Energia wody - dorośli

Wprowadzenie
Energetyka wodna to sektor energetyczny zajmujący się pozyskiwaniem energii zakumulowanej w wodach i przetwarzaniem jej na energię mechaniczną i elektryczną, przy użyciu turbin wodnych. Woda może być doprowadzana do turbin w różny sposób. Z tego względu istnieje kilka typów elektrowni wodnych. Podstawowy podział zakłada wytwarzanie energii elektrycznej z energii wód płynących (śródlądowe), z energii fal (morskie) i pływów (morskie). Zasoby energii zakumulowanej w wodzie najłatwiejsze do policzenia są dla elektrowni wodnych śródlądowych. Wykorzystywany jest do tego wzór:


P = h × g × Q x ρ [W]
Gdzie:

 

  • P    Obliczeniowa moc cieku wodnego [W]
  • h    Wysokość spadku [m]
  • g    Przyśpieszenie ziemskie 9,81[m/s2]
  • Q    Objętościowe natężenie przepływu wody [m3/s]
  • ρ    Gęstość wody 1000 [kg/ m3]


Stosując jednak powyższy wzór, otrzymamy potencjał teoretyczny, czyli energię możliwą do wytworzenia w sektorze energii wodnej przy założeniu 100% sprawności całego układu. Produkując energię przy pomocy turbin wodnych uwzględnić należy sprawności na które składa się między innymi sprawność turbiny, przekładni, generatora, transformatora. Dodatkowym czynnikiem pranym pod uwagę jest też procentowy udział natężenia przepływu wody. Uwzględniając te wartości otrzymujemy sprawność techniczną. Sprawność ekonomiczna uwzględnia dodatkowo opłacalność przedsięwzięcia. 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 Wiśle, 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 Pomorze i Pojezierze Mazurskie. Na poniższym rysunku zobrazowano wartości teoretycznego, technicznego i ekonomicznego potencjału energii spadku wód w Polsce.


Zasoby 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.). Pośród pierwszych urządzeń przetwarzających energię płynących wód wymienić możemy 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 opadającą 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. Była to turbina z promieniowym przepływem wody. W 1849 roku J. Francis skonstruował turbinę o przepływie osiowo – promieniowym o nieruchomych łopatkach kierownicy. Dopiero w 1859 roku opracowany został aparat kierowniczy turbiny umożliwiający tym samym regulację mocy turbiny. Kolejnym przełomem w sektorze energetyki wodnej było wynalezienie przez A. Peltona’a turbiny akcyjnej stosowanej dla wysokich spadów. Dużym postępem było także wynalezienie przez W. Kaplan’a turbiny typu śmigłowego. Turbina ta charakteryzuje się przestawialnymi łopatkami, a także regulowanym aparatem kierowniczym. Dzięki podwójnej regulacji rozwiązanie to cechuje się wysokimi sprawnościami w zakresie obciążenia od 20 do 100% (Hoffmann, 1992 r.).

Hydro energetyka
Elektrownie wodne ze względu na typ podzielić możemy na elektrownie wykorzystujące energię wód śródlądowych 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 zależna jest 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. Moc znamionowa takiej elektrowni to najmniejsza wartość mocy, jaka może wystąpić w ciągu 95% dni w roku (Michałowski, 1975 r.).
  • Derywacyjne: elektrownie te wykorzystują kanał derywacyjny. Osiąga się w ten sposób większe spiętrzenie.  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): zbiornik wody znajdujący się przed elektrownią pozwala na produkcję energii o mocy większej, niż moc odpowiadająca chwilowemu dopływowi wody. Zadaniem zbiornika jest wyrównywanie sezonowych różnic w ilości przepływającej wody, niwelując tym samym sezonowe spadki mocy.
  • Szczytowo – pompowe: elementem charakterystycznym dla takich elektrowni są dwa zbiorniki wodne, zlokalizowane przed i za elektrownią (górny i dolny). Elektrownie tego typu pełnią rolę akumulatora 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. Dopływ wody konieczny jest tylko ze względu na uzupełnienie strat wody powstałych na skutek infiltracji oraz odparowania.

 

Schemat elektrowni wodnej szczytowo - pompowej


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

  • Pływowe: do produkcji energii elektrycznej wykorzystane są przypływy i odpływy mórz i oceanów, spowodowane grawitacyjnym przyciąganiem księżyca i słońca. 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. Pływy powodujące ruch dużych ilości mas wody wykorzystać również można poprzez stosowanie turbin wodnych, zbliżonych wyglądem do turbin wiatrowych.


Schemat zapory z turbiną, wykorzystującą energię pływów

 

  • 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 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. Na skutek ruchu urządzeń, napędzane są tłoki pompy zlokalizowanych w środkowych częściach urządzenia. „Kaczki” wykorzystują poziome ruchy wody morskiej. Łańcuchy „kaczek” umocowane są na długich prętach poruszających się na falach wprowadzając w ruch tłoki pomp. Urządzenia wykorzystywane w tym rozwiązaniu cechuje stosunkowo niewielka moc, więc stosuje się je np. do oświetlania boi.


Schemat elektrowni wykorzystującej energię fal

 

Schemat elektrowni wodnej zbiornikowej

 

Podstawowym elementem elektrowni wodnej jest budowla spiętrzająca wodę. Taką budowlą może być jaz, czyli budowla hydrotechniczna, wybudowana w poprzek rzeki, a której celem jest spiętrzenie wody w korycie rzeki. Inną budowlą służącą do spiętrzania wody jest zapora, której celem jest tworzenie zbiorników wodnych. Ze względu na konstrukcję i użyty materiał, zapory podzielić możemy na ciężkie oraz lekkie, a także na kamienne, betonowe i ziemne. Drugim podstawowym elementem elektrowni wodnej jest turbina wodna. Konstrukcje poszczególnych turbin 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 sterować można przepływem wody (Fotyma, 1964 r.). Wyjątek w budowie kierownicy stanowi turbina Peltona. Turbiny wykorzystywane w elektrowniach wodnych podzielić możemy na:

  • akcyjne (natryskowe): ciśnienie wody napędzającej turbinę równe jest ciśnieniu atmosferycznemu. W turbinach tego rodzaju wykorzystywana jest energia kinetyczna wody, która w aparacie kierującym przetwarzana jest na energię prędkości. Do tego rodzaju turbin zaliczyć można turbinę Peltona. W turbinie tej energia ciśnienia wody na wlocie do turbiny zamieniana jest w dyszy na energię prędkości strumienia wody, która następnie przenoszona jest na wirnik zbudowany z łopatek w kształcie czarek oraz wirnika. Kierownica turbiny składa się z jednej lub kilku dysz, skierowanych na łopatki wirnika, przez które wpływa woda do turbiny. Otwór wlotowy dyszy może być regulowany, przy pomocy iglicy osadzonej współosiowo z dyszą, co daje możliwość regulacji natężenia wpływającej wody. Turbiny Peltona stosowane są jako jedno lub kilku wirnikowe osadzone na jednym wale pionowym lub poziomym. Drugą turbiną akcyjną stosowaną w energetyce wodnej jest turbina Banki – Michella. Cechą charakterystyczną tej turbiny jest szeroki strumień wody o przekroju prostokątnym, przepływający dwukrotnie przez łopatki wirnika. Wirnik turbiny zasilany jest przez odpowiednio wyprofilowaną, jednołopatkową kierownicę. Regulacja turbiny możliwa jest poprzez podział wirnika i kierownicy na dwie części w proporcji 1/3 i 2/3 długości

 

Turbina Peltona

Turbina Banki - Michela

  • Reakcyjne (naporowe): ciśnienie wody doprowadzonej do wirnika wyższe jest od ciśnienia atmosferycznego i maleje w trakcie przepływu przez przestrzenie między łopatkowe wirnika. Turbiny te wykorzystują energię ciśnienia wody oraz energię kinetyczną na energię mechaniczną ruchu obrotowego. Dodatkowo turbiny reakcyjne podzielić możemy ze względu na kierunki przepływu wody na trzy rodzaje:

a.    Osiowe (Kaplana): jest to turbina śmigłowa z nastawnymi łopatami wirnika. Łopaty umocowane są na łożyskach wbudowanych w wał turbiny. Łopatki kierownicy są także ruchome i odpowiednio kierują strumień wody. Mechanizm odpowiedzialny za ustawienie  łopat wirnika sprzężony jest z mechanizmem odpowiedzialnym za ustawienia łopat kierownicy, w taki sposób, aby osiągać najwyższe z możliwych sprawności, jakie w danych warunkach są możliwe. Odmianą turbiny Kaplana jest turbina rurowa (o osi pionowej lub skośnej), wyposażona w wirnik typu Kaplana, który jest umieszczony centrycznie w obudowie rurowej i sprzęgnięty bezpośrednio lub przez przekładnie z generatorem elektrycznym.

Turbina wodna Kaplana

b.    Promieniowo – osiowe (Francisa): rozwiązania w budowie tej turbiny zbliżone są do rozwiązań zastosowanych w turbinie Kaplana. Różnica zauważalna jest w budowie wirnika i kierownicy. Wirnik turbiny składa się z dwóch kolistych obręczy i przymocowanych do nich łopatek. Woda doprowadzana jest za pomocą spirali poprzez ruchome łopatki kierownicy. Regulacja przepływu wody odbywa się poprzez odpowiednie ustawienie łopatek kierownicy, za pomocą pierścienia regulacyjnego.

Turbina wodna Francisa

c.    Przekątne (Deriaza,): podobnie jak w turbinie Kaplana zastosowano tutaj ruchome łopaty wirnika. Osie łopat w turbinie Kaplana ustawione są prostopadle do osi wirnika, natomiast w turbinie Deriaza łopaty umocowane są pod odpowiednim kątem (30°,45° lub 60°). Turbiny te osiągają również duże sprawności w pracy pompowej, przez co mogą być stosowane w elektrowniach szczytowo – pompowych.


Dobór odpowiedniej turbiny do elektrowni wodnej następuje w oparciu o spad oraz natężenie przepływu jakim dysponujemy w danym cieku. Pomocny przy wyborze turbiny jest diagram, na którym zobrazowano zakres pracy poszczególnych turbin.

Wykres doboru turbiny w zależności od natężenia przepływu i wysokości spadu

Widać tutaj, że zakres pracy turbin się zazębia i posiadając odpowiedni spad i przepływ zastosować możemy nie tylko jedną turbinę. Dla przykładu: przy spadzie kilkunastu metrów i przepływie na poziomie 8 [m3/s], zastosować możemy turbinę Kaplana, Francisa lub Banki – Michella.

Kolejnym, ważnym elementem budowy elektrowni wodnej jest generator czyli urządzenie, które z energii mechanicznej generuje energię elektryczną. Zasada działania generatora, opiera się na prawie indukcji elektromagnetycznej. W nieruchomej części generatora- stojanie znajduje się ruchoma część – wirnik, na który nawinięte są zwoje przewodnika przecinające pole magnetyczne, wytworzone przez uzwojenie stojana. Na skutek ruchu obrotowego wirnika powstaje siła elektromotoryczna. 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)

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 w takim wydaniu, obowiązujący w Polsce. W innych krajach podział ten może być inny. W Stanach zjednoczonych za małe elektrownie wodne uznaje się instalacje o mocy zainstalowanej poniżej 15 [MW]. 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 związane jest z koniecznością doprowadzenia takiego przyłącza „na własny koszt”, zwiększając tym samym koszty inwestycji. Warunki te sprawiają, że w rzeczywistości niewiele jest miejsc umożliwiających budowę dużej elektrowni wodnej. Bardzo rzadko tego typu obiekty budowane są tylko pod kątem produkcji energii elektrycznej. Zwykle czynnikiem podstawowym i decydującym jest konieczność uregulowania cieku wodnego, a dopiero w drugiej kolejności rozważa się wybudowanie elektrowni wodnej. Zupełnie inaczej jest w przypadku małych elektrowni wodnych. 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 ciekach wodnych o niewielkich spadkach i przepływach. Daje to możliwości do budowania elektrowni rozlokowanych na obszarach niedostępnych dla dużych, zawodowych efektowni wodnych, a tym samym działając na korzyść lokalnych systemów energetycznych. 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 OŹE, pochodzi właśnie z energetyki wodnej (URE). Stanowi to zaledwie niecałe 2% w całkowitej produkcji energii elektrycznej w Polsce (CIRE). Podobny stosunek (3,2%) produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem energetyki wodnej do całkowitej produkcji energii elektrycznej jest na świecie (REN21). 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), generując tym samym aż 2633,162 [TWh] energii. 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 mocy wytwórczych. Największa obecnie hydroelektrownia zlokalizowana jest w Chinach. Moc nominalna elektrowni to aż 22,5 [GW]. Pozostałe największe elektrownie świata zamieszczono w tabeli 2. Całkowita moc elektrowni wodnych na świecie to 980 [GW]. 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

Radunia

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