Hydroelektrárna Itaipú – sedmkrát Temelín v jediné hrázi

Hydroelektrárna Itaipú – sedmkrát Temelín v jediné hrázi

redakce Elektro

Při přeletu nad hranicemi států Brazílie a Paraguay lze na veletoku Paraná spatřit z výšky stužku, která svým zvlněným tvarem dozajista zaujme (obr. 1). Ona stužka je přehrada Itaipú, největší hydroelektrárna na světě. Paraguay a Brazílie se rozhodly využít obrovský vodní potenciál říčního toku v hraniční oblasti mezi oběma státy již před více než třiceti lety.
Paraná je jednou z největších světových řek a její povodí zahrnuje celkem 3 miliony kmdílo, které je však pro své technické parametry i nevšedním turistickým lákadlem. Právě turistům je určeno představení zvuku, a v noci i světla, doplněné zhlédnutím nedalekých monumentálních vodopádů Iguazú.
Za své jméno, které v jazyce guaraní znamená „zpívající kámen„, vděčí přehrada Itaipú skále – původně ostrovu, na níž je vybudována. Skalnatý základ leží uprostřed řeky a pod dotekem vodnaté řeky Paraná vydává harmonický, charakteristicky znějící zvuk.

Itaipú – výstavba

Předběžná smlouva Act of Itaipú o výstavbě projektu byla podepsána již 22. června 1966. Dne 26. dubna 1973 byla podepsána smlouva o uskutečnění tohoto projektu, v lednu 1975 začaly stavební práce. Dne 14. října 1978 byla dokončena důležitá součást přehrady – odkloňovací kanál. Dohodou ze dne 19. října 1979 byla Brazílií, Paraguayí a Argentinou schválena výška budoucí hladiny a další důležité podmínky týkající se budovaného díla. Dne 13. října 1982 byla uzavřena stavidla a za čtrnáct dní bylo jezero Itaipú naplněno vodou. Výška hladiny stoupla o sto metrů a voda zaujímá plochu 1 460 km².

Obr. 1. Letecký pohled na přehradu Itaipú

První generátor byl spuštěn 5. května 1984, další byly spouštěny postupně, konečný, osmnáctý generátor byl spuštěn 9. dubna 1991. Později byly přidány další dva generátory, poslední (dvacátý) byl spuštěn v roce 2004. Na stavbě pracovalo přibližně 30 000 zaměstnanců a stála 11 miliard dolarů.

Brazílie a Paraguay se dělí o vyrobenou energii napůl, a jestliže v jedné zemi energie přebývá, lze ji převést do druhé země (Paraguay svoji energii zcela nespotřebovává, a tak ji zčásti dodává do Brazílie). Ekonomicky je výroba daňově řešena a má i další speciální pravidla.

Itaipú – technické parametry

Současný instalovaný výkon hydroelektrárny Itaipú je 14 300 MW. Přehrada nyní ukrývá dvacet (původně osmnáct) mohutných generátorů (resp. Francisových turbín), každý s výstupním napětím 18,5 kV a výkonu 715 MW.

Obr. 2. Náhony k turbínám (průměr přes 10 m) jsou cílem turistických exkurzí

Přehradní hráz má průměrnou výšku 102 m, maximální výšku 196 m. Její šíře je 99 m a délka 7,76 km. Přehradní jezero obsahuje 29 miliard tun vody a jeho plocha je téměř 1 500 km² (to odpovídá přibližně ploše celého bývalého okresu Šumperk nebo Prachatice). Jezero je 170 km dlouhé, jeho průměrná hloubka je téměř 100 m a maximální 220 m. Tato nádrž se naplnila za pouhých čtrnáct dní.

Za rok hydroelektrárna vyrobí téměř 90 miliard kW·h elektřiny (v České republice se spotřebuje asi 73 miliard kW·h ročně). Hydroelektrárna vyrobila v roce 2000 93,4 TW·h elektrické energie, a stačí tak pokrýt 95 % spotřeby elektrické energie Paraguaye a asi 25 % Brazílie, která patří k největším státům světa.

Tři soutěsky

Svou velkolepostí hydroelektrárna Itaipú skutečně ohromuje. Přesto však bude její velikost v několika ohledech překonána, a to přehradou Tři soutěsky na řece Chang Jiang v Číně. Její dokončení je plánováno na rok 2009 a dosud je z plánovaných 26 turbín osazeno čtrnáct. Ale ani tam se vývoj nezastaví, neboť ještě větší vodní elektrárna se plánuje v Rusku, na řece Tungusce.

Obr. 3. Voda tekoucí přes přepady přehrady; průměrný průtok Itaipú je 9 815 m³·s^–1
Vodopády Iguazú

V případě Itaipú přesto jde o dosud největší hydroelektrárnu, která množstvím vyrobené energie zřejmě zůstane největší i po dostavbě a zprovoznění čínské hydroelektrárny Tři soutěsky, ačkoliv maximální výkon bude menší. Předpokládané parametry obou přehrad a elektráren jsou pro porovnání uvedeny v tab. 1. Je zřejmé, že přehradní jezero Itaipú je sice mnohem kratší, avšak tvar krajiny umožňuje jeho rozlití více do šířky, tedy plocha i objem zadržené vody jsou podstatně větší. To dovoluje lépe vyrovnávat sezonní výkyvy průtoku a lépe využívat maximální výkon všech turbín.

Itaipú – provoz

Elektrárna Itaipú je již delší dobu v provozu a pracuje bezchybně a spolehlivě. Po výstavbě vlastní přehrady a naplnění přehradního jezera v roce 1982 se roku 1984 postupně začaly montovat a zprovozňovat turbíny a generátory.

Obr. 4. Rotor Francisovy turbíny 700 MW
Obr. 5. Usazování rotoru turbíny

Od roku 1991 se množství vyrobené energie pohybuje okolo 9,1 × 10¹⁰ kW·h/rok, maxima bylo zatím dosaženo v roce 2001, kdy bylo vyrobeno 9,3 × 10¹⁰ kW·h/rok.

Propočet teoretického maximálního množství vyrobené energie ukazuje, že využití elektrárny je přibližně 85 %. To je poměrně vysoká hodnota, neboť plánované odstávky a údržba zařízení jednotlivých bloků jsou nezbytné.

Tab. 1. Parametry dvou největších hydroelektráren na světě

Tab. 2. Srovnání výkonů několika světových hydroelektráren

Tab. 3. Technické údaje projektu osvětlení

Počet turbín vzrostl od roku 2004 na dvacet, a maximální výkon elektrárny se tak zvýšil na 14 000 MW (pro srovnání – oba bloky naší největší JE Temelín dávají maximální výkon 2 000 MW, je to tedy sedm „našich„ Temelínů v jedné hrázi!).

Plánuje se, že současně bude v provozu vždy nejvýše osmnáct turbín. Může se tak ještě o něco zvětšit množství vyrobené energie, poměr využití elektrárny ale asi trochu klesne.

Obr. 6. Montáž elektrického generátoru

Pro názornou představu jsou na obr. 1 až obr. 3 celkové pohledy na vodní dílo Itaipú, na obr. 4 až obr. 7 jsou detaily některých částí strojního zařízení z archivu elektrárny Itaipú-Binacional.

Ekologie a bezpečnost

V rámci napouštění přehrady probíhala operace Mymba Kuera na záchranu místního ekosystému. V okolí přehradního jezera Itaipú bylo zasazeno více než sedmnáct milionů sazenic různých druhů rostlin a loděmi přemístěno na sto druhů zvířat. Ve vodách přehrady žije více než sto sedmdesát druhů ryb.

Je však všeobecně známo, že taková gigantická vodní díla mají vždy vliv na změny klimatu ve velkém, až globálním měřítku. Dokládajícím a snad i objektivním faktem je i to, že v čínském údolí Tři soutěsky nenávratně zmizel vzácný kus krásné přírody s unikátním ekosystémem původní flóry a fauny.

Obr. 7. Velín elektrárny

Připomeneme-li si stavbu a spouštění velkých přehrad a hydroelektráren, jako např. Grand Coulee v USA, Asuánská přehrada v Egyptě či Krasnojarsk v Rusku, které se tehdejšíma očima zdály být nepřekonatelné (viz tab. 2), vyvolává velikost Itaipú také otázku bezpečnosti. Z historie je známo už několik varování, že příroda se nedá tak snadno ovládnout a že nejvyšší opatrnost je a vždy bude namístě. Vzpomeňme např. na havárie jaderných elektráren Three Mile Island v USA a Černobyl na Ukrajině, vodní elektrárny v Itálii či u nás na Protrženou přehradu na Bílé Desné v Jizerských horách.

Projekt osvětlení přehrady Itaipú

Kromě naplňování základní funkce hydroelektrárny se přehrada pro svou monumentalitu stala i poutavou turistickou atrakcí. Od roku 1977 ji navštívilo téměř dvanáct milionů turistů ze sto sedmdesáti zemí světa (denně navštíví dílo z brazilské strany, kde je návštěvnické centrum, asi tisíc pět set návštěvníků).

I z tohoto důvodu byl pro noční návštěvu přehrady realizován projekt dynamického osvětlení přehrady. A skutečně – noční pohled na osvětlenou přehradní stěnu je uchvacující (obr. 8). Osvětlení přehrady je z technického hlediska největší takovouto realizací v Brazílii. Projekt osvětlení od počátku po montáž navrhla kancelář Peter Gasper Associados, sídlící v Rio de Janeiru.

Firma Indal do Brasil, s. r. o., součást holdingu grupo Indal, zajistila technickou podporu při výběru světlometů, ve světelnětechnických výpočtech, při rozmístění a směrování svítidel na přehradě.

Obr. 8. Osvětlení přehradní hráze Itaipú
Obr. 9. Noční osvětlení přehradní hráze

K dosažení stanoveného cíle, tedy k vytvoření dynamického osvětlení, byly využity dva prostředky:

pomalé rozsvěcování typické pro výbojky.

Dosažený efekt připomíná světelnou vlnu, která osvětluje betonovou přehradní zeď v celém rozsahu (obr. 8 až obr. 10).

Světelnětechnické charakteristiky

Rozměry přehrady jsou skutečně obrovské: betonová zeď dosahuje výšky 80 m nad hladinu, hloubka vnitřních dutin v podobě kaplí je až 50 m a potrubí, kterým vtéká voda, má více než 10 m v průměru.

Obr. 10. Pohled na hráz za denního světla

Cílem bylo osvětlit vnější zdi, dutiny a především zdůraznit potrubí a spádové části (obr. 11). Co se týče barvy světla, bylo zvoleno bílé světlo pro dutiny a vnější zeď, žluté světlo pro potrubí a červené pro spádové části. Důležité bylo také stanovení charakteristik světlometů, neboť použité příslušenství mělo být kompatibilní se světelnými zdroji a muselo umožňovat řízení světelného toku, velký dosah a vysoký stupeň ochrany daný mimořádnou vlhkostí místa. Dále bylo nutné brát úvahu dosah osvětlení, jelikož světlomety, které byly instalovány ve vzdálenosti 5 m od přehradní zdi, měly dosáhnout na všechny osvětlované objekty.

Po vypracování několika studií se technici Indal do Brasil, s. r. o., rozhodli instalovat symetrické světlomety Vista IZM-C se širokou světelnou charakteristikou. Tento typ světlometu je vhodný pro osvětlení i nejvyšších zón vnější zdi a také nejvzdálenějších prohlubenin. Dále byl vybrán vertikální asymetrický světlomet Vista IZL-D se širokou charakteristikou pro osvětlení nejspodnějších částí vnější zdi, který zaručuje vyhovující rovnoměrnost osvětlení.

Obr. 11. Řada náhonů k turbínám za nočního osvětlení

Protože se světlomety nacházely v různých výškách a vzdálenostech ode zdi, byly k dosažení jednotné úrovně osvětlení dutin a vnější zdi použity dvoupaticové halogenidové výbojky o příkonu 1 000 a 2 000 W. Pro zdůraznění geometrických tvarů potrubí byly zvoleny asymetrické vertikální světlomety Vista IZL-C s úzkým rozložením svítivosti, osazené vysokotlakými sodíkovými výbojkami o příkonu 600 W. Výpusti byly osvětleny vertikálními symetrickými světlomety Zeus IZX-D se širokým rozložením svítivosti, vybavené halogenidovými výbojkami o příkonu 400 W v červeném provedení. Světlomety byly situovány ve dvou řadách souběžných s přehradou; navíc byl instalován vždy jeden světlomet uvnitř každé dutiny, jeden světlomet pro každé potrubí a šest světlometů pro každá vrata propusti. Svítidla byla rozmístěna do sedmi nezávislých okruhů, z nichž každý byl napojen na zvláštní transformovnu.

Elektroinstalace

Elektrická síť napájející světlomety se vyznačuje několika zvláštnostmi. Zaprvé, napájecí napětí je 437 V, tedy jiné napětí než 220 nebo 380 V, která jsou v Brazílii běžně používána. Zadruhé, vzhledem k tomu, že hydroelektrárna patří dvěma státům, polovina zařízení by měla fungovat na frekvenci 50 Hz pro Paraguay a druhá část na 60 Hz pro Brazílii. Společnost Indal do Brasil proto musela projednávat vývoj, zkoušky i výrobu předřadníků a zapalovacího zařízení s místními dodavateli. Světlomety byly zamontovány do hliníkových boxů s krytím IP65. Představení je řízeno dálkovým ovládáním z ústředního velínu.

Literatura:
[1] LIBRA, M. – BICAN, P.: Itaipú – největší hydroelektrárna na světě. Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta.
[2] KÜHN, J.: Architekturní osvětlení přehrady Itaipú v Brazílii. Světlo 1/2006. IndalC&EE s. r. o.
[3] Archiv elektrárny Itaipú-Binacional.