Elektrownie wodne schodzą z mocą do... watów

Choć trudno w to uwierzyć, blisko 1,3 mld ludzi na Ziemi jest pozbawionych dostępu do energii elektrycznej. Dla rozwiązania tego palącego problemu dokłada się wielu starań w zakresie wdrażania nowych bądź adaptacji znanych technologii wytwarzania i dostarczania energii elektrycznej. Odnawialne źródła energii odgrywają coraz większą rolę w zaspokajaniu potrzeb ludności regionów cierpiących na brak lub niedostatek energii. Obecnie w wielu krajach przebiega elektryfikacja w oparciu o lokalne źródła mocy bez powiązania z systemem elektroenergetycznym (tzw. „off-grid electrification”).

Zdecentralizowana elektryfikacja odległych obszarów wiejskich jest realizowana na bazie małych elektrowni wodnych, wiatrowni, baterii fotowoltaicznych, spalarni biomasy oraz tradycyjnych generatorów spalinowych lub gazowych. Wykorzystanie miejscowych zasobów energii daje liczne korzyści. Generacja mocy w miejscu jej zużycia pozwala na uniknięcie strat przesyłu, nie mówiąc już o niezbędnych nakładach inwestycyjnych i eksploatacyjno-remontowych na infrastrukturę sieciową. Standaryzacja modułowych źródeł mocy zapewnia elastyczność dostosowania produkcji do potrzeb odbiorców. Prosty montaż i obsługa tych instalacji umożliwia wykorzystanie miejscowej ludności do budowy, a następnie prowadzenia ruchu. Wreszcie długa żywotność nowoczesnych rozproszonych źródeł mocy korzystających z darmowej energii odnawialnej rozstrzyga o ich wyższej opłacalności w porównaniu z tradycyjnym modelem zasilania z odległych elektrowni systemowych. Należy przy tym zauważyć, że opłacalność dostarczania energii elektrycznej do rozproszonych odbiorców (zwłaszcza na duże odległości) zdecydowanie maleje przy spadku wielkości jej poboru. A taka sytuacja ma właśnie miejsce w wielu regionach świata, i to nie tylko w krajach niskorozwiniętych. Tradycyjne rozwiązanie problemu zaopatrzenia w energię elektryczną czyli wykorzystanie agregatów prądotwórczych diesla nie jest już atrakcyjną opcją z powodu wysokich kosztów paliwa (z uwzględnieniem transportu), nakładów na eksploatację i konserwację maszyn, wymagań ograniczenia hałasu i emisji zanieczyszczeń. Powyższych wad i ograniczeń nie ma natomiast większość rozproszonych, odnawialnych źródeł mocy.

Spośród licznych układów OZE szerokie zastosowanie w wielu krajach znalazły między innymi pompy wody zasilane energią ze źródeł fotowoltaicznych oraz hybrydowe układy elektryfikacji wsi.

Pierwsza koncepcja przybliża rozwiązanie innego palącego problemu współczesności – oto na progu trzeciego tysiąclecia aż 1,2 miliarda mieszkańców Ziemi jest pozbawionych dostatecznej ilości czystej wody, zaś aż 2,6 miliarda żyje w niedopuszczalnych warunkach sanitarnych. W układzie tym modułowe baterie słoneczne zasilają przez przekształtnik energoelektroniczny silnik pompy, która tłoczy wodę z (podziemnego) ujęcia do umieszczonego na odpowiedniej wysokości zbiornika. Stąd woda spływa pod ciśnieniem do odbiorców, przy czym może być podgrzewana prądem ze wspomnianej baterii lub promieniami słońca. Typowa wydajność tych „słonecznych” pomp wynosi 500–1500 ton na dobę. Od 1994 r. uruchomiono na świecie (głównie w Afryce) około 24000 takich instalacji.

Z kolei układy hybrydowe łączą zalety rozmaitych technologii wytwarzania energii elektrycznej zintegrowanych w jednym systemie. Najczęściej układ taki obejmuje generator wiatrowy, baterie fotowoltaiczne i ewentualnie małą elektrownię wodną, uzupełnione agregatem prądotwórczym diesla. W normalnym reżimie pracują jedynie odnawialne źródła mocy, natomiast generator spalinowy zostaje uruchomiony w stanach niedoboru mocy. Układ hybrydowy odznacza się wprawdzie złożoną budową i wysokimi kosztami, jednak stanowi niezawodne źródło zasilania energią elektryczną o wysokiej jakości nawet dla tak wymagających odbiorców jak szpitale, stacje telekomunikacyjne i naukowo-badawcze. Systemy takie pracują w różnych częściach świata pozbawionych połączenia z siecią elektroenergetyczną np. w okolicach wysokogórskich, pustyniach czy na wyspach. Układ hybrydowy może również współpracować z systemem elektroenergetycznym dostarczając do niego czystą energię i jednocześnie pełniąc rolę rezerwowego źródła zasilania dla lokalnych odbiorców.

Od około 20 lat upowszechnia się nowy trend w wykorzystaniu energii wodnej. Wraz z rozwojem małych elektrowni wodnych o mocach kilku – kilkunastu megawatów postępuje także miniaturyzacja tych odnawialnych źródeł energii. Ten stosunkowo nowy podsegment energetyki wodnej zwany potocznie „pikohydroenergetyką” otwiera nowe szanse zaopatrywania odległych odbiorców w energię elektryczną.

Moc elektryczna typowych „pikohydrogeneratorów” wynosi zaledwie 200 do 1000 W, a wyjątkowo może sięgać 5 kW. Do ich napędu stosuje się turbinki różnych typów o małym lub średnim spadzie. Do rozpowszechnionych rozwiązań konstrukcyjnych należą małe koła Peltona zasilane z węża wodą napływającą z wysokości 20-50 m (projekt popularny w regionach górskich), turbiny „turgo” będące modyfikacją turbin Peltona (również dla wysokich wartości spadu) oraz wirniki montowane w płaszczyźnie poziomej (stosowane w Azji przy wysokości napływu wody zaledwie 1 do 2 m). Agregaty te instaluje się na praktycznie wszelkich dostępnych ciekach wodnych, nawet w okolicach nizinnych.

Szacunkowe koszty budowy „pikoelektrowni” wodnych (USD)