- caracteristici
- performanţă
- Cum funcționează hidroenergia?
- Transformarea energiei solare în energie cinetică
- Producția de energie electrică din hidroenergetică (hidroelectrică)
- turbine
- Turbină Pelton
- Turbină Francis
- Turbina Kaplan
- Alternator
- Avantaj
- Este economic
- Este regenerabil
- Performanta ridicata
- Nu este poluant
- Prezența rezervoarelor
- Dezavantaje
- Dependența de precipitații
- Alterarea cursului natural al râului
- Pericol de rupere a barajului
- Aplicații
- Roți ferris și pompe de apă
- Mills
- Forges
- Fractură hidraulică
- fracking
- Centrale hidroelectrice
- Exemple de hidrocentrale
- Cele trei chei
- Itaipu
- Simon Bolivar (Guri)
- Referințe
Puterea hidraulică este abilitatea apei de a produce muncă sub formă de mișcare, lumină și căldură pe baza potențialului și a energiei cinetice. De asemenea, este considerată o energie regenerabilă curată, performantă.
Această energie este determinată de debitul, de denivelarea dintre punctele de pe sol prin care se deplasează apa și de forța gravitației. A fost folosit de oameni din cele mai vechi timpuri pentru a îndeplini diferite slujbe.
Barajul Itaipú (Brazilia și Paraguay). Sursa: Angelo Leithold
Una dintre primele utilizări ale energiei hidraulice a fost alimentarea fabricilor de apă care au profitat de puterea curentului. În acest fel, cu ajutorul uneltelor, pietrele de mori puteau fi mutate în grâu.
În prezent, aplicația sa cea mai relevantă este generarea de energie electrică prin centrale hidraulice sau hidroelectrice. Aceste plante constau practic dintr-un baraj și un sistem de turbine și alternatoare.
Apa se acumulează în baraj între două niveluri ale canalului (denivelări geodezice), generând energie potențială gravitațională. Ulterior, curentul de apă (energie cinetică) activează turbine care transmit energia către alternatoare pentru a produce energie electrică.
Printre avantajele energiei hidraulice este faptul că este regenerabilă și nepoluantă, spre deosebire de alte surse de energie. Pe de altă parte, este extrem de eficient, cu un randament cuprins între 90 - 95%.
Impactul asupra mediului al centralelor hidroelectrice este asociat cu variația temperaturii și alterarea fizică a cursului apei. De asemenea, se produc uleiuri reziduale și grăsimi care sunt filtrate din utilaje.
Dezavantajul său principal este modificarea fizică cauzată de inundarea unor suprafețe mari de teren și modificarea cursului și a fluxului natural al râurilor.
Cea mai mare centrală hidroelectrică din lume este The Three Cheile, situată în China, pe râul Yangtze. Celelalte două importanțe sunt cele din Itaipú aflate la granița dintre Brazilia și Paraguay și centrala hidroelectrică Simón Bolívar sau Guri din Venezuela.
caracteristici
Sursa de energie hidraulică este apa și este considerată energie regenerabilă atâta timp cât ciclul apei nu este modificat. De asemenea, poate produce muncă fără a genera deșeuri solide sau gaze poluante și, prin urmare, este considerată energie curată.
performanţă
Eficiența energetică se referă la relația dintre cantitatea de energie obținută într-un proces și energia necesară pentru a investi în el. În cazul energiei hidraulice, se obține o performanță cuprinsă între 90 și 95% în funcție de viteza apei și de sistemul de turbină utilizat.
Cum funcționează hidroenergia?
Schema unei centrale hidroelectrice. Sursa: Utilizator: Tomia
Transformarea energiei solare în energie cinetică
Bazele energiei hidraulice se află în energia solară, topografia terenului și gravitația pământului. În ciclul apei, energia solară provoacă evaporarea, apoi apa se condensează și precipită pe pământ.
Ca urmare a solului inegal și a forței gravitației, pe suprafața pământului apar curenți de apă de suprafață. În acest fel, energia solară este transformată în energie cinetică datorită mișcării apei prin acțiunea combinată a denivelării și a gravitației.
Mai târziu, energia cinetică a apei poate fi transformată în energie mecanică care este capabilă să lucreze. De exemplu, pot fi deplasate lame care transmit mișcarea către un sistem de angrenaje care poate opera diverse dispozitive.
Mărimea energiei hidraulice este dată de denivelarea dintre două puncte date de albia râului și debitul acestuia. Cu cât este mai mare inegalitatea terenului, cu atât este mai mare energia potențială și cinetică a apei, precum și capacitatea sa de a genera muncă.
În acest sens, energia potențială este aceea care se acumulează într-un corp de apă și este legată de înălțimea sa în raport cu solul. Pe de altă parte, energia cinetică este cea care eliberează apa în mișcarea ei în cădere ca funcție a topografiei și a gravitației.
Producția de energie electrică din hidroenergetică (hidroelectrică)
Energia cinetică generată de apa în cădere poate fi utilizată pentru a produce energie electrică. Acest lucru se realizează prin construirea de baraje în care se acumulează apa și se ține la diferite niveluri de înălțime.
Astfel, energia potențială a apei este direct proporțională cu diferența de nivel între un punct și altul, iar atunci când apa cade este transformată în energie cinetică. Ulterior, apa trece printr-un sistem de lame rotative și generează energie cinetică de rotație.
Mișcarea de rotație permite sisteme de angrenare în mișcare care pot activa sisteme mecanice, cum ar fi mori, roți sau alternatoare. În cazul particular al producerii de energie hidroelectrică, sistemul necesită un sistem de turbină și un alternator pentru a genera energie electrică.
turbine
Turbina este formată dintr-o axă orizontală sau verticală cu un sistem de lame care rotesc axa prin forța apei.
Există trei tipuri de bază de turbine hidraulice:
Turbină Pelton
Turbină Pelton. Sursa: Robertk9410
Este o turbină cu impuls de înaltă presiune, cu o axă orizontală, care funcționează fără a fi cufundată în totalitate. Rotorul are o serie de lame concave (lame sau dinți) care sunt conduse de jeturi de apă.
Cu cât mai multe jeturi de apă se lovesc de turbină, cu atât va genera mai multă putere. Acest tip de turbină este utilizat pentru cascade de la 25 până la 200 de metri înălțime și atinge o eficiență de până la 90%.
Turbină Francis
Turbină Francis. Sursa: Încărcătorul original a fost Stahlkocher la Wikipedia Germană.
Este o turbină cu reacție de presiune medie cu axa verticală și funcționează complet scufundată în apă. Rotorul este format din lamele care sunt conduse de apa condusă printr-un distribuitor.
Poate fi utilizat în cascade de la 20 până la 200 de metri înălțime și atinge o eficiență de 90%. Acesta este tipul de turbină cel mai frecvent utilizat în hidrocentrale mari din lume.
Turbina Kaplan
Turbina Kaplan. Sursa: TheRunnerUp
Este o variantă a turbinei Francis și, la fel, are o axă verticală, dar rotorul este format dintr-o serie de lame orientabile. Este de reacție de înaltă presiune și funcționează total scufundat în apă.
Turbina Kaplan este folosită în cascade de la 5 la 20 de metri înălțime, iar eficiența sa poate ajunge până la 95%.
Alternator
Alternatorul este un dispozitiv care are capacitatea de a transforma energia mecanică în energie electrică prin inducție electromagnetică. Astfel, poli magnetici (inductor) sunt rotiți într-o bobină cu poli alternanți din material conductor (de exemplu, cuprul înfășurat în fier moale).
Funcționarea sa se bazează pe faptul că un conductor supus, pentru un anumit timp, unui câmp magnetic variabil, generează o tensiune electrică.
Avantaj
Puterea hidraulică este utilizată pe scară largă deoarece are multe aspecte pozitive. Printre acestea putem evidenția:
Este economic
Deși în cazul instalațiilor hidroelectrice, investiția inițială este mare, în termeni generali, pe termen lung, este energie ieftină. Acest lucru se datorează stabilității și costului redus de întreținere.
În plus, trebuie adăugată compensația economică oferită de rezervoarele cu posibilități de acvacultură, sporturi nautice și turism.
Este regenerabil
Întrucât se bazează pe ciclul apei, este o sursă regenerabilă și continuă de energie. Aceasta implică faptul că nu se scurge în timp, spre deosebire de energia din combustibilii fosili.
Totuși, continuitatea acestuia depinde de faptul că ciclul apei nu este modificat într-o anumită regiune sau la nivel global.
Performanta ridicata
Energia hidraulică este considerată foarte eficientă și cu o performanță ridicată, care este cuprinsă între 90 și 95%.
Nu este poluant
Acest tip de energie utilizează o sursă naturală precum apa și, de asemenea, nu produce deșeuri sau gaze poluante. Prin urmare, impactul său asupra mediului este scăzut și este considerat o formă de energie curată.
Prezența rezervoarelor
În cazurile în care sunt construite rezervoare pentru utilizarea energiei hidroelectrice, acestea prezintă o serie de avantaje suplimentare:
- Ele permit reglarea debitului râului și evitarea inundațiilor.
- Ele reprezintă un rezervor de apă pentru consum uman, irigare și uz industrial.
- Pot fi folosite ca zone de agrement și pentru practicarea sporturilor nautice.
Dezavantaje
Dependența de precipitații
O limitare a producerii de energie hidroelectrică este dependența sa de regimul de precipitații. Prin urmare, în anii deosebit de uscați, apa poate scădea drastic, iar nivelul rezervorului este scăzut.
Când debitul de apă este redus, generarea de energie electrică este mai mică. În așa fel încât în regiunile care depind în mare măsură de alimentarea cu energie hidroelectrică să apară probleme.
Alterarea cursului natural al râului
Construcția unui baraj într-un râu își modifică cursul natural, regimul de inundații, diminuarea debitului (scăderea debitului) și procesul de târâre a sedimentelor. Prin urmare, apar modificări în biologia plantelor și animalelor care sunt acvatice sau situate în vecinătatea corpului de apă.
Pe de altă parte, reținerea sedimentelor în baraj modifică formarea de delte la gura râurilor și modifică condițiile solului.
Pericol de rupere a barajului
Datorită volumului mare de apă depozitat în unele baraje hidroelectrice, o încălcare a zidului de reținere sau a versanților din apropiere poate provoca accidente grave. De exemplu, în cursul anului 1963, s-a produs panta barajului Vajont (care acum este în uz) în Italia, provocând 2.000 de morți.
Aplicații
Roți ferris și pompe de apă
Rotația unei roți antrenată de energia cinetică a apei permite extragerea apei dintr-un puț sau un canal superficial într-un canal sau rezervor ridicat. De asemenea, energia mecanică generată de roată poate conduce la o pompă hidraulică.
Cel mai simplu model este format dintr-o roată cu lame cu boluri care colectează apa în același timp în care sunt conduse de curent. Apoi, în rotația lor, aruncă apa într-un rezervor sau canal.
Mills
Timp de mai bine de 2000 de ani, grecii și romanii au folosit energia hidraulică pentru a muta morile pentru a macina cerealele. Învârtirea roții condusă de curentul de apă activează viteze care transformă piatra de moară.
Forges
O altă aplicație antică a funcționării hidraulice bazate pe puterea hidraulică este utilizarea sa pentru a activa burduful de forjă în lucrările de fierărie și metalurgie.
Fractură hidraulică
În minerit și petrol, energia cinetică a apei este utilizată pentru a eroda roca, a o fractura și a facilita extracția diferitelor minerale. Pentru aceasta, se folosesc tunuri gigantice de apă sub presiune, care lovesc substratul până la erodarea acestuia.
Aceasta este o tehnică distructivă pentru sol și poluând puternic căile navigabile.
fracking
O tehnică foarte controversată care câștigă avânt în industria petrolului este frackingul. Acesta constă în creșterea porozității patului care conține petrol și gaz, pentru a facilita îndepărtarea acestuia.
Acest lucru se realizează prin injectarea unor cantități mari de apă și nisip la presiuni mari împreună cu o serie de aditivi chimici. Tehnica a fost pusă la îndoială pentru consumul ridicat de apă, pentru poluarea solurilor și a apelor și provocând modificări geologice.
Centrale hidroelectrice
Cea mai obișnuită utilizare modernă este de a conduce centrale generatoare de energie electrică, așa-numitele centrale hidroelectrice sau centrale hidroelectrice.
Exemple de hidrocentrale
Cele trei chei
Barajul Three Gorges (China). Sursa: Le Grand Portage Lucrare de creație: Rehman
Centrala hidroelectrică „Three Gorges” se află în provincia Hubei din China, pe cursul râului Yangtze. Construcția acestui baraj a început în 1994 și a fost finalizată în 2010, atingând o suprafață inundată de 1.045 km² și o capacitate instalată de 22.500 MW (megawati).
Instalația include 34 de turbine Francis (32 de 700 MW și două de 50 MW) cu o producție anuală de energie electrică de 80,8 GWh. Este cea mai mare centrală hidroelectrică din lume în ceea ce privește structura și puterea instalată.
Barajul Trei Chei a reușit să controleze inundarea periodică a râului care a ajuns să producă pagube grave populației. De asemenea, garantează furnizarea de energie electrică a regiunii.
Cu toate acestea, construcția sa a avut consecințe negative, cum ar fi deplasarea a aproximativ 2 milioane de oameni. În plus, aceasta a contribuit la stingerea delfinului de râu chinez (pe cale de dispariție) (Lipotes vexillifer).
Itaipu
Barajul Itaipu. Sursa: Herr stahlhoefer
Centrala hidroelectrică Itaipú este situată la granița dintre Brazilia și Paraguay, pe cursul râului Paraná. Construcția sa a început în 1970 și s-a încheiat în trei etape în 1984, 1991 și 2003.
Suprafața inundată a barajului este de 1.350 km² și are o capacitate instalată de 14.000 MW. Centrala include 20 de turbine Francis de 700 MW fiecare și are o producție anuală de energie electrică de 94,7 GWh.
Itaipu este considerată cea mai mare centrală hidroelectrică din lume în ceea ce privește producția de energie. Contribuie 16% din energia electrică consumată în Brazilia și 76% în Paraguay.
În ceea ce privește impacturile sale negative, acest baraj a afectat ecologia insulelor și a deltei râului Paraná.
Simon Bolivar (Guri)
Centrala hidroelectrica Simón Bolívar (Gurí, Venezuela). Sursa: Warairarepano & Guaicaipuro
Centrala hidroelectrică Simón Bolívar, cunoscută și sub numele de barajul Guri, este situată în Venezuela, pe cursul râului Caroní. Construcția barajului a început în 1957, o primă etapă a fost finalizată în 1978 și a fost finalizată în 1986.
Barajul Guri are o suprafață inundată de 4.250 km² și o capacitate instalată de 10.200 MW. Fabrica sa include 21 de turbine Francis (10 de 730 MW, 4 de 180 MW, 3 de 400 MW, 3 de 225 MW și una de 340 MW)
Producția anuală este de 46 GWh și este considerată a treia cea mai mare centrală hidroelectrică din lume în ceea ce privește structura și puterea instalată. Centrala hidroelectrică furnizează 80% din energia electrică pe care o consumă Venezuela și o parte din ea este vândută Brazilia.
În timpul construcției acestei centrale hidroelectrice, au fost inundate suprafețe mari de ecosisteme din Guyana Venezolana, o regiune cu biodiversitate ridicată.
Astăzi, din cauza crizei economice profunde din Venezuela, capacitatea de producție a acestei fabrici a fost redusă semnificativ.
Referințe
1.- Hadzich M (2013). Energie hidraulică, Capitolul 7. Curs de pregătire tehnică a grupului PUCP. Tehnologii pentru case ecologice și hoteluri. Pontifical University Catholic din Peru.
2.- Raabe J (1985). Hidroenergie. Proiectarea, utilizarea și funcționarea echipamentelor hidromecanice, hidraulice și electrice. Germania: N. p.
3.- Sandoval Erazo, Washington. (2018). Capitolul 6: Conceptele de bază ale centralelor hidroelectrice.https: //www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas
4.- Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, McGrath DG, Dias BO și Sr Rodes (2013). Dependența generarii energiei hidroenergetice de pădurile din bazinul Amazonului la scări locale și regionale. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110 (23), 9601–606.
5.- Soria E (s / f). Hidraulică. Energii regenerabile pentru toți. IBERDROLA. 19 p.