Energia wodna: Czym jest i jak działa?

Być może jest to jedna z najbardziej widocznych odnawialnych źródeł energii, a jej działanie i rola w magazynowaniu energii są równie interesujące, co nieznane

Współczesna wielkim greckim filozofom, takim jak Platon i Arystoteles, i fundamentalne narzędzie rozwoju Cesarstwa Rzymskiego, energia wodna od tysiącleci służy ludzkości. Jednak dopiero wraz z nadejściem rewolucji przemysłowej i pojawieniem się energii elektrycznej, energia wodna dokonała ogromnego skoku, stając się kluczem do rozwoju społeczeństw XIX i XX wieku. Dzisiaj przyjrzymy się przeszłości, ale także przyszłości tego rodzaju energii odnawialnej; przyjrzymy się również jej działaniu. Dołączysz do nas w tej podróży przez moc wody, aby odkryć, jak działa energia wodna?

Kontrolowanie sił natury i ujarzmianie ich dla własnej korzyści było jednym z największych osiągnięć ludzkości. W ten sposób, pokolenie po pokoleniu, ludzie modyfikowali nasze środowisko, aby zapewnić sobie przetrwanie, a w drugiej kolejności poprawić jakość życia. Wielkie cywilizacje starożytności kształtowały swój świat, aby wykorzystać 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 sāqiyah, podnosząca wodę, to tylko kilka przykładów fundamentalnego znaczenia energii hydraulicznej w takich zadaniach, jak pompowanie wody czy mielenie zbóż. Chociaż jej rola była istotna w tamtych czasach, 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 pojawiła się energia wodna, którą znamy dzisiaj.

Dzięki rozwojowi generatorów elektrycznych i zaawansowanej technologii turbin, elektrownie wodne zaczęły mnożyć się w krajach najbardziej rozwiniętych. Terminy takie jak tama i zbiornik wodny zaczęły się upowszechniać w słowniku społecznym, a plany budowy dużych, cywilnych obiektów hydrotechnicznych, mających zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną, pojawiły się w Europie i Ameryce w zawrotnym tempie, zmieniając krajobraz naszego środowiska naturalnego. Do tego czasu bardzo duża część energii elektrycznej pochodziła z ujarzmienia siły wody.

Współistnieć zinne rodzaje odnawialnych źródeł energii, takie jak energia wiatrowa i słoneczna, energia wodnaPozostaje fundamentalna do dziś. Nie bez powodu prawie jedna czwarta światowej energii elektrycznej jest produkowana dzięki jej działaniu, a 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:

• Tama: To budowla budowlana, wykonana głównie z betonu, która pozwala na utrzymanie objętości wody zatrzymywanej do wykorzystania przez operatora elektrowni. Niektóre z najbardziej imponujących tam podnoszą spadek wody o setki metrów.
• Zbiornik: Jest to zbiornik wodny, w którym mieści się instalacja i zbiera się dopływający strumień.
• Śluzy: ruchome elementy, które otwierają się i zamykają, by umożliwić przepływ wody.
• Rurociąg zasilający: Rurociąg, którym przesyła się wodę w celu jej wykorzystania do produkcji energii.
• Turbiny: Są to silniki, które zasilane są przez przepływającą przez nie wodę, co pozwala na wytworzenie energii mechanicznej.
• Generatory elektryczne: Są to elementy odpowiadające za przetwarzanie energii mechanicznej turbin na energię elektryczną.
• Linia energetyczna: Transportuje nowo wytworzoną energię elektryczną do różnych punktów poboru.
• Rura ssąca: Jest to wylot całego przepływu hydraulicznego wykorzystywanego w procesie wytwarzania energii elektrycznej.

Krótko mówiąc, elektrownie wodne wykorzystują siłę spadającej wody między dwoma punktami położonymi na różnych wysokościach do wytwarzania energii elektrycznej. Innymi słowy, działanie całej instalacji opiera się na wykorzystaniu siły grawitacji i masy wody na rzecz szeregu elementów mechanicznych, które absorbują ten potencjał energetyczny w celu jego późniejszej konwersji na energię elektryczną.

W ten sposób 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 zlokalizowanych w najniższym punkcie różnicy poziomów infrastruktury. W ten sposób woda krąży w turbinie, która przyspiesza jej obrót, generując energię mechaniczną, która jest przekazywana do generatora elektrycznego w celu przekształcenia jej w energię elektryczną.

Podsumowując, woda opuszcza instalację i jest odprowadzana do dolnego odcinka rzeki, nie powodując żadnych szkód dla środowiska. Cały proces charakteryzuje się również znakomitą sprawnością, ponieważ około 90% energii potencjalnej wody jest wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej, generując jedynie straty sprawności w obciążeniu obwodu hydraulicznego oraz w procesie tarcia zespołu hydroelektrycznego (turbin).

W ten sposób możemy uzyskać w 100% energię elektryczną ze źródeł odnawialnych, która jest jedną z najbardziej pozytywnych energii, biorąc pod uwagę jej wysoki poziom zrównoważonego rozwoju i ponownego wykorzystania, a także przyczynia się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Ponadto woda zużywana w tym procesie może być wykorzystywana do celów domowych lub nawadniania. Ten rodzaj technologii, charakteryzujący się długą żywotnością, jest również szczególnie interesujący w kontekście regulacji biegu rzek i zapobiegania powodziom; to fundamentalny powód budowy Tamy Trzech Przełomów w Chinach, której cel energetyczny, oprócz zapobiegania powodziom podobnym do tej z 1931 roku, która spowodowała straty i śmierć milionów ludzi, jest również istotny.

Jakie są rodzaje elektrowni wodnych?

Ze względu na funkcje i lokalizację możemy dziś wyróżnić trzy główne rodzaje elektrowni wodnych:

• Elektrownia wodna przepływowa lub rewersyjna: Ten model jest najbardziej zależny od warunków pogodowych i przepływu rzeki, ponieważ nie posiada zdolności magazynowania wody, a wykorzystuje obieg wody do wytwarzania energii. Oznacza to, że te elektrownie, z których większość ma mniejsze rozmiary i moc niż pozostałe, nie są w stanie dostosować się do zapotrzebowania na energię elektryczną. Na ich korzyść przemawia fakt, że nie zakłócają biegu rzeki, minimalizując wpływ na środowisko.
• Elektrownia wodna retencyjna: To typ elektrowni wodnej, który wszyscy byśmy sobie wyobrazili, gdyby nas zapytano. Opierają się one na magazynowaniu różnych ilości wody, co pozwala 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 zapotrzebowanie energetyczne społeczeństwa, o ile dostępne są zasoby wody.
• Elektrownia szczytowo-pompowa (PSH): Są to obiekty piętrzące wodę, zbudowane na różnych, nakładających się wysokościach, które pompują wodę z jednego zbiornika do drugiego, generując ciągły obieg zasobów wodnych w celu wytwarzania energii.

Jaką rolę odgrywa energia wodna w magazynowaniu energii?

Jedną z największych zalet energii wodnej jest jejmożliwość dostarczania energii elektrycznej w okresach szczytowego zapotrzebowaniaDzięki możliwości przekształcania zbiorników w duże akumulatory energii. To, co było bardzo korzystne jeszcze kilkadziesiąt lat temu, zyskało na znaczeniu wraz z pojawieniem się innych technologii odnawialnych, których produkcja maleje z powodu zmieniających się warunków klimatycznych.

Rola energii wodnej została wzmocniona wraz z pojawieniem się elektrowni wodnych, które wykorzystują nadwyżkę energii z instalacji fotowoltaicznych lub wiatrowych do transportu, w górę rzeki, wody zużywanej w procesie wytwarzania energii wodnej. W ten sposób energia wiatru lub fotowoltaiczna, która nie jest wprowadzana do sieci podczas wytwarzania, jest wykorzystywana w tych elektrowniach do zasilania górnych zbiorników infrastruktury, umożliwiając odnawialne wykorzystanie tego zasobu wody w późniejszym czasie, bez marnowania energii wiatrowej lub fotowoltaicznej. Chociaż wiatr nie zawsze wieje na naszą korzyść, a światło słoneczne nie zawsze dostarcza nam niezbędnej energii, energia wodna służyłaby jako schronienie dla zielonej energii. W ten sposób zbiornik staje się gigantycznym akumulatorem.

Wyraźnym przykładem sukcesu tego typu technologii i jej ogromnego potencjału rozwoju 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 niewielkiej Wyspy Kanaryjskiej, wykorzystując w 100% odnawialną energię, a nawet osiągając całe dnie, w których 100% energii jest pokrywane tą metodą.