Nowe konstrukcje turbin wodnych – szansa na rozwój małej hydroenergetyki

Odnawialne źródła energii (OZE) zaczynają odgrywać coraz większą rolę w strukturze produkcji energii elektrycznej w Polsce, Europie i Świecie. Jednym z takich źródeł energii jest woda, która jest źródłem znacznie bardziej stabilnym i przewidywalnym, niż energia pochodząca z fotowoltaiki i turbin wiatrowych. Cecha ta jest szczególnie ważne dla operatorów systemu oraz spółek dystrybucyjnych. Stabilność tego źródła ma również ogromne znaczenie dla ewentualnego tworzenia obszarów bilansowania.

Ze względu na topologię Polski i niektórych innych krajów Europy, energia z wody posiada mniejszy potencjał produkcyjny niż pozostałe wymienione, ale jest nie do przecenienia, gdy weźmie się pod uwagę inne pozytywy. Wykorzystanie potencjału do celów energetycznych, wymagające tworzenia piętrzeń wody, niesie ze sobą retencję pól uprawnych, stabilizację i poprawianie jakości przesyłanego prądu w sieci elektroenergetycznej (zwłaszcza na jej końcach w obszarach dalekich od miast), magazynowanie energii do wykorzystania w szczytowym zapotrzebowaniu, napowietrzanie rzek (podtrzymanie naturalnego życia), rozwój agroturystyki, walory turystyczne i podatki. W Polsce jest użytkowanych około 750, w dominującej mierze, niskospadowych obiektów hydroenergetycznych, należących do prywatnych użytkowników, ale także do państwowych koncernów energetycznych. Wszystkie te obiekty wymagają nieustannych starań mających na celu utrzymanie ich dobrego stanu technicznego, a często wymagają modernizacji zainstalowanych hydrozespołów.

Jednym z polskich koncernów energetycznych, wykorzystujących potencjał wody do produkcji energii, jest Energa S.A. w Gdańsku, która posiada w swojej strukturze własnościowej 45 małych elektrowni wodnych, w tym 14 małych niskospadowych obiektów o wysokości piętrzenia wody do około 3.5m. Z kolei jej spółka Energa Operator S.A. odpowiada za dystrybucje na obszarze na którym się znajdują. Dlatego, biorąc pod uwagę przedstawione powyżej uwarunkowania, razem z innymi spółkami dystrybucyjnymi zwraca szczególną uwagę na ten segment źródeł. Wpisują się one w działania nad poprawą stabilności systemu elektroenergetycznego i niezawodności jego pracy. 

W takich elektrowniach, szczególnie atrakcyjne może być wykorzystanie technologii ściśle dedykowanych do przepływów o niskim potencjale piętrzenia, które pozwalają na realizację wysokich natężeń przepływu w porównaniu do klasycznych turbin Kaplana lub też turbin typu Francisa. 

Od wielu lat technologia turbin niskospadowych, pasująca do instalacji znajdujących się w obiektach krajowych i europejskich, jest rozwijana w Instytucie Maszyn Przepływowych im. R. Szewalskiego w Gdańsku Polskiej Akademii Nauk. W ramach prowadzonych prac badawczo-rozwojowych Instytut opracował typoszereg wysokosprawnych rurowych turbin wodnych typu Kaplana, czyli turbin o podwójnej regulacji łopat kierownicy i wirnika, które są ściśle dedykowane do pracy pod najniższymi piętrzeniami wody, takimi jakimi dysponują koncerny energetyczne w wielu krajach Europy. W ramach wykonanych działań Instytut opracował i przeanalizował układ przepływowy modelowych turbin w oparciu o zaawansowane metody numeryczne, w tym z wykorzystaniem unikalnej metody projektowej układu łopatkowego kierownic i wirnika turbiny. Turbiny zostały przebadane pod kątem osiąganej sprawności, oddziaływania kawitacyjnego na konstrukcję maszyny i rozbiegu w warunkach zaniku obciążenia generatora prądu na unikatowym w skali kraju stanowisku eksperymentalnym. 

Zaletą opracowanej konstrukcji rurowej turbiny niskospadowej typu Kaplana jest możliwość pracy takiej maszyny przy znacznie wyższych przepływach wody. Dzięki takiemu podejściu będzie możliwe ograniczenie gabarytów całej konstrukcji, eliminację lub zmniejszenie wymiarów przekładni łączącej turbinę z generatorem prądu oraz minimalizacja liczby par biegunów samego generatora. Takie podejście stwarza możliwość znaczącego zmniejszania kosztów instalacji i znacznego skrócenia czasu zwrotu poniesionych nakładów w porównaniu z turbinami wodnymi o innej klasycznej konstrukcji. Na podkreślenie zasługuje fakt, iż proponowane rozwiązanie zostało już wdrożone w elektrowniach wodnych. Z powyższych powodów, niskospadowe turbiny oparte na całkowicie krajowym rozwiązaniu konstrukcyjnym mogą w przyszłości stać się naszą krajową specjalnością i przełomowym rozwiązaniem nie tylko w obiektach krajowych, ale również europejskich. Rozwiązanie to może wpływać na proces budowy odpowiedzialnej klimatycznie energetyki.