Souhrn

Velká část světové populace nemá přístup ke kvalitním vodním zdrojům v dostatečném množství. Proto se v posledních letech rozvíjí metody pro komplexní hodnocení užívání vod. Jednou z nich je i vodní stopa, která umožňuje vyjádřit celkové množství vody spotřebované na produkci nějakého výrobku nebo služby. V současnosti se používají tři přístupy ke stanovení potřeb vody na produkci elektrické energie ve vodních elektrárnách. V této studii jsou použity jednotlivé přístupy (hrubá spotřeba, čistá spotřeba, čistá bilance) pro stanovení vodní stopy ve vodní elektrárně a shrnuty závěry z jejich použití.

Vodní stopa byla spočítána v měsíčním kroku všemi třemi přístupy pro provozní fázi výroby elektrické energie v největší české vodní elektrárně Orlík. Fáze výstavby vodní nádrže a vodní elektrárny byla stanovena orientačně s využitím údajů převzatých z literatury. Fáze likvidace vodní elektrárny nebyla uvažována. Alokace užívání na jednotlivé služby, které poskytuje vodní nádrž, nebyla uvažována. Metoda „hrubé spotřeby“ uvažuje pouze se ztrátami výparem. Metoda „čisté spotřeby“ je založena na předpokladu, že i před vybudováním přehrady probíhal z daného území výpar, takže skutečné ztráty jsou vyjádřeny jako rozdíl mezi výparem z nádrže a teoretickým výparem z území před výstavbou. Metoda „čisté bilance“ přistupuje k nádrži jako k systému a předpokládá, že ztráty výparem z nádrže jsou redukovány srážkami, které dopadnou na hladinu nádrže. Stanovená modrá vodní stopa provozní fáze byla přepočtena na LCA vodní stopy podle ČSN ISO 14046 pomocí regionalizovaných charakterizačních modelů fwuaAWARE.

Vodní stopa provozní fáze stanovená přístupem „hrubé spotřeby“ má jasný sezonní charakter a dosahuje hodnot přesahujících v letním období i 200 m3·MWh-1. Metoda „čisté spotřeby“ výrazně snižuje hodnoty vodní stopy v porovnání s metodou „hrubé spotřeby“ a to až do záporných hodnot. To je podmíněno zejména způsobem výpočtu výparu z území před výstavbou vodní nádrže. Vodní stopa stanovená metodou „čisté bilance“ se pohybuje kolem nulových hodnot, protože výpar z vodní nádrže je prakticky vyrovnán srážkami. Hodnota vodní stopy fáze výstavby vodní nádrže i při uvažované životnosti 100 let vychází orientačně na úrovni od 0,26 do 3,09 m3·MWh-1.

Jednotlivé metody dávají velmi rozdílné výsledky. Použití metody „čisté spotřeby“ naráží na metodické problémy. Fázi výstavby vodní nádrže v případě metody „čisté bilance“ i metody „čisté spotřeby“ nelze zanedbat. Přepočet modré vodní stopy na LCA vodní stopu nedostatku vody pomocí regionalizovaných hodnot charakterizačních faktorů snížil poměr mezi maximálními a minimálními hodnotami vodní stopy. Jen v případě charakterizačního modelu fwua a použití přístupu ke stanovení užívání vody pomocí metody „čisté bilance“ tyto poměry zvýšil.

Úvod

Elektrická energie vyrobená ve vodních elektrárnách je obecně považována za čistou, obnovitelnou energii. Přesto není tato výroba zcela bez spotřeby přírodních zdrojů, resp. vody, a bez dopadu na životní prostředí. Výroba elektrické energie ve vodních elektrárnách je přímo závislá na lokální dostupnosti vodních zdrojů [1]. Spotřeba vody a dalších přírodních zdrojů potřebná na výrobu elektrické energie ve vodní elektrárně je spojena se třemi fázemi životního cyklu vodní elektrárny:

Výstavba vodní elektrárny – jedná se o spotřebu zdrojů, jež jsou potřeba pro výrobu surovin nutných pro výstavbu vodní elektrárny a všech souvisejících provozů, jako je vodní nádrž, distribuční soustava apod. Obvykle se předpokládá, že spotřeba přírodních zdrojů a vody ve fázi výstavby vodní nádrže a vodní elektrárny je v celém životním cyklu zanedbatelná [2]. Tento předpoklad lze považovat za platný zejména u velkých hydroenergetických projektů s dlouhou dobou životnosti a velkou produkcí elektrické energie. U menších projektů a i v některých případech u větších projektů nelze tuto fázi životního cyklu elektrárny zanedbat [3].

Provoz vodní elektrárny – v průběhu provozu se ve vodní elektrárně prakticky žádná voda ani přírodní zdroje přímo nespotřebovávají. Nepřímou spotřebu představuje voda odpařená z vodní plochy nádrže či jezové zdrže elektrárny [4]. V případě posuzování dopadů spojených s užíváním vody u derivační hydroelektrárny nebo u vodních elektráren s převody vody je třeba též zvážit rozdílné dopady v místě odběru a vypouštění. Ačkoliv se v souvislosti s popularizací vodní stopy v uplynulých letech soustředí pozornost zejména na ztráty vody výparem, je výroba elektrické energie ve vodních elektrárnách spojena se ztrátami vody průsakem a dopady na ekosystémy v souvislosti se změnami charakteru říčního toku a omezení migrační průchodnosti [5].

Likvidace vodní elektrárny – obdobně jako v případě výstavby vodní elektrárny se jedná o vodu a jiné přírodní zdroje spotřebované při likvidaci vodního díla a samotné vodní elektrárny. Zatímco však potřebou vody na fázi výstavby vodní elektrárny se již zabývalo několik autorů, tak fáze likvidace dosud nebyla uvažována v žádné známé studii.

Pro hodnocení nepřímého užívání vody pro výrobu elektrické energie ve vodních elektrárnách se používá tzv. bilanční (v angličtině označovaná jako „volumetric“) vodní stopa [6]. Pro posuzování dopadů spojených s produkcí elektrické energie je pak vhodnější využití posuzování životního cyklu (LCA) a na této metodologii založená LCA vodní stopa [7].

Bilanční vodní stopa se skládá ze tří složek: modré vodní stopy (voda spotřebovaná z vodních zdrojů), zelené vodní stopy (obvykle dešťové srážky a voda v půdě) a šedé vodní stopy (voda potřebná k naředění znečištění na neškodnou úroveň). Zelená vodní stopa je při výrobě elektrické energie ve vodních elektrárnách nulová. Šedá vodní stopa je spojena s případným znečištěním, které je ale v případě produkční fáze výroby elektrické energie ve vodních elektrárnách prakticky zanedbatelné. V případě výstavby a likvidace vodní elektrárny tomu tak není, ale tyto fáze jsou v existujících studiích obvykle zanedbány. Veškeré užívání vody je tak přiřazeno k modré vodní stopě. Obecně jsou rozlišovány tři přístupy ke stanovení užívání vody, resp. ztrát vody, při výrobě elektrické energie ve vodní elektrárně [8] ve fázi provozu vodní elektrárny:

  1. hrubá spotřeba – vyjádřená jako ztráty vody výparem z hladiny vodní nádrže,
  2. čistá spotřeba – vyjádřená jako rozdíl mezi výparem z vodní hladiny a evapotranspirací z povrchu před vybudováním vodní nádrže,
  3. čistá vodní bilance – vyjádřená jako rozdíl mezi výparem z vodní hladiny a srážkami, které dopadnou na hladinu.

Pro vyjádření dopadů spojených s užíváním vody, tj. v LCA vodní stopě, se množství užívané vody vynásobí charakterizačním faktorem podle zvoleného charakterizačního modelu.

Cílem této studie je: (i) otestování různých přístupů ke stanovení vodní stopy výroby elektrické energie ve vodních elektrárnách, (ii) srovnání jejich výsledků na příkladu největší české vodní elektrárny Orlík, (iii) diskuse jejich kladů a záporů a (iv) definování možných omezení současných přístupů ke stanovení vodní stopy.

Data a metody

Pilotní studie – vodní elektrárna Orlík

Vodní nádrž Orlík leží na řece Vltavě v Jihočeském kraji na říčním km 144,650. Jedná se o největší vodní dílo v České republice s délkou zátopy 68 km a objemem zásobního prostoru 716,5 mil. m3. Zatopená plocha nádrže se pohybuje v rozmezí 1 172,0 až 2 468,2 ha, při maximálním nadržení pak 2 732,7 ha. Přehrada je tvořena betonovou tížnou hrází o výšce 81,5 m a o délce v koruně 450 m. Kubatura hráze přesahuje 1 mil. m3. Dlouhodobý průměrný průtok činí Qa = 83,5 m3·s-1. Hlavními účely vodní nádrže Orlík jsou akumulace vody pro nadlepšení průtoků na spodní části Vltavy a Labe, částečná ochrana před velkými vodami a výroba elektrické energie. Vedlejšími účely jsou pak rekreace, vodní sporty, rybí hospodářství a plavba v nádrži.

Vodní elektrárna je situována na levém břehu. Vybavena je čtyřmi kaplanovými turbínami 4 × 91 MW, které pracují se spádem v rozmezí 44,0–70,5 m. Vodní elektrárna Orlík je největší vodní elektrárna v České republice produkující přibližně pětinu elektrické energie vyrobenou ve vodních elektrárnách, mimo přečerpávací vodní elektrárny.

Hlavními přítoky do nádrže Orlík jsou Vltava, Otava a Lužnice. Celková plocha povodí vodní nádrže Orlík činí 12 106 km2, z toho plocha povodí Lužnice tvoří 4 226 km2 a povodí Otavy 3 840 km2. Vodní nádrž Orlík tvoří uzávěrový profil bilanční oblasti ČHMÚ 3 – Horní Vltava. Hydrologické charakteristiky bilanční oblasti uvádí každoroční Zpráva o hydrologické bilanci České republiky [9]. Charakteristiky zahrnují údaje o srážkách a odtocích. Zpráva za rok 2016 byla rozšířena o průměrné teploty a podrobnější informace o 3 dílčích povodích (Horní Vltava, Lužnice, Otava) tvořících bilanční oblast 3 – Horní Vltava. Pro řešení této studie byla data o srážkách a teplotách pro bilanční oblast 3 získána z ČHMÚ.

Výpočet vodní stopy

Fáze výstavby a likvidace vodní elektrárny a vodního díla Orlík byla pro nedostatek údajů a s ohledem na životnost obou celků zanedbána. Pro stanovení spotřeby vody ve fázi provozu vodní elektrárny Orlík byly využity všechny tři přístupy popsané v úvodu. Výpočet bilanční vodní stopy byl proveden podle rovnice (1). Užívání vody pro metodu „hrubé spotřeby“ podle rovnice (2), pro metodu „čisté spotřeby“ podle rovnice (3) a pro metodu „čisté bilance“ podle rovnice (4):

kdeVSijebilanční vodní stopa pro i = {hrubá spotřeba, čistá spotřeba, čistá bilance},
Uiužívání vody stanovené podle rovnice (2–4),
Vvýpar stanovený podle rovnice (8),
ET evapotranspirace stanovená jako potenciální evapotranspirace podle rovnice (9),
Ssrážky získané z ČHMÚ.

Výpočet LCA vodní stopy byl proveden podle rovnice (5). Pro stanovení dopadů spojených s výrobou elektrické energie byly použity dva charakterizační modely: japonský charakterizační model fwua [10] a model AWARE [11]. Tyto dva modely vodní stopy nedostatku vody byly zvoleny na základě možnosti jejich regionalizace [12] na profil vodní nádrže Orlík. Regionalizace modelu fwua byla provedena podle rovnice (6) [13], modelu AWARE pak podle rovnice (7) [14]:

kdeVSi,jjebilanční vodní stopa [m3·MWh-1] pro i = {hrubá spotřeba, čistá spotřeba, čistá bilance}j = {fwua, AWARE},
AVDplocha vodní nádrže [m2],
Pvýroba elektrické energie [MWh],
CFj charakterizační faktor,
Qref referenční hodnota 1/12 [m3·m-2·měsíc-1] [10],
Qodtok v profilu VD Orlík [m3·měsíc-1],
APplocha povodí [m2],
AMDworld avg referenční hodnota 0,0136 [m3·m-2·měsíc-1] [11],
kkoeficient vyjadřující požadavky ekosystémů: k = 0,3 [14],
Qadlouhodobý průměrný průtok [m3·měsíc-1].

Výpočet výparu z vodní hladiny a evapotranspirace

Výpar z vodní hladiny je závislý na mnoha faktorech, jako je teplota a tlak vzduchu, teplota vody, zastínění hladiny či pokrytí vodními rostlinami, rychlost a směr větru apod. Pro stanovení výparu z volné hladiny lze použít množství metod nebo přímá měření. S ohledem na dostupnost dat byl v rámci této studie uvažován model využívající pouze teplotu vzduchu. Zvolený model tak představuje sice velmi jednoduchý postup pro stanovení výparu, ale zároveň postihuje nejméně možných vlivů a může tak být nepřesný.

V 50. letech bylo v Československu provozováno několik výparoměrných stanic, ze kterých byla odvozena rovnice (8) pro výpočet výparu na základě teploty [15]. V současnosti je v České republice provozována Výzkumným ústavem vodohospodářským T. G. Masaryka, v. v. i., výparoměrná stanice v obci Hlasivo na Táborsku. Analýzou dat z této výparoměrné stanice byly odvozeny další rovnice [16, 17]. Výsledky rovnic využívající jako popisnou proměnnou pouze teplotu vzduchu byly porovnány na datech ze stanice Hlasivo z období květen až říjen v letech 1957 až 2012, přičemž tato analýza [18] ukázala, že i tyto rovnice využívající jako nezávislou proměnnou pouze teploty vzduchu vykazují dostatečnou přesnost výsledných hodnot. Jednotlivé rovnice dosahují lepších výsledků při různých rozpětích teplot. Zatímco na celé sadě dat dosahovaly relativně stejných výsledků rovnice Šermera a Mrkvičkové, tak rovnice Šermera dosahovala nejlepších výsledků při teplotách nižších jak +15 °C, kdy dosáhla nejmenšího rozdílu mezi modelovanou a měřenou hodnotou ve více jak 53 % případů. S ohledem na typické teploty v bilanční oblasti 3 – Horní Vltava byl pro výpočet zvolen model Šermera podle rovnice (8). V posuzovaném období 2006 až 2011 dosahovaly průměrné měsíční teploty v bilanční oblasti 3 – Horní Vltava hodnot od -6,241 °C do +20,309 °C, přičemž 41 měsíců mělo průměrnou teplotu do +10 °C, 12 měsíců mělo průměrnou teplotu mezi +10 a +14 °C, 5 měsíců pak mezi +14 a +16 °C a ve 14 případech překročila průměrná měsíční teplota hodnotu +16 °C. Pro výpočet výparu byla použita rovnice (8):

kdeVjeprůměrná hodnota výparu [mm·d-1],
tprůměrná měsíční teplota vzduchu v meteorologické budce 2 m nad zemí [°C].

S ohledem na nejistoty spojené se stanovením hodnoty výparu z nádrže nebylo uvažováno s kolísáním hladiny v nádrži. Pro výpočet objemu vypařené vody byla uvažována hodnota plochy hladiny na úrovni zásobního prostoru 2468,2 ha.

Pro uvažování evapotranspirace z území před výstavbou vodní nádrže Orlík, byl pro nedostatek podrobných informací zvolen předpoklad, že evapotranspirace odpovídá potenciální evapotranspiraci na základě úvahy, že v údolní nivě byl dostatek infiltrované vody z řeky k evapotranspiraci. Pro výpočet potenciální evapotranspirace, která je použita v metodě „čisté spotřeby“, byla použita Thornthwaiteova rovnice [19] (9):

kdePETjepotenciální evapotranspirace [mm·d-1],
tprůměrná měsíční teplota vzduchu [°C],
Iroční index tepla vypočtený podle rovnice (10):
kdejeměsíční index tepla vypočtený podle rovnice (11):

Koeficient α je vypočítán podle rovnice (12):

kdedjepočet dní v daném měsíci,
Nteoretická průměrná doba denního světla v daném měsíci.

Doba denního světla v každém dni v roce byla vypočtena pomocí CBM modelu [20] (13):

kdePjekoeficient uvažovaný na hodnotě 0,8333 [20],
Lzeměpisná šířka (+ pro severní polokouli, – pro jižní polokouli),
φvypočteno podle rovnice (14, 15):
kdeJjepořadové číslo dne v roce.

Výsledky a diskuse

Bilanční vodní stopa

Hodnoty modré vodní stopy se velmi liší podle použitého přístupu ke stanovení spotřeby vody (obr. 12). Nejvyšší hodnoty dosahuje modrá vodní stopa při uvažování pouze spotřeby vody formou výparu („hrubá spotřeba“). Oba zbývající přístupy výrazně snižují hodnotu vodní stopy, a to až do záporných hodnot. Záporné hodnoty znamenají, že z vodní nádrže odtéká více vody, než do ní přitéká vodními toky. Z obr. 1 je vidět, že při uvažování pouze výparu, má průběh hodnot bilanční vodní stopy charakteristický sezonní průběh s maximy v létě a minimy v zimě. Naopak hodnoty vodní stopy vypočtené s využitím čisté spotřeby“ (obr. 1) i „čisté bilance“ (obr. 2) sezonnost vodní stopy nevykazují. V případě výpočtu pomocí „čisté spotřeby“ je potřeba si ovšem uvědomit, že v této studii byl proveden jen orientační výpočet evapotranspirace pro ověření principů metody a údaje nejsou úplně přesné. Přesto je u této metody „potlačení“ sezonnosti dáno již samotným principem metody. U výpočtu s využitím „čisté bilance“ je průběh měsíčních hodnot vodní stopy předurčen charakteristickými průběhy srážek a teplot během roku. Jak vyplývá z obr. 2, vodní stopa stanovená pomocí „čisté bilance“ kolísá kolem hodnoty 0, tj. srážky dopadající na hladinu vyrovnávají výpar z hladiny. Tabulka 1 uvádí hodnoty bilanční vodní stopy v ročním kroku. I zde je patrný značný rozptyl hodnot.

Obr. 1. Modrá vodní stopa elektrické energie VE Orlík – metoda hrubé spotřeby a čisté spotřeby
Fig. 1. Blue water footprint of Orlík HPS electricity – the methods of gross consumption and net consumption
Tabulka 1. Hodnoty bilanční vodní stopy VE Orlík v ročním kroku [m3·MWh-1]
Table 1. Volumetric water footprint values at Orlík HPS in yearly steps [m3·MWh-1]

Metoda „hrubé spotřeby“ uvažující pouze výpar je nejjednodušší, ale jejím hlavním nedostatkem je potlačení systémového přístupu ke stanovení užívání vod v „systému výroby elektrické energie ve vodní elektrárně“. Díváme-li se na vodní nádrž jako součást technologického systému výroby elektrické energie, tak do systému vstupuje několik vstupů, stejně tak ze systému voda „odchází“ v podobě několika výstupů. Vstupy do systému vodní nádrže představují vodní toky přitékající do nádrže, podpovrchový a případně plošný povrchový přítok z okolí nádrže, prameny v ploše zátopy a srážky na hladinu zátopy. Vnitřní prameny a podpovrchový a plošný povrchový přítok lze obvykle zanedbat z důvodu jejich velikosti a s ohledem na skutečnost, že i bez existence vodní nádrže by tato voda dotekla do vodního toku. Výstupy z nádrže představuje voda odtékající z nádrže, odběry z nádrže a ztráty vody (výparem, průsakem do podloží, případně jiné). Odběry vody z nádrže lze také zanedbat, protože nemají žádnou souvislost s výrobou elektrické energie na vodní elektrárně (tedy pokud není vodní elektrárna umístěna na odběrném potrubí).

Obr. 2. Modrá vodní stopa elektrické energie VE Orlík – metoda čisté bilance
Fig. 2. Blue water footprint of Orlík HPS electricity – the net balance method

Výpočet metodou „čisté spotřeby“ je v současnosti často používaný přístup [1] a vychází z předpokladu, že z plochy zátopy vodní nádrže by docházelo k výparu i bez existence vodní nádrže. Skutečná spotřeba vody je tedy rovná jen rozdílu mezi evapotranspirací z území před výstavbou vodní nádrže a výparem z hladiny nádrže. Aplikace tohoto přístupu naráží na dva hlavní problémy. Jakýkoliv výpočet evapotranspirace bude pouze odhadem této hodnoty. Jednak je to dáno modelovými přístupy ke stanovení skutečné evapotranspirace (každý model je jen více či méně přesným zjednodušením skutečnosti). Především však lze v současnosti jen stěží odhadovat, jaká by byla struktura povrchů v zátopě. Druhý problém je principiální. Zkusme aplikovat princip přístupu „čisté spotřeby“ například na továrnu. Továrna vyrábí nějaký produkt s technologií A, která spotřebuje 5 m3 vody na jednotku produkce. Továrna projde rekonstrukcí a po modernizaci provozu tatáž továrna používá technologii B, která spotřebuje jen 3 m3 vody na jednotku produkce. Z tohoto příkladu lze odvodit tři závěry. Vodní stopa produktu po rekonstrukci továrny jsou 3 m3. Díky rekonstrukci továrny se snížila vodní stopa produktu o 2 m3. Celková vodní stopa produkce v továrně se změnila o (3× počet výrobků produkovaných po rekonstrukci) – (5× počet výrobků produkovaných před rekonstrukcí).

Lze se na uvedenou situaci podívat i jinak. Před výstavbou vodní nádrže neexistovala v dané lokalitě vodní elektrárna a veškerý výpar z území zátopy současné vodní elektrárny byl přiřazen (alokován) k produktům, které byly v území produkovány. Respektive, i kdyby v daném území existovala například elektrárna na jezu, pak by k ní nebyl alokován výpar z plochy povodí, ale jen ze zdrže jezu. Vybudováním vodní nádrže se způsob využití území změnil a území produkuje jiné produkty (elektrickou energii, surovou vodu, ochranu před povodněmi, rekreaci apod.).

I praktické použití přístupu „čisté spotřeby“ je problematické. Modrá vodní stopa vyjadřuje množství vody, které je „spotřebováno“ při produkci nějakého statku (v tomto případě na výrobu elektrické energie). Pokud by dlouhodobý přítok do nádrže byl např. 1 mil. m3, dlouhodobý výpar 2 mil. m3 a evapotranspirace z původního povrchu před vybudováním nádrže 1,2 mil. m3, vycházela by hodnota vodní stopy 0,8 mil. m3. Pokud by se nádrž nacházela v aridní oblasti skoro bez srážek, pak by reálně byla prázdná a z nádrže by nic neodtékalo, neboť ztráty vody výparem ze systému by byly vyšší, než je vstup do systému ve formě přítoku. Navržený přístup „čisté spotřeby“ je tak spíše příkladem nevhodného či účelového použití, což není bohužel jen problém vodní stopy, ale obecně footprint metodologií [21].

Přístup „čisté bilance“ se zdá metodicky nejvhodnější k řešení studií vodní stopy spojené s užíváním vody ve vodní nádrži. Zahrnuje ztráty vody ze systému ve formě výparu i „zisk“ systému, tedy vstup do systému, v podobě srážek. Ovšem ani toto není metodicky úplně čisté. Jak upozorňuje Bakken a kol. [4] podle metodiky vodní stopy [6] se hodnota vodní stopy pohybuje v intervalu od 0 do kladného nekonečna.

Při řešení studií vodní stopy spojených s vodní nádrží není vhodné omezovat vstupy a výstupy pouze na výpar z hladiny a srážky na hladinu, ale je vhodné zevšeobecnit řešení na všechny vstupy a výstupy popsané výše. A to i v případech, kdy v konkrétní situaci mohou být jednotlivé vstupy a výstupy uvažovány s nulovou nebo zanedbatelnou hodnotou. Zejména ztráty podložím a povrchový přítok může hrát za určitých podmínek nezanedbatelnou roli v celkové bilanci nádrže. Nemusí se jednat jen o chyby v návrhu nádrže a ztráty vod do podloží, které způsobí nefunkčnost nádrže [22]. Pokud nádrž leží v rovinaté krajině a okolní půda má vysokou propustnost, pak sací síly porostu v okolí nádrže mohou ovlivnit celkové ztráty vody z nádrže vysokou evapotranspirační schopností. Naopak v případě málo propustného podloží a minimálního rostlinného pokryvu v okolí nádrže (typicky skalnaté okolí vodních nádrží) steče většina srážek z tohoto území přímo do nádrže. V obou popsaných případech by bylo vhodné buďto rozšířit rovnice (1) a (5) o členy vyjadřující vliv okolí nádrže nebo uvažovat s jakousi efektivní plochou nádrže. Stanovení takové efektivní plochy nádrže není v současnosti metodicky rozpracováno. Hogeboom a kol. [23] ve své globální studii uvažovali pouze se ztrátami výparem (metoda „hrubé spotřeby“) a z teoretické průměrné naplněnosti nádrže a idealizovaného tvaru údolí navrhli použít pro výpočet ztrát výparem hodnotu plochy nádrže o velikosti 56,25 % maximální plochy nádrže. Pro použití s metodou „čisté bilance“ je tato hodnota spíše podhodnocená.

Robescu a Bondrea [24] spočítaly vodní stopu spojenou s výstavbou hráze vodní elektrárny Vidraru na 19,7 mil. m3 při objemu hráze 480 000 m3, tj. 41 m3 na m3 betonové hráze. Při použití tohoto údaje a kubatury hráze vodního díla Orlík cca 1,1 mil. m3 vychází vodní stopa hráze vodní nádrže Orlík na 45,1 mil. m3, resp. při uvažování 100leté životnosti 0,45 mil. m3 za rok. Spočtený roční výpar z vodní nádrže Orlík činí v jednotlivých letech 15,5 až 17,1 mil. m3. Při přepočítání na jednotku vyrobené elektrické energie to je pak od 0,26 do 3,09 m3·MWh-1 v měsíčním kroku, resp. 0,81 až 1,51 m3·MWh-1 v ročním kroku. Zejména v případě použití metody „čisté bilance“ se jedná o nezanedbatelné hodnoty.

V provedené studii byly veškeré vstupy a výstupy ze systému vodní nádrže přiřazeny k výrobě elektrické energie. Vodní nádrž Orlík však neslouží pouze k výrobě elektrické energie, ale jako většina vodních nádrží na světě je víceúčelová [25]. Kromě výroby elektrické energie zajišťuje celospolečenské funkce (nadlepšování průtoků), protipovodňovou ochranu, odběry vody, lodní dopravu, rybářství, sport a rekreaci. Celkové užívání vody by tedy mělo být přerozděleno (alokováno) ke všem těmto užíváním, což sníží hodnoty stanovené vodní stopy na výrobu elektrické energie. Výzkum metod alokace na jednotlivé užívání vody je však dosud velmi omezený a i studie, které alokaci na různé užití zahrnuly do výpočtů vodní stopy, používají rozdílné metody [1, 26]. V podmínkách České republiky lze použít různé metody alokace, asi nejuniverzálnější je vyjádření pomocí ekonomické hodnoty jednotlivých užívání poskytovaných vodní nádrží. Zatímco vyjádření ekonomické hodnoty vyrobené elektrické energie i odebrané surové vody je díky existenci ceny poměrně snadné, vyjádření hodnoty ostatních užívání je úlohou vhodnou pro ekonomy. Je vhodné též zmínit, že výzkum ve světě (zejména v oblastech s omezenými vodními zdroji) se zabývá i opačnou úlohou, tj. jak využít vodní stopu k co nejefektivnější alokaci vody ve vodní nádrži na jednotlivé užívání tak, aby byly dosaženy maximální přínosy [27].

LCA vodní stopa

Výpočet regionalizovaných hodnot charakterizačních faktorů pro oba zvolené modely je v principu shodný a liší se pouze v rozdílné referenční hodnotě, zahrnutí potřeb vody pro ekosystémy v modelu AWARE a omezením hodnot CFAWARE na interval 0,1; 100. Charakterizační faktory pro oba modely mají v jednotlivých měsících relativně podobný průběh, i když variabilita hodnot je značně velká (obr. 3). Hodnoty charakterizačního faktoru CFfwua se pohybují od 0,9 do 12,9 při průměru 5,9. Hodnoty charakterizačního faktoru CFAWARE se pohybují dokonce od 0,16 do 15,8 při průměru 2,3.

Obr. 3. Hodnoty regionalizovaných charakterizačních faktorů
Fig. 3. The values of regionalized characterization factors

Z pohledu terminologického představuje vodní stopa stanovená těmito dvěma modely hodnotu „vodní stopy nedostatku vody – water scarcity footprint“. Obrázky 46 zobrazují průběh LCA vodní stopy v měsíčním kroku podle obou charakterizačních modelů a srovnání s průběhem bilanční vodní stopy. Obecně lze konstatovat, že v případě VE Orlík oba použité LCA modely snižují rozptyl hodnot oproti bilanční vodní stopě. Toto konstatování neplatí pouze v případě charakterizačního modelu fwua aplikovaném na užívání vody stanoveném pomocí „čisté bilance“, kde naopak spíše zvýrazňuje maximální hodnoty (obr. 6). Z grafů je vidět, že rozptyl měsíčních hodnot je velmi vysoký. Tabulka 2 uvádí hodnoty v ročním kroku a i zde je vidět značná rozkolísanost hodnot vodní stopy.

Tabulka 2. Hodnoty LCA vodní stopy VE Orlík v ročním kroku [m3·MWh-1]
Table 2. LCA water footprint values of Orlík HPS in yearly steps [m3·MWh-1]
Obr. 4. LCA a bilanční vodní stopa – hrubá spotřeba
Fig. 4. LCA and volumetric water footprint – gross consumption
Obr. 5. LCA a bilanční vodní stopa – čistá spotřeba
Fig. 5. LCA and volumetric water footprint – net consumption
Obr. 6. LCA a bilanční vodní stopa – čistá bilance
Fig. 6. LCA and volumetric water footprint – net balance

Studie LCA jsou vzájemně problematicky porovnatelné, protože obvykle vycházejí z rozdílných předpokladů a aplikace zjednodušení i charakterizačních modelů. Pomocí charakterizačního modelu fwua a při použití stejné metody regionalizace byla stanovena LCA vodní stopa 32 tepláren a uhelných elektráren, přičemž nebyly uvažovány jiné procesy než samotná výroba elektrické energie v těchto provozech. Hodnota LCA vodní stopy těchto provozů se pohybovala mezi 1,3 až 12,8 m3·MWh-1 [13]. Další studii LCA vodní stopy představuje studie jaderných elektráren Temelín a Dukovany, kde byl použit regionalizovaný charakterizační model fwua a pro stanovení ztrát z vodních nádrží byl uvažován pouze výpar [28]. Hodnoty LCA vodní stopy v ročním kroku pro JE Temelín se pohybovaly mezi 6,1 až 7,7 m3·MWh-1 a pro JE Dukovany mezi 15,0 až 16,5 m3·MWh-1. Na tyto dvě jaderné elektrárny byl aplikován i model AWARE opět s uvažováním pouze výparu [29] a hodnoty LCA vodní stopy v ročním kroku pro JE Temelín se pohybovaly mezi 1,3 až 1,6 m3·MWh-1 a pro JE Dukovany mezi 3,2 až 3,5 m3·MWh-1.

Závěr

Studie vodní stopy vodní elektrárny Orlík prokázala několik významných skutečností, které je třeba mít na paměti při realizaci dalších studií vodní stopy. Jako nejvýznamnější je jednoznačně volba způsobu výpočtu užívání vody. Metoda „hrubé spotřeby“ uvažuje pouze výpar z nádrže a má tedy jasnou závislost na průběhu meteorologických veličin během roku. Zároveň vykazuje nejvyšší hodnoty vodní stopy. Metoda „čisté spotřeby“ odečítá od výparu z hladiny hodnotu výparu z plochy povodí před výstavbou nádrže. Ačkoliv je tato metoda v posledních letech hojně využívána pro výpočet vodní stopy hydroelektráren, je její správnost diskutabilní. Jako vhodnou metodu lze doporučit metodu „čisté bilance“.

Dalším významným aspektem, který ovlivňuje hodnotu vodní stopy vztaženou na produkovanou jednotku elektrické energie, je otázka alokace. V České republice prakticky všechny vodní nádrže poskytují několik užitků, vztahovat tedy veškeré užívání vody jen k jednomu užitku (např. k výrobě elektrické energie) je metodicky nesprávné. Postupy alokace užívání vody na jednotlivé užitky poskytované vodní nádrží však nejsou dosud standardizovány.

Posledním významným aspektem je otázka zanedbání fáze výstavby a likvidace vodního díla. Ačkoliv jsou tyto fáze životního cyklu vodní elektrárny v globálních studiích obvykle zanedbány s odůvodněním, že se „rozpustí“ během životního cyklu do zanedbatelných hodnot, orientační výpočet na základě literárních údajů ukázal, že pro vodní elektrárnu Orlík se nemusí jednat o zanedbatelná čísla, zvláště při použití metody „čisté bilance“ a částečně i při použití metody „čisté spotřeby“.