Hidroelektrana

mini|desno|300px|Shema hidroelektrane mini|desno|300px|Niz turbina i generatora u hidroelektrani Los Nihuiles, Mendoza, Argentina Hidroelektrana je postrojenje za dobivanje hidroelektrične energije. U hidroelektranama se potencijalna energija vode pretvara u kinetičku energiju njezina strujanja, potom u mehaničku energiju vrtnje vratila turbine te konačno u električnu energiju u električnom generatoru. Hidroelektranu u širem smislu čine i sve građevine i postrojenja koje služe za prikupljanje (akumuliranje), dovođenje i odvođenje vode (brana, zahvati, dovodni i odvodni kanali, cjevovodi itd.), pretvorbu energije (vodne turbine, generatori), transformaciju i razvod električne energije (rasklopna postrojenja, dalekovodi) te za smještaj i upravljanje cijelim sustavom (strojarnica i sl).

Iskorištavanje energije vodnog potencijala ekonomski je konkurentno proizvodnji električne energije iz fosilnih i nuklearnog goriva, zato je hidroenergija najznačajniji obnovljivi izvor energije. U zadnjih trideset godina proizvodnja u hidroelektranama je utrostručena, a njen udio povećan je za 50 %, za to je vrijeme proizvodnja u nuklearnim elektranama povećana za 100 puta, a udio oko 80 puta. Ti podatci pokazuju da se proizvodnja u hidroelektranama brzo povećava, ali značajno zaostaje za proizvodnjom u nuklearnim elektranama, ali i termoelektranama. Razlog takvom stanju leži u činjenici da iskorištavanje hidroenergije ima bitna tehnička i prirodna ograničenja. Glavno ograničenje jest zahtjev za postojanjem obilnog izvora vode kroz cijelu godinu, jer je skladištenje električne energije skupo i vrlo štetno za okoliš, osim toga na određenim lokacijama je za poništavanje utjecaja oscilacija vodostaja potrebno izgraditi brane i akumulacije. Njihovom izgradnjom značajno se povećava investicija, utjecaji na okoliš, potrebna je zaštita od potresa, a u zadnje vrijeme postoje i značajne terorističke prijetnje.

Jednom kada je hidroelektrana završena, nije potreban novac za sve skuplje gorivo, ne stvara se opasan otpad (kao kod nuklearnih elektrana) i stvara gotovo zanemarivu količinu stakleničkih plinova, za razliku od termoelektrana. U svijetu je instalirano hidroelektrana sa snagom od 777 GW, koje daju 2998 TWh električne energije, u 2006. To je otprilike 20 % svjetske proizvodnje električne energije svih vrsta, ili 88 % od svih obnovljivih izvora energije. "Renewables Global Status Report 2006 Update", REN21, 2007.

Hidroelektrane se mogu podijeliti prema njihovom smještaju, padu vodotoka, načinu korištenja vode, volumenu akumulacijskog bazena, smještaju strojarnice, ulozi u elektroenergetskom sustavu, snazi itd. "Hidroelektrane", Energetika-net.com

Povijest

mini|desno|250px|Vodeničko kolo promjera 13 metara Korištenje hidroenergije je započelo u Mezopotamiji i drevnom Egiptu prije oko 8000 godina, tada se ona koristila za navodnjavanje. Vodeni sat ili klepsidra počeo se koristiti prije oko 4000 godina. Hidroenergija se koristila za kanat ili turpan, a to su vodovodni sustavi, koji su služili za dovod svježe vode, u vrućim i suhim naseljenim područjima, a to su razvili stari Perzijanci i proširili na druge krajeve, od Maroka do Kine.

Vodeničko kolo i vodenica

Hidroenergija se svugdje koristila. U Indiji se koristilo vodeničko kolo i vodenica, kao i u Rimskom Carstvu, za mljevenje žita u brašno. U Kini se vodenice koriste još od dinastije Han.

Hidroenergija se koristila u Rimskom Carstvu i za rudarstvo, a sastojalo se u potkopavanju planine velikim količinama vode, koja je dovođena putem akvedukata s obližnjih planinskih rijeka. Isti akvedukti rabljeni su u ispiranju velikih količina zlata. Ta se metoda koristila u rudnicima Las Médulas u Španjolskoj, Velikoj Britaniji, i ne samo za vađenje zlata, nego i za olovo i kositar. Kasnije se to razvilo u hidraulično rudarenje, što je korištenje mlazova vode visokog tlaka, za ispiranje stijena i sedimenata, posebno prisutno za vrijeme zlatne groznice u SAD u 19. stoljeću.

Kad je započela industrijska revolucija, parni stroj je preuzimao sve više posla, ali je hidroenergija još uvijek koristila, kao za puhanje mjehova za zrak kod visokih peći, za mlinove, prijevoz teglenica, pogon uspinjača itd.

Prve elektrane

Tijekom 1770-tih francuski inženjer Bernard Forest de Bélidor izdaje knjigu Architecture Hydraulique, koja opisuje hidraulične strojeve s horizontalnom i vertikalnom osi. "History of Hydropower", publisher=U.S. Department of Energy

Krajem 19. stoljeća razvijeni su prvi električni generatori, što je otvorilo mogućnost izgradnje prvih hidroelektrana. Godine 1882. proradila je prva komercijalna elektrana koja je proizvodila istosmjernu električnu struju za javnu rasvjetu i opskrbu, Edisonova termoelektrana na Manhattanu. Godine 1884. demonstriran je prvi prijenos na velike udaljenosti u Torinu, 1885. izumljen transformator izmjenične struje, poslije čega su slijedili prvi trofazni sustav u Frankfurtu 1891. i sustavi Tivoli-Rim iz 1892. i Westinghouseov sustav u Chicagu iz 1893. godine. Na slapovima Niagare prva moderna hidrocentrala počela je 1895. proizvoditi izmjeničnu električnu struju s dvije faze, što označava veliku pobjedu Teslina sustava izmjenične struje, koji za razliku od Edisonova omogućava prijenos električne energije na veliku daljinu. "Hydroelectric power - energy from falling water", publisher=Clara.net Ta je elektrana prvu struju isporučila četrdesetak kilometara udaljenom Buffalu 1896. godine.

U Hrvatskoj je dana 28. kolovoza 1895. puštena u pogon hidroelektrana Krka, prva koja je izmjeničnom strujom opskrbljivala udaljeni hrvatski grad i jedna od prvih elektrana u svijetu s višefaznim sustavom; prije toga je od 1885. u Rijeci postojala istosmjerna elektrana, a od 1892. jednofazni izmjenični sustav za napajanje motora u riječkoj luci.

Podjela prema načinu korištenja Prema načinu korištenja vode, odnosno regulacije protoka, hidroelektrane se dijele na: akumulacijske, kod kojih se dio vode prikuplja (akumulira) kako bi se mogao koristiti kada je potrebnije protočne, kod kojih se snaga vode iskorištava kako ona dotječe reverzibilne ili crpno-akumulacijske, kod kojih se dio vode koji nije potreban pomoću viška električne energije u elektroenergetskom sustavu pumpa na veću visinu (u tzv. gornju vodu), odakle se pušta kada je potrebnije.

Akumulacijske hidroelektrane

Potencijalna energija akumulacijskih hidroelektrana nalazi se u vodi akumulacijskog jezera koje je nastalo pregradnjom područja branom. Voda se, kada je potrebno, tlačnim cjevovodom dovodi do vodne turbine i električnog generatora kako bi se proizvela električna energija. Snaga dobivena od vode ovisi o volumenu i visinskoj razlici između zahvata vode i turbine.

Protočne hidroelektrane

Protočne su hidroelektrane one s malim ili nikakvim akumulacijskim kapacitetom, tako da je samo trenutačno dolazeća voda dostupna za proizvodnju, a prekomjerni dotok ostaje neiskorišten. Stalan i značajan dotok vode iz jezera ili postojeće akumulacije uzvodno značajna je prednost pri izboru mjesta za protočne elektrane. Protočne su elektrane jednostavne za izvođenje, kod njih nema dizanja razine vodostaja pa imaju manji utjecaj na okoliš, ali su i vrlo ovisne o raspoloživom dotoku.

Reverzibilne hidroelektrane

Reverzibilnim turbinama voda se iz donjeg akumulacijskog jezera pumpa natrag u gornje akumulacijsko jezero. Taj proces se dešava u satima u kojima nije vršno opterećenje, radi uštede energije i radi raspoloživosti postrojenja u vršnim satima. Principijelno, donja akumulacija služi za punjenje gornje akumulacije. Iako pumpanje vode zahtjeva utrošak energije, korisnost se očituje u tome što hidroelektrana raspolaže s više vodenog potencijala za vrijeme vršnih opterećenja. Osnovna primjena je pokrivanje vršnih opterećenja. Energetski su neučinkovite, ali su praktičnije od dodatne izgradnje termoelektrana za pokrivanje vršnih opterećenja potrošnje. Jedina reverzibilna hidroelektrana u Hrvatskoj je hidroelektrana Velebit.

Ova metoda proizvodi električnu energiju za opskrbu velikih vršnih zahtjeva premještanjem vode između rezervoara na različitim nadmorskim visinama. U vrijeme niske potražnje za električnom energijom, višak proizvodnog kapaciteta koristi se za pumpanje vode u viši rezervoar. Kada potražnja postane veća, voda se kroz turbinu vraća natrag u donji rezervoar. U 2021. reverzibilne elektrane osigurale su gotovo 85 % od svjetskih 190 GW skladištenja energije iz električne mreže. Reverzibilne elektrane ukupno stvaraju gubitak energije.

Podjela prema smještaju postrojenja Prema smještaju samih postrojenja, odnosno prema vodenom toku čiju energiju iskorištavaju, hidroelektrane mogu biti: klasične hidroelektrane na kopnenim vodotocima: rijekama, potocima, kanalima i sl. na morske valove na morske mijene: plimu i oseku.

Hidroelektrane na plimu i oseku

Energija plime i oseke spada u oblik hidroenergije koja gibanje mora uzrokovano morskim mijenama ili padom i porastom razine mora, koristi za transformaciju u električnu energiju i druge oblike energije. Ako uvjeti dopuštaju izgradnju akumulacija, one se mogu prilagoditi za proizvodnju energije tijekom razdoblja velike potražnje. Energija plime i oseke dostupna je na relativno malom broju lokacija diljem svijeta. Za sad još nema većih komercijalnih dosega na eksploataciji te energije, ali potencijal nije mali. Energija plime i oseke ima potencijal za stvarnje električne energije u određenim dijelovima svijeta, odnosno tamo gdje su morske mijene izrazito naglašene. Morske mijene su predvidljivije od energije vjetra i solarne energije. Taj način proizvodnje električne energije ne može pokriti svjetske potrebe, ali može dati veliki doprinos u obnovljivim izvorima energije. Na pojedinim mjestima obale u zapadnoj Francuskoj i u jugozapadnom dijelu Velike Britanije amplituda dostiže i više od 12 m. Za ekonomičnu proizvodnju je potrebna minimalna visina od 7 m. Procjenjuje se da na svijetu postoji oko 40 lokacija pogodnih za instalaciju plimnih elektrana.

Hidroelektrane na valove

Hidroelektrane na valove su elektrane koje koriste energiju valova za proizvodnju električne energije. Energija valova je obnovljivi izvor energije. To je energija uzrokovana najvećim dijelom djelovanjem vjetra o površinu oceana. Snaga valova se razlikuje od dnevnih mijena plime/oseke i stalnih cirkularnih oceanskih struja. Za korištenje energije valova moramo odabrati lokaciju na kojoj su valovi dovoljno česti i dovoljne snage. Ta snaga varira ovisno o zemljopisnom položaju, od 3 kW/m na Mediteranu do 90 kW/m na Sjevernom Atlantiku.

Generiranje snage iz valova trenutno nije široko primijenjena komercijalna tehnologija, iako su postojali pokušaji njenog korištenja još od 1890.

Podjela prema padu vodotoka Prema padu vodotoka, odnosno visinskoj razlici između zahvata i ispusta vode (klasične) hidroelektrane se mogu podijeliti na: niskotlačne, s padom do 25 m srednjotlačne, s padom između 25 i 200 m visokotlačne, s padom većim od 200 m.

Niskotlačne Za niske padove (do približno 40 metara) koriste se takozvane Kaplanove turbine koje rade slično kao i Francisove turbine, s tim da je broj lopatica daleko manji.

Srednjotlačne hidroelektrane

Hidroelektrana

Źródło i licencja