2011-04-17

1

Energetyka rozproszona i
odnawialne źródła energii
- energia wody

dr inż. Szczepan Moskwa

Energia wody

• Powstanie tej energii związane jest z cyklem

krążenia wody w przyrodzie. Cykl ten powtarza się i

polega kolejno na: opadzie wody, jej spływie oraz

odparowaniu. Dzięki temu zasoby wody ciągle się

odnawiają.

• Potencjał hydroenergetyczny świata szacuje się na

ok. 2,857 TW. Z tego potencjału wykorzystuje się i

przetwarza na energię elektryczną jedynie 0,152

TW, co stanowi zaledwie 5,5%.

Energia wody

• Światowy, technicznie dostępny na świecie

potencjał energii wodnej, pozostający do

wykorzystania, wynosi 14,37 tys. TWh/rok, co jest

równoważne 100% światowego zapotrzebowania na

energię elektryczną

[„The World Hydropower Atlas 2000” by

„International Journal of Hydropower and Dams”]

• Ekonomicznie opłacalny potencjał szacowany jest

na ok. 8080 TWh/rok, zaś wykorzystywany w 1999

r. wyniósł 2650 TWh/rok, zaspokajając ok. 18,5%

światowego zapotrzebowania na elektryczność.

Energia wody - zalety

• Czyste odnawialne źródło energii
• Sztuczne zbiorniki zmniejszają ryzyko powodzi
• Małe problemy przy ich utrzymaniu i eksploatacji
• Nie wymagają licznego personelu i mogą być

sterowane zdalnie

• Rozproszenie w terenie skraca odległość przesyłu

energii i zmniejsza związane z tym koszty

• Wysokie dotacje i korzystne warunki kredytowania

budowy MEW

Energia wody - wady

• Zmiany klimatyczne
• Wysoki koszt budowy zapory
• Zależność od opadów deszczu
• Niestabilność dostaw prądu do sieci, związana z

wahaniami przepływów w rzece

• Konieczność zalania dużych obszarów i

przesiedlenia ludzi

• Powstanie długiej cofki (przeciętnie kilkaset

metrów) powyżej progu

• Naruszenie równowagi biologicznej rzeki i zubożenie

ekosystemu wodnego

• Uniemożliwienie migracji ryb (przy braku

przepławki) lub drastyczne utrudnienie ich migracji

(przy istniejącej przepławce)

Zasoby wodno-energetyczne i ich

wykorzystanie na kontynentach świata

Kontynent

Liczba
krajów

Całkowity

potencjał

energetyczny

(GW·h/rok)

Wykorzystany

potencjał

energetyczny

Niewykorzystany

potencjał energetyczny

Całkowita moc

zainstalowana

czynnych

elektrowni

wodnych (MW)

(GW·h/rok)

%

(GW·h/rok)

%

Afryka

44

1 000 000

(11,2%)

68 000

6,8

932 000

93,2

20 736

Ameryka
Południowa

12

2 300 000

(25,8%)

437 000

19,0

1 863 000

81,0

97 053

Ameryka
Północna
i Środkowa

16

1 100 000

(12,4%)

667 700

60,7

432 300

39,3

153 187

Australia i
Oceania

6

105 000

(1,2%)

41 600

39,6

63 400

60,4

12 705

Azja (łącznie
z Rosją
i Turcją)

39

3 600 000

(40,4%)

705 600

19,6

2 894 400

80,4

191 593

Europa (bez
Rosji
i Turcji)

38

800 000

(9,0%)

518 400

64,8

281 600

35,2

158 189

Świat

8 905 000

(100%)

2 438 300

27,4

6 466 700

72,6

633 463

2011-04-17

2

Zasoby energii wodnej

w niektórych państwach

Państwo

Energia zasobów wodnych

[GWh/rok]

USA

491000

Norwegia

110000

Szwecja

80000

Francja

60000

Włochy

56000

Austria

40000

Szwajcaria

30000

Niemcy

25000

Polska

12000

Finlandia

10000

Anglia

3000

Bułgaria

6000

Możliwości wykorzystania zasobów

wodnych rzek polskich

Zasoby wodnoenergetyczne rzek

Dorzecze
Wisły

Dorzecze
Odry

Rzeki
Przymorza

Ogółem
w kraju

Moc do zainstalowania [MW]

3004

743

77

3824

Energia średnia roczna do
wyprodukowania [GWh/rok]

9676

2184

220

12080

Czas wykorzystania mocy
zainstalowanej [h/rok]

3220

2940

2860

3160

Stopień wykorzystania teoretycznych
zasobów energii [%]

56

42

43

51

Udział w możliwej produkcji energii [%]

80

18

2

100

Potencjał

teoretyczny

i techniczny

większych

rzek polskich

Lp.

Kraj

Udział elektrowni

wodnych

w produkcji energii

elektrycznej

Stopień

wykorzystania

zasobów

wodnych %

Udział produkcji energii

elektrycznej MEW do

produkcji elektrowni

wodnych %

1.

Austria

70,0

72

9,3

2.

Czechy,

Słowacja

5,7

bd.

12,6

3.

Francja

20,0

100

9,2

4.

Japonia

12,0

90

23,4

5.

Niemcy

4,0

80

7,3

6.

Norwegia

98,0

84

7.

Polska

2,7

12

0,7

8.

Szwajcaria

61,0

90

9.

Szwecja

40,0

65

10.

U.S.A.

9,5

49

4,8

Udział elektrowni wodnych w pokrywaniu

zapotrzebowania na energię elektryczną

Energia mechaniczna wody

Energia

wody

Oceanów i

mórz

Pływów

Fal

Prądów

Rzek

Przepływów

Różnic

poziomów

Energetyka wodna - podział

MEW

Kryterium mocy

Mikro-energetyka

< 50kW

Makro-energetyka

< 100kW

Mała energetyka

< 5MW

Kryterium spadku

Nisko-spadowe

2÷20m

Pływające po rzece

Średnio-spadowe

20÷150m

Derywacyjne

Wysoko-spadowe

> 150m

2011-04-17

3

Rozwiązania hydrotechniczne MEW

• Elektrownie przyjazowe
• Elektrownie przyzaporowe
• Elektrownie z derywacją

– Kanałową
– Rurociągową
– Mieszaną

Elektrownia przyjazowa

1.

Śluza

2.

Jaz

3.

Elektrownia

Elektrownia przyzaporowa

– zapora betonowa

a)

Układ klasyczny

b)

Układ z elektrownią

w sekcji zapory

1.

Zbiornik

2.

Ujęcie wody

3.

Elektrownia

4.

Rurociąg

5.

Przelew

6.

Zapora

Elektrownia przyzaporowa

- zapora ziemna

a) Układ z doprowadzeniem

rurociągiem

ciśnieniowym

b) Układ z doprowadzeniem

wody sztolnią obiegową

1. Zbiornik
2. Ujęcie wody
3. Elektrownia
4. Rurociągi ciśnieniowe
5. Przelew powierzchniowy
6. Sztolnia ciśnieniowa
7. Zapora ziemna

Elektrownia wodna

z derywacją kanałową

1.

Wlot do kanału

2.

Jaz piętrzący

3.

Kraty rzadkie

4.

Kanał płuczący

5.

Zasuwa na wlocie do kanału

6.

Upust płuczący

7.

Kanał derywacyjny

8.

Budynek elektrowni

9.

Kraty gęste

10. Zasuwy na wolcie do turbin
11. Zasuwa na upuście ulgi
12. Kanały odpływowe
13. Wlot kanału do rzeki
v

t

, v

0

– prędkości w kanale dopływowym i odpływowym

H – spad statyczny
∆h – straty hydrauliczne w kanale

Elektrownia wodna

z derywacją mieszaną

1.

Kanał doprowadzający

2.

Ujęcie wody

3.

Rurociąg

4.

Elektrownia

5.

Kanał odpływowy

2011-04-17

4

MEW – zasada działania

g = 9,81 [m/s

2

] - przyspieszenie ziemskie



-

gęstość wody [kg/m-

3

]

Q

t

-

natężenie przepływu wody w turbinie ("przełyk turbiny") [m

3

/s]

H

t

-

różnica poziomów wody (spad użyteczny) [m]

t

t

h

H

Q

g

P











Moc hydrauliczna turbiny wodnej

Moc generatora

3

10

81

,

9





















G

t

t

t

G

t

h

G

H

Q

P

P











t

-

sprawność turbiny



G

-

sprawność generatora

Moc elektryczna oddawana

Tr

G

e

P

P













)

1

(



-

współczynnik poboru mocy potrzeb własnych elektrowni



Tr

-

sprawność transformatora

Wartości praktyczne:



t

= 0,88



0,93



G

= 0,95



0,98



Tr

= 0,97



0.995



= 0,003



0,01

Klasyfikacja turbin wodnych

• Rodzaj turbiny:

– akcyjna,
– reakcyjna.

• Typ turbiny:

– Kaplana,
– Francisa,
– Peltona,
– Deriaza,
– Banki-Michella.

• System turbin:

– w komorze

otwartej,

– w spirali,
– rurowa,
– lewarowa,
– z napływem

kielichowym,

– Bliźniacza.

Rodzaje turbin



Akcyjne (natryskowe) - wykorzystują energie

kinetyczną wody. Wolnoobrotowe (kilkadziesiąt

obrotów / minutę), do wysokich spadów

użytecznych H

t

(kilkaset i więcej m), wyróżnik

szybkobieżności n

s

= 10



30



Reakcyjne (naporowe) - wykorzystują energie

potencjalną wody, doprowadzonej do turbiny pod

ciśnieniem większym od atmosferycznego.

Szybkoobrotowe (kilkaset obrotów / minutę), do

małych spadów użytecznych (do kilkadziesiąt m),

wyróżnik szybkobieżności n

s

= 500



1000

Kształty wirników turbin wodnych

różnych systemów

a, b)turbiny Peltona
c, d, e)turbiny Francisa
f, g) turbiny Kaplana

2011-04-17

5

Turbina akcyjna (Peltona)

1 -

łopatki wirnika, 2 - rurociąg zakończony dyszą

Turbina ta jest turbiną akcyjną. Stosowane są one na
największe spady (do 2000 m). Powstała
w 1880 roku. Wirnik tej turbiny składa się z czarek,
które rozmieszczone są promieniście. Na czarki te
skierowany jest strumień wody z jednej lub kilku dysz.
Turbiny Peltona

pracują zarazem w układzie pionowym,

jak i poziomym.

Dwudyszowa turbina Peltona

1.Wirnik, 2.Obudowa wirnika, 3.Zbieracz wody, 4.Iglica,
5.Dysza, 6.Odchylacz strumienia, 7.Rurociąg zasilający

1 -

łopatki kierownicze,

2 -

łopatki wirnika,

3 -

rura ssąca,

4 - spirala

Turbina reakcyjna (Francisa)

Turbina Francisa

— turbina wodna opracowana przez

Jamesa Francisa. W turbinie Francisa woda ze
zbiornika górnego wpływa całym obwodem na łopatki
kierownicze i wówczas przyspiesza,
a następnie zasila wirnik roboczy. Po przepłynięciu
kanałami między łopatkami w kształcie dysz woda
z dużą prędkością opuszcza wirnik i wchodzi do rury
ssawnej. Temu procesowi towarzyszy reakcja
hydrodynamiczna, która wprowadza wirnik
w ruch w kierunku przeciwnym do wylotu wody.

Turbina reakcyjna (Kaplana)

1 -

łopatki kierownicze,

2 -

łopatki wirnika przestawialne

Turbina Kaplana powstała w 1921 roku. Należy ona do turbin reakcyjnych. Łopatki znajdujące się w
tej turbinie, w wirniku i

kierownicy mają regulowany kąt ustawienia. Turbiny te są stosowane na

niskie spady. Główne różnice w budowie turbiny Francisa i Kaplana możemy dostrzec w budowie
wirnika, który to w turbinie Kaplana posiada nastawiane łopatki obracające się wokół czopów
łopatek w łożyskach wbudowanych w piastę wirnika.

Turbina ta została stworzona w 1903
roku. Zbudowana jest z
cylindrycznego wirnika i pobocznicy.
Pobocznicę tworzy palisada łopatek.
Woda jest kierowana przez
regulowaną i ruchomą kierownicę
i wpływa na łopatki na całej
szerokości wirnika. Turbina ta jest
trwała i nie wymaga dużych
nakładów.

Turbina Banki - Michella

Turbiny Deriaza

stosuje się na spady od 13

do około 300 m. Przy spadach powyżej 36 m
stosowanie turbin Deriaza jest bardziej
korzystne niż stosowania turbin Kaplana ze
względów ekonomicznych. Ze względu na
dobre rezultaty osiągane w pracach
pompowych turbiny te są stosowane
w siłowniach wodnych pompowych. Wirnik
turbiny Deriaza

wyposażony jest łopatki

obracane dookoła zamocowanych w piaście
czopów, których osie ustawione są ukośnie do
osi wirnika.

Turbina Deriaza

2011-04-17

6

Podział elektrowni wodnych pod

względem rodzaju pracy

1.

Podstawowe, pracują w sposób ciągły

2.

Podszczytowe, pracują poniżej szczytu obciążenia przy
przebiegu dobowym. Przerwy w okresie dolin

obciążenia

3.

Szczytowe, pracują w szczytach obciążenia

4. Szczytowo-pompowe

Wymagania dot. obsługi

• Wszystkie osoby obsługujące elektrownie wodne (w tym

właściciele i zarządcy) muszą posiadać kwalifikacje

potwierdzone odpowiednim świadectwem:

E I – uprawnienia do eksploatacji wszystkich urządzeń, szaf,

połączeń związanych z wytwarzaniem, przepływem lub

pomiarem energii elektrycznej

E II – uprawnienia do eksploatacji oraz obsługi urządzeń

energetycznych tj. turbiny wodne, wiatrowe lub parowe

D I – uprawnienia dozoru upoważniające do wydawania

poleceń dla osób z uprawnieniami E I

D II – uprawnienia dozoru upoważniające do wydawania

poleceń dla osób z uprawnieniami E II

MEW – proces realizacji

• Po zapoznaniu się z tematem MEW można przystąpić do

próby realizacji przedsięwzięcia. W pierwszej fazie

uzyskania zezwolenia na inwestycję przeprowadza się

ocenę oddziaływania na środowisko. Uzyskanie

dokumentu jest bardzo ważnym elementem całej

inwestycji warunkującym ubieganie się o dalsze,

niezbędne pozwolenia prawno – administracyjne.

• Pozwolenie wodnoprawne jest kolejną decyzją

administracyjną, niezbędną do budowy MEW. Wydawane

jest ono wówczas, gdy mamy do czynienia ze

szczególnym korzystaniem z wód i z wykonaniem

urządzeń wodnych mogącymi mieć wpływ na stan wód.

• Warunkiem niezbędnym do rozpoczęcia robót

budowlanych jest uzyskanie ostatecznego zezwolenia na

inwestycję, a więc prawomocnej decyzji o udzieleniu

pozwolenia na budowę.

MEW – proces realizacji

• Po wszystkich pozwoleniach następuje czas na

przyłączenie nowego obiektu do sieci energetycznej.

Wiąże się to z poniesieniem znaczących wydatków

ekonomicznych.

• Ważnym czynnikiem przy realizacji budowy MEW jest

Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997r. : „Obowiązkiem

uzyskania koncesji na wytworzenie energii

elektrycznej objęte zostały wszystkie elektrownie

wodne.

Elektrownia Wodna Olcza zlokalizowana jest w Zakopanem na potoku

Olczyskim. Budowę elektrowni rozpoczęli w 1944 r. Niemcy. Ukończona

została po wojnie. W 1945 r. uruchomiona została pierwsza turbina,

druga rozpoczęła pracę w 1950 r. Olcza jest elektrownią przepływową.

Została zaprojektowana i wybudowana w sposób bardzo solidny i

przemyślany. Budynek elektrowni, na osiedlu Mrowce w Zakopanem,

znajduje się ok. 1,5 km poniżej ujęcia wody. W górnej części woda

doprowadzana jest otwartym kanałem derywacyjnym, w dolnej

podziemnym rurociągiem. Między innymi taki układ urządzeń

hydrotechnicznych zapewnia stały dopływ wody do elektrowni i umożliw

ia jej optymalną pracę.

Bez wymiany podstawowych urządzeń elektrownia Olcza pracowała

ponad 60 lat. Stan maszyn i urządzeń nie pozwalał na ich dalszą

bezpieczną eksploatację.

MEW Olcza - Hut

MEW – Olcza – Hut

Parametry elektrowni:

Moc

osiągalna - 0,32 MW

Ilość hydrogeneratorów - 2 (po 0,16 MW)

Przepływ przez turbiny - 0,86 m

3

/sek

Spad - 40 m

Średnia roczna produkcja energii:

800 tys. KWh

Ostatnia modernizacja:

Hz nr 1 - 2007 r.

Hz nr 2 - 2007 r.

2011-04-17

7

MEW – Olcza – Hut

Mała Elektrownia Wodna (MEW) zlokalizowana jest na potoku Bystry w Zakopanem.
Jest to

przepływowa, bezobsługowa, w pełni zautomatyzowana elektrownia wodna o

mocy znamionowej 0,26 MW.
Elektrownię wzniósł hrabia W. Zamoyski na fundamentach jednego z XIX wiecznych
zakładów papierniczych, usytuowanych poniżej drogi na Kalatówki. Rurociąg zasilający,

kanał odpływowy i budynek elektrowni nie wyróżniały się spośród otoczenia, stanowiąc
jakby

integralną część krajobrazu Tatrzańskiego Parku Narodowego. W maszynowni

zainstalowano dwie turbiny Francisa, z 1915 i 1930 roku, widoczne na

zdjęciu po lewej

stronie. W roku 2003

rozpoczęto gruntowną modernizację Elektrowni Kuźnice. ZRE

Gdańsk był generalnym wykonawcą rewitalizacji wyposażenia elektromechanicznego.
Przebudowane

zostały: końcowy odcinek rurociągu zasilającego i część obiektu elektro

wni. Zastosowano nowatorskie

rozwiązania, m.in. w technologii wytwarzania wirników

turbin Francisa za

pomocą obrabiarek sterowanych numerycznie.

MEW Kuźnice

MEW

Kuźnice

MEW

Kuźnice przed modernizacją

MEW

Kuźnice po modernizacji.

Ostatnia modernizacja:
Hz nr 1 - 2003 r.
Hz nr 2 - 2004 r.

Parametry elektrowni:
Moc

osiągalna - 0,26 MW

Ilość hydrogeneratorów - 2 (po 0,13 MW)
Przepływ przez turbiny - 0,86 m3/sek
Spad - 40 m
Średnia roczna produkcja energii: 650 tys. KWh

Źródła finansowania
Modernizację małej elektrowni wodnej
sfinansowano ze środków własnych
Zakładu Energetycznego Kraków S.A.
(od 2004 roku ENION S.A

. Zakład

Energetyczny Kraków).

.

Potok Bystry w Zakopanem

MEW Kuźnice

Zastosowano dwie turbiny wodne typu Kaplana
z wałem w osi pionowej, średnica wirnika 1550
mm, średni przepływ wody 7,6 m³/s, wirnik
obraca się w kierunku przeciwnym do kierunku
obrotu wskazówek zegara.
Mała elektrownia wodna posiada następujące
parametry:
-

spad przy średniej wodzie - 2,80 m

- moc maksymalna - N = 340 kV
-

średnia produkcja roczna - P = 1310000 kWh.

Energia wyprodukowana w MEW wyprowadzona
jest z generatorów poprzez rozdzielnię n/n
i transformator na szyny rozdzielni 15 kV i dalej
linią kablową do odłącznika granicznego na sieci
Energetyki.

Generator asynchroniczny 160 kW

MEW Waksmund

Inwestycja zlokalizowana jest w Gminie
Nowy Targ, w bezpośrednim sąsiedztwie
zbiornika Czorsztyńskiego, w miejscowości
Waksmund, liczącym 2375 mieszkańców.
Próg piętrzący umieszczono w odległości 25
m poniżej mostu. Jest to rejon o wybitnych
walorach turystyczno-krajoznawczych.
Celem podjęcia budowy MEW było:
-

piętrzenie przez okres całego roku wody na

progu do rzędnej NNP = 571,50 m n.p.m.
przy pomocy 2

– przęsłowego jazu

z zamknięciami ruchomymi.
-

wykorzystanie spiętrzonej wody do

produkcji energii elektrycznej w elektrowni
wodnej o przełyku Q = 16 m³/s, na
normalnym spadzie geometrycznym 2,8
metra. Woda użyta do produkcji energii
elektrycznej odprowadzana jest do rzeki
Dunajec w pierwotnym stanie czystości.

MEW Waksmund

2011-04-17

8

W 1955 roku w Dolinie Chochołowskiej wybudowano pierwszą w Tatrach
elektrownię wodną.
Rozwiązania techniczne.
Projekt elektrowni oraz urządzenia stanowiące jej wyposażenie wykonano
w Austrii.
W latach 1996 -

1997 obiekt przeszedł modernizację, w toku której

wymieniony został wirnik. Ujęcie wody znajduje się na wysokości ok. 100
m nad miejscem połączenia potoku Jarzębczego z wodami z Wyżniego
Chochołowskiego Potoku, w odległości 1,5 km od budynku małej
elektrowni wodnej. Jest to betonowo-

kamienna zapora o wysokości ok. 5

m, z

przelewem górnym oraz spustem dolnym. Obiekt wyposażony jest w

turbinę Peltona stosowaną w elektrowniach wodnych o dużym spadzie.
Moc uzyskiwana z tego urządzenia wynosi 50 kW przy spadzie 70 m.
Otrzymana energia wykorzystywana jest do ogrzewania wody użytkowej
w schronisku oraz do jego oświetlenia. W okresach małego natężenia
ruchu turystycznego sprzedawana jest do sieci energetycznej.

MEW Dolina Chochołowska

MEW – Dolina Chochołowska

Podstawowe dane techniczne

turbiny:

Typ turbiny - turbina Peltona

produkcji niemieckiej o poziomym

układzie osi

Moc turbiny - 50 kW

Prędkość obrotowa - 500 obr/min

Mała elektrownia wodna Zakopane – Olcza im. św. Judy Tadeusza. Wybudowana została na
potrzeby społeczności olczańskiej przez Zgromadzenie Księży Misjonarzy św. Wincentego
a Paulo

. Inwestycja został sfinansowana przy współudziale środków Narodowego Funduszu

Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w latach 1992/93. Elektrownia Olcza
umiejscowiona jest na potoku Olczyskim

(podobnie jak MEW Jaszczurówka oraz MEW

Ustup), jej moc to 120 kW

. Pozyskana energia nie jest używana do celów własnych, całość

sprzedawana jest do sieci (do Zakładu Energetycznego).
W elektrowni zainstalowane są dwie turbiny typu Francisa. Największy przepływ wody to 160
metrów sześciennych na sekundę, najmniejszy zaś to 70.

Wybudowana w 1992 roku.

Rurociąg o długości 980 metrów. Spad

22 metry. Posiada dwie turbiny Francisa

o poziomym wale,

średniobieżne .

MEW Olcza – Zgromadzenia Ksieży

Misionarzy

MEW Olcza Zgromadzenia Ksie

ży Misionarzy