Technologie wodne obejmują różnorodne systemy, które wykorzystują wodę oceaniczną lub słodką do produkcji energii elektrycznej lub cieplnej. Najbardziej znaną technologią wodną jest hydroenergetyka, w której siła poruszającej się wody napędza turbinę, która z kolei uruchamia generator wytwarzający energię elektryczną. Energia wodna i inne technologie wodne są odnawialne, ponieważ ich paliwo jest naturalnie uzupełniane przez obieg wody; są one czystą alternatywą dla spalania paliw kopalnych, które powodują zmiany klimatyczne. Energia wodna nie wymaga zakupu paliw do wytwarzania energii, w przeciwieństwie do elektrowni wykorzystujących gaz ziemny, węgiel i inne paliwa. Jedyne koszty to budowa i eksploatacja instalacji generujących.

Globalnie, energia wodna stanowi około 15 procent produkcji energii elektrycznej. W 2014 r. amerykańskie elektrownie wodne miały moc około 101 000 megawatów (MW) i produkowały 6 procent całkowitej energii i 48 procent odnawialnej energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych. Mimo że w Stanach Zjednoczonych i na całym świecie zagospodarowano już większość terenów nadających się do budowy dużych zapór, istnieje wiele możliwości zainstalowania systemów hydroenergetycznych przy istniejących zaporach, które obecnie nie są zdolne do wytwarzania energii, a także wykorzystania innych technologii energii wodnej w rzekach, strefach pływów i na otwartym oceanie. Według dwóch badań przeprowadzonych w 2012 roku przez Departament Energii USA, istniejące zapory, które obecnie nie wytwarzają energii, mogłyby zapewnić 12 000 MW dodatkowej mocy, a jeśli powstaną nowe instalacje (w tym wykorzystujące fale i prądy pływowe), energia wodna mogłaby potencjalnie dostarczać 15 procent energii elektrycznej w Ameryce do 2030 roku (w porównaniu z 6 procentami obecnie).

Instalacje hydroenergetyczne mogą być instalowane na rzekach, oceanach lub jeziorach.

Rzeki

Tamy

Duże zapory hydroenergetyczne na głównych rzekach są najbardziej rozwiniętymi generatorami energii wodnej. Elektrownie szczytowo-pompowe lub zbiornikowe przechowują wodę w zbiorniku i uwalniają ją do użytku, gdy rzeka płynie wolniej lub w okresach szczytowego zapotrzebowania na energię. Pozwala to na niezawodne wytwarzanie energii elektrycznej przy obciążeniu podstawowym. Zapora Hoovera w Nevadzie i zapora Grand Coulee w Waszyngtonie są przykładami takich dużych obiektów. Duże zapory spełniają również wiele potrzeb społecznych, takich jak nawadnianie, kontrola powodzi i rekreacja. Badania sugerują, że duże zbiorniki w klimacie borealnym i tropikalnym emitują tyle samo gazów cieplarnianych, co elektrownia na paliwa kopalne. Zalana roślinność ulega rozkładowi, uwalniając metan i dwutlenek węgla w dużych ilościach na początku eksploatacji zapory, a następnie w mniejszych ilościach przez cały okres jej użytkowania. Dalsze skutki obejmują zmiany temperatury wody, rozpuszczonego tlenu i innych składników odżywczych, szkody w ekosystemie rzeki, przemieszczanie się społeczności w wyniku zmiany przepływu rzeki oraz niestabilność brzegów rzeki prowadzącą do wylesiania, powodzi i erozji. Energetyka wodna jest wrażliwa na zmiany klimatu. Przedłużające się susze mogą obniżyć poziom wody w rzece, zmniejszając produkcję energii elektrycznej, podczas gdy topniejące lodowce, szybkie topnienie pokrywy śnieżnej lub zmiany wzorców opadów ze śniegu na deszcz mogą znacząco zmienić przepływ wody w rzece.
Run-of-the-River

Run-of-the-river Elektrownie rzeczne nie mają urządzeń do magazynowania wody, ale mogą wykorzystywać zapory niskopoziomowe w celu zwiększenia różnicy między poziomem ujęcia wody a turbiną. W tym przypadku, naturalny przepływ wody przez rzekę generuje energię elektryczną, a ilość wytwarzanej energii zmienia się w zależności od cyklu rzeki. Chociaż technologia przepływowa może być wykorzystywana do produkcji energii elektrycznej na dużą skalę, jest ona powszechnie stosowana do zaopatrywania w energię elektryczną pojedynczych społeczności, przy mocach poniżej 30 MW. Ta forma wytwarzania energii jest popularna na obszarach wiejskich w Chinach, ale ma potencjalne zastosowanie w wielu miejscach, w tym w Stanach Zjednoczonych. Technologia Run-of-the-river zazwyczaj zakłóca znacznie mniej przepływu rzeki w porównaniu do dużych zapór wodnych.
Prąd

Generacja prądu działa podobnie do turbiny wiatrowej, ale pod wodą. Ponieważ woda jest gęstsza niż powietrze, woda poruszająca się z daną prędkością wytwarza znacznie więcej energii niż ta generowana przez wiatr o porównywalnej prędkości. Jednak sama turbina musi być mocniejsza i dlatego jest droższa. Wpływ obecnych turbin na środowisko nie jest jasny. Może to zaszkodzić populacji ryb, ale turbiny bezpieczne dla ryb zostały opracowane.

Stany Zjednoczone mają wiele potencjalnych miejsc, gdzie prąd może wystąpić, a kilka projektów są w toku, w tym te w East River w Nowym Jorku i San Francisco Bay. Federalna Komisja Regulacji Energetyki wydała pierwszą amerykańską licencję na pilotażowy projekt komercyjnej energii pływów w 2012 roku. 10-letnia licencja wyznacza projektowi East River (Roosevelt Island Tidal Energy) drogę do budowy 30 turbin generujących 1 MW.

Oceany

Bariera pływowa

Energia pływów oceanicznych wykorzystuje przewidywalny cykl energii wytwarzanej przez pływy. Zapora pływowa działa podobnie do zapory z dużym zbiornikiem wodnym, ale jest umieszczona przy wejściu do zatoki lub ujścia rzeki. Woda zatrzymana w zatoce jest uwalniana przez turbiny w zaporze i generuje energię elektryczną. Aby zapora mogła funkcjonować ekonomicznie, musi mieć wystarczająco dużą rozpiętość między przypływem a odpływem, wynoszącą około 10 stóp. Najlepsze potencjalne lokalizacje znajdują się w północnej Europie i na zachodnim wybrzeżu USA. Zapora pływowa w La Rance we Francji działa od 1967 roku, a jej moc wynosi 240 MW. Potencjalny wpływ zapór na środowisko może być znaczny, ponieważ są one budowane w delikatnych ekosystemach estuarium, ale trwają prace nad mniej inwazyjnymi konstrukcjami, takimi jak ogrodzenia lub pływające barki.
Prądy pływowe

Podobnie jak w przypadku technologii prądów rzecznych, do wytwarzania energii można wykorzystać turbiny zakotwiczone w dnie oceanu lub zawieszone na boi na drodze prądów oceanicznych. Chociaż technologia ta jest na etapie rozwoju, niektóre potencjalne lokalizacje w Stanach Zjednoczonych obejmują Zatokę Maine, Karolinę Północną, północno-zachodni Pacyfik oraz Prąd Zatokowy u wybrzeży Florydy.
Fale

Jak wiatr porusza się nad powierzchnią oceanu, przenosi energię na wodę i tworzy fale. Chociaż zmienne pod względem wielkości i prędkości, fale są przewidywalne i są stale tworzone. W samych tylko wodach przybrzeżnych USA, całkowita roczna energia fal wynosi 2100 terawatogodzin.

Testowane są różne technologie przekształcania energii fal w energię elektryczną. Większość systemów wychwytuje energię na powierzchni fal lub wykorzystuje różnice ciśnień tuż pod powierzchnią. Systemy te wykorzystują fale do wytworzenia ciśnienia i poruszenia pomp hydraulicznych lub sprężonego powietrza, które z kolei wprawiają w ruch generatory. Wpływ generatorów fal na środowisko nie jest w pełni znany, ale uważa się, że jest minimalny i specyficzny dla danego miejsca.

Najlepsze potencjalne miejsca do wytwarzania fal to obszary oceaniczne z silnymi prądami wiatrowymi. Obszary te znajdują się pomiędzy 30° a 60° szerokości geograficznej, obszary polarne z częstymi sztormami, obszary w pobliżu równikowych wiatrów pasatowych oraz zachodnie wybrzeża kontynentów. Technologia hybrydowych elektrowni wiatrowych i falowych dla morskich farm energetycznych jest w fazie rozwoju. Potencjalne miejsca w Stanach Zjednoczonych dla hybrydowych farm energii wiatrowo-falowej obejmują obszary przybrzeżne wschodniego wybrzeża i północno-zachodniego Pacyfiku.
Termiczna konwersja energii oceanu

Termiczna konwersja energii oceanu (OTEC) wykorzystuje parę wytwarzaną z ciepłych wód powierzchniowych do obracania turbin generujących. Zimna woda z głębin oceanu kondensuje parę z powrotem do wody w celu ponownego wykorzystania. Między wodą powierzchniową a głęboką konieczna jest różnica temperatur 36°F. Potencjalne lokalizacje obejmują wyspy tropikalne. OTEC znajduje się we wczesnej fazie rozwoju i nie jest jeszcze opłacalna ze względu na wysokie koszty pompowania wody głębinowej do powierzchniowych stacji generujących. OTEC można połączyć z systemami klimatyzacji termicznej oceanu (patrz poniżej). Ponadto bogata w składniki odżywcze woda głębinowa może być pomocna w akwakulturze. Stawy powierzchniowe pompowane wodą głębinową mogą uprawiać łososia, homara i inne owoce morza, a także plankton i algi.
Ocean/Lake Thermal Air-Conditioning

Oprócz wytwarzania energii elektrycznej, woda może być również wykorzystywana do bezpośredniej energii cieplnej. Woda z jezior lub oceanów może zapewnić klimatyzację dla budynków. Zimna woda głębinowa jest używana do schładzania świeżej wody, która krąży w budynku w systemie zamkniętych rur, zapewniając klimatyzację po niższych kosztach niż tradycyjne metody. Zużyta woda jest zawracana do oceanu lub jeziora w celu wznowienia cyklu. Aby było to opłacalne, zimna woda głębinowa musi mieć temperaturę od 39°F do 45°F i znajdować się blisko brzegu. Przykłady oceanicznych systemów chłodzenia termicznego można znaleźć na Hawajach (współlokalizowanych z obiektami OTEC) oraz w Toronto, gdzie woda z jeziora Ontario jest wykorzystywana do klimatyzowania budynków w centrum miasta. Duże projekty OTEC (100 MW+) zlokalizowane w społecznościach wyspiarskich, takich jak Puerto Rico, Hawaje czy Guam, mogą być ekonomicznie opłacalne.

Dowiedz się więcej o energii wodnej:

• Odcinek 9: Najbardziej wpływowa kobieta w energetyce wodnej: Linda Church-Ciocci opowiada o swojej karierze w branży
• Nowe plany współpracy w celu zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego i odporności na awarie w Puerto Rico
• EXPO 2020: Nowe granice w badaniach i rozwoju czystej energii
• Jak może wyglądać konserwatywna akcja klimatyczna?
• Q&A: Ocean Energy and Monitoring Innovation with DOE’s Water Power Technologies Office
• Innowacje w zakresie energii odnawialnej w rzekach zasilają odległe społeczności Alaski
• Mleczarnia Turkey Hill Dairy Runs on 100 Percent Renewable Energy
• Fact Sheet | Jobs in Renewable Energy, Energy Efficiency, and Resilience (2019)
• Energia odnawialna przewyższyła węgiel w mocy wytwórczej energii elektrycznej!
• Energia wodna – nowe spojrzenie na możliwości dla pierwszego odnawialnego źródła energii w Ameryce

Zobacz więcej wpisów oznaczonych jako Energia wodna