Mõistke, kuidas hüdroelektrijaam muudab veeenergia elektriks, selle eelised ja puudused
Pilt: Rahvusvahelise Hüdroenergia Assotsiatsiooni (IHA) Itaipu tamm, Paraguay / Brasiilia on litsentseeritud CC BY 2.0 alusel
Mis on hüdrauliline (hüdroelektri) energia?
Hüdroelektrienergia on veekogude voolus sisalduva kineetilise energia kasutamine. Kineetiline energia soodustab hüdroelektrijaama süsteemi moodustavate turbiinide labade pöörlemist, et need süsteemi generaatori abil hiljem elektrienergiaks muuta.
Mis on hüdroelektrijaam (või hüdroelektrijaam)?
Hüdroelektrijaam on tööde ja seadmete kogum, mida kasutatakse elektrienergia tootmiseks jõe hüdraulilise potentsiaali kasutamisest. Hüdraulilise potentsiaali annab hüdrauliline vool ja ebatasasuste kontsentratsioon jõe kulgemisel. Ebaühtlus võib olla looduslik (kosed) või ehitatud tammide kujul või jõe ümbersuunamise teel looduslikust põhjast reservuaaride moodustamiseks. Veehoidlaid on kahte tüüpi: kogunemis- ja jõejooksukohad. Kogunemissademed moodustuvad tavaliselt jõgede eesvooludes, kohtades, kus esinevad kõrged kosed ja mis koosnevad suurtest veehoidlatest, kus on palju vett. Jõgede veehoidlad kasutavad elektri tootmiseks jõe veekiirust, tekitades nii minimaalselt või üldse mitte vett.
Jaamad klassifitseeritakse omakorda järgmiste tegurite järgi: joa kõrgus, vooluhulk, paigaldatud võimsus või võimsus, süsteemis kasutatava turbiini tüüp, tamm ja reservuaar. Ehitusplats näitab kukkumise ja vooluhulga kõrgust ning need kaks tegurit määravad hüdroelektrijaama paigaldatud võimsuse või võimsuse. Paigaldatud võimsus määrab turbiini tüübi, tammi ja reservuaari.
Riikliku elektrienergiaagentuuri (Aneel) aruande kohaselt määratleb väikeste hüdroelektrijaamade riiklik tugikeskus (Cerpch, Itajubá föderaalülikoolist - Unifei) joa kõrguseks madal (kuni 15 meetrit), keskmine ( 15–150 meetrit) ja kõrge (üle 150 meetri). Need meetmed ei ole siiski üksmeelsed. Jaama suurus määrab ka jaotusvõrgu suuruse, mis viib toodetud elektri tarbijateni. Mida suurem on taim, seda suurem on kalduvus asuda linnakeskustest kaugel. See nõuab suurte ülekandeliinide ehitamist, mis sageli ületavad olekuid ja põhjustavad energiakadu.
Kuidas hüdroelektrijaam töötab?
Hüdroelektrienergia tootmiseks on vaja integreerida jõe vooluhulk, maastiku erinevus (looduslik või mitte) ja saadaolev veekogus.
Hüdroelektrijaama süsteem koosneb:
Tamm
Paisu eesmärk on katkestada jõe looduslik ringlus, luues veehoidla. Veehoidlal on peale vee salvestamise ka muid funktsioone, nagu veepilu tekitamine, vee kogumine energia tootmiseks piisavas mahus ja jõgede voolu reguleerimine vihma ja põua ajal.
Veevõtu (lisamise) süsteem
Koosneb tunnelitest, kanalitest ja metallist torudest, mis viivad vee jõujaama.
Jõujaam
Selles süsteemi osas on generaatoriga ühendatud turbiinid. Turbiinide liikumine muudab vee liikumise kineetilise energia generaatorite kaudu elektrienergiaks.
Turbiine on mitut tüüpi, peamisteks on pelton, kaplan, francis ja pirn. Iga hüdroelektrijaama jaoks sobivaim turbiin sõltub languse kõrgusest ja vooluhulgast. Näide: sibulat kasutatakse jahutusseadmetes, kuna see ei nõua reservuaaride olemasolu ja on näidustatud madalate kukkumiste ja suure voolukiiruse korral.
Põgenemiskanal
Pärast turbiinide läbimist viiakse vesi evakuatsioonikanali kaudu tagasi jõe looduslikku sängi.
Põgenemiskanal asub jõujaama ja jõe vahel ning selle suurus sõltub jõujaama ja jõe suurusest.
Spillway
Mahavool võimaldab veest väljuda alati, kui veehoidla tase ületab soovitatud piire. See juhtub tavaliselt vihmaperioodidel.
Mahavool avatakse, kui elektrienergia tootmine on häiritud, kuna veetase on ideaalsest kõrgem; või vältida taime ümbervoolamist ja sellest tulenevaid üleujutusi, mis on võimalik väga vihmasel perioodil.
Hüdroelektrijaamade implanteerimise põhjustatud sotsiaal-keskkonnamõjud
Esimene hüdroelektrijaam ehitati 19. sajandi lõpus Niagara kose jupile Ameerika Ühendriikide ja Kanada vahel, kui kivisüsi oli peamine kütus ja õli ei olnud veel laialdaselt kasutusel. Enne seda kasutati hüdraulilist energiat ainult mehaanilise energiana.
Vaatamata sellele, et hüdroenergia on taastuv energiaallikas, tuuakse Aneeli aruandes välja, et tema osalus maailma elektrimaatriksis on väike ja muutub veelgi väiksemaks. Kasvav huvi puudumine tuleneb negatiivsetest välismõjudest, mis tulenevad sellise suurusega projektide rakendamisest.
Suurte hüdroelektriprojektide implanteerimise negatiivne mõju on piirkonnas elavate elanike eluviiside muutus või taime implanteerimiskoha ümbrus. Samuti on oluline märkida, et need kogukonnad on sageli inimrühmad, mida nimetatakse traditsioonilisteks elanikkonnarühmadeks (põlisrahvad, quilombolas, Amazonase jõeäärsed kogukonnad jt), kelle ellujäämine sõltub nende elukohast pärit ressursside kasutamisest ja millel on sidemed selle territooriumiga kultuuriline kord.
Kas hüdroenergia on puhas?
Hoolimata sellest, et paljud peavad seda „puhta“ energia allikaks, kuna seda ei seostata fossiilkütuste põletamisega, aitab hüdroelektrienergia tootmine kaasa süsinikdioksiidi ja metaani heitkogustele, mis võivad põhjustada globaalset soojenemist.
Süsinikdioksiidi (CO2) eraldumine on tingitud puude lagunemisest, mis jäävad veehoidlate veetasemest kõrgemale, ja metaani (CH4) eraldumine toimub veehoidla põhjas oleva orgaanilise aine lagunemisel. Kui veesammas suureneb, suureneb ka metaani (CH4) kontsentratsioon. Kui vesi jõuab jaama turbiinidesse, põhjustab rõhu erinevus metaani eraldumist atmosfääri. Metaan eraldub veeteele ka taime mahavoolu kaudu, kui lisaks rõhu ja temperatuuri muutumisele pihustatakse vett tilkadena.
CO2 eraldub surnud puude lagunemisel vee kohal. Erinevalt metaanist peetakse mõjusaks ainult osa eraldunud CO2-st, kuna suur osa CO2-st tühistatakse reservuaaris toimuvate neeldumiste abil. Kuna metaani ei kaasata fotosünteesiprotsessidesse (ehkki seda saab aeglaselt muuta süsinikdioksiidiks), peetakse seda sel juhul kasvuhooneefekti mõjutavaks.
Balcari projekt (kasvuhoonegaaside heitkogused hüdroelektrijaamade reservuaarides) loodi selleks, et uurida kunstlike reservuaaride panust kasvuhooneefekti intensiivistamisse süsinikdioksiidi ja metaani emissiooni kaudu. Projekti esimesed uuringud viidi läbi 90ndatel Amazonase piirkonna reservuaarides: Balbinas, Tucuruí ja Samuelis. Amazonase piirkond keskendus uuringule, kuna seda iseloomustab tohutu taimkate ja seetõttu on orgaaniliste ainete lagunemisel suurem gaasiheitmete potentsiaal. Seejärel, 1990. aastate lõpus, kuulusid projekti ka Miranda, Três Marias, Segredo, Xingo ja Barra Bonita.
Artikli järgi, mille dr Philip M. Fearnside Amazonase uurimisinstituudist avaldas Tucuruí tehase gaasiheitmete kohta 1990. aastal, varieerus taime kasvuhoonegaaside (CO2 ja CH4) heitkogus Sel aastal 7 miljonit ja 10 miljonit tonni. Autor toob võrdluse São Paulo linnaga, mis samal aastal eraldas fossiilkütustest 53 miljonit tonni CO2. Teisisõnu vastutab ainult Tucuruí 13–18% São Paulo linna kasvuhoonegaaside heite eest, mis on oluline väärtus energiaallikale, mida peetakse pikka aega heitevabaks. Usuti, et aja jooksul orgaaniline aine täielikult laguneb ja selle tagajärjel lakkab see neid gaase eraldama. Kuid,Balcari rühma uuringud on näidanud, et gaasitootmisprotsessi toidetakse uute jõgede ja vihmade poolt sisse toodud orgaaniliste materjalide saabumise kaudu.
Taime- ja loomaliikide kadumine
Eriti Amazonase piirkonnas, kus on suur bioloogiline mitmekesisus, toimub organismide paratamatu surm veehoidla moodustumise koha taimestikust. Mis puutub loomadesse, siis isegi kui organismide eemaldamise katse tehakse põhjalikult, ei saa tagada kõigi ökosüsteemi moodustavate organismide päästmist. Lisaks paneb tamm muutusi ümbritsevates elupaikades.
Pinnase kaotus
Üleujutatud piirkonna pinnas muutub muuks otstarbeks kasutuskõlbmatuks. Sellest saab keskne küsimus, eriti valdavalt tasastel piirkondadel, näiteks Amazonase piirkonnas. Kuna jaama võimsuse annab seos jõe voolu ja maastiku ebatasasuste vahel, siis kui maastikul on vähe ebatasasusi, tuleb varuda suurem kogus vett, mis tähendab ulatuslikku veehoidla pindala.
Muutused jõe hüdraulilises geomeetrias
Jõgedel on tavaliselt dünaamiline tasakaal vooluhulga, keskmise veekiiruse, settekoormuse ja põhjamorfoloogia vahel. Veehoidlate ehitamine mõjutab seda tasakaalu ja põhjustab seetõttu muutusi hüdroloogilises ja settekorras mitte ainult paisukohas, vaid ka ümbritsevas piirkonnas ja tammi all asuvas sängis.
Nimivõimsus x tegelik toodetud kogus
Teine tõstatatav küsimus on see, et nominaalse paigaldatud võimsuse ja jaama toodetud elektrienergia tegeliku koguse vahel on erinevus. Toodetud energia hulk sõltub jõe voolust.
Seega on kasutu paigaldada süsteem, mis suudaks toota rohkem energiat, kui jõevool suudab pakkuda, nagu juhtus Uatumã jõele paigaldatud Balbina hüdroelektrijaama puhul.
Jaama kindel jõud
Teine oluline punkt, mida tuleb arvestada, on jaama kindla jõu mõiste. Aneeli sõnul on jaama kindel jõud maksimaalne pidev energiatootmine, mida oleks võimalik saada, kui arvestada kõige kuivemat järjestust, mis on registreeritud selle jõe vooluajalukku, kuhu see paigaldatakse. See küsimus kipub üha sagedasemate ja raskemate põuaperioodide tingimustes muutuma üha kesksemaks.
Hüdroelektrijaamad Brasiilias
Brasiilia on riik, millel on kõige suurem hüdroelektri potentsiaal maailmas. Nii et 70% sellest on koondunud Amazonas ja Tocantins / Araguaia basseinidesse. Esimene Brasiilia hüdroelektrijaam, mis ehitati, oli 1949. aastal Bahias Paulo Afonso I, võimsusega 180 MW. Praegu kuulub Paulo Afonso I Paulo Afonso hüdroelektrijaama kompleksi, kuhu kuulub kokku neli tehast.
Balbina
Balbina hüdroelektrijaam ehitati Uatumã jõele, Amazonasesse. Balbina ehitati Manaususe energiavajaduse rahuldamiseks. Prognoos oli ette nähtud 250 MW võimsuse paigaldamiseks viie generaatori kaudu, võimsusega 50 MW. Uatumã jõe vooluhulk annab aga palju väiksema keskmise aastase energiatoodangu, umbes 112,2 MW, millest ainult 64 MW võib pidada kindla võimsusena. Arvestades, et elektrijaamast tarbijakeskusesse edastamisel on ligikaudne 2,5% kaotus, on ainult 109,4 MW (62,4 MW kindla võimsusega). Väärtus on tunduvalt väiksem kui 250 MW nimivõimsus.
Itaipu
Itaipu hüdroelektrijaama peetakse maailmas suuruselt teiseks, paigaldatud võimsusega 14 tuhat MW ja see jääb Hiinas 18,2 tuhande MW-ga ainult Trêsi kuristikku. Ehitatud Paraná jõele ja asub Brasiilia ja Paraguay piiril, on see kahe riigi tehas, kuna see kuulub mõlemale riigile. Brasiiliat tarniva Itaipu toodetud energia vastab poolele kogu koguvõimsusest (7 tuhat MW), mis vastab 16,8% -le Brasiilias tarbitavast energiast, teise poole energiast kasutab Paraguay ja see vastab 75% -le Paraguay energiatarbimine.
Tucuruí
Tucuruí tehas ehitati Paroci Tocantinsi jõe äärde ja selle installeeritud võimsus vastab 8370 MW.
Belo Monte
Belo Monte hüdroelektrijaam, mis asub Altamira vallas Parast edelas ja mille avas president Dilma Roussef, ehitati Xingu jõele. Jaam on suurim 100% riiklik hüdroelektrijaam ja suuruselt kolmas maailmas. Paigaldatud võimsusega 11 233,1 megavatti (MW). See tähendab piisavalt lasti 60 miljoni inimese teenindamiseks 17 osariigis, mis moodustab umbes 40% kogu riigi elamute tarbimisest. Samaväärne paigaldatud tootmisvõimsus on 11 000 MW, see tähendab suurim paigaldatud elektrijaam riigis, võttes Tucuruí tehase kui suurema sajaprotsendilise riikliku tehase koha. Belo Monte on ka suuruselt kolmas hüdroelektrijaam maailmas, vastavalt Três Gorges ja Itaipu taga.
Paljud küsimused keerlevad Belo Monte tehase ehitamise ümber. Hoolimata sellest, et paigaldatud võimsus on 11 tuhat MW, vastab jaama kindel võimsus keskkonnaministeeriumi andmetel 4,5 tuhandele MW, see tähendab ainult 40% kogu võimsusest. Kuna Belo Monte on ehitatud Amazonase piirkonda, võib see eraldada suuri kontsentratsioone metaani ja süsinikdioksiidi. Seda kõike arvestamata suurt mõju traditsiooniliste populatsioonide elule ning suurt mõju loomastikule ja taimestikule. Teine tegur on see, et selle ehitusest saavad kasu peamiselt ettevõtted, mitte elanikud. Ligikaudu 80% elektrist on mõeldud riigi keskosa lõunaosas asuvatele ettevõtetele.
Kohaldatavus
Hoolimata mainitud negatiivsetest sotsiaal-keskkonnamõjudest on hüdroelektrienergiail eeliseid võrreldes taastumatute energiaallikatega, näiteks fossiilkütustega. Hoolimata metaani ja vääveldioksiidi eraldumisele kaasaaitamisest ei eralda ega eralda hüdroelektrijaamad muud tüüpi mürgiseid gaase, näiteks termoelektrijaamade poolt välja hingatud gaase - mis on keskkonnale ja inimeste tervisele väga kahjulikud.
Hüdroelektrijaamade puudused võrreldes teiste taastuvate energiaallikatega, näiteks päikese- ja tuuleenergiaga, mis on vähendanud keskkonnamõjusid võrreldes tammide põhjustatud mõjudega, on ilmsemad. Probleemiks on endiselt uute tehnoloogiate elujõulisus. Alternatiiv hüdroenergia tootmisega seotud mõjude vähendamiseks on väikeste hüdroelektrijaamade ehitamine, mis ei nõua suurte reservuaaride ehitamist.
- Mis on päikeseenergia, eelised ja puudused
- Mis on tuuleenergia?
Lisaks on tammide kasulik eluiga umbes 30 aastat, mis seab nende pikaajalise elujõulisuse kahtluse alla.
Michigani osariigi ülikooli poolt läbi viidud uuring "Säästev hüdroenergia 21. sajandil" juhib tähelepanu asjaolule, et suured hüdroelektrijaamad võivad kliimamuutuste tingimustes muutuda veelgi vähem säästvaks energiaallikaks.
Tuleb arvesse võtta hüdroenergia tegelikke kulusid, lisaks majandus- ja infrastruktuurikuludele ka sotsiaalseid, keskkonna- ja kultuurikulusid.
