Cała prawda o elektrowniach wodnych. Nie są tak bezpieczne, jak sądzimy

Nie będzie przesadą stwierdzenie, że energetyka wodna stanowiła fundament zrównoważonego rozwoju jeszcze zanim w ogóle ludzkość poznała i zgłębiła to pojęcie. Od wieków mieszkańcy Ziemi wykorzystują przepływ wody do generowania energii, wykorzystywanej później w najrozmaitsze sposoby. Największe projekty „wodne” zapierają dech w piersiach i często uważane są za cuda światowej inżynierii. Miewają one jednak i ciemne,  potencjalnie bardzo niebezpieczne strony, o których mówi się zdecydowanie rzadziej. Czy hydroelektrownie, nasz wielki sojusznik w walce ze zmianami klimatu, grają na dwa fronty? 

Na początek banał wprowadzający - walka ze zmianami klimatu wymaga równoległej pracy na bardzo wielu poziomach i choć sektor energetyczny należy zaliczyć do kluczowych, to przecież nie jest on jedynym wymagającym naszej uwagi. Jego wyjątkowość polega jednak na tym, że oprócz wewnętrznego (związanego np. z wykorzystywanymi surowcami) potencjału dekarbonizacyjnego, posiada ona także istotny wpływ na poziom śladu węglowego, jaki zostawiają inne gałęzie gospodarki. Biorąc pod uwagę powyższe oraz alarmujące doniesienia naukowców związane z tempem wzrostu średniej temperatury, nie powinno dziwić, że szukamy różnych sposobów na wyjście z sytuacji. Nie powinniśmy jednak być przy okazji ślepi na jedno oko i udawać, że wystarczy, aby rozwiązanie było „zielone” (jakkolwiek byśmy to słowo definiowali) i od razu, jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki, znikają wszelkie jego wady. 

Energetyka wodna jest dziś prawdziwym potentatem wśród odnawialnych źródeł energii. Z danych Międzynarodowej Agencji Energetycznej, dotyczących generacji z różnych źródeł odnawialnych, wynika jednoznacznie, że od początku XXI wieku, elektrownie wodne nie mają sobie równych. Przodują one zarówno pod kątem zainstalowanej mocy, jak i generacji. W 2022 hydroelektrownie wytworzyły 4306 TWh (ok. 50% udziału w całości OZE), prognozy MAE na 2023 mówiły o 4558 TWh na 2023 i nawet 5500 TWh w roku 2030, ale tutaj eksperci są raczej ostrożni. Osiągnięcie takiego pułapu – zważywszy na starzejący się park maszynowy oraz trudności w dostępie do wody – byłoby możliwe przy włączaniu do sieci średnio 50 GW nowych mocy rocznie.  To prawie dwa razy więcej niż wynosi średnia za minione pięciolecie. Agencja wskazuje również, że potencjał jest nadal niewykorzystany, a wyniki dotyczące produkcji energii elektrycznej prawdopodobnie byłyby lepsze, gdyby nie susze dotykające m.in. takie kraje i regiony jak: Stany Zjednoczone, Chiny, Turcja, Kanada czy wreszcie Europa Zachodnia. 

Elektrownie wodne dzięki specyfice pozwalającej na elastyczne dostosowywanie produkcji do potrzeb systemu elektroenergetycznego oraz zdolnościach magazynowych (o tym szerzej za chwilę) stanowią poważny oręż w walce, której stawką jest spowolnienie antropogenicznych zmian klimatu. Powszechnie uważa się, że ich zaletą jest bezemisyjność, ale w świetle najnowszych (choć nie tylko) badań kwestia ta nie jest już tak oczywista. Zrozumienie tego zjawiska wymaga, abyśmy wcześniej przyjrzeli się nie tylko logice funkcjonowania tego typu siłowni, ale również ich rodzajom. 

Energetyka wodna (rozumiana, jako wykorzystywanie wody do napędzania różnego rodzaju mechanizmów) jest niemal tak stara jak świat – a przynajmniej wiele starożytnych cywilizacji. Wśród najważniejszych wymienić należy przede wszystkim mieszkańców Bliskiego Wschodu, na czele z Sumerami i Babilończykami. Ale z tego rodzaju energii korzystali także Grecy, Chińczycy czy Rzymianie w I wieku n.e. Nie chciałbym prowadzić tutaj wykładu historycznego, ale szczerze zachęcam Państwa do zgłębienia tego fascynującego tematu. I pozwalam sobie wrócić do współczesności.

Wspomnieliśmy już, że woda jest znakomitym magazynem energii, nie zaznaczając jednak o jaki rodzaj jej chodzi – to energia potencjalna. Możliwa jest jej zamiana na energię kinetyczną, a następnie dzięki turbinom na elektryczną. Elektrownie wodne możemy budować zarówno na rzekach, jak i na jeziorach. W większości przypadków mechanizm polega na wykorzystaniu „paliwa” (wody), które w całym procesie nie ulega redukcji. Dzieje się tak dzięki procesowi spiętrzaniu wody np. za pomocą śluz, a następnie kierowaniu jej przepływu w stronę turbin, które odpowiadają już bezpośrednio za wytwarzanie prądu.

Wyróżnić możemy kilka rodzajów elektrowni wodnych, najważniejsze to:

-      elektrownie przepływowe – wykorzystują siłę wody płynącej w rzekach;

-      elektrownie pływowe – najsłabiej rozpowszechniony (m.in. ze względu na koszty i „świeżość” technologii) rodzaj hydrosiłowni – w tym przypadku to fale morskie wprawiają w ruch specjalne oprzyrządowanie, którego celem jest generacja EE;

-      elektrownie zaporowe – obrót turbin powoduje spływanie spiętrzonej wcześniej wody, nagromadzonej w dużych zbiornikach (jak np. jeziora);

-      elektrownie szczytowo-pompowe – mogą pełnić funkcję magazynów energii, podczas nadwyżki jest ona wykorzystywana, aby przepompować wodę z dolnego zbiornika do położonego wyżej. Kiedy pojawi się zapotrzebowanie, to za pomocą ruchu wody w odwrotnym kierunku (z góry na dół), znanego z innych tego typu siłowni, napędzane są turbiny oddające dużą część „nagromadzonej” w ten sposób energii;

Jeśli chodzi o CAPEX, to koszty realizacji takich inwestycji wiążą się najczęściej z wydatkami dotyczącymi budowy infrastruktury – jak np. zbiorniki, zapory czy tunele oraz zakup urządzeń do wytwarzania energii elektrycznej (mowa tu oczywiście o całych systemach). Na wysokość wyzwania inwestycyjnego będzie mieć wpływ również lokalizacja – odpowiedni dobór miejsca i rozwiązań może pomóc w ograniczeniu wydatków. 

I tutaj płynnie dochodzimy do drugiej strony medalu. Jak pewnie zauważyliście Państwo, oczywistym i nieodzownym elementem funkcjonowania tego typu instalacji jest ruch wody oraz (w części przypadków, ale dość powszechnych) także pokrywanie nią znacznych połaci terenu. A to niesie ze sobą poważne konsekwencje. Całkiem niedawno brytyjskie BBC opisywało problem energetyki wodnej związany z… emisjami. Autorzy, powołując się na badania, zwracali uwagę, że głównym winowajcą jest w tym przypadku przeciwnik znacznie groźniejszy niż dwutlenek węgla, tj. metan. 

Źródłem emisji metanu, liczonej w tonach (BBC pisze tutaj o 22 mln ton rocznie) są zbiorniki wodne i hydroelektrownie. Przepływ wody i ruch turbin sprawiają, że nagromadzone w wodzie CH4 uwalnia się do atmosfery – oczywiście w uproszczeniu. Naukowcy twierdzą (m.in. M.Saunois), że jego stężenie zależy w istotnym stopniu od dostępności tlenu w zbiorniku - im jest ona mniejsza, tym jest ono większe. 

Sprawa ta wymaga bez wątpienia odpowiedniej uwagi, ponieważ metan to najsilniejszy gaz cieplarniany, którego obecne nagromadzenie w atmosferze jest w znacznym stopniu (mówi się tu o 60%) spowodowane przez człowieka. Wskaźnik GWP dla metanu (Global Warming Potential) wynosi 27,9 (dwutlenku węgla – 1) – zaznaczyć należy, że są to wartości ulegające zmianom i tak np. w przypadku podtlenku azotu możemy obserwować tendencję lekko zniżkową. Niemniej, mamy do czynienia z gazem, który odpowiada za ok 30% zjawiska, które zwykło się nazywać zmianami klimatu. International Hydropower Association informuje, powołując się tutaj na badania, że równocześnie tylko w ciągu ostatnich pięciu dekad energetyka wodna pomogła w uniknięciu 100 miliardów ton emisji CO2. Wygląda więc na to, że rachunek klimatycznych zysków i strat wypada raczej na korzyść hydroelektrowni. 

Za generację około 60% energii wodnej (rozumianej w tym przypadku jako energia elektryczna wytworzona w opisywany powyżej sposób) odpowiada dziesięć krajów. Potencjał wody wykorzystują w największym stopniu Chińczycy, druga jest Brazylia, a trzecie Stany Zjednoczone. W „dziesiątce” znajdują się również takie państwa jak: Kanada, Rosja, Indie, Norwegia, Wenezuela, Szwecja oraz Japonia. 

Największą hydroelektrownią w Chinach oraz na świecie jest Zapora Trzech Przełomów, o której szerzej pisał tutaj red. Jakub Wiech. Dość wspomnieć, że to siłownia mogąca zaspokoić ok. 15% chińskiego zapotrzebowania na energię, dysponująca mocą 22,5 GW(!) oraz mająca wpływ na tempo obrotu Ziemi (ze względu na masę zgromadzonej wody).

Zabawnie się złożyło, bo największa hydroelektrownia drugiego kraju w zestawieniu – Brazylii – jest równocześnie drugą największą na świecie – to Itaipú o mocy 14 GW, zlokalizowana na granicy z Paragwajem. Siłownia została oddana do użytku w 1984 roku, a w 2016 pobiła globalny rekord generacji, wypracowując zawrotne 103 098 366 MWh. 

W przypadku Stanów Zjednoczonych prym wiedzie Grand Coulee o mocy około 6,8 GW, pozycjonującej ją w okolicach 7 miejsca światowych rankingów. Działa ona od ponad 80 lat i rocznie jest w stanie zaspokoić zapotrzebowanie na elektryczność nawet 2 milionów gospodarstw domowych. W czasie II wojny światowej pomagała zasilać zakłady produkujące aluminium. Zapora jest uważana za jeden z siedmiu cudów inżynierii lądowej na terytorium USA.

Także w Polsce funkcjonują elektrownie wodne, choć mają one zdecydowanie mniej imponujące statystyki niż opisani powyżej giganci. Niektóre są bardzo stare, bo liczą sobie już ponad sto lat – na przykład Pilchowice z 1912 roku czy jeszcze starsza siłownia na Krutyni (1899). Większość z ok. 800 polskich elektrowni wodnych jest nieduża, największa z nich to Żarnowiec o mocy 716 MW. Niestety, jak wskazują eksperci (np. z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu) Polska nie należy do europejskich prymusów, jeśli chodzi o wykorzystanie potencjału wody. A szkoda, ponieważ są one znakomitymi stabilizatorami systemu oraz czystym (na tle np. paliw kopalnych) źródłem energii mogącym wspierać funkcjonowanie mniej sterowalnych OZE, jak słońce czy wiatr. Czy nie przydałyby się nam świeże spojrzenie i skuteczna (podkreślam) strategia w tym zakresie?