Obnovljivi Vodni Viri Energije

LCOE po kWh / Hitrejši čas vračila naložbe / Visok faktor zmogljivosti

Vzemimo za primer enoto mikro-hidroelektrarne (MHE), ki neprekinjeno proizvaja 200 kW moči in stane okoli 800.000 evrov ali 4.000 evrov na kilovat. Vir: Turbulent-Belgija

Začetni vložek v sončno energijo pa je okoli 2.000 evrov po kilovatu. Morda se zdi ceneje, toda za proizvodnjo 200 kW neprekinjene energije bi sončni niz potreboval zmogljivost do 2.000 kWp*, kar pomeni, da bi niz sončnih kolektorjev z enako močjo kot 200 kW vodna turbina stal 2,4 milijona evrov.

Številka ne vključuje stroškov baterij, velike površine potrebnih zemljišč ali stroškov vzdrževanja. Ne smemo pozabiti, da tudi ti prispevajo k stroškom sončne energije, mikro hidroelektrarne pa v primerjavi s tem zahtevajo zelo malo prostora, vzdrževanja in popravil.

Prav tako zmogljivost vodnih turbin sčasoma ne upada, v nasprotju z sončnimi kolektorji in baterijami z omejeno življenjsko dobo. Sončni panel lahko v enem letu izgubi do 1% zmogljivosti proizvodnje električne energije.

Z 90-odstotnim faktorjem zmogljivosti elektrarne (Power Plant) bo vodna turbina z močjo 200 kW proizvedla 1.576.800 kilovatnih ur letno. 200 kW sončna elektrarna pa bo proizvedla (faktorj zmogljivosti 15%) le 262.800 kilovatnih ur na leto. Kar pomeni, da mikro-hidroelektrarna v svoji 30 letni življenjski dobi proizvede 47.034.000 kWh, sončna energija pa 7.884.000 kWh.

*kWp je temeljni izraz na področju obnovljivih virov energije, zlasti v zvezi s sončnimi fotovoltaičnimi sistemi. Označuje največjo izhodno moč, ki jo lahko sončna plošča proizvede v popolnih pogojih, kar uporabnikom omogoča, da ocenijo učinkovitost in zmogljivost svojih naložb v sončno energijo. Povprečen faktor zmogljivosti sončnih elektrarn je 15-30% v letu 2019 - 18%. Irena 2019

Normirani stroški energije (angleško LCOE) prikazujejo stroške na kilovat, ki jih elektrarna proizvede v svoji življenjski dobi. Izračun LCOE je preprost - samo delite neto stroške elektrarne s kilovatnimi urami, ki jih proizvede v enem letu.

Z drugimi besedami, mikro hidroelektrarna v vrednosti 800.000 evrov proizvede 200 kW neprekinjene moči po ceni manj kot 0,02 evra na kilovat. Enakovredno sončno polje zahteva veliko višje začetne stroške v višini vsaj 2,4 milijona evrov, pri čemer so normirani stroški energije - v najboljšem primeru 0,03 evra (IRENA).

Mikro hidroelektrarne so v 30-letnem obdobju okvirno 37% stroškovno učinkovitejše od sončne energije.

Samo s prihranki pri stroških energije bi se mikro-hidroelektrarna v vrednosti 800.000 evrov povrnila v manj kot 6 letih. Sončna elektrana z enako močjo (200 kW) in 2,4 miljona zagonskih stroškov bi za povrnitev vloženega kapitala potrebovala do 26 let.

V enakem časovnem okviru bo vodna turbina več kot potrojila vložena sredstva.

Presežek energije, ki jo proizvedete, se lahko odda v nacionalna omrežja kot dobiček preko odkupnih tarif ali pogodb o nakupu električne energije. Podjetjem omogoča, da hitreje povrnejo naložbena sredstva in povečajo dobiček. Številne države podjetjem in posameznikom plačujejo za obnovljivo energijo oddano v omrežje, tudi v Sloveniji. Sistem pri nas (2025) v povprečju omogoča prodajo zelene energije v omrežje po povprečni ceni 0,054 evra na kilovatno uro.

Koristno predvsem za mikro hidroelektrarne, manj za sončne elektrarne. Vodne turbine nenehno proizvajajo energijo, kar pomeni, da se zunaj delovnega časa podjetja ali v nočnem času proizvede več energije, kot je potrebno. Sončne elektrarne morajo zaradi omejenih ur največje zmogljivosti "presežno" energijo shraniti za zmogljivost izven konic in ponoči. Povzeto: Turbulent.be

Faktor elektrarne - znan tudi kot faktor zmogljivosti, je razmerje med povprečno proizvedeno energijo elektrarne in njeno nameščeno zmogljivostjo. Z drugimi besedami, kaže razmerje med tem, koliko energije bi lahko elektrarna tehnično proizvedla, in količino, ki jo dejansko proizvede.

- Turbulentna mikro hidroelektrarna ima faktor do 90%. To pomeni, da turbina v povprečju skozi vse leto zagotavlja skoraj polno zmogljivost za proizvodnjo električne energije.

- Za primerjavo ima povprečni sklop sončnih panelov faktor zmogljivost 18% (vir: Irena 2019). Posledično sklop ali niz sončnih panelov skozi vse leto proizvede le četrtino energije, ki bi jo lahko.

Faktor zmogljivosti Vortex MHE in Solarne elektrarne

Zaradi narave nestabilnega sončnega sevanja ali hitrosti vetra skozi vse leto imajo ti viri energije nepravilen vzorec krivulje proizvodnje energije. Prav tako potrebujejo podporo za omrežje ali baterijo, da zagotovijo zanesljivo električno storitev elektroenergetskemu sistemu.

V današnjem času ko ima tipična sončna elektrarna proizvodno zmogljivost med 10-30%, ima lahko MHE* faktor zmogljivosti do 90%. Enako kot ima vrhunska sončna plošča komercialno približno 22% učinkovitost, ima lahko MHE učinkovitost, ki znaša kar 90%. To pomeni, da MHE pridobijo veliko več energije iz svojega vira energije, kot lahko sončni paneli kdajkoli storijo. (*Mikro HidroElektrarna)

Medtem ko reke nenehno tečejo podnevi in ponoči omogočajo vodnim turbinam stalno in zanesljivo proizvodnjo in oskrbo z električno energijo 24 ur na dan, 7 dni v tednu. Sicer se vodostaj čez leto lahko spreminja, vendar je razlike v proizvodnji veliko lažje predvideti.

Ker so sončni kolektorji odvisni od sonca, delujejo z največjo zmogljivostjo le nekaj ur na dan, ponoči pa sploh ne proizvajajo energije. Poleg tega na njihovo proizvodnjo električne energije vpliva tudi vreme, pri čemer se proizvodnja dramatično zmanjša iz nečesa tako preprostega, kot je oblačen dan. Prav tako potrebujejo stalno vzdrževanje skozi vse leto, da prilagodijo svoj kot na sonce.

Kaj to pomeni za podjetja in skupnosti, ki se zanašajo na te vire energije?

Kot prvo bo niz sončnih kolektorjev potreboval baterije, da bodo lahko luči prižgane več kot le nekaj ur na dan. Baterije so drage, zavzemajo še več prostora in zahtevajo strokovnjake za njihovo vzdrževanje in popravilo. Tudi s skrbnim vzdrževanjem in popravilom imajo omejeno življenjsko dobo in tako kot sami sončni kolektorji baterije sčasoma izgubijo učinkovitost.

MHE baterijo za shranjevanje presežne energije ne potrebuje, saj vodna turbina ustvarja stalno oskrbo z energijo brez izpadov.

Faktor elektrarne ima tudi velik vpliv na velikost oziroma prostor, ki ga zaseda. MHE, kot že ime pove (mikro), omogočajo uporabo vodnih turbin na majhnih lokacijah, ne da bi zavzele veliko prostora. Vrtinčna turbina z močjo 200 kW potrebuje le približno sedem metrov v premeru.

V nasprotju s tem polja sončnih kolektorjev zahtevajo ogromnie površine. Proizvodnja zadosti energije zunaj koničnih pogojev (špic) potrebuje veliko dodatnih zmogljivosti. Da bi ustrezali praktični zmogljivosti vodne turbine z močjo 200 kW, bi morala biti sončna elektrarna sposobna proizvesti do 2.000 kWp (kWp-nazivna moč, kW-dejanska moč).

Potrebna površina za Solarno elektrarno in MHE (modra packa sp. levo)

Posledično niz sončnih kolektorjev, ki lahko zagotovi 200 kW neprekinjene moči, zavzame 15.000 kvadratnih metrov zemlje, ne da bi upoštevali baterije. To je enako kot tri nogometna igrišča! Vodna turbina z močjo 200 kW bi se prilegala samo v osrednji krog nogometnega igrišča. To je eden od razlogov, zakaj se Organizacija Združenih narodov za industrijski razvoj (UNIDO) osredotoča na majhne hidroelektrarne v podeželskih skupnostih kot stroškovno učinkovito energetsko rešitev z minimalnim, ali celo brez vpliva na okolje.

Hidro-oven zdaj deluje in lahko nastavimo (optimiramo) izhodno moč črpalke z spreminjanjem dolžine udarca. Za nižje pretoke so primernejši krajši cikli, za višje pretoke pa daljši cikli. Dolžina potiska-cikla zagotavlja večjo hitrost v odvodni cevi, s čimer se poveča tudi potencialna energija padajoče vode proti črpalki.

Priporočljivo je, da črpalka zaključi cikel približno na sekundo. Če je cikel prehiter ali prepočasen, bo izhodna zmogljivost slabša. Prehiter cikel nam pove, da je dovodna cev prekratka in je treba udarni ventil  priviti (potrebuje večjo težo). Predolg cikel je lahko posledica predolge dovodne cevi (prevelike teže na udarnem ventilu), ki ga vodni stolpec premaguje dlje časa in je treba malce odviti.

Hidro-oven deluje na principu hidravličnega udara in uporablja zaporedje ventilov za ustvarjanje ritmičnega delovanja. Ključno vlogo pri tem ima cikel delovanja, ki vključuje odpiranje in zapiranje ventilov ter sproščanje in zadrževanje vode.

Pravilno delujoč vodni hidravlični oven je lahko zelo učinkovit način za dvigovanje vode, vendar zahteva natančno nastavitev in občasne preglede delovanja ciklov. Manjša odstopanja niso noben problem, vplivajo pa na količino in višino dotavljene vode.

Prekratek cikel delovanja (prehitro):

Odpadni ventil se odpira in zapira prehitro (nad 120-150 udarci/minuto)

Posledica: voda v dovodni cevi nima dovolj časa, da se pospeši, vodni udar je šibkejši. Zmanjša se učinkovitost dviganja vode, Prav tako lahko poveča obrabo ventilov in drugih komponent zaradi pogostejših udarcev

Vzrok: običajno prelahek udarni ventil ali prešibka vzmet

Predolg cikel (prepočasni udarci):

Odpadni ventil se odpira in zapira prepočasi (pod 30-40 udarci/minuto)

Posledica: preveč vode se izgubi skozi odpadni ventil med dolgimi cikli

Učinek: tudi slabša učinkovitost, ker se večina vode "zapravi" namesto da se črpa

Vzrok: običajno pretežak odpadni ventil ali premočna vzmet

Optimalni cikel:

- Običajno med 50-100 udarci na minuto

- Enakomerni ritem udarjanja

- Dobra ravnovesja med hitrostjo vode in časom  črpanja

Kako prilagodimo cikel:

Spreminjanje teže zaklopke udarnega ventila (dodajanje/odvzemanje uteži)

- Prilagajanje napetosti vzmeti (če jo oven ima)

- Spreminjanje dolžine ali nagiba dovodne cevi

Če slišimo enakomerne, ritmične udarce, je verjetno cikel pravilen. Če udarci zvenijo kaotično ali pretiho/preglasno, je potrebna prilagoditev.

Odprimo ventil dovodne cevi, pri čemer mora biti odvodni ventil zaprt (ali prepognimo odvodno cev). Dva, trikrat... pritisnimo udarni ventil, da začne oven samostojno delovati (Breur-oven ne pritskamo amak zategujemo vzmet), počakajmo nekaj časa in počasi odprimo odvodni ventil odvodne cevi. Če se črpalka ustavi, ponovimo postopek in podaljšujmo čas odpiranja odvodnega ventila.

Zagonski tlak (ki ga ustvarjamo z zapiranjem ventila odvodne cevi) je v odvisnosti od višine na katero nameravamo pripeljati vodo. Zato je potebno včasih ponoviti vajo. Običajno se pri manjših višinah hidro-oven hitro "uskladi".

Če želimo lahko svoj hidro oven stestiramo tako, da je odvodni ventil zaprt, dokler se kazalec na manometru dviguje. Ko se ustavi ventil počasi odpremo. Tako odčitamo max. višino na katero (je odvisna od padca)  še lahko naša črplka dvigne vodo. Ali že kje pušča? Bodimo previdni pri tem početju.

Če črpalka deluje neprekinjeno brez zračnega (snifter) ventila, je treba tlačno posodo pred zagonom izprazniti, ali če imamo možnost z dodatnim odvodom na črpalki. Če zračnega ventila ni pričakujmo, da bo treba posodo praznili približno enkrat na mesec.

Priporočena je uporaba kondenzacijske tlačne posode, ki jo poznamo iz domače kurilnce. Za 1" in 5/4" hidro-oven potrebujemo 5 litrsko posodo, bodimo pozorni na delovni tlak posode, ki naj bo 10 bar ali več. Ima vgrajeno zračnico in znatno podaljša interval pregledov. Breur-oven ne potrebuje tlačne posode, njegova posoda je 1,5 m dolga 5/4" cev.

Guma, zaklopke nepovratnega ventila naj bi zdržala več let neprekinjene uporabe, udarni ventil pa je bolj obremenjen. Redne kontrole bodo pomagale določiti, kdaj je potrebna zamenjava.

Zračnemu ventilu se lahko poskusimo izogniti tako, da navoj tlačne posode ne zatesnimo z tesnilnim trakom (teflonom, prejo) in tako z malo sreče dobimo dovolj zraka za nemoteno delovanje hidro-ovna. Velja tudi za Berur-oven.

Če je potrebno naredimo zajetje in začetek cevi postavimo pod vodno gladino, v mirno vodo z vgrajenim filtrom (po potrebi). Pomembno je, da je možnost za vnos drobirja, listja, nečistoč ali zračnih mehurčkov v pogonsko cev minimalna.

Še bolje je narediti enostavno filtrirno posodo za zajetjem in cev napeljemo preko nje. Primerena je plastična posoda, kanister ali sod od 30-200 litrov. Izhod naj bo višje.

Dovodna cev iz zajetja do ovna naj bo iz togega materiala, za najbolši učinek je treba uporabiti jekleno pocinkano cev, vendar bo trda PE-alkaten čisto v redu. Dobro jo utrdimo, da nam ne bo "plesala" sem ter tja.

Dolžina cevi naj bo od 2 do 6 krat daljša od višine padca do črpalke (Breur-oven ¾" od 3 do 20 m). Večja dolžine potrebujejo oddušek* zaradi povratnega udarca.

Tabela z priporočljivo dolžino za različne premere cevi.

*Oddušek kot mu pravim je blažilec povratnega udarca ventila, vstavimo ga pri daljših dovodih. Naredimo ga tako, da vstavimo T-kos v obstoječi dovod (v našem primeru 20 m od 3/4" Breur-ovna) in vanj vstavimo kos cevi, ki naj bo višje od zajetja. Drugi konec vstavljene cevi ostane odprt.

Priporočam, da se v odvodno cev v bližini izhoda iz hidro-ovna namesti ročni kroglični ali nepovratni ventil, tako da odvodne cevi ni treba izprazniti, če se oven ustavi zaradi nastavitve ali iz katerega koli drugega razloga. To bo tudi zmanjšalo morebiten povratni tok mimo nepovratnega ventila v zračni komori ter izboljšalo učinkovitost.

Za nepovratni ventil pri manjših črpalkah kot je Gert Breur hidro-oven lahko uporabimo gardenin (ali drugi) hitri "Stop" priključek za cev.

Za naš Breur-oven bo primerna 1/2" (colska) PE alkaten ali mehka vrtna cev. Vodo lahko dovajamo precej daleč, tudi 1000 m in več.

-  Oskrba gradbišč z vodo pod pritiskom
-  Črpanje vode iz globokih izkokov ali jam
-  Pranje in čiščenje težke gradbene mehanizacije

-  Procesna voda v tovarnah, kjer je potreben konstanten visok pritisk
-  Sistemi za čiščenje in pranje industrijskih naprav
-  Hlajenje strojev in opreme

-  Mobilni gasilski sistemi za težko dostopna območja
-  Oskrba z vodo v primeru naravnih nesreč