Elektrownie wodne w Polsce

W Polsce rośnie moc zainstalowanych OZE

Rozwój poszczególnych państw zależy przede wszystkim od dostępności energii elektrycznej i jej zużycia na jednego mieszkańca, które jest uważane obecnie za jeden ze wskaźników standardu życia danego społeczeństwa. Na świecie wciąż najwięcej energii produkuje się z konwencjonalnych, czyli nieodnawialnych źródeł energii. Również zapotrzebowanie energetyczne Polski pokrywane jest przede wszystkim przez węgiel kamienny i węgiel brunatny. Jednak zgodnie z „Polityką energetyczną Polski do 2040 r.” jednym z kluczowych założeń jest rozwój OZE. Jak wynika z uchwalonego dokumentu, do 2040 roku połowę mocy zainstalowanych instalacji mają stanowić właśnie źródła zeroemisyjne. Przy czym szczególnie dużą rolę w procesie transformacji energetycznej ma odegrać wdrożenie do polskiego systemu elektroenergetycznego morskiej energetyki wiatrowej i uruchomienie elektrowni jądrowej.

Na koniec 2020 roku, łączna moc zainstalowana wszystkich źródeł energii elektrycznej w Polsce wyniosła 51,86 GW, z czego ok. 12,5 GW stanowiły właśnie odnawialne źródła energii. Należy tu bowiem podkreślić, że od kilku lat w Polsce sukcesywnie rośnie moc zainstalowana OZE (tylko w porównaniu do grudnia 2019 roku nastąpił wzrost aż o 30,8%). Obecnie największym źródłem energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii jest wiatr, zaraz zanim słońce, a trzecie miejsce zajmują elektrownie wodne, których moc zainstalowana w 2020 roku wynosiła 974,1 MW (na podstawie danych Agencja Rynku Energii):

Co ważne, Unia Europejska stworzyła wiele mechanizmów i programów wsparcia dla produkcji energii z OZE, które mają pomóc w rozwoju tego sektora (szczególnie duży nacisk kładzie się na dofinansowanie do fotowoltaiki).

Energetyka wodna na świecie

Do energii wodnej zalicza się zarówno energię mórz, jak i energię wód śródlądowych, wykorzystując do tego ukształtowanie terenu (duże, naturalne spady wód). Elektrownie wodne, są obecnie najintensywniej wykorzystywanym źródłem wśród odnawialnych źródeł energii. Z powodzeniem działają w 150 krajach i tylko w 2017 roku dostarczyły łącznie 4.060 TWh energii elektrycznej, co stanowiło 16% całkowitej produkcji energii elektrycznej na świecie. Nadal jednak pomimo wielu zalet, do których należy przede wszystkim zmniejszenie zużycia surowców naturalnych (takich jak węgiel i ropa), czy zredukowanie emisji szkodliwych substancji do atmosfery, związane są z nimi pewne aspekty społeczne, środowiskowe i ekonomiczne, którymi zajmiemy się w dalszej części artykułu.

Największe zasoby energii wodnej posiadają takie kraje jak: Brazylia, Chiny, Kanada, Rosja, Kanada, Kongo, Indie, USA i Indonezja. Przy czym czym energetyka wodna silnie eksploatowana jest zwłaszcza w krajach najbardziej rozwiniętych. Największą popularnością cieszy się zwłaszcza w Norwegii i Paragwaju, gdzie rynek energii elektrycznej prawie w całości opiera się na elektrowniach wodnych. Natomiast ponad 50% energii elektrycznej z elektrowni wodnych uzyskuje się w takich krajach, jak Kanada, Brazylia, czy Wenezuela.

Energetyka wodna w Polsce

W Polsce w porównaniu z innymi krajami wykorzystanie potencjału energetycznego wody jest nieporównywalnie mniejsze, co w dużej mierze wynika zarówno z warunków klimatycznych, średnich opadów deszczu, jak i z ukształtowania terenu. Elektrownie wodne najlepiej jest bowiem budować w miejscach, gdzie występują duże naturalne spadki terenu lub woda została sztucznie spiętrzona. Ponadto elektrownie wodne wymagają wysokich kosztów inwestycyjnych (ze względu na koszty budowy, większość nowych systemów wdrożonych w XXI wieku, jest nadal spłacana). Szacuje się, że obecnie udział energetyki wodnej w pozyskiwaniu energii pierwotnej wynosi u nas ok.1,5%. Same zaś zasoby hydroenergetyczne Polski szacuje się na 13,7 TWh rocznie, z czego:

• 46% przypada na Wisłę;
• 44% przypada na dorzecza Wisły i Odry;
• 8,8% przypada na Odrę;
• 1,2% przypada na rzeki Pomorza.

Gdyby można było jednak wykorzystać całkowicie potencjał hydroenergetyczny Polski, to możliwe byłoby osiągnięcie nawet ok. 11 GW mocy w elektrowniach zawodowych, a w elektrowniach wodnych ok. 1,2 GW. Obecnie w kraju hydroelektrowni o mocy większej niż 5 MW jest zaledwie 18.

Czym jest elektrownia wodna?

Wiemy już jak na świecie i w Polsce przedstawia się energetyka wodna, która ma wysoki stopień sprawności i przekształca 90% energii wodnej w energię użytkową. Same elektrownie wodne (fachowo hydroelektrownie przepływowe) pozyskują energię elektryczną na skutek zamiany energii potencjalnej wody na energię mechaniczną w turbinie, a następnie poprzez generatory w energię elektryczną. Należy tu podkreślić, że energetyka wodna jest jednym z najstarszych sektorów OZE, bowiem już w czasach starożytnych używana była w młynach wodnych, które służyły do przemiału zboża lub oliwek. Później zaczęto je stosować także do napędzania maszyn rozdrabniających drewno w papierniach oraz do jego cięcia w tartakach.

Natomiast po zbudowaniu przez Michaela Faradaya generatora elektrycznego, w latach 30-stych XIX wieku możliwe stało się wykorzystanie jej do wytwarzania elektryczności. W porównaniu z protoplastami, elektrownia wodna jest urządzeniem bardzo wydajnym, a wytworzona przez nią energia może być magazynowana i przesłana na duże odległości. Pierwsze elektrownie wodne powstały w drugiej połowie XIX wieku. Przy czym, w samych tylko Stanach Zjednoczonych Ameryki do 1890 roku powstało ich ponad 200 (moc większości z nich wynosiła kilka kilowatów). Z biegiem lat, elektrownie te stawały się coraz większe, co pociągnęło za sobą konieczność wprowadzenia prawnych regulacji dotyczących ich wpływu na środowisko. Obecnie, w pierwszej trójce największych elektrowni na świecie znalazły się:

• Zapora Trzech Przełomów na rzece Jangcy o mocy 22.500 MW i rocznej produkcji 98,8 TWh (Chiny);
• Itaipu na rzece Parana o mocy 14.000 MW i rocznej produkcji 98,6 TWh (Brazylia/Paragwaj);
• Xiluodu na rzece Jangcy o mocy 13.860 MW i rocznej produkcji 55,2 TWh (Chiny).

Jak działa elektrownia wodna?

To w jaki sposób działa elektrownia wodna w dużej mierze uzależnione jest od jej rodzaju. Jednak, co do zasady, mechanizm działania elektrowni wodnej bazuje na wykorzystaniu energii kinetycznej przepływającej wody. Na początku zostaje ona spiętrzona na wysokim poziomie, za pomocą różnego rodzaju zapór, następnie znajduje ujście w postaci rur i z dużą prędkością trafia na łopaty turbiny, które zaczynają się obracać. W ten sposób energia kinetyczna zamieniana jest na energię mechaniczną. Ta z kolei trafia do generatora, który przetwarza ją na energię elektryczną.

Ostatnim zaś etapem jest przekazanie wygenerowanej z turbin energii elektrycznej do sieci elektroenergetycznej (elektrownie wodne zazwyczaj zawierają stacje transformatorowe). W zależności od potrzeb systemu energetycznego, energia może być również tymczasowo magazynowana na dużych zbiornikach. Należy tu dodać, że ważnym elementem każdej elektrowni jest tama, która służy do spiętrzania wody. Przy czym specjalnym rodzajem takiej budowli może być jaz, który jest konstrukcją piętrzącą wodę postawioną pomiędzy dwoma brzegami rzeki lub kanału. Zapory stawia się również w miejscach gdzie nie występują naturalne zbiorniki z dużym potencjałem energetycznym (poprzez sztuczne stworzenie np. zalewu, zasilanego przez wiele mniejszych cieków wodnych).

Rodzaje turbin w elektrowniach wodnych

Współcześnie turbiny osiągają moc do 700 MW (dla przykładu elektrownia podstawowa opalane węglem - 1.000 MW). Przy czym do najczęściej stosowanych obecnie typów turbin w elektrowniach wodnych należą:

• turbina Archimedesa zwana też turbiną ślimakową lub turbiną śrubową, która przypuszczalnie wynaleziona została przez Archimedesa z Syrakuzu (ok. 287-212 p.n.e.). Jest ona szczególnie stosowana w przypadku rzek o bardzo niskich przepływach oraz o szczególnie wysokich walorach przyrodniczych;
• turbina Peltona opracowana została w latach 80-tych XIX wieku i stosuje się w przypadku cieków o bardzo dużych (powyżej 20 m) spadach oraz jednocześnie stosunkowo niewielkich przepływach wody;
• turbina Francisa, która opracowana została w połowie XIX wieku i jest obecnie najczęściej stosowanym w hydroenergetyce typem turbiny, która wykorzystywana jest w lokalizacjach charakteryzujących się wartościami spadu od 25 do 500 m;
• turbina Kaplana opracowane w drugiej dekadzie XX wieku. Ten typ turbiny jest umieszczonym w rurze wirnikiem w kształcie śruby okrętowej i regulowanym kątem łopat. Może ona pracować w szerokim zakresie spadów (zwykle od 1,5 do 20 m) i przepływów (przy prędkościach przepływów wody od 3 do 30 m³/s).

Jakie są typy elektrowni wodnych?

Wyróżnia się kilka rodzajów elektrowni wodnych (hydroelektrowni). Przy czym podział ten związany jest zarówno ze stosowaną techniką pozyskiwania energii, jak i z jej źródłem (mogą to być fale morskie, sztuczna zapora, czy płynąca rzeka). Ze względu na sposób doprowadzania wody, elektrownie wodne dzieli się na:

• elektrownie przepływowe, które stosuje się na rzekach o małym spadku, gdzie nie ma możliwości gromadzenia wody. Produkcja energii w tym typie elektrowni wodnych zależy bezpośrednio od aktualnej prędkości przepływu wody w rzece;
• elektrownie szczytowo-pompowe - ich podstawową funkcją jest magazynowanie energii, a następnie oddawania jej do sieci. W porze niskiego zapotrzebowania na moc, jej nadmiar w systemie wykorzystany zostaje do pompowania wody do górnego zbiornika (jeziora naturalnego bądź sztucznego). Natomiast w strefie zwiększonego popytu, woda uwalniana jest z górnego do dolnego zbiornika i przepływając przez turbinę generuje prąd;
• elektrownie pływowe wykorzystują regularnie powtarzające się podnoszenie i opadanie poziomu wody w oceanie. Bazują one bowiem na energii prądów i pływów morskich, a także regularnych zmianach poziomu wody w morzach i oceanach. Z uwagi na wysokie koszty infrastruktury, to jak dotąd najrzadziej wykorzystywany sposób pozyskiwania energii elektrycznej;
• elektrownie zaporowe/regulacyjne zwane również elektrowniami zbiornikowymi są typem hydroelektrowni wyposażonej w zbiornik gromadzący spiętrzoną za pomocą zapory lub jazu wodę, co pozwala na zwiększenie ciśnienia i spad, zwiększając tym samym możliwą do wykorzystania energię wody. Zasada jej działania jest identyczna jak w elektrowniach szczytowo - pompowych. Najczęściej buduje się je w okolicach jezior lub sztucznych zbiorników wodnych, a dzięki piętrzącej się wodzie w zbiorniku elektrownia tego typu jest w znacznym stopniu niezależna od warunków klimatycznych przez co można regulować zakres przepływającej przez nią wody i pełni znaczącą funkcję przeciwpowodziową.

Małe i duże elektrownie wodne w Polsce

Na świecie, jak i w Polsce istnieją nie tylko duże, ale i mniejsze elektrownie wodne, które są źródłem taniej energii. Dlatego też następnym kryterium podziału elektrowni wodnych jest ich wielkość. Ze względu na nią można podzielić je na następujące typy:

• elektrownie wodne duże o mocy powyżej 10 MW;
• elektrownie wodne małe (MEW) o mocy w przedziale 1MW - 10 MW;
• minielektrownie wodne o mocy do 1 MW;
• mikroelektrownie wodne o mocy poniżej 200 kW.

Dodatkowo w przypadku dużych elektrowni wyróżnia się również podział biorący pod uwagę wysokość spadów wody (czyli różnice między górnym, a dolnym poziomem zbiornika wody). Przedstawia się on w następujący sposób:

• elektrownie wodne o niskim spadzie (do 15 metrów);
• elektrownie wodne o średnim spadzie (między 15 a 50 metrów);
• elektrownie wodne wysokim spadzie (powyżej 50 metrów).

Duże elektrownie wodne w Polsce

Duże elektrownie wodne są stosunkowo tanim źródłem energii i mogą szybko zmieniać generowaną moc w zależności od zapotrzebowania. Jednak ich największą wadą jest bardzo ograniczona liczba lokalizacji, w których można je budować. Jak już bowiem wiemy potencjał hydroenergetyczny zależy głównie od dwóch czynników:

• spadku koryta rzeki (im większe różnice w wysokościach terenu, tym większa moc produkowana);
• przepływów wody (na co wpływ ma charakter rzeki, wielkość opadów i przepuszczalność gruntów).

Dodatkowym atutem terenów górzystych jest również łatwość w budowie najpopularniejszych elektrowni zbiornikowych i szczytowo-pompowych. Niestety Polska jako kraj nizinny cechuje się małymi spadkami terenów, niezbyt obfitymi opadami oraz dużą przepuszczalnością gruntów, co oczywiście nie pozostaje obojętne na potencjał hydroenergetyczny. Do rozwoju hydroenergetyki najlepsze warunki mają w Polsce Sudety, Karpaty, Mazury i Pomorze (jak na razie nie ma jednak dużych przyrostów nowych instalacji).

Ponadto nakłady inwestycyjne i czas amortyzacji w przypadku dużych elektrowni są w Polsce znacznie większe niż w przypadku elektrowni cieplnych czy chociażby turbin wiatrowych. Wspomnieć należy również o niekorzystnym wpływie na środowisko tego rodzaju elektrowni. W związku z tym, atrakcyjność budowy wielkich systemów jest w naszym kraju niska. Przy czym najbardziej dynamiczny okres rozwoju hydroenergetyki zawodowej miał miejsce w latach 1968-1983, w tym czasie bowiem uruchomiono w Polsce aż pięć dużych elektrowni przepływowych, zbiornikowych i pompowych. Wśród dużych instalacji działających obecnie w Polsce wymienić można zaledwie kilka:

Małe elektrownie wodne w Polsce

Małe elektrownie wodne wykorzystują głównie potencjał małych zbiorników retencyjnych, niewielkich rzek oraz systemów nawadniających i wodociągów. Obecnie 91% istniejących i planowanych elektrowni w Europie to małe elektrownie wodne (MEW), które charakteryzują się mocą mniejszą niż 10 MW. O ile w innych krajach europejskich, poziom wykorzystania technicznych możliwości rzek przez małe elektrownie wodne wynosi ok. 50%, o tyle w Polsce jest to zaledwie 19% (pomimo znacznego potencjału rozwojowego). Od wielu lat zauważalne jest u nas również znaczne spowolnienie rozwoju małych elektrowni wodnych, w tym przydomowych elektrowni wodnych, których koszty eksploatacyjne są wielokrotnie niższe niż w przypadku elektrowni wykorzystujących źródła konwencjonalne. Inną ważną zaletą małych elektrowni wodnych jest możliwość wykorzystania do ich budowy, istniejących już powojennych konstrukcji hydrotechnicznych, czy też starych tartaków, kuźni, czy siłowni młynów.

Przy czym małe elektrownie wodne o mocy powyżej 1 MW, najczęściej są własnością firm energetycznych lub dużych zakładów przemysłowych, gdzie w większości przypadków są zautomatyzowane. Mniejsze obiekty natomiast są zazwyczaj w posiadaniu lokalnej społeczności lub prywatnych inwestorów (w przypadku przydomowych elektrowni wodnych). Należy tu jednak podkreślić, że w Polsce nadal nie ma oficjalnej definicji MEW. Zazwyczaj jednak do tej grupy zalicza się urządzenia o mocy do 5 MW, w przeciwieństwie do większości krajów Europy Zachodniej, gdzie jak już wiemy, za małe elektrownie uznaje się te do 10 MW (wyjątek stanowią tutaj jedynie Szwajcaria, Włochy i kraje skandynawskie, gdzie do kategorii tej zaliczane są urządzenia o mocy do 2 MW).

Przyczyną zaistniałej sytuacji jest destabilizacja zielonych certyfikatów, skutkująca obniżeniem cen otrzymywanych przez wytwórców energii z odnawialnych źródeł energii. Ponadto wprowadzony w 2015 roku system aukcyjny jest rozwiązaniem nie tylko skomplikowanym, ale i ryzykownym, zwłaszcza dla producentów MEW. Również funkcjonujące teraz systemy wsparcia dla MEW nie są wystarczające dla zredukowania kosztów ich budowy, zwłaszcza ich modernizacji w długim okresie funkcjonowania (mała elektrownia może służyć nawet 100 lat). Wszystko to prowadzi do ignorowania przez potencjalnych inwestorów potencjału hydrotechnicznego Polski. Dlatego też, od wielu lat postulaty poprawy sytuacji hydroenergetycznej polskich rzek zamieszczane są w dokumentach na szczeblu krajowym.

Zgodnie z informacjami udostępnionymi przez Urząd Regulacji Energetyki, w 2017 roku, na terenie Polski działało 766 elektrowni wodnych o łącznej mocy zainstalowanej prawie 988,38 MW. Z tego 756 z nich stanowiły obiekty o mocy nieprzekraczającej 10 MW, przy tym 680 z nich to instalacje poniżej 1 MW (produkujące łącznie ok. 0,2% energii). Natomiast jedynie ok. 10 elektrowni wodnych w Polsce to instalacje powyżej 10 MW, które produkują prawie 60% całej energii pochodzącej z wody. Warto tu jednak zaznaczyć, że jeszcze w latach 20-tych i 30-tych XX wieku funkcjonowało w naszym kraju ponad 8.000 obiektów wykorzystujących energię wody (takich jak elektrownie wodne, młyny, czy pompy wodne).

Koncentracja małych elektrowni wodnych w Polsce (źródło mew.pl)

Niestety po zakończeniu II wojny światowej ich liczba zmalała do 6.300. Natomiast w okresie PRL wiele z tych urządzeń zostało zdemontowanych i zniszczonych ze względów ideologicznych, tak, że w latach 80-tych XX wieku działało zaledwie 650 obiektów małej energetyki wodnej. Jak jednak wykazała przeprowadzona przez Krajowy Zarząd Gospodarki Wodnej inwentaryzacja obiektów piętrzących, w Polsce nadal istnieje ponad 14.000 budowli i urządzeń piętrzących, o wysokość minimum 0,7 m. Przy czym jedynie 4,5% z nich wykorzystywana jest w celu produkcji energii (potencjał wykorzystania małych elektrowni wodnych w oparciu o dawne lokalizację wskazano także we wnioskach europejskiego projektu RESTOR Hydro).

Największe elektrownie wodne w Polsce

Do największych elektrowni wodnych w Polsce należą :

• Elektrownia Wodna Żarnowiec - największa w Polsce elektrownia szczytowo-pompowa oddana do użytku 28.02.1983 roku (moc zainstalowana - 716 MW);
• Elektrownia Porąbka-Żar - jest drugą co do wielkości elektrownią szczytowo-pompową w Polsce i jedyną w kraju elektrownią podziemną, która do użytku oddana została 31.12.1979 roku (jej moc zainstalowana to 500 MW);
• Zespół Elektrowni Wodnych Solina-Myczkowce, w której skład wchodzi szczytowo-pompowa Elektrownia Wodna Solina i przepływowo-wyrównawcza Elektrownia Wodna Myczkowce. Do użytku została oddana w 1968 roku, jej moc zainstalowana to 200 MW);
• Elektrownia Żydowo jest elektrownią szczytowo-pompowa, której właścicielem jest spółka Energa Wytwarzanie SA należąca do grupy kapitałowej Energa. Do użytku oddana została w 1971 rok, a jej moc użytkowa wynosi 167 MW.
• Elektrownia wodna we Włocławku - największa elektrownia przepływowa w Polsce , która do użytku oddana została 17.10.1970 roku (moc zainstalowana - 160,2 MW).

Elektrownie wodne - zalety i wady

Zalety elektrowni wodnej:

jej wykorzystanie nie wiąże się z emisjami szkodliwych gazów (w tym CO2)
elektrownia wodna oznacza dostęp do źródła energii o stabilnej produkcji (w przeciwieństwie do np. energetyki słonecznej i wiatrowej produkcja energii elektrycznej jest niezależna od pogody i czasu)
łatwa i precyzyjna kontrola wytwarzanej energii (wartość produkcji energii z energetyki wodnej, w przeciwieństwie do pozostałych OZE, daje się wiarygodnie przewidzieć)
energetyka wodna jest odnawialnym źródłem energii o wysokiej efektywności energetycznej
korzyści finansowe dla gmin i powiatów
wsparcie dla gospodarki lokalnej (hydroelektrownie zapewniają miejsca pracy, co ma pozytywny wpływ na lokalną gospodarkę)
zdolność do pokrycia obciążenia podstawowego
poprawa bilansu hydrologicznego oraz lepsze warunki do żeglugi
o wiele niższe koszty eksploatacyjne niż w elektrowniach konwencjonalnych (ze względu na fakt, że elektrownia wodna do produkcji energii nie potrzebuje paliwa)
elektrownie wodne są zintegrowane z systemem ochrony przeciwpowodziowej
elektrownie szczytowo-pompowe są najpowszechniej używanymi magazynami energii
budowa elektrowni wodnych pomaga regulować rzeki i wyrównywać przepływy, dzięki czemu zmniejsza się ryzyko powodzi
wykorzystanie wody jak i pozostałych odnawialnych źródeł do produkcji energii elektrycznej przyczynia się do zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego kraju

Wady elektrowni wodnej:

budowa elektrowni wodnych stanowi poważną ingerencję w środowisko naturalne (szczególnie w przypadku dużych elektrowni wodnych)
koszty budowy tego typu elektrowni są 2-3 krotnie wyższe od nakładów na budowę elektrowni konwencjonalnych
konstrukcja całej instalacji może utrudniać migrację ryb w górę rzeki, powodując tym samym utratę siedlisk
negatywny wpływ na przepływy w rzekach (uniemożliwia transport osadów i pogłębia erozję, powodując lokalnie suszę)
budowa elektrowni wiąże się z wysokimi kosztami inwestycyjnymi (w odniesieniu do mocy elektrowni)
budowa elektrowni wiąże się też z czasochłonnym i uciążliwym okresem przygotowawczym (skomplikowane regulacje prawne, konieczność uzyskania szeregu decyzji i/lub pozwoleń)
powoduje zakłócenia sejsmiczne
elektrownia może mieć ujemny na lokalne warunki klimatyczne (powodując powstawanie mgieł, zapór lodowych na stopniach wodnych itp.)
zmiany poziomów wody powodujące zjawiska osuwiskowe
zamulenia rzek i zbiorników
sedymentacja zawiesin - zawiesiny organiczne, opadające na dno ulegają fermentacji
zanieczyszczenia wód podziemnych i gruntowych
ok. 7% gazów cieplarnianych ze źródeł antropogenicznych może być emitowanych ze zbiorników zaporowych
spiętrzenia wody w zbiornikach mogą doprowadzić do zatopienia osiedli i terenów rolniczych, co może spowodować konieczność przesiedlenia ludności
zmniejszanie się pojemności zbiorników poprzez akumulację rumowiska
hałas i zanieczyszczenia w trakcie budowy
może powodować skutki wtórne pod postacią pękania stopni wodnych i katastrof wodnych