Хидроенергия: определение, история и производство на електроенергия

Хидроенергия: от исторически водени мелници до модерни ВЕЦ — дефиниция, развитие и устойчиви методи за производство на електроенергия.

Хидроенергията е използването на енергията на движещата се вода за някаква полезна цел.

През 30-те години на XIX в., в разгара на ерата на строителството на канали, водната енергия се използва за транспортиране на баржи по стръмни хълмове с помощта на наклонени релси. За директното механично предаване на енергията индустриите, които са използвали хидроенергия, е трябвало да бъдат в близост до водопад. Например през последната половина на XIX в. много мелници са построени при водопада Сейнт Антъни, за да се използва падът на река Мисисипи от 50 фута (15 метра). Мелниците са били важни за развитието на Минеаполис. Днес хидроенергията се използва най-вече за производство на електроенергия. Това позволява използването на евтина енергия на големи разстояния от водното течение.

Какво представлява хидроенергията?

Хидроенергия е енергията, получена от движението на водата — от реки, водопади, приливи и отливи или изкуствени резервоари. Тя се преобразува в механична енергия с помощта на турбини и след това в електрическа енергия чрез генератори. В практиката важни са два фактора: дебитът (количеството вода) и няма (височината, през която пада водата), които заедно определят колко енергия може да се добие.

Начини за производство на електроенергия от водна енергия

• Дамби и язовири (impoundment) — създават изкуствено резервоар, като позволяват контрол на потока и съхраняване на вода. Това е най-разпространеният тип за големи мощности.
• Run-of-river (без задържане) — използват текущия поток на реката без големи язовири; производството варира според сезона и потока.
• Помпено-акумулиращи станции — работят като енергийни „батерии“: през периоди на излишък електроенергия се използва за изпомпване на вода в по-горен резервоар; при нужда водата се пуска надолу през турбини, за да произвежда ток.
• Малки и микро хидроцентрали — за локално електроснабдяване, често с минимално въздействие върху реката.

Основните видове турбини са:

• Пелтън — за високи падове и ниски дебити.
• Франсис — универсална турбина за средни падове.
• Каплан — за ниски падове и големи дебити (например при равнинни реки).

Кратка историческа справка

Използването на водната енергия е древно — водните колела и мелниците са били в употреба още в античността и в средновековието за смилане на зърно, изработване на тъкани и други механични дейности. През Индустриалната революция и особено през XIX век водната енергия става ключова за фабричните производства. По-късно, с развитието на електротехниката, се появяват първите хидроелектроцентрали и големи инфраструктурни проекти (напр. развитието около водопадите и големите реки). През XX век и особено след Втората световна война, изграждането на големи язовири и енергийни системи прави хидроенергията основен източник на електрическа енергия в много страни.

Предимства

• Ниска себестойност на произведената електроенергия при работа.
• Намалени емисии на парникови газове в сравнение с изгарянето на изкопаеми горива.
• Гъвкавост в управлението на натоварването — особено помпените станции, които могат бързо да реагират на пикове на търсене.
• Дълъг експлоатационен живот и възможност за модернизация на съществуващи централи.
• Допълнителни ползи: напояване, контрол на наводненията, снабдяване с питейна вода и рибарство (в зависимост от проектирането).

Недостатъци и екологични въздействия

• Потенциално голямо въздействие върху екосистемите — изменение на реките, нарушаване на миграцията на риба, загуба на речни местообитания.
• Отлагане на наноси в язовирите, което намалява плодородието надолу по течението и изисква управление на седиментите.
• Социални ефекти — преместване на общности и промяна на местните икономики при изграждане на големи язовири.
• В някои случаи отделяне на парникови газове (метан) от органична материя във водни резервоари, особено в тропични региони.

Мерки за смекчаване на въздействието

• Инженерни решения: проходи за риба, рибни стълби, екологични оттоки (environmental flows).
• Управление на седиментите чрез спускане на наслаги, отвори или допълнителни съоръжения.
• Планиране и обществено участие при проектирането, компенсации и реконструкции при преместване на население.
• Приоритет за малки и ниско-въздействени хидро проекти или модернизация на съществуващи съоръжения пред нови големи язовири.

Съвременни тенденции и бъдеще

Хидроенергията продължава да бъде основен източник на възобновяема електрическа енергия. В световен мащаб тя осигурява около 15–16% от общата електропроизводство и представлява най-голям дял от производството на електричество от възобновяеми източници (приблизително 60–70%). Съвременните тенденции включват:

• Реформи и модернизации на стари централи за повишаване на ефективността и намаляване на въздействието.
• Развитие на помпено-акумулиращите системи като ключов елемент за интегриране на променливи възобновяеми източници (вятър, слънце).
• Комбиниране на плаващи соларни паркове върху резервоари и използване на водните площи за многопрофилни решения.
• По-широко прилагане на малки и микро хидро системи за отдалечени и селски райони.

Практически съображения

При планиране на хидроенергийни проекти е важно да се прави балансирана оценка на икономическите ползи, енергийната сигурност и екологичните и социални последици. Съвременното устойчиво планиране включва детайлни екологични оценки, участие на местните общности и прилагане на технологии за намаляване на въздействията.

Заключение: Хидроенергията остава ключов стълб в глобалния енергиен микс — тя предоставя надеждна и гъвкава електрическа мощност, но изисква внимателно планиране и мерки за опазване на околната среда и социалното благосъстояние.

Видове водна енергия

Съществуват много форми на водна енергия:

• Водни колела, използвани в продължение на стотици години за задвижване на мелници и машини
• Хидроенергия - термин, който обикновено се използва за хидроенергийни язовири.
• Приливна енергия, която улавя енергията от приливите и отливите в хоризонтална посока.
• Енергия от приливните потоци, която прави същото, но вертикално
• Енергия от вълни, при която се използва енергията на вълните

Хидроелектрическа енергия

Основна статия: Хидроенергетика

Хидроенергията е средство за производство на електроенергия без изгаряне на гориво. Хидроенергията осигурява около 715 000 MWe или 19% от световната електроенергия (16% през 2003 г.). Големите язовири все още се проектират. С изключение на няколко държави, които разполагат с големи количества от нея, водната енергия обикновено се прилага при пиково натоварване на потреблението, тъй като лесно се спира и пуска. Въпреки това водната енергия вероятно не е основен вариант за бъдещо производство на енергия в развитите страни, тъй като повечето големи обекти в тези страни или вече се експлоатират, или са недостъпни по други причини, като например екологични съображения.

За разлика от изгарянето на изкопаеми горива, водната енергия не произвежда въглероден диоксид или други вредни емисии и не допринася значително за глобалното затопляне чрез СО₂.

Водноелектрическата енергия може да бъде много по-евтина от електроенергията, произведена от изкопаеми горива или ядрена енергия. Районите с изобилие от водноелектрическа енергия привличат промишлеността. Загрижеността за околната среда, свързана с въздействието на язовирите, може да забрани разработването на икономически изгодни хидроенергийни източници.

Приливна енергия

Използването на приливите и отливите в залив или естуар е постигнато във Франция (от 1966 г.), Канада и Русия и може да бъде постигнато и в други райони с голям диапазон на приливите и отливите. Уловената вода завърта турбини, докато се изпуска през приливната бариера в двете посоки. Друг възможен недостатък е, че системата би генерирала електроенергия най-ефективно на всеки шест часа (веднъж на всеки прилив и отлив). Това ограничава възможностите за използване на енергията на приливите и отливите.

Енергия от приливните потоци

Сравнително нова технология, генераторите на приливни потоци черпят енергия от теченията по същия начин, както вятърните генератори. По-голямата плътност на водата означава, че един генератор може да осигури значителна мощност. Тази технология е в начален етап на развитие и ще се нуждае от допълнителни изследвания, преди да може да произвежда по-голямо количество енергия.

Няколко прототипа обаче бяха тествани в Обединеното кралство, Франция и САЩ. Още през 2003 г. в Обединеното кралство е тествана турбина с мощност 300 kW.

Канадската компания Blue Energy има планове за инсталиране на много големи масиви от устройства за приливно течение, монтирани в така наречената "приливна ограда", на различни места по света, базирани на дизайн на турбини с вертикална ос.

Вълнова енергия

Енергията от движението на вълните на повърхността на океана може да произвежда много повече енергия от приливите и отливите. Изпитано е, че е възможно да се произвежда енергия от вълни, особено в Шотландия, Обединеното кралство. Но все още има много технически проблеми.

В Порт Кембла, Австралия, се изгражда прототип на брегови генератор на енергия от вълни, който се очаква да генерира до 500 MWh годишно. Енергията на вълните се улавя от генератор с въздушно задвижване и се преобразува в електроенергия. За страните с големи брегови линии и бурни морски условия енергията на вълните предлага възможност за производство на електроенергия в големи количества. Излишната енергия по време на бурно море може да се използва за производство на водород.

Хидравлична турбина и електрически генератор.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява хидроенергията?

В: Каква е била употребата на хидроенергията през 30-те години на XIX век?

В: В кои отрасли се е използвала водната енергия за директно механично предаване на енергия?

В: Къде са построени много мелници за зърно през последната половина на XIX век?

В: Защо мелниците, построени при водопада Сейнт Антъни, са важни за развитието на Минеаполис?

Въпрос: Каква е най-голямата употреба на водната енергия днес?

В: Какво позволява използването на водната енергия за производство на електроенергия?

Търсене по буква