MAŁA ENERGETYKA WODNA

Energetyka wodna na Podkarpaciu mogłaby być znaczącym źródłem czystej energii. Istnieje tu dość duży zespół elektrowni wodnych Solina-Myczkowce, jednak małe obiekty tego typu nie rozwijają się stosownie do posiadanego potencjału. Spośród istniejących warto wymienić obiekty w Wilczej Woli, Żołyni, Krempnej, Sieniawie, Radawie, Mokrzecu oraz w Nienowicach. Jest to bardzo słaby wynik w skali kraju i bardzo słaby w skali euroregionu.

Odpowiednie zagospodarowanie zlewni rzek regionu mogłoby zaowocować znaczącym wzrostem gospodarczym. Oprócz niezaprzeczalnych korzyści materialnych rozwój małych elektrowni wodnych (MEW) - o mocy do 5 MW, spowodowałoby stabilizację hydrologiczną regionu w szeroko pojętym znaczeniu. W połączeniu z odpowiednim systemem małej retencji oraz odpowiednich zabezpieczeń mógłby stanowić zabezpieczenie przed niedoborami wody oraz nawiedzającymi region lokalnymi powodziami. Raport Wojewódzkiego Inspektoratu Ochrony Środowiska w Rzeszowie zawiera szczegółowe informacje m.in. na temat stanu zlewni rzek w tym sztucznych zbiorników.

Dokument ten stwierdza, że "[...] Brak dostatecznej ilości zbiorników retencyjnych powoduje duże niebezpieczeństwo powodziowe. Stan zabezpieczenia przeciwpowodziowego na terenie województwa podkarpackiego jest niski. Najbardziej zagrożony jest obszar środkowy i północny województwa, wzdłuż głównych rzek.[…] Ogólna długość wałów wynosi około 610 km, przy czym najwięcej tych obiektów zlokalizowanych jest na północy regionu. Część obwałowań jest jednak w złym stanie technicznym i wymaga modernizacji […]". Informacje zawarte w raporcie bazują na danych z lat 2004-2006. Taki stan powinien stanowić impuls do szybkiego i wielokierunkowego rozwoju obiektów hydrotechnicznych, przy ścisłej współpracy gminnych organów samorządowych, inwestorów prywatnych, oraz Samorządu Województwa Podkarpackiego, który jest reprezentowany przez PAE.

Aby podjąć jakiekolwiek działania w celu zagospodarowania cieku wodnego należy przeanalizować wszystkie aspekty inwestycji takie jak: uwarunkowania techniczne, uwarunkowania społeczne oraz uwarunkowania prawne. Do uwarunkowań technicznych należą dane IMGW o przepływach, wysokości istniejącego lub możliwości nowo powstałego piętrzenia. Planując inwestycję należy wziąć pod uwagę także efekty społeczne, a więc nie tylko ilość nowych miejsc pracy, ale także uciążliwość hydrozespołu dla lokalnej społeczności.

Z punktu prawnego większość zagadnień warunkują: Prawo Wodne , (Ustawa z dnia 18 lipca 2001 r. w szczególności art. 67, 122 i 131), Prawo Energetyczne (w szczególności art. 9a.3 o obrocie energia pochodzącą z OZE) oraz lokalne rozporządzenia dotyczące strategii rozwoju regionu jak i możliwość wykupu lub dzierżawy gruntu przyległego do miejsca zagospodarowania. Najważniejszym czynnikiem pozostaje oczywiście lokalizacja przedsięwzięcia.

Aby uniknąć niepotrzebnych kosztów należy w pierwszej kolejności zlecić ekspertyzę odpowiedniej instytucji, zdolnej określić zasadność inwestycji w danej lokalizacji. Analiza ta w zależności od wymagań inwestora może zawierać od informacji podstawowych o stanie cieku wodnego do konkretnych rozwiązań z zakresu hydroenergetyki i planowania przestrzennego.

Rozwiązania techniczne są uzależnione od posiadanych zasobów finansowych i wodnych. Ilość rozwiązań w tej dziedzinie powoduje, że niemożliwe jest określenie szczególnie przydatnej konstrukcji dla MEW, co oznacza, iż dobór musi być ściśle związany z planowaną inwestycją.

Korzyści z produkcji energii w MEW są różnorakie. Energia może być produkowana na potrzeby własne przedsiębiorstw, lub na sprzedaż do ZE. Innym aspektem są Świadectwa Pochodzenia Energii (ŚPE), które można uzyskać produkując energię z OZE. Dokument ten można uzyskać składając odpowiedni wniosek do Urzędu Regulacji Energetyki (URE) - www.ure.gov.pl. Aby uzyskać świadectwo należy posiadać koncesję na wytwarzanie energii (wydawaną przez URE) oraz złożyć inne stosowne dokumenty w URE. ŚPE są przedmiotem oddzielnego obrotu i mogą być źródłem niezależnych zysków MEW. Certyfikatami obraca się na Towarowej Giełdzie Energii.

Turbiny

Najważniejszą częścią całej elektrowni jest zawsze turbina czyli serce. Obecnie stosowane w MEW są turbiny:

• Peltona

• Francisa

• Banki-Mitchella

• Kaplana

• klasyczne koło młyńskie

Peltona - Liderzy światowi zajmujący się produkcją turbin Peltona zmierzają do miniaturyzacji. Do połowy lat 80-tych turbiny te były produkowane dla spadów powyżej 80 m. Obecnie produkowane jedne z mniejszych turbin Peltona pracują na spadach od 10 m. i 0,008 m3/s przy mocy mechanicznej ok. 0,5 kW. Sprawność turbin w dużym stopniu zależy od ilości zespołów natryskujących, co w szczególności ujawnia się poniżej 80% mocy mechanicznej. Przy stałej wysokości spadu zespół z czterema zespołami natryskowymi pracuje z efektywnością własną równą 0,7 już przy 6% mocy mechanicznej. Dla zespołów z dwoma natryskami możliwa praca jest przy 9%, a przy jednym aparacie natryskowym konieczna jest 18%. Tak dobre wyniki tych zespołów powodują że je można zastosować do projektu MEW woj. podkarpackiego ze względu na duże możliwości wygospodarowania "skupionego" spadu o wysokości od ok. 10 m.

Rys. Ogólny widok turbin Peltona.

Obecne województwo to teren wyżynny z dużą ilością uskoków powyżej 5%. Ukształtowanie terenu pozwala na wykonanie rurociągu doprowadzającego na niewielkim odcinku. Problemem przy tego typu turbinach jest jedynie czystość wody dlatego zaleca się stosowanie zespołów renomowanych wytwórców.

Głowice igłowe muszą być wymienne ze względu na ich szybkie zużycie z powodu kawitacji na powierzchni. Nóż spełnia rolę bezpiecznika zdolnego natychmiast odchylić strumień wody.

Turbina Francisa - Turbiny te należą do szeroko rozpowszechnionych w małej energetyce z racji swoich dobrych parametrów. Istnieją dwa rodzaje tych turbin: z wirnikiem ułożonym pionowo oraz poziomo. Cechą charakterystyczną tych turbin jest spiralny kierunek kanału turbiny oraz zespół kierownic łopatkowych.

Turbiny w zależności od spadku i prędkości obrotowej pracy różnią się znacznie budową. Odpowiednio dla dużych spadów rzędu 100-600 m. stosunek szerokości części wlotowej do wylotowej jest równy 1,1-2, przy czym należy zauważyć, że są to turbiny wolnoobrotowe do ok., 50 obr/min w których początkowy kąt natarcia łopat w stosunku do płaszczyzny stycznej z wirnikiem jest niewielki rzędu 5-30.

Drugą grupę tego typu turbin stanowią zespoły o tym stosunku 0,65-1,0 o prędkościach obrotowych ok. 45-80 obr/min i spadzie w granicach 40-90m. Trzecią grupę turbin stanowią te o stosunku części wlotowej do wylotowej 0,4-0,7 o prędkościach obrotowych do 120 obr/min i spadach w granicach 5-30m. Należy zaznaczyć że wszystkie te granice są płynne i nie mają ścisłych ram, mogą być jedynie orientacyjną sugestią co do konfiguracji turbiny.

Najmniejsza moc turbin produkowanych seryjnie to ok. 0,5 kW. Produkcja tych turbin nie nastręcza większych trudności technologicznych. Wykonywane są w sposób klasyczny ze stali nierdzewnych niekiedy powlekanych ceramicznie po stronie podciśnieniowej. Tak wykonywane są turbiny w całym przedziale mocowym. Turbiny dla mniejszych mocy produkowane są także ze stopów lekkich, co wymaga zaawansowanych technologii frezowania z odlewu lub spawania lekkich stopów. Ten rodzaj turbiny jest bardzo efektywny w przypadku, gdy pracuje ona na wydzieloną sieć. Podwyższenie efektywności wynika ze zmniejszenia stałych mechanicznych całego zespołu o 20-35%. Niestety turbiny te mają ograniczone pole mocy ze względu na małą wytrzymałość materiału na wibracje hydromechaniczne. Produkcją tych turbin zajmuje się tylko kilka firm w Europie, tylko jako uzupełnienie oferty. Wykonanie turbiny Francisa z lekkich stopów jest znacznie trudniejsze, wymusza to znacznie wyższą cenę zespołu. Produkowane są także polimerowe zespoły o mocy od 0,3 kW. Turbina taka jest dobrym rozwiązaniem ze wzglę du na niską cenę i wysoką niezawodność a specyficny kszałt zapewnia brak sił osiowych.

Ze względu na bardzo małą masę wirnika (tylko wał jest stalowy) efektywność turbiny jest wysoka przy stosunkowo niskiej cenie. Pod względem przydatności do zagospodarowania MEW ta grupa turbozespołów będzie brana pod uwagę, toteż mówiąc o turbinach Francisa będę miał na myśli zespoły z przedziału mocy 0,3-100 kW i spadzie 1-10m. Często stosuje się w MEW-ach układy dwu turbin dla optymalnego wykorzystania piętrzenia. Typowe wymiary średnicy kanałów dolotowych proponowanych przez krajowych producentów są 320, 400, 500, 630mm, większe wymagają już znacznych przepływów. Inną odmianą tej turbiny dla MEW nisko spadowych jest turbina Reiffestein, produkowana również w Polsce o średnicy kanału dolotowego 560mm. Turbina ta odznacza się wyjątkowo prostą budową układu kierowniczego, który ma postać ślimakowego kanału bez kierownic, zwężającego się równomiernie do zera. Taka budowa powoduje, że ta turbina jest produktem relatywnie tanim. Turbiny Reiffestein można spotkać już o mocach od 120W i kanale dolotowym o średnicy 11 cm.

Turbina Banki-Mitchella - Turbiny te stanowią kombinację dwóch rodzajów turbin, akcyjnej i reakcyjnej. Woda w tym rodzaju turbin przepływa dwa razy przez aktywną część turbiny,(stąd często spotykana nazwa Crossflow) najpierw do wnętrza jak w turbinach Francisa a potem na zewnątrz tak w turbinach Peltona. Przepływem kieruje w tej turbinie tylko jedna łopatka, co znacznie wpływa na niezawodność całego układu. Charakteryzuje się ona prostą budową i dobrymi parametrami dla małej energetyki.

Ten typ turbiny można regulować jeszcze w inny sposób, wykorzystując jedynie część "szerokości" turbiny co podnosi sprawność przy zmniejszonym przepływie. Istnieją dwa zasadnicze typy Banki: z kanałem dolotowym poziomym i pionowym. Niezależnie od typu kanału dolotowego turbiny produkowane seryjnie dostępne są już dla spadu 1,0m. i prędkości obrotowej 60-2000rpm oraz przepływu 0,02m3/s, natomiast najmniejsza moc zespołów jest równa 1kW. Takie parametry wyjściowe klasyfikują ten typ turbin jako wysoce przydatny do zabudowy MEW. Proponowane przez producentów krajowych średnice kanałów to 150mm, 300mm, 450mm i większe.

Turbina Kaplana - Turbina Kaplana jest obecnie najbardziej rozpowszechnionym typem turbiny stosowanym do zabudowy piętrzeń małych rzek. Wysoki stopień przydatności tego typu turbin wynika z największej ilości odmian. Poszczególne rodzaje różnią się od siebie: kątem nachylenia osi wirnika do powierzchni wody (0-90), rodzajem kształtu kanału dolotowego, usytuowaniem generatora względem osi turbiny, ilością łopat i ich kształtem na wirniku. Dla różnych modeli turbiny tego typu w głowicy stanowiącej jej zawieszenie może znajdować się przekładnia pasowa lub kątowa albo cały generator. Głowica może stanowić także zawieszenie długiego wału, który przez uszczelniacz wychodzi w strefę suchą.

Turbina, schematy rozwiązań konstrukcyjnych i montażowych turbin Kaplana.

Produkcja seryjna obejmuje turbiny o przepływie od 0,5m3/s, i wysokości spadu od 1 m. Turbiny typu poziomego Kaplana są: gruszkowe (bulb), studniowe, z generatorem zewnętrznym (S-turbines), lewarowe rurowe, (np. TSP) i tzw. Straflo. W układzie pionowym to kielichowe, śmigłowe klasyczne, śmigłowe z kierownicą Finka. Istnieją także hybrydowe rozwiązania, które wydają się być najskuteczniejsze i najwydajniejsze, a są to Pit-kaplan, T-kaplan, PB-kaplan do kolejnej grupy turbozespołów należą turbiny zatapialne z komorą lewarową. Wszystkie te rozwiązania proponowane są przez potężne korporacje jak ITT Flygt, Sulzer czy Siemens. Tak duża rozpiętość tego typu turbin czyni je niemal idealnymi dla zabudowy MEW.

Oferta wszystkich producentów obejmuje praktycznie wszystkie etapy zagospodarowania koryta rzeki. Proponowane typowe rozwiązania posiadają przełyki o średnicy już od 300 mm. Szczególnie ciekawym rozwiązaniem jest projekt proponowany przez jednego z polskich producentów hydrozespołów, który proponuje zestawy turbin śmigłowych na spad ok. 1.5 m.

Najistotniejszą częścią projektu jest to, że hydrozespoły montuje się bezpośrednio na jaz, co w praktyce zmniejsza koszt budowli hydrotechnicznej. Rozwiązanie takie dodatkowo spełnia dotychczasowe zadania jazu

Ilość aplikacji i sposobów wykorzystania turbin Kaplana jest nieograniczona. Ograniczeniem jest jedynie stosunek przyrostu zysków do przyrostu kosztów wyprodukowania turbiny.

Klasyczne koło młyńskie - Koło wodne nie należy do turbin w klasycznym znaczeniu. Wynalazek ten w środkowej Europie wykorzystywany był do celów napędowych, już od IX wieku. Rozróżniamy trzy podstawowe rodzaje kół:

• Z dopływem dolnym wody (podsiębierne)

• Z dopływem środkowym (śródbierne)

• Z dopływem górnym (nasiębierne)

Od XIX wieku ten sposób pozyskiwania energii mechanicznej został zepchnięty przez inne sposoby. Od kilkunastu lat wdrażane jest "odrodzone" koło młyńskie. Łopatki wykonano z wysokiej jakości stali nierdzewnej, a elementy łączące z wałem wykonano z drewna dębowego nasączanego uszlachetnionymi żywicami naturalnymi. Wykonywane są również z innych materiałów zgodnie z życzeniem klienta.

Prezentowane na zdjęciu to koło nadsiębierne. Turbina taka jest najwyższym stadium ekologicznej przemiany, ponieważ wykorzystuje czysto energię potęcjalną zgromadzoną w wodzie bez zmiany parametrów takich jak np ciśnienie. Ten typ maszyny posiada wysoką sprawność w klasycznym rozumieniu tego pojęcia, maszyna doskonale pracuje już przy przepływie rzędu 20%. Stosując do tego projektu tą maszynę możemy być pewni, że otrzymamy akceptację ochrony środowiska. Rozwiązanie to podczas pracy jest praktycznie bezgłośne co wynika z wolnobieżności zespołu. Prędkość obrotowa jest zmienna w zależności od chwilowego przepływu wody dlatego, dla pracy "na sieć" zalecane jest niewielkie piętrzenie stabilizujące.

Moce generatorów zaczynają się od 0,2 kW. Różne modele tych turbin obsługują spady od 2 m do 6,5 m i przepływie od 50 litrów. Innym aspektem użycia tego typu "turbiny" jest brak efektu "mielenia" wody z zachowaniem wysokich parametrów napowietrzania.

Dobór

Wybór zespołu musi być decyzją w pełni uzasadnioną ze względu na koszt, który stanowi ok. 60% całej inwestycji. Moc i prędkość obrotowa musi wynikać z wielu aspektów działalności takich jak możliwość wykonania spiętrzenia i wielkość realnego przepływu. Wynikają one z rozpoznania hydrologicznego, również natężenia hałasu, które nie może wynikać wyłącznie z normy, ale także z odległości od siedzib ludzkich i stosunku ich mieszkańców jak również musi być uwzględniony aspekt działalności ubocznej, którą przewidzieliśmy w początkowym planie. Innym uwarunkowaniem jest brak konieczności obsługi całego obiektu hydroenergetycznego, co w dużym stopniu zależy od zaangażowania w budowę, użytkowanie, jak też wykształcenia inwestującej osoby w kierunku hydrotechnicznym.

Dobór rodzaju i wielkości turbiny dla MEW powinien być warunkowany względami technicznymi i analizą ekonomiczną, uwzględniającą stosunek przyrostu efektów energetycznych uzyskiwanych przez turbinę do zmienności kosztów zależnych od turbiny.

Kolejnym istotnym aspektem doboru turbiny jest jej tolerancja, elastyczność na zmiany spadu i przepływu. Parametry te wynikają z charakteru rzeki.

Źródło: www.pae.org.pl