Jak działa energia wodna? Wyjaśniamy

---

Energia wodna – podstawy i działanie

Energetyka wodna (hydroenergetyka) opiera się na wykorzystaniu źródeł energii produkowanej przez wody morskie oraz śródlądowe. Jest to możliwe dzięki ciągłej cyrkulacji wód w wyniku oddziaływania na nie energii słonecznej, która zapewnia krążenie wody w przyrodzie. W maksymalnym uproszczeniu taki obieg można przedstawić w trzech krokach:

• padające deszcze zasilają zbiorniki i rzeki;
• woda zgromadzona w przyrodzie w postaci ciekłej przepływa między punktami położonymi na różnej wysokości lub przemieszcza się w wyniku siły grawitacji;
• słońce powoduje odparowanie, następnie cały cykl się powtarza.

Technologie hydroenergetyczne wykorzystują przede wszystkim wody śródlądowe o wysokim natężeniu przepływu oraz dużym spadzie. Najczęściej energię zapewniają naturalne nurty rzeczne lub różnica poziomów między wodą zgromadzoną w zbiorniku lub jeziorze a korytem w którym płynie. Dla maksymalizacji efektu elektrownie wodne buduje się w pobliżu dolin lub wodospadów, ponieważ właśnie tam panują najbardziej sprzyjające warunki do produkcji energii.
Sama zasada działania elektrowni wodnej jest dosyć prosta. Spadająca z góry woda napędza łopaty turbiny, która wprawiona w ruch uruchamia generator produkujący prąd elektryczny. Wytworzona w ten sposób energia trafia do odbiorców za pośrednictwem linii elektroenergetycznej. Oczywiście nie jest to jedyny sposób wykorzystania energii wodnej¹.

Wykorzystanie energii wodnej – zasady i technologie

Spróbujmy zobrazować zasadę działania hydroenergetyki na kilku przykładach, aby stworzyć pełny obraz możliwości wykorzystania tych technologii.

Energia spadku wody

Wykorzystanie energii spadku wody jest możliwe na rzekach lub jeziorach. W wyniku piętrzenia mas wodnych na zaporze lub jazie kumuluje się energia potencjalna, która następnie w wyniku spadku jest przekształcana w energię elektryczną. Przemieszczanie się mas wodnych zasila generator produkujący prąd elektryczny. W zależności od sposobu doprowadzania wody to turbin hydroelektrownie dzieli się na:

• przepływowe;
• derywacyjne;
• zbiornikowe;
• szczytowo-pompowe;
• przepływowe z członem pompowym.

W elektrowniach wodnych stosuje się cztery rodzaje turbin – Kaplana, Francisa, Turgo oraz Peltona. Każdy z tych systemów działa optymalnie przy innym spadzie. Nadal największą elektrownią pływową pozostaje francuska konstrukcja na rzece Rence z 1967 r. Wyposażona w 24 turbiny wodne rewersyjne generuje aż 240 MW mocy!

Energia pływów morza

Hydroenergetyka wykorzystuje także przypływy i odpływy morskie. Jest to możliwe dzięki wzajemnemu oddziaływaniu grawitacyjnemu Ziemi oraz Księżyca i Słońca. Do powstania pływów dochodzi, ponieważ nie ma równowagi między przyciąganiem grawitacyjnym Księżyca a siłą odśrodkową obrotu Ziemi wokół układu Ziemia-Księżyc. W efekcie woda wpływa do zbiornika, a następnie z niego wypływa, napędzając turbiny pływowe, które zbierają energię kinetyczną strumienia.

Energia fal morskich

Jeszcze innym sposobem na wykorzystanie energii wód są fale morskie, które – jak łatwo zauważyć – poruszają się nie tylko w górę i w dół (gromadząc energię potencjalną), ale także do przodu i do tyłu (generując energię kinetyczną). Niestety jest to zabieg dosyć skomplikowany technicznie z powodu niskiej koncentracji energii oraz jej bardzo dużej oscylacji– podczas sztormów energii pojawia się bardzo dużo, ale przy flaucie (bezwietrznej pogodzie) nie ma jej prawie wcale.
Do przetworzenia energii fal morskich na energię elektryczną używa się obecnie takich urządzeń, jak:

• trzyczęściowe tratwy wykorzystujące pionowy ruch fal;
• przymocowane do podłoża „kaczki”, które wykorzystują poziomy ruch fal.

Energia cieplna mórz

Do nieco mniej popularnych technologii hydroenergetycznych zalicza się wykorzystanie energii cieplnej zbiornika wodnego. Technologia – OTEC (ang. Ocean Thermal Energy Conversion) – polega na tym, że w wodach powierzchniowych panuje wyższa temperatura niż w głębinach. Ze względu na konieczność uzyskania wysokiej, ale stałej amplitudy tego typu rozwiązanie stosuje się na obszarach równikowych.
Wykorzystanie różnicy temperatury wymaga zastosowania czynnika roboczego, którym jest amoniak, freon lub propan. Substancja paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplana za pomocą wody czerpanej z głębokości około 500 m. Technologie OTEC na dużą skalę stosuje się m.in. w Japonii.
Oczywiście nie są to jedyne sposoby generowania energii wodnej. Jako przykłady innych technologii można wskazać np. dyfuzję zasolonej wody morskiej czy turbiny na sprężone powietrze, które jest kompresowane w wyniku wznoszenia się mas wodnych.

Produkcja energii wodnej – proces i skutki dla środowiska

Wytwarzanie energii wodnej jest procesem, który, raz uruchomiony, działa praktycznie samoczynnie, ponieważ ruch mas wodnych wynika z działania sił przyrody oraz grawitacji. Nie wymaga to eksploatowania złóż konwencjonalnych źródeł energii i nie zanieczyszcza przyrody. Choć jednak hydroenergetyka to istotny sektor OZE, nie można zapominać o jej wpływie na środowisko. Do potencjalnych skutków instalowania tam, urządzeń piętrzących oraz innego rodzaju infrastruktury hydroenergetycznej zalicza się:

• zmianę przepływu rzeki i przerywanie jej ciągłości;
• nasilone wylesianie;
• zwiększone ryzyko powodzi, osuwisk i zamulenia dna zbiornika;
• zagrożenie gatunków rezydujących na obszarach objętych pracami;
• generowanie hałasu przez pracujące elektrownie.

Budowa elektrowni wodnych o bardzo dużej mocy może prowadzić do zaburzenia globalnego obiegu hydrologicznego. Przykładem takiej inwestycji jest Tama Trzech Przepływów w Chinach. Jej konstrukcja spowodowała, że ruch obrotowy Ziemi uległ spowolnieniu a oś jej obrotu nieznacznie się zmieniła².

Energia odnawialna wodna a inne źródła energii – porównanie

Czy można zatem powiedzieć, że energia odnawialna wodna to dobry kierunek rozwoju, jeśli chodzi o OZE? Niestety w Polsce warunki dla tego rodzaju instalacji są mało korzystne. Opady są mało obfite i rozłożone nierównomiernie, praktycznie nie występują znaczne spadki terenu. Struktura gruntu o znacznej przepuszczalności powoduje też, że znaczna część opadów nie może zostać wykorzystana.
Szacuje się, że w Polsce całkowita produkcja energii elektrycznej w zaledwie 2,7% pochodzi w elektrowni wodnych. Dla porównania w Norwegii jest to 98%, w Austrii 70%, w Szwajcarii zaś 61%³.
Wydaje się, że usytuowanie Polski na mapie w większym stopniu promuje wykorzystanie innych źródeł OZE, jak fotowoltaika czy energia wiatrowa. Mogą być one nie tylko bardziej wydajne, ale też mniej „kapryśne” niż prądy morskie.

Przyszłość energii wodnej – perspektywy rozwoju i wyzwania

Sposoby wykorzystania energii wodnej stale ewoluują, a inżynierowie poszukują nowych rozwiązań, które będą bardziej wydajne. W jakim kierunku zmierzają technologie hydroenergetyczne?
Trwają prace nad udoskonaleniem elektrowni pływowych. Szacuje się, że pełne wykorzystanie ziemskiego potencjału byłoby w stanie zaspokoić zapotrzebowanie 40% ludności na świecie. Jeszcze innym rozwiązaniem, które budzi zainteresowanie są pompy tłokowe połączone modułowo za pomocą wspólnego rurociągu. Do nowości należą podwodne farmy zbliżone kształtem do turbin wiatrowych czy sztuczne laguny. Ciekawym projektem jest Solar Island, czyli wykorzystanie zjawiska nagrzewania się wód pod wpływem promieni słonecznych oraz generatora parowego do wytworzenia prądu elektrycznego.
Jeśli Twoja firma rozważa sięgnięcie po technologie OZE, być może energia wodna okaże się dobrym rozwiązaniem. Zapraszamy do kontaktu z naszymi specjalistami, którzy pomogą opracować optymalny kierunek rozwoju energetycznego przedsiębiorstwa.

1. Igliński B. i in.; Technologie hydroenergetyczne. Monografia; Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika; Toruń 2017.
2. https://wyborcza.pl/7,75400,15392148,chinczycy-spowolnili-obrot-ziemi.html [dostęp: 6.05.2024 r.]
3. Akademia Viessmann. Energetyka wodna [dostęp: 6.05.2024 r.]