Hidroelektrarna in hidroelektrična energija: definicija in delovanje
Hidroelektrična energija je električna energija, ki jo proizvajajo generatorji, ki jih poganja gibanje vode. Običajno se proizvaja z jezovi, ki zaprejo reko, da se ustvari rezervoar, ali z zbiranjem vode, ki se črpa. Ko se voda izpusti, pritisk za jezom potisne vodo po ceveh, ki vodijo do turbine. Zaradi tega se turbina vrti, ta pa vrti generator, ki proizvaja električno energijo.
Ta način pridobivanja energije iz obnovljivih virov ustvari približno ena šestina svetovne električne energije. Proizvaja manj onesnaževanja kot ogenj v parnih strojih. Nekateri kraji, kot sta Norveška in Quebec, na ta način pridobijo večino svoje električne energije.
Osnovni pojmi in delovanje
Pri hidroelektrarnah sta ključna dva parametra: pretok vode (količina vode na enoto časa) in padec oziroma "head" (višinska razlika med rezervoarjem in turbino). Izdelava električne moči je odvisna od obeh: večji pretok in/ali večji padec pomenita večje možno izkoriščanje energije. Glavne komponente so jez ali rezervoar, cevovodi ali tlačni kanali, turbina, os in generator, ter transformatorji in daljnovodni priključki za prenos električne energije.
Vrste hidroelektrarn
- Rezervoarske (jezne) hidroelektrarne: imajo velik rezervoar, ki omogoča shranjevanje vode in regulacijo pretoka. Primerne so za osnovno obremenitev in prilagajanje proizvodnje glede na povpraševanje.
- Rečne (run-of-river) hidroelektrarne: nimajo velikega rezervoarja; energija je odvisna od trenutnega pretoka reke. Manj vplivajo na pokrajino, vendar so tudi bolj odvisne od sezonskih nihanj pretoka.
- Črpalne hidroelektrarne (pumped-storage): delujejo kot energetski shranjevalniki: v obdobjih presežne električne energije se voda črpa v zgornji rezervoar, ob pomanjkanju pa spusti skozi turbine nazaj v spodnji rezervoar, s čimer prinašajo hitro uravnavanje obremenitve in stabilnost omrežja.
Vrste turbin in učinkovitost
Izbira turbine je odvisna od padec vode in pretoka. Pogosti tipi so:
- Pelton: za velike pade in majhen pretok (npr. gorate regije).
- Francis: univerzalna turbina, primerna za srednje pade in pretoke.
- Kaplan: za majhen pade in velike pretoke (npr. velike nizke reke).
Hidroelektrarne so med najbolj učinkovitimi načinmi pretvorbe energije, s celotno učinkovitostjo sistema pogosto med približno 70–90 % glede na potencialni energijski vhod.
Prednosti hidroelektrične energije
- Nizke emisije toplogrednih plinov: v obratovanju so emisije bistveno nižje kot pri fosilnih gorivih.
- Obnovljiv vir: uporablja vodni cikel, ki ga poganja sonce in padavine.
- Sposobnost shranjevanja in hitrega odziva: zlasti črpalne hidroelektrarne omogočajo uravnavanje nivojev proizvodnje in stabilizacijo omrežja.
- Dolga življenjska doba: ob pravilnem vzdrževanju lahko hidroelektrarne delujejo več desetletij.
Okoljski in družbeni vplivi
Kljub prednostim imajo hidroelektrarne tudi negativne vplive, ki jih je treba upoštevati pri načrtovanju:
- Poplavljanje velikih površin zaradi rezervoarjev lahko povzroči izgubo habitatov, kmetijskih zemljišč in prisili preselitev prebivalstva.
- Spremembe pretoka in temperature vode vplivajo na ekosisteme in migracije rib; nekateri projekti vključujejo rečne prehode (fish ladders) za zmanjšanje vplivov.
- Pri nekatereh rezervoarjih se lahko zaradi razkrajanja organske mase sproščajo toplogredni plini, predvsem v tropskih območjih.
- Gradnja velikih jezov lahko spremeni sedimentni režim reke, kar vpliva na spodnje tokove in obalne sisteme.
Varnost, vzdrževanje in upravljanje
Redno vzdrževanje turbinskih sklopov, kontrolnih sistemov in jezov je nujno za varno delovanje. Jezovi imajo visoka varnostna standarda in načrti za izredne razmere (npr. odtok ob velikih padavinah), saj so morebitne napake povezane z velikimi posledicami. Pomembno je tudi upravljanje vodnih virov v celotnem porečju, da se upošteva potrebe kmetijstva, oskrbe z vodo, poplavne zaščite in varstva okolja.
Primeri in vloga v energetskem sistemu
Hidroelektrarne so pogosto ključni del uravnoteženega energetskega sistema, saj zagotavljajo zanesljivo bazo proizvodnje in hitro uravnavanje obremenitve. V državah z velikim hidro potencialom lahko predstavljajo glavni vir električne energije, hkrati pa omogočajo integracijo večjega deleža intermitentnih virov, kot sta vetrna in sončna energija.
Skupaj je hidroelektrična energija pomemben in prilagodljiv obnovljiv vir, vendar zahteva skrbno načrtovanje in upravljanje, da se maksimira njena korist za družbo ob minimalnem negativnem vplivu na naravno okolje.
Hidroelektrarna v Nemčiji
Energijo padajoče vode ljudje uporabljajo že več tisoč let.
Hidroelektrarne
| Rang | Postaja | Država | Lokacija | Zmogljivost (MW) |
| 1 | 30°49′15″N 111°00′08″E / 30.82083°N 111.00222°E / 30.82083; 111.00222 (jez Tri soteske) | 22,500 | ||
| 2 | Itaipu | 25°24′31″S 54°35′21″W / 25.40861°S 54.58917°W / -25.40861; -54.58917 (jez Itaipu) | 14,000 | |
| 3 | Xiluodu (v gradnji) | 28°15′52″N 103°38′47″E / 28.26444°N 103.64639°E / 28.26444; 103.64639 (jez Xiluodu) | 10,780 | |
| 4 | Guri | 07°45′59″N 62°59′57″W / 7.76639°N 62.99917°W / 7.76639; -62.99917 (Guri Dam) | 10,235 | |
| 5 | Tucuruí | 03°49′53″S 49°38′36″W / 3.83139°S 49.64333°W / -3.83139; -49.64333 (jez Tucuruí) | 8,370 | |
| 6 | 47°57′23″N 118°58′56″W / 47.95639°N 118.98222°W / 47.95639; -118.98222 (Grand Coulee Dam) | 6,809 |
Prednosti hidroelektrarne
Način proizvodnje električne energije ne škoduje okolju tako zelo kot fosilna goriva, kot sta nafta ali premog. Hidroelektrična energija je zelo močna in varna ter ne povzroča odpadkov.Pomembna prednost hidroelektrarn je, da jih je mogoče uporabljati kot vršne elektrarne. Ko se povpraševanje po električni energiji zmanjša, jez preprosto uskladišči več vode. Vodo, ki je bila shranjena v rezervoarju, je mogoče po potrebi izpustiti (spustiti), tako da je mogoče energijo pridobiti hitro. Nekateri hidroelektrarne uporabljajo črpalni sistem za shranjevanje presežne energije (pogosto ponoči), tako da z električno energijo črpajo vodo navzgor v bazen. Električna energija se lahko proizvaja, ko se poveča povpraševanje. Zaradi te prilagodljivosti je hidroelektrarna primerna tudi za manj nadzorovane občasne vire energije. Ko ne piha veter ali ne sije sonce, je mogoče proizvajati električno energijo iz vode.
V praksi je uporaba vode, shranjene v rečnih jezovih, včasih zapletena zaradi potreb po namakanju, ki se lahko pojavijo izven faze največjih potreb po električni energiji.
Druga prednost je, da hidroelektrike ne more zmanjkati, dokler je na voljo dovolj vode. Ko je jez zgrajen, električna energija stane zelo malo, pri tem ne nastajajo odpadki ali onesnaževanje, električna energija pa se lahko proizvaja, kadar koli je potrebna.
Nekaj hidroelektrarn nima jezu, temveč uporabljajo tok reke. Proizvajajo manj električne energije in ne morejo shranjevati energije za poznejšo uporabo.
Slabosti hidroelektrarne
Gradnja velikih jezov za zadrževanje vode lahko škoduje okolju. Leta 1983 je avstralska vlada po velikem protestu javnosti ustavila gradnjo jezu na reki Gordon v Tasmaniji. Jez bi poplavil reko Franklin. Jez Tri soteske na Kitajskem je največji projekt hidroelektrarne na svetu in največja elektrarna vseh vrst na svetu. Jez je poplavil ogromno območje, zaradi česar je bilo treba preseliti 1,2 milijona ljudi. Znanstveniki so zaskrbljeni zaradi številnih težav, povezanih s pregrado, kot so onesnaževanje, mulj in nevarnost porušitve jezovne stene.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je hidroenergija?
O: Hidroelektrika je elektrika, ki jo proizvajajo generatorji, ki jih vrti gibanje vode.
V: Kako se običajno proizvaja?
O: Običajno se proizvaja z jezovi, ki delno zaprejo reko in tako ustvarijo rezervoar vode. Voda se izpusti in pritisk jezu jo potisne po ceveh, ki vodijo do turbine, ta pa vrti generator in proizvaja električno energijo.
V: Kolikšen odstotek svetovne električne energije proizvede?
O: Ta način pridobivanja energije iz obnovljivih virov proizvede približno šestino svetovne električne energije.
V: Ali povzroča manj onesnaževanja kot druge metode?
O: Da, povzroča manj onesnaževanja kot parni stroji.
V: Ali obstajajo kraji, kjer večino električne energije proizvedejo iz hidroelektrarn?
O: Da, nekateri kraji, kot sta Norveška in Quebec, večino električne energije pridobijo na ta način.
V: Ali imajo vse države več načinov pridobivanja električne energije?
O: Da, ker imajo vsi načini prednosti in slabosti, ima večina držav več načinov pridobivanja električne energije.
V: Ali je danes v mnogih državah običajno prednostna hidroelektrična energija?
O: Da, v večini držav je danes hidroenergija najprimernejša ali ena od najprimernejših metod.
