Turbiny wodne szyte na miarę

Czy wody Skrwy, Wilgi lub Liwca są w stanie napędzać turbiny i produkować energię elektryczną? Okazuje się, że tak. Małe elektrownie wodne mogą dobrze funkcjonować na spokojnych mazowieckich rzekach. Są ekologiczne, produkują prąd i – co równie ważne – przyczyniają się do utrzymania odpowiedniego poziomu wody w rzekach, będąc ważnym elementem małej retencji.

Miejscami, w których można instalować turbiny i budować niewielkie hydroelektrownie, są np. jazy spiętrzające wodę na rzekach nizinnych. Jazy są w większości własnością Państwowego Gospodarstwa Wodnego Wody Polskie i mogą być dzierżawione przez prywatnych inwestorów. Hamulcem rozwoju małej energetyki wodnej nie jest więc brak odpowiednich lokalizacji, lecz niedostatek racjonalnych ekonomicznie rozwiązań technicznych, stworzonych z myślą o elektrowniach działających na małą skalę. Chodzi zwłaszcza o turbiny, które dziś pochłaniają nawet połowę kosztów inwestycji. W odpowiedzi na tę potrzebę przy jednym z jazów na rzece Skrwie w miejscowości Kwaśno koło Sierpca powstało miejsce, w którym przy wsparciu funduszy europejskich wypracowuje się odpowiednie rozwiązania. Projekt „Laboratorium dedykowanych rozwiązań dla małej energetyki wodnej” realizowany jest przez producenta turbin wodnych – firmę Ellse sp. z o.o. z Małej Wsi koło Płocka we współpracy z Politechniką Warszawską oraz innymi podmiotami zainteresowanymi hydroenergetyką. Wypracowywany model, który ma wykorzystywać naturalny potencjał energetyczny mazowieckich rzek, wpisuje się w priorytety inteligentnej specjalizacji regionu, jaką są inteligentne systemy zarządzania.

Na zmiennych obrotach

W małych elektrowniach wodnych stosuje się zazwyczaj turbiny Kaplana lub Francisa. Są to urządzenia powstałe z myślą o dużych konstrukcjach, pracujące ze stałą lub prawie stałą prędkością obrotową. – Takie turbiny można oczywiście dopasować do mniejszych obiektów, ale jest to nieopłacalne ekonomicznie. Koszt inwestycji zwróci się wówczas po ok. 10 latach, a to jest czas, który we współczesnych warunkach konkurencji trudno inwestorom zaakceptować. Na mniejszych rzekach, na których spad jest niewielki, a różnice w przepływie wody znaczne, konieczne jest w takim wypadku instalowanie kosztownych, dodatkowych układów regulacyjnych odpowiedzialnych za sterowanie układem kierowniczym oraz łopatkami turbin – tłumaczy Witold Rytwiński, pomysłodawca utworzenia laboratorium i były prezes zarządu spółki Ellse. – Aktualnie sprzedawane turbiny Kaplana pracują na silnikach asynchronicznych, w których zastosowany jest mechanizm przeniesienia napędu. To znaczy, że np. gdy wirnik obraca się 100 razy na minutę, na silniku obroty są siedem czy osiem razy wyższe. Naszym celem jest zaprojektowanie odpowiedniego wirnika do turbiny Kaplana, czyli dostosowanie jej do układu, w którym nie będzie mechanizmu przeniesienia napędu. Tak pojawił się pomysł na zastosowanie turbiny typu Kaplana, ale sprzężonej z tzw. silnikiem zmiennoobrotowym na magnesach trwałych – dodaje.

• 

• 

Dzięki temu rozwiązaniu konstrukcja turbiny będzie znacznie prostsza, a przez to dużo tańsza. To pozwoli na bardzo istotne obniżenie kosztów uruchomienia małej elektrowni wodnej, zwłaszcza gdy będzie ona posadowiona na już istniejącym obiekcie hydrotechnicznym, np. w miejscach, gdzie działały młyny, czy na jazie rzecznym. – Chcemy, aby nasza turbina była jak najbardziej dostosowana do takich obiektów, również gdy optymalnym rozwiązaniem będzie układ lewarowy, czyli stosowany wtedy, gdy nie można bezpośrednio wprowadzić wody na turbinę, lecz poprzez tzw. lewar, bajpas. Przewidujemy turbiny tradycyjne, poziome, ale też będziemy pracować nad turbinami pionowymi, bo wiele starszych obiektów, w których są turbiny Francisa, opiera się na takim rozwiązaniu – mówi Witold Rytwiński. Planowane jest zaprojektowanie kilku rodzajów turbin. Jednak specyfika hydroenergetyki nie pozwala na sprzedaż gotowych rozwiązań i stosowanie ich bez uprzedniej analizy terenowej. – To ważna różnica między energetyką wodną a wiatrową czy fotowoltaiką. Tam są pewne standardowe, modułowe rozwiązania. W hydroenergetyce takie rozwiązania, nawet jeśli istnieją, muszą być zawsze dostosowane do konkretnego obiektu, do miejsca, w którym zbudowana mała elektrownia wodna będzie pracować w niepowtarzalnych warunkach, według specyficznych parametrów. Dlatego te inwestycje są długotrwałe, ale z drugiej strony dłuższa jest ich żywotność. W wypadku elektrowni wodnej jest ona liczona na co najmniej 50 lat. Energetyka wodna daje też większą pewność produkcji – uważa Witold Rytwiński.

Moc mazowieckich rzek

Obecnie koszt zamontowania standardowej turbiny o średnicy wirnika 1000-1300 mm wynosi co najmniej 500 tys. zł. – Przewidujemy, że urządzenia zaprojektowane w naszym laboratorium będą przynajmniej o połowę tańsze, a przyczynią się też do zwiększenia sprawności elektrowni – mówi Witold Rytwiński. Ma to zostać osiągnięte przez wprowadzenie dwustopniowej regulacji turbiny – zarówno tzw. łopatek układu dopływowego, jak i łopatek wirnika. To zapewni bardzo dużą amplitudę dostosowywania się do zmiennych przepływów wody.

– Na Mazowszu mamy kilka większych rzek, takich jak Wkra, Świder czy Bzura, na których mogą funkcjonować z powodzeniem małe hydroelektrownie. Jednak przy niskich spadach, jakie mamy w regionie, należy znaleźć rozwiązania, które są racjonalne ekonomicznie. I właśnie nasze turbiny, dzięki ograniczeniu kosztów produkcji, idealnie będą się nadawać do zastosowania na takim terenie jak Mazowsze – podkreśla Witold Rytwiński. Obecnie wciąż trwają prace konstrukcyjne i poszukiwania nowych stałych partnerów, bo wyzwanie podjęte przez firmę Ellse jest trudne, szczególnie w dobie pandemii. Spółka trwa jednak przy swoim pomyśle i przedsięwzięciu. Testy turbin powinny rozpocząć się wiosną 2021 r.

Rozwiązanie wypracowywane w Ellse ma szansę stać się inspiracją dla innych firm, które chcą wykorzystywać zarówno ekonomiczny, jak i ekologiczny potencjał rzek nizinnych. Małe hydroelektrownie nie zanieczyszczają wody i powietrza, są też bezpieczne dla ryb. Budowane na rzekach o dużych wahaniach przepływu ułatwiają kontrolę poziomu wody, dzięki czemu stanowią ważny element małej retencji. Nie tylko więc – w przeciwieństwie do wielkich konstrukcji – są nieszkodliwe dla środowiska, ale wręcz proekologiczne. A to jeden z ważnych kierunków zrównoważonego rozwoju województwa.

Warto dać szansę małym hydroelektrowniom zaspokajającym lokalne zapotrzebowanie na energię. Bo przecież ziarnko do ziarnka…

Marek Rokita