Shvatite kako hidroelektrana pretvara energiju vode u električnu energiju, njene prednosti i nedostatke
Slika: Brana Itaipu, Paragvaj / Brazil od strane Međunarodne hidroenergetske asocijacije (IHA) licencirana je pod CC BY 2.0
Što je hidraulična (hidroelektrična) energija?
Hidroelektrična energija je upotreba kinetičke energije sadržane u protoku vodnih tijela. Kinetička energija potiče rotaciju lopatica turbina koje čine sustav hidroelektrane, da bi ih generator sustava kasnije transformirao u električnu energiju.
Što je hidroelektrana (ili hidroelektrana)?
Hidroelektrana je skup radova i opreme koji se koriste za proizvodnju električne energije korištenjem hidrauličkog potencijala rijeke. Hidraulički potencijal daje se hidrauličkim protokom i koncentracijom neravnina duž toka rijeke. Neravnine mogu biti prirodne (slapovi) ili sagrađene u obliku brana ili preusmjeravanjem rijeke iz prirodnog korita u rezervoare. Postoje dvije vrste rezervoara: akumulacijski i protočni. Akumulacijski nanosi obično se formiraju u izvorištima rijeka, na mjestima koja se javljaju u visokim slapovima i sastoje se od velikih rezervoara s velikim nakupinama vode. Riječne akumulacije iskorištavaju brzinu vode rijeke za proizvodnju električne energije, čime se generira minimalna akumulacija vode ili je uopće nema.
Postrojenja su pak klasificirana prema sljedećim čimbenicima: visina vodopada, protok, instalirana snaga ili snaga, vrsta turbine koja se koristi u sustavu, brana i rezervoar. Gradilište daje visinu pada i protoka, a ta dva čimbenika određuju instalirani kapacitet ili snagu hidroelektrane. Instalirani kapacitet određuje vrstu turbine, branu i rezervoar.
Prema izvješću Nacionalne agencije za električnu energiju (Aneel), Nacionalni referentni centar za male hidroelektrane (Cerpch, Savezno sveučilište Itajubá - Unifei) definira visinu slapa kao nisku (do 15 metara), srednju ( 15 do 150 metara) i visoke (veće od 150 metara). Međutim, ove mjere nisu sporazumne. Veličina postrojenja također određuje veličinu distribucijske mreže koja će električnu energiju odnijeti potrošačima. Što je biljka veća, to je veća tendencija da bude daleko od urbanih središta. To zahtijeva izgradnju velikih dalekovoda koji često prelaze stanja i uzrokuju gubitke energije.
Kako funkcionira hidroelektrana?
Za proizvodnju hidroelektrične energije potrebno je integrirati protok rijeke, razliku u terenu (prirodnom ili ne) i dostupnoj količini vode.
Sustav hidroelektrane sastoji se od:
Brana
Svrha brane je prekinuti prirodni ciklus rijeke stvarajući vodospremnik. Rezervoar osim čuvanja vode ima i druge funkcije, poput stvaranja vodenog jaza, hvatanja vode u dovoljnoj količini za proizvodnju energije i reguliranja protoka rijeka tijekom kiše i suše.
Sustav za unos vode (addukcija)
Sastoji se od tunela, kanala i metalnih cijevi koji vode vodu do elektrane.
Elektrana
U ovom dijelu sustava nalaze se turbine povezane s generatorom. Kretanje turbina pretvara kinetičku energiju kretanja vode u električnu energiju kroz generatore.
Postoji nekoliko vrsta turbina, a glavni su pelton, kaplan, francis i bulb. Najprikladnija turbina za svaku hidroelektranu ovisi o visini pada i protoku. Primjer: žarulja se koristi u tekućim pogonima jer ne zahtijeva postojanje rezervoara i indicirana je za male padove i velike protoke.
Kanal za bijeg
Nakon prolaska kroz turbine, voda se vraća u prirodno korito rijeke kroz izlazni kanal.
Kanal za bijeg nalazi se između elektrane i rijeke, a njegova veličina ovisi o veličini elektrane i rijeke.
Preljev
Izlijevanje omogućuje izlazak vode kad god razina ležišta prijeđe preporučene granice. To se obično događa u razdobljima kiše.
Izlijevanje se otvara kad je proizvodnja električne energije oslabljena jer je razina vode iznad idealne razine; ili kako bi se izbjeglo prelijevanje i posljedično plavljenje oko biljke, što je moguće u vrlo kišnim razdobljima.
Utjecaji na okoliš i okoliš uzrokovani ugradnjom hidroelektrana
Prva hidroelektrana izgrađena je krajem 19. stoljeća na dijelu Niagarskih slapova, između Sjedinjenih Država i Kanade, kada je ugljen bio glavno gorivo, a nafta još nije bila široko korištena. Prije toga hidraulična energija koristila se samo kao mehanička energija.
Iako je hidroelektrična energija obnovljivi izvor energije, Aneelovo izvješće ističe da je njezino sudjelovanje u svjetskoj električnoj matrici malo i postaje još manje. Rastući nedostatak interesa bio bi rezultat negativnih vanjskih učinaka koji su rezultat provedbe projekata ove veličine.
Negativan utjecaj implantacije velikih hidroelektričnih projekata je promjena u načinu života populacija koje žive u regiji ili u okolici mjesta na kojem će se postrojenje instalirati. Također je važno napomenuti da su ove zajednice često ljudske skupine koje se identificiraju kao tradicionalne populacije (autohtoni narodi, kilombole, amazonske riječne zajednice i druge), čiji opstanak ovisi o korištenju resursa iz mjesta u kojem žive i koji imaju veze s teritorijom kulturni poredak.
Je li hidroenergija čista?
Iako ga mnogi smatraju izvorom "čiste" energije jer nije povezana s izgaranjem fosilnih goriva, proizvodnja hidroelektrana pridonosi emisiji ugljičnog dioksida i metana, dva plina koji potencijalno mogu uzrokovati globalno zagrijavanje.
Emisija ugljičnog dioksida (CO2) posljedica je razgradnje stabala koja ostaju iznad razine vode rezervoara, a do oslobađanja metana (CH4) dolazi raspadanjem organske tvari prisutne na dnu ležišta. Kako se vodeni stupac povećava, tako se povećava i koncentracija metana (CH4). Kad voda dospije u turbine postrojenja, razlika u tlaku uzrokuje ispuštanje metana u atmosferu. Metan se također ispušta u vodeni put kroz preljev biljke, kada se, uz promjenu tlaka i temperature, voda prska u kapima.
CO2 se oslobađa razgradnjom mrtvih stabala iznad vode. Za razliku od metana, samo se dio emisije CO2 smatra utjecajnim, jer se velik dio CO2 poništava apsorpcijom koja se događa u ležištu. Kako se metan ne uključuje u procese fotosinteze (iako se polako može transformirati u ugljični dioksid), u ovom se slučaju smatra utjecajnijim na efekt staklenika.
Projekt Balcar (Emisije stakleničkih plinova u rezervoarima hidroelektrana) stvoren je kako bi se istražio doprinos umjetnih ležišta pojačavanju efekta staklenika emisijom ugljičnog dioksida i metana. Prve studije projekta provedene su 90-ih godina, u rezervoarima u regiji Amazona: Balbina, Tucuruí i Samuel. Regija Amazon bila je usredotočena na studiju jer je karakterizira masivan vegetacijski pokrivač, a time i veći potencijal za emisiju plinova razgradnjom organske tvari. Nakon toga, krajem devedesetih, projekt je također uključivao Mirandu, Três Marias, Segredo, Xingo i Barra Bonita.
Prema članku koji je dr. Philip M. Fearnside s Amazonskog istraživačkog instituta objavio o emisijama plinova u postrojenju Tucuruí 1990. godine, emisije stakleničkih plinova (CO2 i CH4) iz postrojenja varirale su između Te godine 7 milijuna i 10 milijuna tona. Autor vrši usporedbu s gradom São Paulom koji je iste godine emitirao 53 milijuna tona CO2 iz fosilnih goriva. Drugim riječima, samo bi Tucuruí bio odgovoran za emisiju ekvivalentnih 13% do 18% emisija stakleničkih plinova u gradu São Paulu, što je značajna vrijednost za izvor energije za koji se dugo smatralo da nema emisiju. Vjerovalo se da će se s vremenom organska tvar potpuno razgraditi i kao posljedica toga prestat će emitirati te plinove. Međutim,studije grupe Balcar pokazale su da se proces proizvodnje plina napaja dolaskom novih organskih materijala koje donose rijeke i kiše.
Gubitak biljnih i životinjskih vrsta
Pogotovo u regiji Amazona, koja ima visoku biološku raznolikost, neizbježna je smrt organizama iz flore mjesta na kojem se formira rezervoar. Što se tiče životinja, čak i ako se temeljito planira pokušaj uklanjanja organizama, ne može se zajamčiti da su svi organizmi koji čine ekosustav spašeni. Osim toga, brana nameće promjene u okolnim staništima.
Gubitak tla
Tlo na poplavljenom području postat će neupotrebljivo za druge svrhe. To postaje središnje pitanje, posebno u pretežno ravničarskim regijama, poput same Amazonije. Budući da snagu postrojenja daje odnos između protoka rijeke i neravnina terena, ako teren ima malu neravninu, mora se skladištiti veća količina vode, što podrazumijeva prostrano područje ležišta.
Promjene u hidrauličkoj geometriji rijeke
Rijeke imaju tendenciju dinamičke ravnoteže između ispuštanja, prosječne brzine vode, opterećenja sedimenta i morfologije korita. Izgradnja akumulacija utječe na ovu ravnotežu i posljedično uzrokuje promjene hidrološkog i sedimentnog reda, ne samo na mjestu brane, već i u okolici te u koritu ispod brane.
Nominalni kapacitet x stvarna proizvedena količina
Sljedeće pitanje koje treba pokrenuti jest da postoji razlika između nominalnog instaliranog kapaciteta i stvarne količine električne energije koju proizvodi postrojenje. Količina proizvedene energije ovisi o protoku rijeke.
Stoga je beskorisno instalirati sustav s potencijalom za proizvodnju više energije nego što protok rijeke može pružiti, kao što se to dogodilo u slučaju hidroelektrane Balbina, instalirane na rijeci Uatumã.
Čvrsta snaga postrojenja
Još jedna važna stvar koju treba uzeti u obzir je koncept čvrste snage postrojenja. Prema Aneelu, čvrsta snaga postrojenja maksimalna je kontinuirana proizvodnja energije koja se mogla dobiti, uzimajući u obzir najsuši slijed zabilježen u povijesti protoka rijeke u kojoj je ugrađena kao baza. Ovo pitanje ima tendenciju da postaje sve centralnije usred sve češćih i ozbiljnijih sušnih razdoblja.
Hidroelektrana u Brazilu
Brazil je zemlja koja ima najveći hidroelektrični potencijal na svijetu. Tako da je 70% koncentrirano u slivovima Amazonas i Tocantins / Araguaia. Prva velika brazilska hidroelektrana koja je izgrađena bila je Paulo Afonso I, 1949. godine, u Bahiji, snage ekvivalentne 180 MW. Trenutno je Paulo Afonso I dio hidroelektrane Paulo Afonso, koja se sastoji od ukupno četiri postrojenja.
Balbina
Hidroelektrana Balbina izgrađena je na rijeci Uatumã, u Amazonas. Balbina je izgrađena za opskrbu Manausove potrebe za energijom. Predviđala se instalacija snage 250 MW, kroz pet generatora, snage po 50 MW. Međutim, protok rijeke Uatumã pruža puno nižu prosječnu godišnju proizvodnju energije, negdje oko 112,2 MW, od čega se samo 64 MW može smatrati čvrstom snagom. Uzimajući u obzir da postoji približno gubitak od 2,5% tijekom prijenosa električne energije iz postrojenja u potrošački centar, samo 109,4 MW (62,4 MW u čvrstoj snazi). Vrijednost znatno ispod nominalne snage 250 MW.
Itaipu
Hidroelektrana Itaipu smatra se drugom najvećom elektranom na svijetu, s instaliranom snagom od 14 tisuća MW, a druga je nakon klanca Três u Kini sa 18,2 tisuće MW. Izgrađena na rijeci Paraná i smještena na granici između Brazila i Paragvaja, dvonacionalna je biljka, budući da pripada objema zemljama. Energija koju proizvodi Itaipu koja opskrbljuje Brazil odgovara polovici njegove ukupne snage (7 tisuća MW) što je ekvivalentno 16,8% energije potrošene u Brazilu, a drugu polovicu energije koristi Paragvaj i odgovara 75% Paragvajska potrošnja energije.
Tucuruí
Postrojenje Tucuruí izgrađeno je na rijeci Tocantins, u mjestu Pará, a instalirane snage mu je ekvivalentno 8.370 MW.
Belo Monte
Hidroelektrana Belo Monte, smještena u općini Altamira, jugozapadno od Pare, a otvorila je predsjednica Dilma Roussef, izgrađena je na rijeci Xingu. Postrojenje je najveća hidroelektrana sa 100% nacionalnosti i treće po veličini na svijetu. S instaliranom snagom od 11 233,1 megavata (MW). To znači dovoljno opterećenja za opsluživanje 60 milijuna ljudi u 17 država, što predstavlja oko 40% stambene potrošnje u cijeloj zemlji. Ekvivalent instalirane proizvodne snage je 11 000 MW, odnosno najveće postrojenje u instaliranoj snazi zemlja, zauzimajući mjesto tvornice Tucuruí kao najveću 100% nacionalnu biljku. Belo Monte je ujedno i treća najveća hidroelektrana na svijetu, iza Três Gargantasa i Itaipua.
Mnoga pitanja vrte se oko izgradnje pogona u Belo Monteu. Iako je instalirana snaga od 11 tisuća MW, prema podacima Ministarstva zaštite okoliša, čvrsta snaga elektrane odgovara 4,5 tisuće MW, odnosno samo 40% ukupne snage. Budući da je izgrađen u Amazonskoj regiji, Belo Monte ima potencijal emitirati velike koncentracije metana i ugljičnog dioksida. Sve to bez računanja velikog utjecaja na život tradicionalnih populacija i velikog utjecaja na faunu i floru. Drugi je čimbenik da njegova izgradnja koristi uglavnom tvrtkama, a ne stanovništvu. Otprilike 80% električne energije namijenjeno je tvrtkama u središnjem jugu zemlje.
Primjenjivost
Unatoč spomenutim negativnim socioekološkim utjecajima, hidroelektrična energija ima prednosti u usporedbi s neobnovljivim izvorima energije kao što su fosilna goriva. Unatoč tome što doprinose emisiji metana i sumpornog dioksida, hidroelektrane ne emitiraju niti ispuštaju druge vrste otrovnih plinova, poput onih koje izdišu termoelektrane - vrlo štetne za okoliš i ljudsko zdravlje.
Međutim, nedostaci hidroelektrana u usporedbi s drugim obnovljivim izvorima energije, poput sunčeve i vjetroelektrane, koji su smanjili utjecaj na okoliš u usporedbi s utjecajem brana, očigledniji su. Problem je i dalje održivost novih tehnologija. Alternativa smanjenju utjecaja povezanih s proizvodnjom hidroelektrične energije je izgradnja malih hidroelektrana koje ne zahtijevaju izgradnju velikih akumulacija.
- Što je solarna energija, prednosti i nedostaci
- Što je energija vjetra?
Uz to, brane imaju vijek trajanja oko 30 godina, što dovodi u pitanje njihovu dugoročnu održivost.
Studija "Održiva hidroenergija u 21. stoljeću", koju je provelo Državno sveučilište Michigan, skreće pozornost na činjenicu da bi velike hidroelektrane mogle postati još manje održiv izvor energije u uvjetima klimatskih promjena.
Potrebno je uzeti u obzir stvarne troškove hidroelektrične energije, ne samo ekonomske i infrastrukturne troškove, već i socijalne, ekološke i kulturne troškove.
