ENERGETYKA WODNA W POLSCE; STAN AKTUALNY I PERSPEKTYWY ROZWOJU WATER POWER ENGINEERING IN POLAND; CURRENT CONDITIO N AND PERSPECTIVES IN DEVELOPMENT

Andrzej Korczak, Jan Rduch Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych, Politechnika Śląska, Gliwice e-mail: Andrzej.Korczak@polsl.pl

ABSTRACT This paper presents Polish water power engineering in contrast to world engineering. The essence of water power engineering is described and the basic definitions of its parameters are given. The paper also shows the ways of using water power. The characteristic types of hydro-electric power plant are described and their basic equipment: water turbines with various discriminants of shape numbers and generators are given. Pumped-storage water power station are presented and also that kind of power plant but with river hydro-plant link. The paper presents the definition and specificity of small water power plant, also shows the own investigations of cross-flow turbines used in small water power plants. The potential of water- power engineering in Poland is synthetically described and the current condition of its exploitation is presented. There is an analyze of the document: “Policy on energy in Poland till the 2030”. They say, that the described water power stations, which building were planned several years ago, will not be built till the year 2030. Keywords: renewable energy, water power engineering, hydro-electric plant, water turbine, small water engineering, water power engineering potential of Poland

WPROWADZENIE Energetyka wodna jest elementem całej energetyki kaŜdego kraju. Elementem najbardziej ekologicznym, z którym związana retencja sztuczna słuŜy zarówno produkcji energii elektrycznej jak i regulacji stanów wody w rzekach. Im dany kraj jest bardziej rozwinięty gospodarczo tym w większym stopniu wykorzystuje swój potencjał energii wodnej, wynikający z warunków naturalnych. Nasz referat dotyczy energetyki wodnej w Polsce, jej naturalnych zasobów, jej

aktualnego stanu rozwoju oraz planów dalszego rozwoju, perspektyw i uwarunkowań. Dla umocowania tematu w kontekście globalnej produkcji energii, pokazano na rys. 1a udziały podstawowych źródeł energii w jej całej produkcji. Widać, Ŝe energia uzyskiwana z odnawialnych źródeł energii zwanych dalej w skrócie OZE ma istotny udział. Na rys. 1b pokazano podstawową strukturę OZE w światowej produkcji energii. Z tego wykresu wynika, Ŝe w skali globalnej energia wodna ma prawie 90% udziału w OZE natomiast udział w całej energii produkowanej na świecie, energia wodna stanowi 16,1%.

a.) b.)

Rys. 1. a) Udziały źródeł energii w światowej produkcji energii elektrycznej w 2004 roku, b) udziały

odnawialnych źródeł energii w produkcji energii elektrycznej na świecie w 2004 roku.(Böhme 2007)).

34

Struktura wykorzystywanych źródeł energii i ich udziałów w jej produkcji danego kraju zaleŜy przede wszystkim od jego warunków naturalnych. Na rysunku 2 przedstawiono udziały mocy zainstalowanych w polskim systemie elektroenergetycznym. Oczywiście udziały produkowanej energii z jej poszczególnych nośników mogą nieco odbiegać od struktury udziałów

zainstalowanych mocy. Jest to spowodowane względami ekonomicznymi i względami losowymi. Względy ekonomiczne to przede wszystkim róŜnice kosztów produkcji energii elektrycznej z poszczególnych nośników energii. Zdarzenia losowe to nieplanowane remonty poszczególnych elektrowni a teŜ przyczyny spowodowane warunkami pogodowymi np. brak wiatru lub susza.

Rys. 2. Struktura udziałów mocy zainstalowanych w polskim systemie elektroenergetycznym. (PSE-Operator S.A.2007)

Istotne są teŜ koszty wytwarzania energii elektrycznej przytoczone w Tabeli 1. Koszty te zawierają odpisy amortyzacyjne od kosztów inwestycyjnych i bieŜące koszty produkcji. Widać, Ŝe mimo monumentalnych budowli jakimi są hydroelektrownie a szczególnie zapory wodne, koszty produkcji energii

elektrycznej kształtują się na poziomie najniŜszych w porównaniu z innymi źródłami energii. Korzyści wynikające z ograniczenia skutków ewentualnych powodzi nie są ujmowane.

Tabela 1. Koszty wytwarzania energii elektrycznej w nowych elektrowniach. (Vattenfall, 2006).

Elektrownie jądrowe

Hydro elektrownie

Elektrownie węglowe

kondensacyjne

Gaz ziemny w cyklu

skojarzonym

Biopaliwa w cyklu

skojarzonym

Energia wiatrowa

€c/kWh

3,7-4,4 4,4-6,6 4,9-5,6 5,6-6,5 6,0-6,6 7,3-9,1 O racjonalności korzystania z energii wodnej świadczy teŜ efektywność energetyczna

(współczynnik uzysku energetycznego, ang. harvest ratio) elektrowni wodnych:

elektrownilikwidacjiijieksploatacbudowydopotrzebnaenergia

energiaanawyprodukowke ⋅

=,

(1)

Zdefiniowany ilorazem (1) współczynnik został przedstawiony na wykresie rys. 3 dla róŜnych źródeł energii.

35

Rys. 3. Efektywność energetyczna. (Waller , 2007).

Związana z energetyką wodną ogólniej pojęta gospodarka wodna ma wiele aspektów, wpływających na wizerunek i racjonalność Ŝycia gospodarczego i społecznego Kraju. Ochrona przeciwpowodziowa i poprawa stosunków wodnych ( w tym podniesienie poziomu wód gruntowych w warunkach systematycznie pogarszającego się bilansu wodnego kraju) moŜe mieć większe znaczenie niŜ zyski z produkcji energii. (Towarzystwo E W 2008)

Z przysposobieniem rzeki dla energetyki wodnej wiąŜe się jej kompleksowe zagospodarowanie. Polega ono na budowie stopni wodnych umoŜliwiających wyzyskanie rzeki do celów Ŝeglugowych, energetycznych, irygacyjnych, przemysłowych itp. Kolejne stopnie wodne dzielą rzekę na odcinki o róŜnym poziomie wody, zwanych stanowiskami. Zwiększenie głębokości wody w stanowiskach zwiększa Ŝeglowność rzeki. Przejścia statków miedzy stanowiskami umoŜliwiają śluzy. Optymalna liczba stopni wodnych zaleŜy od charakterystyki rzeki, naturalnej głębokości przy niskich stanach, naturalnego spadku i załoŜonej głębokości zanurzenia statków. Pierwszym kanałem Ŝeglownym na terenie Polski był otwarty w roku 1774 kanał Bydgoski Brda – Noteć o długości 24,7 km z sześcioma śluzami, a następnym otwarty w 1840 roku kanał Augustowski o długości 102 km, z 18 śluzami i pochylniami, łączący Narew z Niemnem. Łączna długość trzech kanałów zbudowanych po 1945 roku ma długość ok. 70 km. ( Encyklopedia PWN 1995).

1. ISTOTA ENERGETYKI WODNEJ I CHARAKTERYZUJ ĄCE JĄ PARAMETRY

Systematyczne krąŜenie wody w przyrodzie odbywa się kosztem energii słonecznej. Przepływ wód w korytach rzek odbywa się dzięki sile grawitacji. Woda spływając od źródeł kaŜdego dorzecza, zasilanych opadami atmosferycznymi do mórz lub oceanów, zuŜywa swoją energię na tarcie o koryta strumieni i rzek oraz na uderzenia przy zmianach kierunku przepływu, czemu moŜe towarzyszyć rozmywanie brzegów, przenoszenie rumowisk itp. Przy nadmiernych opadach w rejonie jakiegoś dorzecza, a teŜ zbyt szybkiemu wiosennemu topieniu się śniegów, przepływ wód moŜe przekroczyć przepustowości koryt strumieni i rzek i wówczas mamy do czynienia z powodziami, występującymi w naszym klimacie w nieregularnych cyklach, które są niezaleŜne od człowieka.

W celu wykorzystania energii wodnej cieku, a teŜ dla uzyskania nad nim pewnej kontroli, ograniczającej skutki powodzi lub suszy, wznosi się budowle wodne. Schematycznie na rysunkach 4a i 4b pokazano efekt przegrodzenia rzeki zaporą. Przed zaporą przekrój rzeki znacznie się powiększa wszerz i w głąb a straty hydrauliczne spadu rzeki na jej odcinku przed zaporą maleją. JeŜeli przed wybudowaniem zapory strata spadu na danym odcinku rzeki wynosiła H, to po wybudowaniu zapory strata wynosi tylko H1 zaś Hst = H – H1 stanowi spad, który moŜe być wykorzystany do napędu turbin.

36

Rys. 4a. Schematyczny przekrój podłuŜny rzeki na określonym odcinku.

Rys. 4b. Przekrój rzeki ze zbudowaną na niej zaporą.

Dobranie spadu projektowanej elektrowni wodnej wymaga szczegółowej analizy. Oczywiście najkorzystniej jest rozporządzać moŜliwie największym spadem. Ale im wyŜej zapora spiętrza wodę, tym większe obszary przed zaporą ulegają zalaniu. Mogą to być pola uprawne, lasy a teŜ osiedla. Dla ochrony cenniejszych terenów moŜna wznosić wały ochronne.

Drugim parametrem koniecznym do określenia mocy cieku jest natęŜenie przepływu jego korytem. Jego wielkość moŜna określić przez pomiar wysokości h strumienia wody nad progiem spiętrzającym, zastawką górną lub pokazaną na rys. 5 zastawką dolną. ZaleŜność natęŜenia przepływu Q od wysokości h, zaznaczonej na rys. 5, przypadającego na 1m szerokości strumienia przedstawia wykres na rys. 6.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1h [m]

Q [l

/s]

Rys.5. Zastawka dolna.

Rys.6. ZaleŜność natęŜenia przepływu Q cieku, na 1m jego szerokości, od wysokości h spiętrzenia nad zastawką. (Häntzschel 68).

Pomiar całkowitego natęŜenia przepływu przez koryto duŜej rzeki wykonuje się za pomocą młynków hydrometrycznych. Przy załoŜeniu, Ŝe przepływ jest ustalony moŜna w krótkim czasie umieszczać młynki hydrometryczne w węzłach

siatki pomiarowej, którą dzieli się przekrój koryta rzeki na szereg elementarnych przekrojów. Elementarne strumienie są równe iloczynom elementarnych przekrojów i określonych w nich młynkami

37

hydrometrycznymi średnich prędkości przepływu wody. Całkowite natęŜenie przepływu ciekiem jest sumą przepływów elementarnych. NatęŜenie przepływu korytem kaŜdej rzeki zmienia się w ciągu roku w charakterystyczny dla siebie sposób, zaleŜny od szeregu czynników naturalnych, którymi są: - źródła zasilania rzeki: spadki wód gruntowych, jezioro, lodowiec, - charakter terenu: równiny lub góry,

- typ gruntów zlewni rzeki: piaszczysty, gliniasty, skalisty, - roślinność zlewni: stepowa, leśna, - ilość opadów w ciągu roku, itd. NatęŜenie przepływu w wybranym przekroju poprzecznym rzeki przedstawia się za pomocą hydrografu. Na rysunku 7a przedstawiono przykład typowego hydrografu rzeki środkowoeuropejskiej a na rys. 7b wykres przepływów uporządkowanych.

Rys.7a Typowy hydrograf rzeki środkowoeuropejskiej Rys.7b Wykres przepływów uporządko- wanych RównieŜ średnioroczne przepływy konkretną rzeką mogą się zmieniać nawet kilkakrotnie. Przy doborze przełyku turbin, przewidzianych do zainstalowania w projektowanej elektrowni wodnej, naleŜy dokładnie rozwaŜyć, jaki przepływ naleŜy przyjąć do obliczeń. Zbyt duŜy spowoduje, Ŝe turbiny nie byłyby zasilane odpowiednio długo wodą i konieczne by były ich postoje. Przyjęcie zbyt małego przepływu obliczeniowego spowoduje, Ŝe nadmierną ilość wody przepływającej w rzece trzeba by upuszczać bez wykorzystania. Widać, Ŝe dobór spadu jak i przepustowości projektowanej elektrowni wodnej wymaga przeprowadzenia analizy ekonomicznej duŜej liczby róŜnych rozwiązań. Obok aspektu energetycznego naleŜy brać pod uwagę to iŜ sztuczna retencja uzyskiwana przez budowę zapór na rzekach zwiększa kontrolę człowieka nad wodnym Ŝywiołem i ogranicza skutki występujących okresowo powodzi i suszy. Teoretyczne chwilowa moc cieku jest iloczynem aktualnego natęŜenia przepływu Q, spadu H oraz cięŜaru właściwego wody γ=ρg (Michałowski 1975)::

Pt =QρgH (2)

gdzie: ρ= 1000kg/m3 – gęstość wody, g=9,81m/s2 – przyśpieszenie siły cięŜkości Moc na wale turbiny będzie mniejsza o straty w turbinie i wyraŜa się wzorem:

P=ηT Pt (3)

gdzie: ηT – sprawność turbiny. W przypadku bezpośredniego napędu generatora elektrycznego przez turbinę, moc elektryczna na wyjściu z generatora wynosi:

Pel =ηG P (4)

gdzie: ηG – sprawność generatora. Zasoby hydroenergetyczne rzeki określa się dla dwóch przepływów: 50% i 95%. Przepływem 50% nazywany jest taki przepływ obliczeniowy, który trwa 50% czasu rozpatrywanego okresu, a przepływ 95% oznacza przepływ trwający 95% czasu rozpatrywanego okresu. (Szczegolew 1959).

38

2. SPOSOBY WYKORZYSTANIA ENERGII WODNEJ Energię spadu wody wykorzystuje się do napędu silnika wodnego, który wprost napędza maszyny robocze takich obiektów gospodarczych jak tartaki, młyny, pompownie. Tradycyjnie od tysiącleci stosuje się do tego koła wodne nasiębierne lub podsiębierne, które współcześnie dzięki szczelnemu ujęciu i precyzji wykonania elementów i mechanizmów, osiągają znacznie większe sprawności. Schemat

konstrukcji podsiębiernego koła wodnego pokazano na rys. 8 (Häntzschel 68). Koła wodne są napędami wolnoobrotowymi i mogą być stosowane do bezpośredniego napędu wolnoobrotowych maszyn roboczych. Unika się wówczas przekładni niezbędnych przy napędzie elektrycznym. Maszyny wodne są najstarszą i racjonalnie wykorzystywaną przez człowieka do dzisiaj dziedziną techniki. Wykopaliska w rejonie Bliskiego Wschodu wskazują na to, iŜ koła wodne były stosowane juŜ ponad 2000 lat p.n.Ch.

Rys. 8. Podsiębierne koło wodne.

Drugim przykładem stosowanego do dzisiaj, szczególnie w terenach podgórskich i górskich, urządzenia do podnoszenia wody na większą wysokość jest tzw. taran hydrauliczny, wynaleziony w 1796 roku przez braci Montgolfiere. Dzięki energii wody o nieduŜym spadzie, część jej strumienia taran tłoczy na

wysokość kilka do kilkunastu razy większą od spadu. wykorzystywanego. W taranie hydraulicznym wykorzystuje się konstruktywnie zjawisko uderzenia hydraulicznego, które jest bardziej znane z zagroŜenia jakie stanowi dla rurociągów i urządzeń hydraulicznych. Taran hydrauliczny z rurociągami przedstawia rys. 9.

39

Rys. 9. Taran hydrauliczny w układzie pompowym. Współcześnie takie rozwiązania uniezaleŜniają obiekty gospodarcze w których są stosowane od sieci energetycznych a te odciąŜają od przesyłu mocy równej swojej mocy uŜytecznej. Trzeba przypomnieć, Ŝe rozwiązania takie były sprzeczne z doktryną gospodarki socjalistycznej, której załoŜeniem była centralna kontrola państwa nad wszystkimi obiektami gospodarczymi. Po 1945 roku na terenie Kraju, tysiące tego typu obiektów uległo dewastacji, lecz w wielu przypadkach ich rekonstrukcja mogła by być ekonomicznie uzasadniona., oczywiście z zastosowaniem bardziej nowoczesnego wyposaŜenia w maszyny i urządzenia. 3. ELEKTROWNIE WODNE Nowoczesnym podstawowym sposobem wykorzystania mocy siłowni wodnych jest

produkcja energii elektrycznej. Siłownia wodna produkująca energię elektryczna nazywa się elektrownią wodną, Jej podstawowe wyposaŜenie to obok turbin wodnych, generatory elektryczne i transformatory połączone z siecią elektroenergetyczną. Stosuje się róŜne podziały rodzajów elektrowni wodnych. Najbardziej charakterystyczny jest podział na elektrownie wodne przyzaporowe (przystopniowe) i derywacyjne. Przyzaporowe elektrownie wodne charakteryzuje umieszczenie całkowitych urządzeń elektrowni w jednej budowli usytuowanej bezpośrednio w korycie rzeki. Turbiny są usytuowane w budynku elektrowni, który moŜe być elementem zapory. Schemat takiej elektrowni wodnej przedstawia rys. 10 (Szczegolew 1959).

40

Rys. 10. Elektrownia wodna przyzaporowa. W terenie o bardziej zróŜnicowanej konfiguracji np. na rzekach górskich, stosuje się teŜ elektrownie wodne derywacyjne. Zapora wodna w takiej elektrowni słuŜy do ujęcia i spiętrzania wody oraz do jej odprowadzenia do kanału derywacyjnego. Kanał derywacyjny charakteryzuje mały spadek i moŜe nim być kanał otwarty lub kanał zamknięty np.: rurociąg, sztolnia, itp. Kanał derywacyjny doprowadza

wodę do rurociągów ciśnieniowych, którymi woda dopływa do turbin i po oddaniu im energii spływa kanałem odpływowym z powrotem do naturalnego (starego) koryta rzeki. Starym korytem rzeki między zaporą a ujściem kanału odpływowego płynie woda upuszczana przez przelew zapory z pominięciem turbin. Schemat derywacyjnej elektrowni wodnej pokazano na rysunku 11.

Rys. 11. Elektrownia wodna derywacyjna.

Zapory przegradzające koryto rzeki i spiętrzające wodę mogą być róŜnej konstrukcji. Częstym rozwiązaniem są cięŜkie

zapory ziemne lub betonowe - stateczność zapewnia im cięŜar własny. Przykład takiej zapory przedstawia rysunek 12.

41

Rys. 12. Zapora betonowa. 1 -woda górna, 2 -zamknięcie, 3 – masyw zapory, 4 – przekrój poprzeczny zapory, - 5 – sączki, - 6 – galeria kontrolna, 7 – rura odpływowa, 8 – ponur, 9 – odwodnienie, 10 – wypad, 11 – uszczelnienie cementowe, 12 – woda dolna Istotnym elementem zapory są przelewy denne i powierzchniowe. Przelewy słuŜą do upuszczaniu nadmiaru wody na dolny poziom. Stosuje się róŜne konstrukcje przelewów.

Najczęściej są stosowane zasuwy lub zastawki, zamknięcia segmentowe, sektorowe lub walcowe. Przykłady róŜnych konstrukcji zamknięć przedstawiono na rys. 13.

Rys. 13. Przykłady róŜnych konstrukcji zamknięć jazów. a -zasuwa płaska, b – zamknięcie segmentowe, c – zamkniecie sektorowe, d – zamkniecie walcowe.

42

W przypadku spławnej rzeki, dla utrzymania transportu rzecznego mimo zbudowanej zapory, konieczne jest zbudowanie śluzy (Szczegolew 1959). 4. PODSTAWOWE MASZYNY I URZĄDZENIA ELEKTRROWNI WODNYCH Do podstawowych maszyn elektrowni wodnych zalicza się turbiny wodne i generatory elektryczne. Zwykle napięcie prądu elektrycznego wytwarzanego przez generatory elektrowni wodnych jest niŜsze od napięcia przesyłowego. Dlatego do podstawowych urządzeń elektrowni wodnej naleŜy równieŜ zaliczyć transformatory mające połączenie z siecią elektroenergetyczną. Na dopływie do kanałów wlotowych turbin konieczne są kraty zapobiegające dostaniu się do turbin większych zanieczyszczeń mechanicznych. WaŜne jest wyposaŜenie hydroelektrowni w maszyny i urządzenia słuŜące do transportu wewnętrznego. Pozostałych urządzeń, maszyn i instalacji nie omawiamy.

4.1.Turbiny wodne Turbiny wodne, przetwarzające energię statyczną wody spiętrzonej na wysokość H przez zaporę wodną na energię mechaniczną na wale turbiny, dzielimy w zaleŜności od zasady działania na dwa podstawowe typy: turbiny akcyjne czyli natryskowe i turbiny reakcyjne. Oceniając na podstawie projektu zapory wodnej: - wysokość H spiętrzenia górnej wody nad dolną, m - zakładając liczbę turbin i natęŜenie przepływu Q wody przez jedną turbinę,m3/s - prędkość obrotową n turbiny, obr/min moŜna wzorem (2) obliczyć moc teoretyczną Pt a wzorem (3) moc P na wale turbiny a następnie korzystając z podobieństwa dynamicznego maszyn jej wyróŜnik szybkobieŜności:

4/5

2/1)36,1(

H

Pnns = (5)

którego wartość pozwala na podstawie wykresu (rys. 14) określić optymalny typ turbiny.

Rys. 14. ZaleŜność typu turbiny od podstawowych parametrów i wyróŜnika szybkobieŜności. (Jackowski 1971)

WyróŜnik szybkobieŜności umoŜliwia porównywanie turbin roŜnych typów. Jego wartość definiuje kształt geometrii układu przepływowego a szczególnie wirnika, który jest jego podstawowym elementem przekazującym energię odebraną od przepływającej wody na wał turbiny. Na rysunku 14 przedstawiono wirniki turbin wodnych róŜnych typów i zakresy ich

podstawowych parametrów oraz wyróŜników szybkobieŜności.

W historii techniki konstrukcje turbin wodnych i ich zastosowania wyprzedziły rozwój konstrukcji i rozpowszechnienie pomp krętnych. Racjonalne konstrukcje pomp krętnych wymagały szybkoobrotowych napędów, którymi stały się najczęściej silniki elektryczne.

43

W zasadzie pompy krętne i turbiny wodne są maszynami odwracalnymi. Wyjątkiem są wynalezione i skonstruowane w 1880 roku przez Lestera Allena Peltona turbiny akcyjne, nazwane na cześć wynalazcy turbinami Peltona. Turbiny te są w literaturze teŜ nazywane turbinami natryskowymi. Turbiny Peltona są

stosowane do najwyŜszych spiętrzeń H. Ich zakres zastosowań są określone wartościami wyróŜników szybkobieŜności ns<50. W Polsce w zasadzie nie ma naturalnych warunków dla zastosowań turbin Peltona. Przykład konstrukcji takiej turbiny przedstawiono na rys. 15 (Häntzschel 68).

Rys. 15. Turbina Peltona Twórcą teorii turbin reakcyjnych był szwajcar z pochodzenia, genialny uczony Leonard Euler. W 1752 roku opublikował równanie dla reakcyjnych maszyn wodnych nazwane jego imieniem: Określa ono teoretyczną energię Hł∞ przekazywaną turbinie przez jednostkę cięŜaru przepływającej przez nią wody:

g

cucuH t

1122

rrr •−•=∞ [J/N=m] (6)

Wielkości występujące we wzorze (6) są wektorami prędkości obwodowej u i prędkości bezwzględnej c, pokazanymi na rys. 16:

Rys. 16. Palisada łopatek wirnika turbiny reakcyjnej i trójkąty prędkości w jego przekrojach

wlotowym i wylotowym. Teoria opracowana przez Eulera stała się podstawą konstrukcji wszelkiego typu turbin reakcyjnych a jest teŜ podstawą do konstruowania pomp krętnych, które zaczęły

wypierać pompy tłokowe po wynalezieniu i rozpowszechnieniu napędów elektrycznych. Charakterystycznymi konstrukcjami są turbiny Francisa, Deriaza i Kaplana.

44

Przykłady konstrukcji takich turbin przedstawiają rysunki 17 do 19. Na rysunku 20 przedstawiono charakterystyczną konstrukcje jaką jest turbina rurowa, która jest teŜ nazywana gruszkową. Są to najczęściej turbiny Kaplana

lub śmigłowe. Przedstawiona na rys. 17 turbina Francisa Ingurskiej EW przy spadzie H=404m i prędkości obrotowej n=250obr/min rozwija moc P=265 MW.

Rys. 17. Turbina Francisa (Krivchenko 1986)

Rys. 18. Turbina diagonalna, Deriaza

Na rys. 18 pokazano konstrukcję turbiny diagonalnej typu Deriaza o parametrach moc 77MW, prędkość obrotowa 150 obr/min, spad 61m (Krivchenko 1986)

Z charakterystyk polskich rzek a szczególnie w ich średnim i dolnym biegu wynika, Ŝe nadają się do budowy elektrowni wodnych wyposaŜonych przede wszystkim w turbiny Kaplana. (Towarzystwo E. W. 2008).

Na rys. 19 pokazano konstrukcję turbozespołu z turbiną Kaplana elektrowni Dębe. Parametry turbozespołu: moc 5MW, prędkość obrotowa 83,3 obr/min, spad obliczeniowy H=3-7m. Na rys. 20 pokazano turbozespół rurowy o parametrach: moc 3,4MW, prędkość obrotowa 250 obr/min, spad H=2,2m (Jackowski 1971).

45

Rys. 19. Turbozespół elektrowni Dębe, (Ganz – Mavag ).

Rys.20. Turbozespół rurowy elektrowni Skogsforsen (KMW, ASEA)

Zakres optymalnych parametrów pracy kaŜdej turbiny wodnej wynika z jej charakterystyki zwanej charakterystyką uniwersalną. Przykład charakterystyki uniwersalnej turbiny Francisa i jej podstawowe wymiary przedstawia rysunek

21 (Jackowski 1971). Szczyt pagórka sprawności określa parametry Q i H dla załoŜonej prędkości obrotowej n, które definiują wartość wyróŜnika szybkobieŜności układu przepływowego tej turbiny.

46

Rys. 21. Charakterystyka uniwersalna turbiny Francisa i jej podstawowe wymiary

4.2. Generatory Drugą podstawową maszyną w elektrowni wodnej jest zwykle wielobiegunowy synchroniczny generator energii elektrycznej. Konstrukcje generatorów stosowanych w elektrowniach wodnych wynikają z prędkości obrotowej n [obr/min] turbiny i muszą mieć taką liczbę p par biegunów by uzyskać na wyjściu częstotliwość f synchroniczną z częstotliwością w sieci elektroenergetycznej, czyli

n

fp

60⋅= (7)

Oczywiście moŜna zastosować przekładnię mechaniczną miedzy turbiną i generatorem, lecz naleŜy tego unikać ze

względu na jej koszt i dodatkowe kilkuprocentowe straty energii. Na rysunku 22 przedstawiono przykład konstrukcji generatora typu parasolowego, wielobiegunowego, do współpracy z turbina wodną. Drugim charakterystycznym typem generatora, przeznaczonym do współpracy z turbiną wodną jest typ podwieszony. W elektrowniach wodnych (zwłaszcza w małych elektrowniach wodnych) są równieŜ stosowane generatory asynchroniczne, które w standardowych wykonaniach są stosowane do pracy w sieci sztywnej. Jak widać energetyka wodna wymaga zaangaŜowania wielu dziedzin techniki i jej systematyczny rozwój moŜe być elementem stabilizującym całą gospodarkę Kraju.

47

Rys. 22. Przykład konstrukcji generatora do współpracy z turbina wodną.

5. ELEKTROWNIE WODNE SZCZYTOWO-POMPOWE ORAZ Z POMPOWANIEM Występujące zróŜnicowanie zapotrzebowania na moc w systemie elektroenergetycznym i konieczność zbilansowania systemu wiąŜe się ściśle z rolą jaką odgrywać mogą elektrownie wodne zbiornikowe, a szczególnie elektrownie pompowe i zbiornikowe z pompowaniem. Biorąc pod uwagę skromne zasoby energii wodnej w Polsce produkowanie energii w podstawie wykresu obciąŜenia nie ma

istotnego znaczenia dla systemu elektroenergetycznego. Dlatego celowe jest „przetworzenie” jej na energię szczytową i interwencyjną bądź magazynowanie energii w dolinach obciąŜenia. W elektrowni pompowej obieg wody jest wytworzony sztucznie pomiędzy dwoma zbiornikami dolnym i górnym (praca pompowa) oraz górnym a dolnym (praca turbinowa). Przykładem elektrowni pompowej jest EW Porąbka-śar. Siłownia elektrowni (poz. 4 na rys. 23 ) znajduje się w komorze wydrąŜonej w górotworze

.

Rys. 23. EW Porąbka- śar. Oznaczenia: 1-zbiornik górny, 2-ujęcie wody do rurociągów, 3-derywacja ciśnieniowa, 4-komora turbin, 5-studnia wyrównawcza, 6-rurociag odpływowy, 7-zbiornik dolny. Elektrownie zbiornikowe z pompowaniem, to elektrownie, w których wykorzystywany jest przepływ naturalny i okresowo bądź stale przepływ sztuczny (pompowanie ze zbiornika dolnego do górnego). Przykładem elektrowni z

pompowaniem jest EW Solina (rys. 24), w której są zainstalowane dwie turbiny klasyczna i dwie turbiny odwracalne (rewersyjne).

48

Rys. 24. EW Solina. Oznaczenia:1-zamknięcia remontowe, 2-rurociąg, 3-kompensator, 4-turbina odwracalna, 5-generator – silnik, 6-rura ssąca (Łaski A., 1971).

6. MAŁE, MINI I MIKRO ELEKTROWNIE WODNE Klasyfikacja elektrowni wodnych według wielkości instalowanej mocy stosowana w UE przedstawia się następująco: � duŜe elektrownie wodne ≥ 10 MW, � małe elektrownie wodne (MEW) < 10 MW, w tym � mini elektrownie < 1 MW, � micro elektrownie < 100 kW, � piko elektrownie < 5 kW.

W Polsce, do czasu akcesu do Unii, graniczna moc instalowana dla MEW wynosiła 5MW. Małe elektrownie wodne, a zwłaszcza mikro elektrownie wodne, to głównie elektrownie przepływowe. Niewielki zbiornik, który powstaje w wyniku piętrzenia rzeki za pomocą jazu nie moŜe być wykorzystywany do regulacji przepływu i mocy elektrowni. Moc elektrowni zaleŜy od naturalnego chwilowego dopływu wody do elektrowni i jest ograniczona

maksymalnym i minimalnym przełykiem zainstalowanej turbiny (lub rzadziej kilku turbin). W małej energetyce wodnej są stosowane wszystkie rodzaje turbin wodnych. W Polsce w mikro elektrowniach wodnych, ze względu na niskie spady (poniŜej H=10 m, a często poniŜej H=2 m), są stosowane turbiny reakcyjne (Francisa, Kaplana, semi Kaplana i śmigłowe) i rzadko akcyjno-reakcyjne (Michella-Banki) bądź w szczególnych przypadkach pompy w ruchu turbinowym. Na rysunku 25 i 26 przedstawiono schematy wybranych rozwiązań małych elektrowni wodnych niskospadowych. Dobór rodzaju i wielkości turbin dla MEW powinien być wykonany szczególnie starannie z uwzględnieniem zmienności przepływu wody w rzece tak, by była wykorzystana cała energia rzeki, a inwestor osiągnął maksymalny efekt ekonomiczny (Rduch J., 2007).

49

Rys. 25. Turbina w układzie pionowym,

w komorze otwartej (Квятковски B. C., 1950). Rys. 26. Elektrownia lewarowa z turbiną rurową (Łaski A.,

1971).

Koszty budowy MEW są bardzo zróŜnicowane. ZaleŜą od konkretnej lokalizacji, rodzaju instalowanych turbin i generatorów oraz zakresu wykonywanych prac. W tablicy 2 przedstawiono strukturę kosztów przy budowie MEW na istniejącym jazie oraz z koniecznością budowy nowego jazu. Nakłady inwestycyjne dla małej elektrowni wodnej zbudowanej na istniejącym jazie szacuje się na 2-5 tys. zł/kW, budowanej z jazem – 6-10 tys. zł/kW. Przykład liczbowy: ZałoŜenia: planuje się budowę mini-elektrowni wodnej o mocy 500kW. Przyjmując minimalne i maksymalne wyŜej przytoczone koszty jednostkowe budowy, otrzymuje się koszty inwestycji od 1 mln zł do 5 mln zł. Przyjęto, Ŝe elektrownia będzie pracować w kaŜdym roku średnio 80% czasu. i wyprodukuje proporcjonalnie do swojej mocy i czasu pracy E=3504000kWh energii elektrycznej, która zostanie sprzedana Zakładowi Energetycznemu po cenie jednostkowej 180zł/MWh. Nie uwzględniono, Ŝe za brak określonej ilości energii, zakupionej z OZE Zakłady Energetyczne płacą 340zł/MWH. Rezultatem tego jest rzeczywista wyŜsza wartość energii z OZE. ZałoŜono stopę dyskonta czyli koszt kapitału r=0,1.

Dla kolejnych rocznych okresów t=n obliczono zaktualizowaną wartość netto inwestycji czyli:

∑= +

=n

ttt r

CFNPV0 )1(

1 (8)

Z obliczeń wynika, Ŝe przy

minimalnym jednostkowym koszcie budowy inwestycja zamortyzuje się w drugim a przy koszcie maksymalnym w jedenastym roku eksploatacji.

PowyŜszy bardzo uproszczony przykład (w którym koszty eksploatacyjne umownie włączono do kosztu kapitału) ilustruje prawidłowość polegającą na tym, Ŝe budowy elektrowni wodnych amortyzują się w okresach krótszych od przyjmowanych w dominującej w Polsce energetyce cieplnej.

NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe tego typu inwestycja pociąga za sobą szereg działań polegających na uporządkowaniu terenu oraz uregulowaniu koryta rzeki i przynosi teŜ inne efekty gospodarcze, korzystne dla środowiska lokalnego jak podniesienie wód gruntowych. Ponad to retencja wód w zbiorniku przed zaporą wymusza na środowisku lokalnym większą dbałość o jakość wód odprowadzanych do koryta rzeki a więc stwarza potrzebę budowy oczyszczalni ścieków. 6.1. Badania mikroturbin prowadzone w

IMiUE Politechniki Śląskiej W Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych w Zakładzie Maszyn i Urządzeń Hydraulicznych Politechniki Śląskiej są realizowane prace projektowo konstrukcyjne i badania laboratoryjne dotyczące: - turbin hydraulicznych dla mikro elektrowni wodnych, - odzysku (rekuperacji) energii hydraulicznej w instalacjach hydraulicznych z zastosowaniem pomp krętnych w ruchu turbinowym.

Na rysunku 27 pokazano widok stanowiska do badań turbin wodnych i pomp krętnych w ruchu turbinowym, zbudowanego w Laboratorium Maszyn i Urządzeń Hydraulicznych Politechniki Śląskiej.

50

Rys. 27. Widok stanowiska do badań turbin wodnych w Laboratorium Maszyn i Urządzeń Hydraulicznych Politechniki Śląskiej z zabudowaną turbiną doświadczalną TDC 200.

Większość małych elektrowni wodnych to elektrownie przepływowe, w których przełyki turbin bezpośrednio zaleŜą od zmiennego w czasie przepływu naturalnego. Stosowane w takich warunkach turbiny powinny charakteryzować się szerokim zakresem regulacji przełyków i moŜliwie wysoką sprawnością w całym zakresie pracy, a ponad to powinny to być maszyny mające umiarkowaną cenę. Postawione wyŜej kryteria w zastosowaniach dla MEW spełniają turbiny o przepływie poprzecznym (Michella-Banki). Turbiny te mogą być stosowane w szerokim

zakresie spadów H=1 do 200 m. i osiągają sprawności do 80%. W Zakładzie Maszyn i Urządzeń Hydraulicznych są prowadzone badania turbiny o przepływie poprzecznym z regulacją przełyku za pomocą obrotowej przysłony. Turbinę doświadczalną TDC 200 zainstalowaną w laboratorium przedstawiono na rys. 27, a szkic konstrukcyjny tego typu turbiny - na rys. 28. Przykład doświadczalnie wyznaczonych charakterystyk eksploatacyjnych turbiny doświadczalnej TDC 200 przedstawiono na rysunku 29.

.

Rys. 28. Turbina Michell-Banki z regulacją przełyku za pomocą przysłony obrotowej.

51

1 1 .5 2 2 .5 3 3 .5 4 4 .5 5 5 .55 0

6 0

7 0

8 0

9 0

Q [m 3 /m in ]

η [%

]

1 1 .5 2 2 .5 3 3 .5 4 4 .5 5 5 .50

1

2

3

4

N [

kW]

3 0 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 06 0 0

Rys. 29. Charakterystyki eksploatacyjne turbiny TDC 200 dla stałego spadu w zakresie prędkości

obrotowych n=300 do 600 obr/min.

Doceniając zalety turbin Banki- Mitchella, prace nad nimi realizowano w IMP PAN w Gdańsku (Hanke 2001). Tematy tych prac były koordynowane w ramach projektu badawczego KBN nr 7 TO7C 032 17.

W ramach projektów badawczych (Projekt 1995, Projekt 1998b) badano pompy wirowe w ruchu turbinowym: Badania wykonano dla pomp odśrodkowych wielostopniowych i dla pomp śmigłowych (np.: Rduch, Zarzycki, 1999; Zarzycki, Rduch, 2001; Zarzycki, Rduch, 2001; Zarzycki, Rduch J., 2001a; Rduch Zarzycki, 2002; Rduch, 2005; Steller i inni, 2008).

Miedzy innymi przebadano pompę śmigłową typu P-200, produkowaną w Warszawskiej Fabryce Pomp. Konstrukcję układu przepływowego tej pompy przedstawiono na rysunku. 30, Wyniki pomiarów charakterystyk tej maszyny pracującej w ruchu turbinowym, przedstawiono na rys. 31. Porównania charakterystyk sprawności badanych pomp w ruchu pompowym i w ruchu turbinowym wykazują, Ŝe pompy krętne w ruchu turbinowym osiągają sprawności zbliŜone a nawet wyŜsze od ich sprawności w ruchu pompowym.

0

2

4

6

8

0 2 4 6 8 10 12 H [m]

Q [m3/min]

N [kW]

0

8

16

24

32

40

48

56

64

72 η [%]η [%]η [%]η [%]

η =f(H)

Q=f(H)

N=f(H)

Rys. 30. Układ przepływowy

pompy śmigłowej typu P badanej w ruchu turbinowym

Rys 31. Charakterystyki doświadczalnej turbiny śmigłowej dla prędkości obrotowej n=1400 1/min.

52

7. POTENCJAŁ HYDROENERGETYCZNY POLSKI Zasoby energetyczne rzek polskich są stosunkowo nieduŜe. W literaturze przedmiotu są podawane trzy wartości naszych hydroenergetycznych zasobów naturalnych:

• Eśr=19,9 GWh/r. – PAN 1956 r., • Eśr=29,0 GWh/r. - PAN 1958 r., • Eśr=23,6 GWh/r. - Hoffman 1961 r.

Szacuje się, Ŝe zasoby techniczne wynoszą ETśr=12000 GWh/r., a ekonomiczne - EEśr=8500 GWh/r. Trzeba zaznaczyć, ze zasoby ekonomiczne powinny ulec zwiększeniu ze względu na potrzebę uwzględnienia udziału kosztów związanych z wpływem na środowisko, występującym w produkcji energii elektrycznej z węgla i innych paliw.. Główna część potencjału zgromadzona jest w dorzeczu Wisły (Rys. 32), a szczególnie w jej dopływach prawobrzeŜnych. Stopień wykorzystania potencjału technicznego jest szacowany na 16% (Lewandowski S., 2005).

Rys. 32. Techniczny potencjał energetyczny rzek polskich (.Wiśniewski 2003)

Kataster energii przeprowadzony przez zespół pod kierunkiem A. Hoffmana dotyczył wszystkich rzek lub ich odcinków o potencjale wyŜszym od 100 kW/km (Spoz J., 1998), czyli nie uwzględnia mikro elektrowni wodnych. Potencjał energii wodnej, który moŜe być zagospodarowany przez mikro elektrownie

wodne jest szacowany na 1700 GWh/r., a więc moc instalowaną ok. 200 MW. W raporcie ESHA (Europejskie Stowarzyszenie Małej Energetyki Wodnej) (ESHA, 2004) potencjał techniczny polskich rzek dla elektrowni o mocy do 10 MW oszacowano na 5050 GWh/r. ( Tabela 2).

Tabela 2. Krajowy potencjał hydroenergetyczny MEW.

Potencjał Produkcja roczna Moc GWh/r. % MW Teoretyczny 13400 100 Techniczny 5050 37.7

2500 26.1 605 wykorzystywany 962 38.5 233 do wykorzystania 1538 61.5 372

Ekonomiczny

do wykorzystania z uwzględnieniem oddziaływania na środowisko

1500 60.0 310

53

8. STAN AKTUALNY ENERGETYKI WODNEJ W POLSCE

W systemie elektroenergetycznym Polski jest zainstalowanych 19 elektrowni wodnych o mocy większej od 5 MW, w tym 3 elektrownie

z pompowaniem i 3 elektrownie pompowe (Tabela 3). Na rysunku Rys. 33 przedstawiono lokalizacje duŜych elektrowni wodnych. Mapa pokazuje bardzo słabe wykorzystanie potencjału prawobrzeŜnego dorzecza Wisły.

Rys. 33. Lokalizacje duŜych elektrowni wodnych w Polsce

Moc zainstalowana w elektrowniach wodnych wynosi 2263 MW (w tym 1422 MW w elektrowniach pompowych), co stanowi 6,8% mocy instalowanej w całym systemie (rys. 2). W roku 2007 elektrownie wodne wyprodukowały (łącznie z elektrowniami pompowymi, bez małej energetyki wodnej) 2645 GWh/r. (spadek do roku 2006 o 4,3%), czyli 1,7% całej wyprodukowanej energii elektrycznej (159453 GWh/r.) .

Projektowanie elektrowni pompowych w Polsce rozpoczęto pod koniec lat pięćdziesiątych, ale dopiero w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych zaprojektowano i wybudowano trzy wymienione w tabeli 3 elektrownie pompowe oraz zainstalowano w :

• EW Solina dwie turbiny odwracalne (1968), • EW Dychów cztery pompy (odbudowa po

zniszczeniach wojennych) (1951).

W roku 1997 uruchomiono EW Niedzica na Dunajcu o mocy instalowanej 90MW z trzema turbinami odwracalnymi. Elektrownie pompowe są odnawialnymi źródłami energii gdy we współpracy z elektrowniami wiatrowymi, akumulują energię uzyskiwaną przy ich losowo zmiennej mocy. Elektrownie pompowe zapewniają pracę bloków cieplnych ze stałym obciąŜeniem, w pobliŜu punktu pracy maksymalnej sprawności i minimalną emisją zanieczyszczeń i w tym kontekście są źródłem czystej energii. KaŜde działanie zmniejszające rentowność MEW powoduje zmniejszenie nakładów na środowisko, ochronę przyrody, ochronę zabytków itp., i w efekcie w sposób zwielokrotniony uderza w społeczeństwo i Skarb Państwa (Puchowski 2001). Mimo utrudnień w rozwoju MEW w Polsce następuje jej rozwój i tak w roku 2001 było ok. 400 obiektów MEW, w roku 2004 było ok. 600 (

54

Rys. ), o zainstalowanej mocy ok. 200 MW a aktualnie ocenia się ich liczbę na ponad 700. Tabela 3. Polskie elektrownie wodne o mocy ponad 2,5MW.

Rzeka Rok

uruchomienia

Moc turbinowa

MW

Moc pompowa

MW EW zbiornikowe

Włocławek Wisła 1970 162,0

RoŜnów Dunajec 1942 50,0

Koronowo Brda 1960 26,0

Tresna Soła 1967 21,0

Dębe Narew 1962 20,0

Porąbka Soła 1953 12,6

Malczyce Odra 2001 11,4

Brzeg Dolny Odra 1958 9,7

śur Wda 1929 9,0

Myczkowce San 1961 8,3

Czchów Dunajec 1954 8,0

Pilchowice I Bóbr 1912 7,9

Bielkowice Radunia 1925 7,5

Jeziorsko Warta 1994 4,8

Otmuchów Nysa Kłodzka 1933 4,8

Bobrowice Bóbr 1925 2,5

EW z pompowaniem

Solina1 San 1968 200 60

Niedzica Dunajec 1997 90,0 89

Dychów2 Bóbr 1951 90,0 20,8

EW pompowe

śydowo 1971 156,0 136 Porąbka-śar 1979 550,0 540 śarnowiec 1982 716,0 840

1) Po modernizacji w 2003 roku, 2) Po modernizacji w 2005 roku.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

CzechRepublic

Cyprus Estonia Hungary Latvia Lithuania Poland Slovakia Slovenia Bulgaria Romania Turkey

Rys. 34. Liczba MEW w nowych krajach EU (rok 2004) (Punys, 2005)

55

9. ZALEZNO ŚĆ PERSPEKTYW ROZWOJU ENERGETYKI WODNEJ OD POLITYKI ENERGETYCZNEJ POLSKI W LATACH 2010 do 2030 We wstępie do opracowania „Polityka energetyczna Polski do 2030 roku” nazywanego dalej PeP czytamy, „polski sektor energetyczny stoi aktualnie przed powaŜnymi wyzwaniami. Wysokie zapotrzebowanie na energię finalną, nieadekwatny poziom infrastruktury wytwórczej i przesyłowej, uzaleŜnienie od zewnętrznych dostaw gazu ziemnego i ropy naftowej oraz zobowiązania w zakresie ochrony klimatu powodują konieczność podjęcia zdecydowanych działań”. MoŜna wnioskować z takiego stwierdzenia, Ŝe energetyka wodna, spełniająca kryteria ekologiczne, jest predestynowana do tego, by być preferowaną przez ustawodawcę. Dalej cytujemy istotne dla tematu naszego referatu stwierdzenia zawarte we wspomnianym dokumencie. „Podstawowymi kierunkami polskiej polityki energetycznej są: - poprawa efektywności energetycznej, - wzrost bezpieczeństwa energetycznego, - rozwój wykorzystania odnawialnych źródeł energii, w tym biopaliw, - rozwój konkurencyjnych rynków paliw i energii, - ograniczenie oddziaływania energetyki na środowisko Poprawa efektywności energetycznej ogranicza wzrost zapotrzebowania na paliwa i energię zwiększając bezpieczeństwo energetyczne a takŜe ogranicza wpływ energetyki na środowisko poprzez redukcję emisji. Podobne efekty przynosi rozwój odnawialnych źródeł energii krócej OZE i zastosowanie biopaliw oraz wprowadzenie energetyki jądrowej”. Z cytowanego tekstu wynika, Ŝe wprawdzie docenia się potrzebę rozwoju odnawialnych źródeł energii, lecz akcentowane są zastosowania biopaliw. JednakŜe moŜe od treści preambuł oficjalnych dokumentów waŜniejsze są zawarte w nich konkretne rozstrzygnięcia; w omawianym przypadku wpływające na kierunki rozwoju waŜnej dziedziny gospodarki, jaką jest energetyka. Zainteresowanie nimi wynika z treści naszego referatu, w którym obok przedstawienia charakterystyki energetyki wodnej Polski próbujemy teŜ ocenić perspektywy jej dalszego rozwoju, który zaleŜy niewątpliwie od polityki energetycznej Państwa. W projekcie PeP są przedstawiane narzędzia realizacji polityki energetycznej wśród których wymienia się wsparcie ze

środków publicznych realizację istotnych dla Kraju projektów w zakresie energetyki a teŜ przewiduje się dogłębną reformę prawa energetycznego. Planuje się, zgodnie z dyrektywami UE, by udział energii z OZE w jej całkowitym zuŜyciu wzrósł do 15% do roku 2020 oraz do 30% w roku 2030. W ramach działań na rzecz rozwoju wykorzystania OZE wymienia się: - zwolnienie z akcyzy energii pochodzącej z OZE, - dzięki funduszom europejskim oraz środkom funduszy ochrony środowiska, planuje się wsparcie budowy nowych jednostek OZE i sieci elektroenergetycznych, umoŜliwiających ich przyłączenie JednakŜe wcześniej i w dalszej treści dokumentu wymienia się: poprawę efektywności energetycznej, wysokosprawną kogenerację, zastosowanie biopaliw, wykorzystanie czystych technologii węglowych a teŜ energetykę jądrową. Energetyka wodna nie jest działem energetyki krajowej specjalnej troski Rządu. Nieco lepiej wygląda sprawa energetyki wodnej w Załącznikach do w/w dokumentu.

W Załączniku 1. PeP w punkcie 7 zapowiadany jest wzrost wykorzystania OZE wśród których wymienia się: - zwiększenie: wykorzystania biomasy, - zwiększenie produkcji energii wodnej oraz wiatrowej, - zwiększenie udziału bio-komponentów w rynku paliw oraz - wdroŜenie „zielonych certyfikatów” a teŜ obowiązek sprzedawców energii, zakupu po cenie rynkowej, całej energii wytworzonej przez OZE, co naleŜy uznać za dobry akcent. W ramach programów operacyjnych do roku 2013 przewidziano środki z funduszy europejskich na wsparcie budowy mocy wytwórczych energii elektrycznej z OZE. Jest przywoływana koncepcja elektrowni wiatrowych współpracujących z elektrowniami szczytowo pompowymi. Barierą są negatywne opinie o lokalizacjach elektrowni wiatrowych ze względu na zagroŜenia dla środowiska naturalnego (zagroŜenia dla przelotów ptaków).

W Załączniku 2. PeP, wśród rozwijanych OZE akcentuje się rozwój zastosowania biopaliw. Wśród dostępnych nośników energii pierwotnej w Polsce wymienia się węgle kamienny i brunatny, ropę i gaz ziemny, paliwo jądrowe. W ramach obowiązków Polski przewidzianych w projekcie dyrektywy o rozwoju OZE,

56

uwzględniono energię wiatru oraz biomasy jak teŜ energię geotermalną. W tabeli 8 Załącznika 2 PeP wymienia się udziały energii z OZE w produkcji elektrycznej energii finalnej brutto, której produkcja ma wzrosnąć z 715 w 2010 do 2686 w roku 2020 i do 3396 ktoe w roku 2030, czyli 4,74 razy. Energia odnawialna ma być uzyskiwana z: biomasy stałej, biogazu, wiatru, wody, fotowoltaiki. Przy czym produkcja energii z wody ma wzrosnąć z 211 w 2010 do 271 w 2020 i do 276 w 2030 ktoe czyli 1,3 razy. Największe perspektywy wg PeP ma energetyka wiatrowa, której rozwój produkcji energii przewiduje się z 174 w 2010 do 1178 w 2020 i do 1530 w roku 2030, czyli prawie 9 krotny. Widać, Ŝe aktualnie planowane zaangaŜowanie się Państwa w rozwój energetyki wodnej jest najmniejsze. I dalej w tym dokumencie zapowiada się, ze w roku 2030 produkcja energii elektrycznej brutto z OZE będzie stanowić 18,2% całkowitej produkcji energii i jej wzrost będzie osiągnięty głównie dzięki rozwojowi elektrowni wiatrowych. Wg tabeli 13 planuje się zupełne wstrzymanie do 2030 roku wzrostu mocy duŜych elektrowni wodnych i pozostawienie jej na poziomie 853MW oraz mocy elektrowni pompowych szczytowych i pozostawienie jej na poziomie1406MW. Natomiast planuje się wzrost MEW z 107MW w 2010 do 298MW w 2030, czyli ok. trzykrotny. . W Załączniku 3 PeP wśród priorytetów planuje się analizę zmian prawnych potrzebnych do promowania OZE i w kolejnym działaniu planuje się wsparcie producentów energii elektrycznej z OZE poprzez system świadectw pochodzenia. JednakŜe wśród planowanych działań wymienia się budowy biogazowni w kaŜdej gminie i farm wiatrowych na morzu. Działań w kierunku rozwoju energetyki wodnej nie wymienia się. W Załączniku 4: PeP- zauwaŜa się zobowiązania międzynarodowe w kwestii emisji do powietrza zanieczyszczeń mogących przemieszczać się na dalekie odległości. – zaznacza się potrzebę ochrony nieodnawialnych zasobów paliw przez rozwój energetyki odnawialnej, - projektuje się promocję wykorzystywania zasobów odnawialnych. W tych prognozach kładzie się akcent na biomasę i energię wiatru. Dalej stwierdza się, Ŝe nawet z załoŜenia przyjazne środowisku techniki wytwarzania energii, takie jak elektrownie wiatrowe i wodne, wykorzystanie biomasy, biopaliw, biogazu, mogą oddziaływać lokalnie na stan środowiska. Wiatraki generują hałas i

„efekt wizualny”, z wirnikami wiatraków mogą wystąpić kolizje ptaków i nietoperzy. Niewątpliwie największą potencjalną skalę ingerencji w środowisko powoduje wykorzystanie do celów energetycznych biomasy. Ingerencja w środowisko agrarne i leśne w tym zakresie moŜe docelowo osiągać poziom dwa mln ha upraw i kilkudziesięciu milionów ton biomasy rocznie przeznaczanej na potrzeby energetyczne. Najmniejsze skutki środowiskowe generuje pozyskiwanie energii słonecznej, lecz ze względu na wysokie koszty inwestycyjne i klimat, w Polsce jej rozwój jest ograniczony. W podsumowaniu dokumentu stwierdza się, Ŝe budowa duŜych hydroelektrowni ze względu na wysokie koszty inwestycji i bariery środowiskowe w przewidywalnej przyszłości najprawdopodobniej nie będzie realizowana. MoŜliwy jest natomiast rozwój mikro hydroenergetyki, gdzie skala ingerencji w środowisko ma wymiar lokalny przy jednoczesnych pozytywnych dla środowiska skutkach w zakresie rozwoju rozproszonej retencji wody. Potencjał hydroenergetyczny rzek polskich pozwalałby na powstanie co najmniej kilkuset obiektów tego typu, rozprzestrzenionych na obszarze całego kraju, jednakŜe bariery środowiskowe oraz utrudnienia realizacyjne będą ograniczać moŜliwość realizacji w tym zakresie. Lektura PeP uwidacznia wśród Autorów dokumentu zwolenników biopaliw i energii wiatrowej. Natomiast zaliczenie biopaliw do OZE wydaje się nam dyskusyjne, gdy miliony hektarów gruntów rolnych pod te uprawy będą wymagały prędzej czy później nawoŜenia. Sama energia słoneczna nie wystarczy. Czyli mamy w perspektywie budowę kolejnych fabryk nawozów sztucznych. RównieŜ spalenie biomasy wiąŜe się z zuŜyciem tlenu i emisją do atmosfery spalin, wprawdzie o pewnej zawartości wody lecz nie tylko. . Wykorzystanie energii wiatru wymaga budowy duŜych gabarytowo maszyn, wpisanych w krajobraz. Stosunek przekrojów przepływowych wiatraków i turbin wodnych ma się tak jak stosunek gęstości wody do gęstości powietrza. Najbardziej czyste źródło energii, jakim jest spływająca rzekami woda, nie jest wymieniane jako przykład priorytetowych aplikacji planowanych działań Państwa. Wprawdzie zauwaŜane są w dokumencie teŜ pozytywne dla środowiska oddziaływania ujęć wody dla hydroenergetyki lecz jako barierę wymienia się zbyt duŜe koszty budowy tego typuoobiektów.

57

Czy w środku Europy moŜe być Kraj, którego plany rozwoju opierają się o załoŜenie permanentnej biedy? A moŜe inwestowanie w energetykę wodną moŜe stanowić czynnik stabilizujący gospodarkę i napędzający koniunkturę?. Elektrownie wodne spłacają koszty na nie poniesione przez całe dekady. Są czynnikiem rozwoju kultury technicznej. Stanowią stabilny element krajobrazu gospodarczo rozwiniętego Kraju. Stwarzają potrzeby wywołujące rozwój techniki i innych dziedzin gospodarki. Źródłem energii wodnej jest energia słoneczna i dopóki słońce świeci, dopóty woda będzie krąŜyć w przyrodzie i stanowić źródło

energii. Zdecydowanie krótszą perspektywę ma energetyka oparta na wszelkiego rodzaju paliwach. 9.1. Nie realizowane plany rozwoju energetyki wodnej polski Plany rozwoju energetyki wodnej nakreślone w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych dwudziestego wieku zostały śladowo zrealizowane, a więc są nadal aktualne. NajwaŜniejszym przedsięwzięciem w zakresie duŜej energetyki wodnej jest wdroŜenie do realizacji programu Dolna Wisła, który przewidywał budowę ośmiu stopni wodnych (Rys. ):

Rys. 35. Kaskada Dolnej Wisły. (http://www.klubgaja.pl)

Niezwykle waŜnym elementem przestrzennego zagospodarowania terenów wzdłuŜ Wisły jest budowa autostrady A-1, przebiegającej równolegle do Dolnej Wisły na prawie całej jej długości. KaŜdy z siedmiu nowobudowanych stopni wodnych stanowi potencjalne przejście przez Wisłę, co moŜe znacznie zwiększyć moŜliwość wykorzystania autostrady przy jednoczesnym obniŜeniu jej kosztów w związku z rezygnacją budowy mostów na Wiśle. KaŜdy most przez Wisłę to wydatek ok. 90mln zł. (Majewski 2001). Pompowe szczytowe EW. W planach z lat 1983-86 rozwoju energetyki w Polsce projektowano do realizacji w latach 1990-2020 następujące elektrownie pompowo szczytowe: • Młoty koło Bystrzycy Kłodzkiej

projektowana moc 750MW Bbudowę rozpoczęto w 1980 r. i przerwano w 1990 r. Aktualnie analizowana jest zasadność

dokończenia budowy tej elektrowni, która byłaby regulatorem systemu elektroenergetycznego dla Dolnego Śląska.

• RoŜnów II – na zbiorniku istniejącej EW RoŜnów, moc 700 MW,

• Kadyny – nad Zalewem Wiślanym, moc 1040 MW,

• Sobel – na Dunajcu i Brzynie (jedyna elektrownia o wyrównaniu tygodniowym), moc 1000 MW, (przy racy dobowej – 1400 MW),

• Niewistka – na Sanie, moc 1000 MW, • Pilchowice III – na Bobrze, moc 612MW.

Elektrownie pompowe są waŜnym elementem systemu bezpieczeństwa elektrowni atomowych. Nie przypadkowo wybrano lokalizację pierwszej budowanej elektrowni atomowej w pobliŜu EW śarnowiec, która mogła przejąć lub dostarczać moc w przypadku awarii sieci energetycznej.

58

Z wyŜej przytoczonych stwierdzeń w opracowaniu„Polityka energetyczna Polski do 2030 roku” wynika, Ŝe zaplanowane kilkadziesiąt lat temu budowy elektrowni wodnych nie będą w tym okresie realizowane. Rozwój energetyki wodnej w Polsce w najbliŜszej dekadzie moŜe być realizowany wg róŜnych programów. Program w miarę intensywnego rozwoju zakłada, Ŝe do roku 2020 łączna moc elektrowni wodnych w polskim systemie elektroenergetycznym moŜe wynosić 3390 MW z czego 2080 elektrownie pompowe. Łączna moc klasycznych elektrowni wodnych mogła by przekroczyć 930 MW a produkcja energii z dopływu naturalnego wyniosłaby około 3400 GWh (Towarzystwo E W 2008). Z opracowania „Polityka energetyczna Polski do 2030 roku” wynika, Ŝe rozwój energetyki wodnej został zaniechany. Natomiast rozwój MEW następuje niezaleŜnie od centralnego sterowania. W ostatnich dziesięciu latach powstało kilkadziesiąt MEW o mocach od kilku kilowatów do kilku megawatów. Dla rozwoju MEW jest konieczne stabilne prawo z ustawami wykonawczymi sprawnie realizowanymi przez administrację lokalną. LITERATURA BÖHME D. i inni, 2007; Renewable energy sources in figures –national and international development, Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety Public Relations Division, Berlin.

ГРАНОВСКИЙ C.A., МАЛЫШЕВ В. М. ОРГО В. М. СМОЛЯРОВ Л. Г.1974: Конструкции и расчет гидротурбин. Изд. Машиностроение. Ленинград. C. 408.

HENKE A., KANIECKI M., STELLER J., REYMANN Z. 2001: Turbiny Banki –Michella wczoraj i dziś. Materiały Konferencyjne. Odnawialne źródła energii u progu XXI wieku. Warszawa, s.248-255.

HÄNTZSCHEL W. BENIE H. ERHARDT R. Die Praxis des Maschinenbaues. Band II. Verlag C.A.Weller. Berlin 68. S. 671.

IWAN, J. 2006: Studium badawczo-rozwojowe problemów turbin wodnych małej energetyki; Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Monografie. Nr 71 Gdańsk. s 106 . :

KRZYśANOWSKI, W.A. Turbiny wodne, konstrukcja i zasady regulacji WNT . Warszawa : 1971. s. 435.

KВЯТКОВСКИ B. C., 1950, Maлые гидротурбины, Maшгиз, Москва.

KRIVCHENKO G.I 1986. Hydraulic machines. Mir Publishers, Moscov,

LEWANDOWSKI S., 2005; Energetyka wodna w Polsce - stan aktualny i perspektywy rozwoju. Hydroforum 2005. [Konferencja]. - Gdańsk : Wydawnictwo Instytutu Maszyn Przepływowych PAN,.

ŁASKI A., 1971; Elektrownie wodne, WNT, Warszawa. s. 395.

MICHAŁOWSKI S., PLUTECKI J.1973: Energetyka wodna. WNT. Warszawa.

Polityka energetyczna Polski do roku 2030. Projekt z dnia 05.03.2009. Wersja nr. 4. Ministerstwo Gospodarki. Warszawa, marzec 2009.

Praca zbiorowa pod red. Wiśniewskiego G 2003; Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego. Przewodnik dla Samorządów Terytorialnych. Europejskie Centrum Energii Odnawialnej. Warszawa 2003.

Projekt badawczy, 1995; Odzysk energii traconej w róŜnych procesach technologicznych za pomocą hydraulicznych maszyn wirowych, KBN nr 9 0041 29 01 KBN. Projektem kierował prof. Maciej Zarzycki, Gliwice.

Projekt badawczy, 1998; Analiza konstrukcyjna pomp wirowych produkcji krajowej w celu określenia moŜliwości ich zastosowania w pracy turbinowej, KBN nr 7 T07B 005 10. Projektem kierował prof. Maciej Zarzycki, Gliwice.

PUCHOWSKI B.K. Rola małych elektrowni wodnych w środowisku przyrodniczym, Gospodarczym I społecznym Polski. Materiały Konferencyjne. Odnawialne źródła energii u progu XXI wieku. Warszawa, 2001. s. 234-237.

MAJEWSKI W. MoŜliwości wykorzystania energetycznego Dolnej Wisły. Materiały Konferencyjne. Odnawialne źródła energii u progu XXI wieku. Warszawa, 2001, s. 242- 247.

PUNYS P., 2005; Small hydropower situation in New Member States and Candidate countries, Konferencja Small Hydropower worksop. - Lausanne .

RDUCH J., 2005: Badania laboratoryjne doświadczalnej turbiny wodnej o przepływie poprzecznym z regulacją przełyku za pomocą obrotowej przysłony, HYDROFORUM 2005, Międzynarodowa konferencja naukowo-techniczna Hydrauliczne maszyny wirnikowe w energetyce wodnej i innych działach gospodarki, Kliczków, 7-9 grudnia 2005, CD. Wydawnictwo Instytutu Maszyn Przepływowych PAN, Gdańsk, 2006, str. 165 do 176.

59

RDUCH J., 2007, Zagadnienie doboru turbin dla mikro elektrowni wodnych, Cieplne Maszyny Przepływowe, nr 132, 2007.

RDUCH J., ZARZYCKI M., 1999: Investigations on Impeller Pumps Aplied as Turbines. Cieplne maszyny przepływowe, Turbomachinery, Zeszyt 115, Łódź, 1999, str. 337-348.

RDUCH J., ZARZYCKI M., 2002: Badania pomp wirowy w ruchu turbinowym, Zimowe seminarium pt. „Maszyny i urządzenia we współczesnych technologiach energetycznych”, Prace Naukowe, Monografie, Konferencje, Z.8, Politechnika Śląska, Gliwice, 2002, str. 243 do 254.

SPOZ J., 1998; 100 lat energetyi wodnej na Ziemiach Polskich, Towarzystwo Elektrowni Wodnych.

STELLER J., ADAMKOWSKI A., STANKIEWICZ Z., ŁOJEK A., RDUCH J., ZARZYCK M., 2008: Pumps as turbines for hydraulic energy recovery and small hydropower purposes in Poland,

HIDROENERGIA, Bled, Slovenia, 2008, 11-13 June.

SZCZEGOLEW G., GARKAWI J. 1959. Turbiny wodne oraz ich regulacja. WNT Warszawa s 396

Towarzystwo Elektrowni Wodnych. 2008: Mozliwości rozwoju energetyki wodnej w Polsce. Pismo otwarte do Ministerstwa Gospodarki. Reda. S. 16.

Vattenfall; Anual Report 2006, p.19

WALLER H., 2007; Kleinwasserkraft – im Spannungsfeld unterschiedlicher Interessen, 6. Seminar Kleinwasserkraft am 12.10.2007 an UNI Stuttgart, IHS.

ZARZYCKI M., RDUCH J., 2001: Pompy wirowe w ruchu turbinowym w zastosowaniu do odzysku energii hydraulicznej. Pompy i Pompownie, 3/2001, str. 26 do29.

ZARZYCKI M., RDUCH J., 2001a: Pompy wirowe śmigłowe w ruchu turbinowym. Pompy i Pompownie, 5/2001, str. 51 do 55.

60

Dr hab. inŜ. Andrzej Korczak (1941) Profesor nzw w Politechnice Śląskiej, Kierownik Zakładu Maszyn i Urządzeń Hydraulicznych. Od ukończenia studiów w 1964 roku do dzisiaj pracuje jako nauczyciel akademicki. W 1973 roku broni pracę doktorską n/t empirycznych badań przepływów przez szczeliny uszczelniające. Promotorem był Profesor Maciej Zarzycki. Na podstawie wydanej monografii zawierającej wyniki badań teoretycznych, empirycznych i wdroŜeniowych oryginalnych rozwiązań konstrukcji tarcz odciąŜających pomp odśrodkowych wielostopniowych i kolokwium odbytego w 2005 roku uzyskuje zatwierdzony przez CKK tytuł dr hab. Od 1978 roku jest rzeczoznawcą SIMP. Jest autorem lub współautorem ponad stu trzydziestu publikacji naukowych (artykułów w wydawnictwach krajowych i zagranicznych, referatów na konferencjach krajowych i międzynarodowych), trzech skryptów uczelnianych oraz dwudziestu kilku patentów. Był współwykonawcą, wykonawcą lub kierował realizacją ok. 120 prac dla róŜnych podmiotów gospodarczych. W wyniku jego prac szereg maszyn i urządzeń zostało wdroŜonych do produkcji i eksploatacji lub zmodernizowanych. Np.: dla IMP PAN w Gdańsku, GIG w Katowicach i Instytutu Energetyki w Warszawie badał odporności tworzyw konstrukcyjnych na erozję i kawitację, występujące w pompach i turbinach wodnych. Za udział w opracowaniu konstrukcji pompy OWH-250 w latach 1983 i 1986 był laureatem Nagród Zespołowych: II stopnia .Ministra Górnictwa i Energetyki i I stopnia M. N. i Sz. W. W latach 1993 do 1995 dla fabryki pomp w Tübingen opracował nową konstrukcję wirnika, który pozwolił na zwiększenie sprawności pompy o 8 %. Pompy typu DET-300 jego konstrukcji od dziesięciu lat odwadniają jeden z poziomów Kopalni Olkusz – Pomorzany. Wg swojego patentu opracował wirniki pomp cyrkulacyjnych wdroŜone w Zakładach Odsiarczania Spalin Elektrowni Bełchatów Opole, Jaworzno, Konin. W latach 2003 do 2005 dla Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu skonstruował pompę odśrodkową dla pomocniczego obiegu projektowanego sztucznego serca..

W latach 2005 do 2008 w ramach PC skonstruował z Zespołem czternaście pomp okrętowych nowego typoszeregu dla GZUT Gliwice. Wykonał szereg ekspertyz dotyczących przyczyn niedomagań i awarii pomp np.: dla Huty Katowice, Z-d Odsalania Wód Dołowych w Dębieńsku, PEC Gliwice, EC- Bielsko Biała, Zakładów Wod - Kan w Bielsku Białej, Dąbrowie Górniczej, Zabrzu, Rybniku, Zakładu Ubezpiecz. Hestia itd. Od 1964 roku prowadzi zajęcia dydaktyczne z przedmiotów obejmujących: konstruowanie, badania i eksploatację, diagnostykę i modernizacje maszyn i urządzeń hydraulicznych. Konsultował ponad sto prac dyplomowych. Był promotorem zakończonego przewodu doktorskiego oraz jest opiekunem dwóch kolejnych. Ściśle współpracuje z profesorami Włodzimierzem. Marcinkowskim z Państwowego Uniwersytetu w Sumach na Ukrainie oraz Michalem Warcholą ze Słowackiego Technicznego Uniwersytetu w Bratysławie. Dla rekreacji jeździ na nartach (był instruktorem PZN) i gra w tenisa ziemnego.

Dr in Ŝ. Rduch Jan – adiunkt w Politechnice Śląskiej.w Zakładzie Maszyn i Urządzeń Hydraulicznych. –Od okończenia studiów w 1973 roku do dzisiaj pracuje jako nauczyciel akademicki. W 1983 roku broni pracą doktorską na temat: badania teoretyczne i empiryczne odśrodkowych pomp wielotarczowych, charakteryzujących się małymi wyróŜnikami szybkobieŜności, moŜliwością pracy w zakresie przepływów laminarnych i turbulentnych oraz bardzo dobrymi własnościami antykawitacyjnymi. Promotorem był Profesor Maciej Zarzycki.

Dr inŜ. Jan Rduch jest autorem lub współautorem około pięćdziesięciu publikacji. Wykonał kilkadziesiąt prac n-b np. projektował stanowiska badawcze dla OBR FSM. Bogaty program badawczy wiąŜe się z pracami wykonywanymi wspólnie z IMP PAN w Gdańsku a dotyczącymi turbin wodnych małej mocy oraz pomp krętnych w ruchu turbinowym.

61

Obszar zainteresowań badawczych: teoria i konstrukcja pomp i turbin hydraulicz-nych, metrologia maszyn hydraulicznych, rekuperacja energii hydraulicznej, mała energetyka wodna, turbiny hydrauliczne dla małej energetyki wodnej, pompy w ruchu turbinowym.

Jako nauczyciel akademicki prowadzi zajęcia dydaktyczne z maszyn hydraulicznych w tym n/t konstrukcji turbin wodnych oraz energetyki wodnej. Był promotorem ponad sześćdziesięciu prac dyplomowych.