 Nowoczesne technologie w energetyce wodnej
Od zarania dziejów człowiek wykorzystywał potencjał otaczającej go wody. Stosując często bardzo proste metody, starał się pozyskiwać energię mechaniczną w celu ułatwienia sobie codziennych czynności.
Z upływem czasu rozwój technologii sprawił, iż miejsce prymitywnych urządzeń zajęły nowoczesne jednostki nastawione na poprawę efektywności. Nawet, jeżeli ich idea działania pozostawała niezmieniona, to zastosowano w nich najnowsze rozwiązania specjalistów z dziedziny inżynierii materiałowej. Wiele państw traktuje tę gałąź OZE jedynie jako dodatek do zbilansowanej i zdywersyfikowanej energetyki krajowej. Jednak np. Norwegia właśnie na niej oparła swój system elektroenergetyczny.
Różnorodność możliwości
Najbardziej rozpowszechnionym oraz rozwiniętym pod względem technologicznym sposobem konwersji energii w rozpatrywanym w tym aspekcie są zapory wodne. Budowane na rzekach wykorzystują energię potencjalną wody zakumulowanej wewnątrz sztucznie stworzonego zbiornika. Spiętrzenie oraz napór wody są tym większe, im wyższa jest zapora, co wyjaśnia budowanie kilkuset metrowych obiektów. Oczywiście są one wykorzystywane także, jako rezerwuary wody do celów użytkowych, zbiorniki retencyjne, zapewniające ochronę przeciwpowodziową i mogą być służyć także celom rekreacyjnym.
Rozpowszechnioną formą generowania energii elektrycznej są elektrownie szczytowo-pompowe. Zasada ich działania w tym przypadku jest bardzo prosta. Układ składa się z dwóch zbiorników położonych na różnych wysokościach oraz połączonych instalacją rurociągową. Za dnia woda jest spuszczana z górnego zbiornika, po czym przepływając przez turbiny, napędza je i wymusza konwersję energii mechanicznej na elektryczną. W nocy charakter pracy diametralnie zmienia się – woda jest pompowana ze zbiornika dolnego do górnego, a więc zużywa się energię elektryczna. Wpływa na to różnica cen energii elektrycznej za dnia oraz w nocy. Są to układy, które charakteryzują się szybkim rozruchem, dzięki czemu w krótkim odstępie czasu mogą wspomóc system energetyczny.
Kolejna z często spotykanych opcji to elektrownia przepływowa. Jej podstawową cechą jest fakt, iż nie prowadzi do dodatkowego spiętrzania wody. Obiekt budowany jest najczęściej w rejonach jej naturalnego nagromadzenia. Woda przepływa wyznaczonymi do tego kanałami, napędzając w ten sposób zlokalizowane we wnętrzu zapory turbiny. Istotną kwestią w tego typu instalacjach jest brak możliwości regulacji generowanej mocy elektrycznej. Przy braku dodatkowego zbiornika retencyjnego dużo zależy od aktualnych warunków pogodowych.
Nowe technologie
Grupą elektrowni, które obecnie rozwijają się bardzo prężnie, zarówno pod względem udoskonalania znanych już rozwiązań technicznych, jak i kreowania nowych technologii, są instalacje pływowe. Jedną z czołowych metod wykorzystania efektu falowania są układy oparte na sprężaniu i rozprężaniu zawartego w nich powietrza. Według przypuszczeń oraz obliczeń, pełne wykorzystanie potencjału ruchu falowego wody w naturalnych zbiornikach ziemskich pozwoliłoby na zaspokojenie ok. 40% światowego zapotrzebowania na energię, co jest równoznaczne z możliwościami generacyjnymi mniej więcej 750 elektrowni jądrowych. Sam proces jest wspaniały w swojej prostocie. Fala, uderzając o osłonę zbiornika, powoduje wzrost poziomu wody w jego wnętrzu, co z kolei skutkuje sprężeniem powietrza i uruchomieniem łopatek wirnika turbiny. Ciekawostką w tym przypadku jest możliwość pracy wirowej w obu kierunkach. W związku z tym, gdy następuje rozprężanie powietrza i obniżanie poziomu wody, zasysany gaz ponownie wprawia wirnik w ruch. Jedną z firm, która przyczyniła się do rozwoju tego rodzaju technologii jest niemiecki producent z branży inżynierii mechanicznej – firma Voith. Przykładowa instalacja omawianego typu powstała na szkockim wybrzeżu już w listopadzie 2000 r.
Inną ze stosowanych metod jest wykorzystanie pomp tłokowych różnego rodzaju: wodnych, powietrznych lub też wodno-powietrznych. Najczęściej elementami reagującymi na ruch falowy są bojki lub spławiki, oczywiście odpowiedniej wielkości. Oscylacyjny ruch tychże elementów, połączonych bezpośrednio z tłokiem, przyczynia się do pompowania i zasysania czynnika. Poszczególne fazy zależą od budowy i charakteru pracy danej pompy. Jeden z prostych układów polega na połączeniu szeregowo kilku modułów pomp, które wspólnym rurociągiem przetłaczają wodę do głównego rezerwuaru, skąd opada ona na turbinę napędzającą generator, a następnie wraca do naturalnego zbiornika. Istnieją także podobne układy, które wykorzystują inne metody napędzania tłoków. Są to przykładowo przekładnie zębate, wahające się pontony oraz specjalnego rodzaju wiosła. Przyszłościowym kierunkiem może okazać się łączenie skumulowanych modułów pompowych (tworzących jakby wyspę) w większe zbiory, które mogą odzwierciedlać archipelagi i generować wystarczająco dużo energii, aby zaspokoić lokalne potrzeby konsumentów zlokalizowanych blisko wybrzeża. Znaczne skupienie elementów będących swego rodzaju pontonami, stosowane jest także przez norweską spółkę Pontoon Power AS w projekcie Pontoon Power Converter.
Potencjał energetyczny falowania wykorzystuje się także w przypadku innych technologii. Jedną z nich jest ta autorstwa duńskiej firmy Weptos. Polega ona na zastosowaniu systemu pływaków zlokalizowanych po zewnętrznej stronie układu przypominającego literę „V”. Dzięki ruchomemu łącznikowi możliwa jest zmiana rozwarcia ramion. Daje to możliwość dostosowania modułu do różnych warunków otoczenia, wynikających ze zmian falowania oraz zoptymalizowania ich pracy w celu uzyskania wyższej efektywności. Wszystkie pływaki poruszają się niezależnie, jednak wspólnie napędzają oś połączoną z generatorem. Według inżynierów wspomnianej firmy, układ o mocy znamionowej 5 MW generuje energię wystarczającą do zaspokojenia potrzeb 4000 gospodarstw domowych.
Kolejnym przykładem jest Pelamis Wave Energy. Projekt szkockiej firmy został zrealizowany u wybrzeży Portugalii, a dokładnie w okolicach Porto. Konstrukcją przypomina on zespół połączonych ze sobą zawiasowo walców, na wpół zanurzonych w wodzie. Działają one na głębokościach większych niż 50 m. Każdy z walców, poruszając się zgodnie z falami, przesuwa skorelowane z nim tłoki, które tłoczą wysokociśnieniowy olej w układzie zamkniętym. Przepływa on przez silniki hydrauliczne, które napędzają generatory elektryczne w celu wytworzenia energii.
Nowe pomysły
Istotne jest także wykorzystanie potencjału zawartego w prądach oceanicznych. Wiele firm zmaga się z siłami natury, instalując pod powierzchnią wody turbiny zbliżone kształtem (choć oczywiście mniejsze) do tych montowanych na farmach wiatrowych. Taką właśnie konstrukcję zaprezentował francuski koncern Alstom. Projekt obejmuje założenie podwodnej farmy – w pierwszej fazie 61 turbin, a docelowo nawet 269 jednostek, co pozwoli na wygenerowanie 398 MW. Już wstępny etap umożliwi zagwarantowanie energii elektrycznej dla 42 000 rodzin. Nad podobną koncepcją pracuje również wspomniana już grupa Voith. Istnieją także układy łączące w sobie dwie turbiny ustawione symetrycznie na zanurzonym stalowym palu. Bliźniacze wirniki projektu SeaGen mają łącznie moc znamionową wynoszącą 2,4 MW.
Ciekawym pomysłem jest także budowanie sztucznych lagun. Często tworzy się sztuczną barierę z odpowiednimi otworami lub też o wysokości wystarczającej do tego, aby woda przelała się przez nią w czasie przypływu. W obu przypadkach w zaporze zastosowane są wirniki połączone z generatorem. W wariancie z otworami wykorzystuje się jednak moment napełniania sztucznego rezerwuaru, podczas gdy model przelewowy wyposażony jest w system szczelin otwieranych w chwili, gdy poziom wody po drugiej stronie bariery wystarczająco opadł. Logicznym rozwiązaniem w odniesieniu do wspomnianych technologii jest udoskonalenie ich o dodatkowe dwa zbiorniki, znajdujące się pomiędzy oceanem a sztucznym jeziorem. Pozwolą one na przetaczanie wody w celu zwiększenia efektywności pracy wirników. Co więcej, w tym przypadku wykorzystuje się do generowania elektryczności zarówno moment napełniania rezerwuaru, jak również jego opróżnianie.
Wody oceanów pokrywają blisko 71% powierzchni kuli ziemskiej. Pochłaniają one bardzo dużo promieniowania słonecznego, które człowiek postanowił wykorzystać. Zjawisko, na którym bazuje kolejna z technologii, związane jest z występującą na bliskich obszarach różnicą temperatur wody. Projekt ten nosi nazwę Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC). Przykładowo w okolicach miasta Punta Tuna położonego na Puerto Rico znajdują się obniżenia terenu, nawet kilometr poniżej tafli wody. Rejony te zapewniają zimną wodę, natomiast cieplejszy czynnik pochodzi z płytszych obszarów. Cały system ma bardzo prostą budowę. Jeden ze zbiorników umieszcza się na obszarze wód o wyższej temperaturze. Wewnątrz niego natomiast zlokalizowane jest skroplone medium, np. propan, które po podgrzaniu zaczyna parować. Wytworzony gaz przepływa rurociągami do turbiny, która konwertuje energię mechaniczną na elektryczną. Rozprężone pary trafiają do kolejnego zbiornika, znajdującego się w rejonie wód zimnych. Tam następuje skroplenie czynnika, który wraca do punktu początkowego.
Przedostatnią z prezentowanych w tym artykule technologii jest Solar Island – projekt wykreowany przez szwajcarską firmę CSEM. Łączy ona w sobie dwa rodzaje źródeł odnawialnych, co zresztą można wywnioskować z nazwy. Składa się z licznych zwierciadeł ułożonych na gigantycznej membranie, unoszącej całą konstrukcję na powierzchni wody. Specjalny system rur pompuje wodę, która przepływając wzdłuż układu jest ogrzewana promieniami słonecznymi odbitymi przez zwierciadła. Wytworzoną w ten sposób parę transportuje się do głównego zbiornika, a stamtąd podwodnym rurociągiem do centrali znajdującej się już na stałym lądzie. Tam też jest zlokalizowany generator napędzany dostarczoną parą. Układ posiada funkcję podążania za słońcem, więc przez cały okres silnego promieniowania może z wysoką efektywnością ogrzewać rurociągi.
Na koniec warto wspomnieć o bardzo ciekawym projekcie, który będzie można oglądać podczas letniej olimpiady sportowej w Brazylii w 2016 r. Chodzi o ogromną wieżę wyposażoną w sztuczny wodospad. Autorami pomysłu są szwajcarscy architekci z pracowni RAFAA Architecture & Design. Woda będzie pompowana na najwyższe piętro poza godzinami szczytu, zaś w momencie największej konsumpcji energii zostanie ona spuszczana, by opadając zasiliła generatory. Pomysł jest niewątpliwie ciekawy i zwróci na siebie uwagę świata. Sama wieża będzie stanowiła dodatkowo znakomity punkt widokowy. Natomiast energia dzięki niej wygenerowana posłuży do zasilania wioski olimpijskiej oraz pobliskich zabudowań.
W niniejszym artykule zaprezentowane zostały jedynie niektóre projekty z listy wydłużającej się każdego roku. To bardzo pozytywne zjawisko, gdyż świadczy o zainteresowaniu energetyką odnawialną oraz o chęci tworzenia coraz to doskonalszych urządzeń, działających w zgodzie ze środowiskiem naturalnym.
©® GRUPA MEDIA INFORMACYJNE & ADAM NAWARA |
