Hidroenergija

Brana i akumulacija HE Peruća.

Hidroenergija, hidraulička energija ili energija vode, je snaga dobivena iz sile ili energije tekuće vodene mase, koja se može upotrijebiti u čovjeku korisne svrhe. Prije nego što je komercijalna električna energija postala široko dostupna, energija vode se koristila za navodnjavanje i pogon raznih strojeva, poput vodenica, strojeva u tekstilnoj industriji, pilana, lučkih dizalica ili dizala.

Druga metoda je koristila kompresor, koji bi komprimirao zrak pomoću mlaza vode, a čija bi se energija zatim mogla koristiti za pogon strojeva udaljenih od vode.

Povijest

Vodenice i mlinovi

Energija vode se koristi već stotinama godina. U Indiji su se gradile vodenice i vodeni mlinovi, u Rimskom carstvu energija vode se koristila za pogon mlinova koji su proizvodili brašno od žita; koristila se i za piljenje drva i oblikovanje kamena. Snaga vodenog vala ispuštenog iz spremnika koristila se za izdvajanje metalne rude u starom rudarskom procesu. Taj se proces široko koristio u Britaniji, u Srednjem vijeku te kasnije. Koristio se za dobivanje olova i kositra, a kasnije se iz njega razvilo hidraulično rudarenje koje je bilo u upotrebi tijekom kalifornijske potjere za zlatom. U Kini i ostatku Dalekog istoka zahvaljujući energiji vode koristile su se pumpe zasnovane na principu kotača sa spremnicima za podizanje vode u kanale za navodnjavanje. Tijekom 1830-ih godina, na vrhuncu perioda izgradnje kanala, energija vode se koristila za prijevoz teglenica uz, kao i niz strme padine pomoću tračnica s nakošenom ravninom. Izravni prijenos snage zahtijevao je da djelatnosti koje su koristile energiju vode budu smještene blizu vodopada. Primjerice, tijekom druge polovice 19. stoljeća izgrađeni su mnogi mlinovi za žito kraj slapova Sv. Antuna (Saint Anthony), koji su koristili 15-metarski vodopad do rijeke Mississippi. Ti su mlinovi doprinijeli razvoju Minneapolisa.

Hidrauličke cijevi

Sustavi hidrauličkih mreža također su postojali. Sastojali su se od cijevi u kojima se nalazila tekućina pod tlakom, koja bi prenosila energiju od izvora, primjerice pumpe, do krajnjih korisnika. Ovakve su mreže bile vrlo raširene u viktorijanskim gradovima Ujedinjenog Kraljevstva.

Utjecaj u prirodi

U hidrologiji se energija vode manifestira kroz djelovanje sile na korito i obale rijeka uslijed kretanja vode. Ta je pojava posebno izražena u slučaju visokog vodostaja ili poplave. Snaga vode djeluje na korito i obale rijeke, odnoseći s njih talog i ostale materijale, što uzrokuje eroziju i ostale promjene u riječnom toku.

Suvremena upotreba

Trenutno je u upotrebi ili razvoju više oblika korištenja energije vode. Neki oblici su isključivo mehanički, no većina je okrenuta pretvorbi energije vode u električnu energiju. Među širim područjima su:

• Vodenice, koje se koriste već stoljećima za pogon mlinova i ostalih strojeva
• Električna energija dobivena iz vode; što se uobičajeno odnosi na vodene brane ili postave uz rijeke (npr. vodenice čiji se pogon temelji na hidraulici)
• Energija vodenih tokova, koja se dobiva iz energije gibanja (kinetičke energije) rijeka, potoka i oceana
• Vrtložna energija, koja se dobiva iz vrtloga
• Energija plime i oseke
• Energija dobivena iz protoka uzrokovanih plimnim mijenama
• Energija valova
• Osmotska energija, odnosno energija gradijenta saliniteta, pomoću koje se energija dobiva iz razlike u koncentraciji soli između morske i riječne vode
• Energija morskih struja
• Energija dobivena iz razlike temperature oceana na različitim dubinama.

Energija vodenih tokova (hidroenergija) je danas izvor 715,000 megavata, odnosno 19% električne energije proizvedene u svijetu. Velike brane se još uvijek projektiraju. Trenutno najveća hidroelektrana na svijetu, Tri klanca, izgrađena je u Kini, na najduljoj svjetskoj rijeci, rijeci Yangtze. Osim u nekolicini zemalja koje imaju energije vode dovoljno za pokrivanje većine potreba za električnom energijom, hidroelektrane uobičajeno pokrivaju vršne potrebe za električnom energijom zahvaljujući mogućnosti brzog upuštanja u pogon. Također, hidropotencijal se može koristiti kao veliki spremnik jeftine energije ukoliko se pri suvišnoj proizvodnji hidrogenerator koristi kao pumpa. Hidroenergija u osnovi ne stvara emisiju ugljičnog dioksida ni ostale štetne tvari, za razliku od izgaranja fosilnih goriva, te stoga nije značajni čimbenik globalnog zatopljenja uslijed štetnih emisija CO_2. Energija dobivena iz hidroelektrana može biti znatno jeftinija od energije dobivene iz fosilnih goriva ili nuklearne energije. Područja s obiljem hidropotencijala privlače indrustriju. No, pretjerana briga za okoliš može biti prepreka razvoju hidroenergetike.

Glavna prednost hidroelektrana je njhova sposobnost da pokriju sezonsku i dnevnu vršnu potražnju za električnom energijom. Kada se smanji potražnja, brana jednostavno pohranjuje više vode, koja onda daje snažniji tok. Neke hidrocentrale koriste brane za pohranu viška energije (često tijekom noći) tako da hidrogenerator koriste kao pumpu koja vodu vraća u akumulaciju. Električna se energija može opet generirati u slučaju porasta potražnje. U praksi se korištenje spremljene vode komplicira zbog potreba za navodnjavanjem, koje se mogu javiti istovremeno kad i vršna električna opterećenja. Ne zahtijevaju sve hidroelektrane branu: neke koriste protok samo dijela toka rijeke, što je karakteristika manjih hidroelektrana. Primjer tehnologije u razvoju je tehnologija temeljena Gorlovljevoj helikoidnoj turbini.

Energija plime i oseke

Podrobniji članak o temi: Plimne turbine
Iskorištavanje energije plime i oseke u zaljevu ili estuariju postoji u Francuskoj (od 1966.), u Kanadi i Rusiji, a moglo bi se proširiti i na ostale lokacije gdje je velika promjena razine mora u vrijeme plime i oseke. "Zarobljena" voda propušta se kroz plimnu branu u oba smjera i pokreće turbine. Ovakvi sustavi efikasno generiraju električnu energiju u kratkim ciklusima svakih 6 sati (prilikom svake mijene). Ovo ograničava primjenu energije plime i oseke: ova je energija vrlo predvidljiva, no ne može zadovoljiti brzo mijenjajuće potrebe.

Energija strujanja plime i oseke

Riječ je o relativno novoj tehnologiji koja energiju crpi iz strujanja vode koje se stvara pri morskim mijenama. Princip rada je sličan onome kod vjetrogeneratora. Što je veća gustoća vode, generator može proizvesti veću snagu. Ova je tehnologija u ranom stadiju razvoja i zahtijeva još istraživanja prije nego postane značajniji sudionik u opskrbi električnom energijom, no neki prototipi već daju obećavajuće rezultate.

Energija morskih valova

Iskorištavanje površinskih oceanskih valova daje znatno više energije od plimnih kretanja. U Škotskoj i Ujedinjenom Kraljevstvu istražena ja izvedivost toga. Generatori su pričvršćeni na plutajuće platforme, a prolaskom vode kroz šuplje betonske konstrukcije proizvode električnu energiju. Brojne tehničke teškoće usporile su napredak.

Prototip generatora iz energije valova konstruira se u Port Kembla u Australiji i očekuje se da bi mogao proizvesti energiju od 500 MWh godišnje. Pretvarač energije valova konstruiran je u lipnju 2005. i početni su rezultati nadmašili očekivanja za vrijeme valova male energije. Energija vala obuhvaća se pomoću generatora pogonjenog zrakom i pretvara u električnu. Za države s dugačkom obalom izloženom snažnijim valovima, energija valova omogućuje generiranje električne energije dovoljne za potrebe opskrbe.

Male hidroelektrane

Male hidroelektrane sve se češće koriste kao alternativni izvor energije, posebno u udaljenim područjima gdje ostali izvori energije nisu dostupni. Male hidroelektrane mogu se instalirati na malim rijekama ili potocima uz mali ili zanemariv utjecaj na okolišne pojave poput migracije riba. Većina malih hidroelektrana ne koristi branu ni veće preusmjeravanje toka rijeke, nego je zasnovana na vodenicama.

Prilikom postavljanja male hidroelektrane potrebno je uzeti u obzir neke okolnosti. Primjerice, količinu vode koja je stalno dostupna, budući da nedovoljno kiše može ugroziti rad elektrane. Zatim pad, odnosno visinsku razliku zahvata i ispusta vode. Uz veći pad može se dobiti veća električna snaga. Također, postoji potreba za usklađivanjem sa propisima i zakonima o zaštiti voda.

U posljednjih nekoliko godina, američka vlada značajnije podupire alternativne izvore energije. Za male hidroelektrane dostupne su mnoge povlastice (dotacije, krediti, porezne olakšice).

U siromašnijim područjima, mnoge udaljene sredine nemaju električnu energiju. Male hidroelektrane, snage ispod 100 kW, omogućuju takvim sredinama stvaranje električne energije. Ovaj oblik proizvodnje energije podupiru razne organizacije, poput Practical Action iz UK. Male hidroelektrane mogu se koristiti i za izravni pogon osovina strojeva za mnoge industrijske primjene. Za potrebe kućanstava češće se koristi generator ili reverzirani elektromotor koji je, uz manju korisnost, vrlo dostupno i jeftino rješenje.

Resursi u Republici Hrvatskoj

Hidroelektrana Orlovac, postrojenje i derivacijski kanal.

Nazivna snaga svih hidroelektrana u Republici Hrvatskoj 2008. godine iznosila je 2097 MW, što je 55% ukupne snage svih elektrana na području Republike Hrvatske.

Hidroelektrane su proizvele 4357 GWh električne energije u 2007. godini, a 5277 GWh u 2008., što čini približno 25%, odnosno 29% električne energije preuzete u elektroenergetski sustav RH.

Povijesni pregled razvoja hidroelektrana u Republici Hrvatskoj

• 1895. prva hidroelektrana izgrađena na Skradinskom buku na rijeci Krki, današnja HE Jaruga (pad 10 m, 1 turbina, jednofazni generator 300 kVA)
• 1904. izgrađena nova HE Jaruga snage 5,4 MW
• 1906. HE Miljacka (snaga 17,7 MW, pad 105 m i instalirani protok 24 m3/s)
• 1908. HE Ozalj na rijeci Kupi (snaga 2,5 MW)
• 1912. HE Kraljevac na rijeci Cetini (2 agregata, snaga 25,6 MW, pad 100 m i instalirani protok 30 m3/s)
• 1932. 2. faza HE Kraljevac (2 agregata, snaga 41,6 MW, instalirani protok 50 m3/s)
• do 2. svjetskog rata 153 male HE u Hrvatskoj.

Trenutno su u RH u pogonu 23 veće hidroelektrane, a u dogledno vrijeme u planu je izgradnja:

• HE Lešće (42,3 MW)
• HE Podsused (43 MW)
• HE Kosinj (28 MW)
• HE Novo Virje (138 MW)
• HE Ombla (68,5 MW)

U priloženoj tablici nalazi se popis svih hidroelektrana u Republici Hrvatskoj 2008. godine (HE znači hidroelektrana, RHE znači reverzibilna hidroelektrana, CS znači crpna stanica, CHE znači crpna hidroelektrana).

Hidroelektrane u Republici Hrvatskoj

Akumulacijske hidroelektrane	Raspoloživa snaga (MW)
HE Zakučac	486
RHE Velebit	276/-240
HE Orlovac	237
HE Senj	216
HE Dubrovnik	216
HE Vinodol	90
HE Kraljevac	46,4
HE Peruća	41,6
HE Đale	40,8
HE Sklope	22,5
CS Buško Blato	11,4/-10,3
CHE Fužine	4/-4,8
HE Zavrelje	2
CHE Lepenica	1,4
HE Zeleni Vir	1,4
Protočne hidroelektrane	Raspoloživa snaga (MW)
HE Varaždin	86,5
HE Čakovec	82
HE Dubrava	82,4
HE Gojak	48
HE Rijeka	36
HE Miljacka	24
HE Golubić	6,5
HE Jaruga	7,2
HE Ozalj	5,2
HE Krčić	0,3

Proračun raspoložive snage

Vodeni resursi mogu se mjeriti prema količini dostupne snage, odnosno energije u jedinici vremena. U velikim akumulacijama dostupna snaga je uobičajeno funkcija pada i volumnog protoka. U akumulaciji je pad vode razlika između razine u akumulaciji i njene razine pri ispustu. Svaka količina vode može obaviti rad jednak njenoj težini pomnoženoj s padom.

Količina energije E oslobođena spuštanjem objekta mase m za razliku visine h u području djelovanja gravitacije je

$\, E = mgh$,

gdje je g ubrzanje sile teže.

Energija raspoloživa pribranskim hidroelektranama je energija koja se može osloboditi padom vode u kontroliranim uvjetima. U takvim situacijama, snaga je povezana s masenim protokom.

$\frac{E}{t} = \frac{m}{t}gh$

Uvođenjem P umjesto E/t i izražavanjem m/t kao volumena tekućine koja protječe u vremenu (volumni protok φ) i gustoće vode, dolazimo do uobičajenog oblika gornjeg izraza:

$P = \rho\, \phi\, g \, h.$

Za P u vatima, ρ je izražen u kg/m^3, φ je izražen u m^3/s, g (standardno ubrzanje sile teže) je izraženu u m/s^2, a visina h u metrima.

Neki hidroenergetski sustavi, poput vodenica, uzimaju energiju iz protoka mase vode bez da nužno mijenjaju visinu toka. U tom slučaju iskoristiva je kinetička energija vode koja protječe.

$P = \frac{1}{2}\,\rho\,\phi\, v^2$,

gdje je v brzina vode.

ili uz:

$\phi = A\, v$ ,

gdje je A površina kroz koju voda prolazi:

$P = \frac{1}{2}\,\rho\, A\, v^3.$

Vodenice kojima se voda privodi s gornje strane mogu koristiti oba oblika energije.

Utjecaj na okoliš

Električna energija dobivena iz hidropotencijala ipak nije bez nedostataka. Osim što brane predstavljaju ozbiljnu prijetnju populacijama riba i ekosustavima rijeka i potoka, korištenje energije vode može imati negativan utjecaj na protok i kvalitetu vode. Niža razina kisika u vodi može biti prijetnja biljnom i životinjskom svijetu. Ove se probleme može riješiti osiguravanjem prolaza kroz koje se ribe mogu neometano kretati, a voda se može redovito obogaćivati kisikom kako bi se održala koncentracija kisika sigurna za životinjski i biljni svijet. Protok vode treba pažljivo pratiti kako bi se spriječile opasnosti nastale uslijed preučestalog naprezanja vodenih masa. Te se opasnosti mogu izbjeći privremenim isključivanjem pumpanja vode u akumulacije kako bi se omogućilo uravnoteženje oštećenih ekosustava.

Reference

• http://en.wikipedia.org/wiki/Hydropower
• Hrvatska elektroprivreda, Operator prijenosnog sustava d.o.o. [1]

Vanjske poveznice

• International Hydropower Association
• International Centre for Hydropower (ICH) hydropower portal with links to numerous organizations related to hydropower worldwide
• Practical Action (ITDG) a UK charity developing micro-hydro power and giving extensive technical documentation.
• microhydropower.net
• Congressional Research Service (CRS) Reports regarding Hydropower
• Ashden Awards hydro power winners