Aktualności

Powrót
22.03.2014

Światowy Dzień Wody (World Water Day) 2014 Woda i Energi (Water and Energy

Światowy Dzień Wody (ŚDW) został ustanowiony na konferencji Narodów Zjednoczonych w 1992 r. - Środowisko i Rozwój (Environment and Development). Przyjęto, że będzie on obchodzony co roku 22 marca pod wybranym na dany rok hasłem. Po raz pierwszy ŚDW obchodzono w 1994 r. pod hasłem Dbałość o nasze zasoby wodne leży w interesie każdego człowieka (Carrying for our water resources is everybodies business). Przez kolejne 20 lat ŚDW obchodzony był pod hasłami ściśle związanymi z wodą i wykorzystaniem zasobów wodnych. Celem ŚDW było zwracanie uwagi społeczeństwom, politykom i decydentom, że woda jest niezbędna do życia oraz działalności gospodarczej i społecznej.

world water day

W 2014 r. hasło ŚDW zostało rozszerzone o problematykę energii. Wynika to z faktu, że energia tak jak i woda staje czynnikiem niezbędnym dla rozwoju gospodarczego i społecznego świata a ponadto obie te dziedziny (woda i energia) są ze sobą ściśle powiązane i od siebie zależne.

Obchody ŚDW 1994 – 2013

Ustanowienie ŚDW przez konferencję Narodów Zjednoczonych w 1992 r. w Rio de Janeiro – Środowisko i rozwój (Environment and Development) było podyktowane następującymi faktami [1].

  • Woda jest niezbędna do życia wszystkich istot żywych i roślin.
  • Jesteśmy ściśle zainteresowani zasobami wody słodkiej (fresh water), której objętość wynosi zaledwie 2,5% całej wody zgromadzonej na kuli ziemskiej.
  • Ilość wody słodkiej na kuli ziemskiej jest stała i bardzo nierównomiernie rozłożona.
  • Woda nie ma substytutu.
  • Woda jest wykorzystywana w wielu procesach przemysłowych, w rolnictwie do nawodnień, do wytwarzania energii elektrycznej oraz w żegludze śródlądowej.
  • Wodę należy oszczędzać a przede wszystkim nie marnować.

W ciągu minionych 20 lat obchody ŚDW odbywały się pod następującymi hasłami.

1994 – Dbałość o nasze zasoby wodne leży w interesie każdego człowieka (Carrying for our water resources is everybody’s business)

1995 – Kobiety i woda (Women and water)

1996 – Woda dla spragnionych miast (Water for Thirsty Cities)

1997 – Światowe zasoby wody: czy ich wystarczy? (The World's Water: Is there enough?)

1998 – Wody podziemne, niewidoczne zasoby (Groundwater – The Invisible Resorce)

1999 – Każdy żyje (mieszka) poniżej (w dolnym biegu rzeki) (Everyone Lives Downstream)

2000 – Woda dla XXI wieku (Water for the 21st century)

2001 – Woda dla zdrowia (Water for Health)

2002 – Woda dla rozwoju (Water for Development)

2003 – Woda dla przyszłości (Water for Future)

2004 – Woda i kataklizmy (Water and Disasters)

2005 – Woda dla życia (Water for Life 2005–2015) było to rozpoczęcie 10-letniej dekady poświęconej wszelkim aspektom znaczenia wody w życiu ludzi i środowiska

2006 – Woda i kultura (Water and Culture)

2007 – Jak poradzić sobie z niedostatkiem wody? (Coping With Water Scarcity)

2008 – Urządzenia sanitarne (Sanitation)

2009 – Woda w strefach transgranicznych (Transboundary waters)

2010 – Czysta woda dla zdrowego świata (Clean Water for a Healthy World)

2011 – Woda dla miast: odpowiedź na wyzwanie miast (Water for cities: responding to the urban challenge)

2012 – Woda i bezpieczeństwo żywności: świat jest spragniony, ponieważ my jesteśmy głodni (Water and Food Security: The World is Thirsty Because We are Hungry)

2013 – Współpraca w dziedzinie wody (Water Cooperation)

Wybrane dotychczas hasła ŚDW przedstawiały szerokie spektrum bardzo istotnych problemów. Czy te problemy w skali globalnej zostały rozwiązane? Oczywiście nie. W przedstawionych hasłach pokazano jedynie bardzo ważne problemy w gospodarowaniu zasobami wodnymi i wskazano sposoby ich rozwiązania. Trzeba jednak zdawać sobie sprawę, że rozwiązanie tych problemów nawet tylko w połowie wymagałoby ogromnych środków finansowych, których niestety brak.

Okazuje się, że obecnie, z 7,2 miliardów ludzi zamieszkujących kulę ziemską, około 800 milionów nie ma dostępu do zdrowej wody do picia a ponad 2,5 miliarda nie posiada odpowiednich urządzeń sanitarnych. Stanowi to poważne zagrożenie dla zdrowia ludzi. Bardzo ważnym problemem są wszelkie zagrożenia wywołane wodą w postaci nawalnych deszczy, powodzi, lawin błotnych czy gradobić. Poważne straty ekonomiczne i społeczne wywołuje również brak wody związany z suszami i bardzo wysokimi temperaturami powietrza. Istotnym problemem jest zapewnienie odpowiedniej ilości wody dla produkcji żywności, której zapotrzebowanie stale wzrasta. Palącym problemem staje się zaopatrzenie w wodę miast w związku z szybko rozwijającą się urbanizacją.

W wyżej wymienionych hasłach zwraca się szczególną uwagę, że rozwiązanie tych problemów wymaga ścisłej współpracy w wielu sektorach, jak i współpracy międzynarodowej na rzekach i zlewniach transgranicznych.

Woda, ile jej jest i jak ją wykorzystujemy?

Woda jest związkiem chemicznym znanym powszechnie jako H2O. Najczęściej występuje jako ciecz, ale może być również w postaci stałej, jako lód lub śnieg i w postaci lotnej jako para wodna. Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem oraz nośnikiem i transportuje rzekami wiele rumowiska w formie wleczonej i unoszonej oraz związki chemiczne w formie rozpuszczonej. Woda charakteryzuje się nietypowym przebiegiem zmiany gęstości z temperaturą. Największa gęstość wody występuje przy temperaturze 4oC, co ma bardzo istotne znaczenie w przyrodzie. Woda posiada prawie stałe ciepło właściwe w całym zakresie temperatury, ale charakteryzuje się nietypowym jak dla cieczy wysokim ciepłem utajonym parowania (kondensacji) i krystalizacji (tajania).

Ile jest wody na kuli ziemskiej? Szacunkowa wartość to 1386 ∙ 106 km3. Jest to liczba trudna do wyobrażenia. Gdybyśmy całą wodę rozłożyli równomiernie na powierzchni globu to utworzyłaby ona warstwę o grubości około 2700 m. Woda ta występuje w hydrosferze (głównie morza i oceany, ale i rzeki, jeziora, sztuczne zbiorniki), litosferze (wody podziemne), atmosferze i biosferze. Nas interesuje przede wszystkim woda słodka, której wartość szacuje się na 35 ∙ 106 km3. Jest to jedynie około 2,5% całej objętości wody. Z tej objętości 69,9 % wody słodkiej zamrożone jest w lodowcach a około 30% to wody podziemne. Woda w rzekach i zbiornikach retencyjnych, z której głównie korzystamy stanowi jedynie około 6,4∙103 km3 czyli 0,0002% wody słodkiej. Może to wydawać się bardzo mało, jednak należy pamiętać, że woda w rzekach jest w ciągłym ruchu i jej tzw. średni czas retencji wynosi około 20 dni. To znaczy, że w rzekach średnio czas przepływu cząstki wody od źródła do ujścia wynosi prawie 20 dni. Wodę wzdłuż biegu rzek możemy wykorzystywać wielokrotnie budując na przykład kaskadę zbiorników wodnych czy wykorzystując wodę z rzeki dla kolejnych elektrowni cieplnych do chłodzenia kondensatorów turbin.

Warto zwrócić uwagę, że woda zamrożona w lodowcach tworzyłaby na kuli ziemskiej warstwę o grubości około 50 m. Gdyby tylko 2% lodów uległo stopieniu w wyniku ocieplania się klimatu, to w rezultacie mielibyśmy podniesienie poziomu mórz o około 1 m. Dla niektórych krajów nisko położonych w strefach przybrzeżnych mórz byłaby to sytuacja krytyczna.

Cykl hydrologiczny

Woda występująca na powierzchni ziemi i w jej warstwie powierzchniowej jest w ciągłym ruchu. Ten obieg wody jest określany jako cykl hydrologiczny. Mechanizmem napędzającym ruch wody w cyklu hydrologicznym jest energia słoneczna wywołująca parowanie a następnie siła grawitacji powodująca opadanie, na powierzchnię ziemi, kropel wody w opadach atmosferycznych. Woda spadająca na powierzchnię ziemi w formie opadów atmosferycznych spływa głównie po powierzchni ziemi tworząc strumienie i rzeki i odpływa do mórz. Ilość wody, która rzekami w ciągu roku odpływa do mórz i oceanów szacuje się na około 44 – 46 ∙ 103 km3. Jest to woda, która znajduje się głównie do naszej dyspozycji [2].

Skąd bierze się woda w rzekach? Odpowiedź brzmi – z opadów atmosferycznych. Warto jednak zwrócić uwagę na fakt, że nie cała woda, która wyparowuje z powierzchni mórz i oceanów wraca do nich w formie opadu. Część wody, która wyparowała z mórz przenosi się nad powierzchnie lądów i tam dopiero spada w formie opadu atmosferycznego. Spływając rzekami i w formie przepływu podziemnego zamyka bilans cyklu hydrologicznego

Możliwe jest również wykorzystanie do celów gospodarczych wód podziemnych, jednak ich zasoby użytkowe są znacznie mniejsze od tych jakie mamy w rzekach. Część wody z opadów atmosferycznych infiltruje do ziemi i dopływa do rzek, jezior i zbiorników wodnych a część wody z infiltracji przepływa w formie przepływu podziemnego i ostatecznie do mórz.

Ostatnio zasoby wody słodkiej są w sposób sztuczny zwiększane na drodze odsalania wody morskiej. W niektórych miejscach odsalanie wody ma istotne znaczenie społeczne i gospodarcze, jednak w skali globalnej ilość ta ma marginalne znaczenie. Schematycznie cykl hydrologiczny przedstawiony jest na Rys. 1.

 cykl hydrologiczny

Rys. 1. Cykl hydrologiczny [2]

Rozkład opadów atmosferycznych na powierzchni lądów a tym samym i zasoby wodne, jest bardzo nierównomierny. Są miejsca na kuli ziemskiej, gdzie przez ostatnich kilkanaście lat nie spadła kropla deszczu i takie miejsca, gdzie roczny opad wynosi 11 000 mm. Średni z wielolecia opad atmosferyczny w Polsce wynosi około 620 mm i jest mniejszy od średniej światowej wynoszącej około 800 mm.

Jednym ze sposobów oszacowania zasobów wodnych regionów, krajów bądź kontynentów jest tzw. wskaźnik dostępności wody. Jest to ilość wody odpływająca z danego terenu w ciągu roku rzekami do mórz podzielona przez liczbę mieszkańców znajdujących się na tym terenie. W skali globalnej wskaźnik ten maleje, bowiem ilość wody odpływająca do mórz jest stała natomiast liczba ludności rośnie. Przyjmując odpływ rzekami do mórz jako 46 ∙ 103 km3, w 2013 r., gdy ludność świata liczyła 7,2 mld. ludzi wskaźnik dostępności wody wynosił 6390 m3 na mieszkańca rocznie. W roku 2000 przy liczbie ludności 6,0 mld. wskaźnik wynosił 7670 m3, a w 1990 r. przy liczbie ludności 5,2 mld. 8850 m3. Tak więc w skali globalnej wskaźnik dostępności wody systematycznie maleje. Ilość wody w skali globalnej przypadająca na jednego mieszkańca jest w pełni wystarczająca na pokrycie wszelkich potrzeb. Jednakże ze względu na nierównomierny rozkład wody na kuli ziemskiej oraz względy ekonomiczne około 800 milionów ludzi nie ma dostępu do zdrowej wody do picia a ponad 2,5 miliarda ludzi nie ma dostępu do należytych urządzeń sanitarnych. Te oba fakty mają niestety bardzo negatywny wpływ na warunki zdrowotne ludzkości. Hasła Światowego Dnia Wody zwracające uwagę na te sprawy pozostają niestety tylko hasłami, bowiem spełnienie ich nawet tylko w 50% wymagało by ogromnych nakładów finansowych.

Wskaźnik dostępności wody w Polsce wynosi około 1600 m3 na mieszkańca rocznie, co wynika ze średniego rocznego odpływu wody rzekami z terenu Polski wynoszącego 62 km3 i liczby ludności 38,5 mln. mieszkańców. W Polsce wskaźnik dostępności wody utrzymuje się mniej więcej od szeregu lat na stałym poziomie, gdyż liczba ludności nie wzrasta. Niniejszy wskaźnik liczony jest dla średniego rocznego odpływu i jest on na granicy dopuszczalnej z punktu widzenia gospodarki wodnej. Jednak dla odpływu niskiego wskaźnik spada poniżej 1000, co jest w gospodarce wodnej uważane za stan krytyczny. Polska, jeżeli chodzi o zasoby wodne znajduje się na jednym z ostatnich miejsc w Europie. Średni wskaźnik dostępności wody w Europie wynosi około 4500 m3, jest więc prawie trzykrotnie wyższy od tego wskaźnika w Polsce.

Bardzo ważnym wskaźnikiem świadczącym o możliwości gospodarowania wodą jest ilość wody jaka jest zgromadzona w zbiornikach retencyjnych. Zbiorniki takie powstają przez spiętrzenia na rzekach. Pozwala to na lepsze wykorzystanie wody szczególnie w okresie niskich przepływów. W Polsce pojemność zbiorników retencyjnych szacowana jest na około 3,6 km3, co stanowi około 6% średniego rocznego odpływu. Jest to mało w porównaniu z takim wskaźnikiem krajów sąsiednich, który zazwyczaj przekracza 10%. Osiągnięcie w Polsce wskaźnika retencjonowania w wysokości 10% będzie bardzo trudne ze względu na wysoki koszt tych inwestycji, jak również protesty wszelkiego rodzaju organizacji ekologicznych przeciw takim inwestycjom.

Zapotrzebowanie na wodę

Minimalna dzienna ilość wody potrzebna dla przeżycia człowieka szacowana jest na 2-3 l. Ocenia się, że dla zaspokojenia dziennych potrzeb komunalnych potrzeba minimum około 20-40 l. Średnie zużycie dzienne wody w Polsce dla celów komunalnych wynosi około 150 l.

W Polsce mimo niskich średnich zasobów wodnych, wynoszących około 1600 m3 na mieszkańca rocznie, niskiego współczynnika zretencjonowania wód (około 6%) okazuje się, że stan zaopatrzenia w wodę przemysłu, rolnictwa i gospodarki komunalnej jest wystarczający w średnich warunkach przepływów. Wynika to z faktu, że polskie rolnictwo pobiera bardzo mało wody do nawodnień. Ilość ta nie przekracza 10% całkowitego poboru, podczas gdy w wielu krajach Europy jest on bardzo wysoki, przekraczający nawet 50% całkowitego poboru wody. W Polsce w przypadku przepływów niskich sytuacja zaopatrzenia w wodę może być krytyczna.

 współczynnik eksploatacji wody

Rys.2. Współczynnik eksploatacji wody (Źródło: EEA 2003, Europ’s Water)

Powszechnie znany jest tzw. współczynnik eksploatacji wody (water exploitation index - WEI – European Environmental Agency), który jest stosunkiem całkowitego poboru wody dla różnych celów i dostępnych zasobów wodnych (roczny odpływ rzeczny). Współczynnik ten dla krajów Europejskich przedstawiono na Rys.2. W tym ujęciu Polska uwzględniając pobór wody dla chłodzenia kondensatorów turbin elektrowni cieplnych ma WEI równy około 18%, natomiast uwzględniając jedynie pobór dla celów komunalnych i rolniczych Polska jest w środku krajów europejskich tuż poniżej Francji. Wartość tego współczynnika poniżej 20% oznacza sytuację nie zagrażającą (non stressed). Pobór wody do chłodzenia kondensatorów turbin jest w naszym kraju dosyć istotny, bowiem elektrownie cieplne stanowią zasadnicze źródło energii elektrycznej. W tym ujęciu taki sam WEI będą miały kraje, które mają małe zasoby wodne i mały pobór wody oraz kraje, które posiadają duże zasoby wodne, ale również duży pobór wody.

Woda pobrana z wód powierzchniowych do chłodzenia kondensatorów turbin po przejściu przez nie wraca w tej samej ilości jedynie o podwyższonej temperaturze. Duże ilości wody potrzebne są również w różnych procesach technologicznych w przemyśle ciężkim, spożywczym i farmaceutycznym. Woda jest używana również jako środek do transportu różnych produktów i surowców rurociągami.

Zużycie wody na świecie jest bardzo zróżnicowane. Obecnie 17% poboru to gospodarka komunalna, 16% - przemysł a 67% - rolnictwo. Zużycie wody w Polsce jest zupełnie inne. Gospodarka komunalna pobiera 13% wody, rolnictwo – 8% a 79% poboru obejmuje przemysł, w tym energetykę cieplną.

Zużycie wody w wartościach bezwzględnych w przeliczeniu na mieszkańca jest również bardzo zróżnicowane. Całkowity pobór wody w Polsce wynosi około 300 m3 na mieszkańca rocznie. Średnia poboru dla Europy wynosi około 550 m3 a średnia światowa to około 610 m3. Niski pobór wody w Polsce wynika z faktu, że nasze rolnictwo opiera się głównie na opadach atmosferycznych.

Jakie mamy rodzaje wody?

Woda niebieska i zielona

Jeszcze w połowie ubiegłego wieku ludzie nie zdawali sobie sprawy z ważności wody dla rozwoju i życia flory i fauny oraz, że woda będzie podstawowym czynnikiem rozwoju gospodarczego i społecznego. Stąd obecnie coraz częściej zaczęto mówić o wodzie. Jako podstawowe określenie uważano, że woda jest niebieska. Nazwa ta pochodzi od koloru nieba odbijającego się w zwierciadle wody. Z biegiem czasu powstało określenie – woda zielona, to jest woda związana z roślinami i ewapotranspiracją. Na Rys. 3 przedstawiono schematycznie w obiegu wody na kuli ziemskiej oraz co rozumiemy pod pojęciem wody niebieskiej i wody zielonej.

Okazuje się, że około 70% strumienia wody zielonej w formie ewapotranspiracji z roślin do atmosfery pochodzi z obszarów leśnych, łąk i mokradeł. Około 10% wody parującej z roślin do atmosfery pochodzi z upraw rolnych. Jeżeli zwiększymy uprawy rolne a tym samym ewapotranspirację to część wody niebieskiej zmienimy na zieloną i tym samym zaburzymy istniejący cykl hydrologiczny. Tym sposobem zmniejszymy odpływ wody z lądów do mórz i oceanów (woda niebieska), co może mieć poważne konsekwencje w bilansie wodnym na kuli ziemskiej. Warto zwrócić uwagę, że wzrost obszarów roślin na biopaliwa czy biomasę do spalania wymagać będzie znaczących ilości wody, co może zmienić globalny bilans wody.

woda zielona i niebieska

Rys. 3. Schematyczne przedstawienie wody zielonej i niebieskiej w cyklu hydrologicznym. ET – ewapotranspiracja. Źródło: Stockholm Water Front

Woda wirtualna

Określenie to pojawiło się stosunkowo niedawno i zyskuje coraz większą popularność. Pod tym pojęciem rozumiemy ilość wody jaką trzeba zużyć do wyprodukowania określonego produktu. Kilka przykładów dotyczących produktów związanych z rolnictwem. Okazuje się, że filiżanka kawy zawiera 130 l wody wirtualnej, czyli prawie tyle ile wynosi dzienna norma zużycia wody dla jednego człowieka dla pokrycia wszystkich potrzeb komunalnych (mycie, kąpiel, prysznic, toaleta, pranie, posiłki). Te 130 l. wody potrzebne jest do wyhodowania ziaren kawy ich zebranie przetworzenie i dostarczenie do punktów sprzedaży. Nie określamy tu czy woda ta pochodzi z opadów atmosferycznych czy z nawodnień. Na wyprodukowanie kromki chleba zużywamy 40 l. wody wirtualnej. Na wyprodukowanie 1 kg wołowiny potrzebujemy aż 15 000 l wody wirtualnej a na wytworzenie 1 kg pszenicy – 1 500 l. Często uważa się, że z eksport żywności może być utożsamiany z eksportem wody, która była potrzebna do wytworzenia tej żywności.

Woda czarna

W ostatnich latach powstało jeszcze jedno nowe określenie - woda czarna. Nabiera ono coraz większego znaczenia. Jaka jest geneza tego określenia? Na całym świecie widoczny jest proces urbanizacji. Przed kilkoma laty liczba ludności w skali globu w miastach i na wsi wyrównała się. W Polsce mamy znaczną przewagę ludności zamieszkujących w miastach nad tymi zamieszkującymi na wsi. Z tym wiąże się bardzo trudny problem dostarczenia odpowiedniej ilości wody do celów komunalnych do dużych aglomeracji miejskich a jeszcze trudniejszy jest proces odprowadzenia ścieków i ich oczyszczenia z zanieczyszczeń mechanicznych, chemicznych i biologicznych. Rosnące liczby ludności w miastach, ale również coraz bardziej rozbudowane sieci kanalizacyjne, obejmujące również obszary wiejskie, stwarzają poważny problem. Woda zanieczyszczona z obszarów miejskich i zakładów przemysłowych to właśnie woda czarna. Woda odzyskana ze ścieków, po ich oczyszczeniu, stanowi dziś istotnie źródło zaopatrzenia w wodę. W zależności od stopnia oczyszczenia ta tzw. woda czarna może być wykorzystana do różnych celów jak np. do różnych procesów przemysłowych czy nawodnień. Po odpowiednim oczyszczeniu woda ta może być odprowadzona z powrotem do rzek, skąd została pobrana.

Zanieczyszczenia termiczne (thermal pollution) wód powierzchniowych

Problem ten był znany już bardzo dawno jako tzw. wody podgrzane związane z pracą elektrowni cieplnych. Bardzo korzystny, z punktu widzenia elektrowni, był pobór wody do chłodzenia z rzek, zbiorników retencyjnych czy jezior i odprowadzenie ich w tej samej ilości, ale o podwyższonej temperaturze zazwyczaj około 10 oC. Z biegiem czasu zaczęły powstawać coraz bardziej rygorystyczne ograniczenia temperatury wody, podyktowane głównie względami ekologicznymi. Takie rozwiązania znane są w postaci otwartych obiegów wody chłodzącej. Elektrownia cieplna o mocy 1000 MW wymaga poboru wody chłodzącej o natężeniu około 30 m3/s. Zrzut wody podgrzanej znajduje się zawsze poniżej ujęcia, tak aby uniknąć recyrkulacji, czyli ponownego poboru wody już podgrzanej. Konstrukcja zrzutu wód podgrzanych pozwalała na odprowadzenie wody podgrzanej tak, aby rozpływała się na powierzchni odbiornika, bądź aby następowało szybsze mieszanie się wody chłodnej i podgrzanej. Rozwiązanie pierwsze powoduje szybsze oddawanie ciepła do atmosfery wynikające z wyższej różnicy temperatur wody na powierzchni odbiornika i atmosfery, ale konsekwencją tego jest większe lokalne podwyższenie temperatury wody w rejonie zrzutu. Rozwiązanie drugie dawało w efekcie szybsze obniżenie temperatury wody w odbiorniku, ale tym samym wolniejszy proces oddawania ciepła z powierzchni wody do atmosfery. Takie rozwiązania mają swoje korzyści techniczne, ale również poważne konsekwencje ekologiczne. W niektórych przypadkach zrzuty wód podgrzanych do rzek powodowały znaczące zmiany reżimu lodowego. Szacuje się, że w wyniku zrzutu wód podgrzanych zwiększa się parowanie ze swobodnej powierzchni oceniane na około 0,5 do 0,8% przepływu wód podgrzanych zależnie od konstrukcji zrzutu oraz warunków meteorologicznych. Obecnie ze względów środowiskowych istnieją ograniczenia maksymalnej temperatury wody w rejonie zrzutu. Może to powodować ograniczenie produkcji energii elektrycznej.

WODA I ENERGIA

Tegoroczny ŚDW ma po raz pierwszy rozbudowane hasło: woda i energia, ponieważ są to dwie dziedziny wzajemnie od siebie zależne. Dlatego też warto zwrócić uwagę na bardzo istotny fakt, że obecnie około 8% całej wyprodukowanej energii elektrycznej zużywane jest na pobór wody, jej transport rurociągami, oczyszczanie i uzdatnienie, doprowadzenie do końcowych użytkowników oraz odprowadzenie ścieków. Ten poważny wydatek energii związany jest z tym, że coraz częściej stosujemy przesył wody rurociągami pod ciśnieniem wypierający przepływ grawitacyjny kanałami otwartymi, który uwarunkowany jest konfiguracją terenu, ale również większymi stratami wody na parowanie.

Na początku XXI wieku powszechne było stwierdzenie: gdyby wszyscy mieszkańcy kuli ziemskiej mieli odpowiedni dostęp do wody i energii wiele społecznych problemów mogłoby być rozwiązanych. Stwierdzenie to jest nadal w pełni uzasadnione. W poprzedniej części mówiliśmy już, że prawie jeden miliard ludzi nie ma dostępu do zdrowej wody do picia a ponad 2 miliardy nie ma dostępu do odpowiednich urządzeń sanitarnych. Okazuje się ponadto, że około 1,3 mld. ludzi nie ma dostępu do elektryczności, co obecnie jest poważnym ograniczeniem rozwoju społecznego i ekonomicznego.

Woda i energia są ściśle ze sobą powiązane. Potrzebujemy wody przy wytwarzaniu energii elektrycznej, do chłodzenia, magazynowania energii (elektrownie szczytowo-pompowe), wytwarzania biopaliw i w klasycznej energetyce wodnej. Potrzebujemy również energii dla pompowania wody, oczyszczania ścieków i odsalania. Woda i energia są również niezbędne przy produkcji żywności koniecznej dla rosnącej stale liczby ludności.

Podstawowe surowce energetyczne (nieodnawialne) takie jak węgiel, ropa naftowa, gaz czy ruda uranowa ulegają wyczerpywaniu i dlatego cały świat poszukuje odnawialnych źródeł. Niektóre z nich, takie jak energia wody czy wiatru były znane już przed tysiącami lat, inne pojawiają się dopiero ostatnio w wyniku nowych rozwiązań technologicznych (fotowoltaika). Dziś na energię i wodę musimy spojrzeć całościowo nie tylko w ramach pojedynczego sektora, ale również pod kątem dobra całego społeczeństwa czy ekosystemu. Rozwiązanie tych problemów wymaga nie tylko spojrzenia lokalnego, ale również regionalnego, międzynarodowego czy nawet globalnego.

Wiadomo, ze woda jest niezbędna do życia wszelkich istot żywych i roślin, to trudno wyobrazić sobie egzystencję społeczeństw bez energii. Szczególnego znaczenia nabiera energia elektryczna, która jest w coraz powszechniejszym użyciu. Nawet jej chwilowy brak powoduje obecnie pełny paraliż w życiu społecznym i gospodarczym.

Podstawowymi czynnikami rządzącymi zapotrzebowaniem na wodę i energię są demografia i standard życia. Problemy te wykraczają bardzo często poza obszary poszczególnych państw, dorzeczy czy sieci energetycznych. Współpraca w tych obszarach musi polegać na osiąganiu korzyści dla całości systemów a nie tylko poszczególnych sektorów jak również dążenie do uzyskania rozwoju zrównoważonego.

Struktura globalnej produkcja energii elektrycznej

 Źródła wytwarzania energii elektrycznej w ujęciu globalnym w procentach

Rys. 4. Źródła wytwarzania energii elektrycznej w ujęciu globalnym w procentach. (Źródło: Internet materiały do WWD 2014)

Warto zwrócić uwagę, że ponad 50% energii elektrycznej, w skali globalnej, jest wytwarzane w elektrowniach wymagających wody chłodzącej kondensatory turbin (węgiel i energia jądrowa) a znaczącą pozycję - 16% energii elektrycznej wytwarzają elektrownie wodne. Prognozy wskazują, że do 2035 r. udział energetyki wodnej w produkcji energii elektrycznej utrzyma się na tym samym poziomie to jest około 16%. W związku z tym, że następuje systematyczny wzrost wytwarzania energii elektrycznej na świecie w wartościach bezwzględnych, jak również i na głowę ludności, to potrzebny będzie wzrost produkcji energii elektrycznej w elektrowniach wodnych tak, aby utrzymać w nadchodzących latach poziom 16%. Inne źródła energii elektrycznej będą natomiast ulegały zmianie.

Dziś energia elektryczna pochodząca z falowania i pływów stanowi marginalny procent. Teoretyczne zasoby tej energii są jednak ogromne i wykorzystanie ich nawet w niewielkim procencie mogłoby pokryć całe światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną. Problem jest jednak w możliwościach technicznych wykorzystania i opłacalności ekonomicznej.

Dostępność zasobów wodnych dla celów energetycznych

Zasoby wodne dla celów energetycznych obejmują przede wszystkim elektrownie wodne oraz elektrownie cieplne. Energetyka wodna dotyczy dwóch parametrów. Są to: spad wody (różnica poziomów wody górnej i dolnej) oraz natężenie przepływu. Oba te parametry w sposób jednakowy rzutują na uzyskaną moc. Taką samą moc możemy uzyskać z dużego spadu i małego przepływu jak również z dużego przepływu i małego spadu. Pierwszy wariant jest bardziej korzystny ze względów ekonomicznych bo wymaga mniejszych gabarytowo turbin a tym samym mniejszej elektrowni wodnej.

Wariant pierwszy to głównie stopnie wodne na rzekach nizinnych ze zbiornikami przepływowymi, których podstawowym celem jest utrzymanie poziomu wody górnej niezależnie od przepływu.

Praca elektrowni wodnych jest ściśle związana z przepuszczaniem odpowiedniej ilości wody przez turbiny, co nie jest zawsze zgodne z aktualnym zapotrzebowaniem na wodę dla innych celów. Jeżeli przy elektrowni wodnej mamy do czynienia ze zbiornikiem wyrównawczym, wielozadaniowym to istnieje konieczność uzgodnienia sposobu jego wykorzystania, co z kolei wymaga kompromisów ze strony użytkowników. Warto przypomnieć, że elektrownie wodne charakteryzują się dużą elastycznością pracy i wysoką sprawnością przy wykorzystaniu przepływu i spadu mniejszego od instalowanego. Ponadto włączenie do pracy elektrowni wodnej czy jej wyłączenie jest bardzo proste i szybkie.

Należy ponadto przypomnieć, że elektrownie wodne nie zużywają wody, to jest ta sama ilość wody, która dopływa do elektrowni wodnej i z niej wypływa. Elektrownia wodna nie powoduje również zanieczyszczeń środowiska wodnego.

Mankamentem obiektów hydroenergetycznych jest przerwanie ciągłości rzeki. Wyjściem z tej sytuacji są coraz bardziej rozbudowane i efektywne przepławki pozwalające na migrację ryb zarówno w górę jak i w dół rzeki.

Rozwój sektorów wody i energii jest wzajemnie ograniczony czynnikami naturalnymi i technologicznymi, jak również zmianami socio-ekonomicznymi. Woda staje się obecnie istotnym ograniczeniem produkcji energii. Istnieje również oddziaływanie wytwarzania energii na środowisko wodne. Poniżej stopni wodnych występują zmiany w hydrodynamice rzek a poniżej zrzutów wód podgrzanych zmianie ulega reżim termiczny.

W przypadku zastosowania do chłodzenia wież chłodzących konieczne jest zapewnienie uzupełnienia wody chłodzącej znajdującej się w obiegu. Proces chłodzenia w wieżach chłodzących oparty jest głównie na parowaniu. Uzupełnienie objętości wody chłodzącej wynosi około 2,5 do 3,0 % wody będącej w obiegu zależnie od warunków meteorologicznych. Dla objętości wody będącej w obiegu chłodzącym Q = 30 m3/s uzupełnienie wyniesie około 0,8 – 0,9 m3/s.

Obecnie brak jest określenia wpływu synergicznego wody i energii. Jak działania w obu sektorach mogą wpływać na zrównoważony rozwój? Oba sektory mają swoje ograniczenia i dlatego konieczne jest określenie jakie są zakresy tych ograniczeń dla całego obszaru wody i energii. Takie podejście wymaga innowacyjnego myślenia nie tylko z punktu widzenia wody czy energii, lecz ich obu łącznie.

Zrównoważony rozwój sektora hydroenergetycznego

Rosnące zapotrzebowanie na wodę wymaga coraz częstszego magazynowania wody w zbiornikach retencyjnych, aby uniknąć lokalnych i czasowych niedoborów wody czy braków w ochronie przeciwpowodziowej. Każde spiętrzenie wody stwarza możliwość wykorzystania hydroenergetycznego. W większości przypadków zbiorniki retencyjne mają charakter wielozadaniowy, co stwarza konfliktowe sytuacje przy ich eksploatacji. Dla hydroenergetyki ideałem jest utrzymanie maksymalnego poziomu piętrzenia w zbiorniku ze względu na wysoki spad dla elektrowni wodnej, natomiast dla ochrony przeciwpowodziowej konieczne jest utrzymanie rezerwy powodziowej w zbiorniku. Nie zawsze zapotrzebowanie na wodę dla różnych celów pokrywa się z zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Warto zwrócić uwagę, że wykorzystanie wody ze zbiorników retencyjnych ma również szeroki aspekt społeczny i ekologiczny. Bardzo ważnym staje się rekreacyjna funkcja wszystkich zbiorników wodnych

Rozwój aglomeracji miejskich uwarunkowany wodą i energią

Na całym świecie obserwujemy intensywny rozwój aglomeracji miejskich. W skali globalnej, liczba ludności w miastach przekroczyła w 2012 r. liczbę ludności zamieszkującą na wsi. Aglomeracje miejskie stają się bardzo skomplikowanymi systemami, które muszą zapewnić odpowiednią ilość wody dla ich mieszkańców i zakładów przemysłowych, lecz także energię elektryczną, ciepło, jak również odprowadzenie i oczyszczenie ścieków. Poważnym problemem w aglomeracjach miejskich są również lokalne powodzie wywołane nawalnymi deszczami. Mówiąc o zrównoważonym rozwoju miast konieczne jest wzięcie pod uwagę stanu obecnego jak również sytuacji przyszłościowych. Dla zapewnienia zrównoważonego rozwoju miast konieczna jest również znajomość przyszłościowych technologii, które mogą całkowicie odmienić obecne sposoby zarządzania wodą, energią i odprowadzeniem ścieków.

Woda, energia a bezpieczeństwo ekosystemów

Woda jest niezbędna dla wytwarzania energii, wydobycia, przetwórstwa gazu i ropy oraz produkcji żywności. Woda jest również niezbędna dla funkcjonowania ekosystemów wodnych. Wzrastające zapotrzebowanie na energię i produkcję żywności stwarza niebezpieczeństwo nie tylko dla wielu prywatnych i publicznych sektorów, ale również funkcjonowania ekosystemów. Jednocześnie należy brać pod uwagę rozwój technologii i innowacyjność, które są w stanie zapewnić zrównoważony rozwój. Wielokrotnie zachowanie ekosystemów było postrzegane jako ograniczenie dla zwiększenia produkcji żywności jak również realizacji wielu inwestycji. Rozwiązanie tych problemów w różnej skali wymaga bardzo dokładnych analiz o możliwości rozwoju poszczególnych sektorów w aspekcie zachowania ekosystemów.

Jak wykorzystać łącznie środki złagodzenia i dostosowania do zmian klimatycznych w sektorze wody i energii

Obecnie wytwarzanie energii i jej użytkowanie są odpowiedzialne za emisję 70% gazów cieplarnianych. Ostatni Raport IPCC przedstawiony we wrześniu 2013 jednoznacznie stwierdza, że jest wyraźne ocieplenie klimatu kuli ziemskiej i za ten wzrost odpowiedzialna jest działalność człowieka. Energia jest podstawą poboru i rozdziału wody oraz oczyszczania ścieków. Cykl hydrologiczny jest szczególnie czuły na wszelkiego rodzaju zmiany klimatyczne. Dlatego też wszelkie działania na rzecz dostosowania się czy złagodzenia skutków zmian klimatycznych mają bardzo silny wpływ zarówno na energię jak i wodę. Konieczne jest dostosowanie się do sytuacji jakie niosą zmiany klimatyczne. Dobre zrozumienie wzajemnych oddziaływań zmian klimatycznych na sektor wody i energii ma szczególne znaczenie w wyborze polityki planowania i działania. Przy planowaniu w gospodarce wodnej, konieczne jest przyjęcie długofalowych planów, które będą konsekwentnie realizowane z możliwością dokonywania ich okresowych analiz i niezbędnych korekt.

Zintegrowana polityka w sektorach wody i energii

Okazuje się, że woda i energia tworzą dwa bardzo odrębne sektory a zarządzający nimi nie zdają sobie sprawy, że podejmowane decyzje planistyczne i inwestycyjne w jednym sektorze w dużym stopniu wpływają na drugi sektor. Dziś konieczne jest zrozumienie, że woda i energia to nie są dwa sektory, ale jeden bardzo ściśle ze sobą powiązany. Zintegrowane zarządzanie zasobami wodnymi doprowadziło do alokacji zasobów wodnych między poszczególnymi użytkownikami. Natomiast łączne zarządzanie obu sektorami pozostaje nadal fragmentaryczne. Nowe realia planistyczne powinny brać ściśle pod uwagę obszary zarządzania, globalne ocieplenie, konkurencyjność w obu sektorach jak również innowacyjne technologie.

Zwalczanie biedy po 2015 r.: zapewnienie dostępu do energii, żywności i wody

Zapotrzebowanie na wodę, energię i żywność wzrasta w sposób dramatyczny na całym świecie. Globalne bezpieczeństwo jeżeli chodzi o wodę i energię jest nadal dalekie od spełnienia. Około 1,3 mld. ludzi nie ma dostępu do elektryczności, prawie 0,8 mld. nie korzysta z bezpiecznej wody do picia a prawie 2,5 mld. nie korzysta z prawidłowych urządzeń sanitarnych. Dodatkowo około 0,8 mld. ludzi jest niedożywionych. Brak możliwości dostępu do podstawowych potrzeb życiowych (woda, energia, żywność) powoduje, że dużo ludzi jest zamkniętych w biedzie i pozbawiona podstawowych praw człowieka. Jest oczywistym, że spełnienie podstawowych potrzeb w zakresie energii i żywności będzie przede wszystkim uwarunkowane zapewnieniem odpowiednich zasobów wodnych.

W 2012 r. na Szczycie Rio + 20 w deklaracji Przyszłość jakiej chcemy zarówno w rozdziale energia jak i w rozdziale woda nie było żadnych wzajemnych odwołań. Świadczy to o braku wzajemnego zrozumienia tych obu sektorów tak w sferze politycznej jak i organizacyjnej. Niezbędny jest tu również udział nauki i badań w celu połączenia zarządzania obu sektorów.

Bibliografia

[1] Majewski W., Światowy Dzień Wody 2006, Gospodarka Wodna 3/2006

[2] Majewski W., Introduction to Water Resources Management in Environmental Engineering, Wydawnictwo IBW PAN 2005.

Autor: prof. Wojciech Majewski

Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej PIB, Warszawa