Energetyka Wodna. Z uwagi na brak naturalnej koncentracji spadu, stwarza się sztuczne spady poprzez:

Transkrypt

1 Energetyka Wodna Energetyka wodna to sposób wytwarzania energii dzięki wykorzystaniu energii zakumulowanej w wodach i przetwarzaniem jej na energię mechaniczną i elektryczną, przy użyciu turbin wodnych. Podstawową rolę w przemianie energii wody śródlądowej w elektrowni wodnej na energię elektryczną, odgrywa energia potencjalna. W turbinach wodnych mają za zadanie przetworzyć energię potencjalną i kinetyczną wody na energię mechaniczną. Następnie, zainstalowane prądnice elektryczne konwertują energię mechaniczną na energię elektryczną. Warunkiem otrzymania dużej mocy jest koncentracja w ograniczonym obszarze, dużej różnicy poziomów oraz dużego przepływu masowego wody. Z uwagi na brak naturalnej koncentracji spadu, stwarza się sztuczne spady poprzez: podniesienie poziomu wody w górnym zbiorniku; obniżenie poziomu dolnego zbiornika lub wybudowanie elektrowni podziemnej; budowę kanału skracającego, zmniejszającego straty przepływowe.

2 Uproszczony wzór do obliczenia zasobów energii wody dla elektrowni wodnych śródlądowych przedstawia się następująco: P = H g Q ρ [W] gdzie: P moc cieku wodnego [W] H wysokość spadu [m] g przyśpieszenie ziemskie 9,81 [ m s 2] Q Objętościowe natężenie przepływu wody [ m3 s ] ρ gęstość wody 1000 [ kg m 3] Lokalizacja dużych elektrowni wodnych w Polsce ELEKTROWNIA RZEKA / JEZIORO MOC [MW] 1.Żarnowiec J.Żarnowieckie Porąbka - Żar Soła Włocławek Wisła 160,2 4.Żydawo Radew Solina San Niedzica Dunajec 92,6 7.Dychów Bóbr 79,5 8.Rożnów Dunajec 50 9.Koronowo Brda Tresna Soła Dębe Narew Porąbka Soła 12,6 13.Wały Śląskie - (Brzeg Dolny) Odra 9,8 14.Żur Wda 8,4 15.Plichowice (I+II) Bóbr 8,34 16.Bielkowo I Radunia 8 17.Czchów Dunajec 8 18.Wrocław (I+II) Odra 5,8

3 EW Żarnowiec Elektrownia w Żarnowcu została wybudowana w 1983 r. i do tej pory jest największą elektrownią wodną w Polsce. Jest to elektrownia szczytowo-pompowa usytuowana pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi dolnym i górnym o znacznej różnicy wysokości, która wykorzystywana jest do produkcji energii w czasie największego zapotrzebowania na energię elektryczną w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym. Obiekty tego typu pobierają z sieci więcej energii elektrycznej, niż same są w stanie wyprodukować. W czasie gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną w Polsce jest mniejsze (noc) a energia elektryczna jest tańsza, woda ze źródła dolnego (jezioro

4 Żarnowieckie) pompowana jest do zbiornika górnego. Produkcja energii elektrycznej następuje poprzez spuszczanie wody ze zbiornika górnego do zbiornika dolnego. Sprawność elektrowni szczytowo-pompowych oscyluje w przedziale 65-85% (oznacza to, że 1 MWh pobrana z sieci, przekłada się na 0,65-0,85 MWh wygenerowanej energii elektrycznej). Sprawność cyklu w EW Żarnowiec wynosi 73 % przy wykorzystaniu czterech turbin typu Francisa i generatorów synchronicznych o mocy 179 MW każdy w systemie pracy generatorowej. Uzupełnianie zbiornika górnego trwa około 6,5 godziny ( w tryb pracy pompowej 4 x 200 MW). Turbozespoły pracujące w EW Żarnowic stanowią niezależne ciągi technologiczne pozwalające na indywidualną pracę z niezależnymi wyprowadzeniami mocy. W związku na powyższe cechy EW Żarnowiec spełnia funkcję regulacyjno-interwenycjną w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym. Podstawowe zadania stawiane przed EW Żarnowiec to: - łagodzenie krzywej dobowej zapotrzebownia na Energię Elektryczną w Polsce - interwencyjne pokrycie ubytków i nadwyżek mocy w Systemie Elektroenergetycznym - optymalizacja pracy Krajowego Systemu Elektronergetycznego poprzez prowadzenie szybkiej i stałej regulacji mocy dostarczanej do Krajowego Systemu Elektoenergetycznego Schemat opisujący działanie EW Żarnowiec wraz z danymi zamieszczono na schemacie oraz poniższej tabeli: Maszynownia Moc nominalna 716 MW Produkcja roczna (uśredniona) GWh Zbiornik Górny Powierzchnia 135 ha Pojemność m 3 Zbiornik dolny (jezioro Żarnowieckie) Powierzchnia 1470 ha Pojemność m 3 Rurociągi derywacyjne Długość rurociągu 1100 m Ilość 4 Średnica 7,1/5,4 m Maksymalny przepływ 700 m 3 /s Spad m

5 EW Porąbka Żar Druga co do wielkości elektrownia wodna w Polsce wybudowana w 1979 r. Jest to elektrownia szczytowo-pompowa wykorzystująca jako zbiornik dolny Jezioro Międzybrodzkie, którego zapora znajduje się w Międzybrodziu Bialskim, natomiast górny zbiornik ( całkowicie sztuczny ) wybudowany jest na szczycie góry Żar. O lokalizacji elektrowni zadecydowały wyjątkowo korzystne warunki topograficzne : duży spad 440 metrów przy małej odległości między zbiornikami oraz możliwość wykorzystania zagospodarowanej rzeki Soły. Sprawność cyklu w EW Porąbka - Żar wynosi 75 % przy wykorzystaniu czterech turbin typu Francisa. Moc generatorowa każdego turbozespołu wynosi 125 MW, a moc pompowa 135,5 MW. Rozruch pojedyńczego turbozespołu trwa 3 minuty, a 143 sekundy trwa zatrzymanie z pełnego obciążenia w pracy generatorowej. Zmiana kierunku pracy czy przejście z pracy generarowoej do pompowej zajmuje 10 minut. Maszynownia Moc nominalna 500 MW Produkcja roczna (uśredniona) 640 GWh Zbiornik Górny Powierzchnia 14 ha Pojemność m 3 Zbiornik dolny (jezioro Żarnowieckie) Powierzchnia 1470 ha Pojemność m 3 Rurociągi Średnica Spad Rurociągi derywacyjne 2 x 872 m 4 m 430 m

6 EW Włocławek Przepływowa elektrownia wodna we Włocławku wybudowana została w 1969 r. Obecnie jest trzecią co do wielkości pod wzgledem zainstalowanej mocy elektrownią wodną w Polsce. Przez wiele lat elektrownia we włocławku spełniała funkcję jednostki szczytowej oraz interwencyjnej. Zaprojektowana w ramach projektu kaskady dolnej Wisły jako jeden z ośmiu elementów systemu stopni wodnych. Po upływie niemal połowy stulecia nadal stoi na Wiśle jako samodzielny obiekt. Elektrownia wodna we Włocławku to wciąż największa przepływowa elektrownia wodna w Polsce. Moc zainstalowana Elektrowni Wodnej we Włocławku wynosi MW i jest to największa elektrownia przepływowa w Polsce. Termin przepływowa oznacza, że bazuje ona na energii przepływającego w danej chwili przez elektrownię strumienia wody, który napływając na łopaty turbin obraca je. Moment obrotowy przekazywany jest poprzez wał na generator synchroniczny, a ten z kolei przetwarza energię mechaniczną na energię elektryczną. We włocławskiej elektrowni pracuje 6 turbin Kaplana. Posiadają one po 4 łopaty, a średnica łopat wirnika ma długości 9 m. Turbiny tego typu mają możliwość zmiany kąta nachylenia łopat podczas pracy, pracują w osi pionowej, regulacja kąta ich nachylenia wpływa na wartość mocy hydrozespołu. Hydrozespołem natomiast nazywany jest element mechaniczny oraz napędzany przez niego element elektryczny.

7 Każda z turbin Kaplana zainstalowanych we włocławskiej elektrowni jest bezpośrednio sprzężona z generatorem synchronicznym na wale w osi pionowej tworząc razem 6 hydrozespołów o mocy znamionowej 26,7 MW każdy. Prędkość obrotowa turbiny i generatora jest jednakowa i wynosi 57,7 obr/min. Para hydrozespołów wraz z transformatorem blokowym tworzy tak zwany blok energetyczny. Schemat blokowy połączenia hydrozespołów przedstawiony jest na rysunku nr 2. Przepustowość znamionowa każdej z turbin, czyli nominalna ilość wody przepływająca przez turbinę w jednostce czasu ma wartość 365 m3/s, co składa się na całkowity przełyk instalowany elektrowni równy 2100 m3/s. Dopuszczalny spad, czyli różnica między górnym (przed zaporą) a dolnym poziomem wody (za zaporą) waha się w granicach od 5,25 do 12,75 m. Spad znamionowy to 8,8 m. To oczywiste, że im wyższy spad tym większa wartość energii potencjalnej wody, a co za tym idzie więcej energii elektrycznej w etapie końcowym. Istnieją jednak pewne ograniczenia. Praca turbin przy zbyt dużym spadzie prowadzi do zjawiska kawitacji, czyli tworzenia się i zanikania pęcherzyków pary wodnej powodujących przyspieszenie procesu zużycia turbin. Oprócz tego wysokie spady stanowią duże zagrożenie dla środowiska naturalnego. Elektrownia pracuje w sposób ciągły bez przerwy przez 365 dni w roku. Średnia roczna produkcja energii wynosi 739 GWh. Warto podkreślić, że jest to ekologicznie czysta energia, która nie powoduje zanieczyszczenia środowiska naturalnego, ponieważ jej produkcja (w odróżnieniu od energii z węgla) nie powoduje emisji spalin do atmosfery takich jak: dwutlenek węgla, tlenki siarki, tlenki

8 azotów czy pyły. W Polsce w 2015 r. zawodowe elektrownie wodne wytworzyły 2261 GWh energii elektrycznej, co oznacza, że Elektrownia Włocławek miała znaczący około 30% wkład w krajową produkcję energii elektrycznej uzyskiwanej z wody. Podstawowe parametry Moc nominalna 160,2 MW Spad znamionowy 8,8 m Przepustowość (przełyk) każdej z turbin 365 m 3 /h Liczba turbin 6 Prędkość obrotowa turbiny 57,7 obr/min Produkcja roczna (uśredniona) 739 GWh Największe elektrownie wodne na świecie Zapora Trzech Przełomów Największa na świecie elektrownia wodna a zarazem tama Trzech Przełonów ustytuowana została na rzece Jangcy w Chinach. Budowa rozpoczęła się dnia w grudniu 1994 roku. Do zakresu prac należało m. in. wykonanie zapory, śluz wodnych, elektrowni, wind dla statków oraz gigantycznego zbiornika wodnego. Wysiedlono 1,3 mln ludzi w tym (13 miast, ponad 140 miasteczek i blisko 1600 wiosek), które, znalazły się na terenie projektowanego zbiornika wodnego. Zapora Trzech Przełomów kosztowała 37 mld dolarów (wysokość 181 m, szerokość 2335 m i grubość od 40 do 115 m). Elektrownia posiada 32 hydrozespoły o mocy 700 MW każdy oraz dwóch o mocy 50 MW co łącznie daje 22,5 GW mocy. Różnica poziomów wód wynosi 113 m. Sprawność elektrowni wynosi około 60 %. Zapora trzech przełomów

9 Zrealizowana inwestycja wywołuje obecnie bardzo wiele kontrowersji. Pomimo wybudowania zapory ponownie doszło do jednej z największych powodzi. Rzeka jest coraz bardziej zanieczyszczona a wybudowanie tamy doprowadziło do także do wyginięcia licznych gatunków flory i fauny. Z kolei poprzez powstanie gigantycznego zbiornika wodnego doszło do zmiany prędkości obrotowej ziemi o 0,06 sekundy i przesunięcia osi planety o 2 cm. Zniszczone zostały również stanowisko archeologiczne, które zostało całkowicie zalane Hydroelektrownia Itaipu Druga co do wielkości na świecie hydroelektrownia Itaipu jest położona na terytorium granicznym Paragwaju i Brazylii na rzece Paraná. Zapora ma niemalże 8 km długości i wysokość wynoszącą 225 m. W elektrowni pracuje 20 generatorów po 700 MW każdy (łączna moc 14 GW), które produkują około 97 TWh energii elektrycznej rocznie. Inwestycja pochłonęła niemal 19 mld dolarów. Produkowana ilość energii pozwala na pokrycie prawie w całości zapotrzebowania Paragwaju - 95% oraz w blisko 20 % pokrywa zapotrzebowanie Brazylii na energię elektryczną. Zapora utworzyła jezioro o powierzchni 1350 km. Powstanie takiego jeziora wiązało się z całkowitym zniszczeniem jednych z najpiękniejszych na świecie wodospadów Saltos del Guairá. Fotografia : Santos David Xiluodu Elektrownia wodna Xiluodu znajduje sie w Chinach i jest trzecią co do wielkości elektrownią wodną na świecie. W ciągu roku potrafi wyprodukować energię elektryczną w ilości 57 TWh dzięki siłowni złożonej z 18 turbin o mocy 770 MW, co daje moc całkowitą MW. Przepływ całkowity wynosi blisko 33 tys. m3 wody w ciąłu sekundy. Inwestycja pochłonęła blisko 6 mld

10 dolarów. Zapora ma 285 metrów wysokości oraz 700 metrów szerokości. Tama oprócz produkcji energii elektrycznej ma również za zadanie ochronę pobliskich terenów przed powodziami. Żródło: scoopnest.com Zestawienie trzech największych hydroelektrowni na świecie Nazwa Kraj Rzeka data ukończenia Moc zainstalowana [GW] Produkcja roczna [TWh] 1 Tama Trzech Przełomów Chiny Jangcy , Itaipu Brazylia/Paragwaj Parana Xiluodu Chiny Jangcy ,86 57

11 Podstawowe rodzaje turbin wodnych Turbina Kaplana Turbina Kaplana jest przykładem turbiny reakcyjnej, oznacza to, że ciśnienie wody przed wirnikiem jest większe od ciśnienia atmosferycznego. Swoim kształtem turbina Kaplana przypomina śrubę okrętową. Charakterystyczną cechą tej turbiny jest możliwość regulacji kąta nachylenia łopat wirnika oraz kierownic. Pozwala to na pracę urządzenia w szerokim zakresie pływów. Najważniejszymi elementami turbiny Kaplana są: układ zasilania, wirnik, aparata kierowniczy oraz rura ssąca. Wirnik składa się w zależności od rozwiązań konstrukcyjnych od 3 do 8 łopat. Turbiny Kaplana stosuje się dla spadów niskich do 70 m. Turbina charakteryzuje się wysoką sprawnością dochodzącą do 93%. Turbina Francisa Turbina Francisa jest przykładem turbiny reakcyjnej. Część przepływowa składa się z kierownicy, wirnika i rury ssącej, a także obudowy pełniącej funkcję elementu doprowadzającego wodę do kierownicy. Układ kierowniczy zapewnia dopływ określonej ilości wody oraz odpowiednie ukierunkowanie strumienia. W wirniku energia wody zostaje zamieniona na energię mechaniczną, zmianie ulega również kierunek przepływu wody z promieniowego na osiowy. Wirnik składa się z wieńców wewnętrznego i zewnętrznego połączonych z nieruchomymi łopatkami. Zadaniem rury odpływowej jest wytworzenie podciśnienia. Turbinę Francisa stosuje się dla spadów do wielkości 500 m. Turbina Peltona Turbina Peltona jest przykładem turbiny akcyjnej, woda jest doprowadzana do wirnika pod ciśnieniem atmosferycznym. Stosowana jest do spadów w wysokości nawet 2000 m. Turbina Peltona składa się z dyszy pełniących funkcję wieńca kierowniczego oraz wirnika mającego postać tarczy z równomiernie rozmieszczonymi podwójnymi łopatkami. Łopatki mają kształt podwójnych czarek i są równomiernie rozmieszczone na obwodzie tarczy. W zależności od układu osi wału: pionowej lub poziomej zmienia się liczba dysz. Dla turbin o wale poziomym maksymalnie stosuje się do trzech dysz, ponieważ większa liczba dysz powodowałaby straty mocy ze względu na zderzanie się ze sobą strumieni wody. Dla turbin o pionowym wale można stosować do sześciu dysz. Turbina Peltona osiąga do 90% sprawności..