Alternatywne źródła energii: energia wody i jej wykorzystanie

Ludzie już od dawna wykorzystywali energię wody dla własnych potrzeb. Historia kół wodnych sięga aż do I wieku n.e. Służyły one najpierw do napędzania żaren w młynach, 1000 lat później ludzie zaczęli wykorzystywać energię wody do innych celów - napędzania miechów i młotów w kuźniach, pił w tartakach. Dziś ich nowoczesne odpowiedniki w postaci turbin wykorzystywane są w hydroenergetyce do napędzania potężnych generatorów elektrowni wodnych. Wykorzystują one olbrzymie zapory oraz zbiorniki wodne, dzięki czemu powstaje duża różnica poziomów, co gwarantuje stały spad wody z dużej wysokości. Energię można również pozyskać dzięki falowaniu morza. Wielkie fale oceaniczne niosą olbrzymią energię, lecz nie istnieją jeszcze urządzenia pozwalające na jej efektywne wykorzystywanie.

Przetwarzanie energii wody- elektrownie wodne

Energię wód dzielimy na energie wód śródlądowych oraz energię mórz. Na skutek krążenia wody w przyrodzie powstaje energia wód śródlądowych. Źródłem tej energii jest w istocie energia słoneczna.

Podstawową rolę w przemianie energii wody śródlądowej (w elektrowni wodnej) w energię elektryczną odgrywa energia potencjalna. Przepływ wody w rzece spowodowany jest różnicą energii potencjalnej tej rzeki w jej górnym i dolnym biegu. Turbiny wodne zamieniają energie potencjalną w energie kinetyczną, a ta następnie w prądnicach elektrycznych (hydrogeneratorach) jest zamieniana w energie elektryczną.
Elektrownie wodne można podzielić na:
- elektrownie z naturalnym dopływem wody:
- elektrownie regulacyjne - inaczej zbiornikowe, tzn., że przed elektrownią znajduje się zbiornik wodny, który wyrównuje sezonowe różnice w ilości płynącej wody
- elektrownie przepływowe, które nie posiadają zbiornika, więc ilość wyprodukowanej energii zależy od ilości wody płynącej w rzece w danym momencie.
- elektrownie szczytowo -pompowe, które znajdują się pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi tzw. górnym i dolnym.
Podział elektrowni wodnych, ze względu na wielkość to:
- elektrownie duże o mocy zainstalowanej 10 MW i więcej
- elektrownie małe o mocy w przedziale 200 kW- 10MW
- mikroelektrownie wodne o mocy poniżej 200 kW

Energia wodna nie odgrywa decydującej roli w zwiększaniu produkcji energii elektrycznej głównie z powodu:
- ograniczonych zasobów wodnych nadających się do wykorzystania w celach energetycznych
- trudnego dostępu do zasobów wodnych(duże odległości od skupisk ludzkich)
- dużych kosztów budowli elektrowni wodnych
- długich okresów realizacji inwestycji.
Obserwuje się jednak rozwój budownictwa elektrowni wodnych, zwłaszcza tam gdzie zasoby są duże oraz warunki hydrologiczne temu sprzyjają.

Największe elektrownie wodne budowane są na wielkich rzekach i osiągają moce jednostkowe 500- 700 MW. Należą do nich: Itaipu (Brazylia/Paragwaj)12600MW,Gran Coulle (USA) 9711MW, Guri (Wenezuela) 9000 MW, Krasnojarskaja 6096MW, Churchill fallus (Kanada) 5200 MW.

W ostatnich latach notuje się postęp w budowie elektrowni pompowych. W Polsce największe elektrownie szczytowo -pompowe, które odgrywają decydującą rolę wśród elektrownii wodnych, osiągają moce: Żydowo 152 MW, Porąbka 500 MW, Żarnowiec 680 MW i w przyszłości Młoty 750 MW.

Lp.	Nazwa elektrowni	Rzeka	Rok uruchomienia	Moc turbinowa (MW)	Moc pompowa (MW)
1	Żarnowiec	Piaśnica	1982	716,0	800,0
2	Poróbka	Soła	1979	550,0	540,0
3	Włocławek	Wisła	1970	162,0	----------
4	Żydowo	Radew	1971	152,0	120,8
5	Solina	San	1968	137,2	41,4
6	Niedzica	Dunajec	1997	90,0	89,0
7	Dychów	Bóbr	1951	79,5	30,0
8	Rożnów	Dunajec	1942	50,0	----------
9	Koronowo	Brda	1960	26,0	----------
10	Tresna	Soła	1967	21,0	----------
11	Dębe	Narew	1962	20,0	----------
12	Poróbka	Soła	1953	12,6	----------
13	Brzeg Dolny	Odra	1958	9,7	----------
14	Żur	Wda	1929	9,0	----------
15	Myszkowce	San	1961	8,3	----------
16	Czchów	Dunajec	1954	8,0	----------
17	Pilchowice	Bóbr	1912	7,9	----------
18	Biełkowo	Radunia	1925	7,5	----------
19	Otmuchów	Nysa Kłodzka	1933	4,8	----------
20	Bobrowice	Bóbr	1925	2,5	----------

Na świecie energia rzek zaspokaja około 3% zapotrzebowania na energie pierwotną. Dotychczas zagospodarowano energetycznie około 15 % całkowitego potencjału energetycznego rzek. Rozwój elektrowni wodnych ograniczony jest jedynie wymogami odpowiednich warunków zewnętrznych(terenowych i geologicznych) oraz zależy od wielkości kapitału posiadanego przez inwestora. Najwięcej środków pochłania budowa obiektów hydrotechnicznych, nieco mniej ich wyposażenie.

W porównaniu z innymi krajami, w Polsce potencjał jest niewielki. Razem z elektrowniami szczytowo- pompowymi stanowi tylko 2,7% ogólnej energii elektrycznej. W Europie wykorzystanie elektrowni wodnych w ogólnej produkcji energii elektrycznej jest zdecydowanie większe i wynosi: w Norwegii - 99,8%, w Austrii - 66,7%, w Portugalii - 48,0%, w Szwecji - 47,3%, we Włoszech - 31,5%.

Obecnie energetyka wodna dostarcza około 2% światowego zużycia energii i około 205 światowej produkcji energii elektrycznej. Pobieranie energii z elektrowni wodnych jest bardzo korzystne ze względu na charakter ekologiczny jak i ekonomiczny, bowiem dostarcza ona ekologicznie czystej energii, reguluje stosunki wodne zwiększając retencje wód powierzchniowych, co polepsza warunki uprawy roślin oraz warunki zaopatrzenia ludności i przemysłu w wodę. Energia elektryczna produkowana w elektrowniach wodnych wprowadzana jest do krajowego systemu przesyłu energii. Duża elektrownia wodna może zasilić nawet całe kilkutysięczne miasto. Małe elektrownie wodne również mają swoje zalety: - nie zanieczyszczają środowiska i mogą być instalowane na małych ciekach wodnych
- mogą być zaprojektowane i wybudowane w ciągu 1- 2 lat
- mogą być wykonana przy użyciu miejscowych materiałów i siły roboczej, a ich prosta technologia powoduje wysoką niezawodność i długą żywotność
- wymagają nielicznego personelu i mogą być sterowane zdalnie
- rozproszenie w terenie skraca odległość przesyłu energii i zmniejsza związane z tym koszty.

Rodzaje ruchów wody morskiej

Woda morska znajduje się w ciągłym ruchu. Wyróżniamy trzy główne rodzaje takich ruchów:
- falowanie (wiatrowe i sejsmiczne)
- pływy (przypływy i odpływy)
- prądy morskie (ciepłe zimne i obojętne)

Falowanie to poruszanie się wód w wyniku, którego powstają fale. Wywołane jest to przez wiatry i ruchy sejsmiczne. Fale wywołane przez wiatr mogą osiągać wysokość do 20 m. Falowanie sejsmiczne spowodowane jest przez trzęsienia ziemi i wybuchy wulkanów. Powstają wtedy tzw. fale tsunami, które osiągają ogromne wysokości i niosą zniszczenia

Energia fal morskich

Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania energii fal morskich napędzających albo turbinę wodną albo powietrzną.

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 Kaplana, sprzężona z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Wykorzystana jest więc przemiana energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną spadu.Instalacja taka pracuje od 1986r. na norweskiej wyspie Toftestallen koło Bergen dając moc 350kW. Takie rozwiązanie jest znane pod skrótem OWC

W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformach na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale powietrze wprawia w ruch turbinę Wellsa, która napędza generator. Rozwiązanie takie jest znane pod skrótem MOSC. Norwegia buduje elektrownie wykorzystujące fale morskie o mocy 2MW na wyspie Tongatapu na południowym Pacyfiku. Elektrownię typu MOSC projektuje się obecnie w Szkocji. Będzie ona miała moc 2000MW i będzie składała się z modułów po 5MW. Będzie ona też ochraniała brzeg morski przed zniszczeniem. Innym źródłem energii może być falowanie morza. Wielkie fale oceaniczne niosą ze sobą naprawdę znaczne jej ilości, lecz problemem jest jej efektywne pozyskanie. Testuje się obecnie różne rozwiązania, zwykle znajdujące się w fazie eksperymentu. W jednym z eksperymentalnych urządzeń pływak poruszany jest w górę i w dół, w miarę falowania powierzchni wody. Ruch ten napędza pompę, która dostarcza wodę pod ciśnieniem na turbinę, zasilającą generator.

Niedawno na wyspie Islay w Szkocji wybudowano elektrownię, wykorzystującą energię fal
morskich. Jej moc całkowita wynosi około 180 kW. Działa na zasadzie oscylującego słupa wody. Wpółzanurzona, otwarta u dołu komora wypełniona jest do pewnej wysokości wodą, ponad którą znajduje się powietrze. Gdy fala przechodzi, podnosi się słup wody w komorze, co zmusza znajdujące się nad nim powietrze do przepływania na zewnątrz i do wewnątrz komory. Ten ruch powietrza napędza turbinę, połączoną z generatorem.

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 pneumatyczne - fale wymuszają w nich ruch powietrza, które napędza turbinę.
elektrownie mechaniczne - wykorzystują siłę wyporu do poruszania się prostopadle do dna, co powoduje obracanie się wirnika połączonego z prądnicą
elektrownie indukcyjne - wykorzystują ruch pływaków do wytwarzania energii elektrycznej poprzez zastosowanie poruszających się wraz z pływakami cewek w polu magnetycznym
elektrownie hydrauliczne - w których przez ścianki nieruchomego zbiornika przelewają się jedynie szczyty fal, a woda wypływająca ze zbiornika napędza turbinę

Energia pływów

Pływy są skutkiem grawitacyjnego oddziaływania przyciągania Księżyca Słońca. Bardzo duża masa Słońca nie równoważy nawet połowy sił przypływowych wywołanych przez mały, ale niezbyt odległy Księżyc. Pływy księżycowe wzmocnione współdziałaniem ze Słońca zachodzą w pierwszej i trzeciej kwadrze. W korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie pływów morza. 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 podczas odpływu. 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, Wielkiej Brytanii, Kanadzie, Chinach, Korei Południowej i Indiach. Okres eksploatacji elektrowni wykorzystującej pływy liczony jest na 100 lat, jednak z powodu niebezpieczeństwa sztormów huraganów nie wykorzystuje się ich na skalą przemysłową. Wadami tych elektrowni jest zasalanie ujść rzek oraz erozja ich brzegów na skutek wahań wody, a także utrudnienie wędrówek ryb w górę rzeki.

Prądy morskie

Są to ruchy wody w morzach oceanach, związane z przenoszeniem na znaczne jej odległości w określonym czasie. Prądy morskie są jednym z podstawowych czynników pobudzających cyrkulację wód w oceanie. Powstają one pod wpływem:
1. ciśnienia powietrza i tarcia wody (wiatr) o powierzchnię oceanu
2. różnic w gęstości wody wywołanych zmianami temperatury i zasolenia
3. różnic w wysokości poziomu zwierciadła w sąsiadujących częściach oceanu
4. sił przyciągania Słońca i Księżyca
Ze względu na sposób powstawania rozróżnia się prądy morskie: wiatrowe (dryfowe), grawitacyjno- gradientowe, pływowe.

Ze względu na kierunek, w jakim porusza się woda morska rozróżnia się prądy morskie: poziome i pionowe.

Ze wzglądu na stałość czas trwania rozróżnia się prądy morskie: stałe okresowe i czasowe.

W zależności od różnic temperatur wód niesionych prądem morskim i temperatury wód otaczających rozróżnia się prądy ciepłe i zimne.

Zależnie od głębokości położenia warstwy wody objętej prądem rozróżnia się prądy morskie: powierzchniowe, głębinowe i przydenne.
Prądy morskie powstają zwykle pod wpływem działania kilku sił, których rola w ich formowaniu jest różna. Odgrywają one ważną role w kształtowaniu wodnych mas oceanu, wpływają na zasolenie, zawartość tlenu, barwę, temperaturę, przezroczystość mas wodnych, a tym samym mają ogromny wpływ na rozwój świata roślinnego i zwierzęcego. Wpływają również na kształtowanie się brzegów mórz i przemieszczanie lodów.

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 cieplna oceanu

Przemiana energii cieplej oceanu to wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu. Jest to możliwe na obszarach równikowych; woda morska ma tam na powierzchni temperaturę ok. 30 0C, a na głębokości 300- 500m temperaturę ok. 7 0C. Wykorzystanie tej różnicy polega na zastosowaniu czynnika roboczego, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości 300- 500m. Czynnikiem takim jest amoniak, freon lub propan. Cała instalacja wraz z generatorem znajduje się na platformie pływającej.

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;
* elektrownie regulacyjne - inaczej zbiornikowe, tzn., że przed elektrownią znajduje się zbiornik wodny, który wyrównuje sezonowe różnice w ilości płynącej wody;
* 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

Opracowanie: mgr Agnieszka Zięba

Wyświetleń: 1457