Videi visdraudzīgākā HES — ūdens virpulis

Ūdens izmantošana elektrības ieguvei nav bez saviem riskiem. Lai arī uzskatāma par atjaunojamo enerģiju, hidroelektrostacijas (HES) un to aizsprostu sistēmas negatīvi ietekmē zivju populāciju un izmaina ūdenstilpju dabīgās gultnes. Mazo HES un krāčainu upju izmantošanai neliela daudzuma elektrības ražošanai nav jāizmaina ūdenslīmenis – pietiek ar radīto straumi.

Vajadzīga straume un kritums

Ūdens virpulis (Gravitation water vortex) ir elektrības ieguves veids, kas izmanto ūdens tecēšanas jeb straumes enerģiju. Dēvēts par straumes HES, virpulis ūdens kinētisko jeb kustības enerģiju pārvērš elektroenerģijā bez citām HES raksturīgajām negatīvajām sekām.

Virpulim raksturīga gliemezim līdzīga forma.

Foto: Foto no privātā arhīva.

Virpuļa izbūvēšanai piemērotas upes un to caurtekas ar pietiekami spēcīgu straumi. Tos var izbūvēt arī pie agrāk celtām ūdensdzirnavām un mazajām HES. Atšķirībā no lielākām konstrukcijām virpulis ievērojami vai vispār neizmaina ūdenslīmeni un nerada apgrūtinošus un bīstamus apstākļus ūdenstilpē mītošajām zivīm un abiniekiem, tāpēc nav jāizbūvē zivju ceļš. Virpuļa konstrukcija ir apaļa tvertne ar centrālu noteku – ūdens ieplūst pa malā veidotu atveri, bet izplūst pa centrālo noteku, veidojot atvaru jeb virpuli. Bagātināts ar skābekli, ūdens ieplūst atpakaļ ūdenstilpē, neiztērējot resursus.

Ūdens virpuļa shēma.

Foto: Jānis Siliņš / Latvijas Mediji

Virs centrālās atveres uzstādīto propelleru griež no augšteces pieplūstošs ūdens, bet ģenerators ar tam nepieciešamo papildaprīkojumu griezes momentu pārveido elektroenerģijā, kas izmantojama mājās. Latvijā šāds elektrības ieguves veids nav plaši izmantots – katrā vietā tas saražotu dažādu elektrības daudzumu. Virpuļa nelielās konstrukcijas dēļ tas nav izmantojams saimniecības nozarē, taču ar saražoto elektrību pietiek apgaismojuma nodrošināšanai mājās vai pagalmā.

Rotējošo detaļu un turbīnu veidi

Agrāk ūdensdzirnavās izmantoja ūdensratus ar horizontālu asi, bet mūsdienu lielajās HES un virpuļos ass novietota vertikāli. Ass virziens atkarīgs no ūdens ieplūšanas virziena. Horizontālu asu konstrukciju izmantošanai vajadzīgs augsts ūdens kritums (uz liela diametra ūdensrata ūdens tek no augšas – piedziņa no augšas) vai arī spēcīga straume, kurā iemērkto ūdensratu griež straume no apakšas. Vertikālai asij uzliktu propelleru griež upē plūstošā straume.

Elektrības ražošanai izmanto dažādu veidu turbīnas, un to ietekme uz vidi atšķiras. Klasiskās turbīnas, piemēram, Franciska vai Kaplāna turbīna, sastāv no divām daļām – ārējās čaulas un propellera. Caurplūstošais ūdens iegriež turbīnas spārnus un to vertikālo asi. Propellers gandrīz pieskaras turbīnas čaulas iekšējām malām, tāpēc tajā nokļuvušās zivis mehāniskās saskares dēļ neizdzīvo. Palielinot atstatumu starp nekustīgo turbīnas daļu jeb čaulu un propelleru, izveidota funkcionējoša, zivīm droša turbīna, kas piemērota ūdens virpulim. Atstatums starp rotējošo un nekustīgo daļu ir pietiekami liels, lai zivis varētu peldēt.

Elektrības iegūšanai virpuļa propelleram jāpievieno ģenerators. Vajadzīga mehāniskā daļa, kas ģeneratoru notur sausumā virs virpuļa. Tā jānovieto stabili, lai rotāciju neietekmētu straumes radītās vibrācijas. Konstrukciju veido no izturīga metāla vai koka profiliem. Atkarībā no situācijas vajadzīgi dažādi stiprinājumi un gultņi. Jāizveido pārvads, piemēram, dzensiksnas. Uz virpuļa ass un pie ģeneratora jānovieto skriemelis – rats, kas pārvieto griezes momentu, – dzensiksnu darbībai. Sistēmai jābūt ērti piekļūstamai un atvienojamai, lai varētu veikt apkopi un remontu.

Krapes ūdensdzirnavās – divi virpuļi

Pie Krapes muižas ūdensdzirnavām Jānis Baltačs izveidojis divus ūdens virpuļus. Viens no tiem izmanto Lobes upes dabisko teci, otrs izveidots kanālā aiz ūdensdzirnavu aizsprosta. Jānis stāsta, ka sākumā vēlējies izveidot vienu virpuli, lai varētu veikt novērojumus un uzlabojumus otra virpuļa izveidei, tomēr ilgā un sarežģītā saskaņošanas procesa dēļ abi virpuļi būvēti vienlaikus.

Mākslīgi veidotās krāces Lobes upi pie Krapes dzirnavām sadala divās daļās.

Foto: Foto no privātā arhīva.

Lobē pie Krapes ūdensdzirnavām izveidoti trīs mākslīgi akmeņu paaugstinājumi, radot aptuveni pusmetra kritumu. Akmens krāvumi veidoti vienā upes pusē, lai otru straumes daļu novirzītu virpulī. Nelielu krāču izveidošana rada virpuļa uzstādīšanai piemērotus apstākļus, pozitīvi ietekmējot upes biotopu. Palu laikā zemie akmens krāvumi atrodas zem ūdens, līdz ar to netraucē zivju migrācijai, bet sausajās vasarās, kad ūdenslīmenis būtiski krītas, tie palīdz upē saglabāt nelielu ūdenslīmeni, kur dzīvot zivīm. Šķēršļi nodrošina ūdens neaizplūšanu no zemākajām vietām, dodot zivīm apmešanās vietu, turklāt tie palīdz saglabāt vienmērīgu ūdenslīmeni aiz krācēm.

Vides speciālisti uzsver, ka jebkādi mākslīgi šķēršļi negatīvi ietekmē zivju migrāciju. Jāņem vērā, ka zivis migrē laikā, kad upēs ir paaugstināts ūdenslīmenis, – nelielie šķēršļi atrodas zem ūdens, neietekmējot zivju migrāciju. Virpuļa darbībai krācēm nav jābūt lielām, svarīgākā ir upes straume. Krāces var veidot ar pakāpeniski mainītu augstumu – katra nākamā par pāris centimetriem augstāka. Radītie šķēršļi līdzināsies zivju ceļam, netraucējot tām pārvietoties. Krāču vietās ūdens plūsma ir intensīvākā, rezultātā to bagātinot ar skābekli.

Virpulis uz Lobes upes būvēts no apkārtnē pieejamiem materiāliem.

Foto: Foto no privātā arhīva.

Virpulis uz Lobes upes veidots no akmeņiem, kas pildīti metāla grozos jeb gabionos, bet grīda ar atveri – no koka. Otrs virpulis būvēts no betonētiem dobiem blokiem, kas pildīti ar betonu. Tajā ievietoto turbīnu darbina ūdensdzirnavu aizsprostu radītā straume. Atkarībā no ūdenslīmeņa ezerā tiek mainīts ūdens izplūdes cauruma diametrs. Izmantojot biezu saplāksni ar konkrēta diametra caurumu, ūdens virpuli var pielāgot straumes izmaiņām. Intensīvas straumes laikā ūdens izplūst pa 60 cm, bet sausā laikā – pa 15 cm lielu atveri. Jo lielāka atvere, jo lielāka virpuļa jauda.

Dabai draudzīgs risinājums

Ūdens virpulis izmantojams ne tikai elektrības ražošanai, bet arī ūdens kvalitātes uzlabošanai. Ūdens aerācija – tā bagātināšana ar skābekli – nozīmīga visam biotopam. Tas nodrošina zivju un augu daudzveidību, palīdz ātrāk noārdīt bioloģisko materiālu un samazina ūdens ziedēšanas (strauja zilaļģu attīstība) risku. Skābeklis ir viens no nozīmīgākajiem ūdens kvalitātes rādītājiem – ja ūdenī trūkst skābekļa, tajā dzīvojošie organismi aiziet bojā. Dabīgi ūdeni ar skābekli bagātina vējš, viļņi, krāces un ūdenskritumi, bet mākslīgi – speciālas iekārtas. Jānis stāsta, ka pēc virpuļu izbūvēšanas par to pozitīvo ietekmi pārliecinājušies Latvijas Vides, ģeoloģijas un meteoroloģijas centra un Pārtikas drošības, dzīvnieku veselības un vides zinātniskā institūta BIOR eksperti. Veicot ūdens analīzes Lobes upē, pierādīts, ka ūdens kvalitāte ir labāka aiz izveidotā virpuļa nekā ūdensdzirnavu caurteces posmā pirms tā ieplūšanas vietas virpulī.

Virpuļa izveidošana ir piemērota upēs, kur tuvākajam apvidum nav iespējams pieslēgties elektrības sadales tīklam un saules paneļu un vēja ģeneratoru uzstādīšana nebūtu efektīva. Ar virpuli saražoto elektrību var izgaismot dzīvojamo platību un darbināt mazas jaudas elektroierīces. Atkarībā no virpuļa izveidošanas vietas un ūdens straumes jaudīgas ierīces, piemēram, tējkannu un citus ūdenssildītājus, darbināt nevar.

Virpuļa konstrukcijai var izmantot īpašumā pieejamos materiālus. Upē, tās krastos un laukā esošos akmeņus var izmantot formas izveidošanai, bet kokmateriālus – pamatnes izveidei, kura periodiski jānomaina. Izmantojot dabas un citus mājsaimniecībā pieejamos materiālus, netiek radīts papildu piesārņojums, ko izraisa jauniegādāti būvmateriāli, piemēram, betons. Nelielas jaudas virpulim strāvas ģenerēšanai var izmantot nokalpojušu akumulatora urbjmašīnu vai citu ierīci ar līdzstrāvas motoru.

Soli sper arī uzņēmumi

Straumes izmantošanu elektrības ražošanai kā zaļāku alternatīvu lielajām hidroelektrostacijām un citiem ieguves veidiem apzinās vairāki starptautiski uzņēmumi. 2012. gadā Beļģijā dibinātais uzņēmums Turbulent ūdens virpuli uzstāda īsa garuma mākslīgi veidotā kanālā blakus upei. Ūdens pēc izplūšanas caur virpuli tiek atgriezts dabīgajā straumē, neizmainot ūdenslīmeni upē. Mākslīgi veidotā apvadkanālā var uzstādīt vairākus virpuļus, lai nodrošinātu vajadzīgo elektrības daudzumu. Pieplūdes un izplūdes kanāli aprīkoti ar vārtiem darbības apturēšanai un aizsargājošiem sietiem, lai pasargātu mehānismu no straumes nestajiem kokiem.

Beļģijas uzņēmums saņēmis apbalvojumus un īstenojis projektus vairākās valstīs, to skaitā Igaunijā. Kādreiz ar dīzeļdegvielas ģeneratoru aprīkotu privātmāju Otepē kopš 2020. gada elektrību nodrošina caur īpašumu plūstošajā upē uzstādītais virpulis.

Ūdens virpuļu izveidošana ļauj ne tikai izmantot mākslīgos kanālus un upes elektrības ražošanai, bet arī videi draudzīgākā veidā pielāgot Latvijā esošās mazās HES un ūdensdzirnavas ar to aizsprostiem. Aktualizējoties jautājumam par civilās aizsardzības objektu sistēmas papildināšanu un mazo HES izmantošanu elektrības nodrošināšanai lokāli krīzes situācijās, ūdens virpuļi var ietekmēt elektrostacijas kopējo saražotās elektrības daudzumu.

Virpuļu izbūve pie jau esošām mazām HES un ūdensdzirnavām ļautu tās izmantot efektīvāk videi draudzīgākā veidā.

Foto: Shutterstock / Latvijas Mediji

Ņem vērā!

Sargā dabu!

Ministru kabineta noteikumos nr. 27 Noteikumi par upēm (upju posmiem), uz kurām zivju resursu aizsardzības nolūkā aizliegts būvēt un atjaunot hidroelektrostaciju aizsprostus un veidot jebkādus mehāniskus šķēršļus noteiktas upes, uz kurām nedrīkst veidot jaunus aizsprostus, būvēt ūdens plūsmas un līmeni izmainošus šķēršļus. Pirms sāk jebkādus būvdarbus, jāsazinās ar dabas aizsardzības organizācijām, kas novērtēs konkrēto situāciju un izsniegs pieļaujamo darbu nosacījumus un izpildes kārtību.

KONSULTĒJIS biedrības Dzirnavu spēks priekšsēdis, Krapes muižas ūdensdzirnavu saimnieks, inženieris JĀNIS BALTAČS.

Foto: Latvijas Avīze

Mediju atbalsta fonda ieguldījums no Latvijas valsts budžeta līdzekļiem. Par publikāciju saturu atbild Praktiskais Latvietis.