mini elektrownia wodna wykorzystująca energię

mini elektrownia wodna wykorzystująca energię

MINI ELEKTROWNIA WODNA
WYKORZYSTUJĄCA ENERGIĘ KINETYCZNĄ CIEKU WODNEGO,
ORYGINALNE ROZWIĄZANIA WŁASNE
Bogusław SZUBAa*
a
dr hab. eng. arch, .Faculty of Civil Engineering and Architecture Opole University of Technology, Katowicka 48 Street,
45-061 Opole, Poland
*
Corresponding author. E-mail address: [email protected]
Received: XXXXX 2015; Revised: XXXXX 2015; Accepted: XXXXX 2015KIELAR *
Abstract
Growing need of producing the energy from renewable resources is causing the
investigation of new solutions. In this matter, the water power station are among them.
However the water power stations are not neutral to natural environment. The article
describes author’s propositions for mini water power station. The rule of their working is
based on conversion river kinetic energy to electricity. The main feature of these solutions is
reducing of negative impacts on the natural environment (lack of stacking the water, free fish
flowing, lesser amount of building works). Presented solutions are pretending for spreading
and applying, especially for located near the watercourses objects.
Streszczenie
Rosnące zapotrzebowanie na pozyskiwanie energii z odnawialnych źródeł jest
przyczyną powstawania coraz to nowych rozwiązań w tym zakresie. Wśród nich znajdują się
elektrownie wodne. Jednakże elektrownie wodne nie pozostają obojętne w stosunku do
środowiska naturalnego. Artykuł przedstawia propozycję budowy mini elektrowni wodnej,
której zasada działania opiera się o wykorzystanie energii kinetycznej cieku wodnego. Istotną
cechą rozwiązania jest znaczne zredukowanie obciążeń dla środowiska naturalnego (brak
konieczności piętrzenia wody, swobodne przepływanie ryb, redukcja robót budowlanych).
Rozwiązanie pretenduje do jego upowszechnienia i stosowania zwłaszcza dla obiektów lub
ich zespołów znajdujących się w pobliżu cieków wodnych.
Keywords:
Mini water power station, renewable energy, river stream, hydrokinetic technology
S ł o w a k l u c z o w e:
Mini elektrownie wodne, energia odnawialna, strumień rzeczny, technologia
hydrokinetyczna
1. Wprowadzenie
Małe elektrownie wodne nie doczekały się jednoznacznej definicji związanej z górną
granicą produkowanej energii elektrycznej. Niektóre kraje UE (Portugalia, Hiszpania,
Irlandia, Grecja i Belgia) Komisja Europejska oraz UNIPEDE (Union Internationale des
Producteurs et Distributeurs d'Electricité – Międzynarodowa Unia Producentów
i Dystrybutorów Energii Elektrycznej)określiły tę granicę na 10MW. W Wielkiej Brytanii
ustalono przedmiotową granicę na 20MW, we Francji na 12MW, we Włoszech 3MW, w
Szwecji 1,5MW w Polsce 5MW. Małe elektrownie posiadają własną (również nie do końca
sformalizowaną względem progów mocy) klasyfikację:[1]
piko elektrownie wodne - do 20 kW (w Polsce 5 kW).
mikro elektrownie wodne - do 500 kW (w Polsce 100 kW);
mini elektrownie wodne - do 2 MW (w Polsce 1 MW);
małe elektrownie wodne – od 1-5MW
Rozróżniamy również podział elektrowni ze względu na spad:[2]
elektrownie wysokospadowe - spad 100 m i więcej
elektrownie średniospadowe - spad 30 ÷ 100 m
elektrownie niskospadowe - spad 2 ÷ 30 m
Inny podział elektrowni
elektroenergetycznym:[2]
wiąże
się
ich
możliwością
współpracy
z
systemem
elektrownie przepływowe,
elektrownie na zbiornikach o okresowym regulowaniu przepływu,
elektrownie w kaskadzie zwartej,
elektrownie pompowe i elektrownie z członem pompowym,
Klasyfikacja elektrowni wodnych ze względu na sposób koncentracji piętrzenia:[2]
elektrownie przyjazowe,
elektrownie przyzaporowe,
elektrownie z derywacją kanałową,
elektrownie z derywacją ciśnieniową,
elektrownie z derywacją mieszaną: kanałowo-rurociągową,
elektrownie zainstalowane na innych obiektach hydrotechnicznych (np. elektrownia
zintegrowana z kanałem nawadniającym, elektrownie zintegrowane z układem poboru
wody),
Wszystkie z wyżej wymienionych elektrowni posiadają jedną wspólna cechę, polegającą na
przemianie energii potencjalnej wody związanej z różnicą poziomów jej zwierciadła na ujęciu
i na odpływie, w energię elektryczną.
Niebagatelnym zagadnieniem w kształtowaniu elektrowni wodnych jest ich
oddziaływanie na środowisko naturalne. Co prawda elektrownie wodne nie są źródłem emisji
CO2, ani też zanieczyszczeń ciekłych, jednak ich wpływ na środowisko naturalne nie jest
obojętny:[3]
Oddziaływania podczas budowy (badania geologiczne, wycięcie istniejącej
roślinności, przemieszczenia gruntu, drążenie sztolni, materiały do umocnienia
brzegów, wykonywanie wałów, czasowe przemieszczanie osób, zagospodarowanie
dróg, linie energetyczne, budowa dróg i stacji rozdzielczych, pogłębianie cieków
wodnych, czasowa derywacja wody, korzystanie z koparek, ciężarówek, helikopterów,
transportu samochodowego, kabli, obecność ludzka w trakcie prac)
Oddziaływania podczas eksploatacji elektrowni (produkcja energii, zatrzymanie biegu
cieku, stałe prace przy korycie, rurociągi derywacyjne, nowe linie elektryczne, wały,
narzuty kamienne, modyfikacja natężenia przepływu, hałas pochodzący z
wyposażenia elektromechanicznego, usuwanie materiału zalegającego na dnie rzeki)
Przedmiotem niniejszego artykułu jest mała elektrownia wykorzystująca energię
kinetyczną cieku wodnego – nie wymagającej piętrzenia wody, w stosunku do tradycyjnej
znacznie mniej obciążającej środowisko naturalne.
1. Stan badań
Dotychczasowe wykorzystywanie energii kinetycznej cieków wodnych do produkcji
energii elektrycznej wciąż nie znalazło jeszcze szerszego zastosowania. Pojedyncze, ciekawe
rozwiązania wykorzystujące ruch cieku wodnego do wytwarzania energii elektrycznej są
warte uwagi, zwłaszcza że ich oddziaływanie na zwierzęta i ryby zamieszkujące środowisko
wodne jest nieporównanie korzystniejsze wobec elektrowni piętrzących wodę i
wykorzystujących energie potencjalną wody. Rozwiązania turbin poruszanych siłą cieku
rzecznego, w zależności od kierunku jego przepływu, można podzielić na dwie grupy:
stosujące oś poziomą oraz pionową.
Rysunek 1 Poziomy lub pionowy układ osi generatorów w stosunku do przepływu cieku
wodnego. [4]
Jednym z przykładów realizacji przemiany energii kinetycznej cieku wodnego na
użyteczną pracę jest turbina pompująca wodę z rzeki Nil do pobliskiej miejscowości Juba
(rys.2). Przykładami elektrowni wykorzystującej energię kinetyczną cieku wodnego mogą być
zbudowana przez firmę Alternative Way Turbina Tysona (Nimbin, Australia) pływająca na
tratwie (rys.3) czy też testowana na rzekach w Zairze (Afryka) pływająca turbina, zbudowana
przez Rutten Company (Herstal, Belgia) (rys.4).
Rysunek 2 Turbina wykorzystująca
energię kinetyczną rzeki do pompowania
wody [5]
Rysunek 3 Turbina wykorzystująca energię
kinetyczną rzeki do wytwarzania prądu [6]
Rysunek 4 Turbina wykorzystująca energię kinetyczną rzeki do wytwarzania prądu [7]
Do innych przykładów można zaliczyć podwodne elektrownie w Kanadzie na rzece
St. Lawrence, na terenie prowincji Ontario, (The Cornwall Ontario River Energy Project moc elektrowni osiąga 15 Mw) [8] , w rejonie cieku Cornwall Ontario River, na rzece East
River w Nowym Jorku (Verdant Power’s Roosevelt Island Tidal Energy (RITE)[9], czy też w
strumieniu najdłuższej w Turcji rzeki Seyhan w pobliżu miasta Adana 17MW[10] (rys 5,6,7).
Urządzenia do złudzenia przypominają zminiaturyzowane wieże wiatrowe. Wiatraki
wykorzystujące siłę wiatru poruszają się stosunkowo wolno. Podobnie w niewielkich
prędkościach (40 RPM) poruszają się śmigła podwodnych generatorów prądu KHPS
(Kinetic Hydropower System). Urządzenia znajdują zastosowanie przy ruchu cieku wodnego
o prędkości powyżej 1m/s. Obiekty montowane całkowicie pod wodą są niewidoczne.
Powolny ruch śmigieł pozwala na swobodny przepływ ryb. Generatory te nie przyczyniają się
do wyniszczania populacji ryb. Są przyjazne dla środowiska naturalnego również ze względu
na ich pełne zanurzenie w wodzie (nie wytwarzają hałasu, nie szpecą naturalnego
krajobrazu). Śmigła podwodnej turbiny są modyfikowane ze względu na lokalne
uwarunkowania (głębokość cieku wodnego, pożądana moc, rodzaj obiektów wymagających
zasilania). Rotor generatora składa się z trzech śmigieł napędzanych siłą energii kinetycznej
cieku wodnego. Poważną zaletą rozwiązania jest ciągłość pracy urządzeń. Cieki wodne płyną
zazwyczaj ze zbliżoną prędkością ze znaczną regularnością. Stabilność cieku wodnego
oznacza stabilność pracy urządzenia.
Rysunek 5 Podwodny generator prądu elektrycznego Gen5 KHPS Turbine (5m Class) [11]
Rysunek 6 Podwodny generator prądu
elektrycznego w czasie prac montażowych
na rzece [11]
Rysunek 7 Wizualizacja podwodnej farmy
generatorów prądu elektrycznego [11])
Turbiny podwodne mogą również być montowane na tratwach (The BlueTEC Modular
platform - rys.8) instalowane w 3 różnych wersjach mocy: 200KW, 500KW, 2-3MW[12], czy
też być umieszczone na fundamentowanych w dnie rzeki kładkach w formie np. w formie
„obrotowych drzwi” (rys.9).
Rysunek 8 Zespół podwodnych turbin pływających na
tratwach [13]
Rysunek 9 Przykład generatora z
pionową osią [14]
2. Mini elektrownia wodna – oryginalne rozwiązania własne
Poniżej przedstawiono dwa rozwiązania małych elektrowni wodnych. Rozwiązanie A
wskazane jest dla cieków o niewielkich głębokościach i mocy około 5KW. Rozwiązanie B
możliwe jest do zastosowania w przypadku cieków o większych głębokościach, sugerowana
moc zastosowanego generatora 20KW. Każde z przedstawionych rozwiązań, ze względu na
miejscowe uwarunkowania może być modyfikowane.
Rozwiązanie A
Elektrownia składa się z tratwy pływającej, na której zainstalowane są dwie pary
gąsienic częściowo zanurzonych w wodzie, ponadto z przekładni z regulatorem obrotów oraz
generatora prądu elektrycznego.
Tratwa stanowiąca podłoże dla ww. urządzeń umiejscowiona jest w środku nurtu
cieku wodnego. Jej stabilizację można osiągnąć za pomocą lin kotwiących trwale
zamocowanych po obu stronach cieku lub też za pomocą zakotwienia do dna rzecznego. Ze
względu na zmieniający się poziomu cieku zakotwienie musi wykazywać się elastycznością
(można ją uzyskać poprzez wprowadzenie odpowiednio długich lin kotwiących).
Podstawowym elementem elektrowni są dwie pary gąsienic zaopatrzonych w łopatki.
Łopatki zamocowane na każdej z gąsienic obustronnie w sposób symetryczny. Cechą
charakterystyczną łopatek jest ich ustalone położenie w momencie ich zanurzenia w wodzie
(za pomocą blokad znajdujących się w ich bezpośrednim sąsiedztwie) oraz możliwość ruchu
swobodnego (w kierunku przeciwnym) z chwilą wynurzania się gąsienicy oraz ponad lustrem
wodnym. Pozwala to na zmniejszenie oporów powracającej gąsienicy (z przestrzeni wody do
obszaru ponad lustrem wodnym). Gąsienice poruszane są poprzez łopatki w trakcie ich
zanurzenia w wodzie. Ruch gąsienicy zostaje przełożony na ruch obrotowy koła sprzężonego
z przekładnią regulatorem obrotów i generatorem prądu elektrycznego.
Wygenerowany prąd przekazywany jest do urządzeń odbiorczych za pomocą kabla
(ułożonego na dnie rzeki lub też przerzuconego w bezpiecznej wysokości nad ciekiem
wodnym).
Rysunek 10 Pływająca elektrownia wodna (źródło – rozwiązanie autorskie)
Rozwiązanie B
Podobnie jak powyżej, elektrownia składa się z tratwy pływającej, na której
zainstalowane są dwie pary gąsienic częściowo zanurzonych w wodzie, ponadto z przekładni
z regulatorem obrotów oraz generatora prądu elektrycznego. Rozwiązanie różni się od
poprzedniego poprzez zwiększenie głębokości zanurzenia gąsienic oraz podwojenie działania
siły ruch cieku wodnego na gąsienice (ciek wodny popycha łopatki gąsienicy wprawiając ją w
ruch zarówno z chwilą je zanurzania jak i wynurzania. Rozwiązanie to pozwala uzyskać
większą moc zainstalowanych urządzeń, ale jest nieco bardziej rozbudowane.
Łopatki gąsienicy zamocowane na każdej z gąsienic obustronnie w sposób
symetryczny. W stosunku do przykładu poprzedniego zrezygnowano z mobilnych łopat
gąsienicy. Ustalono że ich położenie jest jednakowe w czasie całej ich wędrówki. Pozawala to
na zmniejszenie awaryjności urządzenia (możliwość blokowania się łopat w trakcie ich ruchu
poprzez ewentualne zanieczyszczenia przemieszczające się w nurcie cieku wodnego).
Symetryczność rozwiązania stwarza korzystniejsze warunki stabilizacji tratwy na
wodzie.
Wygenerowany prąd przekazywany jest do urządzeń odbiorczych za pomocą kabla
(ułożonego na dnie rzeki lub też przerzuconego w bezpiecznej wysokości nad ciekiem
wodnym).
Rysunek 11 Pływająca elektrownia wodna (źródło – rozwiązanie autorskie)
Zastosowanie
Brak konieczności piętrzenia wody pozwala na wykorzystanie rozwiązania w bardzo
wielu okolicznościach, decydujące są lokalne uwarunkowania cieku wodnego (szerokość
i głębokość cieku, prędkość przepływu wody). Rozwiązanie A w stosunku do rozwiązania B
zajmuje mniej przestrzeni i wymaga mniejszego zanurzenia gąsienic. Możliwe są
przegłębienia cieku pozwalające na wykorzystanie urządzeń o większej mocy (rozwiązanie B)
3. Oddziaływanie na środowisko
Mała elektrownia wodna posiada szereg pozytywnych cech. Wyzwalanie energii
elektrycznej w elektrowniach wodnych zaliczany jest do procesów odnawialnych (opartych
na potencjale energetycznym, który w sposób naturalny ulega cyklicznemu odtwarzaniu).
Zatem jedną z najważniejszych korzyści jest brak wykorzystywania paliwa kopalnego. Wiąże
się to z poważnym ograniczeniem zużycia kurczących się zasobów naturalnych.
Produkcja energii w MEW jest pozbawiona wytwarzaniu odpadów, nie wywołuje
zanieczyszczeń w postaci ścieków
Wśród niekorzystnych oddziaływań małych elektrowni wodnych na środowisko
odnotowuje się
zmiany naturalnych warunków hydromorfologicznych wód
powierzchniowych przez zabudowę hydrotechniczną i regulację rzek, przerwanie ciągłości
biologicznych rzek.
Według Przemysława Nawrockiego i Piotra Nieznańskiego z WWF11 Polska:
„Mała elektrownia wodna zlokalizowana na rzece jest zawsze szkodliwa dla
środowiska. Elektrownia wodna wymaga bowiem budowy piętrzenia przegradzającego koryto
rzeki, a każde piętrzenie wpływa negatywnie na ekosystem rzeki. Nawet MEW(małe
elektrownie wodne) o niewielkiej mocy powodują śmiertelność ryb podczas ich spływu w dół
rzeki – ryby są ranione lub zabijane podczas przepływania przez komorę turbiny.”[1]
Podobnie wypowiedział się Europejski Komitet Ekonomiczno- Społeczny w sprawie
odnawialnych źródeł energii (2006/C 65/20): Małe elektrownie (…) stanowią obciążenie dla
środowiska na obszarze, na którym są położone, w szczególności z uwagi na budowę obiektu
oraz zmianę ekologii wód (np. uniemożliwienie migracji ryb poprzez budowę tam).[1] Co
prawda istnieją techniczne środki redukujące bądź eliminujące to oddziaływanie 2 jednak nie
są one do końca satysfakcjonujące.
Budowle elektrowni zmieniają ekosystem i krajobraz otoczenia. Zastoiny powstałe
przez wytwarzanie nowych zbiorników przy elektrowniach powodują rozwój innych
organizmów niż przed powstaniem zapory. Inne negatywne zjawiska to możliwość
powstawania i kumulowania zwiększonej ilości glonów redukujących ze środowiska
wodnego tlen, co negatywnie wpływa na żywotność ryb, prowadzi do ich wymierania,
powoduje nagromadzanie osadów dennych. Sztucznie wytworzone zbiorniki (zwłaszcza duże)
wpływają na wilgotność powietrza, a podniesienie poziomu lustra wody może powodować
erozję nabrzeży i zatapianie obszarów lęgowych ptaków.
Wielkie elektrownie wodne poważnie zwielokrotniają wyszczególnione powyżej
negatywne zjawiska.3 Dlatego najkorzystniejsze dla środowiska przyrodniczego są małe
elektrownie wodne.
4. Podsumowanie i wnioski
Zwiększa się liczba nowych MEW. Wynika to z faktu, że dla tego rodzaju inwestycji
(w porównaniu do wielkich elektrowni wodnych) łatwiej jest zrealizować obowiązujące
wymagania środowiskowe. Ponieważ małe elektrownie wodne nie są pozbawione
negatywnych oddziaływań środowiskowych zasadnym jest poszukiwanie rozwiązań nowych,
pozwalających na uzyskanie korzystniejszych relacji zachodzących pomiędzy wznoszonymi
przez człowieka obiektami z otoczeniem naturalnym.
Jak dotychczas, stosunkowo słabo rozwija się technologia wykorzystująca energię kinetyczną
cieków wodnych. Nie wymaga ona piętrzenia cieku wodnego co jest poważną zaletą tego
typu rozwiązań.
1
WWF (World Wildlife Fund)- organizacja ekologiczna która powstała w 1961 r o
charakterze międzynarodowym, działająca na rzecz powstrzymania degradacji środowiska
naturalnego i poszukiwania rozwiązań dzięki którym ludzie będą żyli w harmonii z przyrodą.
2
Do jednych z nich należy przyjazna rybom turbina typu Vortex firmy Alstom. (Zob.
http://www.baza-oze.pl/enodn.php?action=show&id=26 [15])
3
Przykładem może być zapora elektrowni w Czorsztynie, która spowodowała poważne
zmiany w środowisku naturalnym.
Przedstawione w przedmiotowym artykule nowe rozwiązania techniczne mini elektrowni
wodnej oparte o wykorzystanie energii kinetycznej cieku wodnego stanowią przyczynek do
kształtowania bardziej zrównoważonego środowiska człowieka.
Literatura
[1] Warać K., Wójcik R., Kołacki M. (2010) Elektrownie wodne, Ich funkcjonowanie i
oddziaływanie na środowisko, Słupsk, str. 15, 41. ISBN 675-98-5692-943-2
http://elektrowniewodne.freehost.pl/
[2] Penche C. (2010) Jak zbudować małą elektrownię wodną? Przewodnik inwestora. str. 4-7.
Tłumaczenie na język polski z roku 2010 w ramach projektu SHAPES – Działania Małej
Energetyki Wodnej na Rzecz Promocji Efektywnych Rozwiązań (Small Hydro Action on
Promotion of Efficient Solutions), Gdańsk. Zespół Redakcyjny Janusz Steller, Adam Henke,
Julitta Jagielska,. Maciej Kaniecki, Katarzyna Trojanowska
[3] European Commission - "Externalities of Energy - Volume 6 Wind and Hydro" EUR
16525 EN
[4] Khan M.J., Bhuyan G.,. Iqbal M.T, Quaicoe J.E. (2009) Hydrokinetic energy conversion
systems and assessment of horizontal and vertical axis turbines for river and tidal
applications: A technology status review, Elsevier Applied Energy 86, 1823–1835.
[5]
Water Current Turbines Pump Drinking, Technical Brochure No. 83, Water Caddet
Renewable Energy (http://www.caddet-re.org/assets/no83.pdf)
[6] Levy D. (1995) Power from natural flow at zero static head. International Power
Generation. [w:] Aditya Rahman: Pontoon, an alternative flexible cheap mounting option for
the renewable decentralized river current turbine power service
[7] In-Stream Hydrokinetic Turbines http://hydrovolts.com/wp-content/uploads/2011/06/InStream-Hydrokinetic-White-Paper2.pdf
[8]
Cornwall
Ontario
River
Energy
Project,
Canada
technology.com/projects/cornwall-ontario-river-energy-project/
http://www.power-
[9] Roosevelt Island Tidal Energy Project, New York, United States of America
http://www.power-technology.com/projects/roosevelt-island-tidal-energy-project-new-york/
[10] Humphrey A. (2014) USTDA Supports Renewable Energy Development in Turkey, U.S.
Trade and Development Agency, NEWS RELEASE, March 20, 2014
(http://www.ustda.gov/news/pressreleases/2014/MENAEE/Turkey/TurkeyHydrokineticPower
Project_032014.asp)
[11] http://www.verdantpower.com/media-gallery.html
[12] http://www.bluewater.com/new-energy/bluetec-modular/
[13]http://www.bluewater.com/new-energy/downloads/
[14] Khan MJ, Iqbal MT, Quaicoe JE.(2008) River current energy conversion systems:
progress prospects and challenges. Renew Sustain Energy Rev2008;12(8):2013–264.
[15]. http://www.baza-oze.pl/enodn.php?action=show&id=26