1 UVOD Čedalje večje potrebe po električni energiji (EE), naraščanje cen energentov in posledično naraščanje cene EE, so vodili v iskanje načinov za rentabilno izrabo hidroenergetskega potenciala na vodotokih z manj ugodnimi tehničnimi parametri. Za vodne turbine so začeli uporabljati že obstoječe (zgodovinske) vodne stroje, kot je to Arhimedov vijak, ki je bil v osnovi vodna črpalka, in vodno kolo. Ideje o uporabi teh tehnologij izvirajo pretežno iz Nemčije, bolj množično uporabo pa je zaslediti po internetnih virih v Angliji [1], [2]. Tam precej vlagajo v predelavo starih mlinov v male hidroelektrarne. Podobno temu se je leta 2010 pod okriljem belokranjskih občin začela uresničevati ideja v projektu »Z revitalizacijo mlinov do zelene energije«. Projekt je osredinjen na oživitev energetske izrabe vodnega potenciala belokranjskih vodotokov na lokacijah v večini primerov opuščenih mlinov. Cilj projekta je bil najti rešitve, ki bi bile sprejemljive za vpletene strani, kot so: Agencija RS za okolje (ARSO), Zavod za varstvo kulturne dediščine, Ribiška zveza … in ne nazadnje tudi za lastnike mlinov kot potencialne investitorje. Bistvenega pomena pri iskanju rešitev je bila težnja po ohranjanju kulturne dediščine in biotske raznovrstnosti ter možnosti za nadaljnji razvoj turistične dejavnosti v okolici mlinov [3]. Naša glavna vloga v referenčni skupini je bila oceniti hidroenergetski potencial, ki ga je ob podanih pogojih mogoče izkoristiti za proizvodnjo EE in hkrati utemeljiti najustreznejšo izvedbo primernih tehnologij MHE. Za določanje izkoristljivega hidroenergetskega potenciala je tako treba upoštevati obstoječe stanje na jezovih, obstoječe gabarite mlinščic, modificirane Prejet 4. julij, 2013 Odobren 10. september, 2013 OCENA PROIZVODNJE ELEKTRIČNE ENERGIJE HIDROELEKTRARNE NA KOLPI 85 vrednosti ekoloških pretokov in ne nazadnje tudi, kateri tip turbine je sprejemljiv. Nasprotna pot, ki je pri gradnji hidroelektrarn bolj običajna, to je prilagajanje lokacije v smislu maksimiranja izrabe in posledično donosa, v našem primeru ne obstaja. Torej kakršno koli dvigovanje zgornjega nivoja vode z višanjem jezu ali nižanje spodnjega nivoja s poglabljanjem korita ni dovoljeno. Predelava jezov za gradnjo optimalnih vtokov na boljših pozicijah tudi ni dovoljena. Umestitev hidroelektrarne je mogoča le v obstoječo mlinščico brez spreminjanja arhitekturne zasnove obstoječih mlinov [3], [4]. 2 PREGLED USTREZNIH TEHNOLOGIJ Na belokranjskih vodotokih obravnavamo hidroenergetski potencial s tehničnimi parametri pretokov v ustaljenih mejah od 1 m 3 /s do več 10 m 3 /s pri padcih na jezovih od 1 m do največ 1,5 m, na določenih lokacijah tudi pod 1 m. Hidroenergetski potencial s takšnimi tehničnimi parametri je do nedavnega v splošni praksi veljal kot nezanimiv za proizvodnjo EE predvsem zaradi slabega ekonomskega računa. Cena klasičnih vodnih turbin je visoka in gradbenih del je veliko, pri tem pa so še posegi v prostor precejšnji. Gradnja MHE z uporabo klasičnih vodnih turbin pri takih razmerah je smiselna le izjemoma, npr. ko nekega območja ni mogoče drugače preskrbeti z električno energijo in takrat je ta veliko bolj cenjena. Pri vključevanju malih hidroelektrarn v obstoječi hidroenergetski sistem je zaradi relativno nizke cene električne energije povračilna doba investicije predolga in njihovo obratovanje ni rentabilno. Do zdaj omenjena problematika je razvidna tudi iz Laymanovega vodnika za gradnjo MHE. To je uradni vodnik (priročnik) evropskega združenja malih hidroelektrarn (ESHA) in hkrati tudi Evropske komisije. Vodnik iz leta 1998 predvideva le uporabo klasičnih vodnih turbin. Minimalni neto padec, pri katerem je še predvideno izkoriščanje hidroenergetskega potenciala, znaša 3 m [5] (str. 76). V najnovejšem članku, v katerem avtorji predstavljajo izbiro ustrezne tehnologije za izrabo hidroenergetskega potenciala z zelo skromnimi karakteristikami, so upoštevane tudi že sodobne tehnologije vodnih turbin za MHE [6]. Iz predstavljenega diagrama Q-H sledi, da sta glede na tehnične parametre belokranjskih vodotokov primerna vodna stroja Arhimedov vijak in vodno kolo s spodnjim natokom. Zadnje je najprimernejše za padce pod 1 m in za revitalizacijo tistih mlinov, ki so spomeniki kulturne dediščine. Izdelovalci Arhimedovih vijakov navajajo področje uporabe za padce v razponu od 1 m do 10 m in pretoke od 0,1 m 3 /s do 10 m 3 /s [7], [8]. Stroški postavitve MHE so ob uporabi Arhimedovega vijaka ali vodnega kolesa relativno nizki, ker niso potrebni večji gradbeni posegi, kar je dobrodošlo tudi zaradi majhnih posledic v okolju. Še posebej hitro in preprosto postavitev na terenu omogoča izvedba postroja MHE z Arhimedovim vijakom v kompaktni izvedbi (slika 1) [7]. Med obratovanjem prideta pri izbranih dveh vodnih strojih do izraza še neobčutljivost za nečistoče in prijaznost do rib. Po tehnološki plati so pomembni visoki izkoristki na področju majhnih pretokov oz. nizkih obremenitev (slika 2) [9], nezahtevno obratovanje in vzdrževanje. Intenziven razvoj je v zadnjem času zaslediti tudi na električnih komponentah MHE. Uveljavljajo se novejše, zmogljivejše izvedbe električnih generatorjev [10], prav tako pa starejšim različicam nenehno izboljšujejo izkoristke. Med generatorje in mrežo so začeli vključevati izmenične presmernike z novimi principi vodenja v 4-kvadrantnem obratovanju za zagotavljanje večje fleksibilnosti postroja. 3 ZASNOVA RAČUNALNIŠKEGA MODELA Razvili smo več različic računalniškega modela, ki se razlikujejo glede na vrsto turbine, število turbin, nazivni pretok in posledično nazivno moč elektrarne. Opisana bo najkompleksnejša različica za MHE z dvema Arhimedovima vijakoma z nazivnim pretokom po 2,5 m 3 /s, od katerih je vsak voden s svojim izmeničnim presmernikom. Nazivna moč elektrarne znaša 2x22 kW. Računalniški model bo predstavljen po korakih, saj je sestavljen iz več segmentov in bo tako celotno razumevanje lažje. Glavne vhodne podatke, vodostaje in pretoke posameznega vodotoka (3 merilne postaje na Kolpi) dobimo na spletnih straneh ARSO [12]. Podatke za točno določene vmesne lokacije je mogoče pridobiti na ARSO le na neposredno zahtevo in s precejšnjimi stroški zaradi zahtevnosti in dolgotrajnosti preračuna. Kot osnovno bazo podatkov smo vzeli podatke merilne Slika 1: Kompaktni postroj MHE z Arhimedovim vijakom Slika 2: Izkoristki različnih turbin v odvisnosti od pretoka Pretok [v % nazivnega] Iz k o ri s te k [ % ] 86 LAVRIČ, RIHAR, FIŠER postaje Kolpa, Radenci II, za obdobje 1981–2010. Tri desetletja dolgo obdobje nam močno zmanjša vpliv ekstremno vodnatih (sušnih, mokrih) let. Merilna postaja Radenci II je v bližini Madroničevega mlina. Ta mlin je izmed vseh v projekt revitalizacije vključenih mlinov ob Kolpi lociran najvišje v njenem toku in obravnava te lokacije je najbolj smiselna. Njegov lastnik ima okvirno rešitev za malo hidroelektrarno s paralelno postavitvijo dveh postrojev z Arhimedovima vijakoma. 3.1 Ureditev podatkov v programu Excel Podatke dobimo v Excelovi datoteki .xls. S pomočjo nekaj manipulacij jih preuredimo po mesecih in za vsakega od mesecev upoštevamo modificiran minimalni ekološki pretok (Qes.modif). Z določitvijo parametrov že vgrajene funkcije xlsread() podatke uvozimo v Matlab, jih zapišemo v pripravljene matrike in nadaljujemo obdelavo. V tem delu programa upoštevamo tudi mejni vodostaj, maksimalne oz. nazivne pretoke obeh turbin, vrednost težnostnega pospeška in gostoto vode. V nadaljevanju s pomočjo programa Excel z matematično operacijo interpolacije določimo enačbe in funkcije izkoristkov v odvisnosti od obremenitve za posamezne dele postroja hidroelektrarne (generator, izmenični presmernik, turbina in menjalnik). Pri določanju smo si pomagali s karakteristikami, ki se najdejo v literaturi ali pa smo jih pridobili neposredno od izdelovalcev. Na osnovi podatkov nemškega izdelovalca električnih generatorjev VEM Group je izrisana krivulja izkoristka asinhronskega generatorja v odvisnosti od obremenitve (slika 3). Krivulji je dodana trendna linija, s pomočjo katere je izvedena operacija interpolacije in pridobljena enačba, ki nam ponazarja matematično funkcijo izkoristka generatorja. Na podoben način smo pridobili tudi funkcije izkoristkov izmeničnih presmernikov ter Arhimedovega vijaka in vodnega kolesa. Karakteristike izkoristka množilnika hitrosti (menjalnika) pri izdelovalcih nismo mogli pridobiti, zato smo na osnovi literature njegov izkoristek določili na fiksno vrednost 94 %. 3.2 Izračuni v programskem okolju Matlab Vse enačbe so nato vgrajene v Matlabov program. Skupni izkoristek postroja je določen z enačbo (1). To je celoten izkoristek pri pretvorbi potencialne energije vode v električno energijo, ki jo elektrarna lahko odda. skupni tur gen pr gear         (1) V enačbi (1) so ηtur izkoristek turbine, ηgen izkoristek električnega generatorja, ηpr izkoristek izmeničnega presmernika ter ηgear izkoristek menjalnika. Na sliki 4 je izrisana funkcija izkoristka celotnega postroja za območje obremenitev od 20 do 100 %. Pri obremenitvi, manjši od 20 %, hidroelektrarna deluje pri zelo nizkem izkoristku, ker hkrati močno upadata izkoristka generatorja in turbine. 3.2.1 Optimizacijski algoritem za doseganje maksimalnega izkoristka V nadaljevanju določimo pare množic točk oziroma premic, ki bodo ponazarjale zvezno porazdelitev pretoka na dva dela. Resolucijo razporeditve določimo s spremenljivko N. Za vsako točko na setu premic določimo vrednost izkoristka turbine v tej točki. To vrednost pomnožimo s pretokom in dobimo vrednost tehnično izkoristljivega pretoka. Z uporabo zank for nato vse vrednosti preletimo in določimo maksimalne vrednosti tehnično izkoristljivih pretokov. Tako dobimo optimalno porazdelitev pretoka na obe turbini. Obe razporeditvi zapišemo v vektorja pre1 in pre2. Vrednosti obeh pretokov pri optimalni razporeditvi sta narisani na sliki 5. Diagram je izrisan za pretok Qmax1=Qmax2=2,5 m 3 /s. To pomeni, da ob dnevnem pretoku 2,5 m 3 /s vsa voda teče skozi prvo turbino, skozi drugo turbino pa ne spustimo nič. Če znaša dnevni pretok 4 m 3 /s (pribl. 320 delov), Slika 3: Izkoristek asinhronskega generatorja v odvisnosti od obremenitve y = - 0,001049x 4 + 0,110457x 3 - 0,402140x 2 + + 0,439146x + 0,769647 0,865 0,875 0,885 0,895 0,905 0,915 0,925 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Delež moči od nazivne (P/Pn) Iz k o ri s te k k o t d e le ž o d 1 Iz k o ri s te k Polinomska aproksimacija Merjeno Slika 4: Skupni izkoristek postroja v odvisnosti od dejanskega pretoka Slika 5: Optimalna razdelitev pretoka čez turbini v odvisnosti od izkoristljivega dnevnega pretoka (400 delov=5 m 3 /s) OCENA PROIZVODNJE ELEKTRIČNE ENERGIJE HIDROELEKTRARNE NA KOLPI 87 teče čez vsako od turbin 2 m 3 /s. Razporeditvi nista enaki, kaj šele preprosti. Enačbi dobljenih krivulj ponovno pridobimo z interpolacijo. Tokrat uporabimo kar vgrajeno funkcijo polyfit(). 3.2.2 Določitev dnevnih pretokov in izkoristkov Za računanje s pretoki so uporabljene tri spremenljivke v matrični obliki: Qdnevni, Qturbine1 in Qturbine2. S pomočjo zank for ponovno preletimo vodostaje vseh datumov in glede na pogoje mejnega vodostaja določimo, katere dni obratujemo in katere dni ne. Kadar je vodostaj višji od mejnega, električni generator ne sme obratovati in je lahko celo potopljen. Model upošteva tudi modificiran minimalni ekološki pretok in glede na naslednje pogoje v spremenljivke vpiše vrednosti. Kadar je vode premalo, so pretoki enaki nič, kadar so pretoki manjši od seštevka Qmax1 in Qmax2, je Qdnevni enak kar dnevnemu pretoku, kadar pa so pretoki večji, izkoristimo lahko le del Qmax1+Qmax2. Vrednosti spremenljivk Qturbine1 in Qturbine2 določimo s pomočjo krivulj s slike 5 in funkcije polyval(). Glede na dnevni pretok čez posamezno turbino nato določimo dnevne izkoristke posameznega sestavnega dela postroja na podlagi že pridobljenih enačb izkoristka v odvisnosti od obremenitve. 3.2.3 Določitev neto padca kot funkcije pretoka Ko je med generator in omrežje vključen izmenični presmernik, lahko z zniževanjem vrtilne hitrosti generatorja in s tem turbine znižujemo pretok in teoretično ohranjamo padec na nazivni vrednosti. Tako lahko bolje izkoristimo vodni potencial pri nižjih razpoložljivih pretokih. V tem primeru torej računamo s konstantnim padcem. Če je generator na mrežo priključen direktno, brez izmeničnega presmernika, njegove vrtilne hitrosti ob pomanjkanju vode ni mogoče ustrezno zniževati. Neto padec je zato odvisen od pretoka, Hneto= f(Q). Funkcijsko odvisnost smo določili s pomočjo karakteristik vijaka, ki smo jih pridobili od izdelovalca Arhimedovih vijakov Rehart GmbH. 3 2 0,06921 0,27128 0,14918 0,31252 neto H Q Q Q         (2) 3.2.4 Določitev moči, energije in ocena prihodkov Moč elektrarne se za vsak dan posebej izračuna z enačbo (3): neto gen tur pr gear P Q H g            (3) Poleg že predhodno definiranih količin sta v (3) ρ gostota vode in g težnostni pospešek. Z uporabo enačbe (4) seštejemo vse moči, pomnožene s 24 urami, in tako dobimo proizvedeno električno energijo v kWh. 1 ( 24 ) n e i i W P ur    (4) V enačbi (4) je Pi dnevna moč elektrarne, n pa število dni v letu, za katero opravljamo izračun. Energijo celotnega obdobja dobimo s seštevkom posameznih letnih energij. Celotno energijo razdelimo na povprečne letne in potem z upoštevanjem cen zagotovljenega odkupa električne energije izračunamo povprečni letni prihodek. Prav tako lahko preračunamo tudi letni prihodek na kW električne moči elektrarne. Ta bo pozneje verjetno najbolj uporaben za primerjavo z zmogljivostmi drugih turbin in postrojev. Cene zagotovljenega odkupa električne energije so navedene na spletni strani Borzena [13]. Odvisne so od nazivne moči MHE in veljajo za prvih 15 let obratovanja. Različice računalniškega programa za druge variante izvedbe hidroelektrarne so opisane v [11]. 4 SIMULACIJE OBRATOVALNIH PRIMEROV V nadaljevanju bomo prikazali rezultate izračunov, ki smo jih pridobili s pomočjo računalniškega modela male hidroelektrarne. 4.1 Vodnatost Kolpe in proizvodni potencial Na slikah od 6 do 8 je grafična predstavitev vodnatosti reke Kolpe za tri značilna leta, ki je narejena na podlagi podatkov iz arhiva za merilno mesto Radenci II. Opazimo različne razporeditve pretokov, z markantnimi viški spomladi in jeseni ter značilnimi pomanjkanji vode poleti. Grafikoni vodnatosti (hidrogrami) reke Kolpe so namenoma izbrani za povprečno vodnato leto 2005 (slika 6), za ekstremno sušno leto 2003 (slika 7) in za ekstremno mokro leto 2010 (slika 8). Že bežen pregled grafikonov nam razkrije značilna nihanja v poteku krivulje Q, ki kaže pretok. To izhaja iz dejstva, da ima reka Kolpa veliko hidrometrično zaledje in veliko padavin zlasti v zgornjem toku, na Kočevskem in na robu Snežniškega pogorja. Pomembno je tudi, da ob vsakih padavinah okoli 50 % vode odteče. Tako se že ob zmernih padavinah zbere velika količina vode, kar se izraža v markantnih skokovitih porastih vodostajev in pretokov. Padci pretokov so nekoliko bolj umirjeni kot porasti zaradi geološke sestave tal (mešanica apnencev in dolomitov). Hidrogrami so nadgrajeni s karakterističnimi obratovalnimi parametri elektrarne z močjo 2x22 kW, ki je predvidena na lokaciji Madroničevega mlina. Najnižja stopničasta črta označuje nivo modificiranega ekološko sprejemljivega pretoka Qes.modif za posamezni mesec, ki ga pogojuje Zavod za ribištvo RS. Vrednosti Qes.modif so med 4,67 m 3 /s (avgust) in 8,55 m 3 /s (april) s celoletno povprečno vrednostjo 6,41 m 3 /s. Grobo ocenjeni ekološki pretok znaša 3,73 m 3 /s. Višja stopničasta črta pomeni seštevek Qes.modif in nazivnega pretoka hidroelektrarne Qn. Ravna linija označuje nivo pretoka Qm ob mejnem vodostaju. Mejni vodostaj je glede na karakteristike hidroelektrarne določen na 150 cm, pripadajoči pretok pa tako znaša okoli 100 m 3 /s. Za to vrednost mejnega vodostaja so zgornji hidrogrami na posamezni sliki. Spodnji hidrogrami so narejeni za mejni vodostaj 180 cm, pri čemer je pretok 150 m 3 /s. S skokovito spreminjajočo se črto so podane dnevne obratovalne električne moči P v kW in so vezane na sekundarno (desno) os grafikonov. Že z bežnim pregledom grafikonov ugotovimo, kdaj in s kolikšno 88 LAVRIČ, RIHAR, FIŠER močjo MHE lahko obratuje. Kadar je dnevni pretok večji od seštevka Qes.modif in nazivnega pretoka, obratujemo z nazivno močjo. Ko je pretok reke celo nižji od Qes.modif elektrarna ne obratuje. V vmesnem območju obratuje z delno močjo. Kadar je dnevni pretok večji od mejnega, je zaradi morebitne potopitve električnega generatorja obratovanje onemogočeno. Pri višjem mejnem vodostaju elektrarna dlje časa obratuje. Prekinitev je tako manj in so tudi krajše. Višino mejnega vodostaja je treba določiti tudi na osnovi dovoljenega časa potopitve generatorja. Po proizvajalčevih navedbah je ta okvirno osem do največ deset dni. Na hidrogramu za leto 2005 (slika 6) je pri mejnem vodostaju 150 cm decembra stanje kritično, kajti visoka voda je bila več kot 10 dni skupaj. Šele pri mejnem vodostaju 180 cm je stanje za opremo sprejemljivo. V letu 2005 vrednosti pretokov niso nikoli nižje od Qes.modif in povprečje srednjih mesečnih pretokov Qsr znaša 44,4 m 3 /s. Viški pretokov so pozno spomladi, poleti in jeseni. Skokovita rast pretokov pozimi ni ugodna. Februarja in marca zaradi majhne vodnatosti nekaj časa obratujemo le z delno močjo. Skupna leta 2005 proizvedena EE je za mejni vodostaj 150 cm 324,9 MWh. Zanimivo je, da je za 4 MWh večja kot za leto 2002, ki ima enak Qsr (tabela 1). Nasprotno je pri mejnem vodostaju 180 cm za leto 2002 proizvedena EE za 5,5 MWh večja kot leta 2005. Očitno ima leto 2005 ugodnejšo razporeditev pretoka z manjšimi konicami. Leto 2003 je z Qsr enakim 31,9 m 3 /s, eno najmanj vodnatih let v obravnavanem obdobju 30 let. V juliju in avgustu proizvodnje EE tako rekoč ni, pa tudi junija in septembra je skromna (slika 7). Posledično je tudi letna proizvodnja slaba in znaša le 252,1 MWh pri mejnem vodostaju 150 cm. Za leto 2010 je Qsr 63,5 m 3 /s in pomeni rekordno vrednost v obravnavanem obdobju 30 let. Že hiter pregled grafa (slika 8) nam potrdi izjemno vodnatost tega leta, saj pretoki večji del leta presegajo 30 m 3 /s. Vode je veliko predvsem jeseni, septembra, takrat so poplavljale reke po vsej Sloveniji. Vode je v izobilju tudi pozimi in v pomladanskem času, poleti pa nenavadno malo. Približno 30 dni bi morali obratovati z delno močjo, kar nekaj časa pa je obratovanje zaradi prevelikih pretokov onemogočeno. Vrednost proizvedene EE znaša »le« 288,4 MWh pri mejnem vodostaju 150 cm in je manjša od vrednosti leta 2002 in leta 2005. Vidimo torej, da velika vodnatost in s tem velik Qsr na račun pogostejših visokih vodostajev ni ugoden za obratovanje hidroelektrarne. Kot pomembnejša se izkaže zmerna razporeditev pretoka vode skozi leto. V tabeli 1 so na enem mestu zbrani podatki za povprečje srednjih mesečnih pretokov Qsr in proizvedeno EE za mejna vodostaja 150 cm in 180 cm za pet izbranih let. Dodani so tudi podatki za število dni brez obratovanja in število obratovalnih dni pri delni oz. polni obremenitvi za mejni vodostaj 150 cm. Sprememba mejnega vodostaja s 150 cm na 180 cm v praksi pomeni pri 22° naklonu osi postroja za 80 cm podaljšano os Arhimedovega vijaka, kar pa podaljša vodoravno dimenzijo (dolžino) postroja za dobrih 74 cm. Pri izračunih se pokaže razlika v proizvodnji v bolj vodnatih letih od 10 % do 12 % (2008 in 2010) in le dobre 3 % v sušnem letu 2003. Na prvi pogled se zdi Slika 6: Pretoki in moči za povprečno vodnato leto 2005 pri mejnem vodostaju 150 cm – zgoraj in 180 cm – spodaj 1 10 100 1000 1. 1. 20 05 1. 2. 20 05 1. 3. 20 05 1. 4. 20 05 1. 5. 20 05 1. 6. 20 05 1. 7. 20 05 1. 8. 20 05 1. 9. 20 05 1. 10 .2 00 5 1. 11 .2 00 5 1. 12 .2 00 5 1. 1. 20 06 Dnevi v letu 2005 P re to k [ m ³/ s ] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 E le k tr ič n a m o č [ k W ] Pretok [m³/s] Qes.modif + izraba za elektrarno Qes. modificirani Pretoki ob mejnem vodostaju Električna moč [kW] Qes.modif Q Qm Qes.modif +Qn P 1 10 100 1000 1. 1. 20 05 1. 2. 20 05 1. 3. 20 05 1. 4. 20 05 1. 5. 20 05 1. 6. 20 05 1. 7. 20 05 1. 8. 20 05 1. 9. 20 05 1. 10 .2 00 5 1. 11 .2 00 5 1. 12 .2 00 5 1. 1. 20 06 Dnevi v letu 2005 P re to k [ m ³/ s ] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 E le k tr ič n a m o č [ k W ] Pretok [m³/s] Qes.modif + izraba za elektrarno Qes. modificirani Pretoki ob mejnem vodostaju 180 cm Električna moč [kW] Q Qes.modif P Qm Qes.modif +Qn Slika 7: Pretoki in moči za izjemno sušno leto 2003 pri mejnem vodostaju 150 cm – zgoraj in 180 cm – spodaj 1 10 100 1000 1. 1. 20 03 1. 2. 20 03 1. 3. 20 03 1. 4. 20 03 1. 5. 20 03 1. 6. 20 03 1. 7. 20 03 1. 8. 20 03 1. 9. 20 03 1. 10 .2 00 3 1. 11 .2 00 3 1. 12 .2 00 3 1. 1. 20 04 Dnevi v letu 2003 P re to k [ m ³/ s ] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 E le k tr ič n a m o č [ k W ] Pretok [m³/s] Qes.modif + izraba za elektrarno Qes. modificirani Pretok ob mejnem vodostaju Električna moč [kW] 1 10 100 1000 1. 1. 20 03 1. 2. 20 03 1. 3. 20 03 1. 4. 20 03 1. 5. 20 03 1. 6. 20 03 1. 7. 20 03 1. 8. 20 03 1. 9. 20 03 1. 10 .2 00 3 1. 11 .2 00 3 1. 12 .2 00 3 1. 1. 20 04 Dnevi v letu 2003 P re to k [ m ³/ s ] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 E le k tr ič n a m o č [ k W ] Pretok [m³/s] Qes.modif + izraba za elektrarno Qes. modificirani Pretok ob mejnem vodostaju 180 cm Električna moč [kW] Slika 8: Pretoki in moči za izjemno mokro leto 2010 pri mejnem vodostaju 150 cm – zgoraj in 180 cm – spodaj 1 10 100 1000 1. 1. 20 10 1. 2. 20 10 1. 3. 20 10 1. 4. 20 10 1. 5. 20 10 1. 6. 20 10 1. 7. 20 10 1. 8. 20 10 1. 9. 20 10 1. 10 .2 01 0 1. 11 .2 01 0 1. 12 .2 01 0 1. 1. 20 11 Dnevi v letu 2010 P re to k [ m ³/ s ] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 E le k tr ič n a m o č [ k W ] Pretok [m³/s] Qes.modif + izraba za elektrarno Qes. modificirani Pretoki ob mejnem vodostaju Električna moč [kW] 1 10 100 1000 1. 1. 20 10 1. 2. 20 10 1. 3. 20 10 1. 4. 20 10 1. 5. 20 10 1. 6. 20 10 1. 7. 20 10 1. 8. 20 10 1. 9. 20 10 1. 10 .2 01 0 1. 11 .2 01 0 1. 12 .2 01 0 1. 1. 20 11 Dnevi v letu 2010 P re to k [ m ³/ s ] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 E le k tr ič n a m o č [ k W ] Pretok [m³/s] Qes.modif + izraba za elektrarno Qes. modificirani Pretoki ob mejnem vodostaju 180 cm Električna moč [kW] OCENA PROIZVODNJE ELEKTRIČNE ENERGIJE HIDROELEKTRARNE NA KOLPI 89 Tabela 1: Povprečje pretokov, proizvedena EE in število obratovalnih dni za izbrana leta Leto Povprečje srednjih mes. pretokov Qsr [m 3 /s] Proizvedena EE pri mejnem vodostaju [MWh] Število dni pri obremenitvi 150 cm 180 cm Brez Delna Polna 2002 44,4 320,9 348,3 46 44 275 2003 31,9 252,1 260,5 92 61 212 2005 44,4 324,9 342,8 42 44 279 2008 46,5 287,6 322,3 61 69 236 2010 63,5 288,4 319,9 71 44 250 dvigovanje mejnega vodostaja s stališča proizvodnje koristen poseg, vendar ne smemo zanemariti drugih vidikov. Prvi je ta, da se zaradi previsokih vodostajev ob poplavah nikakor ne moremo izogniti zalitosti generatorja in menjalnika, po drugi strani pa nesorazmerni gabariti postroja ne pridejo v poštev zaradi neprimernega videza. Dejstvo je tudi, da z naraščanjem vodostaja nivo spodnje vode narašča hitreje kot zgornje. Izkustveno velja, da na Kolpi dvakrat hitreje. Pri visokih vodah se torej padec zniža in tudi fizikalnih pogojev za obratovanje ni več. Pri izračunih za mejni vodostaj 180 cm je negativni vpliv povišanega nivoja spodnje vode zanemarjen. Podaljševanje osi postroja in s tem posledično dvigovanje mejnega vodostaja je smiselno oz. nujno le do mere, ki bo preprečila predolgo zalitost generatorja. Lahko pa se v prihodnosti nadejamo tudi boljše tehnološke rešitve, ki bo dopuščala daljše časovno obdobje zalitosti generatorja. Na sliki 9 je histogram obratovalnih dni v odvisnosti od obratovalne moči 2x22 kW elektrarne za 30-letno obdobje pri mejnem vodostaju 150 cm. Histogram zajema obdobja po mesecih (januar 1981–januar 2010, februar 1981–februar 2010 …). To je skupaj 930 dni za mesece z 31 dnevi, 900 dni za mesece s 30 dnevi ter 848 dni za mesec februar, upoštevajoč prehodna leta. Na x- osi je električna moč v korakih po 5 kW, na y-osi pa je število dni. Iz prikaza po mesecih je razvidno, v katerih mesecih elektrarna proizvede več EE. Obdobje 30 let nam zmanjša vpliv ekstremov, ki je bil predhodno že nakazan. Že hiter pogled na histogram razkrije, da elektrarna pri nazivni moči obratuje od 550 do 750 dni v vseh mesecih razen poletnih. Različno so razporejeni dnevi, ko elektrarna obratuje pri delni moči. Januarja, februarja in marca je teh dni bolj malo, aprila še manj, maja in junija pa več. V poletnih mesecih (julij, avgust in september) je obratovalnih dni z nazivno močjo veliko manj kot spomladi. Avgusta celo samo okoli 300. To je le okoli 30 % vseh avgustovskih dni, je pa zato večje število dni, ko obratujemo z zmanjšano močjo ter kljub manjšim pretokom proizvajamo električno energijo. Dni, ko je vode premalo za obratovanje, ali pa so vodostaji višji od mejnega, je od 100 do 250, odvisno seveda od meseca. V primerjavi z drugimi poletnimi meseci septembra največ časa obratujemo z nazivno močjo. Hkrati je treba omeniti, da je zaradi večje količine padavin tudi vodostaj največkrat višji od mejnega in posledično ne obratujemo. Izmed vseh mesecev so za obratovanje najugodnejša junijska obdobja, saj je dni, ko elektrarna ne obratuje, daleč najmanj. Teh je samo 52, kar znaša 6 % vseh junijskih dni v obdobju 30 let. Podrobnejši izračun razkrije, da bi v 30 letih (10958 dni) taka hidroelektrarna obratovala z nazivno močjo kar 7309 dni, to je 67 % časa. Obratovanje bi bilo onemogočeno zaradi bodisi premajhnih pretokov ali previsokih vodostajev 1944 dni, to je 18 % časa. Preostalih 1705 dni (15 % časa) bi obratovala z zmanjšano oziroma le delno močjo. 4.2 Vpliv velikosti postroja na proizvodnjo EE Do zdaj so bili podrobneje prikazani rezultati za 2x22 kW elektrarno, katere delovanje je zamišljeno kot najbolj sofisticirano in je tudi predstavljeno pod opisom programa. V nadaljevanju bodo podani še rezultati izračunov za večjo in manjšo varianto. Na sliki 10 je skupen histogram za 2x44 kW varianto, to je dvakrat močnejšo elektrarno od do zdaj opisane. Nazivni pretok posameznega Arhimedovega vijaka je 5 m 3 /s in nazivni pretok elektrarne je tako 10 m 3 /s. Zaradi tako velikega Slika 9: Histogram dnevnih obratovalnih moči v 30-letnem obdobju za varianto MHE 2x22 kW Slika 10: Histogram dnevnih obratovalnih moči v 30-letnem obdobju za varianto MHE 2x44 kW 90 LAVRIČ, RIHAR, FIŠER nazivnega pretoka se opazno zmanjša število obratovalnih dni pri polni moči, poveča pa se število obratovalnih dni pri delni moči. V tabeli 2 so podane vrednosti celotne proizvedene EE za obdobje 30 let in povprečne vrednosti letnih prihodkov ter povprečje letnih prihodkov, razdeljeno na kW moči. Predstavljeni so podatki za pet variant. Poleg do zdaj omenjenih 2x22 kW in 2x44 kW so tu še tri variante z enojnim postrojem. Arhimedov vijak je pri tretji varianti z 32 kW dimenzioniran za 3,7 m 3 /s in generator ni voden z izmeničnim presmernikom. Pri četrti varianti je računano, kot bi imeli instalirano le eno polovico elektrarne 2x22 kW. Zadnja, peta varianta je računana z vodnim kolesom, katerega nazivni pretok je 5 m 3 /s, torej porablja enako količino vode kot 2x22 kW elektrarna z Arhimedovima vijakoma (prva varianta), a jo slabše izkoristi. Tabela 2: Proizvedena EE in povprečni letni prihodki za različno velike postroje MHE Varianta: EE 30 let [GWh] Letni prihodek [€] [€/kW] 1. 2x22 kW; 2xIP; OPT 8,64 30.387 692,50 2. 2x44 kW; 2xIP; OPT 15,22 46.980 535,30 3. 1x32 kW; brez IP 5,15 18.108 565,87 4. 1x22 kW; IP 4,61 16.207 738,70 5. 34,5 kW; vodno kolo; IP 6,81 23.939 693,90 Primerjava na osnovi letnega prihodka na kWh pokaže, da je najbolj izkoriščen najmanjši 22 kW postroj. Zelo slabo se izkaže varianta 32 kW, ker je to le ena večja enota. Ima več obratovanja pri delnih pretokih in dodatno še slabše izkoriščanje delnih pretokov, ker nima vgrajenega izmeničnega presmernika. Najmanjši donos na kW ima največja elektrarna, ker je tu nižja zagotovljena cena odkupa (le 92,61 €/MWh in ne več 105,47 €/MWh) [13] in tudi obratovanja pri delni moči je več. Elektrarna je manj izkoriščena (slika 10), kar lahko vidimo tudi iz proizvedene energije v 30 letih. Dvakrat večja elektrarna lahko proizvede le 76 % več EE. Varianta 2x44 kW je sicer v praksi na obravnavani lokaciji nemogoča zaradi fizičnih dimenzij (preozka mlinščica in premajhen padec). Širina mlinščice 6 m omogoča le velikosti ranga 2x25 kW. Širina Arhimedovega vijaka obravnavne ene 22 kW enote je 2,4 m. Preskok instalirane moči elektrarne čez 50 kW v našem primeru ni smiseln, ker se tudi cenovno ne bi izšel. Variante z enojnim postrojem in posledično manjšo instalirano močjo bi bile smiselne v primeru omejenih finančnih zmožnosti investitorja. Vodno kolo opazno slabše izkoristi dani pretok. 4.3 Vpliv kompleksnosti izvedbe in zahtevnosti vodenja MHE na proizvodnjo EE V tabeli 3 so zbrani rezultati izračunov za enako velike postroje. Razlike so le v uporabi izmeničnih presmernikov in uporabi optimizacije vodenja za doseganje višjih izkoristkov pri delnih obremenitvah. Varianta 1 je že poznana najbolj sofisticirana izvedba 2x22 kW. Pri varianti 2 je samo ena polovica opremljena z izmeničnim presmernikom. Ta polovica postroja vedno obratuje pri delnih obremenitvah. Polovico brez presmernika (22,55 kW) pa vključimo šele, ko imamo na voljo 2,5 m 3 /s in več. V tretjem primeru nimamo presmernikov, zato je nazivna moč zaradi boljšega izkoristka 2x22,55 kW. Optimiziranje izkoristka pri delni obremenitvi naredimo z razporejanjem pretoka s pomočjo ustreznega odpiranja vstopnih loput. Podobno uporabimo lopute pri varianti 4, le da tu do 1 m 3 /s spuščamo vodo samo na en vijak, za večje pretoke pa obratujeta oba popolnoma vzporedno. Varianta 5 je najcenejša in najpreprostejša za vodenje. Ko je presežek vode nad Qes.modif, se jo spušča na oba vijaka brez kakršne koli optimizacije. Tabela 3: Primerjava proizvedene EE in povprečna vrednost letnih prihodkov glede na kompleksnost izvedbe MHE Varianta: EE 30 let [GWh] Letni prihodek [€] [€/kW] 1. 2x22 kW; 2xIP; OPT 8,64 30.387 692,50 2. 1x22 kW; 1x22,55 kW 1xIP (44,5 kW) 8,75 30.772 691,50 3. 2x22,55 kW; brez IP; OPT 8,73 30.700 680,87 4. 2x22,55 kW; do 1m 3 /s OPT 8,60 30.325 670,39 5. 2x22,55 kW; brez IP 8,59 30.219 670,04 6. 1x22 kW; IP 4,61 16.207 738,70 7. 1x22,55 kW; brez IP 4,68 16.461 729,60 Primerjava povprečnih letnih prihodkov na kW podobno zasnovanih postrojev pokaže največjo vrednost pri najbolj sofisticirani izvedbi, to je 692,50 €/kW. Potem pa se vrednosti monotono znižujejo z upadanjem kompleksnosti do najnižje 670,04 €/kW. Celotne razlike je le dobrega 3,3 %. Uporaba izmeničnih presmernikov je ekonomsko neupravičljiva, ker je njihov prispevek k proizvedeni EE premajhen. Samo kompenzacijo magnetilnega toka generatorjev, če bi bila ta nujna, je veliko ceneje narediti s kondenzatorji. Drugo dejstvo, ki pa v praksi še dodatno onemogoča optimizacijo vodenja, je popolna podrejenost obratovanja elektrarne danim razmeram. Posledično nima smisla zniževati hitrosti vrtenja Arhimedovih vijakov ali vodnega kolesa in s tem pri neki delni obremenitvi poskušati ohranjati konstanten padec, kajti voda bi nam uhajala čez jez. Tako postane edina smiselna najcenejša in za vodenje najpreprostejša varianta. Ker je najmanj kompleksna, je posledično pričakovati tudi manj okvar. Zaradi preprostosti je tudi upravljanje lažje in vse skupaj zagotavlja manjši izpad obratovanja. Varianti 6 in 7 v tabeli 3 sta računani za samo po eno enoto. Tu se neposredno vidi, da je zaradi izgub izmeničnega presmernika manj proizvedene EE. Tako majhna elektrarna deluje večino časa blizu polne obremenitve in teoretično boljše izkoriščanje delnih obremenitev z uporabo izmeničnega presmernika ne pride do izraza. OCENA PROIZVODNJE ELEKTRIČNE ENERGIJE HIDROELEKTRARNE NA KOLPI 91 4.4 Vpliv velikosti ekološkega pretoka na proizvodnjo EE Spreminjajoče se mesečne vrednosti s strani Ribiške zveze podanega Qes.modif je zahtevno meriti, težko pa bo upoštevanje le-tega tudi nadzirati v praksi. Zato smo naredili izračune za fiksne vrednosti ekoloških pretokov. Grobo ocenjeni ekološki pretok znaša že prej omenjenih 3,73 m 3 /s, povprečje mesečnih vrednosti Qes.modif pa 6,41 m 3 /s. V tabeli 4 so poleg izračuna za podane različne mesečne vrednosti prikazani še rezultati izračunov za fiksne vrednosti, in sicer za 4, 5 in 6 m 3 /s. Če primerjamo varianto s spremenljivimi vrednostmi in varianto za fiksnih 6 m 3 /s, izračunamo le malo nad 1 % razlike v proizvedeni EE. Na podlagi tega lahko sklepamo, da bi bila fiksna vrednost ekološkega pretoka 6 m 3 /s s tehničnega vidika bolj sprejemljiva kot variabilne mesečne vrednosti. Visoke vrednosti Qes.modif so tako ali tako v mesecih, ko je presežek vode po navadi precej večji od nazivnega pretoka predvidene elektrarne. O tem se lahko prepričamo tudi s pomočjo hidrogramov na slikah 6, 7 in 8. Tabela 4: Vpliv vrednosti ekološkega pretoka na proizvodnjo EE Varianta: EE 30 let [GWh] Letni prihodek [€] [€/kW] 1. 2x22,55 kW; brez IP 8,59 30.219 670,04 2. 2x22,55 kW; brez IP; Qmin=4 m 3 /s 9,31 32.742 725,99 3. 2x22,55 kW; brez IP; Qmin=5 m 3 /s 8,90 31.306 694,14 4. 2x22,55 kW; brez IP; Qmin=6 m 3 /s 8,49 29.832 661,45 5 SKLEP Močno upadanje subvencij solarni energiji, slabe vetrovne razmere in težko umeščanje vetrnih elektrarn ob hkratnem naraščanju cen EE preusmerjajo pozornost tudi na do zdaj zanemarjen segment obnovljivih virov, to je izrabo hidroenergetskega potenciala vodotokov z izjemno nizkimi padci. S simulacijami mogoče proizvodnje EE s pomočjo predstavljenega računalniškega modela smo pokazali, da najbolj kompleksna in najbolj zahtevna varianta izvedbe postroja MHE s stališča vodenja ni najbolj smiselna. Precej višja investicija in zmanjšana robustnost obratovanja se težko upravičita z le 3 % višjim dohodkom v teoriji, v praksi pa zaradi popolne podrejenosti obratovanja MHE danim razmeram tudi te razlike ne bi bilo mogoče doseči. Kljub pogojevanju mesečno variabilnih vrednosti ekološkega pretoka s strani Ribiške zveze, bi bilo za lažje obratovanje MHE in nadzor nad izrabo vode smiselno poiskati fiksno kompromisno vrednost. Z instalirano močjo MHE na obravnavani lokaciji ni smiselno preseči 50 kW, kar pomeni mejo mikro področja. Z izvedbo postroja 2x22 kW bi tako na letni ravni lahko ustvarili dobrih 30.000 evrov prihodka. Ta vrednost pa je lahko izhodišče za iskanje ekonomskega računa in pomoč morebitnim investitorjem pri odločanju za investicijo.