Energetyka wodna jest najbardziej rozwiniętą częścią odnawialnych technologii energetycznych. Zyskała szczególne znaczenie na całym świecie w latach 2000-2021 – moc zainstalowana w hydroelektrowniach wzrosła bowiem o 75% i wyniosła 1230 GW. Kto jednak jest największym producentem? Jaka przyszłość czeka energetykę wodną?

Największym na świecie producentem energii elektrycznej z hydroelektrowni są Chiny z wynikiem 1,3 PWh/rok! Przypomnijmy, że 1 PWh to 1 mln GWh. Dalej Brazylia (0,4 PWh/rok), Kanada z takim samym wynikiem oraz Stany Zjednoczone (0,3 PWh/rok). W Polsce ponad 81% potencjału technicznego jest niewykorzystane. Generacja energii elektrycznej z hydroelektrowni w 2022 roku stanowiła jedynie 6% całkowitej produkcji energii z OZE.

Wyzwania hydroelektrowni

Hydroenergetyka jest niskoemisyjnym sposobem produkcji energii elektrycznej. Z tego względu jest ona niezwykle istotna w kontekście dekarbonizacji i łagodzenia zmian klimatycznych. A co wyróżnia energetykę wodną na tle innych źródeł energii odnawialnej? 

Jest to przede wszystkim dość wysoki współczynnik wydajności. Oprócz tego może stanowić również ochronę przeciwpowodziową, lub też system nawadniający, czy dystrybucji wody. Jak przedstawia Nature Energy szacowany potencjał energetyki wodnej wynosi globalnie nawet do 50 PWh/rok! Największy leży po stronie regionów, w których oczekiwany jest rozwój gospodarczy i ekonomiczny tj. Azji, Ameryki Południowej i Afryki. Mimo tego, że energetyka wodna ma ogromny potencjał, to mierzy się z wieloma wyzwaniami. Zmienny przepływ wody, zmiany klimatyczne, wpływ środowiska, przestarzała infrastruktura, zmiany w wymogach systemu energetycznego – to tylko niektóre z przeciwności, którym musi sprostać. 

Przestarzała infrastruktura

Konwencjonalne hydroelektrownie mogą pracować w zależności od ich rodzaju od 10 do nawet 100 lat. Elektrownie wodne dostarczają nam energię elektryczną już od ponad wieku, a wyniki analiz pokazują, że średni wiek infrastruktury elektrowni wciąż pracujących zbliżony jest do 40 lat. Elektrownie o łącznej mocy zainstalowanej 620 GW (co stanowi ponad 50% na świecie) pracują już ponad 30 lat, natomiast te o mocy zainstalowanej równej około 275 GW (co stanowi 15% na świecie) ponad 50 lat!

Zmiany w systemie energetycznym

W ostatnich dekadach udział odnawialnych źródeł energii w miksie energetycznych znacznie wzrósł. Z uwagi na to, że odnawialne źródła energii takie jak fotowoltaika i energia wiatru są trudno sterowalne, nie zawsze ich szczyt wydajności pokrywa się z porą maksymalnego zapotrzebowania na energię elektryczną. Taka tendencja wymaga zwiększenia elastycznych źródeł energii, które zapewnią stabilność systemu energetycznego. Z tego względu operatorzy polegają na elektrowniach szczytowo-pompowych (PSH), które pozwalają na kontrolę w zakresie magazynowania energii i zapotrzebowania na energię w zależności od pory dnia. 

Koszty inwestycyjne

Aby sprostać wszystkim wymaganiom i celom klimatycznym podstawowe koszty inwestycyjne w hydroelektrownie konwencjonalne i PSH mogą wynieść nawet do 85 bilionów dolarów rocznie. Jest to aż trzykrotnie większa suma niż w 2017 roku i około pięć razy większa niż w 2018 roku. Osiągnięcie odpowiedniego poziomu kosztów w przypadku energetyki wodnej jest znacznie trudniejsze, niż w przypadku innych źródeł OZE z uwagi na kwestie techniczne, społeczne i rynkowe.

• Zobacz również: Energia fal morskich – historia i przyszłość

Możliwości energetyki wodnej

Digitalizacja 

Umożliwia zwiększenie wydajności pracy elektrowni i zwiększenie jej żywotności. Dzięki kontroli elektrowni możemy zgromadzić więcej parametrów opisujących jej pracę i zrozumieć pracę konkretnych komponentów przy danych warunkach, a to znowu pozwoli na podejmowanie lepszych decyzji.

Elastyczność elektrowni wodnych

Jak było wspomniane wyżej – duża część elektrowni wodnych powstała lata temu, przez co cała infrastruktura i mechanizm jest przestarzały. Aby elektrownia lepiej dopasowywała się do warunków systemowych w danym momencie należy wprowadzić większą ilość cykli start-stop oraz zmian obciążenia. Można to osiągnąć poprzez zainstalowanie nowego sprzętu: pomp odwracalnych, turbin czy baterii. Ulepszenie dotychczasowej infrastruktury będzie miało swoje korzyści w zwiększeniu mocy zainstalowanej, a także wydajności. Z pomocą przychodzą również rozwiązania technologiczne, takie jak nowoczesne oprogramowanie, które pozwoli na lepszą kontrolę i gromadzenie potrzebnych danych.

Elektrownie hybrydowe

Kolejnym rozwiązaniem technologicznym jest sparowanie elektrowni wodnej z fotowoltaiką, czy generacją energii z wiatru. Dzięki zastosowaniu paneli fotowoltaicznych można polepszyć pracę systemu operacyjnego w różnych porach dnia lub wykorzystać generowaną energię do napędu pomp w elektrowniach szczytowo-pompowych (PSH).

PSH – pumped storage hydropower

Elektrownie szczytowo-pompowe będą w przyszłości odgrywać kluczową rolę w zapewnieniu elastyczności systemu energetycznego. Mimo, że istnieje już wiele elektrowni tego typu, wciąż możemy liczyć na technologię zapewniającą lepszą pracę takich jednostek. Większość elektrowni szczytowo-pompowych ma możliwość regulacji jedynie mocy wyjściowej i pracę pompy na wysokich obrotach. Zastosowane napędu o zmiennej prędkości pozwoli również na regulację mocy pompy i pracę z częściową wydajnością.

Co czeka energetykę wodną?

Mimo, że wszędzie mówi się o fotowoltaice i energii z wiatru, energetyka wodna na dziś dzień jest najintensywniej wykorzystywanym źródłem energii odnawialnej i stanowi około 20% światowej produkcji energii elektrycznej. A jakie są prognozy na przyszłe lata? Jest to bardziej stabilne źródło niż w/w fotowoltaika czy energia wiatru, bo nie zależy od zewnętrznych warunków pogodowych. Energetyka wodna bez żadnych wątpliwości będzie się prężnie rozwijać i stanowić podstawę odnawialnych źródeł energii. Mimo tego, że mierzy się z wieloma wyzwaniami na swojej drodze zapewnienia zrównoważonego rozwoju, sterowalność i możliwości związane ze zwiększeniem elastyczności pracy dają duże perspektywy na przyszłość.

Opracowane na podstawie The changing role of hydropower - IRENA, nature.com, enerad.pl

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Oliwia Jarzęcka