I. WYKORZYSTANIE ENERGII MORZA.
Wykorzystuje się energię pływów morza, fal morskich, energię cieplną mórz oraz energię prądów oceanicznych.
Wykorzystanie energii pływów morskich.
W korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie pływów morza. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, pozwalającej na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczeniu ich poprzez turbiny wodne podczas odpływu, pokazaliśmy to na rysunku. Największa na świecie taka elektrownia znajduje się we Francji. Ma ona 24 turbiny wodne rewersyjne o mocy po 10MW, a więc cała elektrownia ma moc 240MW. Pracuje od 1967 roku.
Takie elektrownie pracują również w Kanadzie, Chinach i byłym ZSRR, a są projektowane w Wielkiej Brytanii, Kanadzie, Korei Południowej i Indiach. Dla ekonomii pracy elektrowni wykorzystujących pływy nie jest bez znaczenia, że ich okres eksploatacji jest liczony na 100 lat. Wadami elektrowni tych jest zasalanie ujść rzek oraz erozja ich brzegów wskutek wahań wody, a także utrudnianie wędrówek ryb w górę rzek.
Wykorzystanie energii fal morskich.
Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania energii fal morskich napędzających albo turbinę wodną albo powietrzną.
W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku tym jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę rurową Kaplana, sprzężona z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Wykorzystana jest więc przemiana energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną spadu.
Instalacja taka pracuje od 1986r. na norweskiej wyspie Toftestallen koło Bergen dając moc 350kW. Takie rozwiązanie jest znane pod skrótem OWC.
Schemat elektrowni wykorzystującej energię fal morskich typu MOSC na wyspie Islay u wybrzeża Szkocji
W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformach na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale powietrze wprawia w ruch turbinę Wellsa, która napędza generator. Rozwiązanie takie jest znane pod skrótem MOSC. Na rysunku pokazano schemat takiej elektrowni, zbudowanej na wyspie Jslay u wybrzeży Szkocji.
Norwegia buduje elektrownie wykorzystujące fale morskie o mocy 2MW na wyspie Tongatapu na południowym Pacyfiku, kosztem 7,1$.
Elektrownię typu MOSC projektuje się obecnie w Szkocji. Będzie ona miała moc 2000MW i będzie składała się z modułów po 5MW. Będzie ona też ochraniała brzeg morski przed zniszczeniem.
Innymi sposobami wykorzystania energii fal morskich są "tratwy" (rys. 9) i "kaczki" (rys. 8). Każda "tratwa" składa się z trzech części połączonych ze sobą zawiasami i poruszających się na falach. Ruch fal porusza tłoki pomp znajdujących się w środkowej części "tratwy". Pompowana woda napędza turbinę sprzężoną z generatorem. Eksperymentalna "tratwa" pracuje koło wyspy Wight (Wielka Brytania).
W przeciwieństwie do "tratw", które wykorzystują pionowy ruch fal, "kaczki" wykorzystują poziome ruchy wody morskiej. Łańcuchy "kaczek" umieszczone na długim pręcie podskakując na falach niezależnie od siebie wprowadzają w ruch tłoki pomp. Pompowana woda napędza turbiny. "Kaczki" o małej mocy służą od lat do oświetlenia boi.
Wykorzystanie energii cieplnej oceanu.
Przemiana energii cieplej oceanu to wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu. Jest to możliwe na obszarach równikowych; woda morska ma tam na powierzchni temperaturę ok. 30 ºC, a na głębokości 300-500m temperaturę ok. 7 ºC. Wykorzystanie tej różnicy polega na zastosowaniu czynnika roboczego, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości 300-500m. Czynnikiem takim jest amoniak, freon lub propan. Cała instalacja wraz z generatorem znajduje się na platformie pływającej.
Dużym problemem w takiej instalacji jest korozja materiałów w wodzie morskiej i osadzanie się na powierzchniach wymienników ciepła organizmów morskich, rozwijających się bujnie w ciepłej wodzie. Sprawność elektrowni maretermicznej wynosi 2,5% przy różnicy temperatury 20º, a 6% przy różnicy 40º. Instalacje takie są konkurencyjne na obszarach, które są zasilane elektrowniami dieslowskimi, pracującymi na drogim paliwie.
Energia taka jest wykorzystywana w Indonezji (5MW), Japonii (10MW), na TAHITI (5MW) i na Hawajach (40MW).
Wykorzystanie energii prądów morskich.
W II połowie 1995 roku na morzu w pobliżu północnego wybrzeża Szkocji rozpoczęła pracę pierwsza na świecie elektrownia napędzana siła prądów morskich. Nowa elektrownia ma zastąpić siłownię atomową, gdyż nie odpowiada nowoczesnym normom bezpieczeństwa. O lokalizacji obiektu zadecydowały korzystne, niezwykle silne w tym rejonie morza prądy.
II. WYKORZYSTANIE ENERGII RZEK.
ZASADY PRZETWARZANIA ENERGII WODY
Energię wód można ogólnie podzielić na energię wód śródlądowych oraz energię mórz. Powstanie energii wód śródlądowych jest związane z cyklem krążenia wody w przyrodzie. Źródłem tej energii jest w istocie energia słoneczna.
Z równania Bernoulliego można wyznaczyć teoretyczną ilość energii zawartej w płynącej wodzie między dwoma punktami A i B rozpatrywanego odcinka rzek, potoku, kanału itp. (ogólnie zwanych ciekami).
Podstawową rolę w przemianie energii wody śródlądowej (w elektrowni wodnej) w energię elektryczną odgrywa energia potencjalna. W turbinach wodnych następuje zamiana energii potencjalnej na energię kinetyczną, a ta następnie w prądnicach elektrycznych (hydrogeneratorach) jest zamieniana na energię elektryczną. Moc P (W) elektrowni wodnej wykorzystującej rozpatrywany odcinek cieku wodnego
P = VρgHuηe
gdzie:
V – strumień objętości wody przepływającej przez turbinę, m3/s;
Hu = hA– hB – ∆hs – spad użyteczny (wykorzystany), uwzględniający straty spadu ∆hs w zbiorniku i przewodach doprowadzających wodę do elektrowni, m.;
ηe – sprawność elektrowni.
Warunkiem otrzymania dużej mocy jest koncentracja w możliwie ograniczonym obszarze dużej różnicy poziomów oraz dużego przepływu masowego wody. Z uwagi na brak naturalnej koncentracje spadu (wysokogórskich jezior o dużych zasobach wody dla elektrowni wodnych stwarza się sztuczne spady poprze:
– spiętrzenie górnego poziomu wody GW ;
– obniżenie dolnego poziomu DW lub budowę elektrowni podziemnej;
– budowę kanału skracającego, dzięki czemu zmniejsza się straty przepływowe (znacznie krótsza droga przepływu).
W praktyce stosuje się niektóre z tych sposobów jednocześnie.
Mimo iż energia wodna nie odegra decydującej roli w dalszym zwiększeniu produkcji energii elektrycznej z powodu ograniczonych zasobów wody nadających się do wykorzystania w celach energetycznych, trudnego do nich dostępu (duże odległości skupisk ludzkich od źródeł zasobów), dużych kosztów budowli hydrotechnicznych i długich okresów realizacji inwestycji, to jednak obserwuje się rozwój budownictwa elektrowni wodnych, zwłaszcza tam, gdzie zasoby są duże oraz warunki hydrologiczne temu sprzyjają. Największe zespoły są instalowane na wielkich rzekach i osiągają moce jednostkowe 500–700 MW. Największe elektrownie wodne na świecie to: Itaipu (Brazylia /Paragwaj) 12600 MW (18x700 MW), Gran Coulee (USA) 9711 MW, Guri (Wenezuela) 9000 MW, Krasnojarska (ZSRR) 6096 MW i Churchill Falls (Kanada) 5200 MW.
W ostatnich latach notuje się zwłaszcza znaczny postęp w budowie elektrowni pompowych. Moc największych zbudowanych pompo turbin przekracza 250 MW. W Polsce największe elektrownie szczytowo-pompowe, które odgrywają decydującą rolę wśród elektrowni wodnych, osiągają moce: Żydowo 152 MW, Porąbka-Żar 500 MW (4x125 MW), Żarnowiec 680 MW (4x170 MW) i w przyszłości Młoty 750 MW (3x250 MW).
Rodzaje elektrowni wodnych.
Najważniejszymi parametrami elektrowni wodnej są: moc zainstalowana P, przełyk elektrowni Q, spad użyteczny Hu czas pracy w ciągu doby, tygodnia itp. oraz sprawność ηe.
Przełyk elektrowni ma zasadniczy na wymiary turbin, budynku elektrowni oraz wielkość budynku oraz wielkość budowli hydrotechnicznych doprowadzających wodę do elektrowni. Dobór tej wielkości jest trudny, ponieważ ściśle zależy ona od wartości, zmieniających się w poszczególnych porach roku, przepływów w rzece oraz od charakteru pracy elektrowni. Spad użyteczny elektrowni zależy od warunków topograficznych cieku oraz od sposobu rozwiązania stopnia wodnego. Sprawność elektrowni wodnej ηe jest określona jako iloczyn sprawności turbiny ηt, generatora ηg i transformatora ηtr.
ηe=ηt ηg ηtr
Wartości poszczególnych sprawności: ηt = 0,88 0,93; ηg = 0,95 0,98; ηtr = 0,97 0,995; ηe = 0,84 0,9
Elektrownie wodne cechuje wyjątkowa różnorodność rozwiązań, wynikająca z konieczności każdorazowego dostosowania się do istniejących warunków lokalnych. Elektrownie wykorzystujące energię wód śródlądowych można podzielić na grupy według następujących kryteriów: wartości spadu, sposobu pokrywania obciążeń w układzie elektroenergetycznym i sposobu gospodarowania zasobami wodnymi. Podział według wartości spadu jest najbardziej istotny , ale dość dowolny. Rozróżnia się elektrownie niskospadowe, średnios padowe i wysoko spadowe. W warunkach polskich najsłuszniejszy jest podział na elektrownie o niskim spadzie nie przekraczającym 15m. średnim spadzie 15 50m. oraz wysokim spadzie przekraczającym 50m.
Rozwiązania elektrowni wodnych.
Inwestycje wodno-energetyczne, których celem jest wykorzystanie zasobów naturalnych, są realizowane z reguły w ramach wielozadaniowych obiektów gospodarki wodą, czyli są to inwestycje gospodarki wodnej i energetycznej. Inwestycje te oprócz zadań energetycznych mają inne, np.: opanowania fal powodziowych, gromadzenie zasobów wodnych dla przemysłu i miast, tworzenie stopni żeglugowych. Zadania te mogą być również sprzeczne. Na przykład spiętrzenie na rzekach utrudnia wędrówkę ryb w górę rzeki. Tworzenie stopni żeglugowych o małym spiętrzeniu jest tańsze inwestycyjnie dla żeglugi, ale ogranicza wykorzystanie rzeki do celów elektroenergetycznych. Budowle hydrotechniczne, w zależności od przeznaczenia, można podzielić na:
– budowle piętrzące, do których zaliczyć należy zapory i jazy;
- ujęcia wody;
- budowle doprowadzające i odprowadzające wodę, do których należą kanały, rurociągi i sztolnie wraz z budowlami towarzyszącymi;
- inne budowle, takie jak: śluzy żeglugowe, przepławki dla ryb i pochylnie dla tratew.
W budownictwie hydrotechnicznym wyróżnia się zapory betonowe, zapory ziemne i kanały. W Polsce najbardziej są rozpowszechnione zapory betonowe typu ciężkiego. Zapory ziemne są budowane na terenach nizinnych. W celu ujęcia wody filtrującej przez zaporę stosuje się system drenażowy. Kanały energetyczne łączące zbiornik z elektrownią są prowadzone w wykopie lub w półwykopie. Umocnienia kanałów wykonuje się płytami betonowymi, żelbetowymi lub asfaltobetonowymi.
Elektrownia wodna składa się z następujących podstawowych elementów: blok elektrowni (część podwodna), hala maszyn, hala montażowa, pomieszczenia pomocnicze i ciągi komunikacyjne. w elektrowni niskospadowej większa część bloku znajduje się pod wodą i tworzy budowlę piętrzącą wodę. Wymiary bloku zależą od sposobu doprowadzenia wody, zatem od rodzaju i wielkości turbiny.
MAŁA ENERGETYKA WODNA
Spośród wszystkich odnawialnych źródeł energii w warunkach naszego kraju największy udział w produkcji energii elektrycznej mają i będą miały elektrownie wodne, wśród których do tzw. Małej energetyki zalicza się obiekty o mocy zainstalowanej do 500kW. Niestety zasoby wodo energetyczne naszych rzek są niewielkie, rzędu 13,5 TWh/rok. Po prostu Plska jest krajem nizinnym. W Polsce działa ok. 250 małych elektrowni wodnych. Są to elektrownie prywatne. Dla prowadzącego taki obiekt staje się opłacalny dopiero po uzyskaniu co najmniej 30kW mocy.
Mała energetyka wodna na wiele zalet, m.in.:
- zwiększa małą retencję wód,
- zwiększa znacznie ilość miejsc pracy,
- jest przyjazna dla środowiska, nie zmienia w znaczny sposób krajobrazu i środowiska naturalnego, jak wpływają duże elektrownie wodne,.
Teoretyczna energia wody wyraża się wzorem N=gQH [kW]
g- przyspieszenie ziemskie
Q- natężenie przepływu wody w m3/s
H –spad, czyli różnica pomiędzy poziomem górnej i dolnej wody
Schemat małej elektrowni wodnej Zakopane Olcza.
Sprawność wynosi od 30% - dla prostych urządzeń do 85-90% dla skomplikowanych technicznie. Elektrownia może pracować od 5000-8000 h /rok. A oto przykładowy schemat małej energetyki wodnej w Zakopanem-Olcza na rysunku 15.
Małe elektrownie wodne pracują bez większych remontów przez kilkadziesiąt lat. Amortyzacja może trwać od 3-15 lat.
Elektrownie wodne można podzielić ze względu na lokalizację na:
- przy jazie lub zaporze
- w miejscach, do których woda doprowadzona jest kanałem lub rurociągiem oddalonym od budowli piętrzącej na rzece.