Wiadomości ogólne


Energetyka wodna (hydroenergetyka) zajmuje się pozyskiwaniem energii wód i jej przetwarzaniem na energię mechaniczną i elektryczną przy użyciu silników wodnych (turbin wodnych) i hydrogeneratorów w siłowniach wodnych (np. w młynach) oraz elektrowniach wodnych, a także innych urządzeń. Energetyka wodna opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu energii wód śródlądowych (rzadziej mórz w elektrowniach pływowych) o dużym natężeniu przepływu i dużym spadzie mierzonym różnicą poziomów wody górnej i dolnej z uwzględnieniem strat przepływu. Wykorzystanie w elektrowniach energii wód śródlądowych oraz pływów wód mor. polega na zredukowaniu w granicach pewnego obszaru (odcinek strumienia, rzeki, część zatoki) naturalnych strat energii wody i uzyskaniu jej spiętrzenia względem poziomu odpływu. Poza energetycznym, elektrownie wodne zbiornikowe mogą spełniać jednocześnie inne zadania, jak zabezpieczenie przeciwpowodziowe, regulacja przepływu ze względu na żeglugę. Duże znaczenie mają elektrownie wodne szczytowo-pompowe, pozwalające na użycie wody jako magazynu energii. Rozwój hydroenergetyki jest uzależniony od zasobów energii wód, tzw. zasobów hydroenergetycznych. Dla Polski dominujące znaczenie hydroenergetyczne, mają dolna Wisła oraz Dunajec. W 1990 produkcja energii elektr. z energii wód w Polsce wyniosła 3,3 TW h, a na świecie ok. 2162 TW h. Ostatnio coraz większą uwagę poświęca się energ. wykorzystaniu niewielkich cieków wodnych przez budowę tzw. małych elektrowni wodnych; w pierwszej kolejności dotyczy to tych cieków, na których istnieją już urządzenia piętrzące wykorzystywane do innych celów.

Zarys historyczny

W okresie międzywojennym posiadaliśmy 12 elektrowni wodnych, jednak żadna z nich nie miała mocy powyżej 10 MW, a ich łączna moc wynosiła zaledwie 18MW. Przed drugą wojną światową największa elektrownia w Polsce pracowała w Gródku na Pomorzu (3,9 MW) i zasilała w energię elektryczną Gdynię. Druga wojna światowa wstrzymała rozwój polskiej hydroenergetyki. W wyniku powojennych zmian terytorialnych Polska uzyskała na ziemiach zachodnich kilkadziesiąt zakładów hydroenergetycznych, a w tym większe elektrownie w Pilchowicach i Dychowie na Bobrze. Ogólna moc naszych elektrowni w roku 1946 wzrosła do 160 MW. Okres powojenny przyniósł stopniową rozbudowę elektrowni wodnych, jednak tempo ich rozwoju było wyraźnie niższe od tempa rozwoju całej polskiej energetyki. Dopiero lata sześćdziesiąte przyniosły uruchomienie kilku dużych elektrowni wodnych, jak hydroelektrownie w Kornowie, Myczkowcach, Dębem, Solinie, Tresnej, Żydowie i Włocławku.
Po latach intensywnego budowania elektrowni wodnych w latach ostatnich wybudowano ich niewiele. Największe z nich to elektrownie w Żarnowcu i Nidzicy oraz w Porąbce-Żar.

Podział elektrowni wodnych

Elektrownie wodne można podzielić na dwie kategorie:

Elektrownie z naturalnym dopływem wody:

-elektrownie regulacyjne - inaczej zbiornikowe, tzn., że przed elektrownią znajduje się zbiornik wodny, który wyrównuje sezonowe różnice w ilości płynącej wody;
- elektrownie przepływowe, które nie posiadają zbiornika, więc ilość wyprodukowanej energii zależy od ilości wody płynącej w rzece w danym momencie.



Elektrownie szczytowo - pompowe, które znajdują się pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi - tzn. górny i dolnym. Te elektrownie umożliwiają kumulację energii w okresie małego zapotrzebowania na nią przez pompowanie wody ze zbiornika dolnego do górnego. Natomiast w okresie większego zapotrzebowania energia wyzwalana jest przez spuszczane wody ze zbiornika górnego do dolnego za pomocą turbin wodnych.

Inny podział elektrowni, tym razem ze względu na wielkość to:

- elektrownie duże o mocy zainstalowanej 10 MW i więcej

- elektrownie małe o mocy w przedziale 200 kW - 10 MW

- mikro elektrownie wodne poniżej 200 kW mocy.

Większe elektrownie wodne na świecie

Największą elektrownią wodną na świecie jest wybudowana w 1983 roku elektrownia na tamie Itaipu na Paranie na granicy państw Brazylii i Paragwaju. Elektrownia ma maksymalną moc 12 600 MW a produkuje rocznie 93.4 TW*h energii. Nieco mniejsze są: Grand Coulee na rzece Kolumbia w USA (10,080 MW) i Guri, Raul Leoni na rzece Coroni w Wenezueli (10,060 MW).

Największą budowaną tamą z hydroelektrownią jest budowana w Chinach Zapora Trzech Przełomów. Budowę zapory ukończono 20 maja 2006 r., elektrownia już częściowo pracuje, trwa napełnianie zbiornika i wyposażanie elektrowni, ukończenie jest planowane na rok 2009. Po ukończeniu 26 generatorów o łącznej mocy 18,2 GW ma produkować rocznie około 84,7 TWh (terawatogodzin) energii.

Większe elektrownie wodne w Polsce

• elektrownia wodna we Włocławku

• elektrownia przepływowa w Porąbce (pierwsza zbudowana w Polsce)

• elektrownia Wodna Żarnowiec

• elektrownia Porąbka-Żar

• elektrownia przepływowa Myczkowcach

• elektrownia szczytowo-pompowa w Solinie

Podstawy fizyczne wytwarzania energii

Elektrownie wodne zbiornikowe działają na zasadzie wykorzystania energii potencjalnej masy wody spadającej z wysokości zwanej spadem. W miarę spadania wody jej energia potencjalna przekształca się w energię kinetyczną przekazywaną na dolnym poziomie turbinie. Główne części elektrowni zbiornikowej to: zapora lub jaz, gromadzące wodę w zbiorniku zasilającym ich wysokość, stanowiącą część lub całość spadu; rurociąg doprowadzający wodę do turbiny; turbina wodna przejmująca energię kinetyczną wody; podłączona do turbiny prądnica prądu przemiennego przetwarzająca energię mechaniczną na elektryczną; wyposażenie pomocnicze niezbędne do regulacji mocy, napięcia i częstotliwości oraz do zapewnienia bezpiecznej pracy urządzeń.

1. Zbiorniki wodne

Duże tamy zatrzymują wodę w zbiornikach, aby podnieść wysokość, z jakiej będzie spadała, oraz po to,by zmagazynować wodne zasoby na przyszłość.

Nie jest niezbędna we wszystkich rodzajach hydroelektrowni, większość elektrowni wodnych posiada jednak zapory. Część zapory stanowią regulujące przepływ wody przelewy, umożliwiające żeglugę śluzy, przepusty, pozwalające przepływać tratwom i przepławki, dzięki którym ryby mogą wędrować w górę rzeki.
Nie każda hydroelektrownia wyposażona jest w zaporę, częścią każdej jest jednak sprzęgnięta z generatorem energii elektrycznej turbina wodna.

2. Turbina wodna

Woda spada z dużą prędkością na niższy poziom i przepływa przez turbinę. Łopaty turbiny obracają się i zasilają generator. Zwana jest też silnikiem wodnym rotodynamicznym bądź też turbiną hydrauliczną. Turbina wodna to silnik, przetwarzający mechaniczną energię przepływającej przezeń wody na użyteczną pracę mechaniczną. W zależności od kierunku przepływu wody wyróżnia się turbiny wodne osiowe, diagonalne (skośne), promieniowe i styczne, zaś ze względu na przetwarzanie energii turbiny dzieli się na akcyjne, przetwarzające tylko energię kinetyczną wody i reakcyjne, które poza energią kinetyczną przetwarzają także energię ciśnienia. Wybór odpowiedniej turbiny zależy od wysokości spadu i ilości wody, którą dysponuje dana elektrownia. Turbiny akcyjne są zazwyczaj stosowane w elektrowniach o wysokim spadzie, przykładem może być używana w rzadko występujących w Polsce elektrowniach o najwyższym spadzie turbina Peltona. Dla niższych spadów odpowiedniejsze są turbiny reakcyjne, na przykład najpopularniejsza i najstarsza turbina Francisa, która znajduje zastosowanie w elektrowniach o średnio wysokim spadzie (od kilkunastu do kilkuset metrów) czy wyposażona w ruchome łopatki turbina Kaplana, używana przy spadach niskich (do kilkunastu metrów).

3. Generator

Generator przetwarza energię mechaniczną wody w energię elektryczną.

Turbina wodna zamienia energię kinetyczną na mechaniczną, zaś połączony z turbiną generator z energii mechanicznej generuje energię elektryczną. Praca generatora (prądnicy) opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej - przez poruszający się w obrębie pola elektromagnetycznego przewodnik elektryczny zaczyna przepływać prąd. Tak jest też w generatorze, w którego ruchomej części zwanej wirnikiem znajdują się przewody elektryczne, obracające się na wytwarzającej silne pole elektromagnetyczne żelaznej ramie. Wirnik jest wprawiany w ruch przy pomocy turbiny, poruszającej się z kolei dzięki energii kinetycznej spadającej wody.

4. Transformator

Transformator reguluje napięcie prądu tak, aby było odpowiednie dla sieci energetycznej.

Elektryczność nie trafia do domów i zakładów pracy bezpośrednio z miejsca produkcji, prąd ma bowiem niekiedy zbyt niskie napięcie, by można go było efektywnie przesyłać na dalekie dystanse. Podczas transmisji część energii elektrycznej przekształca się w ciepło i jest tym samym tracona, straty są zaś tym większe, im większy jest ładunek elektryczny prądu. By zminimalizować straty energii, elektryczność kieruje się najpierw do stacji transformatorów, które odpowiednio zwiększają jej napięcie. Ponieważ moc jest wynikiem pomnożenia napięcia przez ładunek elektryczny, a straty energii związane są właśnie z ładunkiem, opłaca się transmitować prąd o niższym ładunku i o wyższym napięciu. Taki prąd nie nadaje się jednak do użytku i dlatego nim zostanie rozdystrybuowany, jego napięcie musi zostać odpowiednio obniżone w stacjach przekaźnikowych.

Elektrownie wodne pompowe (elektrownie szczytowo-pompowe).

W elektrowni szczytowo-pompowej zamienia się energię elektryczną na energię potencjalną grawitacji poprzez wpompowanie wody ze zbiornika dolnego do górnego w okresie nadwyżki produkcji nad zapotrzebowaniem na energię elektryczną (np. w nocy), a następnie, w godzinach szczytu, następuje odwrócenie procesu. Stosowane do tego celu zespoły złożone z turbin i sprzęgniętych z nimi prądnic są zwane turbogeneratorami odwracalnymi. Prądnice pracujące w przeciwnym kierunku jako silniki napędzają sprzężone z nimi turbiny służące jako pompy do podnoszenia wody na wyższy poziom. Gdy woda jest uwalniana i napędza turbiny, prądnice wytwarzają energię elektryczną.
Typowa instalacja do pompowania akumulacyjnego składa się z dwu zbiorników o jednakowych (w przybliżeniu) pojemnościach, znajdujących się na różnych poziomach, przy czym różnica poziomów powinna być jak największa. Elektrownię buduje się pod ziemią (jeśli warunki geologiczne na to pozwalają) lub przy dolnym zbiorniku.

Elektrownia taka wbrew nazwie nie produkuje sumarycznie prądu, co więcej, sporo (prawie 30%) energii elektrycznej jest w tym procesie tracone. Jest ona za to bardzo skutecznym akumulatorem o ogromnej pojemności.

Wpływ na Środowisko

Do lat 80. ubiegłego wieku panował powszechny pogląd, że elektrownie wodne są źródłem "czystszej" energii, to znaczy, że są najmniej szkodliwe dla środowiska naturalnego. Podczas wytwarzania energii przez elektrownię wodną do atmosfery nie dostają się żadne zanieczyszczenia, a poziom emitowanego hałasu (ze względu na małą prędkość obrotową turbin) jest niski.

Jednak budowa elektrowni znacząco zmienia ekosystem i krajobraz otoczenia. Aby uzyskać wysoki poziom wody, często trzeba zalać ogromne obszary dolin rzek. Wiąże się to z przesiedleniem ludzi mieszkających dotychczas w tym miejscu oraz prawdopodobną zagładę żyjących zwierząt i roślin. Powstały w miejsce szybkiej, wartkiej rzeki zbiornik zawiera wodę stojącą, co sprawia, że rozwijają się tam zupełnie inne organizmy niż przed powstaniem zapory. Jednocześnie duży zbiornik charakteryzuje się znacznie większym parowaniem i zmienia wilgotność powietrza na stosunkowo dużym obszarze. Wartka dotychczas rzeka po wyjściu z zapory zwykle płynie już bardzo wolno. Zmniejsza się napowietrzanie wody, brak okresowych powodzi prowadzi do zamulenia dna.

Koszty

Odnawialne źródła energii (OZE) przyczyniają się do wzrostu bezpieczeństwa energetycznego kraju. Państwa wykorzystujące własne zasoby hydroenergetyczne nie są zależne od zagranicznych dostaw energii.

Elektrownie wodne są inwestycjami o długim okresie zwrotu nakładów, do nawet 30 lat. To trzykrotnie dłuższy okres niż w przypadku elektrowni wiatrowej o mocy do 1 MW (8-10 lat). Przewaga elektrowni wodnych nad wiatrowymi polega na tym, iż dwukrotnie większy jest średni czas wykorzystania ich mocy zainstalowanej. Dla elektrowni wodnych wynosi on 4000 godzin, dla wiatrowych 2200 godzin.

9

---