Energia jest podstawą istnienia życia biologicznego na Ziemi. Bez względu na jej rodzaj w dzisiejszych czasach energia jest niezbędna na każdym kroku. Wszystkie działania uzależnione są od dostawy energii, która napędza wszystkie gałęzie przemysłowe. Cały system ekonomiczny świata jest oparty na energii. Dlatego wciąż pozyskuje się różne rodzaje energii.

Energia wodna jest wykorzystywana już od najdawniejszych czasów, kiedy to budowano młyny nad rzekami. Siła prądu płynącej rzeki poruszała koła młyńskie, połączone z żarnami. Potem odkryto możliwości wykorzystywania surowców mineralnych i spalania paliw kopalnych. Dzięki temu możliwa była budowa cywilizacji przemysłowej. Jednak tego typu energia związana w postaci węgla kamiennego i brunatnego oraz ropy naftowej pewnego dnia zostanie wyczerpana. Kiedy wyeksploatujemy zasoby paliw kopalnych, co wówczas? Ponadto pojawił się dodatkowy problem. Polega on na tym, że spalaniu paliw kopalnych towarzyszy wydzielanie się szkodliwych związków do atmosfery. Spowodowało to ogromne zanieczyszczenie powietrza w rejonach większych zagłębi górniczych oraz na terenach większych zakładów elektrociepłowniczych. Skłoniło to ludzkość do zwrócenia się ku innym, alternatywnym źródłom energii. Chodzi o takie źródła, które będą nie wyczerpywalne lub odnawialne. Dlatego do łask powoli wracała siła spadku wód.

Elektrownie wodne, zwane inaczej hydroelektrowniami, to taki typ elektrownii, w której prądnice wytwarzają prąd elektryczny są napędzane przez energię wodną. Elektrownia taka składa się na ogół z dwóch zbiorników: górnego oraz dolnego. Są one położone na różnej wysokości w ten sposób, by wytworzyć odpowiednią różnicę poziomów. Ten zabieg zwiększa siłę spadku wody, która porusza znajdującą się pomiędzy zbiornikami turbinę. Turbina wytwarza energię odbieraną przez generator, który zamienia ją na prąd elektryczny.

Niegdyś siła spadku wód zapewniała energię dla pracy młynów. Dziś technologie pozwalają na jej przetwarzanie w energię elektryczną na terenach o odpowiednich różnicach wysokościowych. To również możliwości pozyskiwania energii dla krajów nieposiadających własnych surowców energetycznych. Niestety elektrownie wodne i często towarzyszące im zapory są bardzo kosztowne. Dodatkowo stanowią olbrzymią ingerencję w środowisko. Sztuczne spiętrzanie wód prowadzi do zmiany mikro klimatu a zalanie ogromnych połaci terenu może spowodować zniszczenie wielu cennych siedlisk zwierząt i roślin. Po za kosztami samej budowy pojawia się problem przesiedlenia mieszkańców owych terenów i budowy dla nich nowych domów. Wykorzystanie energii wody nabrało szczególnej wagi po II wojnie światowej. Wtedy to rozpoczęły się prace nad regulacją Nilu w Egipcie i budowy ogromach zapór wodnych. W późniejszych okresach powstały tamy w Ameryce Południowej, Północnej oraz w krajach byłego ZSRR. Na dzień dzisiejszy ruszyła budowa wielkiej tamy w Chinach.

Elektrownie wodne mają zastosowanie przede wszystkim w obszarach górskich, gdzie duże różnice poziomów są naturalnym wytworem przyrodniczym. Takimi warunkami odznaczają się głównie kraje Azji, Afryki oraz Ameryki Łacińskiej (Ameryki Południowej), gdzie ukształtowanie terenu cechuje się znacznymi deniwelacjami. Ponieważ jednak hydroenergetyka wymaga znacznych nakładów finansowych, dlatego też największy rozwój pozyskiwania energii z siły spadku wód odznacza bogate, wysoko rozwinięte kraje Europy Zachodniej, Japonię, Kanadę oraz Brazylię. Ma to głównie związek z wysokimi kosztami budowy systemu stopni wodnych na rzece.

Pozyskiwanie energii elektrycznej z hydroenergetyki dzieli się na dwa podstawowe źródła:

  1. wykorzystywanie energetycznego potencjału wód, który pochodzi z różnicy poziomów spadku wód,
  2. wytwarzane przez elektrownie szczytowo - pompowe, które także wykorzystują różnice poziomów wody, ale są to elektrownie mogące w czasie największego zapotrzebowania w energię spuszczać wodę z górnego zbiornika, produkując większe ilości energii. Natomiast w nocy woda jest pompowane z powrotem do zbiornika górnego, a następnie w ciągu dnia znów spuszczana w celu produkcji energii.

NAJWIĘKSZE ELEKTROWNIE WODNE ŚWIATA:

Do tej pory największą elektrownią wodną na świecie była hydroelektrownia Itaipu. Jest to cały system stopni wodnych, zlokalizowanych na rzece Parana na granicy Paragwaju i Brazylii. Samo jezioro zaporowe znajdujące się powyżej elektrowni zajmuje powierzchnię 1 350 km2. Zapora natomiast ma długość 7,6 km, a jej grubość u podstawy wynosi 196 m. Hydroelektrownia ta jest wyposażona w 18 hydrogeneratorów o mocy 700 MW każda, co daje łączna moc 12 600 MW.

Od 1993 roku rozpoczęła się budowa elektrownii wodnej na rzece Jangcy, wypływającej z obszaru wschodniego Tybetu, a uchodzącego do Morza Chińskiego. Jangcy była nazywana rzeką trzech przełomów i stanowiła nie tylko największy szlak komunikacji śródlądowej, ale również szlak turystyczny. Przyczyną tego były przełomy, które Jangcy wydrążyła przez wieki. Przełomy te należały do jednych z najbardziej okazałych na świecie. Po zakończeniu budowy, która jest planowana na 2009 rok, rzeka nie będzie już rzeka przełomową. Na potrzeby elektrowni wodnej zostaną zalane ogromne połacie terenu, w tym miasto Wushan, z którego na dzień dzisiejszy została ewakuowana cała ludność. Ponadto pod wodą znajdzie się wiele cennych zabytków, których nie udało się przenieść. Docelowo hydroelektrownia będzie wyposażona w 26 turbin wodnych, każda o mocy 700 MW. Dzięki nim elektrownia na Jangcy będzie miała łączną moc 18 200 MW i jednocześnie sprawi, że będzie to największa elektrownia wodna na świecie.

Ważną hydroelektrownią jest elektrownia zlokalizowana w Tamie Asuańskiej na Nilu, wybudowanej w pobliżu miasta Asuan w Egipcie. Budowę tej zapory rozpoczęto w 1960 roku, zakończono natomiast 21 lipca 1971 roku. Tama Asuańska ma długość 3 600 m, u podstawy jej szerokość wynosi 980 m i 40 m u szczytu. Tama wznosi się na wysokość 111 m. Największa możliwa przepustowość tej tamy wynosi 11 000 m³/s. W elektrowni wodnej pracuje 12 turbin o mocy 175 MW każda, co daje łączna jej moc 2 100 MW (2,1 GW). Powyżej tej tamy znajduje się Jezioro Nasera, które zostało napełnione wodą już po pierwszym etapie budowy zapory, czyli w 1965 roku. Ten zbiornik ma długość przekraczającą 500 km. Nazwa jeziora pochodzi od imienia ówczesnego prezydenta Egiptu. Dzięki budowie Tamy Asuańskiej istnieje możliwość regulacji stanów wody Nilu poniżej miasta Asuan. To właśnie pozwoliło na uniknięcie wielkich strat w przypadku powodzi, które są związane w tym obszarze z porą wilgotną występującą dwa razy w ciągu roku w wyniku górowania Słońca.

POZOSTAŁE HYDROELEKTROWNIE:

Ponadto w Brazylii wybudowano wiele dużych elektrownii wodnych, miedzy innymi na rzekach:

  • São Francisco,
  • Paranaiba,
  • Rio Grande,
  • Tieté.

Wielkie elektrownie wodne zlokalizowane są również na rzekach Stanów Zjednoczonych:

  • Colorado,
  • Columbia,
  • Tennessee,
  • Missouri,

oraz w Rosji na rzekach:

  • Angara,
  • Wołga,
  • Jenisej,
  • Kama.

W krajach posiadających w swoich granicach administracyjnych wysokie masywy górskie, czyli:

pod względem hydroenergetyki bazują głównie na systemach setek niewielkich stopni wodnych.

Jeżeli chodzi o wykorzystywanie zasobów wodnych do produkcji energii elektrycznej na obszarze kontynentu afrykańskiego, to jest ona stosunkowo niewielka. Elektrownie wodne o znacznych mocach zlokalizowane są jedynie na rzekach:

HYDROENERGETYKA W POLSCE:

Polska jest krajem, który w niewielkim stopniu wykorzystuje odnawialne źródła energii, mimo, iż posiada znaczne ich zasoby. Obecny krajowy potencjał techniczny źródeł energii odnawialnej wynosi ponad 2500 PJ w skali roku, co stanowi 60% krajowego zapotrzebowania na energię pierwotną. Jednak zużycie tej energii w Polsce stanowi jedynie ok. 1,5% zapotrzebowania na energię pierwotną. Natomiast energia wodna odznaczają się najmniejszym w porównaniu do innych odnawialnych źródeł energii potencjałem technicznym, który wynosi około 43 PJ/rok.

Polska jest krajem nizinnym, co powoduje ogromne ograniczenia w pozyskiwaniu energii wodnej. Jedynie w górach spotykamy duże nachylenia terenu umożliwiające spadek wód z odpowiednią siłą. Mały potencjał energetyczny polskich rzek, wynoszący 43 PJ rocznie, oraz wysokie koszty budowy elektrowni wodnych przyczynia się to do niewielkiego udziału elektrowni wodnych w produkcji energii elektrycznej, który stanowi mniej niż 3%. Z powstaniem elektrowni wodnych związane są także spore koszty nie tylko projektów, materiałów i wykonania budowy, ale dotyczące przede wszystkim wywłaszczeń, wykupu gruntów od prywatnych właścicieli, wypacania odszkodowań i zapewnienia innego lokum o tej samej wartości, co poprzednie (znajdujące się w miejscu planowanej budowy). Oczywiście nie wszystkie dotyczą małych elektrowni, jednak w Polsce większość elektrowni wodnych to szczytowo - pompowe. Aby mogły one funkcjonować, niezbędna jest budowa zbiorników wodnych, a to wymaga zalania wielu terenów. Elektrownie te działają w ten sposób, iż w ciągu nocy woda jest pompowana do górnego zbiornika, położonego powyżej elektrowni. W ciągu dnia, kiedy zapotrzebowanie na energię jest o wiele większe, woda zostaje spuszczana z górnego zbiornika do dolnego, położonego poniżej. Podczas spuszczania woda porusza turbiny wytwarzające energię elektryczną.

Polskie elektrownie wodne to na ogół małe jednostki prywatne, których liczba wynosi około 300, a także 127 dużych elektrowni należących do przedsiębiorstw energetycznych. Łączna moc zainstalowana dużych elektrowni wodnych wynosi około 2 143 MW, a małych 160 MW. Duże elektrownie, posiadające moc powyżej 5 MW, wytwarzają ponad 90% energii elektrycznej pochodzącej z siły przepływu i spadku wód. Do największych elektrowni wodnych w Polsce należy elektrownia Żarnowiec, Porąbka - Żar, Włocławek, Żydowo oraz Solina. Elektrownia wodna Żarnowiec jest elektrownią szczytowo - pompową o mocy 680 MW. Podobną moc osiąga elektrownia wodna Porąbka - Żar, bo około 500 MW, będąc również elektrownią szczytowo - pompową. Pozostałe elektrownie mają moc od 136 MW do 162 MW:

  • Włocławek - 160 MW,
  • Żydowo - 150 MW,
  • Solina - 136 MW.

Największa polska elektrownia szczytowo - pompowa jest zlokalizowana w Żarnowcu. Moc tej elektrowni waha się od 716 do 800 MW. Funkcjonują tu dwa zbiorniki wodne. Jeden znajduje się powyżej elektrowni na szczycie wzgórza morenowego. Jego pojemność wynosi około 14 mln m3, natomiast powierzchnia wynosi 135 ha. Zbiornik ten znajduje się o 100 m wyżej, niż drugi zbiornik - dolny, który stanowi Jezioro Żarnowieckie. Aby zabezpieczyć dno zbiornika prze wsiąkaniem wody i erozją wgłębną, górny zbiornik wyłożony jest warstwą asfaltu. Według ogólnego schematu działania tego typu elektrowni, w ciągu dnia produkcja energii elektrycznej odbywa się poprzez spuszczanie wody z górnego zbiornika, która płynąc przez olbrzymie rury porusza turbiny wytwarzające prąd elektryczny, po czym jest kierowana do dolnego zbiornika. Nocą spada pobór prądu przez użytkowników. Wówczas są wykorzystywane rezerwy prądu, za pomocą których woda z dolnego zbiornika jest wówczas pompowana do zbiornika górnego, skąd będzie znowu spuszczana w następnym dniu. Tak wygląda ogólnie cykl dobowy pracy elektrowni szczytowo - pompowej. Nadmiar wyprodukowanej w dzień energii elektrycznej jest zużywany do wypompowywania wody z dolnego zbiornika do górnego. Napełnianie górnego zbiornika trwa średnio około 6 godzin.

Pod koniec 1999 roku elektrownie wodne posiadały łączą moc 2 143 MW, co stanowiło około 6,3% ogólnej mocy wszystkich krajowych elektrowni. Wówczas wytworzyły jedynie 2,9% energii elektrycznej. Niski stopień ich wykorzystywania wynika ze specyfiki elektrowni, gdyż są to głównie elektrownie szczytowo - pompowe pracujące tylko przez część doby.

W kraju produkuje się raczej turbiny znajdujące zastosowanie przy niewielkim spadku wód, jak np. turbina Francisa ( przy różnicy poziomów nie przekraczającej 300 m, ale nie mniejszej niż 30m), Kaplana (gdy różnica poziomów wody nie przekracza 30 m), i inne o podobnych możliwościach. Tylko dwie elektrownie są wyposażone w turbiny Peltona. Są to turbiny działające w miejscach, w których różnica między poziomami wody wynosi ponad 300 m.

DODATKOWE FUNKCJE:

Przy okazji tworzenia elektrowni szczytowo-pompowych, buduje się na rzece dwa zbiorniki oraz tamę, spiętrzającą wodę. Dzięki temu nie tylko można korzystać z odnawialnego źródła energii, ale także wykorzystać oba zbiorniki do innych funkcji.

Jedną z takich funkcji jest funkcja retencyjna, ponieważ w obu zbiornikach stale utrzymuje się pewien określony poziom wody. Zbiornik górny nie jest nigdy pusty, ale też nie jest wypełniony do pełna, gdyż przeważnie spełnia dodatkowo funkcję przeciwpowodziową. Przykładem takiego jeziora zaporowego może być Niedzica-Czorsztyn. Budowa zapory i hydroelektrowni w tym miejscu była podyktowana planami zabezpieczenia przyległych terenów przed częstymi powodziami, które miały miejsce najczęściej podczas letnich deszczy. Ponieważ zagrażało to mieszkańcom tych ziem, postanowiono wybudować zbiornik retencyjny, który będzie w stanie przyjąć ewentualna falę wezbraniową i nie dopuścić do wylewu wód z rzeki.

Przy okazji takie zbiorniki są wykorzystywane jako tereny rekreacyjne w okresie letnim. Często na brzegach lokują się wypożyczalnie sprzętów wodnych, jak wypożyczalnie kajaków, łódek czy rowerów wodnych. Zwykle mimo zakazu ludzie wybierają te zbiorniki jako miejsca kąpielowe w czasie letnich upałów. Zdarza się również, iż do zbiorników wpuszcza się różne gatunki ryb, aby stworzyć w miarę naturalne środowisko ich życia. W takim przypadku w sezonie łowieckim można spotkać nad zbiornikami wielu wędkarzy. Tak też miało miejsce zarówno w przypadku zbiorników w Polsce, jak i między innymi w obrębie Jeziora Nasera, gdzie rozwinęło się rybołówstwo.

ZAGROŻENIA:

W wyniku budowy zapór wodnych większa się erozja wgłębna w obrębie dolnego zbiornika. Jest to spowodowane znaczną siłą erozyjną, którą posiada spiętrzona woda. Dlatego często stosuje się system dwóch zapór, aby wyhamować wody i zmniejszyć proces erozji wgłębnej w dolnym zbiorniku. Górny zbiornik przeważnie natomiast ulega systematycznemu spłyceniu ze względu na osadzanie się na jego dnie namułu niesionego przez rzekę. Taka sytuacja na wielką skalę miała miejsce w przypadku Tamy Asuańskiej na Nilu. Cała zawiesina transportowana przez rzekę odkłada się z górnym zbiorniku. Spowodowało to ogromne zubożenie obszarów uprawnych w obrębie delty Nilu ze względu na brak namułu, który rzeka odkładała w obrębie delty i który użyźniał te obszary. Chociaż osiągnięto cel i Nil nie wylewa już i nie zalewa pół uprawnych, co przynosiło wielkie szkody w rolnictwie, to jednak ta budowa pociągnęła za sobą konieczność dodatkowego nawożenia pól uprawnych. W czasach, kiedy Nil wylewał, zostawiał na polach dodatkowo wiele substancji mineralnych i ważnych dla rozwoju roślin związków. Ponadto zwiększyło się rzeczywiste parowanie i zmniejszył bilans wodny, gdyż wiele wilgoci jest po prostu wywiewane znad Jeziora Nasera. Dziś trudno oszacować, czy dolina Nilu zyskała czy straciła tak na prawdę na budowie tamy.

Warto również pamiętać, że budowa hydroelektrowni wiąże się z ciągłym wymogiem sprawdzaniem stanu budynków i szczelności, konserwacją i usuwaniem ewentualnych awarii, co jest bardzo kosztowne. Ważnym czynnikiem utrudniającym budowę zbiorników wodnych towarzyszących elektrowniom wodnym, poza niskim i płaskim terenem, jest przeszkoda w postaci mieszkańców ziem, które w planach budowy mają zostać zalane. To dodatkowo zwiększa koszty, gdyż ludności tej trzeba zapewnić miejsce zamieszkania o takim samym standardzie, jak to, które utracą.