Niskospadowe turbiny wodne – czy energetyka wodna będzie mieć swoich prosumentów?

Zastosowanie niskospadowych turbin wodnych

Niskospadowe turbiny wodne wykorzystywane są w sektorze energetycznym, ponieważ mogą być stosowane w elektrowniach wodnych jako stabilne źródło energii odnawialnej. W przeciwieństwie do energii wiatrowej czy słonecznej zapewniają one ciągłą produkcję energii elektrycznej – oczywiście pod warunkiem stałego strumienia wody. Niska popularność występowania niskospadowych turbin wodnych jako źródła energii w porównanie do innych źródeł odnawialnych wynika z przeważnie z ograniczeń prawnych oraz dostępności odpowiednich przepływów przy wymaganym spadzie. Kolejną kwestią hamującą rozwój tego sektora są zdecydowanie koszty.

Czym charakteryzuje się turbina wodna niskospadowa?

Turbiny wodne działające na niskim spadzie wody w porównaniu do innych turbin, pracujących na średnich i dużych wysokościach, wyróżniają się możliwością pracy przy dużych przepływach, w zakresie różnicy wysokości zwierciadeł wody na poziomie do 20 metrów. Z powodu ich prostej i solidnej budowy cechują się wysoką trwałością i niskimi kosztami eksploatacji. Dla tej kategorii można wyróżnić trzy główne rodzaje turbin: Archimedesa, Kaplana i Francisa. Wszystkie pracują w zakresie niskich wysokości, a Kaplana i Francisa także znajdują swoje zastosowanie na średnich wysokościach. Różnią się one budową oraz wymiarami, co następnie wpływa na odmienne sposoby zabudowy i miejsce wykorzystania, ale tym, co najbardziej je odróżnia to rozbieżność w sprawności na odmiennych wysokościach zwierciadeł wody.

Jak można zauważyć, turbiny niskospadowe osiągają największą sprawność przy największych przepływach.

Ogólne wprowadzenie do energetyki wodnej w Polsce

Energetyka wodna nie odgrywa znaczącej roli w pozyskiwaniu energii ze źródeł energii odnawialnych. Wytworzona energia na rok 2024 wyniosła 2124 GWh, co stanowiło bardzo mały udział w produkcji energii w całym sektorze energetycznym. Tak mały udział wynika z ograniczonego potencjału hydrologicznego Polski w porównaniu do innych krajów europejskich takich jak Norwegia czy Szwajcaria, które posiadają górskie rzeki o wysokich spadkach. Większość polskich rzek cechuje się niskimi spadkami, które nadają się przeważnie tylko do budowy elektrowni niskospadowych. Z powodu mniejszej mocy jednostkowej turbin niskospadowych w porównaniu do innych wydają się one mało opłacalne do budowy przez spółki państwowe. Na szczęście inwestorzy oraz konsumenci coraz częściej doszukują się ciekawych form inwestowania, w których występuje bezemisyjna, stała produkcja energii. Zwrot inwestycyjny budowy małej elektrowni wodnych oscyluje w zakresie 7-12 lat. Dodatkowo na przestrzeni lat były oferowane dofinansowania na budowy oraz udoskonalanie istniejących już elektrowni wodnych.

Porównanie produkcji energii do kosztów turbin wodnych a innych odnawialnych źródeł energii

Bazując na turbinie Kaplana, która osiąga duże sprawności nawet przy niskich wydajnościach względem prędkości maksymalnej oraz prędkościach rzek w zakresach 3-7 m/s (średnie prędkości rzek w stanie spokojnym oraz podczas deszczy), można założyć generację energii od 0 do 45 MW.

W pierwszym porównaniu rozważymy lokalnego konsumenta. Dla domu jednorodzinnego, który rocznie zużywa około 2500 kWh energii, odpowiednia byłaby turbina o mocy 1 kW, dostępna już w cenie 3500 zł. Odpowiednikiem tego w stosunku do czystej generacji mocy mogłyby być 3 panele fotowoltaiczne o generacji mocy 333 W. Różnica polega na tym, że turbina wodna przy stałym przepływie wody pracuje nieustannie, kiedy panel fotowoltaiczny pracuje tylko w dzień, a jego moc spada przy zachmurzeniu. Biorąc pod uwagę długości dnia w roku, które oscylują w zakresie 7.5-16.5 godziny, stosunek ceny generacji paneli fotowoltaicznych o wartości zbliżonej do 1 kW, a turbiny o takiej samej mocy może być bardzo zbliżony. W tym wypadku różnicą będzie to, kiedy ta energia będzie generowana. Kiedy turbina generuje energię nieprzerwanie w podobnych zakresach wartości, panel fotowoltaiczny skupia swoją generację w dzień w porach ciepłych oraz bezchmurnych. Zależnie od potrzeb konsumenta jego zapotrzebowanie na energię może się różnić, ale turbina Kaplana wydaje się lepszym rozwiązaniem od paneli fotowoltaicznych.

W przypadku drugiego porównania należałoby się skupić na transformacji energetycznej, która wymaga rozłożenia generacji energii ze źródeł odnawialnych. Energia produkowana z fotowoltaiki w Polsce jest niemal 5 razy większa niż energia ze źródeł wodnych. W tym przypadku w miarę możliwości wypadałoby się skupić na tworzeniu nowych elektrowni wodnych w miarę możliwości hydrologicznych Polski. Warunkiem, aby taki rodzaj energetyki był możliwy, konieczne byłoby wprowadzenie regulacji ułatwiających proces inwestycyjny, a także... dostęp do rzeki. Takich miejsc jest jednak sporo, a wśród przykładów są chociażby oczyszczalnie ścieków. Niekoniecznie osoby fizyczne.

Wnioski

Budowa mini-elektrowni czy elektrowni wodnych niskospadowych w Polsce wydaje się opłacalną inwestycją, o ile znajdzie się na to miejsce. Ulokowanie może sprawiać wiele problemów, wynika to z niskich prędkości przepływów wód w Polsce oraz małej ilości miejsc na takie elektrownie w porównaniu do innych krajów. W zależności od wysokości spadku można skorzystać z różnych turbin wodnych, ale dla niskich spadów do 20 metrów wyróżniają się następujące: Kaplana i Francisa, które na spadach o podanych wcześniej wysokościach sprawdzają się wyśmienicie.

Źródła: mdpi.com, instytut.ioze.pl, gov.pl, stat.gov.pl
- Walkowska Katarzyna, Berent-Kowalska Grażyna, Jurgaś Aureliusz, Kacprowska Joanna, Szymańska Maria, Moskal Iwona, Niwińska Danuta, Bińkowska Anna, & Luty Paweł. (2021). Analizy statystyczne Statistical analyses Energy from renewable sources in 2020. 

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Jakub Ekes