W wywiadzie dla Ekoguru.pl dr hab. Janusz Steller z Instytutu Maszyn Przepływowych Polskiej Akademii Nauk wyjaśnia jak w Polsce funkcjonują elektrownie wodne i w jaki sposób powinniśmy wykorzystywać nasz potencjał hydroenergetyczny.
Mateusz Tomanek, Ekoguru.pl: Pierwsze pytanie będzie wprowadzające w temat produkcji prądu z wody. W jaki sposób się to odbywa?
To są wiadomości ze szkoły podstawowej, ale może warto je przypomnieć. W skrócie chodzi o zamianę energii mechanicznej płynącej wody – głównie energii potencjalnej – w energię mechaniczną wirnika zespołu prądotwórczego (generatora), który to zespół przetwarza ją następnie w energię elektryczną. Oprócz elektrowni wykorzystujących energię potencjalną spiętrzonej wody, mamy też elektrownie wykorzystujące energię kinetyczną wody płynącej. Nie wymagają one budowy zapór, ale są w stanie wykorzystać tylko bardzo niewielką część potencjału więc ich wykorzystanie ma sens tam, gdzie prędkości wody są duże i gdzie nie ma możliwości budowy zapór ze względów techniczno-ekonomicznych lub środowiskowych, na przykład w cieśninach morskich lub w niektórych rzekach o bystrym nurcie, zwłaszcza na obszarach chronionych lub trudnodostępnych.
Ile w Polsce jest elektrowni wodnych?
Trzeba na początku sobie powiedzieć jedną rzecz. Oprócz elektrowni, które zamieniają energię potencjalną spiętrzonej wody na energię elektryczną są jeszcze takie, które mogą magazynować energię pobraną z sieci elektroenergetycznej. Są to elektrownie pompowe, które najpierw przetwarzają energię pobraną z sieci, w potencjalną energię mechaniczną – czyli pompują wodę do wysoko położonego zbiornika. Potem tę energię można odebrać uruchamiając hydrozespoły produkujące prąd. To ma obecnie niebagatelne znaczenie, ponieważ w Polsce brakuje magazynów energii. Właściwie można powiedzieć, że energetyka pompowo-szczytowa to jedyna dostępna dziś metoda magazynowania energii na naprawdę dużą skalę.
Wracając do pytania o elektrownie. Mogłoby się wydawać, że elektrowni wodnych mamy sporo, ponieważ jest ich około 780. Z tym, że spośród nich tylko 18 jest elektrowniami o mocy powyżej 5 MW. 3 z nich są klasycznymi elektrowniami pompowymi, które nie wykorzystują dopływu wody, a 3 wykorzystują dopływ naturalny. Ze wszystkich naszych elektrowni wodnych tylko 13 może zostać uznanych za duże według europejskich statystyk, w których moc graniczną określa się na 10 MW. Jak widać, ogromna większość z elektrowni wodnych w Polsce to elektrownie małe, w tym mikroelektrownie.
Jaki jest udział elektrowni wodnych w produkcji prądu w Polsce?
Musimy jasno sobie powiedzieć, że nasz kraj nie ma dużego potencjału hydroenergetycznego. Ocenia się, że wykorzystując cały technicznie dostępny potencjał z elektrowni wodnych moglibyśmy rocznie uzyskać około 12 TWh energii elektrycznej. Wykorzystujemy jednak tylko niecałe 19 % tego potencjału, co daje nam udział w produkcji energii elektrycznej w Polsce w wysokości 1,3 proc. Nawet pełne wykorzystanie dostępnego potencjału – co jest raczej nierealne – nie uczyni z energetyki wodnej wielkiego gracza na rynku energii elektrycznej w naszym kraju. Mimo to energetyka wodna może i powinna wnieść swój znaczący wkład w transformację energetyczną kraju pełniąc funkcję regulacyjną w systemie elektroenergetycznym. Do tego celu potrzebne są elektrownie zbiornikowe – w tym pompowe.
Co mają elektrownie wodne wspólnego z transformacją energetyczną?
Sieć energetyczna w naszym kraju jest penetrowana przez źródła niestabilne. Niedawna dyskusja na temat warunków funkcjonowania mikroinstalacji fotowoltaicznych wywołana była między innymi brakiem magazynów energii umożliwiających kompensację fluktuacji parametrów sieci, wystarczających możliwości jej dodatkowego zasilania w przypadku deficytu mocy i odbioru energii w przypadku nadmiaru mocy zasilającej. Rozwiązaniem może być energetyka wodna, która jest w stanie zapewnić usługę magazynowania energii. Problem polega na tym, że nie inwestujemy należycie w takie rozwiązania. No i oczywiście energetyka wodna pozostaje bezemisyjnym i odnawialnym źródłem energii elektrycznej o bardzo korzystnych wskaźnikach techniczno-ekonomicznych i środowiskowych. Przy kilkukrotnym zwiększeniu wykorzystania dostępnego potencjału hydroenergetycznego jej udział w krajowej produkcji energii elektrycznej mógłby zbliżyć się do 5 %, co byłoby już wartością liczącą się w bilansie energetycznym kraju.
Jakie muszą być spełnione warunki, żeby powstała elektrownia wodna, która będzie magazynem energii?
Magazynem energii może być zarówno klasyczna elektrownia zbiornikowa, jak i elektrownia szczytowo-pompowa. Budowa elektrowni zbiornikowej wymaga wskazania lokalizacji, w której można dokonać piętrzenia wody. Miejsce to powinno charakteryzować się znaczącym potencjałem hydroenergetycznym, a więc odpowiednim dopływem i różnicą poziomów wody po jej spiętrzeniu. Musi zostać także spełnionych szereg warunków, które ograniczą niekorzystne skutki ekologiczne budowy zapory i utworzenia zbiornika wodnego. Trzeba bowiem zdawać sobie sprawę, że skutki ekologiczne występują zawsze. Jednak dobre przygotowanie projektu może sprawić, że ich bilans okaże się pozytywny dla miejscowej przyrody. Często bywa tak, że wokół sztucznych zbiorników powstają parki krajobrazowe i wzbogaca się życie przyrodnicze. Tak stało się na przykład wokół zbiornika we Włocławku.
Z elektrowniami szczytowo-pompowymi jest nieco inaczej. Zwykle jest tak, że jeden zbiornik – najczęściej dolny – jest zbudowany na cieku wodnym. Drugi ze zbiorników jest zazwyczaj całkowicie sztuczny – tak jest w przypadku Elektrowni Wodnych Żarnowcu i Porąbka-Żar. Czasem oba zbiorniki są naturalne lub sztuczne. Tak jest na przykład w EW Żydowo, gdzie wykorzystano dwa naturalne jeziora. W takim przypadku, trzeba jednak się liczyć z tym, że praca regulacyjna będzie powodowała zmiany poziomu wody, co w przypadku zbiorników naturalnych zawsze budzi kontrowersje.
Kiedy sieć zasilana jest mocą przekraczającą potrzeby odbiorców, to moc tę wykorzystuje się na pompowanie wody do górnego zbiornika. Dokonuje się w ten sposób niezbędnego zbilansowania mocy zasilającej sieć i z niej pobieranej. Kiedy w sieci występuje deficyt mocy, to elektrownia przechodzi na pracę turbinową – woda spływa z górnego zbiornika do zbiornika dolnego poprzez elektrownię, gdzie tracona energia potencjalna wody jest przetwarzana w energię elektryczną.
Czy według Pana budowa i późniejsza eksploatacja elektrowni wodnej wiąże się z dużym wpływem na środowisko?
Wpływ ten oczywiście istnieje i może być bardzo różnorodny. Wpływ lokalny dotyczy zresztą nie tyle elektrowni wodnych, co budowli hydrotechnicznych służących w naszym kraju głównie – choć nie tylko – celom gospodarki wodnej. Zawsze można powiedzieć, że zapora stanowi przegrodę dla życia biologicznego i transportu rumowiska. Dzisiaj świat poszedł jednak na tyle do przodu, że dostępne techniki inżynierii środowiska minimalizują te negatywne oddziaływania. Warto zauważyć, że wpływem na środowisko jest także utrzymywanie odpowiedniego poziomu wód gruntowych, co wiąże się przecież z ochroną przed suszą. Z drugiej strony oddziaływaniem środowiskowym jest niewątpliwie zapobieganie powodziom.
Jeżeli mówi się o wpływie elektrowni wodnej na środowisko, to trzeba brać pod uwagę, że ma on charakter wieloaspektowy. Elektrownie wodne są znakomitym narzędziem regulacyjnym dla systemu elektroenergetycznego i w tym sensie umożliwiają rozwój niestabilnych źródeł energii, zwłaszcza elektrowni wiatrowych i fotowoltaicznych. To jest wpływ na środowisko polegający na przeciwdziałaniu zmianom klimatycznym. Na pewno można mówić o wkładzie w zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Generalnie, jeżeli mówimy o wpływie zapór i elektrowni wodnych na środowisko, to trzeba mówić zarówno o oddziaływaniach lokalnych jak i globalnych.
Oddziaływania lokalne wiążą się z budową przegród, które mogą utrudniać transport rumowiska i zaburzać warunki rozwoju życia w środowisku wodnym. Oddziaływania globalne sprzyjają powstawaniu elektrowni fotowoltaicznych i wiatrowych, a także pozwalają przeciwdziałać takim skutkom zmian klimatycznych, jak rosnące zagrożenie suszą i gwałtownymi powodziami. Nie zapominajmy też o tym, że elektrownie wodne same w sobie stanowią źródło zielonej energii. Potrzebne jest więc staranne wyważenie wszystkich racji.
Wspominał Pan, że powinniśmy w Polsce inwestować w elektrownie, które będą magazynami energii. Czy są plany na budowę takich urządzeń?
W Polsce zatrzymaliśmy inwestycje w duże elektrownie wodne około 40 lat temu. Ostatnia duża elektrownia wodna, która jest też wielkim magazynem energii została uruchomiona w roku 1997 mimo tego, że maszyny czekały na uruchomienie od początku lat 80. Mamy ogromne opóźnienie w tym względzie. Od czasu do czasu słychać jednak o planach budowy nowych elektrowni pompowych i klasycznych elektrowni zbiornikowych. Słyszy się o elektrowni usytuowanej w pobliżu Zalewu Wiślanego, który mógłby być dolnym zbiornikiem nowej elektrowni pompowej, a także o wykorzystaniu planowanego zbiornika Krempna na południu Polski. Co pewien czas przypominana jest koncepcja elektrowni pompowej w Bełchatowie, gdzie można by wykorzystać wyrobiska pozostałe po kopalni węgla brunatnego. Mamy też opuszczony plac budowy elektrowni pompowo-szczytowej Młoty w Kotlinie Kłodzkiej.
Spośród planowanych elektrowni zbiornikowych wymienić należy w pierwszej mierze elektrownię przy Stopniu Siarzewo, którego zbiornik miałby jednak małą pojemność energetyczną. Stopień ten ma stanowić fragment Kaskady Dolnej Wisły, która pierwotnie była planowana, jako źródło mocy regulacyjnej dla Krajowego Systemu Elektroenergetycznego. Budowa Kaskady została wstrzymana w roku 1980 i od tego czasu nie udało się jej uruchomić. Teraz myśli się o tym, by kolejne stopnie pracowały przepływowo, czyli wykorzystywały tyle wody, ile do nich dopływa – ze stosunkowo niewielką retencją.
Czy zasadne jest, aby w Polsce wykorzystać istniejącą infrastrukturę po zlikwidowanych młynach wodnych do budowy niewielkich elektrowni, które lokalnie stabilizowałyby system energetyczny?
Dzisiaj w Polsce prawie nie buduje się zapór z myślą o produkcji energii elektrycznej jako głównym priorytecie. Wspominałem o stopniu wodnym Siarzewo. Trzeba sobie powiedzieć, że produkcja energii elektrycznej to tylko jedno z zadań tego obiektu. Wspominałem też o Kaskadzie Dolnej Wisły. Zyski z produkcji energii elektrycznej mają przynosić zaledwie kilkanaście procent korzyści ekonomicznych z całego przedsięwzięcia. Inną korzyścią jest zabezpieczenie przed powodzią, stabilizacja poziomu wód gruntowych, ponowne uruchomienie transportu rzecznego. Natomiast jeśli chodzi o małe elektrownie wodne, to od dawna wykorzystujemy głównie już istniejące stopnie. Czasem podwyższa się piętrzenie i dokonuje się niewielkich zmian, ale nowych stopni się praktycznie nie buduje.
Wróćmy do młynów wodnych. Rzeczywiście – kiedy dokonano inwentaryzacji małych siłowni wodnych po II Wojnie Światowej, to okazało się, że na terenach należących dziś do Polski było ich około 8 tys. Tylko młyn, który znajdował się w pobliżu prawie każdej wsi pracował inaczej niż większość dzisiejszych elektrowni wodnych. Często bywał uruchamiany dwa razy w tygodniu i to tylko na kilka godzin – w zależności od potrzeb i ilości spiętrzonej wody W ciągu tych paru godzin zużywał nagromadzoną wodę. Przez pozostały czas gromadzono wodę w stawie młyńskim, zwożono ziarno. Średnioroczna moc surowa piętrzenia była jednak niewielka.
Wykorzystanie piętrzeń o tak niewielkim potencjale do celów produkcji energii elektrycznej wymaga szczególnie starannej analizy. Zwłaszcza, gdy potrzebne są inwestycje w zupełnie nowe wyposażenie i gruntowny remont, czy tez odbudowę stopnia. Bilans kosztów i korzyści – również środowiskowych – nie zawsze musi być korzystny.
Oczywiście, w Polsce jest wciąż sporo miejsc, które można i należy zagospodarować hydroenergetycznie, ale najbardziej atrakcyjne piętrzenia mają często właścicieli zainteresowanych inwestycją. W każdym przypadku budowa nowej elektrowni wodnej wymaga jednak starannej analizy uwarunkowań techniczno-ekonomicznych i środowiskowych.
Dziękuję bardzo za rozmowę
Dziękuję również.
Janusz Steller – dr hab., w roku 1977 ukończył studia na Wydziale Matematyki, Fizyki i Chemii Uniwersytetu Gdańskiego w specjalności fizyka teoretyczna. Od tego czasu pracownik Instytutu Maszyn Przepływowych PAN, gdzie w roku 1984 uzyskał stopień doktora nauk technicznych. W roku 2019 Senat Politechniki Wrocławskiej nadał mu stopień doktora habilitowanego za prace nad oceną odporności kawitacyjnej materiałów metodą frakcyjną. Obecnie adiunkt w Ośrodku Hydrodynamiki IMP PAN. Prezes Zarządu Towarzystwa Elektrowni Wodnych (TEW). Zawodowo zajmuje się badaniem zjawiska kawitacji i erozji kawitacyjnej, a także zagadnieniami rozwoju energetyki wodnej. W przeszłości również: obliczeniami projektowymi oraz metodyką badań energetycznych i diagnostycznych hydraulicznych maszyn wirnikowych.
