Dowiedz się, w jaki sposób elektrownia wodna zamienia energię wody w energię elektryczną, jej zalety i wady
Zdjęcie: Zapora Itaipu, Paragwaj / Brazylia, wydana przez Międzynarodowe Stowarzyszenie Energetyki Wodnej (IHA), jest objęta licencją CC BY 2.0
Co to jest energia hydrauliczna (hydroelektryczna)?
Energia hydroelektryczna to wykorzystanie energii kinetycznej zawartej w przepływie zbiorników wodnych. Energia kinetyczna wspomaga obracanie się łopatek turbin, które tworzą system hydroelektrowni, a następnie są przekształcane w energię elektryczną przez generator systemu.
Co to jest hydroelektrownia (lub hydroelektrownia)?
Elektrownia wodna to zespół robót i urządzeń służących do wytwarzania energii elektrycznej z wykorzystania potencjału hydraulicznego rzeki. Potencjał hydrauliczny daje przepływ hydrauliczny i zagęszczenie istniejących nierówności w biegu rzeki. Nierówności mogą być naturalne (wodospady) lub powstać w postaci zapór lub poprzez przekierowanie rzeki z jej naturalnego koryta do tworzenia zbiorników. Wyróżnia się dwa typy zbiorników: akumulacyjne i spływowe. Osady akumulacyjne tworzą się zwykle w górnym biegu rzek, w miejscach, gdzie występują wysokie wodospady i składają się z dużych zbiorników z dużymi spiętrzeniami wody. Zbiorniki przepływowe wykorzystują prędkość rzeki do wytwarzania energii elektrycznej, w ten sposób generując minimalną lub zerową akumulację wody.
Z kolei instalacje klasyfikuje się według następujących czynników: wysokość wodospadu, przepływ, zainstalowana moc lub moc, typ turbiny zastosowanej w systemie, zapora i zbiornik. Plac budowy podaje wysokość spadku i przepływ, a te dwa czynniki określają zainstalowaną moc lub moc elektrowni wodnej. Moc zainstalowana determinuje typ turbiny, zapory i zbiornika.
Zgodnie z raportem Krajowej Agencji Energii Elektrycznej (Aneel), Krajowe Centrum Referencyjne Małych Elektrowni Wodnych (Cerpch, z Uniwersytetu Federalnego w Itajubá - Unifei) określa wysokość wodospadu jako niską (do 15 metrów), średnią ( 15 do 150 metrów) i wysokie (powyżej 150 metrów). Jednak te środki nie są zgodne. Wielkość elektrowni determinuje również wielkość sieci dystrybucyjnej, która prześle wytworzoną energię elektryczną do odbiorców. Im większa roślina, tym większa tendencja do oddalania się od ośrodków miejskich. Wymaga to budowy dużych linii przesyłowych, które często przecinają stany i powodują straty energii.
Jak działa hydroelektrownia?
Do produkcji energii wodnej konieczne jest zintegrowanie przepływu rzeki, różnicy terenu (naturalnej lub nie) oraz ilości dostępnej wody.
Układ elektrowni wodnej składa się z:
Zapora
Zadaniem zapory jest przerwanie naturalnego cyklu rzeki, tworząc zbiornik wodny. Oprócz magazynowania wody zbiornik spełnia inne funkcje, takie jak tworzenie szczeliny wodnej, wychwytywanie wody w odpowiedniej objętości do produkcji energii oraz regulację przepływu rzek w okresach opadów i suszy.
System poboru (nawadniania) wody
Składa się z tuneli, kanałów i metalowych kanałów doprowadzających wodę do elektrowni.
Elektrownia
W tej części systemu turbiny są podłączone do generatora. Ruch turbin zamienia energię kinetyczną ruchu wody na energię elektryczną przez generatory.
Istnieje kilka typów turbin, z których głównymi są pelton, kaplan, francis i bulb. Najbardziej odpowiednia turbina dla każdej elektrowni wodnej zależy od wysokości spadku i przepływu. Przykład: żarówka jest używana w zakładach typu run-of-the-mill, ponieważ nie wymaga istnienia zbiorników i jest wskazana przy małych opadach i dużych przepływach.
Kanał ucieczki
Po przejściu przez turbiny woda jest zawracana kanałem ewakuacyjnym do naturalnego koryta rzeki.
Kanał ewakuacyjny znajduje się pomiędzy elektrownią a rzeką, a jego wielkość zależy od wielkości elektrowni i rzeki.
Przelew
Przelew umożliwia ujście wody, gdy poziom zbiornika przekracza zalecane limity. Zwykle ma to miejsce w okresach deszczu.
Przelew jest otwierany, gdy produkcja energii elektrycznej jest ograniczona, ponieważ poziom wody jest powyżej idealnego poziomu; lub w celu uniknięcia przepełnienia, a w konsekwencji zalania wokół rośliny, co jest możliwe w okresach bardzo deszczowych.
Skutki społeczno-środowiskowe spowodowane wszczepieniem hydroelektrowni
Pierwsza elektrownia wodna została zbudowana pod koniec XIX wieku na odcinku wodospadu Niagara, między Stanami Zjednoczonymi a Kanadą, kiedy węgiel był głównym paliwem, a ropa nie była jeszcze powszechnie stosowana. Wcześniej energia hydrauliczna była używana tylko jako energia mechaniczna.
Pomimo tego, że energia wodna jest odnawialnym źródłem energii, raport Aneel wskazuje, że jej udział w światowej matrycy elektrycznej jest niewielki i staje się jeszcze mniejszy. Rosnący brak zainteresowania wynikałby z negatywnych efektów zewnętrznych wynikających z realizacji projektów tej wielkości.
Negatywnym wpływem realizacji dużych projektów hydroenergetycznych jest zmiana trybu życia ludności zamieszkującej region lub w otoczeniu miejsca, w którym zostanie wszczepiona elektrownia. Należy również zauważyć, że społeczności te są często grupami ludzkimi identyfikowanymi jako populacje tradycyjne (ludy tubylcze, kolomboli, społeczności nadrzeczne Amazonii i inne), których przetrwanie zależy od wykorzystania zasobów pochodzących z miejsca ich zamieszkania i które są powiązane z terytorium ład kulturowy.
Czy energia wodna jest czysta?
Choć przez wielu uważana jest za źródło „czystej” energii, ponieważ nie jest związana ze spalaniem paliw kopalnych, hydroenergetyka przyczynia się do emisji dwutlenku węgla i metanu, dwóch gazów potencjalnie powodujących globalne ocieplenie.
Emisja dwutlenku węgla (CO2) spowodowana jest rozkładem drzew pozostających powyżej poziomu wody w zbiornikach, a uwolnienie metanu (CH4) następuje poprzez rozkład materii organicznej znajdującej się na dnie zbiornika. Wraz ze wzrostem słupa wody wzrasta również stężenie metanu (CH4). Kiedy woda dociera do turbin elektrowni, różnica ciśnień powoduje uwolnienie metanu do atmosfery. Metan jest również uwalniany do ścieżki wodnej przez przelew roślinny, kiedy oprócz zmiany ciśnienia i temperatury woda jest rozpylana kroplami.
CO2 jest uwalniany w wyniku rozkładu martwych drzew nad wodą. W przeciwieństwie do metanu, tylko część wyemitowanego CO2 jest uważana za wpływową, ponieważ duża część CO2 jest usuwana w wyniku absorpcji zachodzącej w złożu. Ponieważ metan nie jest włączany do procesów fotosyntezy (chociaż może powoli przekształcać się w dwutlenek węgla), w tym przypadku uważa się, że ma większy wpływ na efekt cieplarniany.
Projekt Balcar (Emisje gazów cieplarnianych w zbiornikach hydroelektrowni) powstał w celu zbadania wkładu sztucznych zbiorników w intensyfikację efektu cieplarnianego poprzez emisję dwutlenku węgla i metanu. Pierwsze badania projektu przeprowadzono w latach 90-tych w zbiornikach Amazonii: Balbina, Tucuruí i Samuel. Badania skupiły się na regionie Amazonii, który charakteryzuje się masywną szatą roślinną, a tym samym większym potencjałem emisji gazów w wyniku rozkładu materii organicznej. Następnie, pod koniec lat 90., projekt obejmował także Mirandę, Três Marias, Segredo, Xingo i Barra Bonita.
Zgodnie z artykułem, który dr Philip M. Fearnside z Amazon Research Institute, opublikował o emisji gazów w fabryce w Tucuruí, w 1990 r., Emisje gazów cieplarnianych (CO2 i CH4) w zakładzie wahały się między 7 milionów i 10 milionów ton w tym roku. Autor porównuje się z miastem São Paulo, które w tym samym roku wyemitowało 53 mln ton CO2 z paliw kopalnych. Innymi słowy, tylko Tucuruí byłaby odpowiedzialna za emisję odpowiadającą 13% do 18% emisji gazów cieplarnianych w mieście São Paulo, co jest znaczącą wartością dla źródła energii uważanego przez długi czas za „bezemisyjne”. Uważano, że z czasem materia organiczna ulegnie całkowitemu rozkładowi, aw konsekwencji przestanie wydzielać te gazy. Jednak,badania przeprowadzone przez grupę Balcar wykazały, że proces produkcji gazu jest zasilany przez napływ nowych materiałów organicznych, które przynoszą rzeki i deszcze.
Utrata gatunków roślin i zwierząt
Szczególnie w Amazonii, która charakteryzuje się dużą bioróżnorodnością, dochodzi do nieuchronnej śmierci organizmów z flory miejsca, w którym powstaje zbiornik. Jeśli chodzi o zwierzęta, nawet jeśli przeprowadza się dokładne planowanie w celu usunięcia organizmów, nie można zagwarantować, że wszystkie organizmy tworzące ekosystem zostaną uratowane. Dodatkowo tama wymusza zmiany w otaczających siedliskach.
Utrata gleby
Gleba na zalanym obszarze stanie się bezużyteczna do innych celów. Staje się to centralnym problemem, zwłaszcza w regionach przeważnie płaskich, takich jak sam region Amazonii. Ponieważ moc elektrowni wynika ze związku między przepływem rzeki a nierównościami terenu, jeśli teren ma niewielkie nierówności, należy zmagazynować większą ilość wody, co oznacza rozległy obszar zbiornika.
Zmiany w geometrii hydraulicznej rzeki
Rzeki mają tendencję do dynamicznej równowagi między zrzutami, średnią prędkością wody, ładunkiem osadów i morfologią dna. Budowa zbiorników wpływa na tę równowagę, a co za tym idzie, powoduje zmiany porządku hydrologiczno-osadowego nie tylko w rejonie zapory, ale także w okolicy oraz w dnie poniżej zapory.
Nominalna wydajność x rzeczywista ilość wyprodukowana
Inną kwestią, którą należy poruszyć, jest różnica między nominalną mocą zainstalowaną a rzeczywistą ilością energii elektrycznej wytwarzanej przez zakład. Ilość wyprodukowanej energii zależy od przepływu rzeki.
Dlatego nie ma sensu instalowanie systemu, który mógłby wytwarzać więcej energii, niż może zapewnić przepływ rzeki, jak miało to miejsce w przypadku elektrowni wodnej Balbina, zainstalowanej na rzece Uatumã.
Mocna moc rośliny
Kolejną ważną kwestią, którą należy wziąć pod uwagę, jest koncepcja mocy zakładu. Według Aneel moc ciągła elektrowni to maksymalna ciągła produkcja energii, jaką można uzyskać, biorąc za podstawę najbardziej suchą sekwencję zarejestrowaną w historii przepływu rzeki, w której jest zainstalowana. Kwestia ta ma coraz większe znaczenie w obliczu coraz częstszych i coraz silniejszych okresów suszy.
Energia hydroelektryczna w Brazylii
Brazylia jest krajem o największym potencjale hydroenergetycznym na świecie. Tak więc 70% skupia się w dorzeczach Amazonii i Tocantins / Araguaia. Pierwszą dużą brazylijską elektrownią wodną, która miała zostać zbudowana, był Paulo Afonso I w 1949 r. W Bahia o mocy równej 180 MW. Obecnie Paulo Afonso I jest częścią kompleksu hydroelektrycznego Paulo Afonso, obejmującego łącznie cztery elektrownie.
Balbina
Elektrownia wodna Balbina została zbudowana na rzece Uatumã w Amazonas. Balbina została zbudowana, aby zaspokoić zapotrzebowanie Manaus na energię. Prognozowano, że zostanie zainstalowana 250 MW mocy przez pięć generatorów o mocy 50 MW każdy. Jednak przepływ rzeki Uatumã zapewnia znacznie niższą średnią roczną produkcję energii, około 112,2 MW, z czego jedynie 64 MW można uznać za moc ciągłą. Biorąc pod uwagę, że podczas przesyłu energii elektrycznej z elektrowni do centrum odbiorczego występuje szacunkowa strata wynosząca 2,5%, tylko 109,4 MW (62,4 MW w przypadku mocy ciągłej). Wartość znacznie poniżej mocy nominalnej 250 MW.
Itaipu
Elektrownia wodna Itaipu jest uważana za drugą co do wielkości elektrownię na świecie z 14 tysiącami MW zainstalowanej mocy i ustępuje tylko wąwozom Três w Chinach z 18,2 tysiącami MW. Zbudowany na rzece Paraná i położony na granicy Brazylii i Paragwaju, jest rośliną dwunarodową, ponieważ należy do obu krajów. Energia wytwarzana przez Itaipu, która dostarcza Brazylię, odpowiada połowie jej całkowitej mocy (7 tys. MW), co odpowiada 16,8% energii zużywanej w Brazylii, a druga połowa jest wykorzystywana przez Paragwaj i odpowiada 75%. Zużycie energii w Paragwaju.
Tucuruí
Elektrownia Tucuruí została zbudowana na rzece Tocantins w miejscowości Pará i ma zainstalowaną moc odpowiadającą 8.370 MW.
Belo Monte
Elektrownia wodna Belo Monte, położona w gminie Altamira, na południowy zachód od Pará i zainaugurowana przez prezydenta Dilmę Roussef, została zbudowana na rzece Xingu. Elektrownia jest największą elektrownią wodną w 100% krajową i trzecią co do wielkości na świecie. O mocy zainstalowanej 11 233,1 megawatów (MW). Oznacza to wystarczające obciążenie, aby obsłużyć 60 milionów ludzi w 17 stanach, co stanowi około 40% konsumpcji mieszkaniowej w całym kraju. Równoważna zainstalowana moc produkcyjna wynosi 11 000 MW, czyli jest to największa instalacja w mocy zainstalowanej kraj, zajmując miejsce zakładu w Tucuruí jako największy w 100% krajowy zakład. Belo Monte jest również trzecią co do wielkości elektrownią wodną na świecie, po odpowiednio Três Gargantas i Itaipu.
Wiele kwestii wiąże się z budową fabryki Belo Monte. Mimo mocy zainstalowanej 11 tys. MW, według Ministerstwa Środowiska, moc ciągła elektrowni odpowiada 4,5 tys. MW, czyli zaledwie 40% mocy całkowitej. Ponieważ jest zbudowany w regionie Amazonii, Belo Monte może emitować duże stężenia metanu i dwutlenku węgla. Wszystko to nie licząc wielkiego wpływu na życie tradycyjnych populacji i wielkiego wpływu na faunę i florę. Innym czynnikiem jest to, że z jego budowy korzystają głównie firmy, a nie ludność. Około 80% energii elektrycznej trafia do firm w środkowo-południowej części kraju.
Możliwość zastosowania
Pomimo wspomnianych negatywnych skutków społeczno-środowiskowych, energia hydroelektryczna ma zalety w porównaniu z nieodnawialnymi źródłami energii, takimi jak paliwa kopalne. Pomimo udziału w emisji metanu i dwutlenku siarki elektrownie wodne nie emitują ani nie uwalniają innych rodzajów toksycznych gazów, takich jak wydychane przez elektrownie termoelektryczne - bardzo szkodliwe dla środowiska i zdrowia ludzi.
Jednak wady hydroelektrycznych zapór wodnych w porównaniu z innymi odnawialnymi źródłami energii, takimi jak energia słoneczna i wiatrowa, które mają mniejszy wpływ na środowisko w porównaniu do skutków powodowanych przez zapory, są bardziej widoczne. Problemem wciąż pozostaje żywotność nowych technologii. Alternatywą dla ograniczenia oddziaływań związanych z produkcją energii wodnej jest budowa małych elektrowni wodnych, które nie wymagają budowy dużych zbiorników.
- Czym jest energia słoneczna, zalety i wady
- Co to jest energia wiatrowa?
Ponadto okres użytkowania tamy wynosi około 30 lat, co podważa ich długoterminową żywotność.
Badanie „Zrównoważona energia wodna w XXI wieku”, przeprowadzone przez Michigan State University, zwraca uwagę na fakt, że duże tamy wodne mogą stać się jeszcze mniej zrównoważonym źródłem energii w obliczu zmian klimatycznych.
Konieczne jest uwzględnienie rzeczywistych kosztów energii wodnej, nie tylko kosztów ekonomicznych i infrastrukturalnych, ale także kosztów społecznych, środowiskowych i kulturowych.
