Hidroenergija (Vodna energija): definicija, zgodovina in uporaba

Hidroenergija je izkoriščanje energije gibajoče se vode v koristne namene.

V tridesetih letih 19. stoletja, na vrhuncu gradnje kanalov, so s pomočjo vodne energije prevažali barke po strmih hribih navzgor in navzdol z železnicami z nagnjeno ravnino. Za neposreden mehanski prenos energije so morale biti industrije, ki so uporabljale vodno energijo, v bližini slapov. V zadnji polovici 19. stoletja je bilo na primer pri slapu Saint Anthony zgrajenih veliko mlinov, ki so izkoriščali padec reke Mississippi v višini 15 metrov (50 čevljev). Mlini so bili pomembni za rast mesta Minneapolis. Danes se vodna energija največ uporablja za proizvodnjo električne energije. To omogoča uporabo poceni energije na velikih razdaljah od vodotoka.

Zgodovina in razvoj

Uporaba vode kot vira energije sega daleč v preteklost: že v antičnih kulturah so uporabljali vodna kolesa za mletje zrn in druge mehanske naloge. V 18. in 19. stoletju je vodna energija dobila ključno vlogo v industrijski revoluciji, ko je omogočala delovanje tovarn, mlinov in transportnih naprav. S pojavom elektrike konec 19. stoletja se je hidroenergija hitro preusmerila v proizvajanje električne energije — med zgodnjimi komercialnimi elektrarnami je bila prva hidroelektrarna v Appletonu (ZDA) leta 1882. V 20. stoletju so se začele graditi velike jezove in jezovi za shranjevanje vode, kar je omogočilo množično proizvodnjo električne energije in urejanje vodotokov.

Kako deluje hidroenergija

Hidroenergija izkorišča dve osnovni obliki energije vode:

• energija padajoče (potencialne) vode — voda, shranjena v rezervoarju ali na višjem nivoju, ima potencialno energijo, ki se ob spuščanju pretvori v kinetično energijo;
• energija tekoče (kine­tične) vode — hitra reka ali tok neposredno poganja turbine brez večjih rezervoarjev.

V praksi voda poganja turbino (npr. Kaplan, Francis ali Pelton), ta pa z generatorjem pretvori mehansko energijo v električno. V sistemih pumped-storage se električna energija uporablja za črpanje vode v višji rezervoar v času nizkih cen in jo ponovno spušča skozi turbine, ko je povpraševanje po energiji večje — s tem sistem služi kot shranjevanje (baterija) za omrežje.

Vrste hidroenergijskih naprav

• Jezovna elektrarna (impoundment): uporablja rezervoar, kjer se voda zbira in sprošča po potrebi — primer velike infrastrukture in upravljanja vodnih virov.
• Rečna elektrarna (run-of-river): izkorišča tekoči tok z minimalnim shranjevanjem vode; manj vpliva na okolje, a bolj odvisna od trenutnega pretoka.
• Pumped-storage: omogoča dvosmerno pretakanje vode med dvema rezervoarjema na različnih višinah za potrebe regulacije omrežja.
• Mikro in mala hidro: manjše enote za oskrbo oddaljenih območij ali za eko-prijazne skupnostne rešitve.

Uporaba in prednosti

• Glavna uporaba je proizvodnja električne energije, pogosto kot stabilen in cenovno učinkovit vir v omrežju.
• Hidroelektrarne nudijo hitro odzivnost in fleksibilnost, zato so pomembne za uravnavanje obremenitve in stabilizacijo elektroenergetskega sistema.
• Jezovi in rezervoarji omogočajo tudi zadrževalnik poplav, oskrbo z vodo za namakanje, plovnost in rekreacijo.
• Ko delujejo, ne proizvajajo neposrednih emisij ogljikovega dioksida, kar prispeva k zniževanju izpustov v primerjavi z fosilnimi gorivi.

Slabosti in okoljski vplivi

Kljub prednostim ima hidroenergija tudi pomembne omejitve in neželene posledice:

• Okoljski vplivi: jezovi spreminjajo naravne rečne ekosisteme, vplivajo na migracije rib, spremenijo sedimentni režim in lahko povzroče izgubo habitata ter biotske raznovrstnosti.
• Družbeni vplivi: gradnja velikih jezov je pogosto povezana s preselitvami prebivalcev in spremembami lokalnega načina življenja.
• Sedimentacija in staranje: nabiranje sedimenta v rezervoarjih zmanjšuje uporabno življenjsko dobo rezervoarja in zmogljivost za proizvodnjo energije.
• Podnebne spremembe lahko spremenijo razpoložljivost vodnih virov — suše ali nerazporejenost padavin zmanjšajo proizvodnjo v določenih regijah.
• Viri toplogrednih plinov: v nekaterih tropskih rezervoarjih lahko razpadanje organske snovi povzroča emisije metana.

Ukrepi za zmanjševanje negativnih vplivov

• Gradnja ribjih prehodov, izboljšanje načrtovanja in upravljanja vodnih izpustov ter ohranjanje okolijskih pretokov za ohranitev habitata.
• Modernizacija turbin in objektov za povečanje učinkovitosti ter zmanjšanje smrtnosti rib.
• Uporaba manjših, decentraliziranih sistemov (mikro/mala hidro) tam, kjer je to okoljsko sprejemljivo.
• Integracija hidroelektrarn z drugimi obnovljivimi viri ter razvoj rešitev za shranjevanje energije (pumped-storage) za stabilnost omrežja.

Sodobni trendi in prihodnost

Sodobni razvoj usmerja hidroenergijo v povečevanje trajnosti in zmanjševanje vplivov: retrofiting obstoječih jezov, digitalno upravljanje vodnih virov, izboljšave v izvedbi ribjih prehodov in širša uporaba pumped-storage kot podpore rastočemu deležu spremenljivih obnovljivih virov (veter, sonce). Hkrati rast majhnih in srednjih hidroprojektov omogoča lokalno oskrbo z energijo brez velikih posegov v okolje. Ker so hidroelektrarne pogosto ključne za stabilnost omrežja, bo njihova vloga ostala pomembna, a vse bolj pretehtana glede na okoljske in družbene kriterije.

Hidroenergija tako ostaja eden izmed temeljnih obnovljivih virov — z velikim potencialom in izzivi, ki zahtevajo premišljeno načrtovanje in skrbno upravljanje.

Vrste vodne energije

Obstajajo številne oblike vodne energije:

• Vodna kolesa, ki se že stoletja uporabljajo za pogon mlinov in strojev
• Hidroelektrična energija, izraz, ki je običajno rezerviran za jezove hidroelektrarn.
• energija plimovanja, ki zajema energijo plimovanja v vodoravni smeri.
• Energija plimovanja, ki deluje enako, vendar navpično.
• Energija valovanja, ki izkorišča energijo valov.

Hidroelektrična energija

Glavni članek: Hidroelektrarne

Hidroelektrična energija je način pridobivanja električne energije brez izgorevanja goriva. Hidroelektrična energija zagotavlja približno 715 000 MWe ali 19 % svetovne električne energije (16 % leta 2003). Velike jezove še vedno načrtujejo. Razen v nekaj državah, kjer je hidroelektrarn veliko, se hidroenergija običajno uporablja za potrebe največje obremenitve, saj jo je mogoče zlahka ustaviti in zagnati. Kljub temu hidroelektrarne verjetno niso glavna možnost za prihodnjo proizvodnjo energije v razvitih državah, saj je večina večjih lokacij v teh državah že izkoriščena ali pa ni na voljo iz drugih razlogov, kot so okoljski vidiki.

Vodna energija v nasprotju z izgorevanjem fosilnih goriv ne proizvaja ogljikovega dioksida ali drugih škodljivih emisij in ne prispeva bistveno h globalnemu segrevanju zaradi CO ₂

Hidroelektrična energija je lahko veliko cenejša od električne energije, proizvedene iz fosilnih goriv ali jedrske energije. Območja z veliko hidroelektrične energije privlačijo industrijo. Okoljski pomisleki glede učinkov rezervoarjev lahko preprečijo razvoj gospodarskih hidroenergetskih virov.

Energija plimovanja

Izkoriščanje plimovanja v zalivu ali estuariju je bilo doseženo v Franciji (od leta 1966), Kanadi in Rusiji, lahko pa tudi na drugih območjih z velikim razponom plimovanja. Ujeta voda obrača turbine, ko se sprošča skozi plimovanje v obe smeri. Druga možna napaka je, da bi sistem najučinkoviteje proizvajal električno energijo v izbruhih vsakih šest ur (enkrat ob vsakem plimovanju). To omejuje možnosti uporabe energije plimovanja.

Energija plimovanja

Relativno nova tehnologija, generatorji plimovanja, črpajo energijo iz tokov na podoben način kot vetrni generatorji. Večja gostota vode pomeni, da lahko en sam generator zagotavlja veliko energije. Ta tehnologija je v začetni fazi razvoja in bo potrebovala še več raziskav, preden bo lahko proizvajala večje količine energije.

Več prototipov je bilo preizkušenih v Združenem kraljestvu, Franciji in ZDA. Že leta 2003 je bila v Združenem kraljestvu preizkušena turbina z močjo 300 kW.

Kanadsko podjetje Blue Energy načrtuje namestitev zelo velikih nizov naprav za plimovanje, nameščenih v tako imenovani "plimski ograji", na različnih lokacijah po svetu, ki temeljijo na zasnovi turbin z navpično osjo.

Moč valovanja

Energija iz valovanja na površini oceana bi lahko proizvedla veliko več energije kot plimovanje. Preizkušeno je bilo, da je mogoče proizvajati energijo iz valov, zlasti na Škotskem v Združenem kraljestvu. Vendar je še vedno veliko tehničnih težav.

V avstralskem pristanišču Port Kembla se gradi prototip obalnega generatorja energije iz valov, ki naj bi letno proizvedel do 500 MWh. Energijo valov zajema generator na zračni pogon in jo pretvarja v električno energijo. V državah z veliko obalo in razburkanimi morskimi razmerami ponuja energija valov možnost pridobivanja električne energije v uporabnih količinah. Presežek energije med razburkanim morjem se lahko uporabi za proizvodnjo vodika.

Hidravlična turbina in električni generator.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je vodna energija?

V: Kako se je hidroenergija uporabljala v tridesetih letih 19. stoletja?

V: V katerih panogah se je hidroenergija uporabljala za neposredni mehanski prenos moči?

V: Kje je bilo v zadnji polovici 19. stoletja zgrajenih veliko mlinov na žito?

V: Zakaj so bili mlini, zgrajeni pri slapovih Saint Anthony, pomembni za rast Minneapolisa?

V: Za kaj se danes največ uporablja vodna energija?

V: Kaj omogoča uporaba vodne energije za proizvodnjo električne energije?

Išči po črki