Energia wody - młodzież

Wprowadzenie


Woda płynąca w korycie rzeki posiada zakumulowaną energię umożliwiającą obracanie się turbiny wodnej, a tym samym produkcję energii elektrycznej. Turbina zlokalizowana jest zazwyczaj w budowli znajdującej się na tamie wodnej. Takie elektrownie wykorzystujące energię wód płynących w rzekach nazywamy śródlądowymi.

Wyróżnić możemy jeszcze elektrownie morskie bazujące na energii fal i pływów. Zasoby energii zakumulowanej w wodzie najłatwiejsze do policzenia są dla elektrowni wodnych śródlądowych. Wykorzystywany jest do tego prosty wzór:
E = m × g × h
Gdzie:

 

  • E     energia wody
  • m     masa wody
  • g     przyśpieszenie ziemskie
  • h     wysokość spadku

Obliczenia wykonane przy zastosowaniu powyższego wzoru określą potencjał teoretyczny energii wód, czyli energię możliwą do wytworzenia , przy założeniu 100% sprawności całego układu. Produkując energię przy pomocy turbin wodnych uwzględnić należy możliwości techniczne wykorzystywanych urządzeń, a także stopień opłacalności przedsięwzięcia. Uwzględniając te dane otrzymamy potencjał techniczny i ekonomiczny. W Polsce potencjał ekonomiczny szacowany jest na ok. 5 [TWh]. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że jest on nierównomiernie rozlokowany na obszarze całego kraju. Aż 80% potencjału hydroenergetycznego związane jest z rzeką Wisłą, z czego 40% na dolnej, 25% na górnej Wiśle i 15% na Wiśle środkowej. Pozostały potencjał skupia się w dorzeczu rzeki Odry – ok. 18%, i na pozostałych rzekach Polski, głównie na Pomorzu i Pojezierzu Mazurskim. Na poniższym rysunku zobrazowano wartości teoretycznego, technicznego i ekonomicznego potencjału energii spadku wód w Polsce.


Historia wykorzystania energii wody
Ponad 70% powierzchni naszego Globu pokryte jest wodą. Jest ona całkowicie niezbędna do istnienia życia, ale również doskonałym akumulatorem energii. Można zaryzykować stwierdzeniem, że to źródło energii było jednym z najwcześniej odkrytych i wykorzystywanych przez ludzi (Boyle, 2004 r.). Jednymi z pierwszych urządzeń wykorzystujących energię płynącej wody były koła wodne służące do nawadniania pól lub też jako siła napędowa w młynach. Strumień wody obracał koło łopatkowe, zanurzone częściowo w korycie rzeki i umieszczone na osi, zamieniając energię wody na energię mechaniczną. Rozróżniane są trzy typy kół wodnych: Podsiębierne – poruszane przez prąd przepływającej rzeki, Śródsiębierne – poruszane przez wodę napływającą w połowie średnicy koła oraz Nasiębierne -  poruszane przez wodę opadająca na jego zakrzywione łopatki.

Rodzaje kół wodnych: nasiębierne, śródsiębierne, podsiębierne

 


W Polsce wzmianki o pierwszym kole wodnym pochodzą z Łęczycy z 1145 roku, gdzie koło to wykorzystywane było do napędzania młyna. W XVI wieku w Polsce doliczyć się można było aż 3000 kół wodnych, różnego typu. Z biegiem lat urządzenia wykorzystujące tą formę zakumulowanej energii podlegały ciągłemu rozwojowi, aż w końcu zaczęły towarzyszyć produkcji energii elektrycznej. Pierwsza turbina wodna skonstruowana została przez B. Fourneyron’a w 1827 roku.

Młyn wodny

 

Elektrownie wodne

Elektrownie wodne ze względu na typ podzielić możemy na elektrownie wykorzystujące energię wód śródlądowych (rzek) oraz wykorzystujące energię wód morskich. Elektrownie zlokalizowane na wodach śródlądowych podlegają dodatkowo podziałowi na:
Przepływowe  budowane zwykle na rzekach nizinnych o niewielkim spadku, gdzie brak jest możliwości magazynowania wody w zbiorniku. Ilość wyprodukowanej energii zależny głównie od chwilowego przepływu wody w korycie rzeki. Elektrownia tego typu wykorzystuje do produkcji energii wody płynące w korytach rzek, w danym momencie, a zlokalizowana jest w budynku będącym przedłużeniem przegradzającego rzekę jazu (Michałowski, 1975 r.).

  • Derywacyjne: elektrownie te wykorzystują kanał derywacyjny. Osiąga się w ten sposób większe spiętrzenie, czyli większą wysokość spadu. Wewnątrz kanału (rurociągu) umieszczona jest turbina wodna. Elektrownie derywacyjne budowane są przeważnie na rzekach górskich, cechujących się bystrym nurtem a przy tym niewielkim przepływem.
  • Regulacyjne (zbiornikowa):  przed elektrownią zlokalizowany jest zbiornik wody, który reguluje przepływ wody. Zadaniem zbiornika jest wyrównywanie sezonowych różnic w ilości przepływającej wody, pozwalając tym samym na stałą produkcję energii elektrycznej.
  • Szczytowo – pompowe : elementem charakterystycznym dla takich elektrowni są dwa zbiorniki wodne, zlokalizowane przed i za elektrownią (górny i dolny). Elektrownie tego typu pełnią rolę magazynu energii dla systemu energetycznego. W okresie małego zapotrzebowania na energię elektrownia pobiera energię z sieci i przepompowuje wodę znajdującą się w zbiorniku dolnym do zbiornika górnego. W godzinach dużego zapotrzebowania na energię elektryczną woda z górnego zbiornika wypuszczana jest z powrotem do zbiornika dolnego, przyczyniając się w ten sposób do produkcji energii elektrycznej oddawanej do sieci. W odróżnieniu od wyżej wymienionych elektrowni, elektrownie szczytowo – pompowe są niezależne od dopływu naturalnego wody.

Pozostałe typy elektrowni wodnych zlokalizowane są na otwartych wodach (morzach) wykorzystując pływy i falowanie. Wyróżnić tu możemy dwa rodzaje elektrowni:

  • Pływowe: do produkcji energii elektrycznej wykorzystane są przypływy i odpływy mórz i oceanów. Elektrownie pływowe budowane są w miejscach umożliwiających odgrodzenie od otwartego morza zatoki lub ujścia rzeki. Budowane są specjalne zapory wyposażone w turbiny. Na skutek wpływającej do zbiornika (w trakcie przypływu) i wypływającej (w trakcie odpływu) wody, turbina obraca się produkując energię elektryczną.
  • Wykorzystujące energię fal morskich: produkcja energii elektrycznej przy użyciu tego źródła nie należy do najłatwiejszych. Zasoby oceniane są na bardzo wysokie, jednakże zmienność wysokości fal (czynnik zależny od warunków pogodowych) czy też niekorzystne korozyjne działanie słonej wody znacząco utrudnia produkcję energii elektrycznej w ten sposób. Jednym ze sposobów wykorzystania fal morskich są tak zwane „tratwy” i „kaczki”. „Tratwy” są to trzyczęściowe elementy połączone ze sobą zawiasami, poruszają się wykorzystując pionowy ruch fal. „Kaczki” wykorzystują poziome ruchy wody morskiej.


Schemat elektrowni wykorzystującej energię fal

Schemat elektrowni wodnej

Podstawowym elementem elektrowni wodnej jest budowla zwiększająca poziom wody w korycie rzeki, czyli zapora. Drugim podstawowym elementem elektrowni wodnej jest turbina wodna. Mamy wiele rodzajów turbin a ich konstrukcje różnią się od siebie. Każda z nich ma jednak podstawowe elementy, do których zaliczyć możemy: korpus, przymocowane do niego łopatki oraz kierownicę. Kierownica składa się z układu ruchomych łopatek, za pomocą których można zwiększać lub zmniejszać ilość przepływającej wody (Fotyma, 1964 r.).
Dobór odpowiedniej turbiny do elektrowni wodnej następuje w oparciu o spad oraz natężenie przepływu, jakim dysponujemy w danej rzece. Kolejnym, ważnym elementem budowy elektrowni wodnej jest generator czyli urządzenie, które przetwarza ruch obrotowy turbiny na energię elektryczną. Wśród pozostałych elementów wchodzących w skład elektrowni wodnej wymienić należy śluzę zamykającą dopływ wody do turbiny, kratę zapobiegającą przedostawaniu się do turbin zanieczyszczeń płynących z wodą oraz transformator służący do zmiany napięcia i natężenia prądu do żądanych wartości.

 

MEW (Małe Elektrownie wodne)

Mała elektrownia wodna


Śródlądowe elektrownie wodne pod względem zainstalowanej mocy podzielić możemy na dwa rodzaje: duże elektrownie wodne (powyżej 5 [MW] zainstalowanej mocy) oraz małe elektrownie wodne (MEW, poniżej 5 [MW] zainstalowanej mocy). Należy jednak pamiętać, że podział ten jest umowny i przy wyżej podanych wartościach obowiązujący w Polsce. W innych krajach podział ten może być inny.
Duże elektrownie wodne mają ogromny wpływ na środowisko. Budowa zapór spiętrzających wody w istotny sposób zmienia ekosystem rzeki jak również terenów okolicznych. Związane jest to z trwałym zajęciem otaczających obszarów, zwykle o charakterze leśnym lub rolniczym, często też z koniecznością przesiedlania niewielkich miejscowości. Instalacje takie wymagają korzystnych warunków takich jak odpowiedni przepływ, odpowiedni spadek, dostępność terenu, a także konieczność podłączenia do sieci energetycznej wysokiego napięcia, co zwykle niesie za sobą wysoki koszty. Warunki te sprawiają, że w rzeczywistości niewiele jest miejsc umożliwiających budowę dużej elektrowni wodnej.
Do zalet MEW zaliczyć można między innymi:
•    Pozyskiwanie energii elektrycznej bez zanieczyszczania środowiska
•    Możliwość instalacji na niewielkich ciekach wodnych
•    Stosunkowo krótki okres realizacji instalacji
•    Łatwość przyłącza do sieci energetycznej
•    Łatwość obsługi, co wiąże się z mniejszą ilością obsługującego personelu.
Niewielka moc małych elektrowni wodnych pozwala na ich budowę na rzekach o niewielkich spadkach i o niewielkich ilościach przepływającej wody. Daje to możliwości do budowania elektrowni rozlokowanych na obszarach niedostępnych dla dużych, zawodowych efektowni wodnych. Małe elektrownie wodne podzielić możemy dodatkowo ze względu na moc otrzymując:
Mikro elektrownie: elektrownie o mocy poniżej 70 kW
Makro elektrownie: elektrownie o mocy w przedziale od 70 kW do 100 kW
Małe elektrownie: elektrownie o mocy w przedziale od 100 kW do 500 kW

Stan rozwoju w Polsce i na świecie
Obecnie w Polsce ponad 28% energii elektrycznej produkowanej w technologii wykorzystującej Odnawialne Źródła Energii, pochodzi właśnie z energetyki wodnej (URE). Stanowi to zaledwie niecałe 2% w całkowitej produkcji energii elektrycznej w Polsce (CIRE). Ukształtowanie terenu naszego kraju, w większości nizinne, a także brak dużych, naturalnych spadów nie stwarza zbyt korzystnych warunków do budowania dużych elektrowni wodnych. Z uwagi na warunki hydrologiczne, rozwój sektora energii wodnej związany jest głównie z małymi elektrowniami wodnymi. Moc urządzeń produkujących energię elektryczną z wykorzystaniem turbin wodnych w Polsce to 937 [MW] (URE).  Należy zwrócić uwagę na fakt, że w Polsce pracuje aż 727 elektrowni wodnych. Większość z nich to małe elektrownie wodne. Wśród dużych instalacji wymienić można zaledwie kilka (tab1).

Większość z wymienionych dużych elektrowni zawodowych, to elektrownie szczytowo – pompowe, które pełnią ważną rolę w systemie energetycznym. Niestety w sektorze energetyki wodnej nie obserwujemy dużych przyrostów nowych instalacji. Największa obecnie elektrownia wodna zlokalizowana jest w Chinach. Moc nominalna tej elektrowni to aż 22,5 [GW]. Pozostałe największe elektrownie świata zamieszczono w tabeli 2. Całkowita moc elektrowni wodnych na świecie to 980000 [MW]. Do wartości tej nie są wliczone moce elektrowni wykorzystujących energię mórz i oceanów.

Tabela 1

Nazwa

Rzeka

Rok
Uruchomienia

Moc
Zainstalowana [MW]

Pilchowice

Bóbr

1912

7,9

Bielkowo

Redunia

1925

7,5

Bobrowice

Bóbr

1925

2,5

Żur

Wda

1929

9,0

Otmuchów

Nysa Kłodzka

1933

4,8

Rożnów

Dunajec

1942

50,0

Dychów

Bóbr

1951

79,5

Porąbka

Soła

1953

12,6

Czchów

Dunajec

1954

8,0

Brzeg Dolny

Odra

1958

9,7

Koronowo

Brda

1960

26,0

Myczkowce

San

1961

8,3

Dębe

Narew

1962

20,0

Tresna

Soła

1967

21,0

Solina

San

1968

137,2

Włocławek

Wisła

1970

162,0

Żydowo

Radew

1971

152,0

Porąbka - Żar

Soła

1979

550,0

Żarnowiec

Piasnica

1982

716,0

Niedzica

Dunajec

1997

90,0

Tabela 2

Nazwa elektrowni Kraj Moc [GW]
Zapora Trzech Przełomów Chiny 22,5
Itaipu Brazylia 14,0
Xiluodu Chiny 12,6
Guri Wenezuela 10,2
Tucuruí Brazylia 8,4
Grand Coulee USA 6,7
Longtan Chiny 6,4
Sayano–Shushenskaya Rosja 6,4
Krasnojarsk Rosja 6
Nuozhadu Chiny 5,8
Robert-Bourassa Kanada 5,6
La Grande 2 Kanada 5,3
Corpus Posadas Argentyna /Paragwaj 4,7
Laxiwa Chiny 4,2
Asuan Egipt 2,1
Niagara Kanada 1,2
 

Loga patronów

Projekt biogazownie

biogazownie korzyści czy zagrożenia

Kalkulatory

Gry Edukacyjne

Sponsorzy

Sondy

Co sądzisz o projekcie?
 

Odwiedziło Nas

osób