Transformacja klimatyczna w celu obniżania emisji dwutlenku węgla wymusza stopniowe zwiększanie udziału odnawialnych źródeł energii w miksie energetycznym na świecie. W ten trend musi także się wpisywać Polska. Głównymi źródłami energii odnawialnej w naszym kraju jest fotowoltaika oraz turbiny wiatrowe, które w ostatnich latach zaliczyły ogromne wzrosty udziału produkcji w rynku energetycznym.
Z założenia są to jednak źródła bardzo słabo przewidywalne w czasie i przekładają się na duże problemy z jakością produkowanego prądu (w szczególności dotyczy to fotowoltaiki ze względu na rozdrobnienie indywidulanych producentów), powodujące często kolejne problemy w odbiorze energii, zwłaszcza w obszarach wiejskich. Ze stabilnością i przewidywalnością produkcji energii nie ma natomiast w przypadku trzeciego źródła energii odnawialnej, czyli energii niesionej w wodzie.
Liczba piętrzeń do zagospodarowania w Polsce jest szacowana na kilka tysięcy niskospadowych potencjalnych obiektów, które mogą być małymi lokalnymi źródłami energii. Trzeba pamiętać także, że oficjalnie istnieje również ponad 750 hydroelektrowni, które są rozsiane po terenie całego kraju. Wszystkie te obiekty zarówno istniejące, jak również te, które powstają i będą powstawać w przyszłości, wspierają lokalne społeczności poprzez poprawę jakości sieci elektroenergetycznej na jej końcach, wspomagają retencję pól uprawnych w rolnictwie, stwarzają warunki do rozwoju agroturystyki, napowietrzają rzeki wspomagając w nich życie naturalne, dają lokalne zatrudnienie i podatki do kasy Państwa. Pamiętać również należy, że turbiny wodne to też możliwość pracy w sieciach wodociągowych dużych miast, jako reduktory ciśnienia, w których energia byłoby bezpowrotnie tracona, gdyby była redukowana w sposób klasyczny poprzez zawory redukcyjne. Biorąc to pod uwagę, rozwój hydroenergetyki leży w interesie kraju, aby potencjał hydrologiczny był coraz lepiej wykorzystywany do produkcji czystej środowiskowo energii elektrycznej. Wymaga to jednak nieustannych zabiegów technicznych przez prywatnych właścicieli oraz państwowe koncerny energetyczne, posiadające w swoim majątku hydroelektrownie, a także udziału nauki w tworzeniu efektywnych i bezpiecznych z punktu widzenia przepływu rozwiązań.
W tej ostatniej kwestii, w Polsce, prace naukowe nad rozwojem konstrukcji turbin wodnych są od dekad prowadzone w Instytucie Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego w Gdańsku, należącego do struktur Polskiej Akademii Nauk (IMP PAN). Ze względu na ukształtowanie terenu Polski, który zdominowany jest przez tereny nizinne, opracowywane tam maszyny są m.in. dedykowane na najniższe wysokości piętrzenia wody do 3.5 m. Takim przykładem są np. opracowane konstrukcje rurowych niskospadowych turbin typu Kaplana (na lewym zdjęciu modelowa turbina Kaplana na stanowisku laboratoryjnym w IMP PAN). Turbiny te umożliwiają przepływ bardzo dużych natężeń wody w porównaniu do innych rodzajów turbin Kaplana (i nie tylko Kaplana). Dzięki takiemu podejściu, w końcowym efekcie uzyskane rozwiązanie posiada mniejsze rozmiary, co pozwala na zmniejszenie kosztów hydrozespołu i często także związanej z tym hydrotechniki, prowadzących do redukcji kosztów całej instalacji. Jest to szczególnie ważna cecha dla małych prywatnych inwestorów, którzy zazwyczaj szczególnie oczekują szybkiej amortyzacji nakładów finansowych nowopowstającej lub modernizowanej hydroelektrowni.
W Instytucie prowadzone były także prace nad turbinami typu Francisa, które są z założenia przeznaczone do zastosowań hydroenergetycznych pod wyższymi piętrzeniami wody od turbin Kaplana, sięgających do około 30 m, choć mogą także pracować pod bardzo niskimi spadami, jako zamienniki modernizowanych turbin Francisa, których stan techniczny jest daleki od obecnego stanu wiedzy na temat projektowania turbin wodnych (na prawym zdjęciu modelowa turbina Francisa na stanowisku laboratoryjnym w IMP PAN). Turbiny Francisa mogą również służyć jako reduktory ciśnienia w miejskich instalacjach wodociągowych. Przykład takiej instalacji można spotkać w Elektrowni Wodnej Pomorzany w Szczecinie (~90 kW mocy), należącej do tamtejszych Zakładów Wodociągów i Kanalizacji, i który został opracowany i przebadany przez konsorcjum IMP PAN oraz ZRE Gdańsk (wykonawca instalacji).
Podkreślić należy, że turbiny wodne w IMP PAN są projektowane przy użyciu zaawansowanych technik numerycznych oraz analizowane eksperymentalnie na jedynym w Polsce stanowisku do badań turbin wodnych, które znajduje się właśnie w Instytucie. Prace takie mają na celu zawsze maksymalizację sprawności układu przepływowego oraz wyznaczenie bezpiecznych obszarów pracy z punktu widzenia jego żywotności na obiekcie ze względu na możliwość powstawania szkodliwego zjawiska kawitacji w przepływającej wodzie przez maszynę, a w konsekwencji erozji kawitacyjnej, powodującej niszczenie jej elementów. W ten sposób zapewnia to wysoką jakość końcowego rozwiązania z punktu widzenia przepływowego. W konsekwencji opracowane rozwiązania znakomicie wpisują się w podtrzymanie i rozwój hydroenergetyki krajowej, co zapewnia w przyszłości ciągłość wysokosprawnej energetyki wodnej w Polsce.
Zdjęcie: Modelowe turbiny wodne na stanowisku laboratoryjnym w Instytucie Maszyn Przepływowych w Gdańsku Polskiej Akademii Nauk – widok lewy: niskospadowa rurowa turbina Kaplana; widok prawy: turbina Francisa z napływem spiralnym (źródło: zdjęcia własne IMP PAN).
Natalia Przepierska
Izba Gospodarcza “Wodociągi Polskie”
