Разберете как водноелектрическата централа превръща водната енергия в електричество, нейните предимства и недостатъци

Изображение: Язовир Itaipu, Парагвай / Бразилия от Международната хидроенергийна асоциация (IHA) е лицензиран под CC BY 2.0

Какво е хидравлична (водноелектрическа) енергия?

Хидроелектрическата енергия е използването на кинетичната енергия, съдържаща се в потока на водните тела. Кинетичната енергия насърчава въртенето на лопатките на турбините, които изграждат системата на водноелектрическата централа, за да бъде по-късно трансформирана в електрическа енергия от генератора на системата.

Какво е водноелектрическа централа (или водноелектрическа централа)?

Хидроелектрическата централа е набор от работи и оборудване, използвани за производство на електрическа енергия от използването на хидравличния потенциал на река. Хидравличният потенциал се дава от хидравличния поток и концентрацията на съществуващите неравности по течението на реката. Неравностите могат да бъдат естествени (водопади) или изградени под формата на язовири или чрез отклоняване на реката от естественото й корито, за да се образуват резервоари. Има два типа резервоари: акумулационни и течащи речни резервоари. Акумулационните обикновено се образуват в изворите на реките, на места, които срещат високи водопади и се състоят от големи резервоари с голямо натрупване на вода. Речните водоеми се възползват от скоростта на водата на реката, за да генерират електричество, като по този начин генерират минимално или никакво натрупване на вода.

Растенията от своя страна се класифицират според следните фактори: височина на водопада, дебит, инсталирана мощност или мощност, тип турбина, използвана в системата, язовир и резервоар. Строителната площадка дава височината на падането и потока и тези два фактора определят инсталираната мощност или мощност на водноелектрическа централа. Инсталираната мощност определя вида на турбината, язовира и резервоара.

Според доклад на Националната агенция за електрическа енергия (Aneel), Националният референтен център за малки водноелектрически централи (Cerpch, от Федералния университет в Итауба - Unifei) определя височината на водопада като ниска (до 15 метра), средна ( 15 до 150 метра) и висока (по-голяма от 150 метра). Тези мерки обаче не са съгласни. Размерът на централата също така определя размера на разпределителната мрежа, която ще отвежда генерираната електроенергия до потребителите. Колкото по-голямо е растението, толкова по-голяма е тенденцията то да е далеч от градските центрове. Това налага изграждането на големи далекопроводи, които често пресичат състояния и причиняват енергийни загуби.

Как работи водноелектрическата централа?

За производството на водноелектрическа енергия е необходимо да се интегрират потока на реката, разликата в терена (естествен или не) и наличното количество вода.

Системата на водноелектрическа централа се състои от:

Язовир

Целта на язовира е да прекъсне естествения цикъл на реката, създавайки воден резервоар. Язовирът има и други функции освен съхранение на вода, като създаване на водна междина, улавяне на вода в достатъчен обем за производство на енергия и регулиране на потока на реките по време на дъжд и суша.

Система за приемане на вода (аддукция)

Съставен от тунели, канали и метални тръбопроводи, които отвеждат водата до електроцентралата.

Електростанция

В тази част на системата са турбините, свързани към генератор. Движението на турбините преобразува кинетичната енергия на движението на водата в електрическа енергия чрез генераторите.

Има няколко вида турбини, като основните от тях са pelton, kaplan, francis и bulb. Най-подходящата турбина за всяка водноелектрическа централа зависи от височината на падане и дебита. Пример: крушката се използва в инсталации, които не са в процес на производство, тъй като не изисква съществуването на резервоари и е показана за ниски падания и високи дебити.

Евакуационен канал

След преминаване през турбините водата се връща в естественото корито на реката през евакуационния канал.

Евакуационният канал е разположен между електроцентралата и реката и размерът му зависи от размера на електроцентралата и реката.

Преливник

Преливникът позволява на водата да излиза, когато нивото на резервоара надхвърли препоръчаните граници. Това обикновено се случва в периоди на дъжд.

Преливникът се отваря, когато производството на електричество е нарушено, тъй като нивото на водата е над идеалното ниво; или за да се избегне преливане и следователно наводняване около растението, което е възможно в много дъждовни периоди.

Социално-екологични въздействия, причинени от имплантирането на водноелектрически централи

Първата водноелектрическа централа е построена в края на 19-ти век на участък от Ниагарския водопад, между САЩ и Канада, когато въглищата са основното гориво, а петролът все още не се използва широко. Преди това хидравличната енергия се използваше само като механична енергия.

Въпреки че водноелектрическата енергия е възобновяем енергиен източник, докладът на Aneel посочва, че нейното участие в световната електрическа матрица е малко и става още по-малко. Нарастващата липса на интерес би била резултат от негативните външни ефекти, произтичащи от изпълнението на проекти с такъв размер.

Негативно въздействие от изпълнението на големи водноелектрически проекти е промяната в начина на живот на популациите, живеещи в региона, или в околностите на мястото, където ще бъде имплантирана централата. Също така е важно да се подчертае, че тези общности често са човешки групи, идентифицирани като традиционни популации (коренни народи, киломболи, крайречни общности на Амазония и други), чието оцеляване зависи от използването на ресурси от мястото, където живеят, и които имат връзки с територията културен ред.

Чиста ли е хидроенергията?

Въпреки че се смята от мнозина за източник на „чиста“ енергия, тъй като тя не е свързана с изгарянето на изкопаеми горива, производството на водноелектрическа енергия допринася за емисиите на въглероден диоксид и метан, два газа, потенциално причиняващи глобално затопляне.

Емисията на въглероден диоксид (CO2) се дължи на разлагането на дърветата, които остават над нивото на водата на резервоарите, а отделянето на метан (CH4) се случва чрез разлагането на органичното вещество, намиращо се на дъното на резервоара. С увеличаване на водния стълб концентрацията на метан (CH4) също се увеличава. Когато водата достигне турбините на растението, разликата в налягането води до изпускане на метан в атмосферата. Метанът също се отделя във водния път през преливника на растението, когато освен промяната в налягането и температурата, водата се пръска на капки.

СО2 се отделя при разлагането на мъртвите дървета над водата. За разлика от метана, само част от емитирания CO2 се счита за въздействаща, тъй като голяма част от CO2 се анулира чрез абсорбции, които се случват в резервоара. Тъй като метанът не е включен в процесите на фотосинтеза (въпреки че може бавно да се трансформира във въглероден диоксид), в този случай се счита за по-въздействащ върху парниковия ефект.

Проектът Balcar (Емисии на парникови газове в резервоари на водноелектрически централи) е създаден, за да проучи приноса на изкуствените резервоари за засилване на парниковия ефект чрез емисиите на въглероден диоксид и метан. Първите проучвания на проекта са извършени през 90-те години в резервоари в района на Амазонка: Балбина, Тукуруи и Самуел. Районът на Амазонка беше фокусиран върху проучването, тъй като се характеризира с масивна растителна покривка и следователно по-голям потенциал за газови емисии чрез разлагане на органични вещества. Впоследствие, в края на 90-те години, проектът включва още Миранда, Трес Мариас, Сегредо, Синго и Бара Бонита.

Според статията, която д-р Филип М. Фърнсайд от изследователския институт на Амазонка публикува за емисиите на газове в завода в Тукуру, през 1990 г. емисиите на парникови газове (CO2 и CH4) от централата варират между 7 милиона и 10 милиона тона тази година. Авторът прави сравнение с град Сао Пауло, който емитира 53 милиона тона CO2 от изкопаеми горива през същата година. С други думи, само Тукуруи ще бъде отговорен за издаването на еквивалент от 13% до 18% от емисиите на парникови газове в град Сао Пауло, значителна стойност за енергиен източник, считан от дълго време за „без емисии“. Смятало се е, че с течение на времето органичното вещество ще се разложи напълно и в резултат на това ще престане да отделя тези газове. Въпреки това,проучвания от групата Balcar показват, че процесът на производство на газ се захранва чрез пристигането на нови органични материали, внесени от реките и дъждовете.

Загуба на растителни и животински видове

Особено в района на Амазонка, който има високо биологично разнообразие, има неизбежна смърт на организми от флората на мястото, където се формира резервоарът. Що се отнася до животните, дори ако се направи цялостно планиране в опит да се премахнат организмите, не може да се гарантира, че всички организми, съставляващи екосистемата, са спасени. Освен това язовирът налага промени в околните местообитания.

Загуба на почвата

Почвата в наводнената зона ще стане неизползваема за други цели. Това се превръща в централен въпрос, особено в предимно равнинни региони, като самия регион на Амазонка. Тъй като мощността на централата се дава от връзката между потока на реката и неравностите на терена, ако теренът има ниска неравномерност, трябва да се съхранява по-голямо количество вода, което предполага обширна площ на резервоара.

Промени в хидравличната геометрия на реката

Реките са склонни да имат динамичен баланс между изтичането, средната скорост на водата, натоварването на утайките и морфологията на коритото. Изграждането на резервоари засяга това равновесие и вследствие на това води до промени в хидрологичния и седиментния ред не само на площадката на язовира, но и в околността и в коритото под язовира.

Номинален капацитет x действително произведено количество

Друг въпрос, който трябва да се повдигне, е, че има разлика между номиналната инсталирана мощност и действителното количество електрическа енергия, произведена от централата. Количеството произведена енергия зависи от потока на реката.

По този начин е безполезно да се инсталира система с потенциал за производство на повече енергия, отколкото потокът на реката може да осигури, както се случи в случая на ВЕЦ Балбина, инсталирана на река Уатума.

Твърда мощност на централата

Друг важен момент, който трябва да се вземе предвид, е концепцията за силна мощност на централата. Според Aneel, твърдата мощност на централата е максималното непрекъснато производство на енергия, което може да бъде получено, като се има предвид най-сухата последователност, записана в историята на потока на реката, в която тя е инсталирана като основа. Този проблем има тенденция да става все по-централен в лицето на все по-честите и тежки периоди на суша.

Хидроелектрическа енергия в Бразилия

Бразилия е държавата, която притежава най-големия водноелектрически потенциал в света. Така че 70% от него е концентрирано в басейните Амазонас и Токантинс / Арагуая. Първата голяма бразилска водноелектрическа централа, която е построена, е Пауло Афонсо I през 1949 г. в Баия с мощност, еквивалентна на 180 MW. В момента Пауло Афонсо I е част от водноелектрическия комплекс Пауло Афонсо, включващ общо четири централи.

Балбина

Хидроелектрическата централа Балбина е построена на река Уатума, в Амазонас. Balbina е построена, за да осигури енергийните нужди на Manaus. Прогнозата беше за инсталиране на 250 MW мощност, чрез пет генератора, с мощност от 50 MW всеки. Потокът на река Уатума обаче осигурява много по-ниско средногодишно производство на енергия, около 112,2 MW, от които само 64 MW могат да се считат за твърда мощност. Като се има предвид, че има приблизителна загуба от 2,5% по време на пренос на електроенергия от централата до потребителския център, само 109,4 MW (62,4 MW при твърда мощност). Стойност доста под номиналната мощност от 250 MW.

Итайпу

Хидроелектрическата централа Itaipu се смята за втората по големина централа в света с инсталирана мощност от 14 хиляди MW и на второ място след проломите Três в Китай с 18,2 хиляди MW. Построен на река Парана и разположен на границата между Бразилия и Парагвай, той е двунационално растение, тъй като принадлежи и на двете страни. Енергията, генерирана от Itaipu, която доставя Бразилия, съответства на половината от нейната обща мощност (7 хиляди MW), което се равнява на 16,8% от консумираната енергия в Бразилия, а другата половина от мощността се използва от Парагвай и съответства на 75% Парагвайско потребление на енергия.

Тукуруи

Заводът Тукуруи е построен на река Токантинс в Пара и има инсталирана мощност, еквивалентна на 8 370 MW.

Бело Монте

Хидроелектрическата централа Бело Монте, разположена в община Алтамира, югозападно от Пара и открита от президента Дилма Русеф, е построена на река Сингу. Централата е най-голямата водноелектрическа централа на 100% в страната и третата по големина в света. С инсталирана мощност от 11 233,1 мегавата (MW). Това означава достатъчно натоварване за обслужване на 60 милиона души в 17 държави, което представлява около 40% от жилищното потребление в цялата страна.Еквивалентният инсталиран производствен капацитет е 11000 MW, тоест най-големият завод с инсталирана мощност страната, заемайки мястото на завода в Тукуруи като най-голямото 100% национално растение. Бело Монте е и третата по големина водноелектрическа централа в света, съответно след Três Gargantas и Itaipu.

Много въпроси се въртят около изграждането на завода в Бело Монте. Въпреки инсталираната мощност от 11 хил. MW, според Министерството на околната среда, твърдата мощност на централата съответства на 4,5 хил. MW, т.е. само 40% от общата мощност. Тъй като е построен в район на Амазонка, Бело Монте има потенциал да отделя големи концентрации на метан и въглероден диоксид. Всичко това, без да се отчита голямото въздействие върху живота на традиционните популации и голямото въздействие върху фауната и флората. Друг фактор е, че изграждането му е от полза предимно за компании, а не за населението. Приблизително 80% от електроенергията е предназначена за компании в центъра-юг на страната.

Приложимост

Въпреки споменатите негативни социално-екологични въздействия, водноелектрическата енергия има предимства в сравнение с невъзобновяемите енергийни източници като изкопаеми горива. Въпреки че допринасят за емисиите на метан и серен диоксид, водноелектрическите централи не отделят или отделят други видове токсични газове, като тези, издишани от термоелектрическите централи - много вредни за околната среда и човешкото здраве.

Въпреки това недостатъците на водноелектрическите централи в сравнение с други възобновяеми енергийни източници като слънчева и вятърна енергия, които са намалили въздействието върху околната среда в сравнение с въздействието, причинено от водноелектрическите централи, са по-очевидни. Проблемът все още е жизнеспособността на новите технологии. Алтернатива за намаляване на въздействията, свързани с производството на водноелектрическа енергия, е изграждането на малки водноелектрически централи, които не изискват изграждането на големи резервоари.

Какво е слънчева енергия, предимства и недостатъци
Какво е вятърна енергия?

Освен това язовирите имат полезен живот около 30 години, което поставя под въпрос тяхната дългосрочна жизнеспособност.

Проучването „Устойчива хидроенергия през 21-ви век“, проведено от Мичиганския държавен университет, насочва вниманието към факта, че големите водноелектрически язовири могат да се превърнат в още по-малко устойчив източник на енергия в условията на изменението на климата.

Необходимо е да се вземат предвид истинските разходи за водна енергия, не само икономическите и инфраструктурните разходи, но и социалните, екологичните и културните разходи.