Hydroenergetyka w Unii Europejskiej

Transkrypt

1 Hydroenergetyka w Unii Europejskiej Autor: dr inŝ. Tadeusz Zbigniew Leszczyński (Biuletyn Urzędu Regulacji Energetyki nr 6/2009) Zasoby paliw kopalnych, wskutek nadmiernego zuŝycia, ulegają stopniowemu wyczerpaniu 1). Zgodnie z powszechnie panującym przekonaniem niewyczerpane są natomiast, a zdaniem niektórych wręcz utrzymują się na stałym poziomie 2 ), zasoby energii odnawialnej. W niniejszym artykule autor unika polemiki z powyŝszą tezą. Do odnawialnych źródeł energii zalicza się m.in. energię: wiatru 3), Słońca 4) i wody, przy czym ostatnia z wymienionych moŝe być pierwotnym źródłem energii (podczas naturalnych procesów przemiany energii takich jak: parowanie, topnienie lodu i śniegu, opady), bądź jej nośnikiem (prądy oceaniczne, źródła geotermalne, czy np. pływy wód wywołane grawitacją). Obecnie hydroenergia najczęściej jest utoŝsamiana z siłą płynącej wody wykorzystywanej do produkcji energii elektrycznej, która w przypadku wielkich hydroelektrowni, takich jak np. zbudowane wraz z Zaporą Trzech Przełomów w Chinach, moŝe słuŝyć do zaspokajania potrzeb znacznych obszarów kraju. Wspomnieć wypada, Ŝe juŝ staroŝytni Grecy wykorzystywali energię rzek do obracania kół wodnych, które z kolei słuŝyły do mielenia pszenicy na mąkę. Zaś początki współczesnego wykorzystania energii wody łączone są z produkcją energii elektrycznej przez Wodospad Niagara (1881 r.), którą stosowano do oświetlania ulic oraz z pierwszą hydroelektrownią na rzece Fox w stanie Wisconsin w USA (1882 r.). Natomiast pierwszą firmą wykorzystującą turbiny wodne do produkcji energii elektrycznej była Michigan's Grand Rapids Electric Light and Power Company, która uczyniła to w 1880 r. Hydroenergetyka jest współcześnie najbardziej rozwiniętym spośród działów energetyki wykorzystujących źródła energii odnawialnej i produkuje ok. 16% światowej energii elektrycznej (rys. 1). 6,70% 2,10% 39,80% 15,70% Węgiel Gaz ziemny 16,10% Woda E. jądrowa Ropa naftowa Pozostałe odnawialne źródła energii 19,60% Rysunek 1. Globalny energy mix w 2005 r. (Źródło: opracowanie własne) 1) Por. T.Z. Leszczyński, Bezpieczeństwo energetyczne Unii Europejskiej do 2030 roku, Prezes URE Biblioteka Regulatora, Warszawa ) Por. W.M. Lewandowski, Proekologiczne odnawialne źródła energii, WNT, Warszawa 2007, s ) Por. T.Z. Leszczyński, Rozwój energetyki wiatrowej w Unii Europejskiej, Biuletyn URE Nr 2/2009, s ) Por. T.Z. Leszczyński, Perspektywy energetyki słonecznej w Unii Europejskiej, Biuletyn URE Nr 5/2009, s

2 Jest to najtańszy sposób produkcji energii, gdyŝ po wybudowaniu tamy paliwo jest prawie za darmo. Wielkie elektrownie rzeczne produkują ok. 80% energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych, ale pokrywają jedynie 2% globalnego zapotrzebowania na energię. Do największych producentów energii elektrycznej z energii wodnej na świecie naleŝą: Chiny, Brazylia, Kanada, USA i Rosja. Niektóre kraje, jak np. Norwegia, produkcją energii elektrycznej w elektrowniach wodnych pokrywają prawie 100% swojego zapotrzebowania w tym zakresie. Rozwój energetyki wodnej na świecie Wiele krajów na świecie wykorzystuje energię wody do produkcji energii elektrycznej. Głównym powodem uŝycia energii rzek jest jej odnawialność, natomiast często podnoszonym przez ekologów argumentem przeciw stosowaniu elektrowni wodnych jest ich negatywny wpływ na zmiany środowiska naturalnego, w tym zmiany biegu rzek oraz utrudnienia dla rozwoju wodnej fauny i flory. Światowy potencjał energetyki wodnej, którego wykorzystanie jest ekonomicznie uzasadnione, oceniany jest na GW, z których obecnie wykorzystuje się jedynie ok. 850 GW, przy czym w latach energetyka wodna produkowała po ok TWh energii elektrycznej (tab. 1). Ze względu na niską emisję dwutlenku węgla i niskie koszty operacyjne eksploatacji, elektrownie wodne są najwaŝniejszym składnikiem energy mix, spośród przyjaznych klimatowi źródeł energii odnawialnej. Dotychczasowy roczny przyrost mocy w światowej hydroenergetyce rzędu 1-2% nie jest imponujący, zwłaszcza w porównaniu z przyrostem mocy w elektrowniach wiatrowych (20% rocznie) i elektrowniach słonecznych (ok. 30%/rok). Światowy Fundusz Ochrony Przyrody (WWF World Wide Fund for Nature) szacuje jednak, Ŝe do 2050 r. na całej Ziemi, bez negatywnego wpływu na środowisko naturalne, wybudowane zostaną dodatkowo wielkie, średnie i małe elektrownie wodne o łącznej mocy 370 GW. Tabela 1. Hydroenergetyka globalna w 2007 r. Kontynent Udział Moc Energia w produkcji zainstalowana wytworzona globalnej [w [w GW] [w TWh] %] Afryka 21,5 95,6 3,13 Ameryka Południowa 137,9 650,6 21,28 Ameryka Północna 167,1 660,8 21,61 Australia i Oceania 13,5 41,9 1,37 Azja 271,3 891,0 29,15 Europa 178,8 516,0 16,88 Rosja 47,0 177,2 5,80 Środkowy Wschód 11,5 23,8 0,78 Świat 848, ,9 100,00 Źródło: opracowanie własne. 2

3 Obecnie ponad połowa światowego potencjału energetyki wodnej eksploatowana jest w Azji i Ameryce Południowej. Nie jest on jednak w pełni wykorzystywany, np. Chiny, gdzie zlokalizowane są najbogatsze źródła słodkiej wody, obejmujące 17,6% zasobów globalnych, zagospodarowały ok. 1/3 z zasobów wodnych dostępnych w tym kraju mogących dostarczać energię 450 GW (tab. 2). Tabela 2. Udział energetyki wodnej w produkcji energii elektrycznej w wybranych państwach w 2006 r. Lp. Kraj Moc zainstalowana [w GW] Energia wytworzona [w TWh] Udział w produkcji energii elektrycznej [w %] 1 Chiny 171,5 563,3 17,2 2 Kanada 89,0 368,2 61,1 3 USA 79,5 250,8 5,7 4 Brazylia 69,1 371,5 90,0 5 Rosja 45,0 179,0 17,6 6 Indie 36,9 122,4 15,8 7 Norwegia 27,5 135,3 98,3 8 Japonia 27,2 83,6 7,2 9 Francja 25,3 63,6 11,2 10 Szwecja 16,2 66,2 44,3 Źródło: opracowanie własne. Chiny są największym światowym producentem energii elektrycznej w elektrowniach wodnych. Planują one do 2020 r. zwiększyć swoje moce w tym zakresie do 300 GW. Wymaga to budowy kaŝdego roku elektrowni wodnych o mocy 12 GW. Aktualnie realizowane na świecie projekty hydroenergetyczne zwiększą moc generatorów zainstalowanych w tym dziale energetyki o ponad 107 GW, z czego blisko o 95 GW (ok. 90%) w samych Chinach (tab. 3). Największe spośród realizowanych elektrowni wodnych budowane są wraz z Zaporą Trzech Przełomów (rys. 2). Tabela 3. Największe chińskie projekty hydroenergetyczne Lp. Nazwa projektu Moc maksymalna [w Rok Rok GW] rozpoczęcia zakończenia 1 Trzy Przełomy 22, Xiluodu 12, Xiangjiaba 6, Longtan 6, Nuozhadu 5, Jinping 4, Laxiwa 4, Xiaowan 4, Jinping 3, Pubugou 3, Źródło: opracowanie własne. 3

4 Rysunek 2. Jeden z elementów Zapory Trzech Przełomów, Chiny (Źródło: Google Earth, 2009) TakŜe poza Chinami w najbliŝszej perspektywie planowane są wielkie projekty hydroenergetyczne, w tym np. elektrownia Wielka Inga w Demokratycznej Republice Kongo (tab. 4), która ma być niemal dwukrotnie większa (40 GW) od największej hydroelektrowni chińskiej. Tabela 4. Wybrane projekty hydroenergetyczne poza Chinami 4 Lp. Nazwa projektu (kraj) Moc maksymalna [w GW] Rok rozpoczęcia Rok zakończenia 1 Wielka Inga (D.R. Kongo) 40, b.d. 2 Górny Siang (Indie) 11, b.d. 3 Jirau (Brazylia) 3, Boguchan (Rosja) 3, Chapetón (Argentyna) 3,0 b.d. b.d. 6 Dolny Churchill (Kanada) 2, Górna Subansiri (Indie) 2, b.d. 8 Tocoma (Wenezuela) 2, Bureja (Rosja) 2, Dolna Subansiri (Indie) 2, Źródło: opracowanie własne. W USA wybudowano na rzekach ok. 80 tys. tam (ponad 75 tys. o progu wodnym ponad 1,8 m, z których ponad 6 tys. przekracza 15 m), jednak turbiny do produkcji energii elektrycznej zainstalowano jedynie przy 2,4 tys. z nich. Ok. 860 spośród ww. wielkich tam jest wykorzystywanych do generacji energii elektrycznej, przy czym dla 612 jest to zadanie zasadnicze, a dla 248 zadanie dodatkowe. Teoretyczny potencjał hydroenergetyki w USA szacowany jest na 512 GW, co umoŝliwiałoby produkcję przez ten rodzaj energetyki odnawialnej ponad 4 tys. TWh energii elektrycznej rocznie. Techniczne moŝliwości szacowane są natomiast na 146,7 GW (ok. 528,5 TWh energii elektrycznej rocznie, z których ekonomicznie uzasadnione jest ok 376,0 TWh/rok). Administracja Białego Domu (U.S.

5 Department of Energy) zapowiedziała wydanie w 2010 r. 32 mln USD na modernizację istniejącej infrastruktury hydroenergetycznej, zwiększenie jej efektywności oraz redukcję negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Dodać naleŝy, Ŝe w USA ponad 90% energii elektrycznej wytwarzanej w hydroelektrowniach produkowana jest przez niezaleŝnych od państwa producentów energii. W sektorze energetyki zawodowej elektrownie wodne wykorzystywane są do produkcji niewielkich ilości energii jedynie w stanach: Nowy Jork, Massachusetts, Wisconsin, Północna i Południowa Karolina, Waszyngton i Kalifornia. Kanada ponad połowę produkowanej u siebie energii elektrycznej wytwarza w hydroelektrowniach. W kraju tym jest aktualnie ok. 2 GW mocy zainstalowanej w małych elektrowniach wodnych, co stanowi ok. 3% wszystkich mocy, którymi dysponuje energetyka (67 GW). W prowincji Ontario funkcjonuje 67 hydroelektrowni, z których prawie połowa wyposaŝona jest w turbiny o mocy poniŝej 10 MW. W prowincji Quebec funkcjonują jeszcze mniejsze elektrownie. W prowincjach Nowa Szkocja i Brunszwik działa po ok. 40 małych elektrowni wodnych, które dostarczają odpowiednio 11% i 20% mocy zainstalowanych w ww. prowincjach. W Kanadzie zidentyfikowano ok. 5,5 tys. miejsc, w których potencjalnie mogłyby zostać zbudowane małe elektrownie wodne o łącznym potencjale ok. 11 GW. Potencjał brazylijskich elektrowni wodnych w 2008 r. sięgał 261 GW, zaś moc zainstalowana w 706 czynnych hydroelektrowniach przekroczyła 78 GW, co pozwoliło Brazylii wysunąć się pod tym względem na drugie miejsce na świecie po Chinach, a przed USA i Kanadę. Hydroenergetyka produkuje 85,5% wytwarzanej w kraju energii elektrycznej (w 2007 r. 370,275 TWh drugie miejsce, za Chinami, a przed Kanadą i USA). Rosyjska hydroenergetyka w 2003 r. generowała 157,7 TWh energii elektrycznej, w tym: 61,1 TWh (39%) w części europejskiej Rosji, 86,8 TWh (55%) na Syberii oraz 9,8 TWh (6%) na Dalekim Wschodzie. Stanowiło to 20,7% dostępnego na terenie Rosji potencjału elektrowni wodnych (część europejska 48,2%, Syberia 24,8%, Daleki Wschód 3,3%). Obecnie Rosja posiada 102 wielkie elektrownie wodne, o mocy ponad 100 MW, które w 2008 r. posiadały moc zainstalowaną 45 GW oraz dostarczały 21% (165 TWh) wyprodukowanej w kraju energii elektrycznej. Do największych w Rosji elektrowni wodnych naleŝą: Sajano- Szuszenskaja (8,68 GW), Krasnojarskaja (6,0 GW), Bratskaja (4,5 GW) i Ust-Ilimskaja (4,32 GW). Budowane są aktualnie elektrownie o łącznej mocy 5,6 GW, a planowane kolejne o mocy sumarycznej 8,0 GW. Hydroenergetyka wytwarza w Indiach ponad 10% całkowitej produkcji energii elektrycznej. Większość tej energii pochodzi z wielkich elektrowni wodnych, budowanych na wielkich rzekach: Brahmaputrze, Indusie i Gangesie. Ich potencjał szacowany jest odpowiednio na: 66,1 GW, 33,8 GW i 20,7 GW, zaś rzek w całym kraju na 148,7 GW. Największe z dotychczas funkcjonujących indyjskich hydroelektrowni mają moc: Bhakara (stan PendŜab) 1,1 GW, Nagarjuna (Andra Pradesh) 0,96 GW, Koya (Maharashtra) 0,92 GW, Dehar (Himachal Pradesh) 0,9 GW, Sharavathy (Karnataka) 0,89 MW. W zakresie małej energetyki wodnej potencjał Indii szacowany jest na ok. 15 GW. Według stanu na r. w 674 małych elektrowniach wodnych (z turbinami o mocy do 25 MW) zainstalowana była moc 2,4 GW, a w 188 realizowanych nowych projektach hydroenergetycznych planowano uruchomić turbiny o łącznej mocy 0,5 GW. Do duŝych indyjskich elektrowni wodnych naleŝą takŝe: Kamataka 563,5 MW, Himachal Pradesh 230,9 MW, Maharashtra 211,3 MW, Andra Pradesh 180,8 MW, Kerala 133,9 MW i Uttarakhand 127,9 MW. Ostatnio, w 2008 r. oddano do uŝytku hydroelektrownie Dul Hasti (390 MW) i Omkareshwar (520 MW). Po zakończeniu aktualnie realizowanych projektów 5

6 najbardziej wzrośnie moc hydroelektrowni: Kamataka o 85,25 MW, West Bengal o 79, 25 MW i Uttarakhand o 40,35 MW. W Norwegii ponad 98% energii elektrycznej wytwarzane jest w elektrowniach wodnych. Zarówno agencje rządowe, jak i firmy prywatne wdraŝają obecnie programy redukcji kosztów i rozwoju technologii, które pozwolą Norwegii zachować pozycję światowego lidera w hydroenergetyce. W 2008 r. na świecie oddano do uŝytku małe elektrownie wodne o mocy ok. 8 GW i wielkie elektrownie wodne o mocy łącznej ok. 30 GW. W związku z powyŝszym, łączne moce zainstalowane w energetyce wodnej na koniec 2008 r. osiągnęły odpowiednio: 85 GW i 860 GW oraz łącznie 945 GW. Stan i perspektywy energetyki wodnej w Unii Europejskiej Hydroenergetyka jest aktualnie liderem spośród odnawialnych źródeł energii w produkcji energii elektrycznej w Unii Europejskiej. W tym celu wykorzystuje ona energię wody płynącej w rzekach, bądź wód spadających w dół z wysoko połoŝonych zbiorników. Wyodrębnia się trzy główne typy elektrowni wodnych: zaporowe, przepływowe, szczytowo-pompowe. W elektrowniach zaporowych tama gromadzi wodę w zbiorniku, która następnie spadając w dół napędza turbiny i generatory. Elektrownie przepływowe wykorzystują naturalną siłę biegu rzek. W obu powyŝszych przypadkach woda wykorzystana do napędzania turbin odprowadzana jest z powrotem do rzeki. Elektrownie szczytowo-pompowe do pracy potrzebują dwóch zbiorników wodnych. W czasie małego zapotrzebowania na energię elektryczną (zwykle w nocy) jest ona wykorzystywana do pompowania wody ze zbiornika dolnego do górnego, zaś w czasie wzrostu zapotrzebowania przepływa w kierunku odwrotnym, poruszając turbiny siłą swojego spadku. MoŜna stwierdzić, Ŝe elektrownie szczytowo-pompowe nie słuŝą do produkcji energii, tylko do jej magazynowania. Dlatego najlepsze efekty dają we współpracy w parze z inną elektrownią (np. jądrową, wiatrową lub słoneczną). Podczas małego zapotrzebowania na moc prąd z tych elektrowni słuŝy do pompowania wody do górnego zbiornika, zaś gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną rośnie lub spada moc elektrowni (wiatrowej/słonecznej), elektrownia szczytowo-pompowa spuszcza wodę i pracuje jak elektrownia przepływowa. Podstawowym elementem elektrowni wodnych są turbiny wodne, w których następuje zamiana energii potencjalnej wody w energię kinetyczną. Turbiny, wraz z przyłączonymi do nich generatorami, stanowią tzw. turbozespoły. Podstawowe typy powszechnie obecnie wykorzystywanych turbin wodnych to turbiny: Kaplana (dla małych spadków wód, stosowana głównie w małych elektrowniach wodnych), Francisa (dla średnich spadków) i Peltona (przy duŝych spadkach) (rys. 3). Wykorzystywane są równieŝ inne typy turbin, jak np. turbiny: Banki-Michella (akcyjna turbina przepływowa) i Deriaza (stosowana w elektrowniach szczytowo-pompowych). Wydobywana z wody energia kinetyczna poruszając łopatki turbiny wprowadzające w ruch wirnik, przetwarzana jest w energię mechaniczną. Turbiny obracając się z duŝą prędkością napędzają generatory, które z kolei dokonują konwersji energii mechanicznej na energię elektryczną. 6

7 Rysunek 3. Turbiny wykorzystywane w energetyce (Źródło: G.L.T. Filho, An Overview on Small Hydro in Brazil, Global Renewable Energy Forum, Foz do Iguaçu Brazylia, 2008) Elektrownie wodne, zwłaszcza duŝych mocy, zwykle są dołączone do systemu sieci przesyłowych, mogą jednak być takŝe wykorzystywane jako część wyodrębnionego systemu zasilania. W pierwszym przypadku wytworzona energia elektryczna jest sprzedawana dystrybutorom energii, którzy dostarczają ją do konsumentów, zaś w systemach wyodrębnionych wytworzona energia elektryczna moŝe bezpośrednio zasilać systemy uŝytkownika końcowego lub być magazynowana w zespołach baterii i akumulatorów. Całkowity teoretyczny potencjał energetyczny rzek płynących w państwach członkowskich Unii Europejskiej szacowany jest na TWh/rok (tab. 5). Realny potencjał techniczny unijnych zasobów hydroenergetycznych moŝliwy do wykorzystania to ok. 650 TWh/rok, a szacowany potencjał ekonomiczny wynosi ok. 470 TWh/rok. Tabela 5. Potencjał hydroenergetyki w Unii Europejskiej Kraj Całkowity potencjał teoretyczny* Potencjał dostępny technicznie* Potencjał opłacalny ekonomicznie* Produkcja energii elektrycznej** Produkcja elektrowni wodnych** Udział elektrowni wodnych Austria 150,0 53,7 53,7 63,505 37,664 59,31% Belgia 0,6 0,4 0,4 85,617 1,628 1,90% Bułgaria 26,4 15,0 12,0 45,843 4,579 9,99% Cypr 2,3 2,3 0,0 4,651 0,000 0,00% Czechy 13,1 3,4 3,4 84,361 3,257 3,86% Dania 0,1 0,1 0,1 45,716 23,000 0,05% Estonia 1,5 0,2 0,1 9,731 13,000 0,13% Finlandia 46,5 19,7 19,7 82,304 11,494 13,97% Francja 270,0 100,0 71,5 574,473 61,112 10,64% Grecja 80,0 15,0 12,0 60,789 6,475 10,65% Hiszpania 138,0 70,0 41,0 303,051 29,503 9,74% Holandia 0,7 0,2 0,1 98, ,000 0,11% Irlandia 1,4 1,2 1,0 28,046 1,088 3,88% Litwa 5,1 2,6 1,5 12, ,000 6,43% Luksemburg 0,1 0,1 0,1 4, ,000 21,16% Łotwa 7,2 4,0 3,9 4,891 2,698 55,16% 7

8 Malta 0,0 0,0 0,0 2,296 0,000 0,00% Niemcy 120,0 25,0 20,0 636,761 27,304 4,29% Polska 25,0 12,0 7,0 161,742 3,020 1,87% Portugalia 32,5 24,5 19,8 49,041 11,467 23,38% Rumunia 70,0 40,0 30,0 62,697 18,356 29,28% Słowacja 10,0 7,4 6,0 31,418 4,566 14,53% Słowenia 12,5 8,8 6,1 15,115 3,591 23,76% Szwecja 200,0 130,0 90,0 143,299 61,738 43,08% Węgry 10,0 8,0 4,0 35, ,000 0,52% W. Brytania 40,0 3,0 1,0 398,327 8,458 2,12% Włochy 340,0 105,0 65,0 314,121 43,425 13,82% UE 1 603,0 651,6 469, , ,470 10,23% * Potencjał w 2007 r. w TWh/rok, bez elektrowni szczytowo-pompowych. ** Produkcja energii elektrycznej w 2006 r. w GWh. Źródło: opracowanie własne. Największym teoretycznym potencjałem energetycznym rzek spośród państw Wspólnoty dysponują: Włochy, Francja, Szwecja, Austria, Hiszpania i Niemcy, a najmniejszym: Malta, Luksemburg, Dania, Belgia i Holandia. Realny potencjał techniczny zasobów hydroenergetycznych moŝliwych do wykorzystania największy jest w: Szwecji, we Włoszech i Francji, a najmniejszy na Malcie oraz w: Luksemburgu, Danii i Estonii. Natomiast szacowany potencjał, którego eksploatacja jest uzasadniona ekonomicznie największy jest w: Szwecji, we Włoszech i Austrii, a najmniejszy na Malcie i Cyprze oraz w: Danii, Estonii, Holandii i Luksemburgu. Hydroenergetyka w Unii Europejskiej w 2006 r. odpowiedzialna była za 64% produkcji energii elektrycznej przez odnawialne źródła energii, podczas gdy w 2000 r. było to 85% (rys. 4). Udział hydroenergetyki w produkcji energii elektrycznej wynosił wówczas w Unii Europejskiej ponad 10%, przy czym największy był w: Austrii, na Łotwie i w Szwecji, zaś najmniejszy na Malcie i Cyprze oraz w: Danii, Holandii, Estonii i na Węgrzech. Rysunek 4. Udział energetyki wodnej w produkcji energii elektrycznej w latach (Źródło: opracowanie własne, na podstawie The impact of renewable energy policy on economic growth and employment in the European Union Final report) 8

9 Liczne instalacje hydroenergetyczne we Francji charakteryzują się wielką róŝnorodnością. Ok. 52% elektrowni wodnych wykorzystuje energię biegu rzek, energię spadku wód z zapory 21%, a 27% skojarzonych jest z jeziorami i innymi zbiornikami wodnymi. Teoretyczny potencjał niemieckiej hydroenergetyki umoŝliwia produkcję 120 TWh energii elektrycznej rocznie. Potencjał techniczny szacowany jest na 25 TWh/rok, zaś moŝliwości ekonomicznie uzasadnione na 20 TWh/rok. Francja wykorzystuje ponad 90% potencjału energetycznego swoich rzek, a Niemcy ok. 70%. W Wielkiej Brytanii największe moŝliwości rozwoju energetyki wodnej występują w Szkocji, która posiada dwie sprzyjające temu cechy: górzysty teren oraz duŝą roczną ilość opadów, które sprzyjają eksploatacji wielkich elektrowni wodnych. Podobne warunki panują w Walii. Natomiast Anglia i Irlandia Północna posiadają warunki do budowy i wykorzystywania wielu małych elektrowni wodnych. Hydroenergetyka dostarcza w Wielkiej Brytanii ok. 2% energii elektrycznej, z której większość generowana jest w Szkocji. Wynika to z proporcji mocy turbin zainstalowanych w Szkocji (pięć wielkich hydroelektrowni o mocy łącznej MW oraz trzy elektrownie szczytowo-pompowe o łącznej mocy 830 MW) oraz w całym kraju (1 349 MW, nie licząc elektrowni szczytowo-pompowych). Rząd wspiera rozwój hydroenergetyki, zwłaszcza budowę małych elektrowni wodnych. Niedawno rozpoczęte projekty to: Glendoe w Wielkiej Brytanii (100 MW) i Blanca w Słowenii (42,5 MW). Według przewidywań European Small Hydropower Association (ESHA) moc zainstalowana w małych elektrowniach wodnych w 2020 r. sięgnie 16 GW, czyli o 4 GW powyŝej obecnego poziomu. Małe elektrownie wodne w warunkach europejskich cechują się efektywnością i bezpieczeństwem, długim cyklem Ŝycia oraz łatwością obsługi i wysoką niezawodnością, przy czym są zdolne do współpracy zarówno w zakresie obciąŝeń podstawowych, jak i szczytowych. Choć jeszcze nadal najpowszechniejsze są hydroelektrownie wykorzystujące siłę spadku wód spiętrzonych na zaporze rzecznej, to obecnie inwestorzy, w tym w Unii Europejskiej, coraz śmielej próbują wdraŝać nowe technologie. Równolegle z elektrowniami wodnymi naukowcy rozwijają inne sposoby generacji energii ze światowych zasobów wodnych. Do najbardziej znanych naleŝą wielkie, choć nieliczne projekty falowe i pływowe, których łączna moc zainstalowana na całym świecie w 2008 r. wynosiła zaledwie 0,3 GW, ale pozytywne doświadczenia wskazywały na duŝy potencjał wzrostu. Próby w zakresie moŝliwości konwersji cieplnej mórz takŝe pozwalają przypuszczać, Ŝe juŝ wkrótce będzie moŝliwe na skalę przemysłową wykorzystanie róŝnicy temperatur pomiędzy powierzchnią (ok. 30ºC), a głębią oceanu, szczególnie w klimacie tropikalnym (juŝ na głębokości m temperatura spada do ok. 7ºC). Fale morskie mogą pewnego dnia stać się jednym z waŝniejszych źródeł energii, gdyŝ energia, którą oferują, oceniana jest na GW i wedle szacunków moŝe zaspokajać ok. 12,5% światowego zapotrzebowania. Obecnie technologia ta, której rozwój wymaga rozwiązania jeszcze wielu problemów technicznych, rozwijana jest zaledwie w kilku miejscach na świecie, m.in. na farmie Agucadora wzdłuŝ wybrzeŝy Portugalii, na której zainstalowano trzy tubowe systemy hydrauliczne o mocy 750 kw kaŝdy. Metalowe węŝe morskie, w systemie o nazwie Pelemis, mają długość m i średnicę ok. 3,5 m (rys. 5). W Wielkiej Brytanii testowany jest system Anakonda, w którym wykorzystywane są wytwarzane z gumy węŝe (rury) o długość 200 m oraz średnicy ok. 7 m. 9

10 Rysunek 5. Elektrownia falowa u wybrzeŝy Portugalii (Źródło: Największy projekt pływowy funkcjonuje w Unii Europejskiej w okolicach St. Malo w północnej Francji (La Rance, o mocy 240 MW rys. 6). Natomiast w Wielkiej Brytanii u wybrzeŝy Walii (na Kanale Bristolskim koło Cardiff), kosztem 15 mld, rozwaŝana jest budowa zespołu elektrowni tego typu (rys. 7). Przy ujściu rzeki Severn wpadającej do Kanału Bristolskiego występują znaczne zmiany poziomu wody między przypływami i odpływami (do 15 m), co w przypadku zbudowania tam elektrowni wodnej mogłaby zapewnić generację 8,64 GW mocy. Rysunek 6. Elektrownia pływowa La Rance we Francji (Źródło: Rysunek 7. Elektrownia na Kanale Bristolskim (Źródło: 10

11 Aktualnie najbardziej efektywnym rozwiązaniem dla większości państw członkowskich Unii Europejskiej ze względów na ekonomikę jest wykorzystywanie małych elektrowni wodnych, o spadzie niskim i bardzo niskim, które mają znaczny udział w europejskich zasobach hydroenergetycznych. MoŜliwość taką potwierdza róŝnica pomiędzy ekonomicznie uzasadnioną wartością potencjału hydroenergetycznego, a rzeczywistym jego wykorzystaniem, która wynosi ok. 250 TWh/a, co odpowiada wartości 55 GW mocy zainstalowanej. Hydroenergetyka w Polsce Hydroenergetyka nie odgrywa w Polsce znaczącej roli, gdyŝ w kraju brak jest dobrych warunków hydrologicznych do jej rozwoju, w szczególności sprzyjających budowie wielkich elektrowni wodnych. Wynika to z nizinnego ukształtowania większości terytorium kraju, niewielkiego spadku koryta rzek, małej ilości opadów oraz duŝej przepuszczalności gruntów. Ograniczone zasoby wody wiąŝą się z jej niewielką energią, której potencjał szacuje się na 13,65 TWh/rok, a zasoby techniczne na 11,95 TWh/rok. Potencjał energetyki wodnej nie jest równomiernie rozłoŝony na terenie Polski, gdyŝ w ok. 77,6% (9,27 TWh/rok) skupiają się na Wiśle i jej dopływach, w 20,1% (2,4 TWh/rok) na Odrze wraz z dopływami, zaś w 2,3% (280 GWh/rok) na pozostałych rzekach (głównie Pomorza i Pojezierza Mazurskiego). Oprócz 128 elektrowni wodnych w hydroenergetyce zawodowej funkcjonuje w Polsce duŝa, szacowana aktualnie na ), liczba małych elektrowni wodnych, których moc nie przekracza zwykle 100 kw, a łączny potencjał wynosi w przybliŝeniu 1,7 TWh/rok. W elektrowniach wodnych zainstalowane jest jedynie nieco ponad 2,2 GW, co stanowi niespełna 6,5% mocy zainstalowanej w elektrowniach oraz ok. 15% naturalnych zasobów technicznych polskich rzek. Ponad połowę mocy zainstalowanej we wszystkich krajowych hydroelektrowniach (1,37 GW) skupiają w sobie trzy elektrownie szczytowo-pompowe: śarnowiec (716 MW rys. 8), Porąbka (500 MW) i śydowo (150 MW). Elektrownie szczytowo-pompowe nie naleŝą do odnawialnych źródeł energii. Świadczą one usługi regulacyjne, umoŝliwiając reakcję w sytuacji gwałtownego wzrostu obciąŝenia systemu elektroenergetycznego oraz dostarczając energii w szczytach obciąŝenia. Rysunek 8. Elektrownia szczytowo-pompowa w śarnowcu (Źródło: Google Earth) 5) Hydroenergetyka w Polsce, proekologia.pl, Szczecin

12 Największa z elektrowni szczytowo-pompowych połoŝona jest w śarnowcu na PobrzeŜu Kaszubskim. WyposaŜona jest ona w cztery hydrozespoły, kaŝdy o nominalnej mocy 179 MW (w systemie pracy generatorowej). Poszczególne zespoły stanowią niezaleŝne ciągi technologiczne, które są całkowicie zautomatyzowane, a ich uruchamianie i wyłączanie jest realizowane bezpośrednio z Krajowej Dyspozycji Mocy w Warszawie. Górny zbiornik posiada 122 ha powierzchni całkowitej oraz 13,6 mln m 3 pojemności uŝytkowej i umoŝliwia ciągłą pracę systemu elektroenergetycznego przez ok. 5,5 godzin dwa razy na dobę (technologia wymaga ok. 6,5 godzin pracy wszystkich hydrozespołów w ruchu pompowym, w celu napełnienia zbiornika). Pozostała łączna moc 899 MW zainstalowana jest w małych i średnich elektrowniach przepływowych i zbiornikowych (840 MW), spośród których do największych naleŝą hydroelektrownie w: Solinie (o mocy 200 MW rys. 9), Włocławku (162 MW), Czorsztynie (92 MW) i Wychowie (90 MW) oraz małych elektrowniach wodnych (59 MW). Rysunek 9. Elektrownia przepływowa w Solinie (Źródło: Google Earth) Zgodnie z zobowiązaniami wynikającymi z dyrektywy 2001/77/WE w zakresie osiągnięcia przez Polskę 7,5% udziału źródeł odnawialnych w produkcji energii elektrycznej do 2010 r., na najbliŝsze lata przewidywana jest m.in. intensyfikacja wykorzystania małej energetyki wodnej, do rozwoju której dogodne warunki istnieją np. w Karpatach, Sudetach i na Roztoczu. Ze względu na obecny kryzys ekonomiczny hydroenergetyka nie moŝe liczyć na znaczące wsparcie, choć nowe wodne elektrownie przepływowe mogłyby przyczynić się do realizacji ww. zadań. Planowana jest jednak budowa zapory na Wiśle w Nieszawie, poniŝej tamy we Włocławku, której zadaniem będzie przede wszystkim odciąŝenie i umoŝliwienie modernizacji tej ostatniej. Wnioski Hydroenergetyka jest zaliczana do odnawialnych źródeł energii, poniewaŝ wykorzystuje cykl obiegu wody na Ziemi. Energia kinetyczna przepływu lub spadku wód wykorzystywana jest głównie do produkcji energii elektrycznej, której ok TWh jest generowanych rocznie. W co trzecim kraju na świecie (66) energia wodna wytwarza ponad 50% produkowanej energii elektrycznej, a w 24 z nich ponad 90%. Energia płynących rzek wykorzystywana jest od bardzo wielu lat. Często budowa zapór na rzekach odgrywa takŝe inną pozytywną rolę, zabezpieczając tereny znajdujące się poniŝej jej przed zalaniem. 12

13 Zgodnie z przewidywaniami IEA (International Energy Agency) udział hydroenergetyki w produkcji energii elektrycznej, w związku z dynamicznym rozwojem innych rodzajów energetyki odnawialnej, w tym w szczególności wiatrowej, zmaleje w perspektywie średniookresowej z obecnych 16% (w 2009 r.) do 13% w 2030 r. Większość starych zapór wodnych będzie wkrótce musiała zostać zmodernizowanych lub rozbudowanych, co w związku z wymianą turbin na bardziej wydajne umoŝliwi częściowe wyhamowanie spadku udziału hydroenergetyki (o 30 GW) w globalnym energy mix. Hydroelektrownie nie tylko produkują czystą ekologicznie energię, ale dzięki tamom umoŝliwiają równieŝ regulowanie zaopatrzenia w wodę, poprzez gromadzenie jej i wykorzystanie w okresie suszy, a takŝe pozwalają powstrzymywać fale powodziowe. Aktualnie spośród technologii hydroenergetycznych największe znaczenie ma wykorzystanie spadku wód. Wykorzystuje się jednak takŝe energię pływów morza, fal morskich oraz energię cieplną mórz, a niedługo prawdopodobnie równieŝ energię prądów oceanicznych. Ze względu na duŝą róŝnicę pomiędzy ilością produkowanej energii elektrycznej, a potencjałem ekonomicznie opłacalnym, istnieją w Unii Europejskiej dotychczas niewykorzystane moŝliwości rozwoju energetyki wodnej. dr inŝ. Tadeusz Zbigniew Leszczyński Pracownik słuŝby cywilnej w Komendzie Głównej Policji, ekspert bezpieczeństwa narodowego i zarządzania kryzysowego Literatura: 1. Annual Energy Outlook Early Release Overview, EIA, Waszyngton Energy and environment report 2008, EEA, Kopenhaga Key World Energy Statistics 2008, OECD/IEA, ParyŜ Leszczyński T.Z., Bezpieczeństwo energetyczne Unii Europejskiej do 2030 roku, Prezes URE Biblioteka Regulatora, Warszawa Lewandowski W.M., Proekologiczne odnawialne źródła energii, WNT, Warszawa Survey Energy Resources Interim Update 2009, WEC, Londyn