Jak pracuje hydroelektrownia? www.biomasa.org/edukacja Jak pracuje hydroelektrownia? prezentacja dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych Prezentacja przygotowana w ramach projektu Fundacji Partnerstwo dla Środowiska współfinansowanego przez NFOŚiGW.

Na zajęciach przyjrzymy się bliżej pracy hydroelektrowni. Energia wody Woda od zawsze towarzyszyła człowiekowi. W dawnych czasach jej energia napędzała koła młyńskie, urządzenia w tartakach czy kuźniach i piły używane do wyrębu lasów. Później, gdy w początkach XIX wieku wynaleziono turbinę wodną, energia wody zaczęła służyć do produkcji prądu. Na zajęciach przyjrzymy się bliżej pracy hydroelektrowni. © Marek Cios Obecnie hydroenergetyka dostarcza światu około 20% energii elektrycznej. www.biomasa.org/edukacja

Odnawialne źródła energii - w skrócie OZE, to takie źródła energii, których zasoby uzupełniają się w naturalnych procesach. Do odnawialnych źródeł energii zaliczamy: energię Słońca energię wiatru energię wody energię geotermalną biomasę Courtesy of DOE/NREL Courtesy of DOE/NREL Zapamiętaj! Rezerwy paliw konwencjonalnych prędzej czy później zostaną wyczerpane. Zasoby odnawialnych źródeł energii są niewyczerpalne. www.biomasa.org/edukacja

Rodzaje wykorzystywanej energii wody Do produkcji energii elektrycznej może służyć zarówno energia wód śródlądowych, czyli energia kinetyczna płynących wód rzecznych, jak i rzadziej wykorzystywana energia wód morskich, występująca w postaci: energii pływów morskich, energii fal morskich i energii różnic temperatur między powierzchniowymi a głębinowymi warstwami oceanu. Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Energia wód śródlądowych jest najczęściej wykorzystywanym rodzajem energii wody jej wykorzystaniu najbardziej sprzyjają rzeki o dużym natężeniu przepływu i o dużym spadzie - np. rzeki górskie, większość elektrowni wykorzystujących tę formę energii wody powstaje jednak na terenach równinnych i w związku z tym wymaga budowy zapory wodnej Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Energia pływów morskich To energia przypływów i odpływów morza bądź oceanu, spowodowanych przyciąganiem grawitacyjnym Księżyca i – w mniejszym stopniu – Słońca oraz ruchem obrotowym Ziemi. energię pływów można wykorzystywać tylko w około 20 rejonach świata, m. in. na angielskim, francuskim i hiszpańskim wybrzeżu Atlantyku, gdzie jej wykorzystanie znane było już w XI wieku, elektrownie pływowe pracują we Francji, w Wielkiej Brytanii, w Kanadzie, w Chinach i w Rosji, w Polsce wykorzystanie energii pływów nie jest możliwe, nie występuje bowiem odpowiednio duża – przekraczająca 5 m. - amplituda pływów morskich www.biomasa.org/edukacja

Energia fal morskich zasoby energii fal są wiele tysięcy razy większe od potencjału energetycznego pływów morskich, trudno je jednak wykorzystać ze względu na duże rozproszenie i uzależnienie od pogody, energia fal morskich jest wykorzystywana we Francji, w Wielkiej Brytanii i w Norwegii, a także w Rosji nad Morzem Białym i w Stanach Zjednoczonych na Alasce Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Energia różnic temperatur w strefie równikowej występuje mniej więcej stała, niezależna od pory dnia i roku różnica temperatur między warstwami morza: warstwy powierzchniowe są ciepłe, a warstwy głębinowe zimne, różnicę tę można wykorzystać do wytwarzania energii energia różnic temperatur jest wykorzystywana na Hawajach (40 MW), w Japonii (10 MW), na Bali i Tahiti (po 5 MW). Potencjał tego rodzaju energii jest w niektórych rejonach świata spory: w Indiach mogłyby powstać instalacje o mocy 10 tys. MW. www.biomasa.org/edukacja

Małe i duże elektrownie wodne Elektrownie wodne dzieli się na: małe (w skrócie MEW) i duże – o mocy powyżej 5 MW. Jest to podział umowny: - w Stanach Zjednoczonych za małe uznaje się elektrownie o mocy poniżej 15 MW, - zaś w Szwajcarii i w Skandynawii już elektrownie o mocy ponad 2 MW uchodzą za duże. Małe elektrownie wodne są uważane za bardziej ekologiczne od dużych, które znacznie ingerują w środowisko naturalne. www.biomasa.org/edukacja

Rodzaje elektrowni wodnych Poza podziałem elektrowni wodnych ze względu na wielkość istnieje jeszcze podział, którego kryterium jest sposób budowy elektrowni wodnej, a dokładniej – sposób doprowadzenia wody do turbiny. Wyróżnia się elektrownie: przepływowe, zbiornikowe, szczytowo-pompowe. www.biomasa.org/edukacja

Elektrownia przepływowa nie posiada zbiornika wodnego, jest zlokalizowana w korycie rzeki, w specjalnie skonstruowanym budynku będącym przedłużeniem jazu, wykorzystuje stosunkowo niewielkie spiętrzenie – rzędu kilkunastu metrów, może pracować prawie bez przerwy, ilość produkowanej przez nią energii jest uzależniona od ilości wody, przepływającej w danej chwili w rzece Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Elektrownie przepływowe w Polsce Elektrownia Moc zainstalowana w MW Włocławek 160 Solina 138 Dychów 80 Rożnów 50 W Polsce wśród elektrowni przepływowych największe znaczenie mają niskospadowe elektrownie z zaporami ziemnymi, wyposażone w turbiny Kaplana, turbiny rurowe, bądź też – w przypadku bardzo małych mocy – w turbiny rurowe z generatorem zewnętrznym lub turbiny Banki-Michella. www.biomasa.org/edukacja

Elektrownia zbiornikowa (regulacyjna) posiada zbiornik wodny, może magazynować wodę i regulować jej przepływ w okresie dobowym, tygodniowym, miesięcznym lub dłuższym, może produkować energię o większej mocy, niż moc odpowiadająca chwilowemu dopływowi, dostosowuje się do zmian w zapotrzebowaniu na energię i sezonowych wahań ilości przepływającej wody Ten typ hydroelektrowni jest najczęściej reprezentowany przez duże elektrownie wodne. www.biomasa.org/edukacja

Elektrownia szczytowo-pompowa posiada dwa zbiorniki wodne – dolny i górny, gromadzi potencjalną energię, wykonując pracę pompową (silnikową), polegającą na przepompowywaniu wody ze zbiornika dolnego do górnego, gdy zapotrzebowanie na energię wzrasta, podejmuje pracę turbinową (generatorową): woda z górnego zbiornika jest uwalniana i spływając napędza turbinę, która wytwarza prąd www.biomasa.org/edukacja

Znaczenie elektrowni szczytowo-pompowych uruchamiane 1-2 razy w ciągu doby w cyklu pracy pompowej i turbinowej wyrównują szczytowe, czyli maksymalne i minimalne obciążenie systemu energetycznego, są wielkimi magazynami energii, pełnią rolę interwencyjną w przypadkach awarii systemu elektroenergetycznego: w razie nagłego niedoboru mocy są uruchamiane do pracy turbinowej, zaś w razie nagłego nadmiaru mocy podejmują pracę pompową www.biomasa.org/edukacja

Wady elektrowni szczytowo-pompowych Elektrownie szczytowo-pompowe są kosztowne, trudno jednak znaleźć alternatywny sposób magazynowania tak dużych ilości energii. Dlatego by zmniejszyć nakłady inwestycyjne wyposaża się elektrownie w odpowiednio duże spady, co pozwala uniknąć budowy dużego zbiornika wodnego. Im wyższy bowiem spad, tym mniejsza może być pojemność zbiornika. Wysokość spadu w elektrowniach szczytowo-pompowych powinna przekraczać 100 m. www.biomasa.org/edukacja

Elektrownie szczytowo-pompowe w Polsce Elektrownia Moc zainstalowana w MW Żarnowiec 680 Porąbka-Żar 500 Żydowo 150 Spośród około 2100 MW mocy zainstalowanej elektrowni wodnych w Polsce najwięcej, bo około 1350 MW przypada na elektrownie szczytowo-pompowe. www.biomasa.org/edukacja

Elektrownia pływowa by wykorzystać energię pływów ujścia rzek przegradza się zaporami, wyposażonymi w turbiny, woda porusza turbiny wpływając do zbiornika wodnego w czasie przypływu i wypływając z niego w czasie odpływu, pierwsza i zarazem największa elektrownia pływowa na świecie została uruchomiona w 1966 roku we Francji, przy ujściu rzeki La Rance do kanału La Manche - zakład ten dysponuje mocą zainstalowaną 240 MW, drugą co do wielkości elektrownią pływową świata jest instalacja w Annapolis w Kanadzie, posiadająca 17 MW mocy zainstalowanej www.biomasa.org/edukacja

Elektrownia maremotoryczna (falowo-wodna) produkuje energię elektryczną z energii fal lub prądów morskich bądź oceanicznych Ze względu na lokalizację elektrownie maremotoryczne dzielą się na: nadbrzeżne, przybrzeżne – umiejscowione na dnie morza na głębokości 10-20 m. morskie – usytuowane na dnie morza na głębokości ponad 40 m. Pierwszą elektrownię maremotoryczną uruchomiono w drugiej połowie XX wieku w Bouchaux-Praceique we Francji. www.biomasa.org/edukacja

Budowa elektrowni maremotorycznej W elektrowniach maremotorycznych stosowane są turbiny dwóch rodzajów: turbiny wodne, napędzane przelewającą się przez upust zbiornika woda, która wcześniej wpływa do zbiornika zwężającą się sztolnią, a po przepłynięciu przez turbinę wraca do morza; turbiny powietrzne, wprawiane w ruch powietrzem, sprężonym w górnej części zbiornika przez zalewające dno zbiornika fale. Zbiornik taki zbudowany jest na platformie, zlokalizowanej na brzegu morza. Przykłady elektrowni obu typów znajdują się na norweskiej wyspie Toftestallen koło Bergen. www.biomasa.org/edukacja

Elektrownia maretermiczna elektrownie te wykorzystują energię różnicy temperatur między warstwami morza, jako czynnik roboczy wykorzystują amoniak, freon bądź propan, które parują w wynoszącej około 30 st. C temperaturze wody powierzchniowej i następnie są skraplane przy pomocy wody o temperaturze około 7 st. C, czerpanej z głębokości 300-500 m. Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Zapora Zapora to przegradzająca dolinę rzeki i spiętrzająca jej wody budowla, wyposażona w: regulujące przepływ wody przelewy, umożliwiające żeglugę śluzy, pozwalające przepływać tratwom przepusty i pozwalające wędrować w górę rzeki rybom przepławki. Courtesy of DOE/NREL Buduje się zapory ziemne, betonowe i – najrzadziej – kamienne. W Polsce najbardziej rozpowszechnione są zapory betonowe. www.biomasa.org/edukacja

Znaczenie zapory Zapora nie jest niezbędną częścią hydroelektrowni, większość elektrowni wodnych posiada jednak zapory. Wiele elektrowni wodnych zostało dobudowanych do już istniejących zapór, wzniesionych w takich celach, jak: utworzenie zbiornika rekreacyjnego, utworzenie stawu hodowlanego, utworzenie zbiornika przeciwpowodziowego, zapewnienie zaopatrzenia w wodę, nawadnianie upraw. Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Turbina wodna zwana także silnikiem wodnym rotodynamicznym bądź turbiną hydrauliczną to silnik, przetwarzający mechaniczną energię przepływającej przezeń wody na użyteczną prace mechaniczną. Podział turbin ze względu na kierunek przepływu wody : osiowe, diagonalne (skośne), promieniowe, styczne. www.biomasa.org/edukacja

Turbiny akcyjne i reakcyjne Ze względu na przetwarzanie energii turbiny wodne dzieli się na akcyjne, przetwarzające tylko energię kinetyczną wody i reakcyjne, które poza energią kinetyczną przetwarzają także energię ciśnienia. wybór odpowiedniej turbiny zależy od wysokości spadu i od ilości wody, którą dysponuje dana elektrownia, turbiny akcyjne są zazwyczaj stosowane w elektrowniach o wysokim spadzie, turbiny reakcyjne są odpowiedniejsze dla elektrowni o spadach niskich www.biomasa.org/edukacja

Spad elektrowni a rodzaj turbiny w rzadko występujących w Polsce elektrowniach wodnych o najwyższym spadzie wykorzystuje się zaliczane do turbin akcyjnych turbiny Peltona w hydroelektrowniach o średnim spadzie, liczącym kilkanaście-kilkaset metrów, używa się najpopularniejszych i najstarszych turbin Francisa, zaliczanych do turbin reakcyjnych, w elektrowniach o niskim spadzie, wynoszącym do kilkunastu metrów stosuje się skomplikowane, wyposażone w ruchome łopatki turbiny Kaplana, zaliczane do turbin reakcyjnych www.biomasa.org/edukacja

Praca generatora zwanego także prądnicą opiera się na prawie indukcji elektromagnetycznej, odkrytym w 1831 roku przez brytyjskiego uczonego Michaela Faradaya. Tak jest też w generatorze, w którego ruchomej części zwanej wirnikiem znajdują się przewody elektryczne, obracające się na wytwarzającej silne pole elektromagnetyczne żelaznej ramie. Według prawa indukcji elektromagnetycznej, gdy zmienia się pole magnetyczne, otaczające przewodnik, w przewodniku jest indukowana siła elektromotoryczna. www.biomasa.org/edukacja

Jak pracuje hydroelektrownia? spiętrzona woda, spływająca do zbiornika wodnego porusza turbinę wodną, która zamienia energię kinetyczną na energię mechaniczną, wyprodukowana przez turbinę energia mechaniczna wprawia w ruch wirnik generatora, który obracając się produkuje z energii mechanicznej energię elektryczną, energia elektryczna jest transmitowana na miejsce odbioru przez linie przesyłowe www.biomasa.org/edukacja

Budowa hydroelektrowni www.biomasa.org/edukacja