Saprotiet, kā hidroelektrostacija pārvērš ūdens enerģiju elektrībā, tās priekšrocības un trūkumus
Attēls: Starptautiskās hidroenerģijas asociācijas (IHA) Itaipu aizsprosts, Paragvaja / Brazīlija ir licencēts saskaņā ar CC BY 2.0
Kas ir hidrauliskā (hidroelektriskā) enerģija?
Hidroelektriskā enerģija ir kinētiskās enerģijas izmantošana, kas atrodas ūdenstilpju plūsmā. Kinētiskā enerģija veicina turbīnu, kas veido hidroelektrostacijas sistēmu, asmeņu rotāciju, lai vēlāk sistēmas ģenerators to pārveidotu par elektrisko enerģiju.
Kas ir hidroelektrostacija (vai hidroelektrostacija)?
Hidroelektrostacija ir darbu un iekārtu kopums, ko izmanto elektriskās enerģijas ražošanai, izmantojot upes hidraulisko potenciālu. Hidraulisko potenciālu dod hidrauliskā plūsma un nelīdzenumu koncentrācija upes garumā. Nevienmērīgums var būt dabisks (ūdenskritumi) vai arī uzbūvēts aizsprostu veidā vai novirzot upi no dabiskās gultnes, veidojot ūdenskrātuves. Ir divu veidu rezervuāri: akumulācijas un upju noteces ūdenskrātuves. Akumulācijas nogulsnes parasti veidojas upju ietekā vietās, kur sastopami augsti ūdenskritumi un sastāv no lieliem ūdenskrātuvēm ar lielu ūdens uzkrāšanos. Upes tekošās ūdenskrātuves izmanto upes ūdens ātruma priekšrocības, lai ražotu elektrību, tādējādi radot minimālu ūdens uzkrāšanos vai bez tās.
Savukārt augus klasificē pēc šādiem faktoriem: ūdenskrituma augstums, plūsma, uzstādītā jauda vai jauda, sistēmā izmantotās turbīnas tips, aizsprosts un rezervuārs. Būvlaukums norāda kritiena augstumu un plūsmu, un šie divi faktori nosaka hidroelektrostacijas uzstādīto jaudu vai jaudu. Uzstādītā jauda nosaka turbīnas, aizsprosta un rezervuāra tipu.
Saskaņā ar Nacionālās elektroenerģijas aģentūras (Aneel) ziņojumu Nacionālais mazo hidroelektrostaciju uzziņu centrs (Cerpch, no Itajubas Federālās universitātes - Unifei) ūdenskrituma augstumu nosaka kā zemu (līdz 15 metriem), vidēju ( 15 līdz 150 metri) un augsts (lielāks par 150 metriem). Tomēr šie pasākumi nav vienprātīgi. Rūpnīcas lielums nosaka arī sadales tīkla lielumu, kas patērēto patērētāju aizvedīs saražoto elektroenerģiju. Jo lielāks augs, jo lielāka tieksme atrasties tālu no pilsētas centriem. Tam nepieciešams būvēt lielas pārvades līnijas, kas bieži šķērso stāvokļus un rada enerģijas zudumus.
Kā darbojas hidroelektrostacija?
Hidroelektroenerģijas ražošanai ir jāintegrē upes plūsma, reljefa atšķirība (dabiska vai ne) un pieejamā ūdens daudzums.
Hidroelektrostacijas sistēma sastāv no:
Dambis
Dambja mērķis ir pārtraukt upes dabisko ciklu, izveidojot ūdenskrātuvi. Rezervuāram ir citas funkcijas, izņemot ūdens uzkrāšanu, piemēram, ūdens spraugas izveidošana, ūdens uztveršana pietiekamā apjomā enerģijas ražošanai un upju plūsmas regulēšana lietus un sausuma periodos.
Ūdens ņemšanas (pievienošanas) sistēma
Sastāv no tuneļiem, kanāliem un metāla caurulēm, kas aizved ūdeni uz spēkstaciju.
Spēks
Šajā sistēmas daļā ir turbīnas, kas savienotas ar ģeneratoru. Turbīnu kustība pārveido ūdens kustības kinētisko enerģiju elektriskajā enerģijā caur ģeneratoriem.
Ir vairāki turbīnu veidi, no kuriem galvenie ir peltons, kaplāns, francis un spuldze. Katrai hidroelektrostacijai piemērotākā turbīna ir atkarīga no kritiena augstuma un plūsmas. Piemērs: spuldze tiek izmantota rūpnīcās, jo tai nav nepieciešami rezervuāri, un tā ir paredzēta zemiem kritieniem un lieliem plūsmas ātrumiem.
Bēgšanas kanāls
Pēc iziešanas caur turbīnām ūdens caur evakuācijas kanālu tiek atgriezts dabiskajā upes gultnē.
Evakuācijas kanāls atrodas starp spēkstaciju un upi, un tā lielums ir atkarīgs no spēkstacijas un upes lieluma.
Spillway
Izliešana ļauj ūdenim izplūst ikreiz, kad rezervuāra līmenis pārsniedz ieteicamās robežas. Tas parasti notiek lietus periodos.
Izliešanas ceļš tiek atvērts, ja tiek traucēta elektroenerģijas ražošana, jo ūdens līmenis ir virs ideālā līmeņa; vai lai izvairītos no pārplūšanas un līdz ar to arī no plūdiem ap augu, kas ir iespējams ļoti lietainos periodos.
Sociālās vides ietekme, ko izraisa hidroelektrostaciju implantēšana
Pirmā hidroelektrostacija tika uzcelta 19. gadsimta beigās Niagāras ūdenskrituma posmā starp Amerikas Savienotajām Valstīm un Kanādu, kad ogles bija galvenā degviela un nafta vēl netika plaši izmantota. Pirms tam hidrauliskā enerģija tika izmantota tikai kā mehāniskā enerģija.
Neskatoties uz to, ka hidroelektriskā enerģija ir atjaunojams enerģijas avots, Aneel ziņojumā norādīts, ka tā dalība pasaules elektriskajā matricā ir maza un kļūst vēl mazāka. Pieaugošais intereses trūkums būtu negatīvu ārējo faktoru rezultāts, kas rodas šāda lieluma projektu īstenošanas rezultātā.
Lielu hidroelektroenerģijas projektu implantēšanas negatīva ietekme ir to iedzīvotāju dzīves veida maiņa, kuri dzīvo reģionā vai tās vietas apkārtnē, kur augs tiks implantēts. Ir arī svarīgi atzīmēt, ka šīs kopienas bieži ir cilvēku grupas, kas tiek identificētas kā tradicionālās populācijas (pamatiedzīvotāji, quilombolas, Amazones upes kopienas un citas), kuru izdzīvošana ir atkarīga no resursu izmantošanas no dzīves vietas un kurām ir saikne ar teritoriju kultūras kārtība.
Vai hidroenerģija ir tīra?
Neskatoties uz to, ka daudzi to uzskata par "tīras" enerģijas avotu, jo tas nav saistīts ar fosilā kurināmā sadedzināšanu, hidroelektroenerģija veicina oglekļa dioksīda un metāna - divu gāzu - emisijas, kas potenciāli var izraisīt globālo sasilšanu.
Oglekļa dioksīda (CO2) emisija ir saistīta ar koku sadalīšanos, kas paliek virs rezervuāru ūdens līmeņa, un metāna (CH4) izdalīšanās notiek, sadaloties organiskajām vielām, kas atrodas rezervuāra apakšā. Palielinoties ūdens kolonnai, palielinās arī metāna (CH4) koncentrācija. Kad ūdens sasniedz rūpnīcas turbīnas, spiediena starpība izraisa metāna izdalīšanos atmosfērā. Metāns tiek izvadīts arī ūdens ceļā caur augu noplūdes ceļu, kad papildus spiediena un temperatūras izmaiņām ūdeni izsmidzina pa pilienam.
CO2 izdalās, sadaloties virs ūdens nokaltušiem kokiem. Atšķirībā no metāna, tikai daļa no izdalītā CO2 tiek uzskatīta par ietekmējošu, jo liela daļa CO2 tiek atcelta, absorbējot, kas notiek rezervuārā. Tā kā metāns nav iekļauts fotosintēzes procesos (lai arī to var lēnām pārveidot par oglekļa dioksīdu), šajā gadījumā tas tiek uzskatīts par daudz ietekmīgāku siltumnīcas efektam.
Balcara projekts (siltumnīcas efektu izraisošo gāzu emisija hidroelektrostaciju rezervuāros) tika izveidots, lai izpētītu mākslīgo rezervuāru ieguldījumu siltumnīcas efekta pastiprināšanā, izmantojot oglekļa dioksīda un metāna emisijas. Pirmie projekta pētījumi tika veikti 90. gados Amazones reģiona rezervuāros: Balbinā, Tucurū un Samuēlā. Amazones reģions bija koncentrēts uz pētījumu, jo to raksturo milzīgs veģetācijas segums un līdz ar to lielāks gāzes emisiju potenciāls, sadaloties organiskām vielām. Pēc tam, 90. gadu beigās, projektā piedalījās arī Miranda, Três Marias, Segredo, Xingo un Barra Bonita.
Saskaņā ar rakstu, kuru Dr Philip M. Fearnside no Amazones Pētniecības institūta publicēja par gāzu emisijām Tucuruí rūpnīcā, 1990. gadā auga siltumnīcefekta gāzu (CO2 un CH4) emisijas mainījās. Tajā gadā 7 miljoni un 10 miljoni tonnu. Autors salīdzina ar Sanpaulu pilsētu, kas tajā pašā gadā no fosilā kurināmā emitēja 53 miljonus tonnu CO2. Citiem vārdiem sakot, tikai Tucuruí būtu atbildīgs par emisiju ekvivalentu 13% līdz 18% no siltumnīcefekta gāzu emisijām Sanpaulu pilsētā, kas ir nozīmīga vērtība enerģijas avotam, kas ilgu laiku tiek uzskatīts par „bez emisiju”. Tika uzskatīts, ka laika gaitā organiskā viela pilnībā sadalīsies un līdz ar to tā vairs neizdalīs šīs gāzes. TomērBalcar grupas pētījumi ir parādījuši, ka gāzes ražošanas process tiek nodrošināts ar jaunu organisko materiālu ienākšanu, ko ienes upes un lietavas.
Augu un dzīvnieku sugu zudums
Īpaši Amazones reģionā, kurā ir liela bioloģiskā daudzveidība, organismu neizbēgama nāve notiek no rezervuāra izveidošanās vietas floras. Kas attiecas uz dzīvniekiem, pat tad, ja tiek veikta rūpīga plānošana, mēģinot iznīcināt organismus, nevar garantēt, ka visi organismi, kas veido ekosistēmu, tiek izglābti. Turklāt dambis rada izmaiņas apkārtējos biotopos.
Augsnes zudums
Augsne applūstošajā zonā kļūs neizmantojama citiem mērķiem. Tas kļūst par centrālo jautājumu, it īpaši pārsvarā plakanajos reģionos, piemēram, pašā Amazones reģionā. Tā kā iekārtas jaudu piešķir sakarība starp upes plūsmu un reljefa nelīdzenumu, ja reljefam ir zems nelīdzenums, jāuzglabā lielāks ūdens daudzums, kas nozīmē plašu ūdenskrātuves laukumu.
Izmaiņas upes hidrauliskajā ģeometrijā
Upēs parasti ir dinamisks līdzsvars starp izplūdi, vidējo ūdens ātrumu, nogulumu slodzi un gultnes morfoloģiju. Rezervuāru uzbūve ietekmē šo līdzsvaru un līdz ar to izraisa hidroloģiskās un nogulumu kārtības izmaiņas ne tikai dambja vietā, bet arī apkārtnē un gultnē zem aizsprosta.
Nominālā jauda x faktiskais saražotais daudzums
Vēl viens izvirzāms jautājums ir tāds, ka pastāv atšķirība starp nominālo uzstādīto jaudu un faktisko elektrības daudzumu, ko iekārta saražo. Saražotās enerģijas daudzums ir atkarīgs no upes plūsmas.
Tādējādi ir bezjēdzīgi uzstādīt sistēmu ar potenciālu saražot vairāk enerģijas, nekā var nodrošināt upes plūsma, kā tas notika Balatinas hidroelektrostacijas gadījumā, kas uzstādīta Uatuma upē.
Uzņēmuma stingra jauda
Vēl viens svarīgs punkts, kas jāņem vērā, ir rūpnīcas stingras jaudas jēdziens. Pēc Aneel domām, rūpnīcas stingrā jauda ir maksimālā nepārtrauktā enerģijas ražošana, ko varētu iegūt, ņemot vērā sausāko secību, kas reģistrēta upes plūsmas vēsturē, kurā tā ir uzstādīta kā pamats. Šis jautājums mēdz kļūt arvien centrālāks, ņemot vērā arvien biežākos un smagākos sausuma periodus.
Hidroelektroenerģija Brazīlijā
Brazīlija ir valsts, kurai ir vislielākais hidroelektroenerģijas potenciāls pasaulē. Tā, ka 70% no tā koncentrējas Amazonas un Tocantins / Araguaia baseinos. Pirmā lielā Brazīlijas hidroelektrostacija, kas tika uzbūvēta, bija Paulo Afonso I 1949. gadā Bahijā ar jaudu, kas līdzvērtīga 180 MW. Pašlaik Paulo Afonso I ir daļa no Paulo Afonso hidroelektrostaciju kompleksa, kurā kopumā ietilpst četras rūpnīcas.
Balbiņa
Balbinas hidroelektrostacija tika uzcelta uz Uatuma upes Amazonas štatā. Balbina tika uzcelta, lai nodrošinātu Manausas enerģijas pieprasījumu. Prognoze paredzēja uzstādīt 250 MW jaudu, izmantojot piecus ģeneratorus, ar jaudu 50 MW katram. Tomēr Uatuma upes plūsma nodrošina daudz zemāku vidējo gada enerģijas ražošanu, aptuveni 112,2 MW, no kurām tikai 64 MW var uzskatīt par stingru jaudu. Ņemot vērā, ka elektroenerģijas pārvades no rūpnīcas uz patērētāju centru laikā ir aptuveni 2,5% zaudējumi, tikai 109,4 MW (62,4 MW stingrā jauda). Vērtība krietni zem 250 MW nominālās jaudas.
Itaipu
Itaipu hidroelektrostacija tiek uzskatīta par otro lielāko spēkstaciju pasaulē ar uzstādītu jaudu 14 tūkstoši MW, bet otrajā vietā ir Ķīnas Trēsa aiza ar 18,2 tūkstošiem MW. Tā ir celta pie Paranas upes un atrodas uz robežas starp Brazīliju un Paragvaju, un tā ir divpusēja rūpnīca, jo tā pieder abām valstīm. Itaipu saražotā enerģija, kas piegādā Brazīliju, atbilst pusei no tās kopējās jaudas (7 tūkstoši MW), kas ir ekvivalents 16,8% no Brazīlijā patērētās enerģijas, bet otru pusi enerģijas izmanto Paragvaja un atbilst 75% Paragvajas enerģijas patēriņš.
Tucuruí
Tucuruí rūpnīca tika uzbūvēta Tocantins upē, Parā, un tās uzstādītā jauda ir 8370 MW.
Belo Monte
Belo Monte hidroelektrostacija, kas atrodas Altamiras pašvaldībā uz dienvidrietumiem no Paras un kuru atklāja prezidente Dilma Roussef, tika uzcelta pie Ksingu upes. Iekārta ir lielākā 100% nacionālā hidroelektrostacija un trešā lielākā pasaulē. Ar uzstādīto jaudu 11 233,1 megavati (MW). Tas nozīmē pietiekami daudz kravu, lai apkalpotu 60 miljonus cilvēku 17 štatos, kas ir aptuveni 40% no mājokļu patēriņa visā valstī.Līdzvērtīgā uzstādītā ražošanas jauda ir 11 tūkstoši MW, tas ir, lielākā uzstādītās jaudas rūpnīca valstī, ieņemot Tucuruí rūpnīcas vietu kā lielāko 100% nacionālo rūpnīcu. Belo Monte ir arī trešā lielākā hidroelektrostacija pasaulē, aiz attiecīgi Trē Gorges un Itaipu.
Daudzi jautājumi griežas ap Belo Monte rūpnīcas celtniecību. Neskatoties uz to, ka uzstādītā jauda ir 11 tūkstoši MW, saskaņā ar Vides ministrijas datiem, rūpnīcas stingrā jauda atbilst 4,5 tūkstošiem MW, tas ir, tikai 40% no kopējās jaudas. Tā kā Belo Monte ir uzbūvēts Amazones reģionā, tas var izdalīt lielu metāna un oglekļa dioksīda koncentrāciju. Tas viss, neņemot vērā lielo ietekmi uz tradicionālo populāciju dzīvi un lielo ietekmi uz faunu un floru. Vēl viens faktors ir tas, ka tā celtniecība galvenokārt dod labumu uzņēmumiem, nevis iedzīvotājiem. Aptuveni 80% elektroenerģijas ir paredzēta uzņēmumiem Centra dienvidos.
Piemērojamība
Neskatoties uz minēto negatīvo ietekmi uz sociālo vidi, hidroelektroenerģijai ir priekšrocības salīdzinājumā ar neatjaunojamiem enerģijas avotiem, piemēram, fosilo kurināmo. Neskatoties uz metāna un sēra dioksīda emisijas veicināšanu, hidroelektrostacijas neizdala un neizdala cita veida toksiskas gāzes, piemēram, tādas, kuras izelpo termoelektrostacijas, kas ir ļoti kaitīgas videi un cilvēku veselībai.
Tomēr ir acīmredzamāki hidroelektrostaciju trūkumi salīdzinājumā ar citiem atjaunojamiem enerģijas avotiem, piemēram, saules un vēja enerģiju, kuriem ir mazāka ietekme uz vidi, salīdzinot ar aizsprostu radīto ietekmi. Problēma joprojām ir jauno tehnoloģiju dzīvotspēja. Alternatīva ar hidroelektroenerģijas ražošanu saistīto seku mazināšanai ir mazu hidroelektrostaciju būvniecība, kurām nav nepieciešami lieli rezervuāri.
- Kas ir saules enerģija, priekšrocības un trūkumi
- Kas ir vēja enerģija?
Turklāt aizsprostu kalpošanas laiks ir aptuveni 30 gadi, kas apšauba to ilgtermiņa dzīvotspēju.
Mičiganas štata universitātes veiktais pētījums "Ilgtspējīga hidroenerģija 21. gadsimtā" pievērš uzmanību faktam, ka lielas hidroelektrostacijas varētu kļūt par vēl mazāk ilgtspējīgu enerģijas avotu klimata pārmaiņu apstākļos.
Jāņem vērā hidroelektroenerģijas patiesās izmaksas, ne tikai ekonomiskās un infrastruktūras izmaksas, bet arī sociālās, vides un kultūras izmaksas.
