HYDROENERGETYKA Zarys historyczny... 2 Podział i rodzaje elektrowni... 9 Klasyfikacja elektrowni wodnych pod względem wielkości... 9 Klasyfikacja elektrowni wodnych ze względu na rodzaj elektrowni... 10 Klasyfikacja elektrowni ze względu na wysokość spadu... 14 Technologie elektrowni wodnych... 14 Turbina Kaplana... 14 Turbina Francisa... 16 Turbina Peltona... 17 Turbina VLH... 18 Śruba Archimedesa... 21 Turbina Banki-Michella... 23 Turbina Tesli... 24 Turbina Deriaza... 25 Proces formalno prawny dla realizacji inwestycji.... 26 Bariery rozwoju elektrowni wodnych.... 31 Bariery ekonomiczne... 31 Bariery prawne... 32 Bariery technologiczne (techniczne)... 33 Bariery środowiskowe (ekologiczne)... 33 Bariery edukacyjne... 34 Bariery społeczne... 34 Potencjał hydroenergetyczny.... 35 Zasady działania Małych Elektrowni Wodnych... 38 Wyposażenie elektromechaniczne MEW... 39 1
Zarys historyczny Pierwszymi maszynami wykorzystującymi siłę wody były koła wodne. Pierwsze koła wodne o osi poziomej, które podnosiły wodę zostały opisane przez Filona z Bizancjum w III w p.n.e. W I wieku p.n.e. Strabon napisał, że napędzały one młyny wodne w Azji Mniejszej. W Architekturze (ok. 25 p.n.e.) Marcus Witruwiusz Pollio opisał po raz pierwszy młyn wodny. Współcześnie prototyp owego młyna nosi nazwę młyna rzymskiego lub młyna Witruwiusza. W I w. p. n. e. koła wodne istniały na terenie państwa rzymskiego, opisał je nadworny architekt cesarza Oktawiana Augusta. Młyn z kołem wodnym o osi poziomej opisany przez architekta nazywany jest w światowej literaturze jako młyn rzymski lub młyn Witruwiusza. Najprawdopodobniej jeszcze wcześniej istniały młyny z kołami osadzonymi na wale o osi pionowej. Te bardzo proste rozwiązania miały wirnik obracający się w płaszczyźnie poziomej, do którego doprowadzano wodę rurą o znacznym nachyleniu. Ten typ młynów nazywany jest młynami tureckimi (lub greckimi) albo turbinowymi. Rys. Młyn turecki. 1 1 Źródło: Małe Elektrownie Wodne Poradnik pod red. M. Hoffmana. 2
Ogólnie rozróżnia się 3 typy kół wodnych: a) nadsiębierne (wykorzystuje głównie energię potencjalną wody), b) śródsiębierne (wykorzystuje energię potencjalną i kinetyczną wody), c) podsiębierne (wykorzystuje głównie energię kinetyczną wody). Rys. Typy kół wodnych o wale poziomym. 2 Koła wodne były wykorzystywane do napędzania różnych urządzeń w zakładach przetwórczych oraz tartakach i kuźniach. Pod koniec średniowiecza stały się najważniejszym źródłem mocy mechanicznej, osiągając moce kilkudziesięciu kw. Ich rozpowszechnienie dało początek tzw. pierwszej rewolucji przemysłowej i przyczyniło się do wzrostu znaczenia gospodarczego Europy Zachodniej. W okresie międzywojennym na terenie Polski znajdowało się ok. 6,5 tys. zakładów wyposażonych w siłownie wodne. Pierwszy zawodowy turbozespół hydroelektrowni - posiadający dużą na ówczesne czasy moc - 3.5 MW - powstał w Gródku na rzece Wda w 1923 roku. W miejscu tym Wda tworzyła 6-km pętlę. Jej przecięcie 1240 m kanałem dało już naturalny 6-m spad, kolejne 12 m uzyskano przez budowę 12 m wysokości zapory o długości 220 m. prezydent RP prof. Stanisław Wojciechowski uroczyście uruchomił elektrownię. Posiadała dwie turbiny Francisa sprzęgnięte z generatorami o łącznej mocy 2,4 MW. W sierpniu 1927 r. kolejny prezydent RP prof. Ignacy Mościcki uruchomił trzecią 2 Źródło: Ibid. 3
turbinę. Elektrownia osiągnęła moc 4 MW i była największą wówczas hydroelektrownią w Polsce. Jej obsługą zajmowała się 15-osobowa załoga. Fot. Elektrownia Gródek widok na halę maszyn i śluzę tratew od dolnej wody. 3 W 1929 r. uruchomiona została elektrownia Żur na rzece Wdzie. Uroczystego uruchomienia elektrowni dokonał 15 lutego 1930 r. prezydent Rzeczypospolitej Polskiej prof. Ignacy Mościcki. Był to centralny element obchodów 10-lecia powrotu Pomorza do Polski. Elektrownię wyposażono w dwie najnowocześniejsze wówczas turbiny systemu Kaplana o regulowanym kącie łopat wirnika, znanej, austriackiej firmy VOITH, sprzęgnięte z generatorami szwedzkiej ASEA o mocy 8,8 MW. 3 Źródło: http://bractwoczarnejwody.org.pl. 4
Fot. Budowa zamka wodnego w hydroelektrowni Żur - 1929 r. 4 Fot. Hydroelektrownia Żur - hala maszyn od dolnej wody, w głębi zamek wodny. 5 4 Źródło: http://bractwoczarnejwody.org.pl. 5 Źródło: Ibid. 5
Po wojnie Polska zyskała na ziemiach zachodnich kilkadziesiąt zakładów hydroenergetycznych min. w Plichowicach i Dychowie na Bobrze. W 1946 roku moc polskich elektrowni wynosiła łącznie160 MW. W latach sześćdziesiątych powstały duże elektrownie wodne w Solinie, Żydowie, Włocławku, Kornowie. W ciągu kolejnych lat powstały jedne z największych w Polsce elektrowni w Żarnowcu, Nidzicy i Porąbce-Żar. Po II wojnie światowej powstały takie elektrownie, jak m.in.: elektrownia szczytowa z członem pompowym w Dychowie na rzece Bóbr (80 MW), elektrownia Koronowe na Brdzie (26 MW), elektrownia Dębe na Narwii (20 MW), elektrownia Tresna na Sole (21 MW), elektrownia ze zbiornikiem betonowym w Solinie na rzece San (200 MW), elektrownia pompowa w Żydowie (156 MW), elektrownia we Włocławku na Wiśle (162 MW), elektrownia Porąbka Żar (500 MW), elektrownia Żarnowiec (716 MW). W połowie lat 70. nastąpił intensywny rozwój małych elektrowni wodnych (MEW). We wrześniu 1981 r. Rada Ministrów podjęła uchwałę w sprawie rozwoju MEW 6, na podstawie której przeprowadzono inwentaryzację stopni wodnych, siłowni i małych elektrowni. Dokonano analizy możliwości wykorzystania obiektów do budowy MEW, w wyniku której okazało się, że można uruchomić około 650 MEW o łącznej mocy 80 MW i produkcji 400 GWh w ciągu roku. 6 http://isap.sejm.gov.pl/download?id=wmp19830320179&type=2 6
Na terenie Lubelszczyzny jest wiele pozostałości po starych siłowniach wodnych. 20 młynów Rys. Szlak młynów na rzece Bystrej. 7 7 Źródło:/www.kraina.org.pl/szlak_mlynow_wodnych_rzeki_bystrej_id_902.html 7
Rysunek 20. Młyny wodne na Roztoczu istniejące w 1929 i 1956 roku. 8 8 Źródło: Materiały Dyrekcji Roztoczańskiego Parku Narodowego. 8
Podział i rodzaje elektrowni Klasyfikacja elektrowni wodnych pod względem wielkości Elektrownie wodne dzielą się na dwa podstawowe rodzaje: duże elektrownie wodne i małe elektrownie wodne. Te ostatnie (o max. mocy zainstalowanej do 5 MW) dzielą się umownie na: 9 mikro elektrownie moc do 300 kw (100 kw, 50 kw), mini elektrownie moc od 301kW do 1MW (2 MW), małe elektrownie moc od 1001kW do 5 MW. Na Lubelszczyźnie największą elektrownią jest elektrownia w Nieliszu na rzece Wieprz o mocy zainstalowanej 370 kw i maksymalnej przepustowości 6,2 m 3 /s. Fot. Elektrownia wodna w Nieliszu - jaz zapory czołowej zbiornika głównego. 10 9 Jest to podział jedynie umowny i spotyka się różne jego odmiany. 10 Źródło: http://www.inzynierbudownictwa.pl. 9
W Tarnogórze na Wieprzu istnieje elektrownia o mocy 200 kw. Fot. Spichlerz zbożowy i elektrownia wodna na Wieprzu. 11 Klasyfikacja elektrowni wodnych ze względu na rodzaj elektrowni Elektrownie wodne ze względu na ich rodzaj można podzielić na elektrownie z naturalnym dopływem wody oraz elektrownie szczytowo-pompowe. Ponadto elektrownie z naturalnym dopływem wody dzielą się na: regulacyjne (zbiornikowe) Dzięki znajdującemu się przy rzece zbiornikowi ilość produkowanej energii nie zależy od przepływu wody w danej chwili. Przepływ wody oraz wynikająca z niego produkcja energii regulowana jest przez zbiornik wodny; przepływowe 11 Źródło: http://fotopolska.eu. Autor: kuba13. 10
Ilość produkowanej energii ściśle zależy od ilości wody przepływającej w rzece w danym momencie. Elektrownie szczytowo-pompowe są to elektrownie posiadające dwa zbiorniki wodne, zbiornik górny i dolny. W momencie większego zapotrzebowania na energię woda spuszczana jest ze zbiornika górnego do zbiornika dolnego. Natomiast w godzinach nocnych kiedy zapotrzebowanie radykalnie spada, woda pompowana jest ze zbiornika dolnego do zbiornika górnego. Wykorzystywany jest wtedy nadmiar mocy z sieci elektrycznej. Umożliwia to kumulację energii w okresie małego zapotrzebowania na nią właśnie przez pompowanie wody ze zbiornika dolnego do górnego. W okresie większego zapotrzebowania ta sama energia ta wyzwalana jest przez spuszczanie wody ze zbiornika górnego do dolnego. Rys. Schemat działania elektrowni szczytowo-pompowej. 12 Opis działania elektrowni szczytowo-pompowej: 1. Woda ze zbiornika górnego w godzinach szczytowego poboru mocy spuszczana jest rurami w dół. 2. Woda trafia na turbinę z generatorem i wytwarza prąd. 12 Źródło www.wiw.pl. 11
3. Nocą, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną w sposób naturalny spada - przeprowadza się cykl odwrotny. 4. Silnik napędzający turbinę (w poprzednim cyklu pełnił rolę generatora) pobiera energię elektryczną z sieci. Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje pracy głównych urządzeń elektrowni pompowej: praca turbinowa (generowana), tzn. zgromadzona w górnym zbiorniku woda napędza turbinę, oraz praca pompowa (silnikowa), tzn. pompa tłoczy wodę ze zbiornika dolnego do górnego, w celu magazynowania w nim energii potencjalnej wody. Elektrownie szczytowo-pompowe uczestniczą w wyrównywaniu szczytowych (maksymalnych) i minimalnych obciążeń systemu elektroenergetycznego i w ciągu doby są uruchamiane 1-2 razy w cyklu pracy pompowej i turbinowej - ten rodzaj pracy nazywa się pracą programową. W pracy programowej, elektrownia produkuje drogą szczytową energię elektryczną za pomocą wody doprowadzanej do górnego zbiornika pompami pobierającymi tanią energię elektryczną z systemu elektroenergetycznego w okresie jego małego obciążenia w czasie doliny nocnej lub dziennej. W czasie szczytu obciążenia elektrycznego woda jest doprowadzana do turbiny wodnej i następuje przetwarzanie nagromadzonej w górnym zbiorniku energii wody na energię elektryczną. Elektrownia pompowa ze względu na swoje dobre właściwości ruchowe może brać udział w pokrywaniu szybkich zmian obciążenia w systemie elektroenergetycznym - ten rodzaj pracy nazywa się pracą regulacyjną. Zbiornikami górnymi elektrowni pompowej mogą być zbiorniki naturalne, np. jeziora lub zbiorniki sztuczne. Jako zbiorniki dolne są stosowane jeziora, spiętrzone doliny rzek, stare sztolnie kopalniane lub specjalnie wybudowane zbiorniki sztuczne. Przynajmniej jeden ze zbiorników musi być uzupełniany wodą naturalnego dopływu w celu pokrycia start wynikających z parowania i przecieków wody. W elektrowni pompowej, jak w żadnej innej elektrowni wodnej, bardzo ważnym parametrem jest spad. Im większy jest spad, tym dla określonej ilości energii wymagana jest mniejsza pojemność zbiorników, co wpływa na zmniejszenia nakładów inwestycyjnych. Pojemności zbiorników wystarczają statystycznie na 2-6 godzinną pracę turbinową. 12
Elektrownie pompowe w zasadzie powinny mieć spady ponad 100 m, jednak są budowane również z mniejszymi spadami. Na tym też opiera się ekonomika działania tych elektrowni. Energia elektryczna jest skupowana w okresie kiedy jest najtańsza, a oddawana do systemu (sprzedawana) w okresie najwyższego zapotrzebowania i za wysoką cenę. Nadwyżka mocy w konwencjonalnych elektrowniach, która musi być utrzymywana w porze nocnej, przepadłaby bezpowrotnie, gdyby nie została zmagazynowana przez elektrownie szczytowo pompowe w energii potencjalnej wody. Lokalizacja Gmina Moc [kw] Jankowa Pomorze rz. Chodelka Opole Lubelskie 11 Mniszek rz. Tuczyn Gościeradów 15 Tworyczów rz. Por Radecznica 20 Glinny Stok rz. Piwonia Siemień 22 Górecko Kościelne rz. Szum Józefów 22 Bondyrz rz. Wieprz Adamów 22 Szczekarów 2 rz. Chodelka Wilków 22 Borki rz. Bystrzyca Płn. Borki 37 Osmolice rz. Bystrzyca Strzyżewice 41 Tuligłowy rz. Wojsławka Krasnystaw 45 Klemensów rz. Wieprz Szczebrzeszyn 50 Puławy kanał zrzutowy ZA Puławy 55 Szczekarów rz. Chodelka Wilków 66 Kosiorków rz. Chodelka Wilków 66 Wierzbica rz. Sołokija Lubycza Królewska 67 Michałów rz. Wieprz Sułów 90 Zwierzyniec-Rudka rz. Wieprz Zwierzyniec 132 Zemborzyce rz. Bystrzyca Lublin 160 Tarnogóra rz. Wieprz Izbica 200 Nielisz rz. Wieprz Nielisz 370 Tab. Elektrownie wodne w województwie lubelskim. 13 13 Wybór. Opracowanie własne. 13
Klasyfikacja elektrowni ze względu na wysokość spadu Biorąc pod uwagę wysokość spadu, elektrownie dzielą się na: niskospadowe do 20 m, średniospadowe od 20 m do 150 m, wysokospadowe powyżej 150 m. Technologie elektrowni wodnych Turbina Kaplana Skonstruowana w 1921 roku przez Viktora Kaplana. Jest to turbina reakcyjna, odmiana turbiny śmigłowej, tj. takiej której łopatki mają kształt podobny do śrub okrętowych. Jej odmienność polega na możliwości zmiany kąta łopat w czasie pracy, a w efekcie także regulację otrzymywanej mocy i dużo większy zakres wysokich sprawności. Rys. Turbina Kaplana - schemat. 14 14 Źródło: wikipedia. 14
Rys. Turbina Kaplana wirnik. 15 W przypadku stosowania turbin Kaplana możliwe jest stosowanie regulacji podwójnej i pojedynczej ustawienia turbiny. O regulacji podwójnej mówi się wówczas, gdy łopatki wirnika, jak i kierownicy są nastawialne. Jeśli jedynie łopatki kierownicy są nastawialne, to mówi się o regulacji pojedynczej. Podwójna regulacja turbin Kaplana pozwala dostosowywać w sposób ciągły nastawy łopatek wirnika i kierownicy do zmian przepływu i spadu. Prowadzi to do dużej elastyczności eksploatacyjnej, gdyż maszyny te mogą pracować przy przepływie zmieniającym się od 15 do 100% przepływu znamionowego. Turbiny Kaplana są maszynami, które można instalować w największej liczbie możliwych konfiguracji. Wybór odpowiedniego sposobu instalacji ma istotne znaczenie dla elektrowni niskospadowych. Praca przy dużych natężeniach przepływu jest warunkiem ich rentowności. Turbina Kaplana jest obecnie najbardziej rozpowszechnionym typem turbiny stosowanym do zabudowy piętrzeń małych rzek. Wysoki stopień przydatności tego typu turbin wynika z największej ilości odmian. 15 Źródło: Jak zbudować małą elektrownię wodną? Przewodnik inwestora pod red. Janusza Stellera, ESHA 2010. 15
Turbina Francisa Opracowana przez Jamesa Francisa turbina reakcyjna ze stałymi łopatkami wirnika i nastawialnymi łopatkami kierownicy. Dopływ wody odbywa się zawsze w kierunku promieniowym, a odpływ w kierunku osiowym. Istnieją dwa rodzaje tych turbin: z wirnikiem ułożonym pionowo oraz poziomo. Turbiny Francisa stosowane są w szerokim zakresie spadów od 5 m do 500 m. Większe turbiny Francisa są projektowane specjalnie dla każdego miejsca, w którym zostaną zastosowane, co pozwala osiągać sprawność powyżej 90%. Na rysunku poniżej przedstawiono schemat budowy turbiny Francisa. Rys. Schemat turbiny Francisa. 16 Dopływ wody do układów łopatkowych współczesnych turbin Francisa odbywa się poprzez komorę spiralną zaprojektowaną tak, aby utrzymywać stałą prędkość obwodową w kolejnych jej przekrojach i zasilać kierownicę równomiernie na jej obwodzie. Kierownica wyposażona jest w ruchome łopatki kierownicze, których zadaniem jest regulacja natężenia napływu wody na wirnik i dostosowanie kierunku tego napływu do warunków kinematycznych wynikających z geometrii krawędzi natarcia łopatek wirnika oraz ich 16 Źródło: wikipedia. 16
prędkości obwodowej. Łopatki kierownicy mogą się obracać wokół swojej osi dzięki układowi dźwigni i łączników osadzonych na pierścieniu powodującym ich synchroniczne przemieszczanie się. Chociaż łopatki kierownicy mogą być użyte do odcięcia przepływu w warunkach awaryjnych, na wlocie turbiny z reguły instaluje się zawór motylowy jako organ zabezpieczający. W wirniku dokonuje się przemiana energii hydraulicznej na energię mechaniczną ruchu obrotowego, po czym woda wypływa w kierunku osiowym do rury ssącej. Schemat pracy turbiny przedstawiony jest poniżej. Rys. Schemat pracy turbiny Francisa. 17 Pod względem przydatności do zagospodarowania dla MEW, turbiny Francisa powinny być brane pod uwagę z przedziału mocy 0,3-100 kw i spadzie 1-10 m. Często stosuje się w MEW-ach układy podwójne turbin dla optymalnego wykorzystania piętrzenia. Turbina Peltona Jest rozwinięciem koła natryskowego, w którym łopatki są ustawione pod kątem 90 stopni do strumienia wody. Turbiny Peltona są turbinami akcyjnymi, w których jedna lub więcej strug uderza z dużą prędkością w czarki osadzone na obwodzie tarczy wirnika. Turbiny te stosuje się do pracy przy wysokich spadach - od 60 do ponad 1000 m. 17 Źródło: baza-oze.pl 17
Fot. Turbozespół Peltona dwuwirnikowy. 18 Rys. Turbina Peltona schemat działania. 19 Turbina VLH Coraz mniejsza dostępność ciekawych lokalizacji pod małe elektrownie wodne sprawia, że nowoczesne turbiny VLH są idealnym rozwiązaniem w polskich warunkach 18 Źródło: wikipedia. 19 Źródło: hydrogenappliances.com. 18
przyrodniczych. Turbiny VLH są w stanie działać tam, gdzie z racji niskiego spadu nie rozważano w ogóle wykorzystania potencjału energetycznego rzeki. Główne cechy turbin VLH: mały wpływ na organizmy wodne (potwierdzony testami na żywych rybach) praktycznie nieodczuwalny dla otoczenia poziom hałasu i wibracji (konstrukcja znajduje się pod wodą) niewielki wpływ na krajobraz łatwość i szybkość montażu, serwisowania i okresowej kontroli niskie koszty robót hydro-budowlanych związanych z inwestycją dopasowanie do potrzeb lokalizacji bezpośredni napęd generatora o zmiennej prędkości Fot. Działająca turbina VLH. 20 20 Źródło: www.vlh-turbine.com. 19
Zasadniczym elementem hydrozespołu jest turbina z wirnikiem typu Kaplana oraz wielołopatkową kierownicą, pełniąca jednocześnie rolę kraty ochronnej, którą instaluje się na progu piętrzenia w sposób przypominający zamknięcie uchylne. Duża średnica wirnika i stosunkowo niska szybkość obrotowa sprawiają, że energia kinetyczna na wylocie jest niewielka i nie ma potrzeby stosowania rury ssącej. Te same cechy sprawiają, że turbina jest przyjazna dla ryb wędrujących z biegiem rzeki. Turbiny VLH są skonstruowane tak, by działać sprawnie już przy minimalnym spadzie brutto nawet 1,4 m. W zależności od modelu, turbiny przyjmują przepływy już od 10 do 30 m 3 /s wody, a moce wyjściowe od 100 kw do 500 kw. W porównaniu do innych rozwiązań, zakres niezbędnych prac hydrotechnicznych w przypadku zainstalowania tej turbiny należy określić jako znikomy. Fot. Wirnik turbiny VLH. 21 21 Źródło: Ibid. 20
Śruba Archimedesa Zasada działania turbiny Archimedesa jest stosunkowo prosta. Śruba Archimedesa korzysta z energii kinetycznej płynącej wody, zazwyczaj dostarczanej przez rzekę, a nawet mały strumień. Jest to koło wodne nadsiębierne widziane inaczej - o sprawności prawie takiej samej jak turbina Kaplana. Głównymi elementami jest wirnik turbiny wstawiony w rynnę i zawieszony na górnym i dolnym łożysku. Wirnik połączony jest za pomocą przekładni z generatorem asynchronicznym typowym, stosowanym w małych elektrowniach wodnych. Prosta i skuteczna przekładnia oraz system regulacji zapewnia optymalną wydajność turbiny w przedziale od 10% do 100% przepływu wody. Rys. Schemat śruby Archimedesa. 22 Turbiny ślimakowe, dzięki swojej konstrukcji (duża średnica wirnika), bardzo małym obrotom i grawitacyjnej zasadzie działania, są przyjazne dla ryb (oraz innych organizmów żyjących w rzece), które swobodnie przepływają przez turbinę bez szkody dla siebie. To samo 22 Źródło: dobraenergia.info. 21
dotyczy liści, gałęzi i rumowiska w nurcie rzeki. Ponieważ nie odbija się to negatywnie na produkcji energii elektrycznej, nie ma potrzeby instalowania gęstych krat. Zbędne są również czyszczarki. Turbiny ślimakowe mają też swoje ograniczenia. Nie stosuje się ich na spadach powyżej 9 metrów. Drugim ograniczeniem może być wielkość turbiny przy dużych przepływach wody. Z reguły jedna turbina ślimakowa maksymalnej średnicy ma tzw. przełyk do 10 m³/s. Rys. Przykład małej elektrowni wodnej z turbiną Archimedesa. 23 23 Źródło: energiaidom.pl 22
Turbina Banki-Michella Jest turbiną akcyjną (z komorą wirnikową częściowo wypełnioną powietrzem i wirnikiem umieszczonym nad powierzchnią dolnej wody). Stosuje się ją w szerokim zakresie spadów (od 5 do 200 m.), obejmującym zakres pracy turbin Kaplana, Francisa i Peltona. Rys. Zasada działania turbiny Banki-Michella. 24 Wirniki tych turbin przypominają cylinder z powierzchnią boczną zastąpioną kołową palisadą łopatkową. Woda napływa na wirnik przez kierownicę w kierunku poprzecznym do jego osi i dwukrotnie przecina palisadę. Funkcję kierownicy pełni zwykle ruchoma łopatka lub przesłona cylindryczna zakrywająca część obwodu wirnika. Elementy te współpracują z częścią korpusu turbiny uformowaną w kształcie zakrzywionej dyszy. Prosta konstrukcja turbiny sprawia, że jest ona tania i łatwa do naprawy, np. w przypadku wyłamania łopatek wskutek nadmiernych naprężeń. Turbiny o przepływie 24 Źródło: Jak zbudować małą elektrownie wodną? Przewodnik inwestora pod red. Janusza Stellera, ESHA 2010. 23
poprzecznym stanowią interesującą alternatywę, gdy do dyspozycji jest wystarczająca ilość wody, zapotrzebowanie mocy jest ściśle określone, a możliwości inwestycyjne są niewielkie. Turbina Tesli Turbina talerzowa - szczególny przypadek turbiny wykorzystującej zjawisko adhezji do wprowadzania w ruch obrotowy równolegle, w niewielkich odstępach ustawionych talerzy zamocowanych na osi. Woda jest wprowadzana przez dyszę ustawioną w płaszczyźnie obrotu talerzy pomiędzy talerze. Talerze mają wokół osi otwory pozwalające na wypływ wody. Obieg jest spiralny, zawężający się w kierunku środka. Turbina dzięki prostej budowie i wykorzystaniu adhezji warstwy przyściennej, a nie sił tarcia, pozwala na osiągnięcie wysokiej sprawności przy niewielkim ciężarze. Rys. Turbina Tesli. 25 25 Źródło: howstuffworks.com. 24
Turbina Deriaza Turbina Deriaza jest znacznie bardziej skomplikowana niż turbina Francisa, gdyż jej łopatki są przestawialne. Stosuje się w niej kierownice promieniowe, jak również ukośne. Turbiny te używa się na spady od 13 do około 300 m. Przy spadach powyżej 36 m stosowanie turbin Deriaza jest bardziej korzystne niż turbin Kaplana - ze względów ekonomicznych. Ze względu na dobre rezultaty osiągane w pracach pompowych turbiny te są używane w siłowniach wodnych pompowych. Wirnik turbiny Deriaza wyposażony jest w łopatki obracane dookoła zamocowanych w piaście czopów, których osie ustawione są ukośnie do osi wirnika. Przepływ wody przez wirnik Deriaza jest promieniowo-osiowy, co wpływa na to, że dla tych samych powierzchni prądowych prędkości obwodowe na wylocie wirnika mają mniejsze wartości od prędkości obwodowych na jego wlocie. Fot. Turbina Deriaza. 26 26 Źródło: uwm.edu.pl. 25
Proces formalno prawny dla realizacji inwestycji. Uruchomienie elektrowni wodnej wiąże się z uzyskaniem szeregu pozwoleń i spełnieniem różnych wymagań. Zmieniające się przepisy, niejednolite stanowisko urzędników i różna interpretacja regulacji prawnych mogą przyczynić się do utrudnienia procesu realizacji. W celu zidentyfikowania potencjalnej lokalizacji pod inwestycję należy wykonać: analizę potencjalnego rynku odbiorców energii, analizę ograniczeń prawnych, analizę finansową, analizę techniczną, analizę środowiskową, analizę społeczną, analizę możliwości przyłączenia do sieci elektroenergetycznej. Inwestor powinien uzyskać akceptację lokalnych władz i lokalnej społeczności, wówczas ma większe szanse na powodzenie inwestycji. Zgodnie z art. 6 ust. 2 ustawy z o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym Każdy ma prawo do zagospodarowania terenu, do którego ma tytuł prawny zgodnie z warunkami ustalonymi w miejscowym planie zagospodarowania przestrzennego albo decyzji o warunkach zabudowy i zagospodarowania terenu, jeżeli nie narusza to chronionego prawem interesu publicznego oraz osób trzecich. 27 Lokalizacja inwestycji musi być zgodna z miejscowym planem zagospodarowania przestrzennego (mpzp). Jeżeli mpzp nie przewiduje prowadzenia tego typu działalności na danym terenie, przedsiębiorca może wystąpić o jego zmianę. Wniosek o zmianę mpzp składa się do wójta/burmistrza/prezydenta miasta, który następnie może na posiedzeniu rady gminy przedstawić wniosek o podjęcie stosownej uchwały o przystąpieniu do zmiany mpzp. Wniosek można również złożyć bezpośrednio do rady gminy, która może podjąć taką 27 isap.sejm.gov.pl/download?id=wdu20030800717&type=2 26
uchwałę również z własnej inicjatywy. W przypadku braku mpzp określenie sposobów zagospodarowania i warunków zabudowy terenu następuje w drodze decyzji o warunkach zabudowy i zagospodarowania terenu. Na podstawie art. 75 ustawy Prawo Ochrony Środowiska 28 w trakcie prac budowlanych inwestor realizujący przedsięwzięcie jest obowiązany uwzględnić ochronę środowiska na obszarze prowadzenia prac, a w szczególności ochronę gleby, zieleni, naturalnego ukształtowania terenu i stosunków wodnych. Jeżeli ochrona elementów przyrodniczych nie jest możliwa, należy podejmować działania mające na celu naprawienie wyrządzonych szkód, w szczególności przez kompensację przyrodniczą. W celu realizacji inwestycji związanej z energetyką wodną wymagane jest uzyskanie decyzji o środowiskowych uwarunkowaniach. Decyzję wydaje wójt/burmistrz/prezydent miasta. Do wniosku o wydanie decyzji należy dołączyć: raport o oddziaływaniu przedsięwzięcia na środowisko lub kartę informacyjną przedsięwzięcia, kopię mapy ewidencyjnej, obejmującej przewidywany teren, na którym będzie realizowane przedsięwzięcie, wypis z ewidencji gruntów obejmujący przewidywany teren, na którym będzie realizowane przedsięwzięcie, wypis i wyrys z mpzp. W zależności od inwestycji należy sporządzić raport o oddziaływaniu na środowisko lub kartę informacyjną przedsięwzięcia. Na podstawie Rozporządzenia Rady Ministrów z dnia 9 listopada 2010 r. w sprawie przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko, do przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko (wymagających sporządzenia raportu o oddziaływaniu inwestycji na środowisko) zalicza się zgodnie z: 28 http://isap.sejm.gov.pl/detailsservlet?id=wdu20010620627 27
pkt. 35 - zapory lub inne urządzenia przeznaczone do zatrzymywania i stałego retencjonowania (gromadzenia) nie mniej niż 10 mln m 3 nowej lub dodatkowej masy wody, pkt. 36 - budowle piętrzące wodę o wysokości piętrzenia nie mniejszej niż 5 m. Na podstawie ww. Rozporządzenia do przedsięwzięć mogących potencjalnie znacząco oddziaływać na środowisko (wymagających sporządzenia karty informacyjnej przedsięwzięcia) zalicza się zgodnie z: pkt. 5 - elektrownie wodne, pkt. 66 - budowle piętrzące wodę inne niż wymienione w 2 ust. 1 pkt 35 i 36, takie jak wymienione poniżej: na obszarach objętych formami ochrony przyrody, o których mowa w art. 6 ust. 1 pkt 1-5, 8 i 9 ustawy z dnia 16 kwietnia 2004 r. o ochronie przyrody, lub w otulinach form ochrony przyrody, o których mowa w art. 6 ust. 1 pkt 1-3 tej ustawy, z wyłączeniem budowli piętrzących wodę na wysokość mniejszą niż 1 m, realizowanych na podstawie planu ochrony, planu zadań ochronnych lub zadań ochronnych ustanowionych dla danej formy ochrony przyrody, jeżeli piętrzenie dotyczy cieków naturalnych, na których nie istnieją budowle piętrzące wodę, jeżeli w promieniu mniejszym niż 5 km na tym samym cieku lub cieku z nim połączonym znajduje się inna budowla piętrząca wodę, na wysokość nie mniejszą niż 1 m. Wydanie decyzji o środowiskowych uwarunkowaniach następuje przed uzyskaniem decyzji o pozwoleniu wodnoprawnym oraz przed uzyskaniem decyzji o pozwoleniu na budowę. Pozwolenie wodnoprawne jest kolejnym ważnym dokumentem niezbędnym do realizacji inwestycji związanej z energetyką wodną. Pozwolenie to, w przypadku budowy MEW, wymagane będzie na wykonanie urządzenia wodnego oraz na szczególne korzystanie z wody polegające na piętrzeniu wód śródlądowych oraz energetycznym korzystaniu z wody. Zgodnie z ustawą Prawo Wodne pozwolenie wodnoprawne wydaje się na wniosek, do którego dołącza się: 28
operat wodnoprawny, decyzję o lokalizacji inwestycji celu publicznego lub decyzję o warunkach zabudowy, jeżeli jest ona wymagana - w przypadku wniosku o wydanie pozwolenia wodnoprawnego na wykonanie urządzenia wodnego, opis prowadzenia zamierzonej działalności sporządzony w języku nietechnicznym. Decyzję o pozwoleniu wodnoprawnym wydaje Marszałek Województwa (w przypadku inwestycji wymagającej sporządzenia raportu o ocenie oddziaływania na środowisko), Dyrektor Regionalnego Zarządu Gospodarki Wodnej (w przypadku inwestycji zlokalizowanej na terenach zamkniętych w rozumieniu ustawy Prawo Ochrony Środowiska) lub Starosta (w pozostałych przypadkach). Kolejnym z elementów realizacji inwestycji jest złożenie do lokalnego Operatora Systemu Dystrybucyjnego wniosku o wydanie warunków przyłączenia do sieci elektroenergetycznej uzyskanie warunków przyłączenia (na podstawie ustawy Prawo Energetyczne). Podmiot ubiegający się o przyłączenie źródła do sieci elektroenergetycznej wnosi zaliczkę na poczet opłaty za przyłączenie do sieci. Przedsiębiorstwo energetyczne zajmujące się przesyłaniem lub dystrybucją energii elektrycznej, jest obowiązane wydać warunki przyłączenia w terminie: 150 dni od dnia złożenia wniosku o określenie warunków przyłączenia przez wnioskodawcę a w przypadku przyłączania źródła od dnia wniesienia zaliczki. W przypadku, gdy przedsiębiorstwo energetyczne odmówi wydania warunków przyłączenia lub zawarcia umowy o przyłączenie do sieci elektroenergetycznej z podmiotem ubiegającym się o przyłączenie z powodu braku technicznych lub ekonomicznych warunków przyłączenia, jest obowiązane niezwłocznie zwrócić pobraną zaliczkę. Podmiot ubiegający się o przyłączenie ponosi koszty wykonania ekspertyzy wpływu przyłączanej jednostki na działanie systemu elektroenergetycznego w przypadkach, kiedy całkowita moc zainstalowana jednostki przekracza 2 MW. Do wniosku o wydanie warunków przyłączenia dostarcza się: dokument potwierdzający tytuł prawny do nieruchomości, 29
plan zabudowy lub szkic sytuacyjny, ekspertyzę wpływu na system elektroenergetyczny (jeśli dotyczy), wypis i wyrys z miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego potwierdzający możliwość lokalizacji danego źródła energii lub w przypadku jego braku decyzję o warunkach zabudowy i zagospodarowania terenu dla nieruchomości określonej we wniosku, jeżeli jest ona wymagana na podstawie przepisów o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym. W sprawach spornych dotyczących odmów przyłączenia rozstrzyga prezes Urzędu Regulacji Energetyki. Decyzję o pozwoleniu na budowę wydaje starosta powiatowy. Może on przekazać uprawnienie do wydawania tych pozwoleń gminie, wówczas decyzje wydaje wójt, burmistrz lub prezydent miasta. Odwołania od tych decyzji rozpatruje wojewoda. Do wniosku o pozwolenie na budowę należy dołączyć: cztery egzemplarze projektu budowlanego wraz z opiniami, uzgodnieniami, pozwoleniami i innymi dokumentami wymaganymi przepisami, oświadczenie o posiadanym prawie do dysponowania nieruchomością na cele budowlane, decyzję o warunkach zabudowy i zagospodarowania terenu, jeżeli jest ona wymagana zgodnie z przepisami o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym. Do Urzędu Regulacji Energetyki należy złożyć wniosek o wydanie koncesji dającej możliwość prowadzenia działalności gospodarczej w zakresie wytwarzania energii elektrycznej w odnawialnym źródle. Przed przystąpieniem do użytkowania obiektu budowlanego należy uzyskać ostateczną decyzję o pozwoleniu na użytkowanie. Właściwy organ wydaje decyzję w sprawie pozwolenia na użytkowanie obiektu budowlanego po przeprowadzeniu obowiązkowej kontroli. 30
Bariery rozwoju elektrowni wodnych. Wśród licznych argumentów przemawiających za inwestowaniem w przedsięwzięcia związane z produkcją odnawialnych źródeł energii pojawiają się również argumenty, które mogą zniechęcić potencjalnych inwestorów lub posiadaczy nieruchomości usytuowanych na ciekach wodnych do rozpoczęcia inwestowania w małe elektrownie wodne. Najczęściej wymieniane są wśród nich następujące bariery: bariery ekonomiczne, bariery prawne, bariery technologiczne (techniczne), bariery środowiskowe (ekologiczne), bariery edukacyjne, bariery społeczne. Bariery ekonomiczne Inwestycje związane z produkcją energii elektrycznej zarówno produkowanej w konwencjonalnych elektrowniach jak i w elektrowniach wykorzystujących odnawialne źródła energii z pewnością nie należą do najtańszych. Pomimo konieczności poniesienia znacznych nakładów na takie inwestycje, nie brakuje zainteresowania wśród potencjalnych inwestorów. Zwrot poniesionych kosztów następuje w stosunkowo krótkim okresie czasu, a stałość przychodów po okresie zwrotu wkładu poniesionego na inwestycję jest jednym z najwymowniejszych argumentów dla każdego inwestora. Aby jednak móc zainwestować w małą elektrownie wodną należy albo pokryć cały koszt inwestycji ze środków własnych albo szukać zewnętrznych źródeł finansowania. 31
W przypadku braku wystarczających środków własnych należy rozważyć możliwość wzięcia kredytu inwestycyjnego oraz skorzystania z dofinansowania ze źródeł Unii Europejskiej. Bariery prawne Każda inwestycja związana jest z przestrzeganiem i dostosowaniem się do istniejących unormowań prawnych. W przypadku inwestycji w małą elektrownie wodną na pewno będą to normy budowlane, czy też normy środowiskowe, które muszą być restrykcyjnie spełnione. Problem pojawia się raczej w momencie kiedy prawo nie mówi w jaki sposób mają powstawać inwestycje OZE i kto ma trzymać pieczę nad ich powstawaniem. W Polsce budowa małej elektrowni wodnej wciąż jest procesem niezwykle czasochłonnym i to nie tylko ze względu na czas jaki jest potrzebny na wybudowanie infrastruktury, ale raczej ze względu na czas jaki jest potrzebny na uzyskanie wszelkich zezwoleń. Często bywa tak, że aby uzyskać pozwolenie na bardzo wczesnych etapach inwestycji należy przedstawiać już gotowy projekt co ze względu na złożoność procesu planowania takiego przedsięwzięcia często jest niemożliwe. Problemem jest również wydawanie decyzji przez różne organy, które w zasadzie o równoznacznych kwestiach rozstrzygają z różnym rezultatem. Kolejnym problemem jest brak jednolitego programu państwa na rozwój i wykorzystanie technologii OZE, przez co każdy potencjalny inwestor nie otrzymuje wsparcia od państwa. Również samorządy oraz instytucje (np. RZGW 29 ) mające dostęp do wielu obiektów, na których mogą powstawać małe elektrownie wodne nie mogą udostępnić ich dla inwestorów przez brak unormowań prawnych określających program i politykę w zakresie wykorzystania odnawialnych źródeł energii (nie wiadomo kto może budować, czy ma być to sektor publiczny - samorząd, czy sektor prywatny). Problemem jest jednoznacznego stanowiska w procedurach udostępniania obiektów. 29 Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej. 32
Bariery technologiczne (techniczne) Bariery technologiczne w zasadzie nie istnieją. Można mówić o braku możliwości wykorzystania technologii w konkretnej lokalizacji, jednak należy przenieść odpowiedzialność z technologii na jej nieekonomiczność. W zakresie technologii wykorzystywanej w elektrowniach wodnych niepodważalny jest fakt, że jest to najskuteczniejsze wykorzystanie potencjału energii spośród wszelkich istniejących. Każdy aspekt techniczny takich konstrukcji spełnia najsurowsze wymogi środowiskowe, a ciągły rozwój tej dziedziny sprawia, że nawet na bardzo małych spadkach rzek można stosować rozwiązania techniczne zapewniające opłacalność takiej inwestycji. Warto w tym miejscu dodać, że na terenie Polski wciąż istnieje bardzo duży niewykorzystany potencjał hydroenergetyczny, co powinno zainicjować cały szereg działań mogących taki stan zmienić. Bariery środowiskowe (ekologiczne) Nie istnieją technologie związane z wytwarzaniem energii elektrycznej, które nie ingerowałyby w środowisko naturalne. Barierą środowiskową w przypadku małych elektrowni wodnych jest najczęściej ochrona lokalnych gatunków ryb bądź płazów lub ogólny wpływ na otaczającą florę. W ochronie lokalnej fauny niezwykle ważnym aspektem jest budowa wszelkiego typu przepławek, mających zachować naturalne warunki środowiska dla organizmów żywych, oraz zapewnić możliwość swobodnego poruszania się zarówno w górę jak i w dół rzeki. Wpływu MEW na otaczającą florę najczęściej nie można nazwać szkodliwym ze wzglądu na to, że podniesienie stanu wód górnych powoduje podniesienie poziomu wód gruntowych co ma niezwykle korzystny wpływ na rozwój roślinności, a co za tym idzie na środowisko życia licznych organizmów żywych. Niewątpliwie również jakość wody poniżej elektrowni ulega znacznej poprawie, chociażby przez jej natlenianie. 33
Warto wspomnieć, że to właśnie dzięki obecności elektrowni wodnych na terenie objętym ich wpływem, powstałe zmiany w środowisku stały się tak cenne, że postanowiono objąć je ochroną prawną jako szczególnie cenne przyrodniczo i krajobrazowo (np. Wdecki Park Krajobrazowy, Dolina Bobru, Dolina Słupi itp.). Bariery edukacyjne Bariery edukacyjne to m.in. niewielka ilość programów edukacyjno-szkoleniowych dotyczących odnawialnych źródeł energii skierowanych do inżynierów, projektantów, przedstawicieli sektora energetycznego, urzędników, bankowości oraz decydentów. Niewystarczająca wiedza na ten temat powoduje powstawanie bardzo licznych przeszkód w realizacji projektów związanych z OZE. Brakuje kadry prowadzącej projektowanie wyspecjalizowanych obiektów małych elektrowni wodnych. Banki niechętnie udzielają wsparcia w postaci kredytów. Brakuje też rzetelnej wiedzy w zakresie OZE wśród niższych jak i wyższych szczebli administracji publicznej. Bariery społeczne Ostatnią omówioną przeszkodą w powstawaniu małych elektrowni wodnych jest opór społeczny z jakim może spotkać się inwestor. Opór taki wiąże się nie posiadaniem rzetelnej wiedzy lokalnej ludności na temat planowanej inwestycji oraz najczęściej ze złą komunikacją lub jej brakiem między inwestorem lub samorządem, a społeczeństwem. Ważnym aspektem tego problemu jest umiejętne komunikowanie potencjalnym interesariuszom wszelkich zamiarów na długo przed rozpoczęciem jakichkolwiek prac oraz edukacja poprzez informowanie o realnym wpływie mającej powstać inwestycji na lokalne środowisko. Wszelkie tego typu działania, nazwane również dialogiem społecznym, na pewno zapobiegają opóźnieniom w dosyć długim procesie inwestycyjnym. 34
Komunikując się z lokalną społecznością należy zwrócić szczególną uwagę na takie aspekty jak: utrzymanie stałego poziomu wód gruntowych, utrzymanie wysokiej jakości prądu sieciowego, możliwość stworzenia miejsc pracy, zwiększenie atrakcyjności turystycznej regionu. Należy uzasadnić realne korzyści z działania małej elektrowni wodnej dla każdego zainteresowanego mieszkańca objętego jej wpływem. Uruchamiając nową MEW przy istniejących już piętrzeniach wodnych, odtwarzamy obiekty z grupy tzw. mikroretencji, potrzebnej m.in. rolnictwu. MEW przyczynią się do poprawy warunków hydrologicznych na przyległych terenach. Zbiorniki wodne powstałe przy elektrowniach mogą pełnić funkcje przeciwpożarowe i przeciwpowodziowe. Potencjał hydroenergetyczny. Potencjał hydroenergetyczny rzek, analogicznie jak w przypadku potencjałów innych OZE, wskazuje na wartość energii, którą można byłoby uzyskać w elektrowniach wodnych zlokalizowanych na danym terenie. Potencjał hydroenergetyczny zależny jest od dwóch parametrów fizycznych tj. przepływu jednostkowego rzeki oraz spadku lustra wody. Iloczyn tych dwóch parametrów pomnożony przez wartość przyciągania ziemskiego odniesiony do wszystkich rzek na danym obszarze daje nam wynik, który powszechnie nazywany jest potencjałem teoretycznym. Wartość ta pomnożona przez ilość godzin w roku daje nam teoretyczne możliwości produkcji energii (np. elektrycznej) na danym obszarze w skali roku. Potencjał teoretyczny nie jest możliwy w całości do wykorzystania między innymi z powodu: braku technicznych możliwości zabudowy niektórych odcinków rzek, zbyt niskiej sprawności urządzeń służących do wytwarzania energii, uwarunkowań przyrodniczo-krajobrazowych, zaspokojenia potrzeb innych użytkowników wód (zaopatrzenie w wodę do picia, dla przemysłu, rolnictwa), konieczności zachowania przepływów gwarantowanych itp. Zasoby energetyczne rzek możliwe do wykorzystania z uwzględnieniem uwarunkowań technicznych, nazywane są potencjałem technicznym. Teoretyczne zasoby energii wodnej w 35
Polsce szacuje się na ok. 23 TWh/rok (w zależności od źródła wartości te wahają się od 19 do 29) natomiast potencjał techniczny energii wodnej w Polsce szacuje się na około 12 TWh/rok (w zależności od źródła wartości te wahają się od 12 do 13,6). Podane wartości minimalne wyliczone zostały z pominięciem rzek małych i bardzo małych, co jest powodem powszechnie wyrażanej opinii o konieczności aktualizacji wartości zasobów hydroenergetycznych rzek Polski. W skali województwa lubelskiego wartości te kształtują się odpowiednio na poziomie: 707,22 GWh/rok potencjał teoretyczny, 354 GWh/rok potencjał techniczny. Teoretyczny potencjał energetyczny rzek województwa lubelskiego obliczony jest dla głównych rzek wskazanych w Programie Gospodarki Wodnej Województwa Lubelskiego (PGW). Dodatkowo listę tę rozszerzono o te rzeki zawarte w Aktualizacji Wojewódzkiego Programu Małej Retencji, które nie były wskazane w PGW, a których przepływ u ujścia wynosi ponad 100 l/s. Obliczenia można wykonać korzystając ze wzoru: N p = rz G x H x Q gdzie: N p potencjał teoretyczny (kw) rz suma dla wszystkich zakwalifikowanych do obliczeń odcinków rzek na terenie danego powiatu G przyciąganie ziemskie (9,81 m/s 2 ) H spadek lustra wody rzeki (m) Q przepływ średni (m 3 /s) Dla każdej głównej rzeki przepływ określa w oparciu o ogólnodostępne materiały z posterunków wodowskazowych, pozwoleń wodnoprawnych oraz obliczeń własnych wykonanych metodą analogii. Do wykonania obliczeń niezbędne jest określenie powierzchni zlewni rzek w poszczególnych profilach. Do tego celu można wykorzystać dane zawarte w Atlasie Podziału Hydrograficznego Polski. 36
Dla każdego analizowanego odcinka rzeki (lub całej rzeki) można ustalić przepływ średni poprzez zsumowanie przepływów w skrajnych punktach rzeki (granica odcinka, źródło, ujście) i podzielnie sumy przez dwa. Do określenia spadku rzeki wykorzystuje się ogólnie dostępne mapy topograficzne. Na ich podstawie określa się w poszczególnych miejscach wysokości lustra wody poszczególnych rzek. Do obliczeń potencjału teoretycznego wykorzystuje się różnicę wysokości lustra wody w skrajnych punktach rzeki. Za techniczny potencjał energetyczny rzek woj. lubelskiego można przyjąć wartość 50% potencjału teoretycznego. Potencjał techniczny na przyjętym poziomie 50% potencjału teoretycznego wynika ze średnich wartości szacunkowych w Polsce oraz innych krajach europejskich. Zasoby w przeliczeniu na 1 km 2 Województwo lubelskie Lądowy obszar Polski Zasoby teoretyczne [MWh] 28,1 73,7 Zasoby techniczne [MWh] 14,1 38,5 Tab. Teoretyczne i techniczne zasoby przeliczone na jeden kilometr kwadratowy. 30 30 Źródło: obliczenia własne. 37
Zasady działania Małych Elektrowni Wodnych 31 Rys. Wyposażenie elektromechaniczne MEW stanowią: turbina, przekładnia, prądnica oraz układ regulacji i sterowania turbozespołem. Mała elektrownie wodna ma cztery podstawowe parametry: spad. Spad określa się jako różnicę poziomów wody górnej i dolnej. Spad podczas pracy elektrowni ulega zmianom w zakresie do 20% spadu nominalnego. Spadem nominalnym określa się spad, przy którym elektrownia rozpoczyna swą pracę. Spad podczas pracy elektrowni powinien być kontrolowany, ponieważ od niego zależy moc osiągnięta przez elektrownię. Ze względu na ściśle określony pozwoleniem wodno- 31 Opracowano na podstawie materiałów PHU Gawlikowski 38
prawnym poziom piętrzenia nie może przekroczyć pewnej granicy maksymalnej, ze względu na to regulację przeprowadza się na utrzymanie poziomu wody górnej. przepływ Przepływy charakterystyczne mierzone w [m 3 /s] określają hydrologię cieku wodnego. Z punktu widzenia energetycznego, ważnym dla doboru turbin zainstalowanych w MEW jest przepływ średni średnioroczny (SSQ) oraz przepływ najdłużej trwający (NTQ). Przepływ instalowany elektrowni określa ilość wody, jaką może turbina przełknąć przy danym spadzie. moc Moc jest moc znamionowa urządzeń generacyjnych. Jednak ważniejsza od mocy znamionowej jest wielkość produkcji a właściwie jej stabilność na zadawalającym poziomie. Moc elektrowni wodnej wyraża się przybliżonym wzorem: Chwilowa moc elektrowni przy danym przepływie w [kw] = wielkość przepływu wody w [m 3 /s] x wielkość spadu użytecznego w [m] x iloczyn sprawności wszystkich urządzeń. sprawność Sprawność elektrowni stanowi sprawność turbozespołu tzn. zastosowanej turbiny, przekładni oraz generatora. Sprawność małej elektrowni wodnej zawiera się w przedziale od 70 85 %. Wyposażenie elektromechaniczne MEW Wyposażenie elektromechaniczne MEW stanowią: turbina, przekładnia, prądnica oraz układ regulacji i sterowania turbozespołem. Turbina decyduje o sposobie rozwiązania całego układu mechanicznego turbozespołu, a także w istotny sposób wpływa na rozwiązanie konstrukcyjne samego obiektu hydrotechnicznego, a w szczególności jej części przepływowej. Turbina decyduje o efektach produkcyjnych turbozespołu, a także o jego 39
właściwościach eksploatacyjnych. Właściwy dobór typu i parametrów turbiny decyduje o sukcesie ekonomicznym elektrowni. Optymalnym rozwiązaniem turbozespołu jest układ bezpośredniego połączenia turbiny z prądnicą. Warunki do realizacji takiego układu występują wówczas, gdy normalna prędkość obrotowa turbiny jest równa lub bardzo zbliżona do prędkości obrotowej prądnicy. W pozostałych wypadkach do przeniesienia napędu z turbiny o małej prędkości obrotowej na prądnicę trzeba zastosować przekładnie. W turbozespołach małej mocy wykorzystywane są przekładnie zębate oraz pasowe z pasem płaskim lub paskami klinowymi. W małych elektrowniach wodnych stosowane są dwa rodzaje prądnic: synchroniczne lub asynchroniczne. Przyjęcie odpowiedniego typu uzależnione jest głównie od systemu pracy turbozespołu, czyli od sposobu wykorzystania energii oraz jej przeznaczenia. Prądnicami asynchronicznymi są stosowane obecnie seryjne 3-fazowe silniki indukcyjne klatkowe (rzadziej pierścieniowe). Prądnice synchroniczne do tej pory stosowane były w małych elektrowniach wodnych tylko w wyjątkowych wypadkach. Przy doborze prądnicy dla projektowanego turbozespołu należy starać się o prądnicę o możliwie małej synchronicznej prędkości obrotowej oraz właściwie dobrać moc prądnicy do mocy osiąganej przez turbinę. Bardzo ważną sprawą jest też dostosowanie wytrzymałości mechanicznej prądnicy do prędkości rozbiegowej turbiny. 40