Hidroelektrane -1-

UNIVERZITET U BANJOJ LUCI ARHITEKTONSKO-GRAĐEVINSKI FAKULTET

INFORMATIKA 1

HIDROELEKTRANE seminarski rad

Student: Stefan Ristić, 36/14

Asistent: Igor Ševo, dipl.inž. Banja Luka, oktobar 2014

UVOD

Hidroelektrana je postrojenje u kojem se potencijalna energija vode najprije pretvara u kinetičku energiju njezinog strujanja, a potom u mehaničku energiju rotacije osovine 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.), pretvaranje energije (vodne turbine, generatori), transformaciju i razvod električne energije (rasklopna postrojenja, dalekovodi) te za smještaj i upravljanje cijelim sustavom (fabrike 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 podaci 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 zanemarljivu 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.

1

ISTORIJA

Korištenje hidroenergije je započelo u Mezopotamiji i drevnom Egiptu prije oko 8000. godina, kada se ona koristila za navodnjavanje. Vodeni sat ili klepsidra se počeo 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. Hidroenergija se koristila u Rimskom Carstvu i za rudarstvo, a sastojalo se se u potkopavanju planine velikim količinama vode, koja je dovođena putem akvedukata s obližnjih planinskih rijeka. Isti akvedukti su rabljeni 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, a to je korištenje mlazeva vode visokog pritiska, za ispiranje stijena i sedimenata, posebno prisutno za vrijeme zlatne groznice u SAD u 19. vijeku. 1770.-tih francuski inženjer Bernard Forest de Bélidor izdaje knjigu Architecture Hydraulique, koja opisuje hidraulične strojeve sa horizontalnom i vertikalnom osi. Krajem 19. stoljeća, razvijeni su prvi električni generatori, što je otvorilo mogućnost izgradnje prvih hidroelektrana. 1881. na slapovima Niagare prva moderna hidrocentrala je počela proizvoditi električnu struju, što označava veliku pobjedu Teslina sustava izmjenične struje, koji, za razliku od Edisonova, omogućava prijenos velikih količina električne energije na daljinu. 28. septembar 1895., pušten je u pogon prvi hrvatska hidroelektrana Jaruga, koja je druga najstarija hidroelektrana u svijetu i prva u Europi.

2

PODJELA HIDROELEKTRANA

Hidroelektrane se mogu podijeliti prema njihovom smještaju, padu vodotoka, načinu korištenja vode, volumenu akumulacijskog bazena, smještaju strojarnice, ulozi u elektroenergetskom sustavu, snazi itd.  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 struje u sustavu crpi na veću visinu, odakle se pušta kada je potrebnije.

AKUMULACIJSKE HIDROELEKTRANE Potencijalna energija akumulacijskih hidroelektrana dolazi od akumulacionog jezera, koji ima branu, i kad je potrebno voda se dovodi do vodne turbine i električnog generatora, da bi se proizvela električna energija. Snaga ovisi o visini vodenog stupca, ili razlici visine između površine vode u akumulacionom jezeru i odvodu vode poslije vodne turbine. Velika cijev koja vodi od akumulacionog jezera do vodne turbine naziva se tlačni cjevovod.

PROTOČNE HIDROELEKTRANE Protočne hidroelektrane su one čija se uzvodna akumulacija može isprazniti za manje od dva sata rada kod nazivne snage ili takva akumulacija uopće ne postoji. Kinetička energija vode se skoro direktno koristi za pokretanje vodnih turbina. Vrlo su jednostavne za izvođenje, nema dizanja razine vodostaja, imaju vrlo mali utjecaj na okoliš, ali su i vrlo ovisne o trenutno raspoloživom vodenom toku

REVERZIBILNE HIDROELEKTRANE

3

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 sa više vodenog potencijala za vrijeme vršnih opterećenja. Osnovna primjena je pokrivanje vršnih opterećenja. Energetski su neefikasne, ali su praktičnije od dodatne izgradnje termoelektrana za pokrivanje vršnih opterećenja potrošnje. Jedina reverzibilna hidroelektrana u Hrvatskoj je hidroelektrana Velebit .

Slika 1: Cjev reverzibilne HE Velebit

PREMA SMJESTAJU SAMIH POSTROJENJA   

"klasične", na kopnenim vodotokovima: 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. 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

4

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.

Slika 2:Morske zmije koje se koriste za proizvodnju el.eng. u Portugalu

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.

PREMA PADU VODOTOKA   

sa niskim pritiskom, s padom do 25 m sa srednjim pritiskom, s padom između 25 i 200 m sa visokim pritiskom, s padom većim od 200 m.

5

SA NISKIM PRITISKOM 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.

SA SREDNJIM PRITISKOM Za srednje padove (do 200 metara) koriste se takozvane Francisove turbine, kod kojih provodni dio s lopaticama okružuje kotač. U provodnom dijelu ovih turbina potencijalna se energija vode samo djelomično pretvara u kinetičku, tako da s određenim pretlakom dospijeva u obrtno kolo (kotač) i njemu predaje svoju energiju.

SA VISOKIM PRITISKOM Za visoke padove (preko 200 metara) primjenjuju se takozvane Peltonove turbine kod kojih se potencijalna energija vode u provodnom dijelu potpuno pretvara u kinetičku, i u obliku vodenog mlaza pokreće lopatice turbine pretvarajući kinetičku energiju u mehaničku.

PREMA NAČINU PUNJENJA AKUMULACIONOG BAZENA   

s dnevnom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni po noći, a prazni po danu sa sezonskom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni tijekom kišnog, a prazni tijekom sušnog razdoblja godine s godišnjom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni tijekom kišnih, a prazni tijekom sušnih godina.

PREMA UDALJENOSTI STOJARNICE OD BRANE  

pribranske, čija je strojarnica smještena neposredno uz branu, najčešće podno njome derivacijske, čija je strojarnica smještena podalje od brane.

6

PREMA SMJEŠTAJU STROJARNICE  

nadzemne, kod kojih je strojarnica smještena iznad razine tla podzemne, kod kojih je strojarnica smještena ispod razine tla.

PREMA INSTALIRANOJ SNAZI    

velike male mikro piko

Slika 3:HE Itaipu najveća hidroelektrana u svijetu po proizodnji električne energije Razlika između velikih i malih hidroelektrana, odnosno donji i gornji granični iznosi snage u cijelom svijetu pri tome nisu jednoznačno određeni pa se, na primjer, mogu kretati od 5 kW (u Kini) do 30 MW (SAD-u), dok se kod nas malom smatra HE snage između 50 i 5000 kW. Također valja reći da u nekim zemljama postoji i dodatna podjela hidroelektrana malih snaga na mikro, mini i male hidroelektrane.

7

VELIKE HIDROELEKTRANE Velike hidroelektrane su megagrađevine i obično imaju snagu od nekoliko stotina MW do preko 20 GW. Trenutno najveće hidroelektrane u pogonu su: hidroelektrana Tri klanca (Kina) – 22,5 GW, hidroelektrana Itaipu (Brazil/Paragvaj) – 14 GW i hidroelektrana Guri (Venecuela) – 10,2 GW. Veliki nedostatak takvih megagrađevina je negativan utjecaj na okoliš. Tako je kod gradnje hidroelektrane Tri klanca poplavljeno 29 milijuna četvornih metara zemlje, dva velika i 116 manjih gradova su se potopila, raseljeno je više od milijun stanovnika (neki spominju i dva milijuna). U umjetnom jezeru završit će sva prljavština potopljenih gradova, tvornica i bolnica i više od tri tisuće industrijskih i rudarskih poduzeća .

MALE HIDROELEKTRANE Za male hidroelektrane se smatra da nemaju nikakav štetan utjecaj na okoliš, za razliku od velikih, čija se štetnost opisuje kroz velike promjene ekosustava (gradnja velikih brana), utjecaji na tlo, poplavljivanje, utjecaji na slatkovodni živi svijet, povećana emisija metana i postojanje štetnih emisija u čitavom životnom ciklusu hidroelektrane, koje su uglavnom vezane za period izgradnje elektrane, proizvodnje materijala i transport. Danas se za tehnologiju vezanu za hidroenergiju, koja se smatra obnovljivim izvorom energije, može reći da je tehnički najpoznatija i najrazvijenija na svjetskoj razini, sa iznimno visokim stupnjem učinkovitosti. 22% svjetske proizvodnje električne energije dolazi iz malih i velikih hidroelektrana. Granična snaga koja dijeli hidroelektrane na male hidroelektrane razlikuje se od zemlje do zemlje. Neke zamlje poput Portugala, Španjolske, Irske, Grčke i Belgije su prihvatila 10 MW kao gornju granicu instalirane snage za male hidroelektrane. U Italiji je granica 3 MW, u Švedskoj 1,5 MW, u Francuskoj 8 MW, u Indiji 15 MW, u Kini 25 MW. Međutim u Europi se sve više prihvaća kapacitet od 10 MW instalirane snage kao gornja granica i tu granicu je podržala Europska udruga malih hidroelektrana (ESHA), te Europska komisija. Prema postojećim propisima u Hrvatskoj, mala hidroelektrana, određena je kao postrojenje za iskorištavanje energije vodotokova s izlaznom električnom snagom od 10 kW do 10MW.

MIKROHIDROELEKTRANE One uglavnom imaju snagu do 100 KW, i obično se grade za male odvojene zajednice ili su povezane na dalekovode kao izvor jeftine i obnovljive energije. Najveća prednost je takvih elektrana da nije potrebno gorivo. Vrlo se dobro nadopunjuju sa solarnim fotonaponskim elektranama, jer obično rijeke presuše po ljeti, kada ima najviše Sunčeve energije.

8

Slika 4:Mikro hidroelektrana u Vijetnamu

PIKO HIDROELEKTRANE One uglavnom imaju snagu ispod 5 kW. Povoljne su za jedno ili nekoliko domaćinstava. Moguće je ugraditi piko vodnu turbine sa padom vode od samo 1 metar, da bi dobili 200 do 300 W energije. Postavljaju se uglavnom kao protočne hidroelektrane.

DIJELOVI HIDROELEKTRANE     

dovodni tunel cjevovod za pritisak vodna komora strojarnica odvod za strojarnice

9

Slika 5:Šema hidroelektrane

ULOGA HIDROELEKTRANA U SAVREMENOM SVIJETU Električna energija predstavlja jedan od najčišćih oblika energije. Mogućnosti dobivanja električne energije su raznovrsni. Najprihvatljiviji su načini dobivanja iz obnovljivih izvora energije, kao što su hidroelektrane, vjetroelektrane te solarne elektrane. Od obnovljivih izvora energije hidroelektrane su najraširenije. Njihov udio među obnovljivim izvorima energije je oko 88% (podatak za 2005. godinu). To je posljedica više čimbenika. Za razliku od vjetra ili sunca, čiji intenzitet je nepredvidljiv te ovisi o meteorološkim prilikama, voda, odnosno njen volumni protok, je puno stabilniji i stalniji tokom godine. To znači da je i opskrba električnom energijom pouzdanija. Također, vrlo zanimljiva skupina hidroelektrana su reverzibilne hidroelektrane, koje omogućavaju dva režima rada, te kao takve su vrlo isplative i poželjne za izgradnju. Procjenjuje se da je 2005. godine 20% ukupne svjetske potrošnje električne energije bilo opskrbljeno upravo energijom iz hidroelektrana, što je približno 816 GW.

PREDNOSTI HIDROELKTRANA 

smanjenje semisije stakleničnih plinova

10

 

ekonomija druge funkcije umjetnih jezera

NEDOSTACI HIDROELEKTRANA

     

unišstavanje ekosustava i gubitak zemlje nanosi mulja promjena okoliša preseljavanje ljudi nesreće sa branama stvaranje ugljenikovog monoksida i metana

11

SADRŽAJ

UVOD .................................................................................................................................. 1 ISTORIJA ............................................................................................................................ 2 PODJELA HIDROELEKTRANA....................................................................................... 3 AKUMULACIJSKE HIDROELEKTRANE ................................................................... 3 PROTOČNE HIDROELEKTRANE ............................................................................... 3 REVERZIBILNE HIDROELEKTRANE ........................................................................ 3 PREMA SMJESTAJU SAMIH POSTROJENJA ............................................................ 4 HIDROELEKTRANE NA PLIMU I OSEKU ................................................................. 4 HIDROELEKTRANE NA VALOVE ............................................................................. 5 PREMA PADU VODOTOKA ........................................................................................ 5 SA NISKIM PRITISKOM ............................................................................................... 6 SA SREDNJIM PRITISKOM .......................................................................................... 6 SA VISOKIM PRITISKOM ............................................................................................ 6 PREMA NAČINU PUNJENJA AKUMULACIONOG BAZENA ..................................... 6 PREMA UDALJENOSTI STOJARNICE OD BRANE...................................................... 6 PREMA SMJEŠTAJU STROJARNICE ............................................................................. 7 PREMA INSTALIRANOJ SNAZI ..................................................................................... 7 VELIKE HIDROELEKTRANE .......................................................................................... 8 MALE HIDROELEKTRANE ............................................................................................. 8 MIKROHIDROELEKTRANE ............................................................................................ 8 PIKO HIDROELEKTRANE ............................................................................................... 9 DIJELOVI HIDROELEKTRANE....................................................................................... 9 ULOGA HIDROELEKTRANA U SAVREMENOM SVIJETU ...................................... 10 PREDNOSTI HIDROELKTRANA .................................................................................. 10 NEDOSTACI HIDROELEKTRANA ............................................................................... 11

12

LITERATURA: http://hr.wikipedia.org/wiki/Hidroelektrana

13

14