Wykorzystanie energii morza

Wykorzystaniu energetycznym podlegają: pływy morza, energia cieplna mórz, prądów oceanicznych oraz fal morskich.

Wykorzystanie energetyczne pływów morskich

Dzięki odpowiednim warunkom topograficznym można wykorzystywać w celach energetycznych pływy morza. Rzeka uchodząca do morza oraz jej wysokie brzegi mogą być wykorzystywane do budowy zapory. Zapory takie są tak skonstruowane żeby umożliwić wpłynięcie wody morskiej do doliny rzeki w czasie przypływu i wykorzystaniu jej odpływu do napędzania turbin. Największa tego typu elektrownia wodna znajduje się na wybrzeżu francuskim. Posiada 24 turbiny rewersyjne , każda o mocy 10 MW (łączna moc elektrowni to 240 MW). Elektrownia został uruchomiona w 1967 roku. Podobne elektrownie zostały zbudowane w Chinach, Kanadzie i Rosji. W fazie projektów znajdują się obiekty w Wielkiej Brytanii, Korei Południowej, Kanadzie i Indiach. Dużą rolę dla ekonomii pracy tych elektrowni ma fakt że okres ich eksploatacji wynosi do 100 lat. Do wad tych elektrowni należą: erozja brzegów na skutek wahań poziomu wody, utrudnianie wędrówek ryb oraz zasalanie ujść rzek.

Wykorzystanie energii fal morskich.

Są znane dwa sposoby wykorzystania energetycznego fal morskich, które napędzają turbinę powietrzną lub wodną.

W przypadku rozwiązania pierwszego, woda morska pchana jest kolejnymi falami i wpływa sztolnią do znajdującego się na górze zbiornika. Jeżeli w zbiorniku znajduje się dostatecznie dużo wody, przelewa się przez upust i wprawia w ruch turbinę rurową Kaplana, która sprężona jest z generatorem. Woda po przepłynięciu wraca z powrotem do morza. W rozwiązaniu tym wykorzystuje się przemianę energii kinetycznej fal w energie potencjalną spadu. Instalacja taka, znana pod skrótem OWC, pracuje na wyspie Toftstallen koło Bergen w Norwegii już od 1986 roku. Daje ona moc 350 kW.

W rozwiązaniu drugim zbiornik znajduje się na platformach na brzegu. Wlewające się fale na podstawę platformy wypychają powietrze ku górze do górnej części zbiornika. Ruch powietrza powoduje ruch turbiny Wellsa, która napędza generator. Elektrownie tego typu oznaczone są skrótem MOSC. Elektrownie tego typu są budowane przez Norwegię na wyspie Tongtapu (południowy Pacyfik). W fazie projektu znajduje się elektrownia w Szkocji, która docelowo będzie miała moc 2000 MW, składając się z modułów, każdy o mocy 5 MW.

Do innych sposobów umożliwiających wykorzystanie fal morskich w celach energetycznych są:

- tratwy

- kaczki

"Tratwa" zbudowana jest z trzech części połączonych między sobą zawiasami, które poruszają się na falach. Fale poruszają tłoki pomp w środkowej części "tratwy". Woda napędza turbinę , która jest sprężona z generatorem. Przykładem takiego rozwiązania jest eksperymentalna tratwa w pobliżu wyspy Wright w Wielkiej Brytanii.

"Kaczki" w odróżnieniu do "tratw" wykorzystują poziomy ruch wody morskiej. Tak umieszczone "kaczki" podskakując na falach w prowadzają niezależnie od siebie tłoki pomp w ruch.

"Kaczki" cechujące się małą mocą służą od wielu lat w celu oświetlenia boi.

Wykorzystanie energii cieplnej oceanu.

Wykorzystanie energii cieplnej oceanu polega na wykorzystaniu różnicy temperatur wody morskiej na powierzchni oraz w głębi. Najlepiej predysponowanymi pod tym względem są obszary równikowe. Woda morska w tym obszarze ma temperaturę powierzchniową wynoszącą często ponad 30oC, natomiast na głębokości 300 - 500 m równą 7oC. Różnica ta wykorzystywana jest dzięki zastosowaniu czynnika roboczego. Czynnik taki ulega procesom parowania w temperaturze wody na powierzchni i ulega skropleniu dzięki zastosowaniu wody czerpanej z dużych głębokości. Czynnikiem takim jest freon, propan lub amoniak. Instalacja taka włącznie z generatorem znajdują się na pływającej platformie.

Duży problem stanowi dla takiej instalacji korozja materiałów podatnych na działanie wody morskiej i osadzanie się na powierzchni wymienników ciepła organizmów żyjących w morzu. Sprawność takiej elektrowni (maretermicznej) oceniana jest na 2,5 % przy różnicy temperatury wynoszącej 20oC, a 6% przy różnicy 40oC. Instalacje takie są niezwykle konkurencyjne w terenach zasilanych tradycyjnymi elektrowniami dieslowskimi.

Energię tą wykorzystuje się obecnie na Hawajach (40 MW), w Japonii (10 MW), Indonezji (5 MW) i Tahiti (5 MW).

Wykorzystanie energii prądów morskich.

W pobliżu północnego wybrzeża Szkocji w drugiej połowie 1995 roku została uruchomiona pierwsza na świecie elektrownia wykorzystująca siłę prądów morskich. Zastąpi ona elektrownię atomową, nie spełniającą norm bezpieczeństwa. Elektrownia ta została zlokalizowana w tym miejscu dzięki występującym tu silnym prądom.

Wykorzystanie energii rzek

Przetwarzanie energii wody

Energia wód może być podzielona dwa rodzaje: energia mórz oraz energia wód śródlądowych. Powstanie tej drugiej formy energii związane jest z cyklem obiegu wody w przyrodzie. Źródłem energii jest tak naprawdę energia słoneczna.

Główną rolę w przetworzeniu energii wód w energię elektryczną spełnia energia potencjalna. Dzięki turbinom następuje przetworzenie energii potencjalnej w energię kinetyczną, która z kolei w prądnicach (hydrogeneratorach) zostaje zamieniona na energie elektryczną.

Aby otrzymać stosunkowo dużą moc potrzeba koncentracji na możliwie ograniczonym obszarze znacznej różnicy poziomów a także dużego przepływu masowego wody. Ze względu na to że brakuje naturalnych źródeł koncentracji wody, stwarza się sztuczne systemy głównie poprzez:

- podwyższenie górnego poziomu wody

- budowę elektrowni podziemnej lub obniżenie dolnego poziomu

- utworzenie kanału skracającego mającego na celu zmniejszenie strat przepływowych

Praktycznie mają zastosowanie tylko niektóre z tych sposobów jednocześnie

Na małą użyteczność energetyczną tego rodzaju energii składa się kilka przyczyn:

- ograniczone zasoby wody nadające się do wykorzystania w celach energetycznych

- duży koszt budowy budowli hydrotechnicznych

- utrudniony dostęp

Mimo tego rozwija się dziś budownictwo elektrownii wodnych, szczególnie w miejscach sprzyjających temu, głównie poprzez duże zasoby wód i sprzyjające warunki hydrologiczne. Największe zespoły znajdują się nad wielkimi rzekami i mają moc jednostkową wahającą się między 500 a 700 MW. Do największych elektrownii wodnych na świecie należą:

- Itapu (na pograniczu Brazylii i Paragwaju o mocy 12600 MW)

- Gran Coulee (USA, 9711 MW)

- Guri (Wenezuela, 9000 MW)

- Krasnojarska (Rosja, 6096 MW)

- Churchill Fallus (Kanada 5200 MW)

Ostatnie lata odznaczają się znacznym postępem w budowie elektrowni pompowych. Największe z istniejących pompo - turbin mają moc 250 MW. W Polsce największymi elektrowniami szczytowo - pompowymi są: Żarnowiec (680 MW), Porąbka - Żar (500 MW) i Żydowo (152 MW). W przyszłości największą tego typu elektrownią wodną będzie elektrownia w Młotach (750 MW)>

Rodzaje elektrowni wodnych.

Do najważniejszych parametrów elektrowni wodnej należą:

- zainstalowana moc (P)

- przełyk elektrowni (Q)

- czas pracy

- spad użyteczny (Hu)

- sprawność (e)

Przełyk elektrowni odgrywa decydującą rolę w doborze wymiarów turbin, wielkości budynku elektrownii, budowli hydrotechnicznych które doprowadzają wodę do elektrowni. Dobór wielkości przełyku jest trudny ze względu na ścisłą zależność od wartości, które ulegają zmianom w różnych porach roku, a także od przepływów w rzece i charakteru pracy elektrowni. Wielkość spadu użytecznego elektrowni jest uzależniona od warunków topograficznych cieku i sposobu rozwiązania stopnia wodnego.

Elektrownie wodne cechują się często wyjątkowymi i różnorodnymi rozwiązaniami, wynikającymi z potrzeby dostosowania się do lokalnych warunków. Można je dzielić ze względu na szereg kryteriów takich jak: sposób pokrywania obciążeń w układach elektroenergetycznych, gospodarowania zasobami wodnymi czy wartością spadu. Ten ostatni jest najważniejszym z czynników. Wyróżnia się elektrownie nisko -, średnio - i wysoko -spadowe. W odniesieniu do polskich warunków dokonuje się podziału na elektrownie o niskim spadzie (poniżej 15 m), średnim spadzie (15 - 50 m) i wysokim (powyżej 50 m).

Rozwiązania elektrowni wodnych.

Inwestycje wykorzystujące zasoby energetyczne wód czynione są zazwyczaj w ramach obiektów o wielu funkcjach. Są to zarówno inwestycje gospodarki wodnej jak i energetycznej. Do ich innych zadań należą: gromadzenie zasobów wodnych w celach przemysłowych i zaopatrzenia miast w wodę pitną, zmniejszanie fali powodziowej czy tworzenie stopni żeglugowych. Często te zadania stoją w sprzeczności, czego przykładem jest utrudniona wędrówka ryb do górnych odcinków. Budowa stopni o małym spiętrzeniu dla potrzeb żeglugi jest tanie ale z kolei utrudnia wykorzystanie siły spadku rzeki do celów energetycznych.

Budowle hydrotechniczne można podzielić (ze względu na przeznaczenie) na:

- budowle piętrzące (zapory, jazy)

- urządzenia odprowadzające i doprowadzające wodę )rurociągi, kanały, sztolnie)

- ujęcia wody

- budowle inne (przepławki dla ryb, śluzy żeglugowe)

Elektrownie wodne ze względu na lokalizację podzielić można na:

- położone przy zaporze lub jazie,

- przy kanałach lub rurociągach, którymi woda doprowadzona jest od budowli piętrzącej

W budownictwie hydrotechnicznym wyróżniamy:

- zapory betonowe

- z. ziemne

- kanały

Najbardziej rozpowszechnionymi w Polsce konstrukcjami są zapory betonowe. Na terenach nizinnych budowane są zapory typu ziemnego. W celach ujęcia wody filtrującej stosuje się w zaporach system drenażowy. Kanały energetyczne między zbiornikiem a elektrownią poprowadzone są w wykopie lub półwykopie. Umocnienia takich kanałów wykonane są najczęściej z płyt betonowych, asfaltobetonowych lub żelbetonowych.

Na elektrownie wodną składa się kilka elementów:

- hala maszyn

- hala montażowa

- pomieszczenia pomocnicze

- ciągi komunikacyjne

- blok elektrowni

W elektrowniach nisko spadowych znaczna część bloku umieszczona jest pod wodą i jest zarazem jest budowlą piętrzącą wodę. Rozmiary bloku uwarunkowane są sposobem doprowadzenia wody, tj. wielkości i rodzaju turbiny.

Mała energetyka wodna

Wśród odnawialnych źródeł energii największy udział, w warunkach naszego kraju, produkcji energii elektrycznej tworzą wszystkich będą tworzyć w przyszłości elektrownie wodne. wszystkich tej grupie są obiekty o maksymalnej mocy zainstalowanej do 500 kW. Są to obiekty tzw. Małej Energetyki. Zasoby energetyczne polskich rzek, ze względu na nizinny charakter, są małe i wynoszą 13,5 TWh / rok. W Polsce działa obecnie 250 elektrownii które zalicza się do Małej energetyki. wszystkich większości są to obiekty prywatne.

Do zalet małej energetyki wodnej należą:

- zwiększenie ilości miejsc pracy

- zwiększeni małej retencji wód

- przyjazny charakter dla środowiska (nie wpływa w znaczący sposób na krajobraz i środowisko naturalne)

Przykładem małej elektrowni wodnej jest obiekt położony w Zakopanem Olcza. Sprawność tego obiektu wynosi 30 %, a dla skomplikowanych technicznie 85 - 90 %. Elektrownia ta ma możliwość pracy od 5000 do 8000 h na rok. Obiekty tego typu mogą pracować bez niezbędnych remontów nawet przez kilkadziesiąt lat. Amortyzacja może trwać 3 - 15 lat.