Energia wodna: Czym jest i jak działa?

Energia wodna, prawdopodobnie jedna z najbardziej widocznych odnawialnych źródeł energii, i jej rola w magazynowaniu energii są równie interesujące, co nieznane.

Współczesna wielkim greckim myślicielom, takim jak Platon i Arystoteles, i będąca fundamentalnym narzędziem rozwoju Cesarstwa Rzymskiego, energia hydrauliczna od tysiącleci była niezwykle użyteczna dla ludzkości. Jednak dopiero wraz z nadejściem rewolucji przemysłowej i pojawieniem się energii elektrycznej, energia hydrauliczna nabrała znaczenia i stała się kluczowym, już przekształconym w energię hydroelektryczną, elementem rozwoju społeczeństw XIX i XX wieku. Dzisiaj przyjrzymy się przeszłości, ale także przyszłości tego rodzaju energii odnawialnej; a także zagłębimy się w to, jak działa. Dołączysz do nas w tej podróży przez moc wody, aby odkryć, jak działa energia wodna?

Kontrolowanie sił natury i ujarzmianie jej z korzyścią dla nas było jednym z największych osiągnięć ludzkości. W ten sposób, pokolenie po pokoleniu, modyfikowaliśmy nasze środowisko dla własnego dobra, przede wszystkim po to, by zapewnić sobie przetrwanie, a w drugiej kolejności poprawić jakość życia. Wielkie cywilizacje starożytności kształtowały swój świat tak, by eksploatować zasoby naturalne i dzięki nim się rozwijać. Siła wody, jednego z podstawowych elementów naszej planety, nie jest tu obca; wręcz przeciwnie, jest głównym bohaterem. Greckie koło wodne, rzymski młyn czy egipska saqia to tylko kilka przykładów, jak niezbędna była siła hydrauliczna do takich zadań, jak pompowanie wody czy mielenie ziarna. Chociaż jej rola była ważna wówczas, stała się kluczowa wraz z eksplozją technologiczną i naukową, która miała miejsce podczas rewolucji przemysłowej w XIX wieku, kiedy elektryczność stała się podstawą rozwoju miast, a tym samym gospodarek krajów uprzemysłowionych. To właśnie wtedy narodziła się energia wodna, którą znamy dzisiaj.

Wspierane przez rozwój generatorów elektrycznych i zaawansowane turbiny, elektrownie wodne zaczęły mnożyć się w krajach najbardziej rozwiniętych. Terminy takie jak „tama” i „zbiornik” zaczęły się upowszechniać w słowniku obywateli, a plany budowy wielkich elektrowni wodnych, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na energię elektryczną, pojawiły się w Europie i Ameryce w zawrotnym tempie, zmieniając krajobraz naszej przyrody. Do tego czasu znaczna część energii elektrycznej pochodziła z ujarzmienia siły wody.

Współistniejąc z innymi rodzajami odnawialnych źródeł energii, takimi jak energia wiatrowa i słoneczna, energia wodna przetrwała do dziś i pozostaje fundamentalna. Nie bez powodu prawie jedna czwarta światowej energii elektrycznej jest wytwarzana dzięki ich działaniu, przy czym udział ten jest znacznie wyższy w takich krajach jak Norwegia (99%), Demokratyczna Republika Konga (97%), Brazylia (96%) czy Kanada (60%). Przykładem ogromnego znaczenia tej technologii jest fakt, że niektóre z największych budowli budowlanych naszych czasów to elektrownie wodne, takie jak Zapora Trzech Przełomów (Chiny, 22 500 MW) czy Zapora Itaipu (Brazylia i Paragwaj, 14 000 MW). Ale czy wiemy, jak działa energia wodna?

Jak działa energia wodna?

Skupmy się na mniej więcej standardowej elektrowni wodnej. Każda elektrownia tego typu składa się z kilku głównych elementów niezbędnych do jej działania. Przyjrzyjmy się im po kolei:

Energia hydroelektryczna: Części elektrowni wodnej

• Zapora: Jest to budowla budowlana, wykonana głównie z betonu, która umożliwia objętość wody, którą należy zachować i udostępnić centralnemu operatorowi. Niektóre z najbardziej imponujących wodospadów wznoszą się na setki metrów.
• Zbiornik: To obszar magazynowania wody, w którym mieści się obiekt i zbiera wodę przepływającą przez dopływy.
• Zasuwy lub kraty filtracyjne: To ruchome elementy, które otwierają się i zamykają, aby umożliwić przepływ wody.
• Rury przepustowe: Główne arterie, którymi woda jest prowadzona w drodze do wytwarzania energii elektrycznej.
• Turbiny: To silniki, które napędzają wodę podczas jej przepływu, umożliwiając wytwarzanie energii mechanicznej.
• Generatory elektryczne: To elementy odpowiedzialne za przekształcanie energii mechanicznej turbin w energię elektryczną.
• Linie energetyczne: Transportują nowo wytworzoną energię elektryczną do różnych punktów odbioru.
• Odpływ: To droga ucieczki dla całego przepływu hydraulicznego wykorzystywanego w procesie wytwarzania energii elektrycznej.

W skrócie, elektrownie wodne wykorzystują siłę wody spadającej pomiędzy dwa punkty na różnych wysokościach, aby wytworzyć energię elektryczną. Innymi słowy, cały obiekt działa, wykorzystując siłę grawitacji i masę wody z korzyścią dla szeregu elementów mechanicznych, które absorbują ten potencjał energetyczny w celu późniejszej konwersji na energię elektryczną. W tym sensie woda zatrzymana w zbiorniku krąży w obwodach hydraulicznych zapory, niwelując różnicę poziomów między dwoma punktami. Ten sztuczny wodospad, naśladujący te występujące w naturalnych wodospadach, pozwala cieczy, dzięki działaniu grawitacji, nabrać prędkości, która jest przekazywana w postaci energii kinetycznej do turbin znajdujących się w dolnym punkcie infrastruktury. W ten sposób woda krąży w turbinie, która przyspiesza jej obrót, generując energię mechaniczną, która jest przekazywana do generatora elektrycznego w celu konwersji na energię elektryczną.

Jednak woda opuszcza obiekt i jest odprowadzana do dolnego biegu rzeki bez żadnego negatywnego wpływu na środowisko. Cały ten proces zapewnia również wyjątkową wydajność, w której prawie 90% potencjalnej energii wody jest wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej, generując jedynie straty wydajności w obciążeniach obwodu hydraulicznego i w procesie tarcia grupy hydroelektrycznej (turbin).

W ten sposób jesteśmy w stanie uzyskać 100% odnawialnej energii elektrycznej, co jest jednym z najbardziej pozytywnych, biorąc pod uwagę jej wysoki poziom zrównoważenia i ponownego wykorzystania, i co pomaga zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych do atmosfery. Ponadto woda wykorzystywana w procesie może być wykorzystana do użytku domowego lub nawadniania. Ten rodzaj technologii, o długim okresie użytkowania, jest również szczególnie interesujący w regulacji przepływów rzecznych i zapobieganiu powodziom; Podstawowym powodem budowy Tamy Trzech Przełomów w Chinach jest cel energetyczny, a zarazem zapobieganie powodziom podobnym do tej z 1931 roku, która pochłonęła miliony ofiar i ofiar śmiertelnych.

Jakie są rodzaje elektrowni wodnych?

Ze względu na ich funkcje i lokalizację, obecnie możemy wyróżnić trzy główne typy elektrowni wodnych:

Rodzaje elektrowni wodnych

1. Woda płynąca: Jest to model, który jest najbardziej zależny od warunków meteorologicznych lub przepływu Rzeka, z której jest zasilana; ponieważ nie mają one zdolności magazynowania wody, lecz wykorzystują wodę obiegową do wytwarzania energii. Oznacza to, że te elektrownie, które są przeważnie mniejsze i mają mniejszą wydajność niż pozostałe, nie mogą dostosować się do potrzeb w zakresie zapotrzebowania na energię elektryczną. Na ich korzyść przemawia to, że nie zakłócają biegu rzeki, minimalizując wpływ na środowisko.
2. Regulacyjne: To rodzaj elektrowni wodnych, o których wszyscy pomyślelibyśmy, gdyby nas zapytano. Opierają się one na magazynowaniu różnych rodzajów wody, za pomocą których można regulować ich działanie w zależności od zapotrzebowania na energię elektryczną w danym momencie. Są to duże, półnaturalne akumulatory energii, dzięki którym jesteśmy w stanie zaspokoić potrzeby energetyczne społeczeństwa, o ile zasoby wody są wystarczające.
3. Pompowe: Są to regulacyjne elektrownie wodne oparte na zbiornikach o różnych poziomach na nakładających się wysokościach, do których pompowana jest woda w celu wygenerowania ciągłego obiegu zasobów wodnych, z których można wytwarzać energię.

Jaka jest rola energii wodnej w magazynowaniu energii?

Jedną z największych zalet energetyki wodnej jest jej funkcjonalność w zakresie dostarczania energii elektrycznej w okresach największego zapotrzebowania, dzięki możliwości przekształcania zbiorników w duże akumulatory energii. To, co było absolutnie korzystne jeszcze kilkadziesiąt lat temu, zyskało na znaczeniu wraz z pojawieniem się innych technologii odnawialnych, których przepływ produkcji spada z powodu zmieniających się warunków pogodowych. W związku z tym rola energetyki wodnej została wzmocniona wraz z pojawieniem się stacji pomp, które wykorzystują nadwyżki energii z instalacji fotowoltaicznych lub wiatrowych do odprowadzania wody wykorzystywanej w procesie wytwarzania energii wodnej w górę rzeki. Dzięki temu energia wiatru lub fotowoltaiczna, która nie jest wprowadzana do sieci podczas wytwarzania, jest wykorzystywana w tych instalacjach do zasilania górnych zbiorników infrastruktury, co pozwala na późniejsze wykorzystanie tego zasobu wody w sposób odnawialny, bez marnowania energii wiatrowej lub fotowoltaicznej. I chociaż wiatr nie zawsze wieje na naszą korzyść, a światło słoneczne nie zawsze świeci niezbędną energią, energia wodna stanowiłaby ostoję dla zielonej energii. W ten sposób zbiornik staje się gigantyczną baterią.

Dobitnym przykładem sukcesu tego typu technologii i jej ogromnego potencjału wzrostu jest hiszpańska elektrownia wodna Gorona del Viento, położona na wyspie El Hierro (Wyspy Kanaryjskie). Elektrownia ta, uruchomiona w 2014 roku, zaspokaja 70% całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną tej małej Wyspy Kanaryjskiej, wykorzystując w 100% odnawialną energię, a nawet osiąga całe dnie, w których 100% energii jest pokrywane tą metodą.