ENERGIA WODNA

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.

Energia cieplna mórz

Przemiana energii cieplnej oceanu to wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu. Jest ona możliwa na obszarach równikowych; woda morska ma tam na powierzchni temperaturę około 30°C, a na głębokości 300-500 m temperaturę około 7°C. Wykorzystanie tej różnicy polega na zastosowaniu czynnika roboczego, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości 300-500 m. Czynnikiem takim jest amoniak, freon lub propan. Cała instalacja wraz z generatorem znajduje się na pływającej platformie. Energia elektryczna dostarczana jest na ląd kablem morskim.

Sprawność elektrowni maretermicznej wynosi 2.5% przy różnicy temperatury 20°C, a 6% przy różnicy temperatury 40°C. Źródło energii jest jednak niewyczerpalne i stale gotowe do wykorzystania, gdyż różnice temperatury wody morskiej w strefie równikowej są prawie stałe, niezależne od pory roku i dnia.

Energia maretermiczna wykorzystywana jest na wyspie Bali w Indonezji (5 MW), w Japoni (10 MW), na Tahiti (5 MW) i na Hawajach (40 MW). Potencjał tego źródła energii jest w niektórych obszarach całkiem spory. Dla przykładu, w Indiach wybrzeże stanu Tamil Nadu pozwala na budowę elektrowni maretermicznych o łącznej mocy 10000 MW.

Energia dyfuzji

Energia dyfuzji wykorzystuje do pozyskiwania energii gradient stężenia wody. Dyfuzja zasolonej wody morskiej należy do największych odnawialnych źródeł na świecie. Jej potencjał globalny możliwy do wykorzystania energetycznego szacuje się na ok. 2 PW *h/a. Do konwersji energii związanej z zasoleniem wód w energię elektryczną można teoretycznie wykorzystać trzy zjawiska: osmozę (różnicę ciśnień), dializę (różnicę przepuszczalności cząstek przez błony),a także elektrodializę (różnicę przepuszczalności jonów). Obecnie opracowano dwie metody: metodę ciśnieniowej opóźnionej osmozy-PRO oraz metodę odwróconej elektrodializy-RED.

ENERGIA WODY WADY I ZALETY

Elektrownie wodne

• ZALETY

Czyste odnawialne źródło energii.

Możliwość szybkiego zatrzymywania i uruchamiania elektrowni.

Małe problemy przy utrzymywaniu i eksploatacji elektrowni.

Sztuczne zbiorniki wodne gromadzą wodę, zmniejszając ryzyko powodzi.

• WADY

Zależność od opadów deszczu.

Konieczność zalania dużych obszarów i przesiedlenia ludzi, co niszczy naturalne siedliska lądowych dla roślin i zwierząt.

Lokalne zmiany klimatyczne.

Energia fal morskich

• ZALETY

Czyste źródło odnawialnej energii

• WADY

Wysokie koszty instalacji i eksploatacji.

Problemy środowiskowe-zajęcie dużych obszarów wybrzeża morskiego

Energia pływów

• ZALETY

Czyste źródło odnawialnej energii. Niezawodne, ponieważ woda z przypływami podnosi się i opada regularnie dwa razy w ciągu doby.

• WADY

Wysokie koszty budowy zapory.

Wpływ na środowisko-mogą ulec zniszczeniu naturalne siedliska mieszkańców wód.

Ograniczenia w ruchu statków

---