metode već obuhvaćene navedenim fazama nisu potrebna nikakva specijalna objašnjenja u vezi sa napretkom u planiranju hidroelektrana.Tačnost planiranja zavisi od delovanja glavnih inženjera pri planiranju elektrana.
36
Izgradnja i organizacija , uključujući proizvodnju i instalaciju opreme, sastoje se od sledećih faza: 1. Raspored izgradnje je precizno hronološki utvrđen i sastoji se od sledećih elemenata: trenutne i naredne operacije, zahtevani materijal, transportna sredstva, proizvodnja i instalacija opreme, finansijsko stanje, potrebna ljudska snaga i mašinerija. Ovo podrazumeva tehnički i finansijski plan rada. 2. Odvojeno će se planirati tehnička realizacija komplikovanih građevinskih i hidrauličkih konstrukcija. 3. Planiranje gradilišta nadovezuje se na stavku 2 i obuhvata sledeće: komunikacioni sistem, barake za smeštaj radnika, kancelarije, energetske izvore na gradilištu, vodosnabdevanje, deponiju, radionice, mašine i nihov plan rada. 4. Proizvodnja mehaničkih, hidromehaničkih, elektromehaničkih, električnih i drugih uređaja, opreme i čeličnih konstrukcija. 5. Priprema zemljišta za elektranu koja obuhvata sve radove navedene pod stavkom 3. 6. Konstrukcioni radovi i instalacija mašina i ostale opreme. 7. Probno testiranje mašina i ostale opreme. S obzirom na to da postoji više varijanti rešenja koje treba uzeti u obzir u prvom stadijumu planiranja, pored tehničkih faktora, na izbor najpoželjnijeg rešenja najčešće utiču ekonomska razmatranja. Na broj varijanti i na stepen razrade projekta ne utiču samo okruženje nego i privlačnost i značaj samog projekta. U nekoliko slučajeva preporučuje se ili je čak neophodno da se naprave test modeli različitih faza konstruisanja. Cilj izučavanja ovih modela je predviđanje mogućeg protoka i priprema za bezbedno upravljanje izgradnjom. Zato se moraju konsultovati eksperti za nautiku.
37
11. Ekonomske karakteristike hidroelektrana 11.1 Ekonomska analiza projekta 11.2 Troškovi elektrana 11.3 Cena električne energije kao faktor planiranja 11.4 Načini ekonomskog vrednovanja projekta
11.1 Ekonomska analiza projekta Ovde postoje dve ključne ocene - o ekonomskoj i finansijskoj izvodljivosti projekta. Ekonomska izvodljivost - zasniva se na analizi svih dobiti i troškova od projekta, pri čemu se u dobiti svrstavaju i one nesumnjive koristi za društvo, koje nemaju jasno iskazane investitore koji bi učestvovali u finansiranju projekta. Ukoliko su tako iskazane ukupne dobiti za društvenu zajednicu veći od ukupnih troškova - projekat je ekonomski izvodljiv. Finansijska izvodljivost - je obaveznija i konkretnija kategorija, jer se u oviru te analize mora mnogo konkretnije i jasnije da sagleda ko će biti investitor i ko će i pod kojim uslovima snositi troškove kapitala (ko će servisirati dugove i pod kojim uslovima), i ko će učestvovati u pokrivanju pogonskih troškova i troškova održavanja. Znači, više se ne posmatra neka anonimna "društvena zajednica", i ne razmatraju se sve koristi od projekta, već se konkretno sagledava ko je zainteresovan za koji deo projekta i ko će šta da plaća i pod kojim uslovima. Može da se desi da neki ekonomski izvodljiv projekat nije ujedno i finansijski izvodljiv. Na primer, neka akumulaciona hidroelektrana može imati značajnu ulogu u sferi zaštite od poplava, popravljanja režima malih voda, turističkog korišćenja akvatorije. Ako ne postoji neki konkretni investitor koji je spreman da prihvati i snosi deo investicionih troškova projekta kao i troškove održavanja, onda projekat nije finansijski izvodljiv, jer za elektroprivredu kao jedinog investitora nije ostvarljiv. Međutim, može da važi i obrnuto: neki projekat, gledano sa strane troškova, može biti finansijski ostvariv, ali ne i ekonomski. To se dešava ukoliko u finansijskoj analizi nisu uračunati i indirektni socijalni troškovi, koji zajedno sa uključenim troškovima prevazilaze dobit. Primer je projekat kod koga su troškovi raseljavanja razmatrani samo kao troškovi jednokratnih naknada domaćinstvima koja treba da se sele, a pri tome nisu uzeti u obzir troškovi koji obuhvataju prekvalifikaciju, otvaranje novih radnih mesta van poljoprivrede, troškove novih naselja, infrastrukture, itd. Ekonomske analize moraju da obuhvate sledeće aktivnosti tokom planiranja:
Razmatranje različitih konfiguracija i parametara sistema, kako bi se dobilo optimalno rešenje korišćenja sliva, dela sliva, ili poteza vodotoka. Upoređivanje hidroenergetskih rešenja sa alternativnim izvorima (klasične termoelektrane, gasne termoelektrane). Razmatranje hidroenergetskih rešenja u okviru višenamenskih objekata/sistema, u cilju dobijanja ekonomski ostvarljivih objekata u uslovima zajedničkih ulaganja.
38
Realno utvrđivanje svih investicionih troškova, troškova pogona i održavanja. Posebno je bitno da se determinišu indirektni troškovi, koji u nekim slučajevima mogu biti veoma veliki (troškovi ekološke zaštite, troškovi zaštite priobalja, troškovi raseljavanja, troškovi zaštite nepokretnih kulturnih dobara). U višenamenskim projektima, determinisanje učesnika u finansiranju i raspodela investicionih troškova i troškova održavanja objekata po učesnicima, određivanje dobiti pojedinih korisnika. Analiza osetljivosti zaključaka o ekonomskoj i finansijskoj izvodljivosti u uslovima promene ključnih ulaznih veličina u nekim očekivanim granicama (eskontna/diskontna i kamatna stopa, cene energije, vreme i uslovi otplate kredita) U sredinama u kojima postoje inflatorna kretanja, u analize osetljivosti rešenje uvode se i očekivane stope inflacije, a vrši se i stalna korekcija troškova održavanja.
39
11.2 Troškovi elektrana Generalno, sve troškove u energetici delimo na dve grupe: (1) stalne troškove, (2) promenljive troškove. Stalni troškovi ne zavise od proizvodnje elektrane. Uglavnom su proporcionalni investicijama (zato se često nazivaju investicionim troškovima), jer najveći njihov deo čine otplate kredita, kamate, amortizacija, itd. Stalni troškovi koji se odnose na plate zaposlenih i održavanje nisu neposredno vezani za investicije. Najvećim delom su nezavisni od proizvodnje elektrana, ali zavise u određenoj meri od investicija (poznato je da se broj zaposlenih na nekoj elektrani dovodi u vezu sa investicionom sumom). Promenljivi troškovi zavise od proizvodnje, od načina korišćenja postrojenja i praktično se definišu kao troškovi pogona elektrane (zato se često i nazivaju pogonskim troškovima). Troškovi izgradnje - investicioni troškovi obuhvataju troškove investicija za sve objekte elektrane. U slučaju hidroelektrana to podrazumeva sve građevinske objekte, kompletnu mehaničku, hidromehaničku i elektro opremu, sve naknade šteta i zamena vrednosti (troškovi preseljavanja, troškovi izgradnje novih saobraćajnica, itd.), ali i sve troškove raznih vidova zaštite koje treba obaviti da bi se objekat relizovao. Troškovi izgradnje - investicije (I) mogu se u slučaju hidroelektrana razložiti na dva člana. Jedan član (A) je nezavisan od veličine izgradnje, tj. od instalisanosti hidroelektrane (brana sa svim pratećim objektima i hidromehaničkom opremom, pripremni radovi, zaštita priobalja, naknada štete, zamena vrednosti, troškovi antierozione i ekološke zaštite, zaštita kulturnih vrednosti, itd.), dok je drugi član proporcionalan veličini izgradnje, odnosno sa instalisanim protokom Qi. To su oni troškovi koji su namenjeni građenju objekata na protočnom delu postrojenja (zahvatne građevine, dovodne i odvodne derivacije, cevi pod pritiskom, zatvaračnice na derivacijama, vodostani, turbine i njihova prateća oprema), kao i uređaji koji zavise od instalisane snage postrojenja (generatori, transformatori, razvod, i sl.).Zato se troškovi izgradnje mogu definisati relacijom: I = A + B1·Qi
11.2.1
gde su A i B1 konstante, koje zavise od tipa hidroelektrane (derivaciona ili pribranska, tip i veličina brane, veličina pada, itd.) Da bi se sagledala struktura troškova izgradnje hidroelektrane, napraviće se najsažetiji pregled vrsta pojedinih investicija, od početka realizacije hidroelektrane, do njenog ulaska u pogon. Struktura tih troškova je sledeća: 1. Prethodni radovi
istražni radovi, studije, projektovanje, stručna i tehnička kontrola projekta; troškovi investicija (troškovi investitorske organizacije).
2. Pripremni radovi
organizacija gradilišta, izgradnja graditeljskog naselja, objekata društvenog standarda (restorani, zdravstvena služba, objekti za potrebe kulture, obrazovanja, rekreacije, itd.), unutrašnji transport, itd.; pripremni građevinski radovi, neophodni za pristupanje građenju stalnih objekata, izrada pristupnih saobraćajnica, izmeštanje objekata u zoni gradilišta, izmeštanje saobraćajnica koje ometaju pristupanje građenju, predbrane, objekti za skretanje reke, itd.
40
3. Glavni građevinski radovi
izgradnja brane i svih pratećih objekata u sastavu brane (prelivi, slapišta, ispusti, zatvaračnice, itd.); zahvatne građevine kao građevinske celine; izgradnja objekata za dovodne derivacije, kao i svih pratećih objekata na derivacijama (vodostani, vodne komore, kompenzacioni bazeni, itd.); mašinske zgrade sa svim pratećim objektima; odvodne derivacije (tuneli ili kanali sa slobodnim tečenjem ili pod pritiskom), sa svim pratećim objektima u zoni donje vode (donji vodostani, regulisanje reka na nizvodnom potezu u cilju spuštanja nivoa donje vode, osiguranja korita reke, itd.); građevinski objekti u zoni razvodnog postrojenja; građevinski objekti neophodni za rad hidroelektrane (upravna zgrada, stalno naselje za zaposlene u hidroelektrani u fazi eksploatacije, neophodni objekti društvenog standarda stalnog karaktera, prostorno i infrastrukturno uređenje prostora oko hidroelektrane); građevinski radovi u sistemima zaštite priobalja: kanali, drenažni bunari, izlivne građevine, itd;
4. Oprema hidroelektrane:
hidromehanička oprema: ustave na objektima brane (prelivima, ispustima), ustave i oprema na zahvatnim organima, na dovodnoj i odvodnoj derivaciji, ustave na gornjim i donjim vodostanima, cevovodi pod pritiskom, ustave na sistemima zaštite priobalja, itd. mašinska oprema: turbine i svi prateći mašinski uređaji, pumpe raznih pratećih sistema; elektromašinska oprema: generatori sa pratećom opremom, transformatori i prateći uređaji, razvodna postrojenja, elektrouređaji u komandama, elektromašinska oprema na ostalim zaštitnim i drugim sistemima, itd.;
5. Naknada štete, zamena vrednosti, ekološka i druga zaštita
preseljavanje naselja i industrije iz zona koje se potapaju, sa svim pratećim objektima; izmeštanje saobraćajnica koje se potapaju; izmeštanje ostalih infrastrukturnih sistema: dalekovodi, gasovodi, vodovodi, kanalizacije, telekomunikacioni sistem i, itd.; preseljavanje i drugi vidovi zaštite kulturno - istorijskih vrednosti (u slučaju HE Piva u investicije je ušlo preseljenje na novu lokaciju Pivskog manastira, HE Đerdap je izmeštao više objekata: Trajanovu tablu, praistorijsko naselje Lepenski vir, itd.);
Veličina investicionih troškova je važan ekonomski pokazatelj. Međutim on svojom vrednošću ne govori mnogo o ekonomskim performansama hidroelektrane. Zbog toga se već u prvoj fazi razmatranja performansi jedne hidroelektrane koriste odgovarajući specifični pokazatelji, kako bi se omogućilo upoređivanje objekata raznih tipova. Specifične ivesticije po jedinici energije (Din/kWh) predstavljaju odnos investicija i moguće proizvodnje elektrane: iE = I/E = (A + B1·Qi)/E
11.2.2
41
Medjutim, ovaj pokazatelj ne pokazuje stvarni doprinos te hidroelektrane u okviru mešovitog EES, posebno imajući u vidu kvalitet proizvedene energije (konstantna i vršna energija). Upoređivanje hidroelektrana samo na osnovu tog pokazatelja moglo bi dovesti do potpuno pogrešnih zaključaka o stvarnoj ekonomskoj vrednosti neke hidroelektrane. Time bi posebno bile oštećene visoko instalisane vršne hidroelektrane, koje su skupe, ali izuzetno dragocene za EES, jer obezbeđuju veliku snagu u samim vrhovima dnevnog dijagrama opterećenja, a proizvode relativno malu količinu ukupne energije. Specifične investicije po jedinici instalisane snage (Din/kWh) su drugi pokazatelj, koji predstavlja odnos ukupnih investicija i instalisane snage. Troškovi izgradnje neke hidroelektrane mogu se predstaviti transformacijom izraza (11.2.1) u oblik: I = A + B·Ni
11.2.3
gde je A - konstanta koja zavisi od tipa hidroelektrane, B - konstanta koja ima oblik B = B1/9,81·Hi·η; Ni - instalisana snaga (kW), Hi - radni pad hidroelektrane, η - koeficijent korisnog dejstva. Iz tog izraza deleći investicije sa instalisanom snagom, dobija se pokazatelj - specifične ivesticije po snazi: iN = A/Ni + B
11.2.4
Međutim, specifične ivesticije po snazi postaju sve manje sa povećanjem instalisane snage, tako da upoređivanje hidroelektrane različitih tipova i različitih uloga u EES po tom pokazatelju nemaju smisla. To pogotovo važi u slučaju velikih instalisanosti, kod kojih povećanje veličine izgradnje donosi veoma malo povećanje moguće godišnje proizvodnje energije, ali je korisno sa gledišta jačanja uloge takve hidorelektrane u mešovitom EES, u pokrivanju vršnih delova dnevnog dijagrama opterećenja.. Zbog svega navedenog, ovi pokazatelji imaju smisla samo ako se razmatraju simultano. Kao ovirni ekonomski pokazatelj definiše se i cena energije.
42
11.3 Cena električne energije kao faktor planiranja Cena električne energije je ključan faktor za svekolika planiranja u energetici. Pri određivanju cene električne energije, u razvijenim zemljama sveta, bazna načela se mogu sažeti u sledeće principe:
Cena energije je element jedinstvenog tarifnog sistema (naplata potrošene energije i preuzete snage), koja se zasniva na troškovnom principu, prema kome svaki potrošač mora da pokrije troškove proizvodnje, prenosa i distribucije energije koje izaziva svojim ponašanjem u EES. Cena energije obavezno mora da pokrije sve troškove proste reprodukcije. To podrazumeva pokrivanje svih materijalnih troškova, uredno podmirivanje svih obaveza po osnovu kredita i kamata za izgradnju objekata, ulaganje realne amortizacije objekata u odgovarajuće fondove, podmirivanje troškova rada, osiguranja, faktora rizika, itd. Pored proste reprodukcije, u razvijenim zemljama je uobičajeno da se u cenu električne energije ugrađuje i deo za finansiranje dela proširene reprodukcije. Niko u cenu električne energije ne uračunava sve troškove proširene reprodukcije, jer bi to bilo nelogično iz više razloga: a) cena energije bi tada bila previsoka i destimulativna za privredni razvoj, b) nije logično na sadašnje potrošače prebaciti obaveze izgradnje objekata koji će služiti novim potrošačima u budućnosti. Međutim, smatra se da je logično da se u cenu energije uključe troškovi finansiranja istraživanja i planiranja novih objekata u sistemu. Udeo vlastitih sredstava u finansiranje proširene reprodukcije, dobijenih kroz cenu električne energije, kreće se u granicama od 30-40%. U cenu električne energije moraju da se ugrade svi troškovi zaštite okoline, do kojih dolazi usled eksploatacije resursa za njenu proizvodnju. U tržišno razvijenim zemljama, u kojima su delovi elektroprivrede privatizovani, podrazumeva se da cena treba da obezbedi i čist profit, dovoljan da održava zainteresovanost akcionara i prihvatnih investitora da ulažu u razvoj elektroprivrednih sistema. Cena mora da bude u valjanom paritetu sa ostalim energentima. Dispariteti na planu energije pogotovo, imaju veoma teške dugotrajne posledice po čitavo društvo, jer dovode do neracionalne potrošnje, neopravdano visoke tražnje i do pogrešne strategije investiranja, što se kasnije ne može ispraviti jednostavnom korekcijom cena.
Imajući u vidu sva navedena načela, cena električne energije treba da obuhvati sledeće elemente: 1. Prosečna proizvodna cena energije - može se odrediti okvirno već u početnim fazama projektovanja, na osnovu podataka o investicijama (I), koje se množenjem sa koeficijentom (α) svode na prosečne godišnje troškove. Prosečna godišnja cena je ce = Th/E = α·I/E
11.2.5
gde je E - moguća godišnja proizvodnja. Veličina koeficijenta α kojim se investicije prevode u godišnje troškove varira zavisno od vrste objekata hidroelektrane. Ona se kreće u granicama oko α = 0,05-0,07 u slučaju uobičajenih odnosa građevinskih radova i opreme, pa sve do vrednosti α = 0,1, za slučaj elektrana sa dosta velikim udelom opreme. Kod hidroelektrana stalni godišnji troškovi su neuporedivo veći od promenljivih, što je posledica činjenice da veoma mali deo godišnjih troškova hidroelektrane zavisi od proizvodnje.
43
2. Otplata unapred definisanih obaveza:
Otplata kredita. Otplata kamata na kredite Premije obaveznog osiguranja objekata i postrojenja. Ostale unapred definisane obaveze
3. Amortizacija objekata i postrojenja - realna amortizacija, koja će biti korektno realizovana u slučaju inflatornih kretanja. To je, ustvari, smanjenje vrednosti nekog kapitalnog dobra sa vremenom, usled starenja i istrošenosti tokom ekonomskog veka. Posebno je bitno da se amortizacija plaća u realnom iznosu. Amortizacija predstavlja vid planskog izdvajanja sredstava da bi se obezbedio novac za zamenu i obnovu postrojenja nakon njihovog radnog veka. Na taj način se ekonomski logično novac za zamenu objekta obezbeđuje iz prodajne cene energije. Svake godine se otpisuje deo vrednosti objekta, za visinu izdvojene amortizacije. U uslovima delovanja inflatornih procesa, vrlo je bitno da se stalno vrši odgovarajuća korekcija vrednosti objekta (povećanje vrednosti neotpisanog dela objekta za procenat inflacije), kako bi novac koji se izdvaja za amortizaciju uvek bio u realnom iznosu. U sledećoj tabeli navode se okvirni rokovi amortizacije i godišnje stope amortizacije za neke karakteristične delove hidroelektrane. Okvirni rokovi amortizacije objekata hidroelektrane Objekat/uređaj Brane svih vrsta, masivni hidrotehnički objekti Zemljane konstrukcije, nasute brane, nasipi Kanali (dovodi, odvodi, dovodi u jezero i sl.) Tuneli raznih tipova Zgrade hidroelektrane Čelične konstrukcije u hidrotehničkim objektima Turbine i hidromehanička oprema Električni uređaji, generatori, motori Čelične cevi Uređaji upravljačko-informacionih tehnologija
Rok amortizacije (god.) Godišnji otpis (%) 50-100 50-100 50 50 50 20-25 20-25 20 25 5-10
1-2 1-2 2 2 2 4-5 4-5 5 4 10-20
Na visinu godišnje vrednosti amortizacije utiče planirano vreme tehničko-ekonomski logičnog korišćenja objekata i postrojenja. Da nema inflatornih kretanja, visina godišnje amortizacije određivala bi se prosto: koštanje objekta, odnosno uređaja podeljena sa rokom amortizacije (planiranim vremenom korišćenja). U jednoj hidroelektrani, u kojoj postoje objekti sagrađeni od različitih materijala, sa uređajima koji imaju različita planirana vremena trajanja, amortizacija se mora prilagoditi toj činjenici. Zapaža se veoma kratak rok amortizacije uređaja informacionih tehnologija. Ne radi se o fizičkom roku trajanja, koji je duži, već o zastarevanju određene tehnologije, koja nakon dosta kratkog vremena mora da bude zamenjena novom, da bi sistem ostao informaciono-kompatibilan sa svojim okruženjem. Karakterističan je slučaj sa računarima, kod kojih je rok za zamenu ne duži od 5 godina.
44
4. Troškovi rada, fiskalne i druge obaveze:
Plate zaposlenih i drugi troškovi rada. Poreske i druge ugovorene zakonske obaveze. Sredstva za obezbeđivanje fonda rizika rada i naknade štete. Sredstva zajedničke potrošnje. Ostale obaveze koje se podmiruju iz dobiti.
5. Troškovi ulaganja u proširenu reprodukciju:
Troškovi istražnih i studijskih radova za nove objekte i sisteme. Troškovi projektovanja novih objekata, stručne i tehničke kontrole. Ostali troškovi koji proističu iz proširene reprodukcije, posebno troškovi neophodnog vlastitog učešća je dobijanje kredita na međunarodnom tržištu kapitala neophodnih za izgradnju objekata.
6. Čist profit za rapodelu ulagačima. U elektroprivredama koje su privatizovane, u kojima se proizvodni i prenosni objekti i sistemi grade privatnim akcionarskim kapitalom, zainteresovanost za ulaganja se može obezbediti samo ukoliko je prihod od uloženog kapitala dovoljno veliki, veći nego što bi bio kada bi se ulagao u banke ili neke druge sektore privrede.
45
11.4 Načini ekonomskog vrednovanja projekta Za vrednovanje i upoređivanje projekata koriste se različiti pristupi. Ovde će biti prikazani kriterijumi vrednovanja koji se najčešće sreću, posebno pri vrednovanju projekta u svetskim bankarskim institucijama. Odnos Dobit / Troškovi (Benefit/Cost Ratio , B/C). Odnos aktuelizovanih dobiti i troškova je jedan od najčešće korišćenih načina za vrednovanje objekata hidroelektrana i njihovo međusobno upoređivanje. Odnos B/C pokazuje koliko se dinara (dolara) dobiti ostvaruje na jedan dinar (dolar) troškova, kada se obe veličine svedu na isti nivo, na sadašnju, aktuelizovanu vrednost. Jasno je da je projekat prihvatljiv ako je B/C > 1 , a bolja je ona varijanta korišćenja kod koje je veća vrednost tog tog odnosa. Neto sadašnja vrednost dobiti: B - C (Net Present Value - NPV). Projekat je prihvatljiv ako je NPV > 0, tj. ako je neto dobit pozitivna, a prednost ima projekat, odnosno varijanta, kod koga je ta vrednost veća. Iz toga se da zaključiti da NPV pokazatelj ima smisla samo za upoređivanje varijanti jednog istog projekta, a ne i za upoređivanje različitih projekata jer je u tom slučaju favorizovan projekat velikih postrojenja, kod kojih NPV može da dobije velike apsolutne vrednosti. Radi sagledavanja načina primene oba pokazatelja, daje se uprošćen primer proračuna jedne male hidroelektrane.
46
Primer proračuna jedne male hidroelektrane Dati su sledeći polazni parametri:
instalisana snaga 500 kW godišnja proizvodnja 2,45 GWh/god investicije 375.000 USD period građenja - 1 godina troškovi upravljanja i održavanja - (UOR) 15.000 USD-god obračunski period - 15 godina kamata 12,5% procenjena godišnja inflacija 10% cena energije 2,5 USc/kWh
U sledećoj tabeli data je uprošćena analiza: Godine
Troškovi (USD)
Dobit (10%)
Kapital
UO (10%)
375.000
15.000
61.250
1
16.500
2
Sadašnja vrednost B
C
67.375
59.889
14.667
18.150
74.112
58.558
14.341
3
19.965
81.524
57.257
14.022
4
21.961
89.676
55.984
13.710
5
24.158
98.644
54.740
13.406
6
26.573
108.508
53.524
13.108
7
29.231
119.359
52.334
12.817
8
32.154
131.295
51.171
12.523
9
35.369
144.424
50.034
12.253
10
38.906
158.867
48.922
11.981
11
42.727
174.753
47.835
11.715
12
47.076
192.229
46.772
11.454
13
51.784
211.452
45.333
11.200
14
56.962
232.597
44.717
10.951
15
62.659
255.856
43.723
10.708
0
∑771.194 ∑188.864 Analiza: Troškovi kapitala 375.000 USD Aktuelizovani troškovi UO 188.864 USD Aktuelizovana vrednost dobiti 771.194 USD Odnos B/C = 771.194/(375.000+188.864) = 1.368 NPV = B - C = 771.194 - (375.000+188.864) = 207.330 USD Zaključak: Radi se o profitabilnom projektu. 47
Interna stopa vraćanja kapitala (Internal Rate of Return-IRR). Interna stopa vraćanja kapitala, koja se često naziva i internom stopom efektivnosti, pojednostavljeno rečeno je ona kamatna stopa sa kojom se neto sadašnje vrednosti izjednačuju sa nulom (dobit je jednaka troškovima). Drugim rečima, to je najveća kamatna stopa koju projekat može da izdrži, pa da mu se aktuelizovani troškovi izjednače sa sadašnjom vrednošću dobiti. Jasno je da ima prednost onaj projekat koji može da izdrži veću kamatnu stopu. Finansijska analiza toka novca (Cash Flow Analysis - CFA). Ključni element finansijskih analiza kojim se determinišu finansijske izvodljivosti projekta je analiza toka novca, dobiti i troškova. Ta analiza je posebno važna za period servisiranja duga (otplata anuiteta), kako bi se ustanovilo, iz godine u godinu čitavog niza, da li su troškovi pokriveni iz dobiti. Ta analiza omogućava da se utvrdi cena energije, koja omogućava normalno servisiranje duga i podmirivanje ostalih finansijskih obaveza.
48
12. Optimalno dimenzionisanje hidroelektrana
Jedan od ključnih planerskih zadataka pri projektovanju novih hidroelektrana je njihovo vrednovanje, sa konačnim ciljem da se pronađu optimalne performanse elektrane - instalisanost, broj agregata, računski pad, tip agregata, itd. Zadatak vrednovanja obavlja se i za već postojeće hidroelektrane i to onda kada se planira njihova rekonstrukcija, zamenom ili dogradnjom novih agregata, ili još radikalnija rekonstrukcija kao što je izmena karakteristika uspornog objekta (nadvišenje brane). Suština vrednovanja hidroelektrane je u tome da se odrede troškovi u mešovitom EES za dva slučaja: 1) sa razmatranom hidroelektranom (čija se izgradnja planira) i 2) bez nje, te da se upoređivanjem troškova u EES u te dve situacije sagleda i kvantifikuje realan učinak razmatrane hidroelektrane. Taj učinak se tretira sasvim konkretno - kao smanjenje troškova u EES do koga se dolazi izgradnjom razmatrane hidroelektrane. 1) Pošto se razmatraju energetski i ekonomski odnosi u mešovitom EES, u kome se nalaze hidroelektrane i termoelektrane raznih karakteristika, ukupni troškovi sistema, kao i štete zbog redukcija električne energije, za slučaj da se u EES nalazi i razmatrana hidroelektrana, mogu se prikazati opštom relacijom T = Ths + Th + pbtNt + kbEt + krEr
12.1
gde su: Ths - suma troškova u hidroelektranama (din/god) bez razmatrane hidroelektrane; Th troškovi razmatrane hidroelektrane (din/god); p - faktor rezerve u slučaju remonta termoelektrana (p ≈ 1,2); bt - stalni troškovi u termoelektranama po jedinici snage na pragu (din/kW god); Nt potrebna raspoloživa snaga na pragu termoelektrana (kW); kb - prosečni promenljivi troškovi u termoelektranama (din/kWh); Et - potrebna proizvodnja u termoelektrana(kWh/god); kr - prosečne specifične štete po kWh redukcije potrošnje (din/kWh); Er - potrebna redukcija energije u razmatranom EES (kWh/god). 2) Ukoliko se u EES ne uvede razmatrana hidroelektrana, suma ukupnih troškova sistema i šteta od redukcije iznosila bi T' = Ths + pbt(Nt+Nhkr)+kb'(Et+Eh)+kr'Er'
12.2
Od novih oznaka ovde su: Eh- moguća proizvodnja hidroelektrane; kb'- specifični troškovi u termoelektranama ako razmatrana hidroelektrana ne postoji; kr' - specifične štete zbog redukcija, kada razmatrana hidroelektrana ne postoji. (Sa promenom strukture hidroelektrana menja se i način korišćenja termoelektrana, te se menjaju i specifični troškovi njihove proizvodnje, kao i specifične štete od redukcija). Garantovana snaga razmatrane hidroelektrane u kritičnom periodu (Nhkr) pokazuje snagu koju u kritičnom razdoblju treba pokriti iz termo izvora, ukoliko se u EES ne uvede razmatrana hidroelektrana.
49
Kada se ovako definišu godišnji troškovi u EES sa razmatranom hidroelektranom (T) i bez nje (T'), može se definisati njihova razlika kao: ΔT = T - T' = Th - [pbtNhkr + kb'(Et + Eh) - kbEt + kr'Er' - krEr ]
12.3
Ova jednačina pokazuje šta se troškovno promenilo u EES nakon uvođenja u njega razmatrane hidroelektrane: naravno troškovi EES su porasli za veličinu stalnih troškova razmatrane hidroelektrane (Th), ali su smanjeni za veličinu troškova i šteta definisanih u uglastoj zagradi. Prvi član u uglastoj zagradi predstavlja smanjenje stalnih troškova u termoelektranama, zato što je razmatrana hidroelektrana smanjila potrebu izgradnje novih termo izvora za veličinu svoje raspoložive snage u Nhkr kritičnom razdoblju. Dugi član pokazuje promenljive troškove termoelektrana (troškove goriva) kada ne postoji razmatrana hidroelektrana (jer tada energetsku proizvodnju hidroelektrane Er treba pokriti iz termo izvora), a treći, troškove goriva kada ta hidroelektrana postoji u EES. Prema tome razlika drugog i trećeg člana u uglastoj zagradi predstavlja smanjenje troškova goriva u termoelektranama usled uvođenja u pogon razmatrana hidroelektrane. Ušteda u promenljivim troškovima je još ubedljivija, jer je kb'>kb zbog napregnutijeg rada i potrebe angažovanja specifično skupljih termoelektrana. Izraz u uglastoj zagradi predstavlja veličinu koja se definiše kao energetska vrednost hidroelektrane (EV). Na osnovu poslednje relacije, sledi da su uštede u sistemu nakon uvođenja u njega razmatrane hidroelektrane jednake: ΔU = - ΔT = EV – Th
12.4
tj. uštede su jednake ukupnoj energetskoj vrednosti razmatrane hidroelektrane, umanjene za veličine godišnjih troškova te hidroelektrane. Energetska vrednost hidroelektrane je tehničko-ekonomska karakteristika, koja uzima u obzir energetske performanse razmatrane hidroelektrane, njenu ulogu u mešovitom EES, hidrološke prilike pod kojima će se odvijati njena eksploatacija (prirodni i regulisani režimi protoka), uticaj strukture ostalih elektrana u EES, itd. Tokom njenog vrednovanja vodi se računa o rasporedu proizvodnje u svim drugim hidroelektranama u EES, vodeći računa o regulisanju protoka/proizvodnje u akumulacionim hidroelektranama, raspoloživoj snazi hidro i termo izvora, strukturi termoelektrana, njihovim specifičnim troškovima proizvodnje, karakteristikama konzuma, itd. Zato je sasvim normalno da se energetska vrednost neke razmatrane hidroelektrane uvek veže za pretpostavljene uslove konzuma i karakteristike drugih elektrana u EES. Međutim, apsolutna energetska vrednost hidroelektrane nije najpreglednija za upoređivanje pojedinačnih elektrana, posebno ne onih raznih veličina i uloga u EES. Zbog toga je znatno pogodnije da se analizira relativna energetska vrednost, definisana kao odnos energetske vrednosti i godišnjih troškova Th razmatrane hidroelektrane: ev = EV/Th
12.5
50
Uvođenjem izraza za relativnu energetsku vrednost elektrane omogućeno je vrednovanje i vrlo pregledno upoređivanje hidroelektrana raznih veličina i karakteristika. Taj pokazatelj je bezdimenziona veličina koja pokazuje koliko će se dinara dobiti (ušteda) ostvariti na jedan dinar troškova elektrane. Znači ako se dobije da je ev>1, to znači da je dobit razmatrane hidroelektrane veća od troškova. Da li je to dovoljno - stvar je dubljih ekonomskih analiza, ali se vrlo uprošćeno može reći da je hidroelektrana ekonomski opravdana ukoliko je relativna energetska vrednost ev>1,k, gde je k - kamatna stopa kao "cena novca" na bankarskom tržištu kapitala. Na svetskom tržištu kapitala zadnjih godina se moglo računati da je ta granica oko 1,06, što ne treba shvatiti kao neko stalno pravilo, već samo kao okvirnu vrednost za početna upoređivanja. Prednost imaju one hidroelektrane sa većom relativnom vrednošću (ev). Ukoliko nema nekih drugih kriterijuma za odlučivanje, ekonomski je najopravdanije graditi hidroelektrane sa najvećom vrednošću (ev), jer se kod njih ostvaruje najveća stopa dobiti (ušteda). Tokom vremena menjaju se prilike u EES (sa porastom konzuma i uključivanjem u njega raznih novih elektrana), a sa njima i udeo hidroelektrana u ukupnoj proizvodnji, kao i mesto pojedinih elektrana u dijagramu opterećenja. Usled tih promena menja se i iskoristiva snaga razmatrane hidroelektrane u kritičnom periodu (Nhkr), njena proizvodnja (Eh), ali i specifični stalni i promenljivi troškovi termoelektrana. Ušteda se može prikazati kao zavisnost sledećih veličina: ΔU = ΔU(Qi, H, L, Vk, Rq, Es, Sh, Kh, St, Kt)
12.6
gde su: Qi - instalisani protok, H - pad, L - dužina derivacije, Vk - korisna zapremina akumulacije, Rq - hidrološke osobenosti razmatrane hidroelektrane, Es - nivo konzuma u razmatranom vremenskom preseku, Sh- struktura hidroelektrana u EES, Kh - karakteristika hidroelektrane u EES, St - struktura termoelektrana u EES, Kt- energetska karakteristika termoelektrana koje rade u EES koje utiču na specifične troškove. Odavde se vidi od koliko parametara i karakteristika EES zavise uštede u sistemu, pri razmatranju jedne hidroelektrane. Pri tome valja imati u vidu da su neki od parametara (Es,Kh,Kt,Sh,St,Rq) samo simbolične oznake za veliki broj karakterisitka sistema. Imajući to u vidu, jasno je da nije moguće odrediti funkcionalne veze između tih veličina u obliku koji bi omogućio da se primenom klasične matematičke analize odredi maksimum ΔU, a time i optimalna vrednost Qi. Zbog toga se taj problem efikasno rešava kompjuterskom simulacijom prilika u EES za dovoljno dug period vremena (oko 50 godina), kako bi se uzele u obzir razne hidrološke prilike u svim hidroelektranama, a time sagledalo i porebno angažovanje termoelektrana. Od deset parametara i karakteristika obuhvaćenih gornjom relacijom, prvih pet zavise od karakteristika razmatrane hidroelektrane, dok ostalih pet zavise od karakteristika EES u kome razmatrana hidroelektrana treba da radi nakon izgradnje. Te karakteristike EES zavise ne samo od njegovog stanja u momentu razmatranja, već i od njegovog planiranog razvoja. Tih pet karakteristika EES obuhvataju se analizom na taj način što se pretpostavljaju: razni nivoi i karakteristike konzuma u budućnosti (veličina Es), strukture hidroelektrana i termoelektrana u njemu (Sh,St), karakteristike svih hidroelektrana i termoelektrana za koje se pretpostavlja da će biti u EES u razmatranim vremenskim presecima u budućnosti (Kh,Kt).
51
Nakon ovih pretpostavki, rešenje problema optimizacije - maksimizacije ΔU zavisi samo od pet navedenih karakteristika razmatrane hidroelektrane. Problem se dalje može uprostiti na sledeći način: hidrološke prilike (Rq) su unapred definisane hidrološkim nizom sa kojim će se obaviti simulacija rada hidroelektrane u EES usvojenih karakteristika; ukoliko se posmatraju hidroelektrane malih zapremina, odnosno one hidroelektrane čija je zapremina unapred definisana vodoprivrednom analizom, veličine pada H i Vk su , takođe, unapred definisane, dok je i dužina derivacije L često definisana utvrđenim položajem (makro lokacijama) brane i mašinske zgrade, odnosno šemom korišćenja voda koja se definiše prethodnim planskim dokumentima. U tom slučaju, kao nepoznata je samo veličina instalisanog protoka Qi te se gornji izraz svodi na oblik: ΔU = ΔU(Qi)
12.7
Tada se zadatak optimizacije rešava metodom simulacije i to jednom bez razmatrane hidroelektrane, a drugi put sa njom. Određuju se troškovi a preko njih i odgovarajuće uštede u EES, ukoliko se razmatrana hidroelektrana izgradi. Postoji generalna tendencija da se optimalna vrednost Qi povećava sa porastom nivoa konzuma, što logično upućuje da se predvidi mogućnost fazne izgradnje. Naime, brojne analize su pokazale da se sa porastom nivoa konzuma i sa smanjivanjem udela hidroenergije u ukupnoj proizvodnji povećava optimalna instalisanost hidroelektrana. Međutim, kako je neracionalno već sada graditi hidroelektrane sa instalisanošću koja će biti optimalna tek kroz par decenija, očigledno je da sve svrsishodnija postaje fazna izgradnja hidroelektrana sa dogradnjom novih agregata, o čemu se, naravno, vodi računa pri projektovanju mašinske zgrade, dovoda i odvoda.
52
13. Ekonomska analiza HE Orlovača na Velikom Rzavu
OSNOVNE KARAKTERISTIKE: Srednji višegodišnji protok Instalisani protok Veličina izgradnje Kota normalnog uspora Kota minimalnog radnog nivoa Bruto pad postrojenja Konstruktivni pad postrojenja Korisna zapremina akumulacije Instalisana snaga Broj i tip turbine Rok građenja
Qsr Qinst Qinst/Qsr
Hbr Hr Ninst
4,05 m3/s 20 m3/s 4,94 582 mm 554 mm 121,70 m 119,45 m 63·106 m3 20,39 MW 2xF115 4 godine
A) GRAĐEVINSKI RADOVI a) specificirani radovi: ulazna građevina dovodni tunel
cena (€) 34.211 3.698.856
šahtna zatvaračnica
272.185
cevovod
35.580
mašinska zgrada
200.786
predbrana i optočni tunel
1.342.060
nasuta brana
14.616.040
šahtni preliv
2.130.750
slapište
62.080
vodostan
859.268
gornja zatvaračnica cevovoda
64.493
b) nespecificirani radovi (15% od a)
3.495.691
UKUPNO
26.803.000
53
B) HIDROEMEHANIČKA I ELEKTRO OPREMA cena (€)
a) specificirana oprema brana i evakuacioni organi dovodni organi, mašinska zgrada i razvodno postrojenje
355.000 2.277.000
b) nespecificirana oprema aparati za gašenje požara, hlađenje, ventilaciju, drenaža, prečišćavanje ulja, mehaničarska radionica, komandni uređaji,osvetljenje, veze(20% od a) montaža i transport (25% od (a+b)) UKUPNO
526.400 789.600 3.948.000
C) OSNIVAČKA ULAGANJA cena (€)
a) prethodni radovi studije i istraživanja (3% od A)
804.000
građevinski projekti (3% od A)
804.000
projektovanje opreme (2,5% od B)
99.000
stalni nadzor i troškovi investitora(3,8% od (A+B))
1.168.000
b) troškovi otkupa i odštete zemljište
150.000
zgrade
450.000
saobraćajnice
900.000
UKUPNO
4.375.000
UKUPNO POTREBNE INVESTICIJE ZA HE ORLOVAČA A.....................................................................26.803.000 € B.......................................................................3.948.000 € C.......................................................................4.375.000 € I.......................................................................35.126.000 € U prilogu 1 je dat kompletan predmer i predračun ove hidroelektrane.
54
Koristi se kriterijum na bazi energetsko ekonomskih pokazatelja - koeficijent vrednosti hidroelektrane. Ovaj koeficijent je dat izrazom
e 1
V Th 1 1 Ii Ii
gde su: e - koeficijent vrednosti hidroelektrane V - uštede u EES Th - ukupni troškovi izgradnje hidroelektrane: Th=1,2I Ii - 1,11I Ukupne uštede određujemo:
V Ve W Vn N val gde su: Ve - koeficijent za valorizaciju energije m
Ve C gt t 1
1 (1 i) t
W - godišnja proizvodnja energije za valorizaciju Vn - koeficijent za valorizaciju snage Cgt - troškovi goriva termoelektrane kojom bi se zamenila razmatrana hidroelektrana, tj ekvivalentne termoelektrane i - diskontna stopa za aktuelizaciju 6% m - vek trajanja hidroelektrane - 50 godina
Cgt (€/kWh)
0,014
0,016
0,018
Ve (€/kWh)
0,22
0,25
0,28
Vn r Bt (1
m 1 1 p ) t1 t (1 i) t1 t 1 (1 i )
gde su: r - faktor hladne rezerve Bt - specifične investicije sa kamatom potrebne za izgradnju ekvivalentne termolektrane t1 - vreme trajanja termolektrane posle koga se za tu termoelektranu investicije moraju ponoviti. t1 = 30 god. p - koeficijent koji daje odnos pogonskih troškova i specifičnih investicija ekvivalentne termolektrane Tp = pBt 55
Za p = 0,046; r = 1,25; m = 5 god, sledi: Bt (€/kWh)
400
450
500
Vn (€/kWh)
866
974
1082
Nval = 9,81·Qinst·Hmin·0,85 = 9,81·20·91,7·0,85 = 13.720 kW W = Nval·Tgod = 13,720·8760 = 120,19·106 kWh I = 35.126.000 € Ii = 1,11I = 38.989.860 € Th = 1,2I = 42.151.200 € Proračun koeficijenata vrednosti hidroelektrane dat je u sledećoj tabeli: Cgt (€/kWh)
Bt (€/kWh) 400 450 500
e 0,9018 0,9398 0,9778
0,016
400 450 500
0,9943 1,0323 1,0703
0,018
400 450 500
1,0868 1,1248 1,1628
0,014
SPECIFIČNE INVESTICIJE PO SNAZI Cn = Ii/Ninst = 1.912,20 €/kW SPECIFIČNE INVESTICIJE PO ENERGIJI Ce = Ii/W = 0,324 €/kWh CENA ENERGIJE CE = Tgod/W = 0,085Ii/W = 0,0276 €/kWh Iz ovih podataka se može zaključiti da je izgradnja HE Orlovača opravdana sa ekonomske strane jer je: e > 1 za Cgt > 0,014 i Bt > 450 (€/kWh)
56
14. Izbor osnovnih elemenata hidroelektrane 14.1 Izbor tipa hidroelektrane 14.2 Izbor broja agregata 14.3 Izbor tipa turbina 14.4 Izbor generatora 14.5 Uslovi koji utiču na planiranje hidroelektrana Hidroenergetski sistemi spadaju u najsloženije i najprostranije sisteme koje čovek uopšte gradi. Grade se u sastavu kompleksnih vodoprivrednih objekata, čime se značajno povećava stepen složenosti objekata, kao i tehničkih, ekonomskih, ekoloških, socijalnih i drugih problema koje treba rešavati pri planiranju i realizaciji sistema. U okviru višenamenskih sistema sa hidroelektranama postoje sledeće grupe objekata: 1) Usporni/pregradni objekti za formiranje akumulacije i koncentraciju pada. U ovu grupu objekata spadaju brane svih mogućih tipova, sa svim pratećim objektima kojima se obezbeđuje potpuna hidraulička stabilnost (evakuacioni organi - prelivi, temeljni i drugi ispusti, itd.), kao i sva specijalna postrojenja kojima se ostvaruje zahtevana funkcionalnost u zoni pregradnog objekta (riblje staze i riblje prevodnice, itd.). 2) Hidroenergetska postrojenja i objekti. U tu grupu spadaju objekti koji isključivo služe za proizvodnju hidroenergije i njeno dopremanje do najbližih čvorišta prenosnog sistema. U hidroenergetske objekte spadaju vodozahvati sa svim pratećim uređajima (čistilice, uređaji za evakuaciju leda, plivajućih predmeta i nanosa, taložnice, itd,); dovodne i odvodne derivacije sa pratećim uređajima (kanali, tuneli, cevovodi, zatvaračnice, vodostani i vodne komore i dr.); mašinske zgrade sa osnovnom mašinskom i elektromašinskom opremom (turbine, generatori, transformatori, itd.), uređajima za montažu i transport (kranovi i dr.); postrojenja za upravljanje proizvodnjom, uređaji za obezbeđivanje potrebne sigurnosti pri radu (sistemi za odvodnjavanje mašinske zgrade, rezervni sistemi za snabdevanje postrojenja potrebnom energijom, sistemi za napajanje postrojenja rashladnom vodom, razni bezbednosni uređaji, itd.). 3) Objekti za korišćenje višenamenskog objekta za druge vodoprivredne potrebe: brodske prevodnice ili prenosnice sa pratećim objektima (predpristaništa, upravljački centri i sl.); zahvati za druge vodoprivredne korisnike (navodnjavanje, snabdevanje vodom itd.) sa pratećim postrojenjima koja obezbeđuju pouzdano funkcionisanje tih delova sistema (pumpne stanice, taložnice, itd.). 4) Infrastrukturni objekti u okviru kompleksnih hidrotehničkih sistema (prilazne komunikacije, vodovodi, kanalizacije, uređaji za prečišćavanje otpadnih voda pre njihovog ispuštanja u reku, itd). 5) Prateće urbane i socijalne strukture postrojenja: naselja za zaposlene sa neophodnim objektima društvenog stadarda.
57
U prvoj fazi planiranja hidroelektrana potrebno je, na osnovu hidrograma velikih voda za povratne periode (od dve, deset ili dvadeset godina) koji se dobijaju iz vodoprivrednog rešenja za taj projekat, odrediti srednji višegodišnji protok. Na osnovu proračunatog protoka, a pomoću sledeće relacije može se odrediti efektivna snaga na pragu hidroelektrane:
N 9,81 Q H
14.1
gde su:
Q – protok H – bruto pad koji se definiše kao razlika nivoa gornje vode i nivoa donje vode η – koeficijent korisnog dejstva hidroelektrane koji se može predstaviti kao: η = ηt·ηg·ηtr gde su: - ηt - koeficijent korisnog dejstva turbine koji obuhvata hidrauličke gubitke (gubici neto pada), zapreminske gubitke i mehaničke gubitke. Ovi gubici zavise od tipa hidroelektrane. - ηg - koeficijent korisnog dejstva generatora - ηtr - koeficijent korisnog dejstva transformatora prag HE transformator
G
generator
T
turbina
Često se u praksi umesto protoka koristi vrednost korisne zapremine akumulacije, pa je tada proizvedena energija na pragu elektrane:
E g Vk H
14.2
gde je Vk – zapremina vode (m3) koja se energetski koristi za neko proizvoljno vreme.
58
14.1 IZBOR TIPA HIDROELEKTRANE Ključna filozofija iskorišćenja vodnih snaga je u ostvarivanju koncenrtacije pada na što kraćem potezu vodotoka, pri čemu se teži da se smanji na minimum nekoristan rad vode, kojim se gubi pad zbog neizbežnih hidruličkih gubitaka. Za stvaranje i koncentraciju pada u okviru hidroenergetskih sistema koriste se sledeće šeme: A) pribranske šeme - ovde se potreban pad realizuje isključivo podizanjem brane. One se primenjuju kod vodotoka sa velikim protocima i malim padovima, kao i za realizaciju postrojenja vrlo velikih instalisanosti, kada bi derivaciona šema bila neprikladna jer bi zahtevala veoma velike dimenzije derivacionih objekata. Pribranske hidroelektrane se realizuju od najmanjih padova (od oko 1,5 m) do padova preko 200m, koji je ograničen jedino mogućnostima izgradnje visokih brana.
Kod malih denivelacija hidrostatički pritisci su takvi da se mašinska zgrada može realizovati kao sastavni deo brane, jer je mašinska zgrada dimenzionisana da može da primi sva statička i dinamička opterećenja koja prima i brana. To su tzv. rečne hidroelektrane koje se koriste pri padovima do najviše 30 - 35 m, na rekama sa velikim protocima. Ovde se, takođe, sreće posebna varijanta hidroelektrane niskog pritiska, koja se koristi za padove do oko 20 m. To su tzv. stubne hidroelektrane. Agregati hidroelektrane se nalaze u stubovima u reci (u svakom stubu po jedan agregat), dok se između stubova nalaze ustave kojima se održava neophodan uspor. Prednost ovih hidroelektrana su: manji gubici pada; znatno lakši uslovi za propuštanje plivajućih predmeta, nanosa i leda i to zahvaljujući ustavama koje se nalaze između stubova; agregati se mogu tokom građenja puštati u pogon potpuno nezavisno. Postoje i neki nedostaci ovih hidroelektrana: teškoće u održavanju izdvojenih blokova sa po jednim agregatom; složeniji je i nešto duži sistem za snabdevanje rashladnom vodom, dovod ulja za regulacione sistema itd. Pored toga, očekuje se dalji razvoj i usavršavanje ovog tipa hidroelektrana. Na sledećoj slici je data šema jedne stubne hidroelektrane.
59
Kod većih denivelacija (većih od 35 m) gde su hidrostatički pritisci znatno veliki, mašinska zgrada se ne može realizovati kao deo brane već se izdvaja u posebnu konstrukciju koja ne nosi hidrostatička i dinamička naprezanja na koje se računa sama brana. U tom slučaju mašinska zgrada se smešta neposredno nizvodno od brane, čineći sa njom zajedničku dispozicionu celinu, ili se sasvim izdvaja od brane i predstavlja potpuno nezavisan konstrukcijski i statički sistem. Ovakva pribranska postrojenja se sreću u vrlo visokom opsegu padova od 35 - 200 m.
B) derivacione šeme - ovde se potreban pad za hidroelektranu stvara isključivo derivacijom (skretanjem) toka kanalima, tunelima i cevovodima; Ovaj način korišćenja se primenjuje kod vodotoka sa većim padovima. Kod njih se zahvat vode realizuje niskom branom, koja ne stvara akumulaciju, niti ona sama konstruiše pad, već služi samo da omogući skretanje u dovodnu derivaciju.
60
C) kombinovana šema - koncentracija pada se stvara branom i derivacijom. Zbog veće visine brane postoje i značajnije oscilacije nivoa u jezeru, zbog čega je u takvim slučajevima dovodna derivacija pod pritiskom. Zato se ovde uvek koristi vodostan.
61
14.2 IZBOR BROJA AGREGATA Instalisana snaga postrojenja raspodeljuje se na m agregata, najčešće istog tipa i identičnih konstruktivnih karaktersitika, kako bi se ostvarilo što lakše održavanje (Odstupanje od ovog pravila je samo u slučaju primene fazne gradnje kod kojih su agregati montirani u vremenski dosta razdvojenim fazama). Najpovoljniji broj agregata se određuje na osnovu energetsko-ekonomske analize razmatranog postrojenja. Za definisanje instalisane snage usvajaju se dve-tri moguće varijante broja agregata i za svaku od njih se određuju odgovarajući parametri turbine i generatora, gabariti mašinske zgrade, predmer radova i godišnji troškovi. Zatim se za svaku varijantu određuju odgovarajuće ukupne uštede u mešovitom EES, tako da se može usvojiti ona varijanta sa najvećom ukupnom uštedom. Zato se optimizacioni zadatak , ustvari, svodi na to da treba maksimizirati uštede po broju agregata i njihovoj snazi. Energetsko-ekonomska analiza ima smisla samo kada je broj agregata jedan do četiri. Kada je broj agregata preko četiri najpre se teži smanjenju tog broja, korišćenjem agregata većih snaga, pa se problem svodi na određivanje maksimalne veličine jednog agregata. Sa stanovišta pouzdanosti snabdevanja energijom izolovanih područja, a posebno sa stanovišta "ostrvskog rada" hidroelektrane, povoljnija su rešenja sa većim brojem agregata, pošto kvar jednog utiče radikalno na proizvodne mogućnosti čitavog postrojenja. Koštanje turbina, generatora i mašinske zgrade raste sa povećanjem broja agregata. Zato je pogodnije smanjiti njihov broj i ići na ukrupnjavanje agregata. Međutim, ovde postoji i ograničenje sa stanovišta proizvodnih mogućnosti mašinogradnje, kao i mogućnost transporta agregata velikih gabarita. Na izbor broja agregata HE Đerdap I relevantnu težinu je imala činjenica da su njene turbina bile najveće Kaplanove turbine proizvedene do tada u svetu. Sa stanovišta pouzdanosti funkcionisanja postrojenja najčešće se ne ide ispod dva agregata, osim kod hidroelektrana malih snaga i malog udela u EES, čiji eventulani ispad iz pogona ne bi imao ozbiljnije posledice po stabilnost sistema, kod kojih se usvaja jedan agregat. Kod vrlo velikih elektrana ide se na više od četiri agregata, jer bi kod njih manji broj agregata doveo do takvih dimenzija turbina i generatora koje ne može da proizvede mašinogradnja, ili bi bili teški uslovi za transport od fabrike do elektrane.
62
14.3 IZBOR TIPA TURBINA Izbor tipa turbina obavlja se simultano sa izborom broja agregata, jer je za izbor broja agregata potrebno poznavanje radnih karakteristika turbina, osnovnih gabarita, mase i koštanja agregata pojedinih veličina. Na izbor savremenih turbina najznačajniji uticaj imaju pad, protok i specifični broj obrtaja. Za oblast malih padova (3m do oko 20m, ređe do 25m) sada se najčešće koriste nekoliko tipova horizontalnih cevnih turbina. Za veće elektrane se koriste: a) kapsulni agregati/turbine, b) pit turbine, c) Straflo turbine, d) S-turbine. Za sasvim male hidroelektrane koriste se i Banki turbine. Kapsulni agregati se primenjuju za velike protoke, čak i preko 500m3/s po agregatu. Prednost im je visok stepen korisnog dejstva u širokoj oblasti padova (0,4-1,25)Hopt, i protoka (0,125-1)Qinst. Kapsulni agregati su ugrađeni u HE Đerdap I (16+4 agregata sa Qinst = 425 m3/s po agregatu) i gotovo su bez konkurencije za buduće kaskadne sisteme na Drini, Moravi, na HEPS Novi Sad. Pit turbine su vrsta kapsulnih agregata. Generator se nalazi u stubu-šahtu koji je spojen sa delom kapsule. Stub je otvoren prema hali, koja je iznad, što je bolje sa gledišta održavanja. Glavna prednost je što im je radno kolo povezano sa generatorom preko multuplikatora broja obrtaja. Broj obrtaja generatora se višestruko povećava, što omogućava da se smanji njegov gabarit, masa i cena. Pit turbina je pogodna za sasvim male padove (nekoliko metara). Zbog gubitaka snage na multiplikatoru i zbog teškoća u izradi multiplikatora većih snaga još uvek se malo primenjuju. Ovaj tip agregata predstavlja perspektivno rešenje za realizaciju kaskada.
63
Straflo turbine-predstavljaju sažetiju varijantu cevne turbine, jer je kod njih rotor generatora postavljen po obodu radnog kola. Standardno su razvijene za opsega padova 3-20m, za protoke 25150 m3/s, ali postoji tendencija proširenja oba opsega. Njihova primena obezbeđuje najkompaktniju mašinsku zgradu, za iste preformanse hidroelektrane. To se najbolje vidi na sledećoj slici, gde je upoređeno postrojenje sa Kaplanovom (a), kapsulnom (b) i Straflo turbinom (c). Nedostatak im je visoka cena jer patentno pravo ima firma Sulce Escher Wyss.
a)
b)
c)
64
S-turbine se koriste u opsegu od oko 2 m do 25 m, pri protocima od 3 do 80m 3/s. Za izbor rešenja je bitno da se ove turbine izrađuju i u izvedbi sa dvostrukom regulacijom (regulacija radnim i sprovodnim kolom), što je pogodno za primenu na rekama sa varijacijama protoka. Agregati sa Sturbinama su gotovo jedina opcija za hidroelektrane sa malim padovima na kanalskim sistemima (npr. planirana hidroelektrana na Zapadnoj Moravi može se racionalno rešiti sa ovim tipom turbina). Postrojenja sa S-turbinom karakteriše jednostavna geometrija, mogućnost sažimanja i pogodnost održavanja, jer su svi sadržaji lako pristupačni. To se jasno vidi na sledećoj slici.
Oblast manjih do srednjih padova (od oko 3 m do oko 80 m) u slučaju većih protoka pokriva se sa više turbina, pri čemu se najčešće koriste Kaplanove, propelerne i dijagonalne turbine. Kaplanove turbine se koriste za velike protoke (preko 700 m3/s) i padove od 3-80 m. To su izvanredno fleksibilne turbine sa veoma velikim stepenom iskorišćenja. Veoma su pogodne za primenu kod hidroelektrana sa malim regulisanjem protoka, kao i kod hidroelektrana koje rade u relativno izolovanim sistemima, u ostrvskom radu. Nezamenljive su u oblasti padova od 20 do 80 m, pri velikim protocima, i to ukoliko se želi da se obezbedi fleksibilan rad hidroelektrane pri većim varijacijama protoka i padova. Propelerne turbine se u celom opsegu padova i protoka preklapaju sa Kaplanovim turbinama, ali je osnovna razlika u tome što imaju jednostruku regulaciju (lopatice radnog kola su fiksne). To ih čini primenljivim u uskoj oblasti promene protoka (0,8-1)Qinst. Prednost im je što su jeftinije od Kaplanovih turbina. Mogu se uspešno primeniti na hidroelektrane koje dobijaju već izravnate protoke sa nekih uzvodnih akumulacionih hidroelektrana, ili na većim postrojenjima u kombinaciji sa Kaplanovim turbinama. Dijagonalne turbine su sa dvostrukom regulacijom i po radnim performansama su slične sa Kaplanovim, jedino što im je opseg upotrebe proširen na oko 35-200 m. U opsegu 50 - 80m, kada se kod Kaplanovih turbina broj lopatica penje na 8, treba razmotriti i Kaplanove i dijagonalne turbine i izabrati ekonomski povoljnije. Preko 80m, pa do 200m, dijagonalne turbine su jedine turbine sa dvojnom regulacijom. U tom opsegu padova one se poklapaju sa Francisovim turbinama, koje su jeftinije, ali su dijagonalne turbine neprikosnovene ukoliko se od hidroelektrane očekuje regulaciona uloga u EES.
65
Opseg srednjih i velikih padova pokriva se sa Francisovim turbinama (za padove do oko 700m) i Peltonovim turbinama (jedina opcija za padove veće od 700m). Njihovu valjanost i visoku efikasnost potvrđuje činjenica da je Francisova turbina u ovom obliku u upotrebi oko 130 godina (konstruisana je 1868, dok je upravljanje putem sprovodnog kola rešeno 1870), a Peltonova turbina oko 120 godina (konstruisana 1880, a usavršena 1889). Francisove turbine su, bez obzira na jednostruku regulaciju i osetljivost na promenu opterećenja, najšire rasprostranjene turbine u svetu. Razlozi su: to su najekonomičnije turbine, izuzetno širok opseg padova u kojima se mogu primeniti, od oko 30 m do 700m; širok opseg instalisanih protoka, od par m3/s, do oko 500m3/s; jednostavnost turbine i njena visoka pouzdanost; jednostavno održavanje. Glavna mana im je što su manje pogodne za regulacionu ulogu u EES, jer im se koeficijent korisnog dejstva drastično smanjuje sa smanjivanjem ili povećanjem protoka. Fransisove turbine su u potpunosti preuzele opseg padova do 200m. Peltonove turbine su jedina opcija za padove veće od 700m. Visok stepen iskorišćenja postižu u širokom opsegu protoka Q = (0,4-1)Qinst. Izbor turbina se obavlja obično u dva koraka. Prvo se preliminarno izabere broj agregata m, polazeći od instalisane snage celog postrojenja. Snaga turbine tada iznosi:
Nt
N inst m gen
14.3.1
gde je Ninst - ukupna snaga celog postrojenja, m - broj agregata, ηgen - koeficijent korisnog dejstva generatora. (može se preliminarno usvojiti 0,97 do 0,98). Dalje se izbor turbina vrši pomoću grafika, koji vrstu turbine dovode u vezu sa padom i specifičnim brojem obrtaja.
66
14.4. IZBOR GENERATORA Osnovni parametri koji definišu jedan hidrogenerator mogu se podeliti u dve grupe: a) parametri koji proističu iz parametara turbine: nominalni broj obrtaja, aktivna snaga, zamajni momenat i b) parametri specifični za sam generator: faktor snage, prividna snaga, nazivni napon i opseg regulacije napona. Pored pomenutih parametara postoje konstruktivne osobine generatora koje su bitne sa gledišta rešavanja mašinske zgrade, kao što su: prečnik rotora(utiče na izbor radnog kola turbine), dimenzije statora (prečnik i visina), raspored ležišta, podela vratila (bitno za izbor visine kranova). Kada je definisana nominalna snaga turbine (Nt) i radna oblast, nominalna aktivna snaga generatora je:
Pn =Nt ·ηgen
14.4.1
gde je ηgen - stepen iskorišćenja generatora. Sa hidroenergetskog stanovišta od bitnog značaja je međusobni položaj turbine i generatora. Ovaj položaj može biti: a) sa vertikalnom osovinom, b) sa horizontalnom osovinom. Položaj osovine se bitno odražava na dispoziciju mašinske zgrade. Hidrogeneratori sa vertikalnom osovinom su mnogo više u upotrebi i primenjuju se po pravilu kod svih većih agregata. U zavisnosti od nominalne brzine obrtaja koriste se dva tipa generatora sa vertikalnom osovinom: 1)obešeni (za n>125 do 150 min-1) i 2) oslonjeni ili "tip kišobrana" (za n<150min-1).
67
14.5 Uslovi koji utiču na planiranje hidroelektrana (ređi slučajevi su u zagradama)
6. Klasifikacija na osnovu prenosa napojne vode 7. Položaj građevina
8. Mehanička oprema
Visoka brana Hmax>50m Planinski predeo (brdovit predeo)
Uglavnom hidrografski
Kombinovani
Uglavnom meteorološki
Ogroman
Srednji
Mali
Uglavnom rastresito, sedimentno
Kombinovano
Eruptivne stene, kristalni škriljci
Rečne brane sa pokretnim zatvaračnicama Derivacioni kanal vodozahvat --
Mašinska hala Kaplanova ili turbine sa nepokretnim lopatica (visokobrzinske Francisove)
Ogromne komponente Vertikalna ili horizontalna osovina (šaht) Generator sa velikim brojem polova Direktan ili indirektan prenosnik
Rečne brane sa pokretnim zatvaračnicama i sa prelivnim poljima Derivacioni kanal,najčešće prelivne hidroelektrane vodozahvat cevovod
Mašinska hala Normalno-brzinske Francisove, Kaplanova i turbine sa nepokretnim lopaticama Komponente srednje veličine Vertikalna ili horizontalna osovina (šaht)
Velike brane ili derivacione ustave Derivacioni kanal ili tunel,mašinska zgrada udaljena od brane rezervoar
Razdvojen
5. Najpogodnije rešenje zaustavljanja rečnog toka
Brana srednje visine Hmax=15-50m Brdovit predeo (planinski predeo)
Jednodelna
2.Podaci potrebni za preliminarne procene snage 3. Relativni udeo protoka u potencijalu 4. Tlo
Niska brana Hmax<15m Ravničarski predeo(brdovit predeo)
Blokovski tip
Uslovi koji utiču na planiranje 1.Topografski uslovi
cevovod Mašinska hala
Spore Francisove i Peltonove turbine
Male komponente Uglavnom horizontalna osovina (šaht)
Normalni generator
Normalni generator
Direktan prenosnik
Direktan prenosnik
68
Uslovi koji utiču na planiranje 9. Karakter akumulacije 10 Karakter proizvedene snage 11. Tip elektrana na osnovu energetske ekonomije 12. Ekonomske karakteristike (relativni troškovi proizvodnje)
Niska brana Hmax<15m
Brana srednje visine Hmax=15-50m
Dnevno regulisanje
Dnevno ili nedeljno regulisanje
Blago promenljiva, Blago promenljiva, ponekad sa prekidima neprekidna Pokrivaju bazno Pokrivaju bazno opterećenja (u saradnji opterećenja (u saradnjii sa drugim elektranama) sa drugim elektranama)
visoki
srednji
Visoka brana Hmax>50m Sezonsko, godišnje ili višegodišnje regulisanje Nepromenljiva, neprekidna Pokrivaju bazno ili vršno opterećenja (ostrvski rad)
niski
69
15. Reverzibilne hidroelektrane Pumpno-akumulacione (reverzibilne) hidroelektrane su postrojenja u kojima se za proizvodnju električne energije koristi hidroenergetski potencijal koji je ostvaren prethodnim pumpanjem vode iz donjeg u gornji akumulacioni basen. Imajući u vidu hidrauličke gubitke pada na derivaciji, kao i koeficijent korisnog dejstva, na 1kWh proizvedene energije se utroši od 1,3 do 1,35kWh energije za pumpanje. Gledajući sa tog stanovišta, reverzibilne hidroelektrane su u bilansnom smislu potrošač električne energije, čiji je energetski smisao u tome da omoguće prebacivanje energije iz perioda kada je ima suviše u period kada je otežana njena proizvodnja u mešovitom EES. Zadaci i efekti reverzibilnih hidroelektrana u mešovitom EES su sledeći: učestvuju u pokrivanju vršnih delova aktivnog opterećenja; učestvuju u regulisanju snage i frekvencije u EES, naročito u periodima brzog podizanja ili skidanja opterećenja; služe kao visokomanevarska rezerva snage u sistemu i kao rezerva opterećenja EES; pumpnim radom povećava se opterećenje u periodima minimalnih opterećenja EES (noć, neradni dani u sedmici), čime se otklanjaju prelivi protočnih hidroelektrana i poboljšava režim rada termoelektrane, jer iste rade sa boljim stepenom iskorišćenja, čime se smanjuje specifična potrošnja goriva; proizvode po potrebi reaktivnu energiju, koriste se kao sinhroni kompenzatori u EES, u cilju optimizacije ukupne proizvodnje aktivne i reaktivne energije i regulisanja faktora snage; mogu da kompenzuju nedostatak energije u sušnim delovima godine;
AGREGATI REVERZIBILNIH HIDROELEKTRANA Agregati reverzibilnih hidroelektrana se realizuju u tri različite kompozicije: 1) Šema sa četiri mašine - kod nje su potpuno razdvojene turbine i pumpe, tako da se u okviru jednog para mašina realizuju turbina i generator, a u okviru drugog, pumpa i motor. Zbog toga ova šema zahteva veću površinu i zapreminu mašinskih zgrada i veću količinu opreme po masi. Ova šema se koristi u slučajevima velikih padova, kao i u slučajevima faznog razvoja hidroelektrana, kada se klasična hidroelektrana dodatnim pumpnim agregatima pretvara u reverzibilnu hidroelektranu 2) Tromašinska šema agregata podrazumeva kompoziciju sledeće tri mašine: sinhrone mašine koje rade i kao motor i kao generator, turbine i pumpe. Ona se koristi u uslovima vrlo velikih padova, preko 600 m. Glavne prednosti su: imaju veći koeficijent korisnog dejstva u poređenju sa dvomašinskim i mogućnost brzog i lakog puštanja u pumpni režim. Najveći nedostatak su veće specifične investicije i u domenu opreme i u građevinskom delu mašinske zgrade. 3) Dvomašinska šema se sastoji od sinhrone mašine (motor-generator) i reverzibilne mašine (pumpa-turbina). Koriste se za padove od 3 do 650 m. Osnovna prednost im je manje koštanje u odnosu na tromašinske šeme. Koštanje samih agregata je za oko 20 do 30% manje u odnosu na alternativnu tromašinsku šemu, dok je smanjenje koštanja čitave reverzibilne hidroelektrane orijentaciono oko 10-15%. Prednost je i bolja pristupačnost za preglede i održavanje, kao veća pouzdanost sa gledišta kvarova zbog manjeg broja mašina, ležaja, zatvarača i kraćeg vratila. Mane su niži koeficijent korisnog dejstva, duži i komplikovaniji prelaz u pumpni režim (nekoliko puta duži nego u tromašinskim šemama), nešto skuplja elektrooprema i složeniji uslovi zaštite od kavitacije. Međutim, i pored tih mana dvomašinske šeme se sada najčešće koriste zbog nižih specifičnih troškova i sve većih jediničnih snaga agregata. 70
Elektroenergetski sistem Srbije raspolaže i jednim specifičnim objektom, reverzibilnom hidroelektranom "Bajina Bašta", koja je izgrađena u sastavu HE "Bajina Bašta". Kao tehnološka celina sastoji se od donje akumulacije (postojeća akumulacija HE "Bajina Bašta"), dovodnoodvodnog sistema, mašinske zgrade sa dva reverzibilna agregata snage po 307 MW, gornje akumulacije i brane na planini Tari. U pumpnom radu ovaj objekat je veoma krutih karakteristika. Stepen iskorišćenja ciklusa pumpanje-turbiniranje je 0,73, što ovaj objekat u celini definiše kao potrošača. Prirodni dotok u gornji akumulacioni bazen je beznačajan u odnosu na pumpane količine voda. Veličina korisne zapremine akumulacije (150 miliona m3 ; 190 GWh) svrstava ovaj objekat u veoma pogodne i upotrebljive u obezbeđenju dela hladne rezerve u sistemu.
Tehničke karakteristike RHE BAJINA BAŠTA jedinica mere 1. Podaci za RHE Snaga elektrane: - turbinski rad
614
MW
- pumpni rad
616
MW
- turbinski rad
129,2
m3/s
- pumpni rad
104,4
m3/s
Datum prve sinhronizacije:
23.09.1982.
2.1.Turbinski rad
1 / 2
- Proizvođač:
Toshiba
- Tip:
Francis
- Instalisana snaga:
315
MW
- Maksimalni pad:
609
m
- Minimalni pad:
506,4
m
- Broj obrtaja:
429
o /min
3.Generator
1 / 2
- Proizvođač:
R.Končar
- Prividna snaga:
315
MVA
- Aktivna snaga:
310
MW
Ukupni instalisani protok:
71
Faktor snage: - generatorski rad
0,95
- motorski rad
1
4. Blok transformator
1 / 2
- Proizvođač:
R.Končar
- Nominalna snaga:
2 x 160
MVA
- Prenosni odnos:
242/11
kV
- Ukupna zapremina akumulacije:
170
106m3
- Maksimalni energetski sadržaj
194
GWh
5.Hidrološki podaci
72
16. Hidroenergetski potencijal Srbije i Crne Gore
16.1 Hidroenergetski potencijal Srbije 16.2 Hidroenergetski potencijal Crne Gore 16.3 Problem iskorišćenja hidroenergetskog potencijala Tare
Analize iskoristivih hidroenergetskih potecijala na prostoru sadašnje SCG rađene su u Institutu "J. Černi" u okviru vodoprovrednih osnova Srbije i Crne Gore. Ukupan bruto potencijal od voda koje otiču vodotocima na teritoriji SCG iznosi oko 37 TWh/god, od čega na teritoriji Srbije oko 27,2 TWh/god, a na teritoriji Crne Gore 9,8 TWh/god. Radi sagledavanja hidroenergetskog značaja pojedinih reka, navode se okvirne vrednosti tih potencijala:
16.1 Hidroenergetski potencijal Srbije Srbija, ukupno 27.200 GWh/god, od čega: Dunav - 10.000, Sava - 464, Kolubara - 147, Drina - 5.678, Jadar - 43, Lim - 1.584, Uvac - 937, Ibar - 998, Raška - 66, Studenica - 152, Jošanica - 48, Ivanjička Moravica - 199, Velik Rzav - 202, Đetinja - 48, Skrapež - 30, Kamenica - 26, Zapadna Morava - 767, Rasina - 134, Preševska Moravica - 5, Južna Morava 797, Vrla - 52, Vlasina - 265, Nišava - 430, Jerma - 74, Temštica - 200, Veternica - 54, Jablanica - 53, Pusta Reka - 23, Toplica - 278, Aleksinačka Moravica - 48, Velika Morava 1090, Resava - 80, Crnica - 16, Mlava - 131, Pek - 199, Timok - 276, Crni Timok - 151, Svrljiški Timok - 77, Beli Drim - 1.230, Lepenac - 134 GWh/god. Veći delovi preostalog potencijala, rešavaće se kontinuiranim kaskadnim sistemima, pri čemu će se za neke tek odlučivati o najcelishodnijem broju stepenica. Još uvek je dosta neodređeno rešenje za srednji tok Drine (potez između HE Bajina Bašta i HE Zvornik, oko 1,5 TWh/god). Može se rešiti sa dve stepenice, većih korisnih zapremina, koje bi bile povoljne sa gledišta uloge tih objekata u EES i vodoprivrednom sistemu, ili sa više manjih stepenica, koje su pogodnije sa gledišta uklapanja u socijalno, urbano i ekološko okruženje, ali su energetski znatno lošije, zbog malih zapremina akumulacija. Potez donje Drine (od HE Zvornik do ušća u Savu) uspešno se može rešiti sa četiri stepenice, sa po oko 11 m pada, kojima se realizuje oko 1,4 TWh/god, ali će se zbog optimizacije zaštite priobalja ispitati i varijanta sa pet nižih stepenica. Tok Velike Morave se može rešiti sa sedam stepenica, sa padovima oko 7 m (ukupno 830 GWh/god), u okviru integralnog uređenja čitave te doline, koja se u Prostornom planu Srbije tretira kao "glavna osovina razvoja" Republike. Kaskadnim sistemom niskih stepenica planirano je korišćenje i Zapadne Morave (šest niskih stepenica, sa po 7-8 m pada) i nizvodnog dela Južne Morave. Tim kaskadnim sistemima bi se uspostavila plovidba od Dunava, duž sve tri Morave, do blizu Niša i do Kraljeva, čime bi najveći industrijski centri Srbije izašli na plovni put Dunav - Majna - Rajna.
73
Ibar se može rešiti samo kaskadom niskih stepenica, od po 14-15 m pada, snage po oko 15 MW, jer je dolina zaposednuta saobraćajnicama. Slična je i situacija sa dolinom Lima, koja se intenzivno zaposeda naseljima, tako da se predviđa korišćenje kaskadama manjih stepenica ili kanalisanih hidroelektrana, samo sa par većih objekata, od kojih HE Brodarevo - uzvodno snage oko 50 MW. U slivu Lima se veće akumulacije mogu graditi samo na nekim uzvodnim pritokama (Lješnica - preko 100hm3, Ljubivađa - preko 200 hm3, Grlja - oko 100 hm3, itd), čija bi realizcija bila važnija sa vodoprivrednog stanovišta. Ostale reke u Srbiji se mogu energetski koristiti samo delimično, zbog vodoprivrednih potreba, a i zbog raznih vidova ograničenja. Najveći sistem se planira u slivu Velikog Rzava, sa tri akumulacione hidroelektrane: Svračkovo, Roge i Orlovača. Najuzvodniji profil Orlovača pruža izvanredne mogućnosti da se branom od preko 180 m formira akumulacija od blizu milijardu m3, čime bi taj objekat postao strateška vodoprivredna rezerva Srbije iz koje bi se mogli povećati protoci na Zapadnoj i Velikoj Moravi u kriznim malovodnom periodima. Moguće je da se i taj sistem poveže i sa Limskim sistemom na taj način što bi se na Limu, na Potpećkom jezeru izgradila reverzibilna hidroelektrana, koja bi omogućavala pumpanje vode Lima u akumulaciju Bistrica na Uvcu, odakle bi se prevodila baznim tunelom u sliv V. Rzava. Tim prevođenjem bi se povećali protoci koji se mogu uputiti prema malovodnim zonama centralne Srbije (Šumadija, Pomoravlje). U slivu Nišave planira se izgradnja nekoliko manjih hidroelektrana, jer su doline reka tog sliva zaposednute saobraćajnicama i naseljima.
16.2 Hidroenergetski potencijal Crne Gore Crna gora, ukupno 9.846 GWh/god, od čega: Piva - 1.361, Tara - 2.255, Ćehotina - 463, Lim - 1.438, Ibar - 118, Morača do Zete - 1.469, Zeta - 2.207, Mala Rijeka - 452, Cijevna - 283 GWh/god. Na Pivi,Tari i Ćehotini moguća je realizacija najvećih akumulacionih hidroelektrana, koje bi imale izvanredan energetski, ali i vodoprivredni značaj, jer bi omogućile popravljanje vodnih režima na čitavom toku Drine. Svi planirani objekti imaju izvanredne proizvodne i ekonomske pokazatelje. Najbliži realizaciji su: HE Buk Bijela, nizvodno od spoja Pive i Tare, u Republici srpskoj, snage 450 MW, proizvodnje oko 1.150 GWh/god, zapremine akumulacije oko 410 hm 3 sa manjom nizvodnom HE Srbinje, koja ima ulogu kompenzacionog bazena, da bi se omogućio nesmetan vršni rad HE Buk Bijela; HE Komarnica na Komarnici, na kraju uspora postojeće HE Piva, snage oko 160 MW, proizvodnje oko 250 GWh/god, korisne zapremine 220 hm3, čiji se uspor prenosi do Šavnika. Najvećim delom je determinisano hidroenergetsko rešenje kanjona Morače, čiju okosnicu čini kaskada hidroelektrana Andrijevo, Raslovići, Milunovići i Zlatica, snage oko 240 MW, proizvodnje preko 700 GWh/god., sa čeonom akumulacijom Andrijevo, koja reguliše vode za nizvodne tri stepenice. U slivu Morače planira se i više manjih hidroelektrana na pritokama. Reku Ćehotinu je najumesnije koristiti sa dve akumulacione hidroelektrane Gradac (85hm3) i Milovci (386hm3). One se na najbolji način uklapaju u kompleksno rešenje čitavog gornjeg sliva Drine, jer se regulacijom protoka u njihovim velikim zapreminama poboljšavaju uslovi svih nizvodnih hidroelektrana na Drini. Još uvek nisu realizovane neke od najkvalitetnijih hidroelektrana u gornjem slivu Drine i Morače, zbog toga što se više decenija odlaže odluka o varijanti iskorišćenja voda (prirodni tok ili prevođenje dela voda Tare u Moraču).
74
16.3 Problem iskorišćenja hidroenergetskog potencijala Tare Jalove rasprave sa zalaganjem za prevođenje dela voda Tare u Moraču i protiv njega - traju više od četiri decenije. Činjenica da između reka Morače i Tare, uzvodno od Kolašina, postoji denivelacija od oko 650 m, na rastojanju od samo oko 5 km, dala je ideju da se ta prirodna koncentracija pada iskoristi za realizaciju velike HE Koštanica, snage oko 550-600 MW, proizvodnje oko 1.150. GWh/god. Realizacija te hidroelektrane podrazumeva da se prevodi deo voda Tare u Moraču. Razlozi 'za prevođenje' svode se na izuzetne energetske i ekonomske performanse te hidroelektrane, u uslovima kada se prevodi samo oko 5% ukupnog bilansa voda na donjem toku Drine. Nepovoljni efekti prevođenja se najvećim delom mogu neutralisati poboljšanjem vodnih režima spregnutim delovanjem novih čeonih akumulacija u slivu Drine, koje bi bile deo jedinstvenog energetsko-vodoprivrednog sistema. Razlozi 'protiv' svode se na zahtev da se očuvaju neporemećeni vodni bilansi u prirodnom toku Drine, zbog vodoprivrednih potreba u budućnosti. U pokušaju da se pronađe platforma za dogovor o toj elektrani evropskog značaja, prof. Branislav Đorđević je još 1984. predložio koncepciju sa reverzibilnom HE Koštanica. U prvoj fazi ona bi bila realizovana kao klasična hidroelektrana. Kasnije, kada to postane potrebno zbog porasta zahvatanja vode iz toka Drine za vodoprivredne korisnike, dogradili bi se i pumpni agregati, čime bi se vodni bilansi Tare i Drine ponovo vratili u prirodno stanje, ali uz znatno bolje vodne režime, zbog regulisanja protoka u čeonim akumulacijama. Time bi se ostvario izuzetno važan vodoprivredni cilj: regulisanje vodnih režima na toku Drine, što je preduslov za njeno korišćenje za navodnjavanje i druge vodoprivredne potrebe. Strategija korišćenja voda Tare i Morače, sa prevođenjem dela voda Tare preko RHE Koštanica, sa sistemom čeonih akumulacija kojima bi se neutralisali nepovoljni efekti na toku Drine u periodu prevođenja dela voda Tare - miri interese svih zainteresovanih država na Drini. Crna Gora dobija visoko vredne hidroelektrane, čije energetske performanse prevazilaze potrebe njenog EES, te ih može koristiti za vrlo povoljnu energetsku razmenu sa susedima, dok nizvodne države Srbija i Bosna i Hercegovina, dobijaju uređene vodne režime, sa značajno povećanim malim vodama, što je bitno za vodoprivredno, ali i hidroenergetsko korišćenje.
75
76
17. Razvoj hidroenergetskih sistema Kao rezultat napora da se iskoristi što veći deo raspoloživog hidroenergetskog potencijala, dolazi do građenja sve složenijih hidroenergetskih sistema. Pri tome se mogu uočiti sledeće tendencije: a) Postojeći sistemi se sve više proširuju i dograđuju, kako bi se povećala snaga postrojenja i deo iskoristivog potencijala sliva, pri čemu se prvobitno parcijalno građeni sistemi spajaju u jedinstvene, sve čvršće povezane funkcionalne celine. b) Novim dovodima i vodozahvatima povećava se vodni bilans postojećih akumulacija (naročito onih visoko lociranih, sa velikim padom, a malim protocima vlastitog sliva), kako bi se što potpunije iskoristile njihove mogućnosti za sezonsko izravnjavanje voda i proizvodnju vršne energije. c) Postojeći hidroenergetski sistemi se sve više dopunjavaju pumpnim i reverzibilnim postrojenjima, kako bi se do tada neiskorišćena voda sa nižih horizonata pumpanjem ubacila u visoko locirane akumulacije, a zatim iskoristila na znatno većem padu. d) Sistemi se proširuju novim akumulacionim bazenima, često sa dograđivanjem odgovarajućih pumpnih i reverzibilnih postrojenja, kako bi se na taj način povećala vršna energija na račun konstantne energije, čime se poboljšava uloga takvih postrojenja u mešovitom EES.
Karakteristike razvoja nekih složenih sistema Može se zaključiti da će sistemi za hidroenergetsko korišćenje voda imati sledeće zakonitosti razvoja:
Parcijalno građeni sistemi će se proširivati i međusobno povezivati, obuhvatajući sve veće delove slivova, kako bi se izvršila što veća koncentracija padova i protoka, pogodna za racionalno hidroenergetsko korišćenje voda. Voda će se sve češće i u sve većem obimu prevoditi iz sliva u sliv, samo delom zbog hidroenergetski povoljnije koncentracije padova i protoka, ali najviše zbog velike prostorne neravnomernosti vodnih resursa. Zbog toga će se sve češće dopunjavati pumpnim i reverzibilnim postrojenjima. Zbog vremenski veoma neravnomernih vodnih režima sistemi će biti proširivani novim akumulacionim basenim, kako bi se obuhvatilo što celovitije izravnjavanje voda i uređenje vodnih režima (ublažavanje velikih i povećanje malih voda). Postojeće hidroelektrane će se proširivati dodavanjem novih agregata, ili povećanjem instalisanosti postojećih. To je rezultat posledice da sa razvojem EES i povećanjem konzuma raste potreba za sve većom instalisanom snagom hidroelektrana.
Posebno važna grupa složenih sistema predstavljaju kaskadni sistemi.
77
Kaskadni sistemi Naredno vremensko razdoblje obeležiće dopunjavanje započetih kaskadnih sistema i izgradnja hidroenergetskih kaskada na rekama koje dosad nisu energetski korišćene. Savremena tehnologija korišćenja malih padova, primenom raznih tipova cevnih agregata, omogućiće izgradnju hidroelektrana i na onim deonicama reka koje dosad nisu korišćene, zbog naselja ili drugih ograničenja. Za kaskadne sisteme se mogu izdvojiti sledeće osobenosti razvoja:
Da bi se poboljšale energetske performanse sistema niskih kaskadnih stepenica, moraju se koristiti veće čeone akumulacije u gornjim delovima sliva.
Pri planiranju kaskadnih sistema potrebno je voditi računa da se odaberu takve konfiguracije sistema (padovi pojedinih stepenica, broj agregata i instalisanost, rasponi prelivnih polja i ispusta itd.), da bi se mogla iskoristiti unificirana oprema na što većem broju objekata i elemenata sistema. To znatno smanjuje investicione troškove, ali i troškove održavanja i eksploatacije čitavog sistema.
Pri rešavanju kaskadnih sistema u zoni naselja – treba voditi računa o urbanim zahtevima, od kojih je vrlo bitan da se u tim zonama obezbedi stabilna akvatorija, bez većih varijacija nivoa koje narušavaju estetske vrednosti i ugrožavaju bezbednost ljudi.
Kaskadni sistemi dolinskih reka (Velike Morave, donje Drine, Zapadne Morave, itd.) moraju se rešavati kao projekat integralnog uređenja rečne doline. To se odnosi na zaštitu priobalja, čiju okosnicu čine magistralni sabirni kanali duž branjenih područja.
78
Prilog 1 Kompletan predmer i predračun HE Orlovača na Velikom Rzavu A. GRAĐEVINSKI RADOVI
opis radova 1 . ulazna građevina I Zemljani radovi - iskop materijala za plato ulazne građevine u mat. III kategorije - tunelski iskop za prilazni deo II Betonski radovi - betoniranje AB donje ploče - betoniranje AB obalnih zidova - betoniranje i armiranje gornje ploče levka - betoniranje AB zidova ul. građevine - armatura (3% od betona) 2. Dovodni tunel I Zemljani radovi - iskop tunela do spoja sa cevovodom L=3.800/w II Betonski radovi - betoniranje tunelske obloge - armatura - torkretiranje 2x2,5m III Injekcioni radovi - 5.700 bušotina od 0,6m a) bušenje u betonu b) bušenje u steni - cement (I90kg/bušo(ini) - bentonit (lOkg/bušotini)
jed. mere
kol.
jed. cena €
m3
120
4,8
576
m3
200
35
7.000
m3 m3
35 45
88 97
3.080 4.365
m3
15
110
1.650
m3 kg
20 12.000 ukupno
97 1,3
1.940 19.600 34.211
m3
47.500
35
1.662.500
m3 kg m2
12.400 88.720 38.200
119 1,3 8,5
1.475.600 115.336 324.700
m m kg kg
1.710 3.420 1.083.000 57.000 ukupno
5 6,5 0,07 0,09
svega €
8.550 22.230 75.810 5.130 3.689.856
79
opis radova 3. Šahtna zatvaračnica I Zemljani radovi - iskop u širokom otkopu III kateg. - izbijanje šahta II Betonski radovi - betoniranje AB ploče temelja - betoniranje zidova, stubova i krovne konstrukcije zatvaračnice - betoniranje zidova šahta i niše - betonska obloga tunela u zoni suženja - armatura III Injekcioni radovi - 100 bušotina a) kroz beton b) kroz stenu 0,5m - cement (I90kg/bušotini) - bentonit (IGkg/buŠotini)
jed. mere
kol.
jed. cena €
svega €
m3 m3
500 1.800
4,8 52
2.400 93.600
m3
50
88
4.400
m3
70
97
6.790
m3 m3 kg
500 200 62.000
97 97
1,3
48.500 19.400 80.600
ni
40 50 19.000 1.000
5 6,5 0,07 0,09
200 325 1.330 90
m
kg kg
ukupno
272.185
4. Cevovod I Zemljani radovi - iskop za cevovod pri ulasku u mašinsku zgradu u III kategoriji - raščišćavanje duž trase cevovoda 375m II Betonski radovi - betoniranje ankernih blokova na prelazu tunela u cevovod i ulaska u mašinsku zgradu sa oblogom - armatura
m3
450
4,8
2.160
m3
1400
4,8
6.720
m3
200
88
17.600
kg
7.000 ukupno
1,3
9.100 35.580
80
opis radova 5. Mašinska zgrada 1 Zemljani radovi - iskop za mašinsku zgradu III kategorije - izrada nasipa od iskopanog materijala II Betonski radovi (do kote 462) - betoniranje temelja i zidova - betoniranje zidova odvodne vode i stubo va sifonskog zatvarača - betoniranje generatorskog stola - betoniranje AB ploče mont. prostora - betoniranje ploče međuspratne konstrukcije - betoniranje AB ploče sifonskog zatvarača - betoniranje zidova i ploča prostora za instalaciju i pomoćne prostorije - betoniranje temeljne ploče, komandne sale, magacina i pomoćnih prostorija - armatura - hidroizolacija temelja III Betonski radovi (od kote 462) - betoniranje zidova mašinske zgrade - betoniranje stubo va - betoniranje kranske staze - betoniranje ramovske konstrukcije krova - betoniranje AB tavanice - betoniranje podvlaka natprozornjaka i nadvratnika -armatura IV Ostali radovi - zidanje zidova od opeke u komandnomdelu delu i magacinu - krovna konstrukcija komandnog dela, magacina i radionice - zanatski radovi (malterisanje, molovanje, stolarija, bravarski i drugi.)
jed. mere
kol.
cena €
svega €
m3 m3
3.500 2.800
4,8 4,8
16.800 13.400
m3
200
88
17.600
m3
200
97
19.400
m3 m3 m3 m3
60 175 24 30
97 88 88 97
5.820 15.400 2.112 2.910
m3
105
88
9.240
m3
280
88
24.640
kg m2
30.000 200
1,3 25
39.000 5.000
ni3 m3 m3 m3 m3
90 8 7 10 14
88 88 119 88 88
7.920 704 833 880 1.232
m3
5
88
440
kg
3.650
1,3
4.745
m3
110
65
7.150
m3
21
120
2.520 3.000
ukupno
200.786
81
opis radova 6. Predbrane i optočni tunel I Zemljani radovi - iskop i ugradanja materijala za zagat L=500m - iskop i ugradnja gline za jezgro zagata L=500m - iskop i ugradnja materijala za nizvodni zagat - iskop optočnog tunela II Betonski radovi - betoniranje optočnog tunela - podgrada optočnog tunela - plombiranje optočnog tunela
jed. mere
kol.
cena €
svega €
m3
1.580
17
268.600
m3
2.000
17
34.000
m3
4.500
17
76.500
m3
11.200
35
392.000
m3 m3 m3
3.300 5.300 520
119 25 88
392.700 132.500 45.760
ukupno
1.342.060
7. Nasuta brana I Zemljani radovi - skidanje humusa i iskop materijala za temeljnu jamu i injekcionu galeriju - dopremanje i ugradnja kamenog nabacaja u telo brane L=500m - dopremanje i ugradanja materijala u jezgro II Betonski radovi - izrada injekcione galerije III Injekcioni radovi - izrada injekcione zavese - konsolidaciono injektiranje - vezno injektiranje - ispitivanje VDP IV Ostali radovi - izrada kolovoza na kruni brane
m3
5.000
4,8
24.000
m3
543.169
17
9.234.000
m3
182.931
20
3.659.000
m3
820
97
79.540
m ni m m
15.000 12.500 1.400 1.600
53 53 60 40
795.000 662.000 84.000 64.000
m3
560 ukupno
25
14.000 14.616.040
82
opis radova 8. Šahtni preliv I Zemljani radovi
jed. m ere
kol.
jed. cena €
svega €
- iskop materijala za tunel šahtnog preliva - iskop matrijala za preliv II Betonski radovi
m3 m3
21.700 6.000
35 35
759.500 210.000
- betoniranje obloga tunela - betoniranje šahtnog preliva - armatura - torkretiranje zidova tunela 2x2,5cm+rabic mreža
m3 n,3 kg
7.000 1.600 5.700
119 119 1,3
833.000 190.400 74.100
m2
7.500
8,5
63.750
ukupno 9. Slapište 1 Zemljani radovi - iskop materijala u radnom nanosu za slapište II Betonski radovi - betoniranje dna slapišta - betoniranje zidova slapišta
2.130.750
m3
1.200
4,8
5.760
m3 m3
460 180
88 88
40.480 15.840
ukupno
62.080
10. Vodostan I Zemljani radovi - široki iskop u IV katgoriji na koti 583m - izbijanje šahta II Betonski radovi - betoniranje dna vodostana - betoniranje zidova vodostana III Injekcioni radovi - vezno injektiranje oko dela vodostana 250 bušotina (220kg/b) a) u steni 0,8m b) u betonu Q,75m - cement (209kg/buš) - bentonit (1 1 kg/bus)
m3 m3
400 9.750
5 60
2.000 585.000
m3 m3
240 2.040
97 119
23.280 242.760
m m kg kg
220 188 52.250 2.750
5 6,5 0,07 0,09
1.100 1.222 3.685 248
ukupno
859.268
83
opis radova 11. Gornja zatvaračnica cevovoda I Zemljani radovi - iskop za zatvaračnicu u III kategoriji - iskop za ankerni blok III kategorije II Betonski radovi - betoniranje poda zatvarača - betoniranje zidova i stubova kranske staze - betoniranje krovne ploče - betoniranje ankerskog bloka - armatura
jed. mere
kol.
jed. cena €
svega €
m3 m3
1.200 280
4,8 4,8
5.760 1.344
m3
40
88
3.520
180 30 400 145 ukupno
88 88 KS 1,3
15.840 2.640 35.200 189 64.493
3
m m3 m3 kg
84
B. HIDROMAŠINSKA I ELEKTRO OPREMA
opis radova
jed. m ere
1. Brana i evakuacioni organi - pomoćni tablasti zatvarač - dizalica pomoćnog i remontnog zatvarača temeljnog ispusta 2Gt - pomoćni zatvarač temelnog ispusta I4t - glavni zatvarač temeljnog ispusta I4t - servo motor glavnog zatvarača 1,5^ - uljno hidraulička stanica sa potrebnim uređajima i instalacijama
-
2. Dovodni organi, mašinska zgrada i razvodno postrojenje rešetka ulazne građevine l0t tablasti zatvarač ulazne građevine 40t servo motor 3t mostna dizalica u zatvaračnici 7t
cevovod ø2,3m, 475m; 170t predturbinski leptirasti zatvaračnice 8t leptirasti zatvarač gornje zatvaračnice lOt mostna dizalica gornji zatvaračnice 5t turbina F115 12t sifon 10t tablasti sifonski zatvarač 10t portalna dizalica sifonskog zatvarača 25t generator 34t mostni kran mašinske zgrade 30t transformatori i razvoj 15t komanda i ostala pomoćna oprema
jed. cena €
kol.
svega €
kom
1
123.000
kom kom kom kom
1 i 1 1
71.000 49.000 49.000 10.500
kom
1 ukupno
53.000 355.000
kom kom kom kom Kom Kom kom kom kom kom kom kom kom kom kom
1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 2 1 2
40.000 20.000 35.000 235.000 100.000
ukupno
35.000 140.000 21.000 49.000 712.00028.000 35.000 17.500 80.000 40.000 70.000 170.000 470.000 79.000 200.000 130.000 2.277.000
85
