Energijska izraba reke Save v Sloveniji

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Energijska izraba reke Save v Sloveniji

Matic Kovačič

Ljubljana, junij 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Energijska izraba reke Save v Sloveniji

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

Matic Kovačič

Mentor: prof. dr. Mihael Sekavčnik, univ. dipl. inž.

Ljubljana, junij 2021

(4)

(5)

Zahvala

Prof. dr. Mihaelu Sekavčniku se zahvaljujem za pomoč pri izbiri, koordinaciji in izvedbi te zaključne naloge.

Zahvala gre tudi moji družini za vso podporo in pomoč v celotnem času študija.

(6)

(7)

Izvleček

UDK 621.22:621.311.21(043.2) Tek. štev.: UN I/1473

Energijska izraba reke Save v Sloveniji

Matic Kovačič

Ključne besede: hidroenergetski potencial reka Sava

Slovenija energetski viri hidroelektrarne rečni diagram reliefa

V zaključni nalogi smo analizirali trenutno stanje energijske izrabe reke Save v Sloveniji, njene hidroenergetske objekte in njihovo postavitev, vključno z obravnavo hidrologije in zgodovine energetskega izkoriščanja. Glavni namen te naloge je izdelava diagramov reliefa za reko Savo zaradi enostavnega in intuitivnega prikaza hidroenergetskega potenciala. Ugotovili in prikazali smo, da reka Sava energetsko še ni povsem izkoriščena ravno v srednjem toku med HE Medvode in HE Vrhovo. Po analizi hidrologije smo ugotovili trend zmanjševanja pretoka vode na vodomerni postaji Čatež.

(8)

Abstract

UDC 621.22:621.311.21(043.2) No.: UN I/1473

Energy Utilization of Sava River in Slovenia

Matic Kovačič

Key words: hydropower potential Sava River

Slovenia energy source

hydroelectric power plant river relief diagram

In this thesis, we analyze current state of energy utilization of Sava river in Slovenia, its hydropower facilities and their layout, including examination of hydrology and history of energy utilization. Its main purpose is to make relief diagrams for the Sava river due to a simple and intuitive display of hydropower potential. We have shown and concluded that the Sava river is not yet fully utilized in its middle section between HPP Medvode and HPP Vrhovo. After the analysis of hydrology, we found a trend of decreasing water flow at the Čatež gauging station.

(9)

Kazalo

Kazalo slik ... xi

Kazalo preglednic ... xii

Seznam uporabljenih simbolov ... xiii

Seznam uporabljenih okrajšav ... xiv

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 2

1.3 Metodologija ... 2

1.4 Omejitve ... 3

1.5 Struktura ... 3

2 Izkoriščanje vodne energije ... 4

2.1 Delovanje HE in fizikalni principi ... 4

2.1.1 Potencialna in kinetična energija ... 4

2.1.2 Impulz sile na lopaticah ... 5

2.1.3 Elektromagnetna indukcija ... 7

2.2 Tipi HE ... 8

2.2.1 Akumulacijske HE ... 9

2.2.2 Pretočne HE ... 9

2.2.3 Črpalne HE ... 10

2.3 Značilnosti hidrologije reke Save ... 10

2.4 Zgodovina izkoriščanja vodnega potenciala na reki Savi ... 12

3 Razporeditev HE na Savi ... 15

3.1 HE na Savi ... 15

3.1.1 HE Moste ... 15

3.1.2 HE Mavčiče ... 15

3.1.3 HE Medvode ... 16

3.1.4 HE Vrhovo ... 16

3.1.5 HE Boštanj ... 16

3.1.6 HE Arto-Blanca ... 17

(10)

3.1.8 HE Brežice ... 18

3.1.9 Projekt HE Mokrice ... 18

3.1.10 Preglednica osnovnih karakteristik HE na Savi ... 19

3.2 Diagrami HE ... 19

4 Hidrologija ... 26

5 Zaključki ... 28

Literatura ... 29

(11)

Kazalo slik

Slika 1.1: Meritev dolžine odseka reke Save med HE Moste in HE Mavčiče s programom Google

Earth ... 3

Slika 2.1: Prikaz vektorjev (trikotnikov) hitrosti na primeru radialne turbine [5] ... 6

Slika 2.2: Montaža gonilnika kaplanove turbine v HE Brežice, maj 2016 [6] ... 7

Slika 2.3: Rotorsko navitje pred montažo v HE Brežice, september 2016 [6] ... 8

Slika 2.4: HE Brežice, avgust 2017 [6] ... 10

Slika 2.5: Hidrogrami reke Save za Radovljico, Šentjakob, Litijo in Čatež [12] ... 12

Slika 3.1: Diagram reliefa reke Save ... 20

Slika 3.2: Diagram reliefa reke Drave ... 22

Slika 3.3: Diagram reliefa reke Soče ... 24

Slika 4.1: Primerjava pretočnih karakteristik obdobij 1926-1975 (črtkano) in 1975-2019 za merilno postajo Čatež [12] ... 26

Slika 4.2: Pretok, koristna višina in moč vodne turbine, računano s 100-dnevno vodo [5] ... 27

(12)

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Delitev HE po velikosti [9] ... 9 Preglednica 2.2: Izmerjeni specifični odtoki in odtočni količniki na Savi v obdobju 1971-2000 [11]

... 11 Preglednica 3.1: Preglednica osnovnih karakteristik HE na Savi ... 19 Preglednica 3.2: Preglednica vrednosti oddaljenosti od izvira in zgornja kota zajezitve HE na Savi

... 21 Preglednica 3.3: Preglednica vrednosti oddaljenosti od vstopa v Slovenijo in zgornja kota zajezitve HE na Dravi ... 23 Preglednica 3.4: Preglednica vrednosti oddaljenosti od izvira in zgornja kota zajezitve HE na Soči

... 25

(13)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

F N sila

G m³kg^-1s^-2 gravitacijska konstanta

m kg masa

E J energija

r m razdalja/polmer

h m višina

g m s² gravitacijski pospešek

z m geodetska višina

p Pa tlak

ρ kg m³ gostota

α / Coriolisov koeficient

v m s^-1 hitrost

I kg m s^-1 sunek sile

t s čas

c m s^-1 absolutna hitrost

M Nm navor

P W moč

u m s^-1 obodna hitrost

U V napetost

N / število navitij

Φ V s magnetni pretok

Hq l s^-1 km² specifični odtok

KH % hidrološki odtočni količnik

Q m³ s^-1 pretok

Indeksi

Z Zemlja

p potencialna

D tlačni stolpec

H2O voda

abs absolutni

ok okolice

k kinetična

1 na vhodu

2 na izhodu

M vrtilni

u obodna komponenta

i inducirana

(14)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

HE hidroelektrarna

ARSO Agencija Republike Slovenije za okolje

ČHE črpalna hidroelektrarna

DEM Dravske elektrarne Maribor

HESS Hidroelektrarne na spodnji Savi SEL Savske elektrarne Ljubljana

mHE mala hidroelektrarna

(15)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Eksponentna rast prebivalstva, potrebe razvijajoče se industrije in navade slehernega porabnika terjajo vse večje zahteve za oskrbovanje z električno energijo. Zaradi okoljskih vidikov in trenutnih razmer je naloga inženirjev to zagotoviti na ekološko najbolj sprejemljiv način.

Hidroenergija spada med obnovljive vire energije zaradi naravnega kroženja vode. Glavna prednost je skoraj ničelna vrednost izpustov toplogrednih plinov in možnost hitre odzivnosti na potrebe trenutnega stanja trga. Nadalje, z utrjenimi brežinami rezervoarjev in dodatno infrastrukturo, kot so pilotne stene, zidovi in nasipi, se je v Sloveniji opazno zmanjšala poplavna ogroženost. Prav tako so se ob novonastalih jezerih razvile obrobne dejavnosti - turizem, rekreacijski parki, surfanje, veslanje, športni ribolov in mnoge druge, zato lahko govorimo o večnamenskih objektih. Takšno obsežno poseganje v vodotok povzroči popolno spremembo struge in vseh njenih habitatnih značilnosti. Zaradi drugačnih pogojev se spremenita vodna in nabrežna favna pred in za zapornico. Pregrada ovira naravni cikel migracije rib, zmanjšuje prodonosnost in erozijsko moč, s tem pa reka izgublja naraven življenjski ritem. Pri načrtovanju HE je tako potrebno vložiti veliko truda in sredstev v iskanje prave izvedbe in lokacije za gradnjo, da bi minimizirali negativne vplive na okolico in hkrati izkoristili čim več energijskega potenciala.

Hidrologija reke v precejšnji meri določa proizvodnjo električne energije v hidroelektrarni.

V zgornjem toku Save, primerljivo s Sočo, prevladuje snežno-dežni režim. Zanj je značilen spomladanski višek ob taljenju snega. Z vsemi pritoki v srednjem in spodnjem toku preide v dežno-snežni režim, kjer imajo jesenske padavine zaradi zdaj mnogo večjega porečja večji vpliv. Sava ima - v nasprotju z Dravo - hudourniški značaj, o čemer priča podatek, da so razmerja pretokov med nizko in visoko vodo 1:100 (ekstremno tudi 1:250) [1]. Ob presežkih padavin polnimo akumulacijske zbiralnike oz. jezera, ki so zgrajena tam, kjer nam to dopušča okolica, in tako shranjujemo energijo. V času povečane porabe električne energije lahko v relativno kratkem zaženemo ali ustavimo agregat in tako zadovoljimo potrebe porabnikov. V Sloveniji lahko z zbiralniki uravnavamo fluktuacije pretoka praviloma na dnevni in tedenski ravni.

(16)

Uvod _________________________________________________________________________

Proizvodnja električne energije v HE znotraj bilančne skupine je poleg same hidrologije reke omejena tudi z drugimi dejavniki. Najprej moramo upoštevati obratovalne in okoljske omejitve, kjer je najpomembnejše zagotavljanje ekološko sprejemljivih pretokov vode, imenovanih biološki minimumi, ki so določeni z uredbo na podlagi 71. člena Zakona o vodah. [2]. Za zagotavljanje sistemskih storitev se poslužujemo primarne in sekundarne regulacije frekvence oziroma moči, kar povzroči povečano vrtinčenje vode, s tem večje izgube in manjši izkoristek turbine . Pomembni so tudi dovoljeni nivoji vode v akumulaciji - rezervoarji imajo končni volumen in lahko se zgodi, da ob visokih vodah vode več ne moremo shranjevati. Takrat jo iz zajetja prelivamo čez prelivna polja in s tem izgubljamo potencial za proizvodnjo električne energije. V teh primerih bi lahko vsem tem omejitvam zadostili tako, da del proizvedene električne moči porabimo za proizvodnjo npr. vodika, še ene oblike shranjevanja energije. Zato je potrebno za posamezno bilančno skupino preveriti, koliko je takšnega potenciala in raziskati vodotok z njegovimi HE.

Jedro zaključne naloge je torej raziskovanje reke Save, njene hidrologije in hidroelektrarn zlasti za območje v spodnjem toku, ki ga obvladuje družba HESS d.o.o..

1.2 Cilji

V pričujoči zaključni nalogi smo si zadali naslednje cilje:

i) Pregled zgodovine izkoriščanja vodnega potenciala na reki Savi,

ii) Izdelava reliefnih diagramov porazdelitve HE na reki Savi, Dravi in Soči, iii) Analiza hidrologije na spodnjem toku reke Save.

1.3 Metodologija

Celotno zaključno delo je bilo izvedeno v sledečih korakih:

- Iskanje, pregled in analiza literature in spletnih virov - Izračun geografskih, geodetskih in hidroloških podatkov - Grafična zasnova diagramov

- Kritični komentar

Za pridobitev geografskih in geodetskih podatkov je bil delno uporabljen program Google Earth, ki omogoča sledenje in merjenje dolžine izbrane poti. Na podlagi tako pridobljenih podatkov in map so bili pripravljeni diagrami z urejevalnikom vektorskih grafik Inkscape.

Uporabljena sta bila tudi Microsoft Word in Excel.

(17)

Uvod _________________________________________________________________________

Slika 1.1: Meritev dolžine odseka reke Save med HE Moste in HE Mavčiče s programom Google Earth

1.4 Omejitve

Pri analizi smo se omejili na reko Savo, natančneje na merilno mesto Čatež ob Savi. Vsi podatki so pridobljeni iz arhiva ARSO in zajemajo večdesetletno povprečje pretokov.

1.5 Struktura

Na začetku zaključne naloge bomo pojasnili fizikalne osnove delovanja hidroelektrarn in našteli njihove različne izvedbe. Opisali bomo glavne hidrološke značilnosti reke Save z njeno zgodovino izkoriščanja vodnega potenciala.

V drugem delu bodo predstavljene vse HE na Savi s poudarkom na HE v spodnjem toku.

Predstavljeni bodo diagrami reliefa treh glavnih slovenskih rek v smislu energetskega izkoriščanja, Save, Drave in Soče.

V zadnjem delu je predstavljena kratka analiza hidrologije reke Save na primeru.

(18)

2 Izkoriščanje vodne energije

2.1 Delovanje HE in fizikalni principi

2.1.1 Potencialna in kinetična energija

Celotna ideja temelji na izrabi vodnega padca, oziroma pretvorbe potencialne v kinetično energijo. Težnostna potencialna energija je energija, ki jo ima telo zaradi svoje lege v Zemljinem težnostnem polju. Izhajamo lahko iz splošnega gravitacijskega zakona, ki nam pove, da je sila, ki privlači dve telesi v prostoru, premo sorazmerna produktu njunih mas in obratno sorazmerna kvadratu razdalje med njima.

𝑭 =𝑮 ∙ 𝒎 ∙ 𝒎_𝒛

𝒓^𝟐 (2.1)

G predstavlja splošno gravitacijsko konstanto, ki znaša 6,67 · 10^-11 m³kg^-1s^-2, r predstavlja razdaljo med telesoma, v našem primeru med središčem Zemlje mase mz in vodnim telesom mase m. Za izraz spremembe potencialne energije je potrebna integracija. Po nadaljnji ureditvi dobimo znan izraz:

𝑬_𝒑= 𝒎 ∙𝑮 ∙ 𝒎_𝒛

𝒓^𝟐 ∙ 𝒉 = 𝒎 ∙ 𝒈 ∙ 𝒉 (2.2)

Celotna geodetska višinska razlika hp se razdeli na geodetsko višino z in višino tlačnega stolpca ℎ_𝐷 [3].

𝒉_𝒑 = 𝒉_𝑫+ 𝒛 = 𝒑

𝝆_𝑯_𝟐_𝑶∙ 𝒈+ 𝒛 =𝒑_𝒂𝒃𝒔− 𝒑_𝒐𝒌

𝝆_𝑯_𝟐_𝑶∙ 𝒈 + 𝒛 (2.3)

(19)

Izkoriščanje vodne energije _________________________________________________________________________

energijo. Hkrati pretvorimo enote v kilovatne ure, kar je v energetiki mnogo bolj uporabno [3].

𝑬 = 𝑬_𝒑+ 𝑬_𝒌= 𝟏

𝟑, 𝟔 ∙ 𝟏𝟎^𝟔∙ 𝒎 ∙ 𝒈 ∙ (𝒉_𝒑+ 𝒉_𝒌) [𝒌𝑾𝒉] (2.5) V tlačnem cevovodu ali tlačnem kanalu se potencialna in kinetična energija vode, z izgubami zaradi dela nekonservativnih sil (upor, trenje fluida), povsem (v primeru enakotlačnih turbin) ali delno (v primeru nadtlačnih turbin) spremenijo v tlačno energijo pred vstopom v turbino. Tam se zaradi spiralne oblike ohišja in vodilnika voda zavrti v obodni smeri, tlačna energija pa se pretvori v kinetično. Na izstopu iz gonilnika ima voda v idealnem primeru samo toliko kinetične energije, da lahko izstopi iz turbine za zagotavljanje določenega pretoka [4].

2.1.2 Impulz sile na lopaticah

Voda z veliko obodno komponento hitrosti naleti na lopatico gonilnika, kjer preda svojo energijo lopatici po teoriji impulznega izreka, ki ga lahko izpeljemo iz osnovnega Newtonovega zakona.

𝒅𝑰_𝑭= 𝑭 ∙ 𝒅𝒕 = 𝒅(𝒎 ∙ 𝒗) (2.2)

Impulzni izrek pravi, da je impulz sile enak spremembi gibalne količine. Integriran izraz zaradi lažje uporabe v praksi zapišemo v okvirih masnega toka, kjer je smer sile enaka smeri spremembe hitrosti.

𝑭 = ∆𝑰̇_𝑭= 𝒎̇ ∙ (𝒗_𝟐− 𝒗_𝟏) (2.3)

Podobno lahko zapišemo vrtilni impulz.

𝒅𝑰_𝑴= 𝑴 ∙ 𝒅𝒕 = 𝒅(𝒓 ∙ 𝒎 ∙ 𝒗)

(2.4)

Impulzni izrek za rotacijske sisteme pove, da je sprememba vrtilne količine v kontrolnem volumnu enaka vsoti vrtilnih momentov zunanjih sil, ki delujejo na kontrolni volumen.

Zgolj posebna oblika tega je Eulerjeva turbinska enačba, ki v splošnem najbolje popisuje dogajanje v kanalu med dvema lopaticama. Glavna prednost impulznega izreka v primerjavi z energijskim je to, da je neodvisen od dogajanja znotraj kanala (gretje snovi, vrtinčenje) [5].

Za nas so pomembne končne oblike enačb:

𝑴 = 𝒎̇ ∙ (𝒓_𝟐∙ 𝒄_𝒖𝟐− 𝒓_𝟏∙ 𝒄_𝒖𝟏) (2.5)

𝑷 = 𝒎̇ ∙ (𝒖_𝟐∙ 𝒄_𝒖𝟐− 𝒖_𝟏∙ 𝒄_𝒖𝟏) (2.6)

(20)

𝒚 = 𝒖𝟐∙ 𝒄𝒖𝟐− 𝒖𝟏∙ 𝒄𝒖𝟏 (2.7)

Pri čemer velja: r1 polmer na vstopu v gonilnik r2 polmer na izstopu iz gonilnika

cu1 obodna komponenta absolutne hitrosti na vstopu cu2 obodna komponenta absolutne hitrosti na izstopu u1 obodna hitrost na vstopu

u2 obodna hitrost na izstopu

Slika 2.1: Prikaz vektorjev (trikotnikov) hitrosti na primeru radialne turbine [5]

Enačba (2.5) nam pove, da sprememba vrtilne količine vode med vstopom in izstopom iz gonilnika povzroči navor M, ki je sorazmeren spremembi momenta na enoto mase

(21)

Francisove turbine, ki so v splošnem zaradi širokega razpona delovnega območja največkrat uporabljene.

Slika 2.2: Montaža gonilnika kaplanove turbine v HE Brežice, maj 2016 [6]

2.1.3 Elektromagnetna indukcija

Preko gredi se energija prenese do električnega generatorja, čigar delovanje temelji na principu elektromagnetne indukcije. Elektromagnetna indukcija je generiranje sile oz.

električne napetosti v vodniku pri premikanju skozi magnetno polje. Matematično je pojav prvi popisal angleški fizik in kemik Michael Faraday leta 1831. Opazil je, da se pri premikanju magneta skozi tuljavo inducira napetost, ki je proporcionalna s spremembo magnetnega pretoka (𝑑𝜙/𝑑𝑡). Ugotovil je tudi, da je inducirana napetost sorazmerna s številom navitij v tuljavi N [7].

𝑼_𝒊 = 𝑵 ∙𝒅𝝓

𝒅𝒕 (2.8)

Faradayev zakon zapisan v enačbi (2.8) dopolnjuje Lenzovo pravilo, ki pravi, da imata električna napetost ui in posledični inducirani električni tok ii vedno takšno smer, da nasprotujeta spremembi gostote magnetnega pretoka B [8].

(22)

Generator v strojnici HE pretvarja mehansko energijo v električno. V splošnem je razdeljen na dva pomembna dela, statorsko in rotorsko navitje. Magnetno polje generatorjev večine večjih HE zagotavljajo elektromagneti. Te za svoje delovanje potrebujejo enosmerni vzbujevalni tok, ki predstavlja znaten delež lastne rabe električne energije. Vrtilna frekvenca takšnega generatorja in s tem tudi turbine mora biti zaradi enosmernega vzbujevalnega toka vedno usklajena z električnim omrežjem (50,0 Hz), nižje vrtilne frekvence pa dosežemo z večjim številom polov. Drugače je pri generatorjih vzbujenih z izmeničnim tokom, kjer lahko vrtilno frekvenco spreminjamo in to lastnost s pridom uporabljamo v črpalnem načinu delovanja črpalnih HE (npr. ČHE Avče) [4].

Slika 2.3: Rotorsko navitje pred montažo v HE Brežice, september 2016 [6]

2.2 Tipi HE

Zaradi razlik v velikosti pretoka, razporeditve padavin, pogojev za gradnjo, geografskih značilnosti struge ter okolice, namembnosti v smislu pokrivanja osnovne ali konične

(23)

Preglednica 2.1: Delitev HE po velikosti [9]

HE Mejna vrednost moči

mikro HE do 100 kW

mini HE do 1 MW

majhna HE do 10 MW

velika HE nad 10 MW

Preglednica 2.1 prikazuje delitev HE po velikosti, ki med posameznimi viri variira.

Ponekod so elektrarne z močjo manjšo od 5 kW imenovane kot »piko HE«, izraz »srednje velika HE« pa se pojavi pri močeh 5-50 MW. Zgornja meja moči majhne HE, ki jo poleg drugih organizacij priznava Evropska komisija, je 10 MW [9].

2.2.1 Akumulacijske HE

Akumulacijske oz. zajezitvene hidroelektrarne (ang. impoundment, storage powerplants) izrabljajo princip shranjevanja vode v zajezitvenih jezerih (zbiralnikih) pred jezom. V času močnejših padavin vodo shranjujemo za takrat, ko je potreba po električni energiji največja (konična moč, ang. peak load) ali ko je pretok zelo majhen. Takšno izravnavo pretoka praviloma potrebujemo na začetku vsake verige elektrarn. Hkrati z jezom dvignemo nivo vode in tako večamo padec. V Sloveniji je najbolj prepoznavna akumulacija HE Moste na Savi, ki z razpoložljivim volumnom denivelacije 2,94 hm³ nudi tedensko izravnavo [1]. Po svetu smo priča mnogo večjim naravnim in umetnim rezervoarjem, kot so Kariba, Itaipu, Volta, Nasserjevo jezero in mnoga druga, ki izravnavajo letne fluktuacije (spremembe) pretoka. Jezera takšnih razsežnosti pomenijo izjemen poseg v obstoječe ekosisteme in so zaradi tega najbolj kontroverzen del vrednotenja izkoriščanja hidroenergije [9].

2.2.2 Pretočne HE

Pretočne hidroelektrarne (ang. run-of-river ali ROR) izrabljajo naraven pretok reke in za razliko od akumulacijskih HE nimajo večjih zajezitev. Poslužujejo se sorazmerno velikih pretokov in majhnih padcev dolvodno od prej omenjenih akumulacij, ki jim narekujejo pretok. Osnovni namen ni pokrivanje vršne, temveč osnovne obremenitve, saj so kratkoročne hidrološke napovedi dovolj natančne za trg. Z gradnjo v verigah oz. kaskadah je mogoče doseči nekaj-urno pokrivanje vršne energije [9].

Pri nas so najbolj številčne pretočno-akumulacijske HE, ki izkazujejo lastnosti tako enega, kakor drugega tipa. Dober primer je veriga šestih HE na spodnji Savi, ki bo imela po izgradnji HE Mokrice skupno nazivno moč 220 MW. Prostornine akumulacij se gibajo okoli od 6,3 hm³ pri HE Krško do 19,3 hm³ pri HE Brežice in zagotavljajo največ dnevno izravnavo [10]. Podobno verigo pretočno-akumulacijskih HE najdemo tudi na Dravi, in sicer med HE Dravograd in HE Formin za Ptujskim jezerom.

(24)

Slika 2.4: HE Brežice, avgust 2017 [6]

2.2.3 Črpalne HE

Črpalne HE (ang. pumped-storage hydroelectricity ali PSH) so posebne oblike hidroelektrarn, ki v času presežka (in s tem najnižjih cen) električne energije v omrežju črpajo vodo v višje ležeče akumulacije in tako shranjujejo potencialno energijo. Nasprotno, v času konične porabe (in s tem najvišje cene) električne energije pa izkoriščamo velik padec akumulirane vode. Za zagotovitev dvosmernega delovanja uporabljamo reverzibilne agregate. V generatorskem režimu se turbina (največkrat Francisova) z generatorjem vrti sinhrono z omrežjem, v črpalnem režimu pa turbina prevzame vlogo črpalke, ki jo poganja asinhronski elektromotor. Ta dovoljuje majhno odstopanje od nazivne vrtilne frekvence in s tem optimizacijo glede na razpoložljivo količino vode in razmere v elektroenergetskem sistemu. ČHE Avče na reki Soči je zaenkrat edini objekt takšnega tipa v Sloveniji, saj je projekt izgradnje ČHE Kozjak pod okriljem DEM (Dravske elektrarne Maribor) družba zaustavila [9].

2.3 Značilnosti hidrologije reke Save

(25)

Preglednica 2.2: Izmerjeni specifični odtoki in odtočni količniki na Savi v obdobju 1971-2000 [11]

Vodomerna postaja Vodotok Specifični

odtok Hq [l/s/km²]

Hidrološki odtočni količnik

KH [%]

Kranjska Gora Sava Dolinka 32,2 47,4

Jesenice Sava Dolinka 33,7 49,4

Sveti Janez Sava Bohinjka 64,3 68,6

Soteska Sava Bohinjka 63,5 79,2

Bodešče Sava Bohinjka 37,6 57,3

Okroglo Sava 25,8 43,2

Medno Sava 25,8 50,7

Litija Sava 15,2 34,2

Hrastnik Sava 24,7 58,3

Čatež Sava 5,5 13,9

Povirje obeh krakov, Save Dolinke in Save Bohinjke, je zelo bogato s padavinami. Ozke doline z velikimi vzdolžnimi padci dajejo rekam izrazito hudourniški značaj. Kot je razvidno v preglednici 2.2, je tu specifični odtok (količina vode, ki odteče s površine porečja v eni sekundi) največji, na kar vplivajo količina in oblika padavin, izhlapevanje, relief in kamninska zgradba tal. Zraven je podan tudi odtočni količnik, ki predstavlja razmerje med izmerjenim odtokom in padavinami. Ker je območje Julijskih Alp prepustno in zakraselo, je gostota rečne mreže tega območja nizka, zgolj okoli 0,7 km/km². Do sotočja povirnih krakov v okolici Radovljice meri porečje Save Dolinke 521 km² in porečje Save Bohinjke 381 km², kljub temu pa je slednja mnogo bolj vodnata. Sava tako teče po zgornjem delu Ljubljanske kotline, kjer se vanjo kot bolj pomembni pritoki stekajo Lipnica, Tržiška Bistrica in Kokra. Gorvodno od Medvod je povečan padec izkoriščen s HE Mavčiče in HE Medvode do izliva desnega pritoka, Sore.

Od tam teče Sava do izliva Ljubljanice in Kamniške Bistrice po njenem vršaju, Ljubljanskem polju, kjer je v preteklosti nasula prodnate zasipe kvartarnih sedimentov. V postopoma ožjih dolinah od Zaloga naprej vstopi tok v Savsko hribovje, kjer ima številne majhne pritoke. Do Zidanega Mosta priteče po živoskalni strugi dna doline, tu pa se vanjo izliva Savinja. Pri Radečah se dolina razširi in tako, z izjemo kratke debri pri Sevnici (pritok Mirne) in Vidmu, teče po ravnini vse do izliva v Donavo. Tok se še bolj umiri na Krško-Brežiški ravnini, kjer teče po plitvi strugi. V preglednici 2.2. opazimo, da je specifični odtok v spodnjem nekajkrat manjši, kot v povirju. Padavine tu poniknejo in napajajo zaloge podzemne vode. Kot največji pritok po velikosti porečja brez upoštevanja podzemnega dela (21%) se pred Brežicami s Savo združi reka Krka, pred mejo pa še reka Sotla [12].

Pretočne značilnosti kažejo, da ima Sava v povirnem delu snežno-dežni pretočni režim. To pomeni, da ima reka dva viška pretokov, prvega v pozni pomladi, ko se tali sneg, in drugega jeseni zaradi obilnejših padavin. Slednji je manj izrazit, saj dež takrat v višjih legah že prehaja v sneg. Pozimi je večina padavin v povirnem delu v obliki snega, zato ima takrat Sava izrazit zimski nižek pretoka. Poleti je pretok zopet manjši zaradi manjše

(26)

količine padavin in povečanega izhlapevanja. Opisano odlično prikazuje slika 2.5 s hidrogramom Save pri Radovljici.

Sava s svojimi pritoki spremeni svoj režim iz snežno-dežnega v dežno-snežnega na območju Ljubljanske kotline. To pomeni, da je vpliv snežnice dolvodno manjši, prevlada pa vpliv jesenskih padavin. Na sliki 2.5 jasno vidimo, kako postajata s tokom vedno bolj izrazita poletni nižek in jesenski višek pretokov.

Slika 2.5: Hidrogrami reke Save za Radovljico, Šentjakob, Litijo in Čatež [12]

2.4 Zgodovina izkoriščanja vodnega potenciala na reki

Savi

(27)

globine rek lovili debla. Predvsem v okolici Brežic pa so »kolnarji« s posebnimi pripravami iz dna reke dvigovali premog, ki so ga kopali v Zasavskem revirju. Z izgradnjo železniškega odseka »Južne železnice« (nem. Südbahn), ki je najprej povezala Celje in Ljubljano leta 1849, nato pa še »Hrvaške železnice« z relacijo Zidani Most - Zagreb leta 1862, je Sava zelo hitro izgubila svojo veljavo [14, 15].

V smislu izkoriščanja in pretvorbe energije tekoče vode v koristno obliko so ljudje uporabljali vodna kolesa. V mlinih, bodisi podlivnih ali nadlivnih, so preko mehanskega prenosa vrteli enega izmed dveh kamnov in tako mleli zrnje v moko. Najstarejši dokumentiran vir mlinskega poslopja z vodnimi kolesi v Sloveniji je bakrorez iz leta 1649, objavljen v spominskem zborniku mesta Kranj. Iz vira je razviden jez, ki je del vode preusmeril po kanalu do Majdičevega mlina [16]. Seveda so enak princip v deželi kmalu začeli uporabljati tudi za druge namene. Voda je poganjala fužinska strojna kladiva in mehove, brusilnice, stope, valjkalnice, mline za papir in žage. Med zgodnejša pričevanja sodi tudi omemba kovačnice na Savi leta 1381 [17]. Z elektrifikacijo naselij so zaradi odročnosti pričeli opuščati mline in žage in tako dejavnost prestavili bližje domačijam in domovom. Po 1. svetovni vojni je takšna obrt zaradi nekonkurenčnosti novozgrajeni industriji kmalu zamrla.

Ob začetku 20. stoletja je kranjski deželni zbor spoznal, da je za razvoj gospodarstva pomembna zagotovitev električne energije. Prvi pobudnik tega je bil inženir Dušan Sernec, ki je zbudil zanimanje za elektrifikacijo pri takratnem deželnem poglavarju. V projekt je vpeljal takratnega deželnega odbornika za finance, dr. Evgena Lampeta. Ta je s svojo finančno politiko zagotovil potrebna sredstva in dovoljenja za začetek gradnje prve slovenske javne hidroelektrarne. Politične in gospodarske okoliščine so privedle do odločitve, da se elektrarna namesto na Savi zgradi na njenem pritoku, Završnici. HE Završnica je začela obratovati februarja leta 1915 [18, 19]. Seveda to ni bil edini objekt namenjen proizvodnji elektrike iz vodne energije, pač pa je obstajalo kar nekaj miniaturnih HE, ki so zagotavljale napetost na omrežjih lokalne ravni. Na primer, leta 1910 je padec Save na Brodu začel izkoriščati lastnik zemljišča ob reki, kjer je pred tem upravljal mlin in žago. Novozgrajena HE Česenj je takrat napajala mizarsko zadrugo v Vižmarjah in omrežje v bližnjih vaseh. Na Savi Bohinjki je bila leta 1916 za potrebe avstrijske vojske in obrata Bohinj zagnana vojaška HE Savica. Tudi Kranj je na mestu prej omenjenega Majdičevega mlina leta 1924 dobil svojo hidroelektrarno [20, 21, 16].

O hidroelektrarni v soteski Kavčke pri Mostah so razmišljali že v koncu 19. stoletja.

Glavni pobudnik je bila Kranjska industrijska družba, ki je želela stopiti v korak s tedanjo tehnologijo in elektrificirati svojo valjarno. Skozi leta (1889, 1893, 1931 in končno 1942) so zaradi nesoglasij in pomanjkljivosti izdelali več načrtov za izrabo Save na tem mestu. Z gradbo HE Moste so končno začeli februarja 1946, kmalu po 2. svetovni vojni, v želji čim hitrejše industrializacije. Glavna dela na pregradi, tlačnem rovu in cevovodu ter montaži elektro in strojne opreme so bila končana toliko, da je 29. junija 1952 začela obratovati elektrarna z dvema agregatoma, tretji pa je stekel marca 1955. Leta 1977 je bil sistem dograjen z vgradnjo četrtega agregata, ki je bil načrtovan za prečrpavanje vode v bazen Završnica v času presežka energije, a to zaradi onesnaženosti savske vode ni bilo mogoče [22].

Podobno so si Združene papirnice v Medvodah želele moderno HE za potrebe svojih tovarn. Naletele so na nasprotovanje ljubljanske občine in takratne dravske banovine, saj

(28)

sta obe imeli svoje želje po izkoriščanju Save. Prve študije so bile narejene leta 1910 in so na odseku Save med Kranjem in Medvodami predvidele še eno hidroelektrarno, HE Mavčiče. Ustanovljena je bila nemška projektantska skupina na čelu z inženirjem Leonidom Prihodo, ki je zrisala načrt in omogočila začetek pripravljalnih del leta 1947, leta 1954 pa obratovanje prvega agregata. Dodatno delo je povzročila zmeda glede priključitve na 35 kV ali 110 kV omrežje in pa iskrenje med kolektorjem in tuljavami le nekaj dni pred otvoritvijo. Dela so se nadaljevala še nekaj let in so v večini obsegala poglobitev struge in izgradnjo betonske pregrade za dosego predvidenega padca. Zaradi pregona prej omenjene okupatorske projektantske skupine načrti za izgradnjo HE Mavčiče niso bili dokončani. Potrebna geološka poročila, idejni projekt, investicijski program ter razne elaborate in poročila so bili pripravljeni do leta 1959, a do začetka gradnje ni prišlo zaradi prioritete drugih energetskih objektov, predvsem HE na Dravi in termoelektrarn.

Končno so temeljni kamen položili leta 1980, elektrarno pa dokončali v letu 1986 [22].

Že nekdaj je bil energetsko posebej zanimiv odsek spodnje Save, saj se vodnatost dolvodno od pritoka Savinje in nato še Krke močno poveča. Mnoge študije in elaborate so izdelovali že v času Avstro-Ogrske in tako sta v letih 1906 in 1912 izdelana projekta za HE v Krškem. Proučevanje energetskega potenciala je potekalo tudi v času med obema vojnama.

Leta 1925 je v jugoslovanskem »Tehničkem listu« objavljen članek Osnove hidroelektrarne mesta Zagreba na reki Savi med Rajhenburgom - Brestanico in Čatežem.

Kasneje med drugo svetovno vojno so bili po geoloških raziskavah izdani prvi konkretni načrti za izgradnjo infrastrukture na Savi od Jesenic do Brežic, a niso bili uresničeni. Po nekaj desetletjih proučevanja in mnogih različicah izrabe potenciala pa se je jeseni leta 1987 le začela graditi HE Vrhovo. Zgrajena je bila leta 1993 in takoj začela s poskusnim obratovanjem. Po osamosvojitvi je vlada Republike Slovenije sprejela odločitev, da bo za izgradnjo ostalih petih HE v verigi na spodnji Savi izdala koncesijo. V sledečih letih so bile izgrajene še HE Boštanj (2006), HE Arto-Blanca (2008), HE Krško (2012) in HE Brežice (2017). Leta 2008 je bila ustanovljena družba Hidroelektrarne na spodnji Savi (HESS), na katero je Holding Slovenske elektrarne prenesel koncesijske pravice [23].

(29)

3 Razporeditev HE na Savi

3.1 HE na Savi

Elektroenergetski objekti se od izgradnje HE Moste dalje širijo in z razvojem tehnologij posodabljajo. Še posebej v zadnjem obdobju imajo tudi poleg energetskega dela tudi pomembno vlogo pri protipoplavni zaščiti, ureditvi vodotokov, varstvu podzemnih voda, ohranjanju zalog pitne vode, namakanja in možnosti ureditve športnih površin oziroma turizma. V tem poglavju bomo predstavili že obstoječe hidroenergetske oz. večnamenske objekte in zastavljene projekte za prihodnost.

3.1.1 HE Moste

HE Moste je edina slovenska akumulacijska elektrarna, ki skrbi za proizvodnjo vršne energije. Betonska pregrada je ugnezdena na geološko zahtevnem terenu v soteski Kavčke pod Žirovnico, ki jo je Sava vrezala v erodibilno kamnino. Za zagotovitev tesnjenja akumulacijskega bazena je izvedena tesnilna zavesa do nepropustne podlage. Vtočni objekt leži ob levem boku pregrade, do strojnice pa ga povezuje 840-metrski dovodni rov. Voda iz bazena poganja dve Litostrojevi francisovi turbini za inštaliran pretok 2 x 13 m³/s.

Tretja, nekoliko manjša turbina z inštaliranim pretokom 6 m³/s je vezana na bazen stare HE Završnica. Skupno daje celotni sistem v konicah proizvodnje 21 MW moči, srednja letna proizvodnja električne energije pa znaša 56 GWh. Z HE Moste upravlja družba Savske elektrarne Ljubljana skupaj s HE Mavčiče, HE Medvode in HE Vrhovo [1].

3.1.2 HE Mavčiče

HE Mavčiče leži 5,5 km gorvodno od mesta Medvode. Je elektrarna pretočno- akumulacijskega tipa, katere primarni namen je pokrivanje osnovne obremenitve.

Zajezitveni bazen lahko zagotavlja denivelacijo v višini 1,7 m in tako omogoča največ dnevno izravnavo pretoka oz. pokrivanje konic potrošnje energije, kar je značilno za vse predstavljene HE tega tipa v nadaljevanju. V strojnici sta nameščeni dve Litostrojevi

(30)

Razporeditev HE na Savi _________________________________________________________________________

kaplanovi turbini s skupnim inštaliranim pretokom 260 m³/s, ki v konicah dajeta 38 MW moči. Povprečna letna proizvodnja znaša 62 GWh. V dotoku vode v ribje drstišče je postavljena mala HE, kjer je nameščena horizontalna francisova turbina z asinhronskim generatorjem. Leta 2006 so ob 20-letnici delovanja HE na obstoječem objektu namestili solarne panele s predvideno letno proizvodnjo 72 MWh električne energije [1].

3.1.3 HE Medvode

Nad sotočjem Save in Sore leži HE Medvode. Postavljena je na območju razpokanega dolomita, zato je bila pri temeljenju izdelana stabilizacija tal z injekcijsko zaveso. Z zajezitvijo je nastalo Zbiljsko jezero. Skupnost je uredila prostor ob jezeru, postavila čolnarno in lokale, organizirala regate, veslaška tekmovanja in razne prireditve. Leta 1964 so uspeli zvišati zajezitveno višino na 17,5 m, kar je opazno povečalo moč na dveh Litostrojevih kaplanovih turbinah s skupnim inštaliranim pretokom 150 m³/s. Tako v konici porabe proizvedeta 25 MW moči, pri srednji letni proizvodnji pa 72 GWh energije.

Zraven HE je postavljena centrala iz katere družba daljinsko vodi obratovanje ostalih objektov pod njihovim okriljem. Tu opravljajo 24-urno dežurstvo za primer ukrepanja v izrednih dogodkih [1].

3.1.4 HE Vrhovo

HE Vrhovo je zadnji objekt na Savi, ki ga upravlja družba SEL d.o.o., in hkrati prvi v verigi hidroelektrarn spodnjesavske verige. Nahaja se 4,7 km dolvodno od mesta Radeče, kjer Sava preide v dolinski režim toka, njena jezovna zgradba pa je temeljena na nepropustnih skrilavcih. Pregrada za sabo pušča akumulacijo s površino 1,43 km² in volumnom 8,60 hm³. Nizkotlačni postroj s tremi agregati pod zgornjo koto zajezitve 191 m nadmorske višine razpolaga z bruto padcem 8,12 m. Cevne turbine proizvajalca Litostroj z inštaliranim pretokom 3 x 167 m³/s in Končarjevi sinhronski generatorji z nazivno močjo 14,3 MVA v konicah dajejo 34,2 MW moči. Srednja letna proizvodnja je 116 GWh električne energije. Zraven strojnice je pet prelivnih polj s prevodno sposobnostjo 3100 m³/s, kar je ekvivalentno stoletni vodi. Generatorji so preko transformatorja priključeni v 110 kV omrežje. Ko bo dograjena celotna veriga HE na Savi, bo imela akumulacija HE Vrhovo vlogo vmesnega izravnalnega bazena, zaenkrat pa deluje kot čelni bazen spodnjesavske verige. Podobno kot pri HE Mavčiče se na dovodu vode v ribje drstišče uporablja agregate biološkega minimuma. Cevna vertikalna turbina MHE Vrhovo z asinhronskim generatorjem letno proizvede 184,8 MWh električne energije [1].

(31)

visokovodni nasipi, zaščite brežin in železniške proge) ter ostale vodnogospodarske in krajinske ureditve.

V strojnici na desnem bregu so podobno kot pri HE Vrhovo vgrajeni trije agregati s skupnim nazivnim pretokom 500 m³/s in izkoriščajo 7,27-metrski bruto padec. Dvojno regulirane horizontalne cevne turbine s kaplanovim gonilnikom proizvajalca Litostroj imajo vrtilno hitrost 107,14 vrtljajev na minuto. Skupno ob pokrivanju vršne moči nudijo 32,5 MW moči, srednja letna proizvodnja električne energije pa znaša 109 GWh.

Elektrarna je priklopljena na 110 kV omrežje preko mrežnih transformatorjev nazivne moči 40 MVA. Ob strojnici je pet prelivnih polj opremljenih s segmentnimi zapornicami z zaklopko. Akumulacijski bazen ima prostornino 8,0 hm³ in razpolaga s koristno prostornino akumulacije 1,17 hm³ oz. omogoča denivelacijo v višini 1 m. V nadaljnjih investicijah je bila zvedena polna avtomatizacija elektrarne. Od leta 2016 HE Boštanj daljinsko vodi center vodenja GEN, upravljanje elektrarne pa je skupaj z HE Arto-Blanca, HE Krško in HE Brežice v rokah družbe Hidroelektrarne na spodnji Savi - HESS [10, 24].

3.1.6 HE Arto-Blanca

HE Arto-Blanca je locirana 7,7 km dolvodno od Sevnice. Tudi ta je pretočno- akumulacijskega tipa in je tretji člen spodnjesavske verige. V skladu terminskega plana koncesijske pogodbe se je gradnja začela oktobra 2005. V času izgradnje je bila ustanovljena družba HESS, ki je s sklepom vlade Republike Slovenije o prenosu koncesije postala novi in končni koncesionar na spodnji Savi. Zahtevnost izgradnje je bila večja kot pri HE Boštanj, saj je akumulacijsko jezero segalo v mestno jedro, kar je pomenilo veliko dodatnih del. Gradnja je bila zaključena s poskusnim obratovanjem decembra 2009 [14].

Akumulacijski bazen na koti zajezitve 174,2 m n. m. ima volumen 9,95 hm³ s sposobnostjo denivelacije v višini 1 m oz. koristne prostornine akumulacije 1,3 hm³, kar naj bi pri srednjem letnem pretoku zadoščevalo za 75 minut neprekinjenega obratovanja z nazivnim pretokom in močjo. Tri vertikalne turbine s kaplanovim gonilnikom so dvojno regulirane in izkoriščajo neto padec 9,29 m inštaliranega pretoka 500 m³/s ter tako v konicah porabe energije dajejo 39,12 MW moči. Srednja letna proizvodnja znaša 148 GWh. Podobno kot ostale hidroelektrarne te verige ima pet prelivnih polj za prevajanje visokih voda in disipacijo energije. Elektrarna je upravljana daljinsko iz centra vodenja GEN [10, 25].

3.1.7 HE Krško

HE Krško se nahaja le 1 km pred starim mestnim jedrom Krškega. Dejstvo, da leži v ožji dolini, je narekovalo precej drugačen postopek gradnje kot pri HE Boštanj ali HE Arto- Blanca, saj je bilo potrebno graditi v dveh gradbenih jamah. Na levi brežini so najprej zgradili štiri prelivna polja in uredili nasip, potem pa so Savo preusmerili in zgradili še peto prelivno polje ter strojnico. Velika prednost je bila ta, da je elektrarna skoraj identična kot HE Blanca, zato so se razpisni postopki vodili sočasno za obe elektrarni. Elektrarna je s poskusnim obratovanjem pričela marca 2013 [26].

(32)

Po tehničnih specifikacijah strojne opreme je HE Krško skoraj identična kot v HE Arto- Blanca. Ima tri vertikalne kaplanove turbine z inštaliranim pretokom 500 m³/s, ki izkoriščajo 9,14 m bruto padca. Nazivna moč je tako enaka in znaša 39,12 MW, srednja letna proizvodnja električne energije pa znaša 146 GWh. Zajezitev je na nadmorski višini 164 m n. m. in je s 6,31 hm³ izmed vseh elektrarn v verigi najmanjša. Denivelacija za 1 m proži 1,18 hm³ vode. Tudi HE Krško vodijo daljinsko iz bližnjega centra vodenja GEN [10].

3.1.8 HE Brežice

HE Brežice je predzadnja v verigi spodnjesavskih elektrarn. Nahaja se 7,3 km dolvodno od Nuklearne elektrarne Krško in 1,1 km gorvodno od sotočja Save in Krke pri Brežicah. Že pred samo izgradnjo je bilo potrebno opredeliti vse potrebne spremembe, ki jih bi v višje ležeči NEK povzročil povišan nivo reke Save. Dvig kote s 150 na 153 m.n.v. je namreč vplival na prostorsko in časovno porazdelitev temperature Save, oskrbovanje in vzdrževanje opreme tako vtočnih kot iztočnih objektov, nivo podtalnice v neposredni bližini jedrske elektrarne in obstoječe gradbene analize objektov. Umestitev v HE v prostor je bila tako še dolgotrajnejši proces, kot sicer. Z deli so izvajalci pričeli aprila 2014, s poskusnim obratovanjem pa je HE pričela oktobra 2017 [27].

Elektrarno zaznamuje 19,3 hm³ vodne akumulacije, kar je primerljivo z akumulacijo HE Formin na Dravi. Z denivelacijo 1,1 m zagotavlja 3,4 hm³ koristne prostornine. Jezovna zgradba proži 11,0 m bruto padca. Strojnica se nahaja na levem bregu, kjer trije agregati z enakim nazivnim pretokom in tipom turbine kot HE Krško in HE Arto-Blanca ob konicah porabe generirajo 3 x 15,8 MW moči, torej skupno 47,4 MW. Srednja letna proizvodnja znaša 161 GWh električne energije. Tudi prelivna polja so zasnovana enako kot pri višje ležečih elektrarnah. Omrežni transformator je nameščen v polzaprti prostor v podaljšku strojnice, poleg njega pa je stikališče na 110 kV omrežje. Na levem bregu je narejen prehod za vodne organizme, izvedeni pa so tudi nadomestni habitati, zavarovane brežine ter drenažni kanali in povišanje terena kot ureditev za reguliranje globine podzemne vode [10].

3.1.9 Projekt HE Mokrice

Izgradnja HE Mokrice bo predstavljala zaključni del večnamenskega državnega strateškega projekta izgradnje verige HE na spodnji Savi in s tem izpolnitev podpisane Koncesijske pogodbe za izkoriščanje energetskega potenciala spodnje Save iz leta 2002.

(33)

Predvidena je zajezitev Save na koto 141,5 m n. m., kar pomeni, da bo akumulacija segala tudi v reko Krko in bodo sanacije potrebne še 2 km gorvodno od sotočja. Kot del zagotavljanja protipoplavne zaščite bo izgrajen visokovodno-energetski nasip, ki bo varoval še posebej izpostavljena naselja Mihalovec, Loče in Rigonce. Načrtovano je poglabljanje struge na odsekih pred in za jezovno zgradbo. Za projekt bodo uporabljene cevne turbine s hruško (ang. bulb turbine) z vodoravno gredjo. Rešitev je primerna za nizke padce in velike pretoke, točno takšni pa so pogoji načrtovani HE Mokrice. Trije agregati bodo v konici proizvajali 28 MW moči, srednja letna proizvodnja pa je predvidena na 131 GWh električne energije. Za priključitev v omrežje se bo naredil priključni dvosistemski daljnovod do obstoječega daljnovoda 2 x 110 kV Krško-Brežice. Na desnem bregu v bližini jezovne zgradbe bo narejen prehod za vodne organizme v obliki sonaravno oblikovane struge. Načrtovani so tudi dostopi do vode v bazenu za zaščito in reševanje, namakanje kmetijskih površin in rekreacijske dejavnosti [10, 29].

3.1.10 Preglednica osnovnih karakteristik HE na Savi

V spodnji preglednici 3.1. so zbrani ključni podatki opisanih HE na reki Savi.

Preglednica 3.1: Preglednica osnovnih karakteristik HE na Savi

HE Nazivni pretok [m³/s] Št. agregatov Nazivna moč [MW]

Moste 26* 2* 13*

Mavčiče 260 2 38

Medvode 150 2 25

Vrhovo 500 3 34,2

Boštanj 500 3 32,5

Blanca 500 3 39,12

Krško 500 3 39,12

Brežice 500 3 47,4

* Opomba: podatki za HE Moste veljajo zgolj za agregata 1 in 2, ki sta vezana na savsko akumulacijo.

3.2 Diagrami HE

Pri postavitvi hidroenergetskih objektov so zelo pomembni višinski reliefi vodotoka.

Razen tega je potrebno upoštevati še druge parametre, kot je relief struge same, urbanizacija območja, infrastrukturni objekti, … Analiza reliefa z ostalimi dejavniki nam da odgovor na to, kje bi bilo najbolj primerno postaviti objekte in kakšna izvedba je najbolj smiselna (npr. kje imamo možnost akumulacije). V nadaljevanju so v diagramih prikazani reliefi za reko Savo, Dravo in Sočo. HE na teh vodotokih proizvedejo znaten delež vse električne energije iz hidroelektrarn v republiki Sloveniji.

(34)

(35)

Preglednica 3.2: Preglednica vrednosti oddaljenosti od izvira in zgornja kota zajezitve HE na Savi Lokacija L [km] H [m.n.m.]

Zelenci 0 834

Moste 34,5 524,75

Mavčiče 77,3 346

Medvode 82,8 328,2

Vrhovo 168,5 191

Boštanj 176,8 182,2 Blanca 185,8 174,2

Krško 194,8 164

Brežice 207,8 153

Meja 219,9 140

Ugotavljamo, da na srednji Savi ni energetskih objektov kljub temu, da od je na odseku HE Medvode – HE Vrhovo 116 m neizkoriščenega višinskega potenciala. Glede na to, da v srednjem toku Sava teče po ozki dolini Savskega hribovja, bi jo bilo sicer najlažje zajeziti s samo enim večjim objektom, a je tak projekt neizvedljiv, saj bi to pomenilo poplavljanje urbanih predelov in obstoječe prometne infrastrukture. Po načrtih družbe HSE Invest je v dokumentu predinvesticijske zasnove govora o postavitvi 9-12 objektov, razporejenih od Tacna do Suhadola. Ob upoštevanju povprečnih pretokov reke Save iz obdobja 1961-2010 skupna potencialna energija vodnega telesa na tem odseku znaša 1015 GWh/leto. V letu 2020 je bila podpisana koncesijska pogodba, proces pa upočasnjuje dejstvo, da je celotno območje del varstvenega območja Natura 2000 [30].

Neizkoriščen je tudi odsek na zgornjem toku HE Moste - HE Mavčiče s 130 m višinskega potenciala, katerega del je Nakelska Sava, območje Nature 2000. Ekonomsko izkoristljiv potencial tu po ocenah znaša 366 GWh/leto [31].

(36)

(37)

Preglednica 3.3: Preglednica vrednosti oddaljenosti od vstopa v Slovenijo in zgornja kota zajezitve HE na Dravi

Lokacija L [km] H [m]

Vstop v Slovenijo 0 339,3

HE Dravograd 8,3 339,3

HE Vuzenica 20 330,36

HE Vuhred 32,7 316,63

HE Ožbalt 45,3 299,22

HE Fala 53,7 281,8

HE Mariborski otok 69,3 267,2

Jez Melje 75,3 253

HE Zlatoličje 92,25 253

Jez Markovci 105,25 220

HE Formin 113,75 220

Izstop iz Slovenije 135,75 182,1

Reka Drava je primer energetsko zelo dobro izkoriščene reke, za kar so potrebne ugodne razmere. Odlikujeta jo velik padec in velika vodnatost z dežno-snežnim režimom, z izrazitim viškom junija. Relief je dopuščal relativno enostavno zajezitev in sanacijo.

Dandanes 8 HE pod okriljem DEM proizvede večinski delež hidroenergije v Sloveniji, v naslednjih letih pa načrtujejo celovito prenovo zadnje HE v verigi, HE Formin [31].

(38)

(39)

Preglednica 3.4: Preglednica vrednosti oddaljenosti od izvira in zgornja kota zajezitve HE na Soči

Lokacija L [km] H [m]

Izvir 0 990

pregrada Podselo 66,6 153

HE Doblar I, II 70,9 106

ČHE Avče 72,2 106 – 625*

pregrada Ajba 75,5 106

HE Plave I, II 83,6 77

HE Solkan 93,9 77

Izstop iz Slovenije 95,8 57

*Opomba: zgornja kota vode rezervoarja

Od izvira pa do Tolmina je reka Soča del varstvenega območja Natura 2000, ki z namenom ohranjanja vseh naravnih in kulturnih znamenitosti prepoveduje načrtovanje energijske rabe. Zato začnemo Sočo izkoriščati na relativno nizkih višinah, s prvo zajezitvijo dolvodno od naselja Most na Soči. Dolvodno je reka energijsko povsem izkoriščena do meje z Italijo s 4 velikimi HE. Na pritokih so postavljene številne mHE, ki prispevajo omembe vreden delež energije.

(40)

4 Hidrologija

S podatki, pridobljenimi iz arhiva ARSO, smo za vodomerno postajo Čatež v spodnjem toku reke Save izrisali pretočno statistiko za obdobji 1921-1975 in 1976-2019. Za dosleden popis pretočne karakteristike so v diagramu prikazani srednji pretoki Qsr, dnevna povprečja najmanjših pretokov Qnp in dnevna povprečja največjih pretokov Qvp. Vrednosti so bile s statistično analizo nizov izračunane s strani ARSO.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Avg Sep Okt Nov Dec

Pretok [m3/s] ^Qnp

Qs Qvp Qnp_1 Qs_1 Qvp_1

(41)

Hidrologija _________________________________________________________________________

klimatskim spremembam, bolj natančno vse manjši količini snežnih padavin, ki se ravno v tem času talijo v sredogorju in visokogorju. V splošnem bi morali upoštevati tudi izhlapevanje oz. evapotranspiracijo, ki je dandanes zaradi večje površine zajezene vode in manjše poraščenosti nabrežij z gozdom večja, količino podtalnih zalog in spreminjanje naravnih površin v kmetijska ter urbana območja. Jasno je, da sta 49 in 44-letna niza prekratka za konkretna sklepanja in bi za boljše napovedi potrebovali daljša opazovalna obdobja. V obstoječih študijah je moč zaznati padajoče trende na veliki večini vodomernih postaj [32].

Ker je moč agregata proporcionalna z volumenskim pretokom, bi pričakovali, da obilna deževja povečajo proizvodnjo električne energije.

Slika 4.2: Pretok, koristna višina in moč vodne turbine, računano s 100-dnevno vodo [5]

Kot vidimo na diagramu 4.2, ki opisuje, kako se dejanska moč na agregatu spreminja s pretokom, zgornja trditev ne drži popolnoma. Ko pretok vode preseže imensko vrednost, moč postrojenja pade zaradi slabšega izkoristka. Glavni vzrok je povišanje vodne gladine za jezom in s tem zmanjšanje razpoložljive višinske razlike ΔH. Ker požiralnost turbin ni dovolj velika, je potrebno veliko odvečne vode spraviti čez preliv. Neto višinska razlika je maksimalna ob najmanjših pretokih, saj takrat voda za jezom najhitreje odteče. Hkrati je pri večjih pretokih večji hidravlični upor v ceveh [5].

(42)

5 Zaključki

i. V zaključni nalogi smo pregledali literaturo ter raziskali in opisali pestro zgodovino energetskega izkoriščanja reke Save. Pripravo prvih načrtov na koncu 19. stoletja je gnala želja po gospodarski rasti in konkurenčnosti, potreba po čisti energiji pa še dandanes zagotavlja vlaganje v razvoj hidroenergetskega sistema in infrastrukture.

ii. Izdelali smo reliefne diagrame porazdelitve HE na energetsko najbolj pomembnih rekah Savi, Dravi in Soči. Ugotovili smo, da reka Sava še ni povsem energetsko izkoriščena. V teku je gradnja HE Mokrice, ki bo zaključila spodnjesavsko verigo, na srednji Savi pa čakamo na realizacijo načrtov.

iii. Analiza hidrologije na spodnjem toku reke Save je pokazala trend nižanja pretokov, kar sovpada s podatki merilnih postaj drugih vodotokov po celotni Sloveniji.

(43)

Literatura

[1] Savske elektrarne Ljubljana: Hidroelektrarne na Savi, 2014. Dostopno na:

https://www.sel.si/elektrarne, ogled 31. 8. 2020.

[2] iEnergija: Proizvodnja, hidroelektrarne in prožnost. Dostopno na: https://www.i- energija.si/proizvodnja/hidroelektrarne-in-proznost, ogled 2. 9. 2020.

[3] J. Giesecke, E. Mosonyi: Wasserkraftanlagen - Planung, Bau und Betrieb. Springer, 5. izdaja, Berlin, 2005.

[4] M. Hočevar, M. Dular: Uvod v hidroenergetske sisteme. Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2015.

[5] M. Tuma, M. Sekavčnik: Energetski stroji in naprave - osnove in uporaba. Fakulteta za strojništvo, 2. izdaja, Ljubljana, 2005.

[6] HESS: Fotogalerija HE Brežice. Dostopno na: https://www.he-ss.si/he-brezice- fotogalerija.html, ogled 10. 6. 2021.

[7] T. L. Floyd. 2006: Principles of Electric Circuits: Conventional Current Version.

Prentice-Hall Inc., 8. izdaja, ZDA, 2007.

[8] M. Jenko: Elektrotehnika. Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2014.

[9] Hydropower Europe: Hydropower technologies: the state-of-the-art. Dostopno na:

https://consultation.hydropower-

europe.eu/assets/consultations/2019.08.13%20HydropowerTechnology_State%20of

%20the%20Art%20FINAL.pdf, ogled 15. 9. 2020.

[10] HESS: Hidroelektrarne na spodnji Savi. Dostopno na: https://www.he-ss.si/, ogled 15. 9. 2020.

[11] ARSO: Vodna bilanca Slovenije 1971-2000. ARSO, Ljubljana, 2008.

[12] ARSO: Mesečne statistike. Dostopno na

http://www.arso.gov.si/vode/podatki/arhiv/hidroloski_arhiv.html, ogled 24. 5. 2021.

[13] Uredba o koncesiji za rabo vode za proizvodnjo električne energije na delu vodnega telesa reke Save od Ježice do Suhadola. Priloga uradnega lista RS, št. 121/2004.

[14] E. Umek: Trgovski promet po Savi v XVIII. stoletju. Kronika, 12(3), 1964, str. 194- 200. Dostopno na: https://www.dlib.si, ogled 23. 9. 2020.

(44)

Literatura

[15] HESS: Izgradnja verige hidroelektrarn na spodnji Savi [Video]. HESS, Brežice, 2019. Dostopno na: https://www.youtube.com/watch?v=vU7EC3fTlX0, ogled 23. 9.

2020.

[16] Gorenjske elektrarne - Mehki jez HE Sava saniran po poplavah . Dostopno na:

https://www.gek.si/info/601200059/, ogled 23. 9. 2020.

[17] G. Markovič: Rekonstrukcija mlina iz leta 1524. Slovenski etnograf, 31(1), 1988, str.

75-100. Dostopno na: https://www.dlib.si, ogled 23. 9. 2020.

[18] D. Papler: 100 let kranjske deželne elektrarne Završnica: od proizvodnje električne energije do spomenika tehniške dediščine. Družba Savske elektrarne, Ljubljana, 2015.

[19] Savske elektrarne Ljubljana: Zgodovina, 2014. Dostopno na: https://www.

https://www.sel.si/zgodovina, ogled 4. 10. 2020.

[20] J. Sever: Zgodovina elektrifikacije v Šentvidu, elektrarna Česenj na Brodu. Glasilo

»Šentvid nad Ljubljano«, 4(1), 2013, str. 8-9. Dostopno na: http://www.cs- sentvid.si/media/SlikeIT/Novice/Datoteke/SNDmarec13.pdf, ogled 4. 10. 2020.

[21] Gorenjske elektrarne: HE Savica. Dostopno na:

https://www.gek.si/voda/200400242/Predstavitev, ogled 4. 10. 2020.

[22] Združena elektrogospodarska podjetja Slovenije: Razvoj elektroenergetike Slovenije 1945-1980. Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 1982.

[23] A. Štricelj: Hidroelektrarne na spodnji Savi. Hidroelektrarne na Spodnji Savi, Brežice, 2017.

[24] IBE, d.d.: Projektiranje in svetovanje, energetika. Dostopno na:

https://www.ibe.si/si/references/energy/Strani/default.aspx, ogled 19.10.2020.

[25] Program priprave državnega lokacijskega načrta za hidroelektrarno Blanca. Uradni list RS št. 62/2003.

[26] V. Habjan: Izgradnja HE Krško. Revija Naš stik, št. 1 (2012), str. 30-31. Dostopno na: http://www.nas-stik.si/arhivrevij/Stik_1_2012_LowRes.pdf, ogled 20. 10. 2020.

[27] V. Habjan: Prilagoditve v NEK zaradi gradnje HE Brežice se zaključujejo. Revija Naš stik, št.1 (2017), str. 16-19. Dostopno na: http://www.nas-

stik.si/arhivrevij/Nas%20stik_01_SPREED.pdf, ogled 20. 10. 2020.

[28] V. Habjan: Brez HE ni trajnostnega razvoja. Revija Naš stik, št. 3 (2020), str. 18-21.

Dostopno na: nas-stik.si/arhivrevij/nasstik_02-03%20spreed.pdf, ogled 21. 10. 2020.

[29] HESS d.o.o., INFRA d.o.o.: Program izvedbe objektov vodne, državne in lokalne infrakstrukture ter objektov vodne in energetske infrastrukture v nedeljivem razmerju za izgradnjo HE Mokrice. Dostopno na: https://www.infra.si/pdf/projekti/he-

(45)

Literatura

[32] F. Ulaga: Trendi spreminjanja pretokov slovenskih rek. Revija Dela, št. 18 (2002), str. 93-114. Dostopno na: https://revije.ff.uni-lj.si/Dela/article/view/1352, ogled 16.

6. 2021.

(46)