MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA ENERGII SPADKU WÓD

Ważnym źródłem energii są jej zapasy zgromadzone w wodzie. Fakt ten znany był ludziom od dawna i był całkiem twórczo wykorzystywany. Wprawianie w ruch koła młyńskiego, napędzanego energią płynącej rzeki, to znany od setek lat sposób mielenia ziaren zbóż. Nieco później, w czasach rozwoju przemysłu, podobny sposób wykorzystania energii płynącej wody wykorzystywany był w celu wprawiania w ruch pił w tartakach lub młotów w kuźniach. 

Zdj. 1

W czasach rewolucji przemysłowej, energetyczne wykorzystanie paliw kopalnych na dosyć długo znacznie zmniejszyło popularność prostego wykorzystania energii spadku wód.

W czasach, kiedy zaczęto poszukiwać źródeł energii innych niż tych z wykorzystaniem paliw kopalnych, czyli źródeł których zastosowanie możliwe było bez generowania emisji zanieczyszczeń do powietrza, energetyka wodna odzyskała swoje zasłużone znaczenie. Obecnie, sposoby jej pozyskania nie ograniczają się tylko do wykorzystania energii spadku wód. Inne jeszcze możliwe sposoby wykorzystania energii wód przedstawia schemat.

schemat 1

To, co jest wspólną, ważną zaletą wszystkich przedstawionych sposobów pozyskiwania energii wody to brak emisji zanieczyszczeń do środowiska.

Płynące rzeki oraz ruch mas wody w morzach i oceanach to formy energii, której pierwotnym źródłem jest energia docierającego do Ziemi promieniowania Słońca. Ten fakt decyduje o tym, że te metody pozyskiwania energii można zaliczyć do grupy odnawialnych źródeł energii (OZE).

Energia fal i pływów morskich to olbrzymi zasób energii, lecz stale jednak praktyczne jej wykorzystanie jest problemem natury technicznej. Są jednak bardzo perspektywiczne i dlatego intensywnie dopracowywane. Zdecydowanie lepiej poznanymi, dobrze opanowanymi i stosowanymi, są metody praktycznego wykorzystania energii spadku wód.

POTENCJAŁ ENERGETYCZNY RZEK

Elektrownie wodne to urządzenia hydroenergetyczne, w których czynnikiem napędzającym turbinę jest woda. Możliwe jest tu wykorzystanie zawartej w wodzie zarówno energii kinetycznej jak i energii potencjalnej. Elektrowniami wodnymi, wykorzystującymi spadek wód, są 3 rodzaje elektrowni:

1. przepływowe

2. zaporowe

3. szczytowo-pompowe

   
   

Elektrownie przepływowe

Jeśli elektrownia wykorzystuje energię kinetyczną przepływającej wody w rzece to jest elektrownią przepływową. Elektrownie te są zwykle nieduże, zajmując i wykorzystując jedynie fragment koryta rzeki.

Zdj 2.

W tej elektrowni strumień wody, wydzielonej z głównego nurtu rzeki, doprowadzany jest widoczną na zdjęciu niebieską rurą i napędza niewidoczną tu turbinę wodną połączoną z generatorem prądu. Kolejne zdjęcie pokazuje jak może być wywoływany ruch obrotowy turbiny przez przepływający strumień wody.

Zdj 3.

Regułą jest, że elektrownie przepływowe to obiekty małe, zwykle o mocy poniżej 2 MW. Zaletą tych obiektów (czego nie ma w przypadku innych elektrowni wykorzystujących energię spadku wód) jest nieduży wpływ na środowisko naturalne, co między innymi wynika z niedużych zwykle rozmiarów tych obiektów. 

Te elektrownie wodne, budowane zwłaszcza na rzekach nizinnych, dostarczają tyle mocy ile jest energii zawartej w dopływającym strumieniu wody. Niestety ze źródłem tej energii, czyli wymaganym strumieniem wody, może być różnie, zwłaszcza w okresach suszy. Jako wadę wymienia się więc niską dyspozycyjność elektrowni przepływowych, co wynika ze zmienności poziomu wody w rzece, w zależności od pory roku i wielkości opadów. Można obawiać się, że obecnie widoczny trend zmian klimatycznych będzie jeszcze bardziej obniżać dyspozycyjność tych obiektów. 

Ogółem w Polsce funkcjonuje nieco mniej niż 800 tego rodzaju elektrowni wodnych. Większość z niech (znacznie ponad 700) to elektrownie małe, o mocy poniżej 10 MW. 

Możliwość uniknięcia wymienionych problemów dotyczących dyspozycyjności, jest w przypadku trochę innych elektrowni wodnych.

Elektrownie na zbiornikach zaporowych

Lepszą dyspozycyjność oraz możliwość uzyskiwania większych mocy zapewniają elektrownie na zbiornikach zaporowych. Te obiekty, przy właściwie wypełnionym zbiorniku wody, umożliwiają równomierne, bardziej stabilne wykorzystanie zgromadzonej energii.

Zdj. 4

Woda znajduje się w zbiorniku zaporowym, umieszczonym wyżej niż miejsce posadowienia turbiny wodnej. Układ taki umożliwia więc wykorzystanie zawartej w wodzie zarówno energii kinetycznej jak i energii potencjalnej.

Łatwo jednak wyobrazić sobie, że budowa zapór to często konieczność ingerencji w życie lokalnych społeczności (przesiedlenia). Takie obiekty to również ingerencja w lokalne środowisko naturalne. Przegroda na rzece zaburza możliwość migracji fauny i flory, zwłaszcza w górę rzeki.

Wymienione problemy, plus problemy techniczne związane z eksploatacją i konserwacją obiektu elektrowni wodnych, wszystko to powoduje, że elektrownie te nie są rozwiązaniami powszechnie stosowanymi. Często, choć oczywiście nie zawsze, o budowie samych zbiorników zaporowych decydują raczej działania o charakterze zabiegów przeciwpowodziowych, czyli wyłapania nagłego spływu dużych mas wody opadowej lub roztopowej. Ważnym zadaniem takich obiektów jest również konieczność gromadzenia wód na potrzeby ludności i przemysłu. Przy takich zadaniach zbiorników zaporowych, tworzenie elektrowni wodnych na tych zbiornikach jest pewnego rodzaju dodatkiem, uzupełnieniem możliwości wykorzystania tworzonego zbiornika zaporowego.

Elektrownie szczytowo-pompowe

Z energii potencjalnej korzystają też elektrownie szczytowo-pompowe. Rola tych obiektów, na początku ich tworzenia, sporo lat temu, była praktycznie jedyną technologią magazynowania energii. Ich zadaniem, wtedy i również obecnie, to uzupełnianie mocy elektrycznej w okresach dużego na nią zapotrzebowania.

Elektrownię taką tworzą 2 zbiorniki wodne: górny i dolny. W okresie niskiego zapotrzebowania na energię elektryczną, zwykle w nocy, kiedy cena energii jest najniższa, woda z dolnego zbiornika przepompowywana jest do zbiornika górnego.

Zdj. 5

W okresie szczytowego zapotrzebowania woda spływająca ze zbiornika górnego napędza turbinę wodną, oddając wcześniej zgromadzoną energię do systemu energetycznego. Uwzględniając różnego rodzaju straty energii w całym tym cyklu, przeciętna sprawność układu wynosi około 70%, co oznacza, że energia zużywana na etapie przepompowywania jest zawsze większa od energii uzyskanej w wyniku pracy turbiny. Jest jednak zysk ekonomiczny, którym jest różnica pomiędzy kosztem energii potrzebnej do przepompowania, a wartością sprzedaży energii wyprodukowanej w wyniku spływu wody.

Fakt bezemisyjnego generowania energii elektrycznej oraz możliwość traktowania obiektów elektrowni szczytowo-pompowych jako magazynów energii, możliwej do wykorzystania w okresach szczytowego na nią zapotrzebowania, to główne zalety tych obiektów.

Największą elektrownią szczytowo-pompową w Polsce jest elektrownia w Żarnowcu. Jej górny zbiornik mieści prawie 14 milionów metrów sześciennych wody, a generowana moc to 716 MW. Drugą co do wielkości tego rodzaju elektrownią jest Elektrownia Porąbka-Żar, zlokalizowana w obrębie rzeki Soły.

Zdj. 6 

Nieco zaskakujące podsumowanie

Sposoby wykorzystanie energii wód to bez wątpienia grupa spełniająca wymagania dotyczące OZE. Tego rodzaju sposoby pozyskiwania energii kojarzą się jako metody aprobowane, warte upowszechniania. Tymczasem tutaj, w przypadku praktycznego spojrzenia na opisane powyżej możliwości wykorzystania energii spadku wód, poniższa informacja może być nieco zaskakująca.

Chodzi o treść manifestu WWF (Światowy Fundusz na rzecz Przyrody), odnoszący się do elektrowni wodnych. WWF jest na tyle poważną organizacją, znaną na forum globalnym, że jej stanowisko musi być traktowane poważnie. Już sam tytuł tego manifestu WWF, będący hasłem kampanii prowadzonej przez tę organizację, mówi właściwie wszystko: NIE dla elektrowni wodnych. Spośród wielu wskazywanych przez WWF wad dotyczących tego rodzaju odnawialnego źródła energii, wad bardzo istotnych, wymienię tylko kilka: zakłócenie naturalnego biegu rzek, niszczenie ekosystemów rzecznych, obniżenie bioróżnorodności, powodowanie erozji brzegów i dna rzeki poniżej zbiorników zaporowych. W manifeście stwierdza się również, że wiele z tych zaburzeń może wywoływać procesy emisji do atmosfery metanu i CO₂, czyli gazów cieplarnianych. Z treści tego manifestu wynika więc, że pomimo określonych zalet opisanych sposobów energetycznego wykorzystania energii wód, to jednak konsekwencje środowiskowe, w opinii WWF, są jednoznacznie negatywne.

Tekst i zdjęcia:

Stanisław Hławiczka