VODNÁ ENERGIA

Potenciál vodnej energie na ktoromkoľvek mieste je daný dvoma veličinami: množstvom vody (prietok) pretekajúcim za jednotku času a vertikálnou výškou spádu vody. Spád môže byť prirodzený v dôsledku sklonu terénu alebo môže byť umelo vytvorený napr. priehradou. Výška spádu na rozdiel od prietoku vody je nemenná. Prietok sa mení v dôsledku premenlivej intenzity, rozloženia a trvania zrážok. Okrem toho závisí aj na odparovaní alebo infiltrácii do zeme.

Prietok vody v riekach je časťou hydrologického cyklu a celosvetový potenciál vodnej energie využiteľný napr. vo vodných elektrárňach je teda možné určiť na základe tejto hodnoty. Z výsledkov niektorých štúdií vyplýva, že celkový potenciál vodnej energie je na úrovni 50.000 TWh (5.1013 kWh) ročnej výroby elektriny, čo zodpovedá len štvrtine ročných zrážok, avšak až 4-násobku ročnej výroby elektriny vo všetkých elektrárňach na svete. Reálny odhad, založený na miestnych podmienkach, však hovorí, že potenciál je na úrovni 10.000 - 20.000 TWh. Je to obrovská hodnota veď ročná produkcia 10.000 TWh elektrickej energie znamená, že na výrobu tohto množstva energie v elektrárňach na fosílne palivá, by bolo potrebné denne spáliť ekvivalent 40 milión barelov ropy. Dôležitou otázkou však zostáva koľko vodného potenciálu si môžeme, vzhľadom na potenciálne negatívne dopady na okolité prostredie, dovoliť využiť.

Z pohľadu elektrárenských spoločností je vodná energia z pomedzi všetkých obnoviteľných energetických zdrojov najžiadanejším zdrojom. Súvisí to s tým, že poskytuje možnosť vybudovania veľkých výkonov a historicky sa preukázala ako ekonomicky jeden z najlacnejších spôsobov výroby elektriny. Vodné elektrárne s výkonom až 10 tisíc MW (10 väčších atómových elektrární) boli vybudované na jednom mieste. Navyše celosvetový potenciál (ekonomicky využiteľný) ešte stále nie je vyčerpaný a predstavuje asi 3 milión MW, čo je asi 30 % súčasnej spotreby elektriny vo svete. Hoci nevyužitý potenciál je obrovský, v niektorých častiach sveta ako napr. v Európe je malý. V Nemecku napr. nie je prakticky žiadny. Najväčší potenciál je v Afrike a Ázii. Pozoruhodné je, že niektoré krajiny ako napr. Nórsko si pokrývajú celú svoju spotrebu elektriny výhradne z vodných elektrární. V iných  krajinách je však vzhľadom na potenciálne negatívne dopady  na životné prostredie výstavba veľkých vodných elektrární zakázaná (Švédsko).

Celosvetová inštalovaná kapacita vo vodných elektrárňach bola v roku 1998 asi 630.000 MW. Tento údaj však nie je veľmi presný pretože nezahrňuje veľa malých vodných elektrární a súkromných zariadení, ktoré v štatistikách často nefigurujú. Ich príspevok sa odhaduje len na niekoľko percent. Svetová ročná výroba elektriny je približne 2200 TWh (miliárd kWh), čo znamená že vodné elektrárne pracujú asi na 40% ich výkonu.

Mnoho krajín v Strednej a Južnej Amerike veľmi závisí na prevádzke vodných elektrární. Len v Brazílii je inštalovaných 40 % z celkového výkonu na kontinente a 59.000 MW vo vodných elektrárňach predstavuje 86 % domáceho výkonu. Viac ako 50 % domácej spotreby energie pokrýva vodná energia v Čile, Kolumbii, Paraguaj, Peru, a Venezuele. Hoci väčšina potenciálnych zdrojov bola už využitá ešte stále tu existujú plány na budovanie nových vodných zdrojov. Brazília popri nedávno ukončenom 3000 MW-ovom vodnom diele (Xingó) buduje ďalšie elektrárne s výkonmi 1450 MW (Itá) a 1140 MW (Machadinho), ktoré by mali byť ukončené do roku 2003. Obe tieto elektrárne sú umiestnené na rieke Uruguaj. Okrem toho sa plánuje rozšírenie kapacity v súčasnosti najväčšej vodnej elektrárni na svete Itaipu zo súčasných 12.600 MW na 14.000 MW. Tento projekt, ktorý Brazília realizuje  spoločne s Paraguayom bude stáť asi 200 milión dolárov.

VODNÉ ELEKTRÁRNE - TECHNOLÓGIA
Vo vodných elektrárňach sa kinetická energia vody dopadajúcej na turbínu mení na elektrickú energiu v generátore prúdu. Turbína aj generátor bývajú zvyčajne umiestnené v blízkosti priehrady (veľké vodné elektrárne) alebo využívajú privádzač vody prenášajúci tlak vody na turbínu. Výkon vodnej elektrárne, ktorý sa bežne pohybuje od niekoľkých wattov do niekoľko sto MW, je funkciou dvoch veličín: prietoku vody najčastejšie vyjadrovanom v metroch kubických za sekundu (m3/s) a výškou spádu vody. Konštrukcia vodnej elektrárne a použitá turbína sa navrhujú s ohľadom na tieto veličiny.
Turbíny vodnej elektrárne v Itaipu.

Z hľadiska konverznej účinnosti sú vodné elektrárne vysoko efektívnymi zariadeniami. Účinnosť turbíny je na úrovni 96 %. Takáto hodnota je až dvojnásobne vyššia ako účinnosť moderných elektrární na fosílne palivá. Súvisí to s tým, že kinetickú energiu padajúcej vody je možné oveľa jednoduchšie premeniť na mechanickú energiu poháňajúcu generátor ako kalorickú energiu vznikajúcu pri horení pevného paliva, pri ktorom dochádza k značným stratám energie (tepla). Zariadenia využívajúce vodnú energiu sú na vysokej technickej úrovni, bývajú jednoduché a veľmi spoľahlivé. Keďže pri ich prevádzke nedochádza k spaľovaniu a uvoľňovaniu veľkého množstva tepla zariadenia majú dlhú životnosť a ich poruchovosť býva zriedkavá. Doba životnosti presahuje viac ako 50 rokov a často sú v prevádzke takmer 100 rokov (malá vodná elektráreň v Jasení na Slovensku pracuje spoľahlivo už od roku 1924).

Výroba elektriny vodnou elektrárňou.

TYPY VODNÝCH ELEKTRÁRNÍ
Rozdelenie vodných elektrární na malé a veľké je vo svete zaužívané, pričom sa akceptuje, že elektrárne s výkonom viac ako 10 MW sa označujú ako veľké a ostatné sú malé. Aj medzi malými vodnými elektrárňami však existuje isté delenie, pričom elektrárne (turbíny) s výkonom menším ako 1 kW sa označujú ako mikro resp. nano.

Z hľadiska svojej činnosti je vodné elektrárne možné rozdeliť na dva základné typy: konvenčné a prečerpávacie. Iné rozdelenie súvisí napr. s typom turbíny (Kaplanova, Peltonova, Francisova a i.) alebo s výškou spádu (nízky, stredný a vysoký spád).

Konvenčné (bežné) vodné elektrárne využívajú na svoju prevádzku energiu vody z rieky, prívodného kanála, alebo nádrže. Tieto elektrárne sa delia na elektrárne so záchytnou nádržou vody a elektrárne, ktoré využívajú len časť vody z rieky privádzanú k nej osobitným kanálom. Voda môže byť k turbíne privádzaná buď v čase potreby výroby elektriny alebo priebežne.

Klasické elektrárne sú buď prietokové alebo s priehradnou nádržou.

Prečerpávacie vodné elektrárne sú dôležitou súčasťou elektrizačnej sústavy. Pracujú na veľmi jednoduchom princípe využívajúc dve navzájom prepojené vodné nádrže (vyššie a nižšie položenú). Voda skladovaná vo vyššie položenej nádrži je zásobárňou potenciálnej energie. Počas obdobia s vysokou spotrebou elektrickej energie sa voda z vyššej nádrže vypúšťa kanálom do spodnej nádrže, pričom prechádza cez turbínu elektrárne (výroba elektriny). V čase, keď spotreba elektriny v sieti je nízka, prečerpáva sa voda zo spodnej do hornej nádrže, pričom sa energia spotrebováva. Toto prebieha zvyčajne v noci. Hoci prečerpávacie vodné elektrárne viac elektriny spotrebujú ako jej vyrobia, sú pre elektrárenské spoločnosti neoceniteľné vzhľadom na schopnosť výroby elektriny prakticky okamžite v čase kedy si to záťaž elektrickej siete vyžaduje. Súvisí to s tým, že v elektrárňach pracujúcich v základnom zaťažení (napr. jadrové elektrárne) nie je možné okamžité zvyšovanie alebo znižovanie výkonu podľa potreby. Navyše tzv. špičková elektrina (vyrábaná v čase maximálnej spotreby) je oveľa drahšia ako elektrina vyrábaná v základnom zaťažení.

Princíp činnosti prečerpávacej vodnej elektrárne.

ZÁKLADNÉ ČASTI VODNÝCH ELEKTRÁRNÍ
Väčšina konvenčných vodných elektrární pozostáva z nasledujúcich častí:
Priehrada, ktorá reguluje prítok a vytvára potrebný spád vody. Priehradné jazero je formou uskladnenej energie. Niektoré vodné elektrárne využívajú namiesto priehrady privádzací kanál, ktorý odvádza vodu z vodného toku k turbíne.
Turbína, ktorá sa otáča v dôsledku tlaku vody dopadajúcej na jej lopatky.
Generátor, ktorý je pripojený k turbíne a vyrába elektrickú energiu.
Transformátor, ktorý mení elektrickú energiu vyrobenú generátorom na napätie využiteľné v elektrickej sieti.

Schéma vodnej elektrárne.

TYPY VODNÝCH TURBÍN
Najstarším typom vodnej turbíny je “vodné kolo”, ktoré je poháňané prirodzeným spádom vody. Takéto vodné kolesá sa v minulosti stavali z dreva a po obvode  mali viacero lopatiek zachytávajúcich vodu, čím sa koleso udržovalo v stálom pohybe. Tieto vodné zdroje energie sa využívali po stáročia na mechanický pohon zariadení. Nie sú však vhodné na výrobu elektrickej energie. Na jej výrobu sa využívajú turbíny vyrobené z kovu a na rozdiel od vodných kôl sa otáčajú veľkými rýchlosťami. Takéto turbíny sa objavili koncom 19. storočia. Viac ako storočný vývoj viedol v súčasnosti k širokej ponuke viacerých typov, ktoré sa svojou konštrukciou líšia v závislosti od spôsobu využitia, prietoku vody alebo usporiadania technologického zariadenia.

Podľa spôsobu využitia sa turbíny delia na :
rovnotlaké  (Bankiho, Peltonova),
pretlakové (Kaplanova, Francisova).

Toto delenie vychádza z toho či sa využíva kinetická energia prúdenia vody (rovnotlaké turbíny) alebo tlaková energia (pretlakové). Kinetická energia je v tokoch predstavovaná rýchlosťou prúdenia. Táto rýchlosť je závislá na spáde toku. Na jej využitie sa používajú hlavne turbíny typu Bankiho a Peltona. Sú to zariadenia založené na rotačnom princípe. Optimálne využitie kinetickej energie však vyžaduje, aby obvodová rýchlosť turbíny v mieste styku s vodou bola asi polovičná ako je rýchlosť prúdenia  vody. Keby obvodová rýchlosť bola rovnaká ako rýchlosť prúdenia, lopatky by vlastne ustupovali bez možnosti prevziať vodnú energiu a nebolo by vlastne možné turbínu zaťažiť. Z uvedeného vyplýva, že otáčanie týchto turbín je relatívne pomalé. V technickom názvosloví sa tento  jav označuje ako nízka rýchlobežnosť, ktorá v podstate vyžaduje väčšie rozmery turbíny. Rovnotlaké turbíny sú tie, kde tlak vody na lopatky spôsobený polovičnou obvodovou rýchlosťou ako je rýchlosť prúdenia, je po celej ceste odovzdávania energie stále rovnaký. Ďalším znakom týchto turbín je čiastočný ostrek. Voda vstupuje do turbíny len čiastočne po obvode.

Tlaková energia vody sa využíva pretlakovými turbínami ako sú napr. Kaplanova alebo Francisova. V týchto zariadeniach sa časť tlaku vody premení na rýchlosť, ktorá je nutná na zabezpečenie požadovaného prietoku vody. Zvyšok tlaku sa postupne znižuje pri prúdení po lopatke a v mieste , kde voda lopatku opúšťa je tlak prakticky celý využitý. V miestach kde voda opúšťa turbínu je tlak dokonca nižší ako atmosferický. Tento podtlak spôsobuje kavitačné javy, čo má za následok opotrebovávanie materiálu a tým aj znižovanie životnosti turbíny. Z tohto dôvodu sa používa nerezový materiál a zavádza sa aj protitlak. Turbína sa potom umiestňuje nižšie ako je spodná hladina vody. Spoločnou vlastnosťou pretlakových turbín je, že obvodová rýchlosť obežného kolesa a tým aj otáčky sú niekoľkonásobne vyššie ako rýchlosť prúdenia vody. Tieto turbíny sa tiež označujú ako rýchlobežné. Majú teda menšie rozmery a vynaložený materiál je lepšie využitý. Pretlakové turbíny majú úplný ostrek, pričom voda vstupuje po celom obvode turbíny.

Nasadenie rôznych typov turbín pre rôzne výšky spádu (NET HEAD) a prietoku vody (FLOW).

BANKIHO TURBÍNA
Hoci konštrukciu turbíny, ktorá sa dnes označuje ako Banki ako prvý navrhol a patentoval v roku 1903 inžinier Michell, dostala názov po maďarskom profesorovi Donatovi Bankim, ktorý ju vyvinul nezávisle na Michellovi na univerzite v Budapešti. Okolo roku 1920 bol tento typ turbíny rozšírený po celej Európe. Hlavnou črtou tejto turbíny je, že voda dopadá na lopatky dvakrát pri vstupe aj pri výstupe. Takéto využitie však nemá žiadny zvláštny význam s výnimkou toho, že voda je veľmi účinne a jednoducho vypúšťaná z turbíny. Bankiho turbíny sa uplatňujú už pri spádoch vody nižších ako 2 metre alebo dosahujúcich výšku až 100 metrov. Môžu využívať veľkú rôznorodosť prietokov, a to pri konštantnom priemere turbíny tým, že sa mení veľkosť vstupu vody a šírka obežného kola (rotora). Pomer šírky a priemeru rotora sa pohybuje od 0,2 do 4,5. Dôležitou črtou Bankiho turbíny je, že účinnostná krivka je relatívne plochá, čo znamená, že aj pri zníženom prietoku je účinnosť ešte stále relatívne vysoká. Toto je niekedy dôležitejšie ako vyššia účinnosť iných turbín v optimálnom bode účinnostnej krivky. Vzhľadom na nízku cenu a jednoduchú obsluhu sa tieto turbíny veľmi dobre uplatňujú v malých vodných elektrárňach.

PELTONOVA TURBÍNA

V konštrukcii Peltonovej turbíny je zabudovaný princíp starého vodného kola. Táto turbína, ktorá vzhľadom pripomína klasické vodné kolesá sa používa v prípadoch kedy je k dispozícii veľký spád vody (viac ako 40 m). Používa sa do spádov s výškou až 2000 m. Maximálny výkon Peltonových turbín sa dnes pohybuje okolo 200 MW.

Prvú turbínu tohto typu skonštruoval Američan Pelton v roku 1880, po ktorom dostala aj svoj názov. Najväčšie Peltonove turbíny majú priemer aj viac ako 5 metrov a vážia viac ako 40 ton. Turbína sa umiestňuje nad hladinu výpuste vody, čím dochádza k strate spádu, avšak zabraňuje to zaplaveniu turbíny. Z hľadiska konštrukcie existuje viacero modifikácií týchto turbín prispôsobených pre daný prietok a spád vody.

Peltonova turbína.

Principiálna schéma zapojenia Peltonovej turbíny.

FRANCISOVA TURBÍNA
Francisova turbína sa veľmi často využíva v malých vodných elektrárňach. Podstatným rozdielom v porovnaní s Peltonovou turbínou je, že Francisova turbína je úplne ponorená vo vode a tak tlak ako aj rýchlosť prietoku klesajú od vstupu k výstupu vody z turbíny. Voda sa vypúšťa otvorom v strede turbíny. Svojou stavbou je Francisova turbína zložitejšia ako Peltonova a vyžaduje si špecifickú konštrukciu  pre danú výšku spádu a prietok, tak aby sa dosiahla maximálna účinnosť. Bežne sa tento typ turbíny používa pre spády od 30 do 700 metrov, pričom najväčšia Francisova turbína má výkon až 800 MW.

KAPLANOVA TURBÍNA

Pre veľmi nízky spád a vysoký prietok vody sa bežne používa turbína typu Kaplan. Touto turbínou voda preteká tak, že zasahuje maximálnu plochu lopatiek. Preto sa tieto turbíny používajú pre veľmi veľké prietoky a spády pre niekoľko málo metrov. Zaujímavou črtou je, že rýchlosť otáčania lopatiek je až dvakrát vyššia ako rýchlosť prúdiacej vody. Toto umožňuje rýchle otáčky aj pri relatívne nízkej rýchlosti prietoku. Aj Kaplanove turbíny sa vyznačujú rôznymi konštrukciami. Ich použitie sa však obmedzuje na spády vody od 1 m do asi 30 m. Pri týchto podmienkach sa vyžadujú relatívne vysoké prietoky v porovnaní s turbínami využívajúcimi vysoké spády, aby bolo možné dosiahnuť porovnateľný výkon. Preto sú Kaplanove turbíny svojou konštrukciou relatívne veľké.

Principiálna schéma zapojenia Kaplanovej turbíny.

PROBLEMY SPOJENÉ S VODNÝMI ELEKTRÁRŇAMI
Hlavným dôvodom prečo sa vodné elektrárne nestavajú všade tam, kde to je možné je, že sú relatívne drahé a sú s nimi spojené negatívne ekologické i sociálne dopady. Platí to predovšetkým pre veľké vodné elektrárne.

Vodný tok je súčasťou ekologického systému, v ktorom jedna zmena môže vyvolať následné zmeny v iných častiach systému. Príkladom môže byť zmena prietoku vody v rieke, ktorá môže vyvolať zmeny v kvalite vody a životných podmienkach vodných organizmov hlavne rýb. Priehrady, ktoré sú súčasťou väčšiny veľkých vodných elektrární môžu významne ovplyvniť životné podmienky rýb. Navyše novo vzniknuté priehradné jazero zvyčajne oddelí populácie rýb žijúcich v dolnej a hornej časti toku, čím zablokuje ich migračné cesty. Ekologické dopady takýchto vodných diel môžu byť sledované ešte veľmi ďaleko od miesta priehrady. V tropických oblastiach dochádza k výraznej sezónnej variácii množstva zrážok a v období sucha dochádza k významnému odparovaniu z priehradného jazera. Toto môže ovplyvňovať výšku hladiny v nádrži v oveľa väčšom rozsahu ako napr. v miernom pásme. Vodné toky a zrážková činnosť vzájomne súvisia. Vodné toky môžu ovplyvňovať nielen miestnu klímu ale aj hladinu spodných vôd vo svojom okolí. Sedimentácia v jazerách môže viesť k zvýšenej erózii v dolnej časti toku. Zmeny v prietoku vody tiež majú za následok zmeny v prenose sedimentov. Počas výstavby veľkých vodných diel, prenos bahna a sedimentov je obzvlášť významný v dolnom toku rieky. Stavebné práce môžu viesť k zníženiu kvality vody a s tým súvisiacim problémom pre obyvateľov závislých na takýchto vodných zdrojoch.

SPODNÉ VODY
Hladina spodnej vody je dôležitá tak pre ľudí ako i rastliny a zvieratá. Je dôležitou zložkou ekosystému hlavne z hľadiska zabezpečenia dostatku pitnej vody. Vytvorenie priehradného jazera má zvyčajne veľký vplyv na úroveň spodnej vody a napĺňanie podzemných rezervoárov. Takéto jazero spolu so zmenami prietoku vody v dôsledku činnosti vodnej elektrárne mávajú za následok aj zmeny hladiny spodnej vody v okolitých oblastiach. V týchto oblastiach môže preto postupne  dochádzať k zhoršovaniu kvality pitnej vody.

FLÓRA A FAUNA
Keď v priehradnom jazere dochádza k záchytu živín (hnojív) vždy to má za následok zvýšenú eutrofikáciu nádrže. Toto môže spôsobovať rýchlejší rast rias alebo iných vodných rastlín. Zvýšená produkcia organickej hmoty v jazere môže ovplyvniť anerobné procesy ako sú nedostatok kyslíka vo väčších hĺbkach jazera. Vo všeobecnosti sú plytké jazerá s veľkou plochou vo väčšom riziku z hľadiska eutrofikácie, pretože zásoba kyslíka vo väčších hĺbkach je úmerne obmedzená plochou jazera. V hlbokých úzkych jazerách, s pravidelnou cirkuláciou vody, je zvyčajne dostatok kyslíka vo väčších hĺbkach na to, aby dochádzalo k recyklácii ku dnu klesajúcej organickej hmoty. Odparovanie môže taktiež spôsobovať koncentráciu živín vedúcu k k eutrifikácii. V tropických oblastiach má pôda nízky obsah humusu, čo v kombinácii so sezónnymi variáciami zrážok môže spôsobovať značnú eróziu. Transport erodovaných sedimentov sa zastaví a ukladá sa v priehradnom jazere, čo si vyžaduje častejšie čistenie a zvýšené náklady na prevádzku. Vybudovanie priehradného jazera má za následok zastavenie prenosu živín do dolnej časti rieky a ovplyvnenie biologickej produkcie nielen v rieke, ale v celej oblasti často siahajúcej až do mora. Vo svete existuje viacero príkladov takého dopadu veľkého vodného diela na život v riekach.

Zmeny úrovne vodnej hladiny, ku ktorým dochádza pri prevádzke vodných diel, majú za následok aj zmeny zloženia rybných druhov. Umelé vodné nádrže zvyčajne obsahujú menšie množstvo vodných organizmov ako prírodné jazerá. Zmeny v dolných tokoch riek za priehradnými jazerami sú vyvolané hlavne zmenami prenosu živín. Zatopenie veľkého územia, ku ktorému dochádza pri výstavbe vodnej nádrže vyvoláva tlak na migráciu zvierat z tejto oblasti, v prípade keď je ešte kam migrovať. Avšak v mnohých prípadoch zaplavením veľkých území je mnoho organických druhov v postihnutej oblasti zlikvidovaných. Väčšinou je len veľmi ťažké predvídať k akým zmenám môže pri zaplavení dochádzať. Nielen zaplavenie oblasti ale aj konštrukčné práce, doprava a hluk počas výstavby majú negatívny vplyv na živočíchy.

OBYVATEĽSTVO
Veľké vodné elektrárne s priehradami si vyžadujú vybudovanie veľkých priehradných jazier. Z tohto dôvody je často potrebné vysídliť mnoho ľudí z takejto oblasti. Toto však vedie k úplne novej situácii pre obyvateľov žijúcich v postihnutej oblasti. Bývanie, obrábanie pôdy a pracovné podmienky sa tak radikálne menia. Dôsledky závisia na veľkosti a konkrétnej lokalite výstavby vodného diela. Avšak v prípade veľkých vodných diel bývajú veľmi závažné. Aj z tohto dôvodu je dnes v mnohých vyspelých krajinách zakázané budovať vodné elektrárne na najväčších riekach. Nespokojnosť vzrastá hlavne vtedy, keď sú obyvatelia nútení presídliť sa na územia s horšími podmienkami ako boli pôvodné. V rozvojových krajinách je pre domorodých obyvateľov situácia zvyčajne ešte horšia a len ťažko sa s presídlením zmierujú. Presídlenie domorodého obyvateľstva často znamená zánik ich kultúrneho systému. Dopad na tieto skupiny obyvateľstva býva najväčší, nakoľko títo ľudia majú len malý politický vplyv a slabé možnosti obhajovania svojich záujmov. Zaplavením veľkých území dochádza často aj k zničeniu kultúrnych pamiatok a objektov významných pre miestnych obyvateľov čo má za následok aj stratu ich kultúrnej identity.

Veľké vodné nádrže tiež môžu zvýšiť riziko vodou prenášaných chorôb. Vzniknuté jazero so stojacou vodou a malými zmenami vodnej hladiny môže totiž vytvoriť lepšie životné podmienky pre patogénne organizmy a pre ich hostiteľov. Chorobami vyvolávanými priamo patogénnymi organizmami sú v tropických oblastiach týfus, cholera, dyzentéria a niektoré červové ochorenia. Ďalšie choroby ako napr. malária, spavá nemoc alebo žltá zimnica sú prenášané organizmami infikovanými patogénnymi organizmami z vodných nádrží.

Iným rizikom pre obyvateľstvo, vyplývajúcim z prítomnosti vodnej elektrárne, je pretrhnutie priehrady a zaplavenie veľkých území v dolnej časti toku rieky. Hoci k pretrhnutiu priehrady dochádza zriedkavo, následky môžu byť obrovské. K takejto situácii môže dôjsť v dôsledku kombinácie záplav a stavebných nedostatkov priehrady alebo tiež aj v dôsledku zemetrasenia.

Veľké vodné elektrárne svojou konštrukciou vyžadujú zvyčajne okrem veľkého množstva vody aj obrovskú infraštruktúru ako sú cesty (počas výstavby) alebo vysokonapäťové rozvody. Takéto elektrárne dodávajú elektrinu veľkému počtu odberateľov a sú vlastnené veľkými elektrárenskými spoločnosťami. Z inžinierskeho hľadiska si vyžadujú značné nároky a riziká s nimi spojené sú veľké. Popri nevýhodách spojených s veľkými vodnými elektrárňami sa často uvádzajú aj niektoré pozitívne dopady ako sú obmedzenie záplav v danej oblasti alebo možnosti rekreácie v okolí novovytvorených priehradných jazier.

MALÉ VODNÉ ELEKTRÁRNE
Malé vodné elektrárne (MVE) sú charakteristické tým, že ich výstavba a prevádzka zvyčajne nie je spojená s negatívnymi dopadmi na životné prostredie. Podobne ako veľké vodné elektrárne aj MVE sa vyznačujú vysokou účinnosťou využitia vodnej energie. Navyše majú výhodu v tom, že sú tzv. decentralizovaným zdrojom energie. Tým že ich je možné inštalovať v odľahlých oblastiach, poskytujú možnosti rozvoja a často aj energetickej sebestačnosti hlavne na vidieku. Vo svete pracuje mnoho tisíc takýchto zariadení, ktoré majú za sebou viac ako 150-ročný vývoj. V prepočte na jednotku výkonu sú MVE však v porovnaní s veľkými o niečo drahšie. Vo veľkej väčšine prípadov sú malé elektrárne pripojené na verejnú elektrickú sieť, do ktorej dodávajú energiu. Mnohé z nich sú tzv. prietokové t.j. nemajú žiaden rezervoár (voda nie je skladovaná za priehradou) a vyrábajú elektrickú energiu len vtedy keď je vody dostatok.

Energiu však malé vodné elektrárne môžu dodávať aj do systému izolovaného od elektrickej siete. V takomto prípade využívanom väčšinou v samostatných objektoch, sa elektrina často používa na dobíjanie batérií, z ktorých sa čerpá v prípade potreby. V prípade dostatku energie vyrobenej malou vodnou elektrárňou je možné použiť aj zariadenie (menič) na zmenu jednosmerného prúdu vyrábaného MVE na striedavý, ktorý využíva väčšina bežných elektrospotrebičov. MVE sa vyznačujú veľkou rôznorodosťou v konštrukcii, ktorá zohľadňuje miestne podmienky ako sú spád a prietok vody. MVE s vysokým spádom sú bežné v horských oblastiach a keďže na dosiahnutie daného výkonu potrebujú menšie prietoky vody ako MVE s malým spádom, sú zvyčajne aj lacnejšie. MVE s nízkymi spádmi vody sa budujú v údoliach.

MIKRO TURBÍNY
Ako  mikro turbíny sa často označujú zariadenia s výkonom menším ako 1000 W. Takéto turbíny sú schopné zabezpečiť energiu pre jednu domácnosť vybavenú energeticky úspornými spotrebičmi. Mikro turbíny sa umiestňujú v miestach, kde je buď nízky spád alebo prietok vody (resp. oboje). Často sa využívajú v spojení so sadou batérií, ktoré sú turbínou dobíjané. Mikro turbíny sa v zahraničí predávajú za asi 1,5 USD/W a majú veľkosť prenosného kufríka vybaveného alternátorom produkujúcim jednosmerný prúd. Typická mikro vodná elektráreň  využíva časť vodného toku privádzanú do zásobníka vody, ktorým môže byť napr. 200 litrový sud. Sud funguje ako usadzovacia nádrž filtrujúca vodné nečistoty. Voda zo suda je k turbíne privádzaná potrubím (PVC) s priemerom 5 až 10 cm a po vypustení z turbíny býva odvádzaná späť do vodného toku. Mikro turbíny sa dodávajú v dvoch prevedeniach. Jedno využíva alternátor podobný zariadeniu v automobiloch, druhé využíva permanentný magnet. Zariadenia s alternátorom sú vhodné pre väčšie systémy (100 až 1000 W), kým permanentné magnety sa používajú pre systémy menšie ako 80 W. Väčšie systémy majú tiež elektronickú reguláciu (shunt), ktorá zabraňuje “pretočeniu” turbíny pri väčších otáčkach a chráni ju pred poškodením (opotrebovaním jej častí). Turbíny pripojené na batérie sú vhodným riešením, pretože batérie sú dobíjané prakticky okamžite po odbere energie z nich. Z tohto dôvodu nie je potrebné používať tzv. solárne batérie s hlbokým cyklom vybíjania, ale je možné použiť klasické automobilové batérie, ktoré sú lacnejšie. Zvyčajne investície do kvalitného potrubia  a turbíny sú efektívnejšie ako investície do kvalitných batérií. V systémoch s mikro turbínami je potrebné dbať na presnú špecifikáciu dĺžky a priemeru potrubia, v ktorom dochádza k stratám energie. Použitie dlhých potrubí s malým priemerom často v dôsledku zvýšeného trenia zbytočne znižuje výrobu elektriny.
 
Veľký počet mikro turbín je inštalovaný v Nepále.

ZHODNOTENIE POTENCIÁLU VODNEJ ENERGIE
Mnoho ľudí má možnosť využiť silu vodného toku (aj relatívne malého) avšak má problémy odhadnúť množstvo energie, ktoré by tento zdroj mohol poskytnúť. Prvým krokom pri stanovení potenciálnej energie, využiteľnej v malej vodnej elektrárni je zistenie prietoku a spádu vody. Prietok vyjadruje množstvo vody pretekajúce vodným tokom alebo turbínou a meria sa v m3/s alebo v litroch/s.

Spád vyjadruje tlak padajúcej vody a udáva sa v metroch vodného stĺpca. Tento tlak je funkciou vertikálnej vzdialenosti (výšky z ktorej voda padá) a charakteristiky potrubia cez ktoré je voda privádzaná k turbíne. Miesta, kde sa vodná energia využíva sú často kategorizované ako miesta s nízkym resp. vysokým spádom. Nízky spád znamená zvyčajne 3 metre a menej, pričom spády pod 0,6 m sú pre veľkú väčšinu vodných turbín nepoužiteľné. Pre turbíny využívajúce nízky spád sú potrebné vysoké prietoky, a teda väčšie a drahšie turbíny.

URČENIE SPÁDU
Pri určovaní spádu je potrebné si uvedomiť rozdiel medzi “hrubým” statickým a “čistým” dynamickým spádom. Hrubý spád je vertikálna vzdialenosť medzi vrcholom potrubia  alebo kanála odvádzajúceho vodu z toku a bodom, v ktorom sa voda z turbíny vypúšťa. Čistý spád je rozdiel hrubého spádu zmenšený o straty v dôsledku turbulencií a trenia v potrubí (kanál). Tieto straty závisia na type, priemere a dĺžke privádzacieho potrubia, počte spojov a kolien. Hodnotu hrubého spádu je možné používať len ako približný odhad vo výpočtoch potenciálnej energie vyrobenej turbínou. Pre presný výpočet je potrebné poznať hodnotu čistého spádu.

Stanovenie hrubého spádu sa najpresnejšie vykoná pomocou profesionálnych zariadení. V prípade , keď je k dispozícii spád viac ako niekoľko desiatok metrov, je možné použiť aj lacnejšie, jednoduchšie a teda aj menej presné metódy napr. pomocou zariadenia nazývaného altimeter (používaný v letectve). Takéto zariadenie je niekedy možné požičať v leteckých kluboch. Altimeter je však potrebné kalibrovať a zohľadniť tak rozdiely v atmosferickom tlaku.

Inou jednoduchou metódou je stanovenie spádu napr. pomocou záhradnej hadice (6-10 m dlhej). Táto metóda spočíva v tom, že dvaja ľudia postupujú v smere toku od miesta umiestnenia turbíny (najnižší bod) do miesta odberu vody (najvyšší bod) tak, že jeden človek držiaci hadicu na vyššom konci  ju ponorí do vody a druhý človek držiaci spodný koniec ju postupne vydvihuje do výšky a sleduje dokedy voda z hadice vyteká. Pri istej výške voda prestane z hadice tiecť. Táto výška sa zaznačí a obaja postúpia vyššie v smere toku a celý postup opakujú až do najvyššieho bodu odberu vody. Nakoniec sa všetky parciálne namerané výšky sčítajú a dajú celkovú výšku spádu.

URČENIE PRIETOKU
Prietok vody  vo vodnom toku je na rozdiel od spádu veličina premenlivá a závisí od viacerých parametrov. Prietok sa mení často zo dňa na deň a sezónne variácie sú typické prakticky pre všetky toky. Zásobník vody (rezervoár), pokiaľ je možné ho vybudovať, však môže tieto zmeny vylúčiť a poskytnúť konštantný prietok v priebehu celého roka. Výstavba takéhoto zásobníka býva spravidla drahá a predstavuje niekedy viac ako polovicu investičných nákladov malej vodnej elektrárne.

Údaje o prietoku vody je možné získať na povodiach vodných tokoch, vodárňach a kanalizáciách resp. miestnych úradoch. V prípade, kedy nie je možné tieto údaje získať, je ich potrebné stanoviť meraním. Pre samotný výpočet energie vyrobenej vodnou elektrárňou je pri absencii zásobníka potrebné vychádzať z minimálneho prietoku v priebehu roka. Je možné použiť aj hodnotu priemerného prietoku v priebehu roka avšak je si treba uvedomiť, že v niektorom období roka bude výroba energie nižšia.

Meranie prietoku vody je zvyčajne zložitejšie ako meranie spádu a musí byť vykonané na viacerých miestach pozdĺž toku. Toto má mimoriadny význam, nakoľko vodný tok naberá vodu pozdĺž smeru toku. Výber meracieho miesta je preto veľmi dôležitý. Existuje niekoľko metód merania prietoku. Veľmi jednoduché spôsoby sú založené na meraní hadicou a vedrom (prehradením malého toku) resp, meraním rýchlosti toku. Iný spôsob je založený na meraní vzdutia hladiny za prepadovou hranou.

Meranie založené na prehradení toku a odvedení vody do meracej nádoby je možné použiť pre veľmi malé toky (prietok 5 litrov/sek.) a spočíva v prehradení toku brvnami a odvedením vody do vedra alebo suda. Meria sa čas, za ktorý sa vedro (sud) so známym objemom naplní. Meranie sa opakuje viackrát, aby bolo možné vylúčiť nepresnosti spojené s týmto postupom.

Iný spôsob je založený na meraní rýchlosti prúdenia a prierezu (plochy) vodného toku. Násobením rýchlosti (meranej v m/s) a plochy (meranej v m2) získame prietok v m3/s. Rýchlosť prúdenia je možné stanoviť napr. malým plavákom, pričom sa meria čas, za ktorý plavák prekoná presne zmeranú dĺžku toku. Meranie prierezu vodného toku je zložité pre členité toky. Je však možné určiť prierez v najjednoduchšom mieste pomocou zmerania šírky toku a jeho hĺbky. V prípade, keď nemáme k dispozícii tok s obdĺžnikovým prierezom, je potrebné rozdeliť prierez na časti a určiť plochu týchto častí násobením šírky a hĺbky. Celkový prietok je sumou jednotlivých častí. Hodnotu prietoku je však potrebné vynásobiť koeficientom trenia v dôsledku nerovností dna toku. Tento koeficient je 0,8 pre pieskovité dno, 0,7 pre dno s malými kameňmi a 0,6 pre dno s veľkým počtom veľkých kameňov.

Meranie prietoku pomocou vzdutia hladiny vody za prepadovou hranou je zrejmé z obrázku. Medzi vzdutím hladiny (H) za prepadovou hranou a prietokom (Q) existuje závislosť, vyjadrená nasledujúcou tabuľkou.
Meranie prietoku vody.

Hodnoty prietoku uvedené v tabuľke platia pre prepadovú hranu  B=1 meter.

STANOVENIE VÝKONU
Pri známom prietoku a spáde vody je možné stanoviť hodnotu výkonu malej vodnej elektrárne nasledovne :

Výkon (kW) = spád (m) x prietok (m3/s) x grav. konšt. (9,81) x účinnosť (0,6)

Spád je braný ako čistý spád. Účinnosť 0,6 (60%) zohľadňuje straty v dôsledku trenia prúdiacej vody a účinnosť strojného zariadenia. Pre malé výkony a prietoky merané v litroch za sekundu je tiež možné použiť nasledujúci zjednodušený výpočet:

Výkon (kW) = spád (m) x prietok (liter/s)/200

Celková účinnosť je v tomto prípade 50 %.
Účinnosti, ktoré boli v predchádzajúcich výpočtoch kompromisne zvolené v rozsahu 50-60 % závisia tiež na prevádzkových podmienkach (veľkosti spádu a prietoku). Vo všeobecnosti platí, že zariadenia pracujúce s nízkymi prietokmi a spádmi majú aj nižšie účinnosti ako turbíny využívajúce vyššie spády a prietoky. Celková účinnosť sa v skutočnosti môže pohybovať od 40% do 70%. Niektoré veľmi dobre navrhnuté systémy majú účinnosti až 75%.

Ročnú výrobu elektrickej energie (E) je možné vypočítať na základe nasledujúceho vzťahu:

E (kWh) = výkon (kW) x čas (hod.)

Z uvedených vzťahov je možné veľmi jednoducho spočítať, že vodná elektráreň využívajúca prietok 1 liter vody za sekundu je schopná za rok vyrobiť viac ako 40 kWh pre každý jeden meter spádu.

Uvedený výpočer vedie k teoretickým hodnotám. Skutočný výkon je ovplyvnený viacerými faktormi jedným z nich je aj priemer prívodného potrubia (PIPE DIAMETER). Trenie v potrubí s menším priemerom značne znižuje celkový výkon. NET HEAD je spád vody v metroch.

ENERGIA OCEÁNOV
Oceány sú už dlhšiu dobu považované za veľmi perspektívny zdroj energie. Pohyb vody v oceánoch so sebou nesie obrovskú energiu vo forme prílivu (odlivu) alebo vĺn. Obidve tieto formy energie je možné využiť na výrobu elektrickej energie.

PRÍLIVOVÉ ELEKTRÁRNE
Energia prílivu sa líši od ostatných zdrojov energie tým, že má svoj pôvod v potenciálnej a kinetickej energii vychádzajúcej z pôsobenia Mesiaca na Zem. Príliv je dôsledkom tohto pôsobenia a prejavuje sa na všetkých pobrežiach oceánov a morí. Hladina vody sa pravidelne dvakrát denne mení (stúpa a klesá) čo viedlo k snahám využiť túto energiu. Všetky tieto snahy sú založené na napĺňaní a vyprázdňovaní prírodného rezervoáru vodou. Prílivová a odlivová voda tak môže prechádzať cez turbínu umiestnenú v priehrade a vyrábať elektrickú energiu. Platí, že čím vyšší je príliv, tým viac elektrickej energie je možné vyrobiť.

Celosvetový potenciál ukrytý v energii prílivu sa odhaduje asi na 3000 GW (3000 väčších atómových elektrární). Niektorí experti odhadujú, že z tohto potenciálu by bolo možné technicky využiť asi 2 % , čo je 50 krát menej ako je výkon všetkých vodných elektrární. V súčasnosti je ekonomicky možné využívať príliv na miestach, kde dosahuje výšku aspoň 5 metrov. Taký príliv sa vyskytuje na mnohých miestach sveta, hlavne v oblastiach kde sa nachádzajú zálivy, ktoré dokážu  príliv ešte zosilniť. Zálivy je možné jednoducho prehradiť a doplniť priehradu vodnou turbínou.

Technológia využívajúca energiu prílivu je veľmi podobná vodným elektrárňam využívajúcim nízky spád vody. Hlavným rozdielom prílivových elektrární v porovnaní s klasickými vodnými elektrárňami je, že okrem slanej vody, musia turbíny pracovať s premenlivou výškou spádu. Navyše  elektrina sa v nich počas dňa vyrába len niekoľko hodín. V konečnom dôsledku to znamená zníženie celkovej účinnosti. Prílivové elektrárne tak vyrábajú len asi tretinu elektriny ako výkonovo porovnateľné vodné elektrárne.

Záujem o budovanie prílivových elektrární pretrváva od konca 60.tych rokov. Zo začiatku bola snaha budovať takéto priehradné prílivové elektrárne v ústiach úzkych a dlhých zálivov. Z inžinierskeho hľadiska sa toto riešenie ukázalo ako realizovateľné  avšak z ekologického hľadiska malo viaceré negatívne dopady. V súčasnosti pracujú 3 komerčné prílivové elektrárne na tomto princípe. Najväčšia z nich s výkonom 240 MW bola daná do prevádzky v roku 1967 v ústí rieky La Rance blízko St. Malo vo Francúzsku. Ďalšia 1MW-ová elektráreň sa nachádza v ruskej časti  Bieleho mora a pracuje od roku 1969. Tretia 16 MW-ová elektráreň sa nachádza v kanadskej Nova Scotii. Ekologické problémy, ktoré sú spojené s prehradením vodných tokov a zálivov zabránili výstavbe ďalších elektrární priehradného typu. Hlavné problémy s prehradením zálivu spočívajú v tom, že takáto prekážka obmedzuje migráciu rýb, premávku lodí a navyše v zálive dochádza k zvýšenej sedimentácii. Toto má vplyv aj na iné živé organizmy v danej oblasti. Znížená hladina vody negatívne vplýva na život (hniezdenie) vtákov, čo sa prejavuje aj vo vzdialenejších oblastiach.

Prílivová elektráreň v La Rance pracuje tak, že v čase prílivu prepúšťa vodu do rezervoáru a v čase odlivu vypúšťa túto vodu späť do Atlantického oceánu. Voda pritom prechádza cez 24 turbín spojených s generátormi vyrábajúcimi dostatok elektriny pre asi 300 tisíc obyvateľov.  Elektráreň má turbíny, ktoré môžu pracovať ako čerpadlá a využívať celú sústavu ako prečerpávaciu vodnú elektráreň a tak odľahčovať záťaž v elektrickej sieti. Voda sa v čase nízkej záťaže prečerpáva z oceánu do rezervoáru za priehradou a tak zvyšuje výšku hladiny využiteľnú pri výrobe elektriny. Výška prílivu je takto až 13,4 metra, pričom priehrada má šírku 760 metrov. V roku 1997 boli v tejto prílivovej elektrární inštalované turbíny, ktoré využívajú na výrobu elektriny tak prílivovú ako aj odlivovú vodu.

Prílivová vodná elektráreň v ústí francúzskej rieky La Rance.

POBREŽNÉ PRÚDY
Hoci technológia využívajúca energiu prílivu prehradením zálivu je v praxi overená od začiatku 90-tych rokov sa nebudujú a záujem inžinierov sa sústredil hlavne na využitie pobrežných prúdov na výrobu elektriny. Takéto prúdy vznikajú v pobrežných vodách v dôsledku síl pôsobiacich na morskom dne, ktoré tlačia prúdy v úzkych kanáloch podobne ako vzniká veľmi silný vietor v údoliach alebo na kopcoch. Keďže hustota vody je až 832 krát vyššia ako hustota vzduchu, prúdy s rýchlosťou napr. 16 km/h nesú so sebou energiu ako vietor s rýchlosťou až 390 km/h. Na rozdiel od silných vetrov je prílivové prúdy možné predpovedať, keďže príliv a odliv spôsobujúci prúdy, sa striedajú  každých 12 hodín.

Pobrežné prílivové prúdy je možné využiť tzv. prílivovými turbínami. Tieto turbíny, ktoré majú tvar podobný veterným turbínam umiestneným pod vodou, sú však ešte málo rozvinuté. Prototypy pracujú spoľahlivo a ekonomicky v miestach, kde prúdy dosahujú rýchlosti 2-3 m/s. Nevýhodou je, že pri väčších rýchlostiach sú viac namáhané a pri nižších rýchlostiach je ich prevádzka neekonomická. Prílivová turbína s priemerom rotora 20 m dokáže vyrobiť toľko energie ako veterná turbína s priemerom 60 m. Výhodou prílivových turbín je, že ich nie je vidieť ani počuť a celé zariadenie okrem transformátora je umiestnené pod hladinou vody.

Na svete existuje viacero vhodných miest pre umiestnenie prílivových turbín a niektorí experti odhadujú potenciál tohto zdroja na viac ako 330 tisíc MW. Takéto miesta sa nachádzajú hlavne pri pobrežiach v juhovýchodnej Ázii. Ideálne miesto pre umiestnenie prílivovej turbíny je v hĺbke asi 30 m, pričom tieto turbíny sú schopné vyrábať 10 MW elektriny z každého kilometra štvorcového. V Európskej Únii bolo identifikovaných 106 miest vhodných pre tieto turbíny - 42 z nich sa nachádza vo vodách v okolí Veľkej Británie. Prvá prílivová turbína má byť umiestnená pri juhozápadnom pobreží Anglicka. Má mať priemer rotora 12-15 m a inštalovaný výkon 300 kW, ktorý je dostatočný na zásobovanie malej obce elektrinou. Očakávaná cena vyrobenej elektriny sa pohybuje na úrovni 0,10 USD/kWh. Je to síce viac ako cena elektriny z konvenčných elektrární avšak podstatne menej ako platia dnes obyvatelia žijúci na mnohých malých ostrovoch, kde by bolo možné túto technológiu využiť.

ENERGIA VĹN
Veľká časť energie dopadajúcej na Zem zo Slnka sa mení na vietor, ktorý následne dáva silu morským vlnám. Energia unášaná morskými vlnami je obrovská a dosahuje asi 70 MW/km čela vlny. Takéto vlny prechádzajú veľkými vzdialenosťami bez toho, aby stratili na svojej sile. Vlny vytvorené búrkou uprostred Atlantického oceánu bežne  putujú k pobrežiu Európy bez podstatnej straty svojej energie. Celá energia je sústredená blízko pri hladine vody a len málo energie je unášanej v hĺbke väčšej ako 50 metrov. Z uvedeného vyplýva, že ide o veľmi koncentrovaný zdroj energie s oveľa menšími variáciami počas dňa ako je to v prípade iných obnoviteľných zdrojov (slnko, vietor).

Technológia využívajúca energiu vĺn je založená na ich zachytávaní do uzatvoreného priestoru a premieňaní ich kinetickej energie na elektrinu. Tieto elektrárne využívajú energiu oscilujúceho stĺpca vody, pričom vzniká tlak vzduchu, ktorý prechádza vzduchovou turbínou. Tlak vzduchu roztáča turbínu pripojenú na generátor elektrického prúdu.