Pobieranie tej energii jest bardzo korzystne zarówno ze względu na ekologiczny, jak i ekonomiczny charakter, bowiem dostarcza ona ekologicznie czystej energii i reguluje stosunki wodne zwiększając retencję wód powierzchniowych, co polepsza warunki uprawy roślin oraz warunki zaopatrzenia ludności i przemysłu w wodę.
Działanie elektrowni wodnych jest dość proste. Woda z rzek spływa z wyżej położonych terenów takich jak np. góry, czy wyżyny do zbiorników wodnych (mórz lub jezior) położonych np. na nizinach. Przepływ wody w rzece spowodowany jest różnicą energii potencjalnej wód rzeki w górnym i dolnym biegu. Energia potencjalna zamienia się w energię kinetyczną płynącej wody. Fakt ten wykorzystuje się właśnie w elektrowni wodnej przepuszczając przez turbiny wodne płynącą rzeką wodę.
Energia elektryczna produkowana w elektrowniach wodnych zazwyczaj wprowadzana jest do krajowego systemu przesyłu energii.
Elektrownie wodne można podzielić na:
elektrownie z naturalnym dopływem wody;
o elektrownie regulacyjne - inaczej zbiornikowe, tzn. , że przed elektrownią znajduje się zbiornik wodny, który wyrównuje sezonowe różnice w ilości płynącej wody;
o elektrownie przepływowe, które nie posiadają zbiornika, więc ilość wyprodukowanej energii zależy od ilości wody płynącej w rzece w danym momencie;
elektrownie szczytowo - pompowe: 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 spuszczanie 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
mikroelektrownie wodne poniżej 200 kW mocy
Energia wodna
Obecnie energetyka wodna w świecie stanowi około 30 % potencjału wytworzenia energii elektrycznej. Rozwój siłowni wodnych nastąpił w drugiej połowie XX wieku, a pierwsze elektrownie powstawały już w końcu XIX wieku. Z ogółu zasobów energii wodnej występującej na świecie wykorzystuje się około 26 %. W Polsce jest to około 30 %. Hydroelektrownie mają cenne zalety, ale również stwarzają pewne problemy, które należy uwzględnić na już na etapie projektowania.
Zalety hydroelektrowni:
- pozyskiwanie energii elektrycznej bez emisji szkodliwych gazów i pyłów,
- uzyskiwanie relatywnie tańszej energii,
- możliwość lokalizacji małych (lokalnych) elektrowni wodnych,
- właściwa lokalizacja zbiorników retencyjnych działa przeciwpowodziowo i jednocześnie może być źródłem zaopatrzenia miast w wodę,
- uatrakcyjnienie krajobrazu,
- rozwój kompleksów rekreacyjnych i sportów wodnych.
Problemy wynikające z budowy hydroelektrowni:
- trwałe zajęcie obszarów, przeważnie o charakterze rolniczym lub leśnym,
- konieczność przemieszczenia ludności wraz z zabudową,
- degradacja zabytków,
- konieczność stworzenia nowych połączeń drogowych i kolejowych,
- zmiany klimatyczne (widoczne dopiero po kilkunastu latach),
- degradacja roślin chronionych.
Typową hydroelektrownia jest elektrownia przepływowa (rys.1). Woda do turbin wodnych doprowadzana jest rurami ze zbiornika wodnego. Zbiornik wodny tworzy się przez wybudowanie odpowiednio wysokiej i długiej zapory betonowej prostopadle do nurtu rzeki. Na rzekach spławnych do przepuszczania statków buduje się specjalne śluzy umożliwiające przepływ jednostek pływających pomimo różnicy poziomów wody przed i za zaporą. Budowa elektrowni wodnej jest znacznie droższa niż węglowej, ale za to koszty uzyskania energii są niższe. Wynika to z tego, że budowa zbiornika wodnego wymaga dużych nakładów finansowych, wodoszczelnego dna, wykonania kilometrowych obrzeży i odpowiednio wytrzymałej tamy.
Hydroelektrownie dzieli się na:
- małe elektrownie wodne o mocy poniżej 2 MW
- elektrownie systemowe o mocy powyżej 2 MW.
Moc cieku wody (1):
P=g*Q*H (1)
Gdzie:
g - ciężar objętościowy wody [kg/m3],
Q - przepływ wody [m3/s],
H - różnica poziomów wody [m]
P - moc [kW].
Energia cieku [kWh] (2):
E=P*3600*T (2)
Gdzie:
T - czas [h].
Ocena energii potencjalnej zasobów wodnych (3):
E=g*V*H (3)
Gdzie:
V - objętość wody [m3].
Moc elektrowni rzadko przekracza 1000 MW, przeważnie jest na poziomie od 100 do 400 MW. Często elektrownie zaporowe buduje się w kaskadach np.: Czorsztyn - Niedzica (92 i 2 MW). Mniejsza elektrownia pełni role elektrowni szczytowej. Ponadto takie rozwiązanie jest bardziej opłacalne z punktu ekonomicznego. Aby nie zakłócić życia biologicznego rzeki, ogranicza się ilość pobieranego strumienia wody do ok. 30 % całkowitego przepływu, buduje się przepławki dla ryb oraz odpowiednie filtry uniemożliwiające przedostanie się ryb, roślinności i większych zanieczyszczeń w okolice wirnika turbiny.
Wodna elektrownia pompowa.
Elektrownia pompowa jest interesującą odmianą elektrowni wodnej. Może ona w razie potrzeby dostarczać do sieci energię jak również stać się jej odbiornikiem.
Podstawą elektrowni pompowej jest turbogenerator wodny. Wodę doprowadza się do turbiny i po jej wykorzystaniu odprowadza do naturalnego zbiornika wodnego np. rzeki. Do jej budowy wymagane są dwa zbiorniki usytuowane na różnych poziomach, tak aby jeden był wyżej od drugiego. Różnica ta powinna wynosić przynajmniej kilkadziesiąt do ponad stu metrów. Z tego względu elektrownie pompowe usytuowane są na terenach o dużych wzniesieniach. Do górnego zbiornika woda jest pompowana rurami (rys. 2).
Elektrownia może być również umieszczona w wnętrzu wzgórza na którym znajduje się zbiornik wodny. Rury prowadzone są wówczas pionowo w wywierconym do tego celu szybie.
Elektrownia pompowa daje energię elektryczną do sieci gdy turbiny są zasilane wodą z górnego zbiornika. Natomiast gdy elektrownia pobiera energię z sieci, wówczas turbogeneratory pełnią role silników elektrycznych napędzających turbiny, które pompują wodą do górnego zbiornika. Jest to możliwe dzięki specjalnej konstrukcji maszyn, które mogą wytwarzać napięcie, a po przyłączeniu do nich napięcia zachowują się jak silniki.
Elektrownie pompowe są połączone wraz z innymi elektrowniami tworząc system elektroenergetyczny. Sumaryczna wartość obciążenia całego systemu zmienia się w każdej minucie i jest zależna od pory dnia i roku. W ciągu doby szczyt obciążenia występuje od godziny 15.30 do 16.00, a najwyższa jego wartość przypada na okres zimowy. Elektrownie pompowe są włączane właśnie w tych okresach maksymalnego zapotrzebowania na energię elektryczną, stąd nazywane są elektrowniami szczytowymi. W okresie obniżonego zapotrzebowania na energię np. w nocy, elektrownie pompowe pobierają energię w celu zmagazynowania potencjalnej energii wody. Ekonomika takiej elektrowni jest uzasadniona gdyż oddaje ona energię w okresie maksymalnego zapotrzebowania gdy cena za kWh jest największa, a pobiera energię z sieci po cenie minimalnej w okresie gdy sieć dysponuje nadwyżką energii.
W Polsce udział energetyki wodnej przepływowej w krajowej produkcji energii elektrycznej jest na poziomie 1,1 %. Wielkość zasobów użytkowych szacuje się na poziomie 13,7 TWh/rok (wykorzystuje się 15 %) z czego większość przypada na rzekę Wisłę i Odrę oraz ich dorzecza. Łączna moc elektrowni wodnych w Polsce wynosi około 2100 MW, a samych tylko elektrowni szczytowo-pompowych 1330 MW. Oddają one do sieci rocznie 3500 GWh energii elektrycznej. Istnieje około 300 małych elektrowni wodnych o łącznej mocy 250 MW. Są to siłownie o mocach do 200 kW. Przewiduje się rozwój małej energetyki wodnej ze względu na jej istotne zalety w porównaniu z dużymi elektrowniami systemowymi. Duże możliwości rozwoju małych elektrowni istnieją na terenie jezior mazurskich oraz na południu kraju w górach. Obecnie w Polsce nie jest realizowany żaden program rozwoju energetyki wodnej.
Morska elektrownia pływowa
W wyniku działania sił przyciągania Księżyca i siły odśrodkowej, wynikającej z ciągłego obrotu Ziemi, następują ruchy mas wód mórz i oceanów. Wypadkowa tych dwóch sił powoduje w ciągu każdej doby podnoszenie się poziomu mórz do pewnego maksymalnego położenia oraz powolne jego obniżanie się. Zjawiska te nazywane są przypływami i odpływami. Różnica poziomów podczas przypływów i odpływów nie jest wszędzie jednakowa. Są takie obszary gdzie ta różnica wynosi ponad dwadzieścia metrów i jeśli tylko pozwalają na to warunki topograficzne, tereny takie można wykorzystać do budowy morskiej elektrowni pływowej.
Schemat działania takiej elektrowni ilustruje rys. 3. Odpowiedniej wielkości zapora dzieli otwarte morze od sztucznego zbiornika wodnego. Turbogenerator znajduje się w górnej części zapory, a poniżej niego turbina wodna. Podczas przypływu przez kanał K1 doprowadzana jest woda morska na łopatki turbiny i po wprawieniu jej w ruch napełnia sztuczny zbiornik poprzez kanał K5. Pozostałe kanały są zamknięte. W trakcie odpływu poziom morza obniża się doprowadzając w pewnej chwili do wyrównania poziomów po obu stronach zapory. Elektrownia przestaje działać. Dalsze obniżanie się poziomu morza wznawia prace elektrowni. Zamykane są zawory Z1 i Z4, a otwierane Z2 i Z3. Woda ze zbiornika przepływa przez turbinę i wpływa do morza.
Z zasady działania elektrowni wynika, że działa ona okresowo. Czas jej pracy w ciągu doby zależy od różnicy poziomów podczas przypływu i odpływu. Stwarza to konieczność podłączania odbiorników na czas przerwy do elektrowni innego rodzaju, opartych przeważnie na paliwach kopalnianych. W Polsce tego typu elektrownia nie będzie miała nigdy zastosowania ze względu na brak większych przypływów i odpływów.
Morska elektrownia cieplna
Elektrownia taka wykorzystuje różnicę temperatur jaka występuje na powierzchni morza i w jego głębinie. W obszarach równikowych na powierzchni morza temperatura wody może osiągnąć 25 °C, a 5 °C na głębokości 400 m.Rys. 4 przedstawia uproszczony schemat morskiej elektrowni cieplnej. Woda z powierzchni morza jest zasysana i tłoczona do wymiennika ciepła. Tam przekazuje swoje ciepło, po czym jest odprowadzana do morza. Czynnik roboczy znajdujący się w wymienniku charakteryzuje się tak niską temperaturą wrzenia, że woda powierzchniowa zamienia go w parę o odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu (amoniak, freon, propan).
Wytworzona para wprowadza turbogenerator w ruch. Dalej para jest kierowana do kondensatora pary. Skroplony czynnik obiegowy za pomocą wody czerpanej z głębiny jest zawracany do wymiennika. Wytworzona energia elektryczna jest przesyłana na ląd za pomocą kabla. Sprawność takiej instalacji jest dość niska i wynosi około 2,5 %, ale jest to źródło niewyczerpalne, zawsze gotowe do wykorzystania i charakteryzujące się wysoką stabilnością. Pewne problemy stwarza woda morska powodując korozje i silne rdzewienie. Dlatego cała instalacja musi być dobrze zabezpieczona przed korozją, nie tylko elementy bezpośrednio narażone na działanie wody, ale także cała konstrukcja platformy. Rury głębinowe muszą być zabezpieczone przed przemieszczeniem się w wyniku ruchu mas wody.
Energię wodną można otrzymać z kilku źródeł: fal morskich, płynących rzek i ze stojących zbiorników wodnych. Woda pokrywająca większą część Ziemi jest w ciągłym ruchu. Energia uzyskiwana z wody jest energią potencjalną, która dzięki za wszystko turbinom zmienia się w energię kinetyczną a ta za pomocą generatorów w energię elektryczną. Energetyka wodna jest największym aktualnie wykorzystywanym odnawialnym źródłem energii na świecie - to aż 2,2% ogólnego poziomu produkcji energii. W roku 2005 pozyskano 2.836.739 GWh z elektrowni wodnych, czyli aż 2.836.739.000.000 KWh. W Polsce wykorzystanie energii wodnej kształtowało się na poziomie 1.953 GWh, czyli 1.953.000.000 KWh w 2005 roku. Przy potencjale możliwym do wykorzystania za pomocą aktualnych technologii 14.000 GWh na rok.
Energia wodna - wykorzystywana gospodarczo energia mechaniczna płynącej wody. Współcześnie energię wodną zazwyczaj przetwarza się na energię elektryczną(hydroenergetyka, często oparta na spiętrzeniach uzyskanych dzięki zaporom wodnym). Mozna ją także wykorzystywać bezpośrednio do napędu maszyn - istnieje wiele rozwiązań, w których płynąca woda napędza turbinę lub koło wodne.
Przed wynalezieniem maszyn elektrycznych i upowszechnieniem elektroenergetyki energię wodną powszechnie wykorzystywano do napędu młynów, foluszów, kuźni, tartaków i innych zakładów przemysłowych. W latach 30. XIX wieku, w szczytowym okresie rozwoju transportu rzecznego, napęd wodny stosowano przy przemieszczaniu barek po pochylniach pomiędzy odcinkami kanałów na różnych poziomach (pochylnie takie zachowały się do dziś na Kanale Ostródzko-Elbląskim).
Energia wodna może być znacznie tańsza od spalania paliw kopalnych lub energii jądrowej. Obszary bogate w energię wodną przyciągają przemysł niskimi cenami elektryczności. W niektórych krajach o wykorzystaniu energii wodnej zaczynają decydować względy ekologiczne (troska o ochronę środowiska), przeważając nad kalkulacją cen.
Podstawy fizyczne
Źródło energii wodnej ocenia się według dostępnej mocy, to jest energii uzyskiwanej w jednostce czasu. Przy wykorzystaniu wody spadającej z pewnej wysokości dostępna moc wiąże się ze spadkiem hydraulicznym (wysokością, z jakiej spływa woda), przepływem (ilością wody spływającej w jednostce czasu) i zazwyczaj również z prędkością przepływu. W przypadku gdy woda spływa ze zbiornika (jezioro, spiętrzenie), spadkiem hydraulicznym jest różnica poziomów pomiędzy lustrem wody w zbiorniku górnym i wylotem turbiny, ponieważciśnienie hydrostatyczne u podstawy wynika wprost z wysokości słupa wody.
Energia potencjalna E, uwalniana podczas spadku ciała o masie m z wysokości h w polu grawitacyjnym o przyspieszeniu g wynosi
E = mgh.
Elektrownia wodna wykorzystuje energię uwalnianą podczas sterowanego spadku wody z ustalonej wysokości. Energia wyzwolona w ustalonym czasie t wynika więc z ilości spuszczonej w tym czasie wody:
frac{E}{t} = frac{m}{t}gh
Podstawiając symbol mocy P za E/t i wyrażając stosunek m/t przez natężenie przepływu i gęstość wody, dochodzimy to standardowej postaci tego wyrażenia:
P = rho Sgh
gdzie S oznacza natężenie przepływu, liczone jako objętość wody wypuszczanej w jednostce czasu, zaś rho jest gęstością wody.
W układzie jednostek miar SI gęstość rho wyraża się w kg/m^3, przepływ S w m^3/s, przyspieszenie g w m/s^2, wysokość h w metrach, i moc P w watach.
Niektóre urządzenia, np. koło wodne podsiębierne, wykorzystują energię przepływającej wody, nie wymagając do działania dużego spadku wody. W tym przypadku wyzyskuje się energię kinetyczną przepływającej wody. Teoretycznie maksymalna moc takiego źródła wynosi:
P = frac{1}{2}rho S v^2
gdzie v oznacza prędkość wody. Taka wydajność jest w rzeczywistości nieosiągalna, gdyż odzyskanie całej energii kinetycznej wody oznaczałoby jej zatrzymanie. Faktycznie dostępna moc wynika więc ze stopnia spowolnienia wody przez koło (różnicy średniej prędkości v przepływu wody bezpośrednio przed i za kołem).
Koła wodne nasiębierne i śródsiębierne wykorzystują zarówno energię potencjalną i kinetyczną strumienia wody.
Energia kinetyczna prądów morskich. Moc prądów morskich jest oceniana na 7 TW (to prawie dwa razy więcej niż moc możliwa do otrzymania ze spadku wód śródlądowych). Jednak jej wykorzystanie jest bliskie zeru z powodu problemów technicznych i obawy przed zaburzeniem naturalnej równowagi. Wielu badaczy uważa, że prądy morskie mają fundamentalne znaczenie dla klimatu i uszczuplenie ich energii, choćby niewielkie, mogłoby doprowadzić do nieobliczalnych zmian klimatycznych.
Energia pływów. Pływy są źródłem energii o mniejszym potencjale (szacuje się, że możliwe do wykorzystania jest 200 GW) niż prądy morskie, ale za to bezpieczniejszym i lepiej poznanym. Pierwsza wzmianka na temat ich wykorzystania pochodzi z 1086 r. z Dover, gdzie podobno pracował młyn napędzany energią pływów. Pierwszą elektrownią pływową zbudowali w roku 1967 Francuzi w Saint Malo. Elektrownia ta ma moc maksymalną 550 MW i pracuje od 4 do 8 godzin dziennie wytwarzając średnio 600 GWh energii elektrycznej rocznie. Obecnie takie elektrownie są również w Rosji i Wielkiej Brytanii, jednak żadna z nich obecnie (kwiecień 2003 r.) nie pracuje na skalę przemysłową z powodu problemów technicznych oraz niebezpieczeństwa sztormów i huraganów.
Energia falowania. Moc fal ocenia się na 3 TW, jednak wykorzystanie tej energii sprawia pewne trudności pomimo, iż opracowano wiele teoretycznych metod konwersji energii falowania na energię elektryczną. Największym problemem jest zmienność wysokości fal i wytrzymałość elektrowni. Najważniejsze sposoby konwersji energii fal na elektryczną:
elektrownie hydrauliczne - w których przez ścianki nieruchomego zbiornika przelewają się jedynie szczyty fal, a woda wypływająca ze zbiornika napędza turbinę.
Elektrownia wodna to zakład przemysłowy zamieniający energię spadku wody na elektryczną. Elektrownie wodne dzieli się na: "duże" i "małe", przyjmując, że małe elektrownie wodne (określane skrótem MEW) to te o mocy poniżej 5 MW. Podział ten jest dość umowny (w Skandynawii i Szwajcarii granicą są 2 MW, a w USA 15 MW), ale dość ważny, gdyż MEW są zaliczane do niekonwencjonalnych, odnawialnych i ekologicznych źródeł energii, natomiast duże elektrownie wodne są tak na świecie rozpowszechnione (20% światowej produkcji energii elektrycznej), że traktowane są często jako konwencjonalne źródło energii, a duży stopień ingerencji w środowisko naturalne powstrzymuje wielu badaczy od nazywania dużych elektrowni wodnych ekologicznymi.
Zasoby hydroenergetyczne Polski szacuje się na 13,7 TWh rocznie, z czego 45,3% przypada na Wisłę, 43,6% na dorzecza Wisły i Odry, 9,8% na Odrę i 1,8% na rzeki Pomorza, przy czym same elektrownie na rzekach pomorskich zapewniały przed II wojną światową energię elektryczną portowi morskiemu w Gdyni, Kartuzom oraz Gdańskowi i jego okolicom, co daje wyobrażenie jak duży potencjał mają elektrownie wodne. Obecnie Polska wykorzystuje swoje zasoby hydroenergetyczne jedynie w 12%, co stanowi 7,3% mocy zainstalowanej w krajowym systemie energetycznym (dla porównania Norwegowie, rekordziści w tej dziedzinie, uzyskują z energii spadku wody 98% energii elektrycznej).
Elektrownie wodne mozna podzielić umownie na elektrownie przepływowe produkujace energie elektryczna orazelektrownie szczytowo-pompowe które służą tylko magazynowaniu energii elektrycznej wyprodukowanej w inny sposób.
ENERGIA WODNA
Woda, podobnie jak wiele innych substancji, jest nośnikiem dwóch typów energii. Pierwsza z nich to energia kinetyczna występująca podczas ruchu. To właśnie ta energia sprawia, że woda płynie i powstają fale.
Woda jest również nośnikiem energii potencjalnej, która gromadzi się w wodzie, a wykorzystać ją można tylko wtedy, gdy woda zaczyna płynąć. Energia potencjalna przechodzi wówczas w energię kinetyczną, co powoduje ruch wody.
Woda płynąca bądź spadająca generuje energię. Energia wodna wytwarzana jest zazwyczaj w ogromych hydroelektrowniach przy użyciu różnych urządzeń takich jak turbiny i generatory(prądnice). Energia wodna może być wykorzystywana do wytwarzania elektryczności.
Hydroelektrownie dostarczają około 20% elektryczności światowej i 6% całkowitej energii komercyjnej.
Dane szacunkowe dotyczące wykorzystania energii hydroelektrycznej w poszczególnych państwach:
- 99% w Norwegii
- 75% w Nowej Zelandii
- 50% w państwach rozwijających się
- 25% w Chinach
- 13% w USA
Energia hydroelektryczna wytwarzana jest z energii uzyskiwanej z wodospadów (uskoków wodnych) oraz pływów wodnych. Energia ta, nazywana jest również energią odnawialną, co oznacza, że źródło, z którego pochodzi ma zdolność regeneracji. Dzięki temu, w odróżnieniu od źródeł energii nieodnawialnych jak ropa naftowa, nigdy nie zostaniemy całkowicie pozbawieni wody. Zasoby wodne, które zostały wykorzystane do wytworzenia energii, ulegają odnowie.
Korzystanie z energii wodnej ma wiele zalet. Jeśli chodzi o koszty produkcji i utrzymania energia hydroelektyczna jest niezwykle użyteczna, a przy tym ekonomiczna. Elektrownie wodne emitują niewielką ilość dwutlenku węgla, mającego wpływ na globalne ocieplenie, oraz inne zanieszyszczenia wodne uwalniane podczas procesu wytwarzania energii. Żywotność hydroelektrowni jest dziesięciokrotnie dłuższa aniżeli żywotność elektrowni atomowych i elektrociepłowni.
Zapory wodne stosowane w elektrowniach energetycznych zapobiegają zalaniom oraz regulują nawadnianie obszarów znajdujących się poniżej poziomu wody.
Hydroenergetyka
Elektryczność powstaje dzięki poruszaniu przez wodę urządzenia zwanego turbiną, połączonego bezpośrednio z prądnicą. Turbina to wydajniejsza wersja dawnego koła wodnego. Jest ona tak zaprojektowana, aby odbierać poruszającej się wodzie możliwie jak najwięcej energii. Hydroelektrownie buduje się często w terenach górzystych, gdzie występuje dużo opadów. Jezioro lub zbiornik wodny gromadzi wodę wysoko ponad elektrownią. Ilość potencjalnej energii zależy od wysokości spadku wody.
Energia mechaniczna wody dzieli się na:
energię przepływu rzek (energia kinetyczna i potencjalna jest zamieniana w energię elektryczna)
energię mechaniczną oceanów (ruchy masy wody, które zostały wywołane przez pływy, falowanie czy też różnice gęstości)
Energetyczne zasoby wodne Polski są niewielkie (wykorzystanie potencjału zaledwie w 11%) ze względu na niezbyt obfite i niekorzystnie rozłożone opady, dużą przepuszczalność gruntów i niewielkie spadki terenów. Największa koncentracja zasobów wody ma miejsce w dorzeczu Wisły - ok. 68% (połowa w dolnym odcinku) i Odry i rzek przymorza, około 30%. Najczęściej są umiejscowione one na wybrzeżu (województwa: zachodniopomorskie, pomorskie, warmińsko-mazurskie). Jest ich także sporo w północnej części województwa kujawsko-pomorskiego. Ogólnie najsłabsze zagęszczenie elektrowni jest w Polsce wschodniej i centralnej. Sporo jest ich natomiast na ścianie zachodniej i wzdłuż granicy z Czechami i Słowacją.
Potencjał hydroenergetyczny na świecie jest oszacowano na ok. 2,857 TW. Potencjał ten jest jednak wykorzystywany i przetwarzany w energię elektryczną tylko w 5,5 % (0,152 TW). W dużych elektrowniach wodnych produkcja energii elektrycznej osiągnęła przewidziany poziom, a energia elektryczna z pozostałych źródeł niekonwencjonalnych będzie wzrastała do roku 2025. Wykorzystanie tradycyjnej hydroenergetyki będzie coraz mniejsze. Szansę mają inne metody hydroenergetyki takie jak: pływy, prądy i falowania.
Energia spadku wód
Energię spadku wód wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej w położonych na rzekach lub jeziorach elektrowniach wodnych. Zgromadzona tu energia potencjalna wody, poprzez spiętrzenie przy pomocy jazu lub zapory i przepływ w kierunku dolnego poziomu, zamieniana jest w energię kinetyczną napędzającą turbinę. Wprowadzona w ruch turbina napędza generator wytwarzający energię elektryczną, która dalej wprowadzana jest do sieci elektroenergetycznej.
Energetyka wodna ma w Polsce najdłuższe tradycje ze wszystkich odnawialnych źródeł energii. Łączna moc zainstalowanych dużych elektrowni wodnych (oprócz elektrowni szczytowo-pompowych, które nie są zaliczane do odnawialnych źródeł energii wynosi około 630 MW, a małych 160 MW . Jak się szacuje moc tych elektrowni może być zwiększona o 20-30% poprzez modernizację agregatów prądotwórczych. Eksperci z Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej podkreślają, iż w Polsce wykorzystuje się zaledwie 11% potencjału grawitacyjnego cieków wodnych, co stawia nas na ostatnim miejscu w Europie.
Wielkie elektrowni wodne powodują najczęściej poważne zmiany w środowisku, wpływając na zachwianie ekosystemów (przykładem może być zapora elektrowni wodnej w Czorsztynie). Dlatego najkorzystniejsze dla środowiska są małe elektrownie wodne (do mocy ok. 500 kW) budowane w miejscach naturalnych spiętrzeń wody. Wykorzystują one lokalne możliwości produkcji energii elektrycznej, dając nowe miejsca pracy, które są niezwykle cenne na obszarach o dużym bezrobociu. Na świecie rozważa się budowę elektrowni wykorzystujących ruch wody w trakcie przypływów i odpływów. W latach 60. we Francji u ujścia rzeki Rance wybudowano tamę, która podczas przypływu zbiera wodę morską, a następnie ją spuszcza wraz z odpływem. Siła pędzącej wody wytwarza energię dla sporego miasta.
Elektrownie wodne - hydroelektrownie, ze względu na sposób doprowadzenia wody do turbin dzielimy na:
Elektrownie przepływowe - jak sama nazwa wskazuje, nastawione są na wykorzystanie energii przepływu wody. W elektrowniach tego typu nie ma zbiornika gromadzącego wodę, więc ilość wyprodukowanej energii zależy od ilości wody płynącej w rzece w danym momencie. Cała hydroelektrownia umieszczona jest bezpośrednio w korycie rzeki w odpowiednio skonstruowanym budynku, który jest przedłużeniem jazu, przegradzającego rzekę.
Elektrownie derywacyjne - wyposażone są dodatkowo w odpowiedni kanał oraz rurociągi turbinowe doprowadzające wodę do elektrowni. Ze względu na swą budowę stosowane są dość rzadko, przeważnie na rzekach górskich, odznaczających się bystrym nurtem, ale stosunkowo niewielkim przepływem.
Elektrownie regulacyjne (zbiornikowe) - gdzie przed elektrownią znajduje się zbiornik wodny, który wyrównuje sezonowe różnice w ilości płynącej wody. Taka elektrownia może wytwarzać przez pewien czas moc większą od mocy odpowiadającej chwilowemu dopływowi.
Elektrownie szczytowo-pompowe - pełnią funkcję magazynu energii elektrycznej. Znajdują się pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi - górnym i dolnym. 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 spuszczenie wody ze zbiornika górnego do dolnego, która napędza turbiny. Mimo dużych kosztów system ten zdaje egzamin ze względu na brak alternatywnych metod magazynowania dużych ilości energii elektrycznej (np.: elektrownie wodne Żarnowiec, Porąbka-Żar, Żydowo).
Elektrownie przepływowe z członem pompowym - charakteryzują się tym, że ten sam zespół maszyn w pewnych godzinach pracuje jako turbina i generator (tzw. turbogenerator), a w innych jako pompa (np.: elektrownie wodne Solina, Dychów).
Największa koncentracja elektrowni wodnych w Polsce ma miejsce w dorzeczu Wisły, Odry i rzek przymorza. Jest ich także sporo na ścianie zachodniej i wzdłuż granicy z Czechami i Słowacją. Najsłabsze zagęszczenie elektrowni jest w Polsce centralnej, a na wschodzie kraju praktycznie nie występują.
Według danych statystycznych z 2003 r., polski system elektroenergetyczny, posiada 34.683 MW mocy zainstalowanej, z czego na elektrownie wodne przypada ok. 2100 MW, co stanowi niecałe 6,1%. Najwięcej, bo ok. 1350 MW mają elektrownie szczytowo-pompowe. W Polsce pracuje obecnie 128 elektrowni wodnych i około 580 małych elektrowni wodnych. Łączna produkcja energii elektrycznej (niezależnie od źródła) wynosi ok. 143.230 GWh, udział w niej elektrowni wodnych - to zaledwie 2,6%.
Energia elektryczna pozyskiwana z elektrowni wodnych, pomimo niewielkiego jeszcze udziału w ogólnej jej produkcji, ma już wymierne korzyści dla ochrony środowiska. Rocznie pozwala zaoszczędzić tysiące ton węgla i sprawia, że środowisko nie jest obciążane wieloma szkodliwymi substancjami, takimi jak dwutlenek siarki, tlenek azotu, dwutlenek węgla, itd.
Ponadto dzięki elektrowniom wodnym regulowane są biegi rzek i budowane są zbiorniki wodne przez co wyrównują się przepływy i zmniejsza ryzyko powodzi. Rzeki oczyszczane są z rumowiska, zwiększa się natlenianie, adsorbcja, mineralizacja i fotosynteza wody oraz nierzadko stwarzane są nowe powierzchnie wodne idealne do wypoczynku i rekreacji.
Energia pływów morza
Na świecie wykorzystuje się również inne sposoby wykorzystania wody jako źródła energii, które jednak są niemożliwe do zastosowania w Polsce. Chodzi mianowicie o energię pływów.
W korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie przypływów i odpływów morza, oceanu. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, pozwalającej na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczenie ich poprzez turbiny wodne do morza podczas odpływu.
Największa na świecie elektrownia pływowa pracuje we Francji, przy ujściu rzeki La Rance do kanału La Manche (koło Cherbourga). Ma ona 24 turbiny wodne rewersyjne o mocy po 10 MW każda, a więc moc 240 MW. Została ona uruchomiona w 1967 roku. Maksymalna amplituda pływów wynosi 13,5 m, a minimalna 5 m. 100% zainstalowanej mocy osiąga ona przy spadzie wynoszącym 6 m.
Elektrownie wykorzystujące pływy morskie pracują również w Kanadzie, Chinach i w Rosji. Dla ekonomii ich pracy nie jest bez znaczenia, że okres ich eksploatacji liczony jest na 100 lat.
W latach dziewięćdziesiątych wymyślono bardziej ekologiczny sposób wykorzystania energii przypływów mianowicie podmorskie młyny. Młyny te kręcą się dzięki prądom morskim wywołanym przez ruchy mas wody.
Pierwszą taką turbinę zainstalowano w okolicach Loch Lihne w Szkocji w 1995 roku. Była ona przymocowana do zakotwiczonej tratwy i wytwarzała 15 kW energii. Jakiś czas później większą, bo o mocy 300 kW turbinę po raz pierwszy podłączono do sieci energetycznej. Wiatrak podwodny jest na stałe zakotwiczony do morskiego dna. Pracuje w cieśninie Kvalsund koło norweskiego miasteczka Hammerfest. Urządzenie to waży prawie 200 ton.
W cieśninie występują bez przerwy ruchy wody wywołane przypływami o wysokości dochodzącej do 3 m. Przez pół doby przypływ wtłacza wodę morską do zatoki z prędkością do 2,5m/s, a przez drugie pół nadmiar wody wraca z powrotem do morza. Dlatego też podwodne młyny zaopatrzone zostały w ruchome ramiona o długości 10 m, co 12 godz. i 25 minut obracają się one o 180 stopni. Ramiona turbin umieszczone są na głębokości 17 metrów p.p.m. (głębokość cieśniny-50 m), dzięki temu umożliwiając swobodne kursowanie statków. Turbiny elektrowni poruszają się na tyle wolno (siedem obrotów na minutę), że żadna przepływająca tamtędy ryba nie musi obawiać się posiekania na kawałki.
Elektrownia ta nie potrzebuje paliwa, jednak jej budowa była tak kosztowna, iż prąd jest trzykrotnie droższy od tego z tradycyjnych źródeł. Zaletą takiej elektrowni jest całkowita niezależność od warunków atmosferycznych. Bez względu na to, czy wieje wiatr, czy świeci słońce, morskie przypływy są takie same i generują prąd o tej samej mocy.
Energia prądów morskich
Moc prądów morskich jest oceniana na 7 TW (to prawie dwa razy więcej niż moc możliwa do otrzymania ze spadku wód śródlądowych). Jednak jej wykorzystanie jest bliskie zeru z powodu problemów technicznych i obawy przed zaburzeniem naturalnej równowagi. Wielu badaczy uważa, że prądy morskie mają fundamentalne znaczenie dla klimatu i uszczuplenie ich energii, choćby niewielkie, mogłoby doprowadzić do nieobliczalnych zmian klimatycznych
Energia fal morskich
Energię fal morskich ludzkość próbuje wykorzystać już od 1799 roku, kiedy to po raz pierwszy zarejestrowano w Anglii patent z tej dziedziny. Sto lat później Amerykanin Wrigth zgłosił w urzędzie patentowym "motor poruszany falami", zaś w drugiej dekadzie naszego wieku uruchomiono pierwszą elektrownię tego typu w Bouchaux-Praceique we Francji. W sumie do dziś zarejestrowano ponad tysiąc patentów z Europy i Ameryki Pn. Przodują w tej dziedzinie kraje wyspiarskie-Japonia i Anglia.
Elektrownie wykorzystujące przetworzony ruch fal morskich, ze względu na lokalizację dzieli się na trzy grupy: nadbrzeżne, przybrzeżne - zazwyczaj osadzone na dnie w płytkich wodach (10-20 m głębokości) i morskie (ponad 40 m głębokości).
Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania fal morskich napędzających, a są to:
turbiny wodne,
turbiny powietrzne.
W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku tym jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę rurową sprzężoną z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Instalacja taka pracuje od 1986 roku na norweskiej wyspie Toftestallen koło Bergen, dając moc 350 kW.
W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformie na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale morskie powietrze wprawia w ruch turbinę napędzająca generator. Instalacja taka pracuje również na norweskiej wyspie Toftestallen oraz na wybrzeżu szkockiej wyspy Islay, dając moc 75 kW. Instalacje tego typu mają nierzadko kilkadziesiąt km długości, dzięki czemu w pewnych sytuacjach spełniają drugi ważny cel, a mianowicie ochronę brzegu morskiego przed zniszczeniem (falochron).
Oprócz tych rozwiązań znane są jeszcze tzw. "kaczki" i "tratwy", które wykorzystują pionowy i poziomy ruch wody morskiej.
EKOLOGICZNE ŹRÓDŁA ENERGII
Energia wody
Ważnym źródłem energii jest możliwość korzystania z potencjału wodnego. Ten rodzaj energii znany jest od wielu wieków. Do I wieku wykorzystywano wodę jako siłę napędową w młynach (żarna), a w XI wielu jej zastosowanie znacznie się poszerzyło: np. do napędzania młotów, miechów czy pił.
Obecnie buduje się elektrownie wodne, posiadające turbiny napędzające agregaty prądotwórcze. Przemysł zajmujący się przekształcania energii wodnej na elektryczną to hydroenergetyka. Aby potencjał wody był lepiej wykorzystywany tworzy się ogromne zbiorniki z wielkimi zaporami o dużych różnicach poziomów (czym większy spadek tym większa moc).
Przyszłościowym rozwiązaniem wydaje się wybudowanie elektrowni wodnych obok morza. Fale morskie posiadają ogromną energię. W chwili obecnej podjęto próby uzyskania energii dzięki ruchom wody morskiej, ale rezultaty nie są jeszcze zadowalające (elektrownia wodna wytwarza małą moc, bo ok. 180 kW).
Energia wodna (pochodzenia morskiego)
Zalety:
Długa eksploatacja elektrowni (100 lat)
Jest odnawialnym źródłem energii
Fala posiada duży potencjał
Wady:
Dostarcza niezbyt dużo energii
Powoduje zasalanie ujść rzek
Jest przyczyną erozji
Hamuje swobodę poruszania organizmów rzecznych
Energia wodna (pochodzenia rzecznego)
Zalety:
Ekologiczna
Ekonomiczna
Polepsza retencje wód powierzchniowych
Dostarcza dużo energii (większa elektrownia wystarczy dla potrzeb kilkutysięcznego miasta)
