Razumevanje, kako hidroelektrarna pretvarja vodno energijo v električno energijo, njene prednosti in slabosti

Slika: Jezu Itaipu, Paragvaj / Brazilija, ki jo izdaja Mednarodno združenje za hidroenergijo (IHA), je pod licenco CC BY 2.0

Kaj je hidravlična (hidroelektrična) energija?

Hidroelektrična energija je uporaba kinetične energije, ki jo vsebuje pretok vodnih teles. Kinetična energija spodbuja vrtenje lopatic turbin, ki tvorijo sistem hidroelektrarne, ki jih sistemski generator pozneje spremeni v električno energijo.

Kaj je hidroelektrarna (ali hidroelektrarna)?

Hidroelektrarna je sklop del in opreme, ki se uporablja za proizvodnjo električne energije z uporabo hidravličnega potenciala reke. Hidravlični potencial podajata hidravlični pretok in koncentracija obstoječih neravnin ob toku reke. Neenakomernost je lahko naravna (slapovi) ali zgrajena v obliki jezov ali s preusmeritvijo reke iz naravne struge v rezervoarje. Obstajata dve vrsti zadrževalnikov: akumulacijski in pretočni. Akumulacijski nanosi se običajno tvorijo ob izviru rek, na mestih, kjer se pojavljajo visoki slapovi in so sestavljeni iz velikih rezervoarjev z velikimi akumulacijami vode. Tekoči rezervoarji izkoristijo hitrost vode v reki za proizvodnjo električne energije in tako ustvarijo minimalno ali nikakršno kopičenje vode.

Rastline so nato razvrščene glede na naslednje dejavnike: višina slapa, pretok, nameščena zmogljivost ali moč, vrsta turbine, ki se uporablja v sistemu, jez in rezervoar. Gradbišče določa višino padca in pretoka, ta dva dejavnika pa določata inštalirano moč ali moč hidroelektrarne. Inštalirana zmogljivost določa vrsto turbine, jez in rezervoar.

Po poročilu Nacionalne agencije za električno energijo (Aneel) Nacionalni referenčni center za male hidroelektrarne (Cerpch, Zvezne univerze Itajubá - Unifei) opredeljuje višino slapa kot nizko (do 15 metrov), srednjo ( 15 do 150 metrov) in visoko (več kot 150 metrov). Vendar ti ukrepi niso sporazumni. Velikost elektrarne določa tudi velikost distribucijskega omrežja, ki bo električno energijo odpeljalo do potrošnikov. Večja kot je rastlina, večja je težnja, da je daleč od urbanih središč. To zahteva gradnjo velikih daljnovodov, ki pogosto prečkajo stanja in povzročajo izgube energije.

Kako deluje hidroelektrarna?

Za proizvodnjo hidroelektrične energije je treba vključiti pretok reke, razliko v terenu (naravnem ali ne) in količini razpoložljive vode.

Sistem hidroelektrarne sestavljajo:

Jez

Namen jezu je prekiniti naravni krog reke in ustvariti vodni zbiralnik. Rezervoar ima poleg shranjevanja vode še druge funkcije, na primer ustvarjanje vodne reže, zajemanje vode v zadostni količini za proizvodnjo energije in uravnavanje pretoka rek v obdobjih dežja in suše.

Sistem za dovajanje vode (addukcija)

Sestavljen iz predorov, kanalov in kovinskih vodov, ki vodijo v elektrarno.

Powerhouse

V tem delu sistema so turbine, povezane z generatorjem. Gibanje turbin prek generatorjev pretvori kinetično energijo gibanja vode v električno energijo.

Obstaja več vrst turbin, med katerimi so glavni pelton, kaplan, francis in bulb. Najprimernejša turbina za vsako hidroelektrarno je odvisna od višine padca in pretoka. Primer: čebulica se uporablja v tekočih obratih, ker ne zahteva obstoja rezervoarjev in je indicirana za nizke padce in visoke pretoke.

Kanal za pobeg

Po prehodu skozi turbine se voda po izhodnem kanalu vrne v naravno strugo reke.

Kanal za izhod v sili se nahaja med elektrarno in reko, njegova velikost pa je odvisna od velikosti elektrarne in reke.

Preliv

Preliv omogoča, da voda uhaja, kadar nivo rezervoarja preseže priporočene meje. Običajno se to zgodi v obdobjih dežja.

Preliv se odpre, kadar je proizvodnja električne energije motena, ker je vodostaj nad idealnim nivojem; ali da se prepreči prelivanje in posledično poplavljanje okoli rastline, kar je možno v zelo deževnih obdobjih.

Družbeno-okoljski vplivi, ki jih povzroča implantacija hidroelektrarn

Prva hidroelektrarna je bila zgrajena konec 19. stoletja na odseku Niagarskih slapov med ZDA in Kanado, ko je bilo premog glavno gorivo in nafta še vedno ni bila v široki uporabi. Pred tem se je hidravlična energija uporabljala le kot mehanska energija.

Kljub temu, da je hidroelektrarna obnovljiv vir energije, Aneelovo poročilo poudarja, da je njeno sodelovanje v svetovni električni matrici majhno in postaja še manjše. Naraščajoče nezanimanje bi bilo posledica negativnih zunanjih dejavnikov, ki so posledica izvajanja tovrstnih projektov.

Negativni vpliv implantacije velikih hidroelektričnih projektov je sprememba načina življenja populacij, ki živijo v regiji ali v okolici kraja, kamor bodo rastlino vsadili. Pomembno je tudi omeniti, da so te skupnosti pogosto človeške skupine, ki so opredeljene kot tradicionalne populacije (avtohtona ljudstva, kilombole, amazonske obalne skupnosti in druge), katerih preživetje je odvisno od porabe virov iz kraja, kjer živijo, in ki so povezane z ozemljem kulturni red.

Je hidroenergija čista?

Kljub temu, da jo mnogi štejejo za vir "čiste" energije, ker ni povezana s sežiganjem fosilnih goriv, proizvodnja električne energije prispeva k emisiji ogljikovega dioksida in metana, dveh plinov, ki lahko povzročita globalno segrevanje.

Emisija ogljikovega dioksida (CO2) je posledica razgradnje dreves, ki ostanejo nad vodostajem rezervoarjev, sproščanje metana (CH4) pa nastane z razgradnjo organskih snovi, ki so na dnu rezervoarja. Ko se vodni stolpec povečuje, se poveča tudi koncentracija metana (CH4). Ko voda doseže rastlinske turbine, razlika v tlaku povzroči izpust metana v ozračje. Metan se sprošča tudi v vodno pot skozi preliv rastline, ko poleg spremembe tlaka in temperature vodo poškropimo v kapljicah.

CO2 se sprošča z razgradnjo odmrlih dreves nad vodo. Za razliko od metana velja, da le del emisije CO2 velja za vpliven, saj se velik del CO2 prekine z absorpcijo, ki se pojavi v rezervoarju. Ker metan ni vključen v procese fotosinteze (čeprav ga je mogoče počasi pretvoriti v ogljikov dioksid), se v tem primeru šteje za bolj vplivnega na učinek tople grede.

Projekt Balcar (Emisije toplogrednih plinov v rezervoarjih hidroelektrarn) je bil ustvarjen z namenom raziskati prispevek umetnih rezervoarjev k krepitvi učinka tople grede z emisijami ogljikovega dioksida in metana. Prve študije projekta so bile izvedene v devetdesetih letih prejšnjega stoletja v rezervoarjih v amazonski regiji: Balbina, Tucuruí in Samuel. Območje Amazonke je bilo osredotočeno na študijo, ker je zanjo značilna močna vegetacija in s tem večja možnost emisij plinov z razgradnjo organskih snovi. Kasneje, konec devetdesetih let, so projekt vključevali tudi Mirando, Três Marias, Segredo, Xingo in Barro Bonito.

Glede na članek, ki ga je dr. Philip M. Fearnside z raziskovalnega inštituta Amazon objavil o emisijah plinov v tovarni Tucuruí, so leta 1990 emisije toplogrednih plinov (CO2 in CH4) iz elektrarne med Tistega leta 7 milijonov in 10 milijonov ton. Avtor naredi primerjavo z mestom São Paulo, ki je istega leta iz fosilnih goriv izpustilo 53 milijonov ton CO2. Z drugimi besedami, samo Tucuruí bi bil odgovoren za izdajo enakovrednih 13% do 18% emisij toplogrednih plinov v mestu Sao Paulo, kar je pomembna vrednost za vir energije, za katerega se dolgo šteje, da ni „brez emisij“. Verjeli so, da se bo sčasoma organska snov popolnoma razgradila in posledično ne bo več oddajala teh plinov. Vendarštudije skupine Balcar so pokazale, da se postopek pridobivanja plina napaja s prihodom novih organskih materialov, ki jih prinašajo reke in deževje.

Izguba rastlinskih in živalskih vrst

Zlasti v amazonski regiji, ki ima visoko biotsko raznovrstnost, je neizogibna smrt organizmov iz flore kraja, kjer nastane rezervoar. Kar zadeva živali, tudi če temeljito načrtujemo poskuse odstranitve organizmov, ni mogoče zagotoviti, da bodo rešeni vsi organizmi, ki tvorijo ekosistem. Poleg tega jez nalaga spremembe v okoliških habitatih.

Izguba tal

Tla na poplavljenem območju bodo postala neuporabna za druge namene. To postane osrednje vprašanje, zlasti v pretežno ravninskih regijah, kot je Amazonija. Ker moč elektrarne daje razmerje med pretokom reke in neenakomernostjo terena, je treba, če ima teren nizko neenakomernost, shraniti večjo količino vode, kar pomeni obsežno območje zadrževalnika.

Spremembe hidravlične geometrije reke

Reke imajo ponavadi dinamično ravnovesje med izpustom, povprečno hitrostjo vode, obremenitvijo usedlin in morfologijo struge. Gradnja zadrževalnikov vpliva na to ravnovesje in posledično povzroča spremembe hidrološkega in sedimentnega reda, ne samo na mestu jezu, ampak tudi v okolici in v strugi pod jezom.

Nazivna prostornina x dejansko proizvedena količina

Vprašati se je treba tudi, da obstaja razlika med nominalno nameščeno zmogljivostjo in dejansko količino električne energije, ki jo proizvede obrat. Količina proizvedene energije je odvisna od pretoka reke.

Tako je neuporabno namestiti sistem s potencialom za proizvodnjo več energije, kot jo lahko zagotovi tok reke, kot se je zgodilo v primeru hidroelektrarne Balbina, nameščene na reki Uatumã.

Trdna moč obrata

Druga pomembna točka, ki jo je treba upoštevati, je koncept trdne moči elektrarne. Po mnenju Aneela je trdna moč elektrarne največja neprekinjena proizvodnja energije, ki bi jo bilo mogoče dobiti, pri čemer se upošteva najbolj suho zaporedje, zabeleženo v zgodovini pretoka reke, v kateri je nameščena. Ta številka postaja vedno bolj osrednja zaradi vse pogostejših in hujših sušnih obdobij.

Hidroelektrarna v Braziliji

Brazilija je država, ki ima največji hidroelektrični potencial na svetu. Tako je 70% tega koncentriranega v porečjih Amazonas in Tocantins / Araguaia. Prva velika brazilska hidroelektrarna, ki je bila zgrajena, je bil Paulo Afonso I leta 1949 v Bahii z močjo, ki ustreza 180 MW. Trenutno je Paulo Afonso I del hidroelektrarne Paulo Afonso, ki obsega skupno štiri elektrarne.

Balbina

Hidroelektrarna Balbina je bila zgrajena na reki Uatumã v Amazonasu. Balbina je bila zgrajena za oskrbo Manausovega povpraševanja po energiji. Napoved je bila namestitev 250 MW zmogljivosti prek petih generatorjev z močjo po 50 MW. Pretok reke Uatumã pa zagotavlja precej nižjo povprečno letno proizvodnjo energije, nekje okoli 112,2 MW, od tega je le 64 MW mogoče šteti za trdno moč. Glede na to, da je med prenosom električne energije iz elektrarne v potrošniški center približno 2,5-odstotna izguba, le 109,4 MW (62,4 MW trdne moči). Vrednost precej pod nominalno zmogljivostjo 250 MW.

Itaipu

Hidroelektrarna Itaipu velja za drugo največjo elektrarno na svetu s 14 tisoč MW instalirane moči in na tretjem mestu po soteskah Três na Kitajskem z 18,2 tisoč MW. Zgrajena je na reki Paraná in se nahaja na meji med Brazilijo in Paragvajem, je dvonacionalna rastlina, saj pripada obema državama. Energija, ki jo proizvaja Itaipu, ki oskrbuje Brazilijo, ustreza polovici njene celotne moči (7 tisoč MW), kar ustreza 16,8% porabljene energije v Braziliji, drugo polovico energije pa porabi Paragvaj in ustreza 75% Poraba energije v Paragvaju.

Tucuruí

Tovarna Tucuruí je bila zgrajena na reki Tocantins v mestu Pará in ima nameščeno moč 8.370 MW.

Belo Monte

Na reki Xingu je bila zgrajena hidroelektrarna Belo Monte, ki se nahaja v občini Altamira, jugozahodno od Páre in jo je odprla predsednica Dilma Roussef. Elektrarna je največja 100-odstotna hidroelektrarna in tretja največja na svetu. Z nameščeno močjo 11 233,1 megavata (MW). To pomeni dovolj tovora za oskrbo 60 milijonov ljudi v 17 zveznih državah, kar predstavlja približno 40% stanovanjske porabe po vsej državi. Enakovredna nameščena proizvodna zmogljivost je 11.000 MW, to je največja elektrarna z instalirano močjo država, ki je mesto tovarne Tucuruí zamenjala za največjo 100-odstotno nacionalno rastlino. Belo Monte je tudi tretja največja hidroelektrarna na svetu, za Três Gargantas oziroma Itaipu.

Številna vprašanja se vrtijo okoli gradnje obrata v Belo Monte. Kljub nameščeni moči 11 tisoč MW, po navedbah Ministrstva za okolje trdna moč elektrarne ustreza 4,5 tisoč MW, torej le 40% celotne moči. Ker je zgrajen v amazonski regiji, lahko Belo Monte oddaja velike koncentracije metana in ogljikovega dioksida. Vse to brez štetja velikega vpliva na življenje tradicionalnih populacij ter velikega vpliva na favno in floro. Drugi dejavnik je, da njegova gradnja koristi predvsem podjetjem in ne prebivalstvu. Približno 80% električne energije je namenjenega podjetjem v Srednjem jugu države.

Uporabnost

Kljub omenjenim negativnim družbeno-okoljskim vplivom ima hidroelektrarna prednosti v primerjavi z neobnovljivimi viri energije, kot so fosilna goriva. Kljub temu da hidroelektrarne prispevajo k emisiji metana in žveplovega dioksida, hidroelektrarne ne oddajajo in ne sproščajo drugih vrst strupenih plinov, na primer tistih, ki jih izpuščajo termoelektrarne - zelo škodljivih za okolje in zdravje ljudi.

Vendar pa so pomanjkljivosti hidroelektrarn bolj očitne v primerjavi z drugimi obnovljivimi viri energije, kot sta sončna in vetrna energija, ki zmanjšujejo vplive na okolje v primerjavi z vplivi hidroelektrarn. Težava je še vedno v obstojnosti novih tehnologij. Alternativa za zmanjšanje vplivov, povezanih s proizvodnjo hidroelektrične energije, je gradnja majhnih hidroelektrarn, ki ne zahtevajo gradnje velikih rezervoarjev.

Kaj je sončna energija, prednosti in slabosti
Kaj je energija vetra?

Poleg tega imajo jez koristno življenjsko dobo približno 30 let, kar postavlja pod vprašaj njihovo dolgoročno sposobnost preživetja.

Študija "Trajnostna hidroenergija v 21. stoletju", ki jo je izvedla državna univerza Michigan, opozarja na dejstvo, da bi lahko veliki jezovi za hidroelektrarne ob podnebnih spremembah postali še manj trajnosten vir energije.

Upoštevati je treba dejanske stroške hidroelektrične energije, ne samo ekonomske in infrastrukturne, temveč tudi socialne, okoljske in kulturne stroške.