Energetyka wodna
Publikacja: ,
Elektrownie wodne pozwalają na pozyskanie energii elektrycznej na skutek zamiany energii potencjalnej płynącej wody (rzeki), na energię mechaniczną (w turbinie), a następnie poprzez generator – w energię elektryczną.
Ze względu na niemal nieograniczoną dostępność energii wodnej (wód śródlądowych oraz energii prądów morskich i oceanicznych), energetykę wodną zalicza się do energetyki odnawialnej.
W Polsce pod pojęciem energetyki wodnej (zwanej także hydroenergią) rozumie się przede wszystkim wykorzystanie energii potencjalnej wód śródlądowych, co spowodowane jest krajowymi uwarunkowaniami geomorfologicznymi oraz klimatycznymi.
Zasada działania elektrowni wodnej
Energia wody (hydroenergia) najczęściej przetwarza jest na energię elektryczną za pomocą elektrowni wodnych i zainstalowanych w nich silnikach zwanych turbinami.
Pomimo istnienia wielu różnych rodzajów turbin, zasada działania wszystkich elektrowni wodnych jest taka sama – przetworzenie ciśnienia słupa płynącej wody (energii hydraulicznej cieku) w energię mechaniczną, a następnie za pomocą generatora – w energię elektryczną.
Budowa elektrowni wodnej
Podstawowym elementem elektrowni wodnej są turbiny wodne zbudowane z metalowych wirników wyposażonych w łopatki.
Wirnik turbiny pod wpływem przepływającej wody obraca się i przetwarza energię wody na energię mechaniczną. Ta z kolei za pomocą sprzężonej z turbiną prądnicy (generator) wykorzystywana jest do produkcji energii elektrycznej.
Obracający się wirnik, przez system przekładni obraca wałem generatora wytwarzając energię elektryczną, która następnie przesyłana jest do sieci elektroenergetycznej.
Budowa elektrowni wodnej1http://www.uwm.edu.pl/kolektory/hydroenerget/mala/technol.rozw.mew.htm
Rodzaje turbin
Do najczęściej stosowanych obecnie typów turbin w elektrowniach wodnych należą: turbina Kaplana, Francisa oraz Peltona.
Turbina Kaplana
Turbina jest umieszczonym w rurze wirnikiem w kształcie śruby okrętowej i regulowanym kątem łopat. Montowana jest w:
- komorze otwartej z wałem umieszczonym pionowo lub z wałem poziomym;
- obudowie spiralnej.
Konwersja energii hydraulicznej w energię mechaniczną ma tu miejsce na łopatkach wirnika, gdzie następuje zmiana kierunku przepływu wody z promieniowego na osiowy.
Turbina tego typu może pracować w szerokim zakresie spadów i przepływów. Zwykle wykorzystuje się ją w zakresie spadów od 1,5 do 20 m oraz prędkościach przepływów wody od 3 do 30 m³/s2http://www.renewablesfirst.co.uk/hydropower/hydropower-learning-centre3http://www.uwm.edu.pl/kolektory/energia-wody/mew.html.
Schemat turbiny Kaplana[ref]http://voith.com/en/Voith_Small_Hydro%282%29.pdf[/ref]
Turbina Peltona
Turbina ta ma zastosowanie w przypadku cieków o bardzo dużych (powyżej 20 m) spadach oraz jednocześnie stosunkowo niewielkich przepływach wody.
Wirnik turbiny zbudowany jest z rozmieszczonych promieniście czarek, na które za pomocą dyszy kierowany jest strumień wody. W celu zwiększenia stopnia przepływu stosuje się turbinę posiadającą kilka dysz.
Schemat turbiny Peltona[ref]http://voith.com/en/Voith_Small_Hydro%282%29.pdf[/ref]
Turbina Francisa
Jest obecnie najczęściej stosowanym w hydroenergetyce typem turbiny. Wykorzystywana jest w lokalizacjach charakteryzujących się wartościami spadu od 25 do 500 m.
Turbina Francisa montowana jest w:
- komorze otwartej z wałem pionowym (w sytuacji mniejszych spadów tj. do 50 m) lub w komorze z wałem poziomym (w przypadku większych spadów tj. powyżej 50 m);
- obudowie spiralnej.
Dzięki łopatkom kierownicy strumień doprowadzony jest do koła wodnego obwodowo, gdzie następuje zmiana kierunku przepływu wody z promieniowego na osiowy. Woda opuszcza turbinę przez rurę, w której wytwarza się podciśnienie, przez co rura zasysa wodę z wirnika4http://www.uwm.edu.pl/kolektory/energia-wody/mew.html.
Schemat turbiny Francisa[ref]http://voith.com/en/Voith_Small_Hydro%282%29.pdf[/ref]
Turbina Archimedesa
Turbina Archimedesa jest szczególnym rodzajem turbiny wodnej. Zbudowana jest ze stalowej rury, w której umieszczony jest wirnik w kształcie śruby. Prędkość obrotowa tego typu koła wodnego jest stosunkowo niska.
Śruba Archimedesa stosowana jest szczególnie w przypadku rzek o bardzo niskich przepływach oraz o szczególnie wysokich walorach przyrodniczych5http://www.dobraenergia.info/page8.php.
Schemat turbiny Archimedesa[ref]http://www.dobraenergia.info/page8.php[/ref]
Rodzaje elektrowni wodnych
Elektrownie wodne (hydroelektrownie) mogą wykorzystywać zarówno energię przepływających wód śródlądowych (elektrownie przepływowe), jak i energię ich spadku powstałego w wyniku piętrzenia (elektrownie na zbiornikach o okresowym regulowaniu przepływu, elektrownie w kaskadzie zwartej, elektrownie pompowe i elektrownie z członem pompowym)6http://portalrsi.it.kielce.pl/pl/top/rodzaje_odnawialnych_rodel_energ.
Podział elektrowni wodnych
Elektrownie wodne można podzielić na kilka sposobów:
a) ze względu na wielkość elektrowni wodnej7http://fundacjaenergia.pl/baza-wiedzy/technologie/energia-wod/hydroenergetyka:
- duże – o mocy powyżej 10 MW i małe (MEW) – o mocy w przedziale 1MW – 10 MW;
- minielektrownie wodne o mocy do 1 MW;
- mikroelektrownie wodne o mocy poniżej 200 kW.
b) biorąc pod uwagę wysokość spadów, elektrownie o:
- niskim spadzie (do 15 m);
- średnim spadzie (miedzy 15 a 50 m);
- wysokim spadzie (powyżej 50 m).
Schematyczny widok elektrowni niskospadowej (górny), wyskoko- i średnniospadowej (dolny)[ref]https://docplayer.pl/3250309-6-wyposazenie-elektromechaniczne-i.html[/ref]
c) uwzględniając sposób doprowadzania wody, elektrownie:
- przepływowe;
- zbiornikowe;
- szczytowo – pompowe;
- pływowe.
Rodzaje elektrowni wodnych: a) przepływowa b) pływowa c) zbiornikowa d) szczytowo-pompowa[ref]http://www.biomasa.org[/ref]
Elektrownie przepływowe
Tego rodzaju instalacje stosuje się na rzekach o małym spadku, gdzie nie ma możliwości gromadzenia wody. Produkcja energii w takich elektrowniach zależy bezpośrednio od aktualnej prędkości przepływu wody w rzece.
Elektrownie tego typu mogą wykorzystywać pojedynczy nurt rzeki (jako jedna elektrownia) lub zajmować większy obszar rzeki tworząc kompleks elektrowni wodnych (tzw. kaskadę). Stosowane w systemach kaskadowych rozwiązania polegające na piętrzeniu wody pozwalają na regulację mocy oraz magazynowanie nadwyżek energii8http://fundacjaenergia.pl/baza-wiedzy/technologie/energia-wod/hydroenergetyka.
Przepływowe elektrownie wodne w województwie małopolskim: EW Dąbie i Przewóz zlokalizowane na Wiśle w Krakowie oraz EW Olcza na potoku Olczyskim i EW Kuźnice na potoku Bystry w Zakopanem.
Elektrownia Dąbie[ref]http://www.tauron-ekoenergia.pl[/ref]
Elektrownia Przewóz [ref]http://www.tauron-ekoenergia.pl[/ref]
Elektrownie zbiornikowe
Podstawowym elementem tego rodzaju elektrowni jest naturalny bądź sztuczny zbiornik wody, który pozwala na akumulację wody (dzięki zaporze lub zabudowie hydrotechnicznej) i wykorzystywanie zgromadzonej w niej energii potencjalnej w dowolnym czasie, niezależnie od poziomu wód lokalnych9http://www.elektrownie.net/elektrownie-regulacyjne-zwane-takze-zbiornikowymi/.
Zasada działania tego rodzaju elektrowni jest taka sama jak elektrowni szczytowo–pompowych. Dzięki piętrzącej się wodzie w zbiorniku, takie rozwiązania są w znacznym stopniu niezależne od warunków klimatycznych.
Zbiorniki wód pełnią tu również funkcję przeciwpowodziową10http://fundacjaenergia.pl/baza-wiedzy/technologie/energia-wod/hydroenergetyka.
Zbiornikowe elektrownie wodne w województwie małopolskim: EW Rożnów i Czchów zlokalizowane na rzece Dunajec.
Elektrownia Rożnów [ref]http://www.tauron-ekoenergia.pl[/ref]
Elektrownia Czchów [ref]http://www.tauron-ekoenergia.pl[/ref]
Elektrownie szczytowo–pompowe
Podstawową funkcją tego typu elektrowni jest magazynowanie energii – w czasie niskich chwilowych cen energii elektrycznej woda przepompowywana jest ze zbiornika dolnego do zbiornika górnego za pomocą zasilanych prądem pomp.
W godzinach szczytu, kiedy cena prądu jest wysoka, woda ze zbiornika górnego przechodząc przez turbiny produkuje energię elektryczną, tak ja w „zwykłych” elektrowniach wodnych11http://www.elektrownie.net/elektrownie-regulacyjne-zwane-takze-zbiornikowymi/.
Szczytowo–pompowa elektrownia wodna w województwie małopolskim: EW w Nidzicy na Zbiorniku Czorsztyńskim.
Elektrownia szczytowo–pompowa[ref]http://www.zzw-niedzica.com.pl[/ref]
Elektrownie pływowe
Instalacje tego typu wykorzystują energię pływów mórz i oceanów. Buduje się je na brzegach zbiorników wodnych, w których różnica poziomu wynosi co najmniej 5 m.
Elektrownie falowo–pływowe
Elektrownie tego typu wykorzystują do produkcji energii elektrycznej fale i prądy morskie12Klugman-Radziewska Ewa, Proekologiczne odnawialne źródła energii Kompendium, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2017..
Małe elektrownie wodne (MEW)
Są to elektrownie wodne o mocy poniżej 5 MW. Ponieważ instalacje charakteryzuje znikomy wpływ na środowisko naturalne, zaliczane są do odnawialnych i przede wszystkim ekologicznych źródeł energii.
Mocne i słabe aspekty energetyki wodnej
Zalety
- Budowa elektrowni wodnej oznacza dostęp do źródła energii o stabilnej produkcji, której wykorzystanie nie wiąże się z emisjami szkodliwych gazów, a także oznacza oszczędność paliw kopalnych.
- Koszty eksploatacji elektrowni wodnych są znacząco niższe od elektrowni konwencjonalnych ze względu na fakt, że do produkcji energii nie potrzeba paliwa.
- Wartość produkcji energii z energetyki wodnej, w przeciwieństwie do pozostałych OZE, daje się wiarygodnie przewidzieć.
- Wykorzystanie energetyki wodnej może pozytywnie wpłynąć na bilans hydrologiczny oraz warunki żeglugowe rzek w kraju13http://www.dobraenergia.info/page8.php.
Wady
- Budowa elektrowni wodnych stanowi poważną ingerencję w środowisko naturalne, zwłaszcza w przypadku dużych elektrowni wodnych.
- W niektórych przypadkach może dojść do zamulenia dna rzeki wykorzystywanej do produkcji energii.
- Konstrukcja całej instalacji może utrudniać migrację ryb w górę rzeki.
- Budowa elektrowni wiąże się z wysokimi kosztami inwestycyjnymi (w odniesieniu do mocy elektrowni), a także długami i uciążliwym okresem przygotowawczym (skomplikowane regulacje prawne, konieczność uzyskania szeregu decyzji i/lub pozwoleń).
- Mieszkańcy zamieszkujący tereny blisko elektrowni wodnych ponadto skarżą się na uciążliwy hałas14http://www.teraz-srodowisko.pl/aktualnosci/Trudna-sytuacja-malych-elektrowni-wodnych-540.html.
Proces uzyskiwania pozwoleń dla instalacji MEW
Inwestor realizujący inwestycję w małą elektrownie wodną, musi być przygotowany na konieczność przejścia szeregu procedur związanych z uzyskaniem stosownych pozwoleń administracyjnych.
Decyzja środowiskowa
W pierwszym etapie trwającym od 4 do 12 miesięcy inwestor składa wniosek o wydanie decyzji środowiskowej, którą w zależności od lokalizacji potencjalnego obiektu wydaje (po wcześniejszym uzgodnieniu z Regionalną Dyrekcją Ochrony Środowiska) wójt, burmistrz lub prezydent miasta.
Nierzadko wydanie decyzji wiąże się z koniecznością sporządzenia Raportu oddziaływania inwestycji na środowisko.
Decyzja o warunkach zabudowy
Po uzyskaniu decyzji środowiskowej kolejnym krokiem inwestora jest uzyskanie decyzji o warunkach zabudowy, którą, podobnie jak w przypadku decyzji środowiskowej, wydaje wójt, burmistrz lub prezydent miasta.
Kluczową kwestią na tym etapie jest to, czy dla danego obszaru istnieje miejscowy plan zagospodarowania przestrzennego oraz czy uwzględniono w nim inwestycja typu MEW.
Nieuwzględnienie w miejscowym planie zagospodarowania wiążę się z koniecznością jego zmiany, co może być bardzo czasochłonne i trwać nawet do 2 lat.
Pozwolenie wodnoprawne
Kolejnym krokiem inwestora jest zatwierdzenie operatu wodnoprawnego i instrukcji gospodarowania wodą przez Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej, który w dalszej kolejności posłuży do uzyskania pozwolenia wodnoprawnego od starosty lub marszałka.
Decyzja nabycia praw do dysponowania majątkiem Skarbu Państwa i umowa przyłączeniowa
Z uwagi na fakt, że dominująca część gruntów pokrytych ciekami oraz budowli piętrzących należy do Skarbu Państwa, inwestycja w MEW najczęściej wiąże się uzyskaniem decyzji dotyczącej nabycia praw do dysponowania majątkiem Skarbu Państwa.
W zależności od rodzaju rzeki, organami odpowiedzialnymi w tej sprawie są Regionalne Zarządy Gospodarki Wodnej lub Wojewódzkie Zarządy Melioracji i Urządzeń Wodnych. Ponadto, procedura wydzierżawienie piętrzenia może wymagać przetargu, co dodatkowo wydłuża postępowanie o kolejny rok.
W innym przypadku następuje podpisanie przez inwestora umowy użytkowania gruntów. Niemniej istotne jest zagwarantowanie sobie na wcześniejszych etapach projektu praw do nieruchomości prywatnych, których posiadanie jest konieczne do realizacji inwestycji.
Na tym etapie inwestor powinien wystąpić do lokalnego operatora dystrybucyjnego o warunki przyłączenia do sieci i sporządzenie umowy przyłączeniowej.
Pozwolenie na budowę
Uzyskanie pozwolenia na budowę od starosty lub wojewody jest jednym z ostatnich etapów procesu przygotowania inwestycji. Wymaga ono przygotowania projektu budowlanego. Wraz z jego uzyskaniem inwestor rozpoczyna budowę instalacji.
Koncesja na wytworzenie energii elektrycznej
Ostatnim krokiem jest uzyskanie koncesji na wytwarzanie energii elektrycznej, w sprawie której inwestor występuje do Urzędu Regulacji Energetyki.
Reasumując, aby wytwórca mógł sprzedawać energię konieczne jest posiadanie umowy:
- świadczenia usług dystrybucji z Operatorem Systemu Dystrybucyjnego;
- sprzedaży energii elektrycznej wytworzonej w OŹE;
- ze spółką energetyczną na zakup energii na potrzeby własne15Mikroelektrownie i małe elektrownie wodne – Kompletny podręcznik odbudowy, Europejskie Stowarzyszenie Małej Energetyki Wodnej..
Autor: Krajowa Agencja Poszanowania Energii
