|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 05/2008
Pikohydroenergetyka: nowy - stary sposób na elektryfikację
|
|
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)
|
Koszt
|
Niski spad wody (Wietnam)
|
Wysoki spad wody (Nepal)
|
|
Moc (W)
|
200
|
1000-3000
|
|
Turbina
|
50-150
|
1000-3000
|
|
Prace budowlane
|
100-200
|
Zależnie od miejsca
|
|
Linia elektryczna zasilająca
|
20-100
|
Zależnie od miejsca
|
|
Domowa instalacja elektryczna
|
10-50
|
10-50
|
|
Projekt i wykonawstwo
|
200
|
Zależnie od miejsca
|
|
Razem
|
380-700
|
2000-6000
|
|
Koszt jednostkowy (USD/kW)
|
1900-3500
|
2000
|
|
Miniaturowe elektrownie wodne zwane są też rodzinnymi, gdyż zaspokajają zapotrzebowanie tylko jednego gospodarstwa domowego. Buduje się przede wszystkim w krajach III Świata, chociaż okazują się przydatne również w odosobnionych miejscach w Europie i Ameryce Płn. Największą liczbą tych źródeł – około 120000 - może pochwalić się Wietnam, co wymusiły miejscowe uwarunkowania, a mianowicie korzystne zasoby wodne, zacofana infrastruktura sieciowa i niskie dochody ludności. Jeszcze w 2000 r. w kraju tym bez prądu pozostawało aż 4,8 mln gospodarstw domowych, jednak ponad półtora miliona z nich posiada dostęp do strug wodnych nadających się do energetycznego wykorzystania. W tej ostatniej liczbie 200000 domostw spełnia wszelkie warunki dla zainstalowania „pikohydrogeneratorów”. Ponadto wielu odbiorców przyłączonych do sieci również sięga po to dodatkowe źródło jako rezerwę dla podstawowego zasilania, nie gwarantującego niezbędnej dyspozycyjności. Ocenia się, że z podanej liczby 120000 prądnic zainstalowanych dotychczas w Wietnamie jedynie 50000 zachowuje zdolność do pracy wskutek niskiej jakości i żywotności turbin. W 90% miejscowy rynek został zdominowany przez tanie, lecz zawodne „pikohydrogeneratory” produkcji chińskiej. Maszyny o typowej mocy znamionowej 300 W (osiągalna moc elektryczna wynosi jednak tylko 100 W) kosztują zaledwie 20 dolarów i nie napotykają na znaczącą konkurencję drobnych wytwórców wietnamskich. Dość często uszkadzające się maszyny są poddawane naprawom, które na szczęście nie pociągają większych wydatków (np. przezwojenie prądnicy kosztuje tylko 2 dolary). Lepszą jakością, lecz przy kilkukrotnie wyższej cenie, odznaczają się agregaty produkowane w instytutach badawczo-wdrożeniowych w Hanoi i Ho Chi Minh. Wietnamscy użytkownicy mogą więc bez trudu zaopatrzyć się w nowe lub używane „pikohydrogeneratory” w cenie 15–85 USD. Niestety władze tego kraju, mimo dużego zainteresowania klientów tą opłacalną technologią, nie wspomagają finansowo jej rozwoju.
W praktyce mieszkańcy wsi instalują agregaty zarówno na własnej ziemi (kanały nawodniające, odprowadzenia wody) jak i na terenach publicznych (rzeki, strumienie). Często użytkownicy łączą swe wysiłki budując wspólnie tamę, która dostarcza wody dla wielu turbin. Moc z prądnic jest przesyłana do gospodarstw odległych nawet o 300 m prowizorycznymi liniami wykonanymi z nieizolowanych drutów rozwieszonych na bambusowych tyczkach. Przy tej długości linii spadek napięcia może przekraczać wartość dopuszczalną.
W „pikohydrogeneratorach” stosuje się prądnice z magnesami trwałymi na wirniku. Dla maksymalnej prostoty i obniżki ceny, agregaty te nie posiadają zazwyczaj żadnych układów regulacji mocy i napięcia. Stałość warunków pracy prądnicy uzyskuje się utrzymując ustalone obciążenie w postaci kilku żarówek, telewizora, wentylatora itp. Zmiana poboru mocy przez włączenie lub wyłączenie większego odbiornika może więc istotnie zakłócić działanie całego układu. Turbiny nie są wyposażane w armaturę odcinającą/regulującą dopływ wody. W celu odstawienia „pikohydrogeneratora” z ruchu jest on po prostu wyciągany z wody na brzeg.
Z wietnamskich doświadczeń korzystają obecnie Filipiny, gdzie na terenach wiejskich oraz licznych wysepkach systematycznie przybywa piko- i mikrohydroelektrowni. W kraju tym aż 30% gospodarstw domowych nie zostało jeszcze przyłączonych do sieci elektrycznych. Jednak z tej wielkiej liczby tylko 120000 domostw zostanie, jak się ocenia, wyposażonych w najbliższej dekadzie we wspomniane źródła. Z uwagi na znaczne oddalenie od chińskich dostawców, filipińskie „rodzinne” hydroelektrownie bazują przede wszystkim na maszynach rodzimej produkcji, co pozwala na kontrolowany rozwój tej młodej technologii.
Interesujące doświadczenia wdrażania hydroenergetyki najmniejszych mocy gromadzą również mieszkańcy wysokogórskiego Nepalu. Jednym z typowych tamtejszych rozwiązań jest agregat osiągający moc elektryczną 1,1 kW przy przepływie wody 83 l/s. Dla maksymalnego wykorzystania tej niewielkiej mocy zastosowano energooszczędne oświetlenie z wykorzystaniem białych diod świecących. Lampa złożona z 12 takich diod pobiera zaledwie 1 wat., a przy tym wykazuje wyjątkową gwarantowaną żywotność przekraczającą 50000 godzin. Wyposażenie każdego domostwa w trzy podobne lampy zapewnia możliwość nauki i edukacji wszystkim mieszkańcom. Ewentualne nadwyżki generowanej energii elektrycznej służą do podgrzewania wody, przyczyniając się do poprawy warunków bytu i higieny.
Warto pokusić się o porównanie najważniejszych technologii zaopatrywania rozproszonych odbiorców energii elektrycznej. Zawarta w tabeli analiza techniczno-ekonomiczna nie faworyzuje w zasadzie żadnej z nich. W praktyce o wyborze opcji decydują lokalne warunki i sami użytkownicy.
|
Technologia
|
Moc źródła / liczba zasilanych domów
|
Napięcie
|
Żywotność (lata)
|
Koszt urządzeń (USD)
|
Koszt montażu (USD)
|
Koszt eksploatacji i remontu (USD/rok)
|
Roczny koszt jednostkowy (USD/rok/dom)
|
|
Pikohydrogenerator (dla jednego domu)
|
200 W /
1
|
220/110 VAC
|
5
|
80-200
|
40-300
|
50
|
75-150
|
|
Pikohydrogenerator (dla grupy gospodarstw)
|
3000 W / 15
|
220/110 VAC
|
15
|
3000
|
1000-3000
|
200
|
30-40
|
|
Bateria fotowoltaiczna
|
100 W /
1
|
12 VDC
|
20
|
600-800
|
200-600
|
100
|
140-170
|
|
Układ hybrydowy
|
2000 W / 10
|
12/48 VDC
|
20
|
20 000 (bez agregatu diesla)
|
2000-2500
|
500 (bez paliwa)
|
160-190
|
|
Mikroelektrownia wiatrowa
|
300 W /
1
|
12 VDC
|
15
|
800
|
300
|
80
|
150
|
|
Agregat prądo- twórczy diesla
|
1-3 kW /
1-
|
220/110 VAC
|
10
|
1000 - 5000
|
100-350
|
40-400
|
150-310
|
|
|
|
|
|
