Jak powstaje energia wodna i jak jest współcześnie wykorzystywana?

Całkowite zasoby wody na naszej planecie szacuję się na około 1,4 mld km³. Składają się na nie wody mórz i oceanów (97%), woda zawarta w lodowcach, górach lodowych i wiecznych zmarzlinach (które razem stanowią około 2%). W pozostały 1% ogólnych zasobów wchodzą: wody gruntowe, jezior, chmur, deszcz oraz wody rzek i innych cieków. Woda jako zasób podlega ciągłej cyrkulacji.

Dzięki myśli ludzkiej powstała maszyna, która zastąpiła siłę ludzkich mięśni przy mieleniu zboża. Maszyną tą było koło wodne, które wykorzystując energię kinetyczną płynącej wody (lub opadającej) poruszało żarnami młyna. Koło, które posiadało poziomy wał napędowy powstało już w I wieku p.n.e. w Rzymie.

Koło wodne – rodzaje

Ze względu na sposób wykorzystania cieku wodnego wyróżniano dwa typy kół wodnych:

• koło podsiębierne – wprawiane w ruch poprzez naturalny ruch wody, która przepływając popycha dolne łopatki koła i porusza nim, energia pozyskana podczas obrotu przekazywana jest przez przekładnię zębatą na docelowe urządzenie wykonawcze młyna, konstrukcja była prosta w budowie, jednak sprawność takiej machiny była mała; np. zmienne warunki panujące na rzece (poziom wody, szybkość przepływu) mają duży wpływ na efektywność działania koła;
• koło nasiębierne – dzięki sile grawitacji spadająca woda wprawia w ruch zakrzywione łopatki, w porównaniu do koła podsiębiernego przedstawiona konstrukcja zapewnia bardziej wydajną pracę, działanie tej odmiany koła nie jest bardziej optymalne i mniej zależne od stanu poziomu wody.

Kiedy wynaleziono turbinę wodną – początek XIX wieku, zaczęto szerzej pozyskiwać i wykorzystywać energię odnawialną wody do napędzania młynów oraz po raz pierwszy w Ameryce w roku 1881 do napędzania generatora elektryczności. Energia elektryczna została wykorzystana do oświetlenia ulic miasta.

Charakterystyka elektrowni wodnych

Przeważająca większość obecnie funkcjonujących elektrowni wodnych działa w oparciu o wykorzystanie energii kinetycznej spadku wody. Aby podnieść moc elektrowni budowanych na rzekach i innych zbiornikach buduje się specjalne konstrukcje umożliwiające spiętrzanie wody. Działanie to ma na celu skumulowanie energii potencjalnej, która następnie zostaje zamieniona na energię kinetyczną opadającej wody. W dalszej kolejności ta ostatnia zostaje „oddana” do turbin, które przekształcają ją na energię mechaniczną, a ta, poruszając wirnikami generatora, w konsekwencji zamieniana jest na prąd elektryczny.

Głównym, ważnym i wyróżniającym się elementem każdej hydroelektrowni jest tama służąca do spiętrzania wody. Specjalnym rodzajem takiej budowli może być jaz, czyli konstrukcja postawiona pomiędzy dwoma brzegami rzeki. Zapory stawia się także w miejscach gdzie nie występują naturalne zbiorniki z dużym potencjałem energetycznym, ale poprzez sztuczne stworzenie np. zalewu, zasilanego przez wiele mniejszych cieków wodnych, stwarzamy możliwość budowy elektrowni wodnej. Niestety decydując się na wykonanie takiego projektu czasem jesteśmy zmuszeni podejmować decyzję o przesiedleniu miejscowej ludności (zwykle mniejsze osady) – ten przykład pokazuje, że pozyskiwanie energii z odnawialnych źródeł energii również może być kontrowersyjne, a realizacja projektu obarczona dużym kompromisem.

Kolejnym nieodzownym składnikiem elektrowni wodnych jest turbina – zwykle nie jedna. Jest ona rodzajem silnika z wirnikiem, do którego doczepione są łopatki. W wyniku przepływającej wody łopaty poruszają wirnikiem zamieniając energię kinetyczną na ruch obrotowy. Duży moment obrotowy wirników pozwala napędzić generatory elektryczne o mocach dochodzących do 10 GW – spotyka się również wiele małych elektrowni wodnych produkujących energię elektryczną o znacznie mniejszej mocy, budowanych na małych rzeczkach i wykorzystywanych lokalnie.

W zależności od sposobu dostarczenia wody do wirnika, turbiny dzieli się na:

• akcyjne (natryskowe) – w których woda dostarczana jest pod wpływem ciśnienia atmosferycznego do wirnika;
• reakcyjne (naporowe) – do których zostaje doprowadzona woda z większym ciśnieniem niż atmosferyczne.

Elektrownia przepływowa

Tego typu elektrownie zwykle znajdują się w budynku, będącym przedłużeniem przechodzącego przez rzekę jazu. Dzięki lokalizacji bezpośrednio w korycie rzeki działają one praktycznie bez przerwy. Jednak ilość produkowanej energii elektrycznej w pełni zależy od parametru przepływu wody w rzece. Przy tego typu elektrowniach nie stosuje się wstępnego magazynowania wody – korzystamy jedynie z naturalnego potencjału jaki daje nam rzeka.

Elektrownia działa na prostej zasadzie doprowadzenia wody z rzeki rurami. Rury te transportują wodę do turbiny, która przekształca ekologiczną, naturalną energię ziemi na energię elektryczna.

Elektrownia zbiornikowa

Elektrownie regulacyjne zwane także zbiornikowymi, są mniej uzależnione od bieżącego dopływu wody, który bezpośrednio jest związany z warunkami pogodowymi. Jak sama nazwa wskazuje hydroelektrownia rozbudowana jest o zbiornik kompensacyjny. Dodatkowo przez regulację przepływów wody elektrownia jest wstanie właściwie reagować na zmieniające się warunki zapotrzebowania energii elektrycznej. Tego typu hydroelektrownie przeważnie należą do kategorii o dużych mocach.

Elektrownia szczytowo-pompowa

W odróżnieniu od poprzednich typów hydroelektrowni elektrownie szczytowo – pompowe znajdują się zawsze pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi: górnym i dolnym. Metoda działania polega na grawitacyjnym „spuszczaniu” wody z górnego zbiornika bezpośrednio na turbinę generatora, która wytwarza prąd. Elektrownia jest nastawiona na produkcję energii elektrycznej  wyłącznie w godzinach szczytowego poboru. W okresie mniejszego zapotrzebowania na energię, nocą wykonuje się proces odwrotny, czyli silnik napędzający turbinę pobiera energię z sieci energetycznej wtłaczając wodę na górny zbiornik – zbiornik górny wykorzystuje się jako swoisty magazyn, a woda raz wykorzystana może być użyta ponownie.

Elektrownia pływowa

Pływy są to powtarzające się wahania poziomów wód: oceanów i mórz. Elektrownie pływowe wykorzystują cykliczne przypływy i odpływy. Efektywne wykorzystanie tego zjawiska jest możliwe tylko w przypadku prawidłowego umieszczenia elektrowni w ujściu rzeki. Koniecznym i niezbędnym warunkiem, który uzasadnia budowę tego typu hydroelektrowni jest występowanie różnicy poziomów wód wynoszącej minimum 5 metrów. Częstotliwość pływów jest zależna od zmieniającej się odległości księżyca od ziemi, z tego powodu elektrownie pływowe nie są w stanie w sposób ciągły wytwarzać energii elektrycznej.

Jak już wcześniej zaznaczono hydroelektrownie mają moce w zakresie od 500 MW do 10 GW, i więcej. Prawie wszystkie one pracują na największych rzekach światach, rzekach, które dostarczają i będą dostarczać ekologicznej energii odnawialnej; największa elektrownia wodna w Polsce znajduje się w Żarnowicach i posiada moc około 716 MW. W większości krajów wysoko rozwiniętych energetyka wodna wytwarza najwięcej energii elektrycznej spośród wszystkich innych typów elektrowni bazujących na energii odnawialnej. Hydroenergetyka dostarcza około 16 % ogólnej energii elektrycznej na świecie. Brazylia jest jednym z głównych producentów energii elektrycznej pozyskiwanej z hydro elektrowni, głównie dzięki Amazonce transportującej 20% słodkiej wody świata. Kraj ten pokrywa 90% zapotrzebowania na elektryczność z tej właśnie produkcji. Technologia przekształcania energii z wody jest nieszkodliwa dla środowiska, a procesy pozyskiwania są stabilne i przewidywalne. Wykorzystanie wody jak i pozostałych odnawialnych źródeł do produkcji energii elektrycznej przyczynia się do zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego krajów.