Budowa stopnia wodnego w woj. kujawsko-pomorskim: konieczność czy zagrożenie? Prof. dr hab. inż. Józef Flizikowski

Transkrypt

1 Budowa stopnia wodnego w woj. kujawsko-pomorskim: konieczność czy zagrożenie? Prof. dr hab. inż. Józef Flizikowski fliz@utp.edu.pl

2 BUDOWA STOPNIA WODNEGO W WOJ. KUJAWSKO-POMORSKIM: KONIECZNOŚĆ CZY ZAGROŻENIE? 1. ENERGETYKA WODNA: KONIECZNOŚĆ, ZAGROŻENIE? 2. ROZWÓJ I INNOWACJA 3. STOPNIE, STANY I PLANY 4. POTENCJAŁ LUDZKI, TECHNICZNY, ENERGOMATERIALNY I STEROWNICZY 5. MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY 6. PODSUMOWANIE

4 ENERGETYKA WODNA KONIECZNOŚĆ, ZAGROŻENIE? Tabela Światowe zapotrzebowanie na nośniki energii, przewidywania dla roku 2010/2030 ILOŚĆ L.P. NOŚNIK ENERGII, PROCESOR 2010/2030 MLN. TON EKWIWALENTU OLEJOWEGO UDZIAŁ 2010/2030 % 1. Ropa naftowa 4.308/ ,33/34,97 2. Węgiel kam. i brunatny 2.763/ ,66/21,84 3. Gaz 2.703/ ,17/25,05 Razem konwencjonalne: 9.774/ ,16/81,86 4. Biomasa 1.264/ ,37/9,74 5. Jądrowa 778/764 6,38/4,62 6. Hydroenergia 276/365 2,26/2,22 7. Aeroenergia, wiatr i in. 101/256 0,83/1,56 Razem niekonwencjonalne: 2.419/ ,84/18,14 Zużycie i potrzeby razem: / Tabela: Światowe zapotrzebowanie na nośniki energii 2010/ GJ = tona ekwiwalentu olejowego

5 ENERGETYKA WODNA KONIECZNOŚĆ, ZAGROŻENIE?

8 ENERGETYKA WODNA KONIECZNOŚĆ, ZAGROŻENIE? ZALETY: Czyste odnawialne źródło energii. Możliwość szybkiego zatrzymywania i uruchamiania elektrowni. Małe problemy przy utrzymywaniu i eksploatacji elektrowni. Sztuczne zbiorniki wodne gromadzą wodę, zmniejszając ryzyko powodzi. WADY: Zależność od opadów deszczu. Konieczność zalania dużych obszarów i przesiedlenia ludzi, co niszczy naturalne siedliska lądowych dla roślin i zwierząt. Lokalne zmiany klimatyczne.

9 ENERGETYKA WODNA KONIECZNOŚĆ, ZAGROŻENIE? YDROENERGETYKA - BARIERY:. skomplikowana sytuacja własnościowa obiektów wodnych, mogących służyć rozwojowi małej energetyki wodnej,. zbyt duże koszty inwestycyjne w przypadku budowy od podstaw stopnia wodnego. Niezbędne jest zidentyfikowanie i właściwe zarządzanie istniejącymi obiektami wodnymi raz wpisywanie inwestycji energetycznych w działania inwestycyjne służące bezpieczeństwu przeciwpowodziowemu,. duży opór lobby ekologicznego (problemy na etapie konsultacji społecznych lub nawet rozpoczęcia robót budowlanych),. nadmierne eksponowanie aspektów ochrony środowiska w stosunku do problematyki gospodarczej zaburzenie zrównoważonego rozwoju,. ograniczone zasoby hydroenergetyczne.

10 ENERGETYKA WODNA KONIECZNOŚĆ, ZAGROŻENIE? 1. ENERGETYKA WODNA TO UŻYTECZNA, BEZPIECZNA I INNOWACYJNO-ROZWOJOWA KONIECZNOŚĆ!

12 ROZWÓJ I INNOWACJA Cele, (problemy) współczesnej energetyki, postulowane stany i przemiany (strategia Europa 2020): 1.Zmniejszenie zużycia energii, 2.Zwiększenie efektywności energetycznej, 3.Zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii 4.Tworzenie otwartych i inteligentnych sieci energetycznych 5.Decentralizacja wytwarzania i dystrybucji energii 6.Zwiększenie bezpieczeństwa dostaw energii w przypadku katastrof 7.Zwiększenie niezależności energetycznej Europy i zmniejszenie zależności od energetyki jądrowej (obecnie 30%)

13 ROZWÓJ I INNOWACJA edług "Założeń Polityki Energetycznej", amowystarczalność energetyczna Polski owinna spaść z 85 procent w roku 2000 o 60 procent w roku 2020 [5].

14 ROZWÓJ I INNOWACJA Samowystarczalność energetyczna wymaga 100% zaangażowania potencjału: 1.Ludzkiego, 2.Technicznego, 3.Energo-materialnego, 4.Sterowniczego!

15 ROZWÓJ I INNOWACJA Potencjał ludzki stanowi siłę napędową dla rozwoju regionu. W województwie kujawsko-pomorskim ponad 60 % ludności zamieszkuje w miastach jest to wartość zbliżona dla przeciętnej w Polsce. Na 100 osób w wieku produkcyjnym przypada 55,3 w wieku nieprodukcyjnym. Struktura wiekowa w województwie: 19 % społeczeństwa jest w wieku przedprodukcyjnym, 65 % w wieku produkcyjnym i 16 w wieku poprodukcyjnym. Taka struktura świadczy o bardzo dużym potencjale ilościowym pracowników.

16 ROZWÓJ I INNOWACJA WARUNKI ROZWOJU ELEKTROWNI WODNYCH: Jeżeli OZE (system) nie osiąga charakterystyk (niska efektywność działania, niewystarczająca jakość produktu, szkodliwość środowiskowa), to przyczynami mogą być: 1. Zniekształcone elementy (E) lub błędne ich relacje (R), 2. Nieprawidłowe (statyczne) oddziaływanie sterownicze (s), 3. Błędna istota realizacji procesu (I) i błędne oddziaływanie sterownicze (s). MODELE ROZWOJU: 1. Efektywności działania występują dane o strukturze i charakterystykach DZIAŁANIA systemu (IS); 2. Jakości produktu występują dane o jakości mocy, energii (IW); 3. Nieszkodliwości oddziaływania produktu i procesu występują dane dotyczące następstw działania PROCESU i PRODUKTU (ISW)

17 ROZWÓJ I INNOWACJA Nie bez znaczenia dla budowy stopnia wodnego, pozostają priorytety współczesnego otoczenia gospodarczo-społecznego przedstawiane w raportach strategicznych rozwoju obszarów wspólnoty europejskiej [29, Komisja Europejska, 2010]: 1. Rozwój inteligentny: rozwój gospodarki opartej na wiedzy i innowacji, 2. Rozwój zrównoważony: wspieranie gospodarki efektywniej korzystającej z zasobów bardziej przyjaznej środowisku i bardziej konkurencyjnej, 3. Rozwój sprzyjający włączeniu społecznemu: wspieranie gospodarki o wysokim poziomie zatrudnienia, zapewniającego spójność społeczną i terytorialną, głównie młodziezy, absolwentów wszelkiego poziomu kształcenia.

18 ROZWÓJ I INNOWACJA Raport The Future of Innovation Management: The Next 10 Years, ukazuje pięć nowych koncepcji modeli zarządzania innowacją [5-8]: 1. Innowacje bazujące na kliencie (ang. customer based innovation), 2. Proaktywny model biznesowy innowacji (ang. proactive business model), 3. Oszczędnościowe innowacje (ang. frugal innovation), 4. Zintegrowane innowacje (ang. integrated innovation), 5. Model szybkich innowacji - szybko przy małym ryzyku (ang. high speed/low risk innovation)

19 ROZWÓJ I INNOWACJA Potencjał zasobów energii odnawialnej woj. Kuj.-pom.: Dla wskaźnika zapotrzebowania powierzchni elektrowni wiatrowej 10 ha/1 MW mocy zainstalowanej, potencjał techniczny, możliwy z wiatru kujawsko-pomorskiego wynosi: 47,9 GW, energii: 104,7 TWh/rok, z hydroenergetyki moc: 0,369 GW, energii: 3,22 TWh/rok, ze słońca moc: 26,4 GW, energii: 45,8 TWh/rok,

21 STOPNIE, STANY I PLANY Lp. Rodzaj źródła OŹE Energia odnawialna 2012, Udział procentowy w OŹE, % MWh OŹE i biopaliwa , ,0 1. Współspalanie (biomasa/węgiel) ,293 41,3 2. Elektrownie wiatrowe ,670 34,5 3. Elektrownie wodne ,902 14,4 4. Elektrownie na biomasę ,9 5. Elektrownie na biogaz ,1 78 3,8 6. Fotowoltaika 1.136,802 0,008 Łącznie OŹE elektrownie ,422 57,0 Biopaliwa 1. Biodiesel ,132 83,9 2. Bioetanol ,111 16,1 Łącznie biopaliwa (w TD) ,243 43,0

22 STOPNIE, STANY I PLANY Wartość zasobów mocy i hydro-energii przedstawia się następująco: Dorzecze Wisły - Wisła moc: 331,60 MW, energia: 2.904,82 GWh Zgłowiączka 0,60 MW, 5,26 GWh Mień 0,55 MW, 4,82 GWh Tążyna 0,15 MW, 1,31 GWh Drwęca 9,50 MW, 83,22 GWh Brda 15,60 MW, 136,66 GWh Wda 5,90 MW, 51,68 GWh Osa 1,40 MW, 12,26 GWh Dorzecze Odry - Noteć 2,60 MW, 22,77 GWh Razem moc: 367,90 MW, energia: 3.222,80 GWh = 3,22 TWh

23 STOPNIE, STANY I PLANY Rys. Teoretyczne zasoby hydroenergetyczne województwa kujawsko-pomorskiego [4]

24 STOPNIE, STANY I PLANY

28 STOPNIE, STANY I PLANY Dane techniczne: Elektrownia: EW we Włocławku Rzeka: Wisła Lokalizacja: 674,850 km Rok budowy: 1970 Rzędna piętrzenia: 57,30 m n.p.m. Spad znamionowy: 8,80 m Liczba hydrozespołów: 6 Typ turbiny: turbina Kaplana Moc instalowana: 160,2 MW Przełyk instalowany: 2190 m³/s Średnia produkcja: 739 GWh/a

30

32 POTENCJAŁ L, T, E-M, S Negatywną cechą POTENCJAŁU LUDZKIEGO województwa, jest wysoka stopa bezrobocia. W 2013 r. odnotowano 139,6 tys. osób bezrobotnych, a stopa bezrobocia wynosiła 16,9%, przy średniej kraju wynoszącej 12,5% (oraz przy najwyższej wartości odnotowanej w województwie warmińsko-mazurskim 20,1% i najniższej w wielkopolskim 9,2%), co sytuuje kujawsko-pomorskie na 14 pozycji wśród 16 województw w kraju. Najwięcej bezrobotnych jest wśród kobiet (56,0%, kraj 53,5%), a według wieku osoby młode. Bezrobotni poniżej 35 roku życia stanowią 51,0% ogółu (średnia dla kraju 50,3%). 62,9% bezrobotnych posiada wykształcenie zasadnicze zawodowe, gimnazjalne bądź niższe (jest to najwyższy, niekorzystny wskaźnik wśród województw, średnia dla kraju wynosi 55,6%). Niekorzystną cechą jest również wysokie bezrobocie na wsiach 2012 roku bez pracy było 62,7 tys. osób, a więc 45,0% ogółu bezrobotnych województwa (kraj 43,8%).W wyniku dużego bezrobocia, województwo wyróżnia się dużymi nakładami na pomoc społeczną - 13,0% osób (kraj średnio 9,8%).

33 POTENCJAŁ L, T, E-M, S POTRZEBY TECHNICZNE: Można z pewnym przybliżeniem określić ilościowe zakresy potrzeb produkcji/konsumpcji, w tym zwyżki bilansowej, mocy: elektrycznej Pe=(1,12-1,48) GW, cieplnej Pc=(1,37-2,96) GW; energii: elektrycznej Ee=(9,75-11,25) TWh, cieplnej Ec=(12,03-16,01) TWh; paliw do pojazdów mobilnych M=(0,98-1,43) mln toe, w oparciu o maszyny, urządzenia, instalacje, które spełniają postulat; można postulować, aby województwo kujawsko-pomorskie stało się samowystarczalne energetycznie (100%) w określonym horyzoncie czasowym, np rok.

34 POTENCJAŁ L, T, E-M, S POTENCJAŁ E-M KUJ.-POM. TO: WISŁA, ODRA I DORZECZA Pod względem hydrograficznym województwo kujawsko-pomorskie położone jest na obszarze dwóch dorzeczy, Wisły i Odry. Wisła wraz z dorzeczem obejmuje około 70% obszaru województwa, Odry odpowiednio 30%. Do najważniejszych prawobrzeżnych dopływów Wisły należą Drwęca, Skrwa, Mień, Struga Toruńska, Osa. Do lewobrzeżnych Zgłowiączka, Tążyna, Brda i Wda. Najważniejszymi rzekami dorzecza Odry są Noteć oraz Wełna. Najdłuższą rzeką na obszarze województwa jest Wisła (205,3 km) następnie Noteć (127 km), Drwęca (116,8 km), Brda (111,0 km), Zgłowiączka (79 km) oraz Wda ( 62,0 km).

35 POTENCJAŁ L, T, E-M, S POTENCJAŁ ENERGO-MATERIALNY: PRZEPŁYWÓW jednostkowych w odcinkach ujściowych głównych rzek: 1. Wisła na granicy z woj. mazowieckim m 3 /s 2. Wisła na granicy z woj. pomorskim m 3 /s 3. Drwęca - 24 m 3 /s 4. Zgłowiączka - 4,5 m 3 /s 5. Brda - 33 m 3 /s 6. Wda - 20 m 3 /s 7. Tążyna - 1,5 m 3 /s 8. Mień - 2,0 m 3 /s 9. Osa - 6,5 m 3 /s 10.Noteć - 13 m 3 /s

36 POTENCJAŁ L, T, E-M, S POTENCJAŁ ENERGO-MATERIALNY: MOC ELEKTROWNI WODNEJ w przybliżeniu wyraża się następującym wzorem: gdzie: P=9,81 H Q (kw) P - moc urządzeń prądotwórczych, kw Q przepływ wody, m 3 /s H - spad użyteczny, m

37 POTENCJAŁ L, T, E-M, S POTENCJAŁ STEROWNICZY: Koszt jednostkowy wytworzenia energii elektrycznej w przypadku instalacji o mocy poniżej 5 MW wynosi około 280 zł/mwh. Przychody z tytułu sprzedaży energii elektrycznej wynoszące obecnie 197,50 zł/mwh nie pokrywają kosztów.

39 MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY Obliczenia sprawności turbiny, przekładni i generatora MEW: Moc cieku: Moc na wale turbiny: Pc Moc na wale generatora: Sprawność przekładni: Sprawność generatora: Q p p M M 2 1 P 1 M P 2 P 1 P g P t P P c g F d P e P 2 u 2 M 2 2 Gdzie we wzorach oznaczono: Q wydatek cieku, p ciśnienie, M1 moment obrotowy turbiny, M2 moment obrotowy generatora, 1- prędkość kątowa wału turbiny, 2- prędkość kątowa wału generatora, Pe - moc elektryczna, Fd - siła parcia, u prędkość cieku

40 MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY

41 MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY Od kilku lat na terenie Europy prowadzone są badania nad wykorzystaniem przepływów wodnych do produkcji energii. Na wzór znanych z przeszłości kół młyńskich została ożywiona myśl wykorzystywania płynącej rzeki jako surowca. Mowa jest o mikroinstalacjach, które zestawione w kilka modułów mogą działać jako mikroelektrownie, lub w mniejszej ilości zasilacz gospodarstwo domowe przylegające do rzeki. Nadwyżki mogą, oczywiście być, sprzedawane do sieci. Źródło: Energiaidom.pl

42 MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY Konstrukcja procesowa KP

43 MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY

44 MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY Zakład Automatyki i Sterowania AiS mgr inż. Roman Sułowski Firma zajmuje się projektowaniem i wdrażaniem dużych systemów automatyki przemysłowej bazującej na dostępnych na rynku sterownikach programowalnych

45 MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY Konsorcjum i firma Openhydro na wyspie Alderney na Kanale Lamanch buduje elektrownie o mocy 300 MW w oparciu o 2 MW zespoły pływających turbin. Na zdjęciu próby stanowiskowe

46

47

48

49 Ciśnienia statyczne, prędkości, siły, momenty obrotowe i moce (SP+Wt) g Pe p P 2 P 1 Pc Rys. Pływający silnik wodny z łopatami na obwiedni walca. Patent UTP w Bydgoszczy 2010

50 MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY Prędkości wariant 2A głębokość 0.2 m prędkość cieku 0.1 m/s Prędkości wariant 2A głębokość 2 m prędkość cieku 0.1 m/s Prędkości wariant 2A głębokość 0.2 m prędkość cieku 5.5 m/s

51 przyrządy pomiarowe sprawdziany przyrządy urządzenia Anna Niemczewska ul. Okrężna Koronowo Opis operacji: MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY Nazwa przedmiotu: Wirnik Nr rys: BJ1_1000 KARTA INSTRUKCYJNA Wydział: Oddział: Stanowisko: Liczba godz. Nr zespołu 1. Ustawić łopaty wg rys. 2. Spawać 3. Kontrola 4. Malować BJ2_1200 BJ3_1300 cecha Nr oper. Czas Obsada 2. Półautomat spawalniczy MIG Szkic operacji: Rys. Wirnik hydro-turbiny 1 MW z opcją aeracji, Patent UTP Bydgoszcz 2010 Zmiany dr inż dr inż. Arkuszy Arkusz 2008 Ryszard Wocianiec 2008 Piotr Domanowski 1 1 Data Opracował Data Sprawdził Data Uzupełnił Data Zatwierdził Akr. w zesp. Nr ark. zesp KARTA Nazwa przedmiotu: Łopata Nr rys. BJ3_1300

52 przyrządy pomiarowe sprawdziany przyrządy urządzenia Anna Niemczewska ul. Okrężna Koronowo Opis operacji: MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY Nazwa przedmiotu: Płyta łopaty Nr rys. BJ3_1301 KARTA INSTRUKCYJNA Wydział: Oddział: Stanowisko: Liczba godz. Nr zespołu 1. Ciąć wg wymiarów rozwinięcia ze zukosowaniem 2. Giąć wg rysunku 3. Kontrola cecha Nr oper. Czas Obsada 1. Wycinarka plazmowa MESSER OmniMat L Hydrauliczna prasa krawędziowa SMD tandem 2xPPB C Szkic operacji: Rys. Płyta łopaty wirnika hydro-turbiny z opcją aeracji, Patent UTP Bydgoszcz 2010 Zmiany dr inż dr inż. Arkuszy Arkusz 2008 Ryszard Wocianiec 2008 Piotr Domanowski 1 1 Data Opracował Data Sprawdził Data Uzupełnił Data Zatwierdził Akr. w zesp. Nr ark. zesp

53

54 Wariant MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY Tabela Momenty sił (Nm), zmienne prędkości przepływu, głębokości wariantów 1A, 1B, 2A i 2B Prędkość przepływu 0.1 m/s 2.7 m/s 5.5 m/s Prędkość obrotowa 1.06 obr/min 28.6 obr/min 58.4 obr/min Głębokość 0,2 m 2 m 0,2 m 2 m 0,2 m 2 m 1A B 22,5 6, F 2A 2B c 1,55 95 (1 łop) 9,5 9 (1 łop) 0.5 u A 0,2-2,3 (1 łop) 4,2-0,6 (1 łop) (1 łop) (1 łop) (1 łop) (1łop) (1łop) (1 łop) ( 0.5L R) (1 łop) (1 łop) 2 d d d d Obliczenia zostały wykonane programem ANSYS/FLUENT 12, c d - współczynnik oporu (przyjęto 2, odpowiednio dla liczby Re>10 5 ), ρ gęstość cieczy, u - prędkość przepływu, ulop- prędkość liniowa łopatki w 2/3 jej długości, A powierzchnia łopat, R - promień koła, L - długość łopatki, G - głębokość M F

55 MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY Efektywność energetyczna: Efektywność ekonomiczna: Efektywność ekologiczna gdzie: K e -, K ek -, K eko - korzyści energetyczne, ekonomiczne, ekologiczne, odpowiednio: J, zł, t CO2 ; N e -, N ek -, N eko - nakłady energetyczne, ekonomiczne, ekologiczne, odpowiednio: J, zł, t CO2 ; 55

56 MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY Sprawność pozyskania (wydobycia): Sprawność przetworzenia (wytwarzania): Sprawność użytkowania (wykorzystania): gdzie: E xs -, E ys -, L u - energia na wejściu do elektrowni, energia na wyjściu z elektrowni, praca użyteczna, J; E yz - energia zasobów, pobrana ze środowiska, J; 56

57

58

59 ROZWÓJ EFEKTYWNOŚCI Podział zjawiska kawitacji według kształtu obłoku kawitacyjnego pojawiającego się za opływanym ciałem: Wędrująca kawitacja pęcherzykowa - pęcherzyki przesuwają się wzdłuż przedmiotu opływanego i stają się widoczne w pobliżu obszaru o najmniejszym ciśnieniu. Kawitacja pęcherzykowa w warstwie ścinania - pęcherzyki narastają na powierzchni przedmiotu i następnie są zrywane przez przepływ. Kawitacja pasmowa przyłączona - obszar kawitacji to kawerna z gładką powierzchnią wypełnioną jednorodną mieszaniną parowo-gazową Miejscowa kawitacja przyłączona. Miejscowa kawitacja pęcherzykowa. Kawitacja wirowa. W Polsce tunel kawitacyjny posiada Centrum Techniki Okrętowej S.A. z siedzibą w Gdańsku.

60 MODELE, NOWOŚCI I ALTERNATYWY NIESZKODLIWOŚĆ:

62 PODSUMOWANIE

63 PODSUMOWANIE

64 PODSUMOWANIE Celem działań, wspomaganych finansowo środkami unijnymi (82,5 mld euro), ma być zwiększenie inwestycji, wzrost zatrudnienia oraz bardziej innowacyjna i konkurencyjna gospodarka w obszarach (46,3 mld euro), : 1. Infrastruktura i Środowisko (27,41 mld euro), 2. Inteligentny Rozwój (8,61 mld euro), 3. Wiedza Edukacja Rozwój (4,69 mld euro), 4. Polska Cyfrowa (2,17 mld euro), 5. Polska Wschodnia (2 mld euro), 6. programy Europejskiej Współpracy Terytorialnej (0,7 mld euro) oraz 7. Pomoc Techniczna (0,7 mld euro). Dodatkowo na poziomie województw realizowanych będzie 16 Regionalnych Programów Operacyjnych o wartości 31,2 mld euro.

65 ENERGETYKA Kluczowe technologie wspomagające UE

66 UŻYTECZNOŚĆ Użyteczność, funkcjonalność (EW) PRZETWARZANIA: Pokrycie przewidywanego, zmiennego w czasie zapotrzebowania, przy minimum kosztów eksploatacji, Kompensacja czynnych i biernych strat przesyłu w systemie, przy pokryciu przewidywanego zapotrzebowania, Spełnienie różnorodnych ograniczeń eksploatacyjnych (ograniczenia termiczne lub stabilnościowe w liniach, poziomy napięć w węzłach itp.), Zapewnienie elastyczności wytwarzania w czasie rzeczywistym dla zbilansowania odchyleń (jeśli takie wystąpią) od wartości przewidywanego zapotrzebowania, Zapewnienie rezerwowania w przypadku awaryjnego odłączenia dowolnego elementu w systemie (cel n-1).