Rys historyczny wykorzystania sił wodnych na świecie i w Polsce.

"....bo  przyszłość należy do źródeł energii odnawialnej ..."

Pierwszą maszyną napędową, która zastąpiła siłę mięśni ludzkich, a następnie zwierząt było koło wodne. Na początku koło służyło do czerpania wody oraz do mielenia zbóż. Wiadomym jest, że pierwsze koła wodne o wale poziomym istniały już w I wieku p.n.e. na terenach państwa rzymskiego, a opisał je nadworny architekt cesarza Oktawiana Augusta - Marcus Witruwiusz (Vitruvius) Pollio w swym dziele Architektura z lat 25-23 p.n.e. Opisany przez niego młyn z kołem wodnym o osi poziomej jest już wyposażony w przekładnię zębatą, poprzez którą napędzano młyński kamień bieżnikowy osadzony na drugim walc pionowym. Ten typ młynów nazywa się w literaturze światowej młynem rzymskim lub młynem Witruwiusza. Najprawdopodobniej jeszcze wcześniej istniały młyny z kołami wodnymi osadzonymi na wale pionowym razem z kamieniem bieżnikowym. Te bardzo proste rozwiązania miały wirnik obracający się w płaszczyźnie poziomej, do którego doprowadzano wodę rurą o znacznym nachyleniu. Wirniki te były kołami wodnymi typu natryskowego. Woda uderzała w zamocowane na ich obwodzie liczne półczarki lub ukośne deseczki (rys.1).Ten typ młynów jest nazywany w literaturze zajmującej się historią młynarstwa i wykorzystania sił wodnych młynami tureckimi (lub greckimi) albo młynami turbinowymi. Najprawdopodobniej powstały one na terenach Małej Azji, a w Anatolii są jeszcze do dzisiaj bardzo powszechne. W Polsce natomiast nie napotkano na tego typu silniki wodne.

Rys.1 Natryskowe koło wodne. 1 - rura doprowadzająca wodę, 2 - łopatki 

Wracając do kół wodnych o osi poziomej, należy stwierdzić, że ich rozpowszechnianie się na cały świat oraz stale ulepszanie dało początek (razem z siłowniami wiatrowymi, czyli wiatrakami) tzw. pierwszej rewolucji przemysłowej. Rozróżnia się na ogół  3 typy kół wodnych, mianowicie: nasiębierne, śródsiębierne i podsiębierne (rys.2). Na Podhalu można jeszcze spotkać inny typ koła wodnego, zwanego Wołoską. Koło to (rys.3), wraz z całą gamą innych urządzeń wodnoenergetycznych Podhala, opisał Henryk Jost w swej książce pt „Ludowe urządzenia energetyczne i mechaniczne o napędzie wodnym na Podhalu”.

Rys.2.  Koła wodne o wale poziomym: a) nasiębierne, b) śródsiębierne, c) podsiębierne

Rys.3.  Koło wodne „Wałaska”: 1 - rynna doprowadzająca wodę, 2 - odprowadzenie wody

Specjalną odmianą koła wodnego podsiębiernego były młyny wodne; koło wodne było zainstalowane między dwiema połączonymi ze sobą i zakotwiczonymi łodziami a w ruch wprawiał je prąd wodny w rzece. Koła wodne napędzały  najróżniejsze urządzenia w zakładach przetwórczych (np. młyny zbożowe i prochowe, folusze) oraz w tartakach i kuźniach zwanych też młotowniami. Pod koniec średniowiecza koła wodne stały się najważniejszym źródłem mocy mechanicznej, osiągając moce rzędu kilkudziesięciu kilowatów. Przyczyniły się w znacznej mierze do uprzemysłowienia Europy Zachodniej, tym samym do wzrostu jej znaczenia gospodarczego.Dalszy rozwój silników wodnych jest już ściśle związany z turbinami wodnymi. Podstawą ich rozwoju były prace teoretyczne D. Bernoulliego (1730 r.) i L. Eulera, który po raz pierwszy zastosował aparat kierowniczy, oraz doświadczenia J. Segnera (młynek Segnera z 1750 r.) jak i prof. Bourdina (1824 r.), który tym silnikom nadał nazwę turbina. Pierwszym rozwiązaniem turbiny wodnej, które znalazło praktyczne zastosowanie w przemyśle była turbina B. Fourneyrona (1827 r.) z promieniowym przepływem wody. Problemem spornym jest powstanie turbiny Girarda, która jest typową turbiną o przepływie osiowym. Według krajowych badań  jej wynalazcą jest Filip Girard (założyciel zakładów lniarskich w Żyrardowie), który w latach 1826-1844 przebywał w Polsce a w 1828 r. opracował i zainstalował dwie turbiny wodne wg swego pomysłu w dobrach gen. Ludwika Paca w Dawspudzie. Turbiny te stanowiły napęd wielkich młocarni. Historycy francuscy twierdzą natomiast, że ten typ turbiny wynalazł Louiz-Dominiąue  Girard w 1853 r.Kolejne rozwiązanie osiowej turbiny wodnej opracował Hens-chel w 1841 r. Często nazywa sic ją tubinąJonuala. Henschel w swej konstrukcji zastosował po raz pierwszy stożkową rurę ssawną, zwaną początkowo osiowym dyfusorem. Wymienione typy pierwszych turbin wodnych przedstawiono na rys. 4.Wielki przełom w rozwoju reakcyjnych turbin wodnych datuje się od 1849 r., w którym Amerykanin James Bicseno Francis wynalazł nowy typ turbiny o przepływie osiowo-promieniowym. Pierwsze turbiny Francisa miały nieruchome łopatki kierownicze, a dopiero w 1859 r. Fink opracował aparat kierowniczy z przestawialnymi łopatkami kierowniczymi, umożliwiającymi uzyskanie regulacji oddawanej mocy oraz wysokich sprawności przy szerokim zakresie obciążeń. Ten typ turbiny jest do dnia dzisiejszego powszechnie stosowanym dla średnich spadów.

Rys. 4. Rozwiązania pierwszych turbin wodnych: a) turbina Foumeyrona 1827 r.,   b) turbina Henschel-Jonval 1841-1843 r. 1 - wirnik, 2 - kierownica, 3 - dyfazor

W roku 1884 Amerykanin tester Allen Pelton wynalazł turbinę akcyjną stosowaną dla wysokich spadów wody, na ogół powyżej 300 m i dlatego u nas jest bardzo rzadko stosowana.

Olbrzymim postępem w budownictwie turbin wodnych był wynalazek (1918 r.) prof. Wiktora Kaplana, który opracował wirnik typu śmigłowego z przestawialnymi łopatkami wirnika, współpracujący z regulowanym aparatem kierowniczym. Rozwiązanie to, dzięki podwójnej regulacji, charakteryzuje się bardzo wysokimi sprawnościami w zakresie obciążenia 20 do 100% oraz odpowiednio dużymi przełykami szczególnie przy niezbyt wysokich spadach. Ten typ wirników - które są stosowane w najróżniejszych układach doprowadzenia wody do wirnika jak i położenia wału - są obecnie najbardziej rozpowszechnionym typem turbin dla niskich spadów i to zarówno dla małych, jak i wielkich turbozespołów. Pewną modyfikacją tych turbin jest turbina typu Deriaza  z wirnikiem o rozwiązaniu diagonalnym (łopatki wirnika są ustawione ukośnie w stosunku do osi wału turbiny).

Do olbrzymiego rozwoju turbin wodnych na całym świecie przyczyniło się w końcu ubiegłego stulecia ich sprzężenie z generatorami elektrycznymi, a następnie - dzięki transformacji na wysokie i bardzo wysokie napięcie - powstała możliwość przesyłania energii elektrycznej na znaczne odległości. Obecnie największą na świecie jest elektrownia ITAIPU na granicznej rzece Parana między Brazylią i Paragwajem o całkowitej mocy 12 800 MW.

W okresie międzywojennym na terenie Polski w jej ówczesnych granicach znajdowało się około 6500 zakładów mających napęd za pomocą silników wodnych. Największą elektrownią wodną w Polsce w 1939 r. była elektrownia Żur na rzece Wdzie, uruchomiona w grudniu 1929 r. po 16 miesięcznym okresie budowy, z dwiema turbinami Kapłana - każdą o mocy 4,5 MW. W końcowym etapie budowy znajdowała się elektrownia wodna przy wielozadaniowym zbiorniku w Rożnowie na Dunajcu o mocy 50,0 MW, którą oddano do ruchu w 1942 r.

W okresie po  wojnie światowej energetyka zawodowa przejęła liczne elektrownie wodne znajdujące się na terenach odzyskanych, wśród których największą była elektrownia szczytowa z członem pompowym w Dychowie na rzece Bóbr. Elektrownia ta miała trzy turbozespoły pionowe z turbinami Kapłana - każdy o mocy 27 MW oraz dwie pompy akumulacyjne - każda o mocy 5,2 MW. Urządzenia powyższe zostały zdemontowane w 1945 r. przez armię ZSRR jako reparacje wojenne. Ponowne uruchomienie - w oparciu o turbozespół zakupione w ZSRR - nastąpiło w 1951 r. Kolejną elektrownią wodną uruchomioną po 11 wojnie światowej była elektrownia Porąbka na Sole, którą dobudowano do zapory betonowej zbiornika wielozadaniowego oddanego do eksploatacji w 1936 r. Moc tej elektrowni wynosi 2x6,0+0,5 MW. W roku 1955 nastąpiło uruchomienie elektrowni w Czchowie o mocy 4,0+4,4 MW z turbinami Kapłana. Zbiornik w Czchowie wyrównuje przepływy szczytowej elektrowni Rożnów, Elektrownia Myczkowce na Sanie - której budowa rozpoczęta była w okresie międzywojennym - została przekazana do eksploatacji w 1961 r. Z większych elektrowni wodnych zbudowanych w okresie powojennym należy wymienić Koronowe na Brdzie 26 MW (1960/61 r.), Dębe na Narwi 20 MW (1963 r.), Tresna na Sole 21 MW (1967 r.). Wielkim osiągnięciem polskiej hydroenergetyki było zbudowanie największej w kraju zapory betonowej na Sanie w Solinie (objętość betonów 760000 m^j), która utworzyła wielki zbiornik retencyjny o pojemności 474 min m³, a przy nim elektrownię szczytową z członem pompowym. Zainstalowano w tej elektrowni 2 turbozespoły pionowe z turbinami Francisa - każdy o mocy 48 MW i 2 turbozespoły z turbozespołami odwracalnymi Francisa - każdy o mocy 22,5 MW. Były to pierwsze w Polsce (a zarazem w całej Europie Wschodniej) turbozespoły odwracalne. W 1970 r. uruchomiono pierwszą klasyczną elektrownię pompową w Żydowie wyposażoną w 2 turbozespoły odwacalne o mocy po 50 MW i jeden turbozespół klasyczny o mocy 52 MW. W dniu Święta Energetyka w 1973 r. nadano tej elektrowni imię wybitnego polskiego energetyka prof. Alfonsa Hoffmanna. Także w 1970 r. przekazano do eksploatacji pierwszą dużą elektrownię wodną na dolnej Wiśle we Włocławku z 6 turbozespołami wyposażonymi w turbiny Kapłana o sumarycznej mocy 162 MW. Kolejnym osiągnięciem było uruchomienie elektrowni pompowej w Porąbce-Żar z czterema turbozespołami odwracalnymi, każdy o mocy 125 MW w pracy turbinowej. Jest to pierwsza w kraju elektrownia wykonana w całości w rozwiązaniu podziemnym. Jej przekazanie do eksploatacji nastąpiło w 1979 r. Ostatnią wielką elektrownią. Jaką zbudowano w Polsce po wojnie, jest elektrownia pompowa Żarnowiec - ma cztery turbozespoły odwracalne o łącznej mocy 680 MW i jest największą elektrownią pompową w Polsce. Niestety, rozpoczęta budowa kolejnej elektrowni pompowej w Młotach (3 x 250 MW) została wstrzymana na skutek recesji gospodarczej naszego kraju.

Na zakończenie tego krótkiego przeglądu rozwoju hydroenergetyki w Polsce należy jeszcze wspomnieć o bardzo smutnym zjawisku, jakie panowało przez wiele lat w naszej gospodarce, a mianowicie tak zwanej gigantomanii socjalistycznej. Dzięki niej zostało - w ramach energetyki zawodowej - unieruchomionych 19 małych elektrowni wodnych oraz dodatków o - poza energetyką zawodową - 6330 zakładów napędzanych w 1954 r. silnikami wodnymi. Z tej wielkiej liczby zakładów można będzie uratować od całkowitej zagłady najwyżej ok. 650 obiektów, tzn. odbudować je jako małe elektrownie wodne.

Wykorzystanie energii wodnej przez małe zakłady i małe elektrownie wodne miało nieco inną historię. W 1954 roku w Polsce istniało jeszcze ponad 6300 zakładów napędzanych silnikami wodnymi. Skutkiem polityki popierającej obiekty wielkie przeważająca większość z nich została na przestrzeni następnych lat unieruchomiona, a wiele uległo całkowitemu zniszczeniu. Dzisiaj uważa się, że około 650 obiektów można uchronić od ostatecznej zagłady, odbudowując je jako małe elektrownie wodne, a przy okazji ocalając zabytki techniki i architektury, poprawiając stosunki wodne w sąsiedztwie zbiorników, zwiększając ochronę przeciwpowodziową itp.

Na koniec warto wspomnieć, że w wielu słabiej rozwiniętych krajach nadal wykorzystuje się energię mechaniczną uzyskiwaną archaicznym kołem wodnym. A w Nepalu himalajskie strumienie napędzają tzw. młynki modlitewne z umieszczonymi wewnątrz religijnymi sentencjami. Każdy obrót młynka oznacza odmówienie modlitwy w imieniu jego właściciela...