Przybywa MEW. Przyszłość w wodzie?

Transkrypt

1 Przybywa MEW. Przyszłość w wodzie? prof. zw. dr hab. Włodzimierz Kotowski (Energia Gigawat) W 1990 roku światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną wynosiło 12,4 PWh (petawatogodzina, czyli watogodzin), z czego 18,1%, czyli 2,24 PWh czerpano z energii wody. Zakłada się że roczny wzrost światowego zapotrzebowania na energię elektryczną wyniesie 2,2% w okresie do roku W 2020 r. zapotrzebowanie na energię elektryczną będzie prawdopodobnie wynosiło: w Europie (łącznie z Rosją): 7,7 PWh, w Azji: 6 PWh, w Amerykach: 7 PWh, w Afryce: 1,3 PWh oraz w Australii i Oceanii: 1 PWh. Ocenia się, że w 2020 r. z energii wodnej będzie się uzyskiwać następujące ilości energii elektrycznej: w Azji: 1,9 PWh, w obu Amerykach: 2,2 PWh, w Afryce: 1,25 PWh i w Europie: 1,15 PWh. Produkcja z elektrowni wodnych na całym świecie wyniesie wówczas 6,5 PWh, podczas gdy w 1990 r. wynosiła 2,24 PWh. W ciągu 30 lat zwiększy się zatem trzykrotnie, a dzięki temu w 2020 r. wykorzysta się 62% użytecznych wód. Energetyka wodna w Polsce, która jest obecnie wykorzystana w niewielkim stopniu, ma szansę na duży rozwój. W roku 1985 na świecie wykorzystywano średnio 22% potencjału hydroenergetycznego, przy czym takie kraje jak Francja i Włochy wykorzystują swój potencjał w prawie w 100%. Polska wykorzystuje jedynie 11% swojego potencjału hydroenergetycznego i dlatego też przed tym źródłem odnawialnej energii stoi poważna szansa rozwoju. Pojęcie Małej Elektrowni Wodnej MEW może być zdefiniowane na kilka sposobów w zależności od: wielkości spadu wody, mocy jednostkowej generatorów, oraz sumarycznej mocy zainstalowanej. Wyróżnia się trzy warianty eksploatacji MEW: - współpraca hydrozespołu wyłącznie z siecią państwową. W układzie tym elektrownie pracują równolegle z siecią energetyczną, która decyduje o wielkości napięcia i częstotliwości; - praca hydrozespołu na wydzieloną sieć energetyczną, zwaną często siecią lokalną; zadaniem elektrowni jest zasilanie odbiorców nie posiadających innego źródła energii elektrycznej. Praca MEW w tym układzie charakteryzuje się dużą zmiennością obciążenia w czasie; - 1 -

2 - współpraca z państwową siecią energetyczną oraz rezerwowe zasilanie wydzielonego sektora sieci lokalnej w przypadku braku napięcia w sieci państwowej. W Polsce stosuje się określenie Małej Elektrowni Wodnej dla obiektów o mocy zainstalowanej do 5 MW. Zdecydowana ich większość pracuje na sieć państwową. Wielkość napięcia i częstotliwość narzucana jest więc przez system energetyczny. Praktycznie jedynymi obiektami hydroenergetycznymi, których liczba stale wzrasta, głównie za sprawą inwestorów prywatnych, są małe elektrownie wodne. Przewiduje się wybudowanie do roku 2020 około 1000 małych elektrowni wodnych o globalnej mocy prawie 200 MW, co w lokalnych bilansach energii elektrycznej przyniesie znaczące efekty ekonomiczne, gospodarcze i w środowisku. Korzyści Pomimo znikomego udziału ilościowego, energetykę wodną charakteryzują następujące zalety technologiczne i eksploatacyjne: - wykorzystanie niewyczerpalnych źródeł energii odnawialnej do produkcji czystej ekologicznie energii; - proste procesy technologiczne umożliwiające pełną automatykę obsługi, możliwość zdalnego sterowania z ośrodków dyspozycyjnych; - krótkie czasy uruchomienia i zatrzymania turbozespołów (kilkadziesiąt sekund do kilku minut); - wysoka dyspozycyjność (przekraczająca 95%) i pewność ruchowa; - możliwość pracy w dużym zakresie zmienności parametrów, nowoczesne regulowane hydrozespoły mogą pracować w zakresie mocy od % z wysokimi sprawnościami. Elektrownie wodne wykorzystywane są w systemie, niezależnie od pracy szczytowej i podszczytowej, do celów regulacyjnych i interwencyjnych. Dotyczy to szczególnie dużych elektrowni takich jak Włocławek i dużych elektrowni zbiornikowych jak Solina, Dychów i ostatnio oddana do eksploatacji EW Czorsztyn. Zasady działania Turbina wodna jest to silnik przetwarzający energię mechaniczną wody na pracę użyteczną w wirniku, w którym następuje zmiana krętu wody i wytwarzanie momentu obrotowego. W zależności od tego, w jakiej postaci energia jest doprowadzona do wirnika dzieli się turbiny na dwa rodzaje: 1. turbiny reakcyjne (naporowe) - 2 -

3 2. turbiny akcyjne (natryskowe) W turbinie reakcyjnej przemiana energii potencjalnej wody w energię kinetyczną wirnika odbywa się częściowo w aparacie kierowniczym, a częściowo w samym wirniku. W turbinie akcyjnej przemiana energetyczna odbywa się w ten sposób, że energia potencjalna, związana z ciśnieniem wody na poziomie wlotu do turbiny, zamienia się w dyszy na energię kinetyczną strugi wodnej, która przekazuje ją wirnikowi. Turbiny reakcyjne dzielą się ze względu na kierunki przepływu wody przez wirnik na trzy rodzaje: 1. turbiny osiowe - Kaplana i śmigłowe (rys. 1) 2. turbiny promieniowo-osiowe - Francisa (rys. 2) 3. turbiny przekątne - Dériaza (rys. 3) Przez wirnik turbiny osiowej woda przepływa mniej więcej w kierunku równoległym do osi obrotu wirnika. W turbinie promieniowo-osiowej woda przepływając przez kanały międzyłopatkowe, zmienia kierunek z promieniowego na osiowy, zaś w turbinie przekątnej kierunek składowej prędkości wody w płaszczyźnie osi wirnika jest pod pewnym kątem do tej osi. We wszystkich rodzajach turbin woda jest doprowadzana do wirnika na obwodzie za pomocą kierownicy, która nadaje jej ruch obrotowy wokół osi, przez co prędkość przepływu ma także składową obwodową. Rozwój energetyki wodnej Pomimo trudności w finansowaniu z budżetu centralnego zakończonych zostało kilka obiektów prowadzonych przez Okręgową Dyrekcję Gospodarki Wodnej. Ze względu na długotrwały okres realizacji efektywność ekonomiczna tych inwestycji została znacznie zmniejszona. Na szczególne uznanie zasługują działania podjęte przez Zespół Elektrowni Wodnych Dychów S.A., w wyniku których wybudowano lub zmodernizowano pięć małych elektrowni wodnych, trzy są w budowie na ukończeniu, a trzy kolejne w przygotowaniu. W programach rozwoju gospodarki wodnej aktywny udział biorą Elektrownie Szczytowo- Pompowe S.A. (ESP), która to spółka zajmuje na krajowych i lokalnych rynkach energii wiodącą pozycję w świadczeniu usług systemowych oraz dostaw energii szczytowej wytworzonej za pomocą przyjaznych środowisku, wykorzystujących odnawialne źródła energii pierwotnej. Jednym z osiągnięć ESP S.A. jest rozpoczęcie szerokiego programu modernizacji istniejących elektrowni. Program ten ukierunkowany jest na: - odtworzenie wyeksploatowanego majątku produkcyjnego; - 3 -

4 - podniesienie sprawności maszyn (np. wymiana wirników turbin wodnych); - wyeliminowanie zagrożeń środowiska olejami (modernizacja łożysk, układów olejowych); - unowocześnienie części elektrycznej i automatyki (modernizacja układów zabezpieczenia, sygnalizacji, diagnostyki, automatyzacja sterowania). Przez ESP S.A. zmodernizowana już została EW Porąbka na Sole, w trakcie modernizacji jest EW Myczkowce, rozpoczęte zostały prace przygotowawcze modernizacji EW Solina, w wyniku której zostanie zwiększona moc elektrowni z 136 MW do ok. 200 MW. Rozpoczęte zostały prace modernizacyjne EW Dychów. Prawie 300 małych elektrowni o mocy kw uruchomili inwestorzy prywatni. Wybudowali oni te obiekty wykorzystując istniejące spiętrzenia, budowle, a nawet wyposażenie mechaniczne w celach komercyjnych. Zachowanych zostało w ten sposób wiele obiektów i urządzeń o wartości zabytkowej, historycznej. W tabeli 1 wykazano elektrownie wodne oddane do eksploatacji po 1990 roku

5 Tabela 1 Wykaz elektrowni wodnych oddanych do eksploatacji po roku Lp. Nazwa elektrowni wodnej Moc instal. kw Produkcja energii GWh/a Rok uruchomienia 1. EW Dobczyce , EW Klimkówka , EW Sromowce , EW Czorsztyn , Inwestor ODGW Kraków 5. EW Jeziorsko , ODGW Poznań 6. EW Małonice 456 3, EW Sobolice 650 3, EW Bukówka 840 5, EW Kliczków 645 2, ZEW DYCHÓW S.A. 10. EW Zasieki 822 5, EW Nysa 300 2, ZE Opole 12. EW Siemianówka 166 l, WZM i UM Białystok 13. EW Gorzupia , ZEW 14. EW Szprotawa 634 3, DYCHÓW/ESP 15. EW Żagań I 900 4, S.A. 16. EW Kępka 520 2, ZE Słupsk 17. EW Topola , ODGW Wrocław 18. EW Malczyce , ESP S.A. Po II wojnie światowej i zmianie granic kraju, w roku 1954 doliczono się 6330 czynnych zakładów, wykorzystujących energię spadku wód. W latach następnych zdecydowana większość tych zakładów została unieruchomiona i popadła w ruinę. Funkcja energetyczna małych piętrzeń zanikła przy gwałtownej industrializacji kraju, a jej zadania przejęły państwowe giganty. Spiętrzenia wodne pozostawiono własnemu losowi. W ciągu kilkudziesięciu lat powojennych, niektóre powodzie i akty wandalizmu spowodowały, że ocalało jedynie kilkaset obiektów. Na początku lat osiemdziesiątych w Polsce pracowało niecałe100 elektrowni wodnych, będących własnością resortu energetyki, a stan techniczny większości tych obiektów pozostawiał wiele do życzenia. Przełomową datą w ponownym rozwoju malej energetyki wodnej był rok 1981, kiedy to podjęto Uchwałę Rady Ministrów nr 192, która dopuściła do realizacji i użytkowania małe - 5 -

6 elektrownie wodne o mocy do 5 MW przez podmioty gospodarcze spoza energetyki zawodowej, w tym także przez osoby fizyczne. Ponadto zobowiązano zakłady energetyczne do zakupu wyprodukowanej energii elektrycznej. Spowodowało to zainteresowanie inwestorów, szczególnie prywatnych, uruchamianiem małych elektrowni wodnych. W pierwszej połowie lat osiemdziesiątych budowano średnio po kilka elektrowni rocznie, a w latach następnych liczba ta wzrosła do kilkunastu. W sumie pod koniec 1995 roku w Polsce pracowało 107 małych elektrowni wodnych, będących własnością energetyki i 264 będące własnością prywatną lub różnego rodzaju spółek i spółdzielni. Większość uruchamianych elektrowni, zwłaszcza prywatnych, powstaje na istniejących, lecz zdewastowanych ujęciach wodnych. W kilku przypadkach rozpoczęto jednak budowę od podstaw tzn. wraz ze spiętrzaniem. Po roku 1990 w kraju pojawili się inwestorzy, dysponujący znacznym kapitałem, zainteresowani budową obiektów o większych mocach. W chwili obecnej największe prywatne małe elektrownie wodne mają moc zainstalowaną, wynoszącą ok. 400 kw. * Inwestycje dotyczące budowy małych elektrowni wodnych niosą za sobą określone problemy techniczno-ekonomiczne. Dominującą pozycję w strukturze kosztów stanowią budowle (spiętrzające wodę, kanały, budynek siłowni, nabrzeża itp.). Osiągają one często poziom 50-60% nakładów inwestycyjnych. Dlatego też, gdzie jest to możliwe, wykorzystuje się już istniejące budowle, co pozwala na znaczne obniżenie kosztów. Drugą pozycją są koszty wyposażenia elektromechanicznego, stanowiące 1/3 kosztów inwestycyjnych. Około 10-15% stanowią koszty elementów związanych z przepływem wody (rurociągi, ujęcia wody, kraty, zasuwy, urządzenia oczyszczające). Istotnym wydatkiem jest także zakup gruntów (ok. 5%) oraz koszty projektu robót (ok. 5%). Dokonując rachunku efektywności elektrowni wodnych należy pamiętać, że obiekty te lokalizuje się przy wielofunkcyjnych zbiornikach wodnych, których głównym zadaniem jest ochrona przeciwpowodziowa, retencja wód, poprawa żeglowności rzek, a produkcja energii elektrycznej jest zadaniem drugorzędnym. Negatywnym zjawiskiem, które powoduje przyhamowanie budownictwa małych elektrowni wodnych jest blokowanie przez administratorów dostępu do istniejących piętrzeń i zbiorników wodnych oraz potoków górskich

7 Opracowując projekty małych elektrowni wodnych zauważono u inwestorów naturalną dążność do wykorzystania istniejących, wciąż jeszcze niezagospodarowanych piętrzeń, jak to uwidacznia rys. 4. Najliczniejszą grupę (ponad 300) takich piętrzeń stanowią jazy zasuwowe, jak te na rys. 5, budowane w trakcie regulacji rzek nizinnych. Jazy te piętrząc wodę służyły do nawodnień okolicznych pól. Cechą charakterystyczną takich piętrzeń jest niski spad (1,3 m) oraz dosyć znaczny przepływ rzeki, sięgający niekiedy kilkunastu m sześc./s. Pozwala to na zbudowanie elektrowni o mocy od kilku do kilkuset kw. W wyniku różnych analiz za racjonalne uznano zabudowania turbozespołów w jednej lub kilku zasuwach jazu. Woda zamiast bezprodukcyjnie przelać się przez piętrzące zasuwy przepuszczana jest przez turbogeneratory śmigłowe, produkujące energię elektryczną. Nieregulowane turbiny śmigłowe tak dobrano, by pracowały przy najwyższej sprawności dla danego spadu i przepływu. Taki typ turbin daje dużą niezawodność, prostotę konstrukcji oraz niski koszt zakupu. Są one włączane lub wyłączane w zależności od przepływu wody w rzece. W wyniku zmieniających się warunków ekonomicznych polskiej wsi większość jazów nie pracuje zgodnie z ich przeznaczeniem. Piętrzenia i nawodnienia nie są realizowane z racji braku potrzeb gospodarowania przyległymi do jazu terenami. Interesem inwestora jest przywrócenie pełnej sprawności jazu, gdyż jest to warunkiem poprawnej pracy jego MEW. Jazy zasuwowe, realizując dotychczasową funkcję, piętrzyły wodę jedynie w okresie nawodnień. Wprowadzona modyfikacja zastawek oraz odpowiednie nimi sterowanie pozwala na całoroczne piętrzenie. Tak piętrzący jaz stanowi element małej retencji, zatrzymuje wodę oraz bywa, że pełni również funkcje rekreacyjne. * Potrzeba ograniczenia emisji gazów cieplarnianych i innych substancji szkodliwych uzasadnia rozwój energetyki wodnej. Nie chodzi o subsydiowanie energetyki wodnej, ale powinny być wypracowane mechanizmy ekonomiczne, które umożliwią inwestowanie i rozwój energetyki wodnej z zachowaniem reguł gry rynku energii. Podstawą powinny być efekty z tytułu uwzględnienia: - efektów pozaenergetycznych, takich jak ograniczenie zanieczyszczenia atmosfery i środowisk; - 7 -

8 - rzetelnej oceny walorów energetyki wodnej dla krajowego systemu elektroenergetycznego; - pozaenergetycznych korzyści wynikających ze spiętrzenia rzeki i budowy zbiornika, takich jak realizacja zadań gospodarki wodnej, ochrona przeciwpowodziowa, regulacja stosunków wodnych, - czynników o charakterze ogólnospołecznym, takich jak aktywizacja terenu, wpływ na zmniejszenie bezrobocia, rozwój rekreacji i turystyki. Tego typu efekty zapewniają małe elektrownie wodne, jak przykładowo ta na rys. 6, pracująca od 1932 roku