Woda cenniejsza niż złoto - aspekt wodny w przemyśle energetycznym

Energetyka to przede wszystkim węglowodory. Udostępnianie złóż organicznych związków chemicznych wymaga sporych ilości wody. Jest ona wykorzystywana jako surowiec wspomagający wydobywanie innych surowców takich jak ropa czy gaz. Stosowana na szeroką skalę technologia wydobycia węglowodorów ze złóż niekonwencjonalnych nosi nazwę „frackingu” – czyli szczelinowania hydraulicznego. Jest to jedna z metod stymulacji odwiertu.

Polega na wtłaczaniu do odwiertu mieszaniny wody, piasku i dodatków chemicznych pod wysokim ciśnieniem w celu powiększenia szczelin w skałach łupkowych. Woda jest tutaj nadrzędnym składnikiem, ponieważ stanowi około 95% składu chemicznego mieszaniny. W celu wykonania stymulacji jednego odwiertu niezbędna jest woda w ogromnej ilości – nawet do 17 tys. m³ [5][6]. Hektolitry wody są również wykorzystywane przy wydobyciu węgla kamiennego. W branży węglowej służy ona do odkamieniania surowego urobku.

Aspekt wodny jest również odczuwalny w grupie niekonwencjonalnych złóż węglowodorów, do której należą łupki bitumiczne. Przerób piasków roponośnych jest bardzo pracochłonny i wymaga dużej objętości słodkiej wody. Na każdy 1 litr pozyskanej ropy potrzeba średnio 9 litrów słodkiej wody. Skalę przedsięwzięcia ukazuje zużycie wody w Estonii. Kraj ten jest bogaty w złoża łupków ilastych nasyconych bituminami. Generuje się tam 2,5 GW energii, przy czym około 91% całkowitego zużycia wody jest przeznaczone na te cele [7]. Według danych World Energy Council w Polsce zasoby te są znikome. 

Po etapie wydobycia surowców następuje kolejny proces polegający na transformacji wydobytych surowców w bardziej przydatną formę energii (np. cieplną czy elektryczną). O czym często się nie mówi, w energetyce konwencjonalnej kluczowym elementem procesu wytarzania energii jest woda. Zamieniana jest w parę wodną dzięki pracy kotłów parowych, która pod wysokim ciśnieniem trafia na łopatki turbiny wprawiając ją w ruch przekazując tym samym energię kinetyczną na wirnik. W ten sposób, wirujący wał turbiny napędza generator powodując wytwarzanie energii elektrycznej. Z kolei w energetyce jądrowej, wyzwolenie energii cieplnej następuje w procesie rozszczepania jąder atomów uranu, plutonu lub toru.

Woda również stanowi tutaj rolę nośnika energii, ponieważ energia cieplna wykorzystywana jest do wytworzenia przegrzanej pary wodnej. Energia pary zostaje przekazana turbinie w procesie rozprężania pary. Dalej następuje przemiana energii kinetycznej w energię elektryczną w napędzanym przez łopatki turbiny generatora. Warto podkreślić, że w sektorze atomowym woda jest jednym z podstawowych kryteriów wyboru lokalizacji umiejscowienia elektrowni. Jest to bezpośrednio związane z bezpieczeństwem pracy. Dlatego do listy potencjalnych lokalizacji elektrowni jądrowej w Polsce zostały wzięte Choczewo, Gąski i Żarnowiec. Ponadto woda wykorzystywana jest do chłodzenia, uzupełniania strat w obiegach kotłowych i ciepłowniczych (zasadnicze medium do transportu ciepła), a także do odżużlania i odpopielania.

Widać, że dla technologii jądrowej i konwencjonalnej woda stanowi niezbędnym czynnikiem do bezpiecznego funkcjonowania elektrowni. A propos bezpieczeństwa – wystarczy cofnąć pamięcią do zdarzenia z roku 2015. Pechowy dzień 10 sierpnia 2015 roku, w którym PSE zarządziło 20 (najwyższy) poziom zasilania. Było to pierwsze takie działanie Operatora Systemu Przesyłowego od lat 80-tych XX wieku. Zgodnie z rozporządzeniem Rady Ministrów operator całego systemu elektroenergetycznego może nałożyć na odbiorców przemysłowych ograniczenia w dostarczaniu i poborze energii elektrycznej, aby zmniejszyć ryzyko wystąpienia blackoutu. Z czego wzięła się taka sytuacja kryzysowa? Krótko mówiąc: upał. W okresie pierwszych dni sierpnia temperatura utrzymywała się na poziomie 30 stopni co sprawiło, że poziom wód był niski, a ich temperatura za wysoka by efektywnie chłodzić bloki wytwórcze. To brak wody był równoznaczny z zachwianiem równowagi systemu elektroenergetycznego całego kraju.

Energia pochodząca z odnawialnych źródeł w dużym stopniu uwarunkowana jest od szeroko pojętej wody. Wartość wolumenu energii generowanej z elektrowni wiatrowych zależy od prędkości wiatru i gęstości powietrza. Wiatr powstaje w wyniku różnicy ciśnień, które zależą bezpośrednio od temperatury. Wiadomo, że ziemia pokryta jest w 70% wodą, która stanowi ogromny zbiornik cieplny odpowiednio chłodząc lub ocieplając otoczenie – generując w ten sposób różnice ciśnień i tym samym przepływ powietrza.

Również w dziedzinie energetyki słonecznej woda stanowi istotny element. W kolektorach solarnych nośnik ciepła stanowi roztwór wody z glikolem. W wieżach słonecznych woda, dzięki stosunkowo dużej pojemności cieplnej może wypełniać rury znajdujące się pod kolektorem, powiększając ilość oddawanej energii w razie potrzeby [2]. Mówiąc o energii słonecznej, nie sposób zapomnieć o podstawowym zjawisku w przyrodzie jakim jest proces fotosyntezy. Woda odgrywa kluczową rolę. Łącząc się z dwutlenkiem węgla prowadzi do powstania użytecznych biologicznie węglowodanów służących jako źródło energii.

Kolejną technologią zaliczaną do grupy odnawialnych źródeł energii jest energetyka geotermalna, gdzie woda stanowi medium energetyczne. Tworzy się odwierty do zbiorników gorących wód geotermalnych, których temperatura wynosi w Polsce od około 30 do 120^OC. Polska ma bardzo dobre warunki do stosowania pomp ciepła z racji występowania na jej terenie naturalnych podziemnych basenów wypełnionych gorącymi wodami.

W Polsce wody i energia geotermalna są  stosowane w lecznictwie, ciepłownictwie, a także w kilku kąpieliskach i ośrodkach rekreacyjnych otwartych w ostatnich latach. Ciepło płytkich partii górotworu i poziomów wodonośnych jest wykorzystywane przy pomocy pomp ciepła, które cechuje na razie umiarkowany rozwój w porównaniu z wieloma innymi krajami. Na świecie z geotermii korzystają już 64 kraje. Szacuje się, że w 2013r. generowanie energii w elektrowniach geotermalnych przyczyniło się do redukcji ok. 52 mln TOE paliw kopalnych.

Myśląc o wodzie z perspektywy energetyki, nie sposób zapomnieć o energii rzek, prądów morskich, pływów czy falowania. Jeszcze przed wynalezieniem maszyn elektrycznych energia wodna była wykorzystywana do napędu młynów, foluszów, kuźni, tartaków czy innych zakładów przemysłowych [8]. Pozyskiwana wartość energii elektrycznej z płynącej wody do całkowitej wytwarzanej w Polsce stanowi ok. 2,46% [10].  Moc zainstalowana elektrowni wodnych zawodowych w naszym kraju wynosi 2,7 GW [11].

Wartości te wydają się nie być kluczowe dla Krajowego Systemu Elektroenergetycznego. Należy  pamiętać, że większość zawodowej energetyki to elektrownie szczytowo-pompowe, które mają jedną bardzo istotną i bezcenną zaletę – są w pewien sposób „sterowalnym” źródłem generacji energii elektrycznej. Jest to idealna technologia dla KSE do pokrywania szczytów zapotrzebowania oraz służą jako rezerwowe źródło wytwórcze w awaryjnych sytuacjach. Woda stanowi zabezpieczenie energetyczne dla całego systemu. 

Wielu naukowców uważa, że zasoby energii pływów morskich należą do najpoważniejszych na świecie. Napływające w czasie przypływu wody są wykorzystywane do napędzania turbin. Buduje się w tym celu specjalne tamy, które powodują w określonych miejscach gwałtowny spadek mas wody napędzając turbiny do generacji energii elektrycznej. Również ogromny potencjał widać przy wykorzystywaniu fal morskich.

Jednak charakter zjawiska powoduje, że obecnie brakuje technologii i wiedzy, aby wykorzystać ten potencjał w pełni. Elektrownie o dużej mocy są nieekonomiczne. Praktyka wykazuje, że zbudowane i działające instalacje mają dużo mniejsze osiągi od oczekiwanych (w teorii). Statystyki pokazują, że obecne zasoby hydroenergetyczne Polski wykorzystywane są jedynie w 12%, co stanowi niewiele ponad 7% mocy zainstalowanej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym [10].

Woda na ziemi pokrywa 70 % powierzchni i wydawać by się mogło, że jest stosunkowo łatwo dostępna. Z danych Krajowego Zarządu Gospodarki Wodnej wynika, że na jednego mieszkańca Polski przypada średnio ok. 1580 m³ wody na rok, a średnie zasoby na jednego mieszkańca Europy to 4560 m³/rok.

Jednak dla sektora energetyki i jego zapotrzebowania stanowi krytyczny nośnik, którego regularnie brakuje. Woda ma udział w każdej z przedstawionych metod wytwarzania energii. W niektórych przypadkach jest kluczowym, w innych pomocniczym składnikiem procesu generacji energii. Stanowi to podstawę do stwierdzenia, że bez wody nie istniałaby energetyka na takim poziomie technologicznym jak dziś.

Nie ma kalorii, barwy a mimo to człowiek nie przeżyłby bez niej więcej niż 10 dni. Pomimo braku wartości energetycznych spełnia wiele istotnych funkcji w ludzkim organizmie odpowiadając za transport substancji odżywczych czy stabilizację temperatury. W energetyce można dostrzec analogię. Woda służy zarówno do transportu surowców energetycznych jak i stabilizacji temperatury procesów zachodzących w energetyce. Cała energetyka, tak jak człowiek, długo bez niej nie wytrzyma. Dlatego budując strategię energetyczną Polski na kolejne lata trzeba za każdym razem pamiętać o kluczowym składniku jakim jest bezcenna woda.

Marek Dawidowski, Alumn IV edycji Akademii Energii

Literatura:

[1] „7 pokus polskiej energetyki Raport o kluczowych wyzwaniach dla sektora”, PWC.

[2] Wikipedia. „Wieża słoneczna” 

[3] Przegląd sposobów wykorzystania energii geotermalnej na świecie i w Europie prof. dr hab. Beata Kępińska, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ("Czysta Energia" - 3/2016)

[4] Berent-Kowalska G., Kacprowska J., Moskal I., Jurgaś A., Kacperczyk G. (i in.): Energia ze źródeł odnawialnych w 2013 r. Informacje i opracowania statystyczne. GUS. Warszawa 2014.

[5] https://gazniekonwencjonalny.wordpress.com

[6] Machowska H.: Niekonwencjonalny Gaz ziemny – gaz z łupków. Czasopismo Techniczne, Zeszyt 16, Rok 109, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej.

[7] http://ziemianarozdrozu.pl/encyklopedia/113/cena-energii-jutro-alternatywy-ropy

[8] Energia prądów morskich, pływów i falowania – Wikipedia

[9] Niechciał J. „Energetyka wodna. Polska wobec świata”, „Energia Gigawat" - 9/2014

[10] Główny Urząd Statystyczny

[11] Strona internetowa „Centrum Informacji o rynku energii – CIRE”, www.cire.pl

[12] Krzemień Z. Wykorzystanie energii fal morskich do produkcji energii elektrycznej, IEI (37656), Warszawa 2013

[13] Oficjalna strona internetowa Ministerstwa Środowiska, https://www.mos.gov.pl/