Förstå hur vattenkraftverket omvandlar vattenenergi till el, dess fördelar och nackdelar
Bild: Itaipu Dam, Paraguay / Brasilien av International Hydropower Association (IHA) är licensierad under CC BY 2.0
Vad är hydraulisk (vattenkraft) energi?
Vattenkraft är användningen av den kinetiska energi som finns i vattendragens flöde. Den kinetiska energin främjar rotationen av turbinbladen som utgör vattenkraftsanläggningen för att senare omvandlas till elektrisk energi av systemets generator.
Vad är en vattenkraftverk (eller vattenkraftverk)?
En vattenkraftverk är en uppsättning arbeten och utrustning som används för att producera elektrisk energi genom användning av en flods hydrauliska potential. Den hydrauliska potentialen ges av det hydrauliska flödet och koncentrationen av befintliga ojämnheter längs flodens gång. Ojämnheterna kan vara naturliga (vattenfall) eller byggas i form av dammar eller genom att avleda floden från dess naturliga bädd för att bilda reservoarer. Det finns två typer av reservoarer: ackumulering och utloppsreservoarer. Ackumuleringsavlagren bildas vanligtvis vid flodernas vattendrag, på platser som förekommer höga vattenfall och består av stora reservoarer med stora ansamlingar av vatten. Avloppsreservoarer utnyttjar flodens vattenhastighet för att generera el, vilket genererar minimal eller ingen ackumulering av vatten.
Anläggningarna klassificeras i sin tur enligt följande faktorer: vattenfallets höjd, flöde, installerad kapacitet eller kraft, typ av turbin som används i systemet, damm och behållare. Byggarbetsplatsen anger höjden på fallet och flödet, och dessa två faktorer bestämmer den installerade kapaciteten eller kraften hos en vattenkraftverk. Den installerade kapaciteten bestämmer typen av turbin, dammen och reservoaren.
Enligt en rapport från National Electric Energy Agency (Aneel) definierar National Reference Center for Small Waterelectric Plants (Cerpch, från Federal University of Itajubá - Unifei) vattenfallets höjd som låg (upp till 15 meter), medium ( 15 till 150 meter) och hög (mer än 150 meter). Dessa åtgärder är dock inte samstämmiga. Anläggningens storlek avgör också storleken på distributionsnätet som tar elenergin till konsumenterna. Ju större växten är, desto större är tendensen att den ligger långt från stadens centrum. Detta kräver konstruktion av stora överföringsledningar som ofta korsar tillstånd och orsakar energiförluster.
Hur fungerar en vattenkraftverk?
För produktion av vattenkraft är det nödvändigt att integrera flodens flöde, skillnaden i terrängen (naturlig eller inte) och mängden tillgängligt vatten.
Systemet för en vattenkraftverk består av:
Damm
Syftet med dammen är att avbryta flodens naturliga cykel och skapa en vattenreservoar. Behållaren har andra funktioner förutom att lagra vatten, som att skapa vattengapet, att fånga vatten i en tillräcklig volym för energiproduktion och reglera flodernas flöden under perioder av regn och torka.
Vattenintagssystem (adduktion)
Sammansatt av tunnlar, kanaler och metallrör som tar vattnet till kraftverket.
Kraftverk
I denna del av systemet är turbinerna anslutna till en generator. Turbinernas rörelse omvandlar vattnets rörelseenergi till elektrisk energi genom generatorerna.
Det finns flera typer av turbiner, med pelton, kaplan, francis och bulb som de viktigaste. Den mest lämpliga turbinen för varje vattenkraftverk beror på fallhöjd och flöde. Ett exempel: glödlampan används i anläggningar som går i drift eftersom den inte kräver att det finns reservoarer och är indikerad för låga fall och höga flöden.
Flykanal
Efter att ha passerat turbinerna återförs vattnet till flodens naturliga bädd genom flyktkanalen.
Flyktkanalen ligger mellan kraftverket och floden och dess storlek beror på storleken på kraftverket och floden.
Spillway
Utloppet gör att vatten kan komma ut när behållarnivån överskrider de rekommenderade gränserna. Detta inträffar vanligtvis i perioder med regn.
Utloppet öppnas när elproduktionen försämras eftersom vattennivån ligger över idealnivån. eller för att undvika överflöd och därmed översvämning runt växten, vilket är möjligt under mycket regniga perioder.
Sociala miljöeffekter orsakade av implantation av vattenkraftverk
Den första vattenkraftverket byggdes i slutet av 1800-talet på en sträcka av Niagara Falls, mellan USA och Kanada, då kol var det viktigaste bränslet och olja fortfarande inte användes i stor utsträckning. Innan dess användes hydraulisk energi endast som mekanisk energi.
Trots att vattenkraft är en förnybar energikälla påpekar Aneels rapport att dess deltagande i världens elektriska matris är liten och blir ännu mindre. Den växande bristen på intresse skulle vara ett resultat av de negativa externa effekter som följd av genomförandet av projekt av denna storlek.
En negativ inverkan av implantationen av stora vattenkraftprojekt är förändringen av livsstilen för de befolkningar som bor i regionen eller i omgivningen på platsen där växten kommer att implanteras. Det är också viktigt att notera att dessa samhällen ofta är mänskliga grupper som identifieras som traditionella befolkningar (ursprungsbefolkningar, quilombolas, Amazonas flodsamhällen och andra), vars överlevnad beror på användningen av resurser från den plats där de bor, och som har kopplingar till territoriet kulturell ordning.
Är vattenkraften ren?
Trots att många av dem betraktas som en källa till "ren" energi eftersom den inte är förknippad med förbränning av fossila bränslen, bidrar vattenkraftproduktion till utsläpp av koldioxid och metan, två gaser som potentiellt orsakar global uppvärmning.
Utsläppen av koldioxid (CO2) beror på sönderdelningen av träd som förblir över vattennivån i behållarna, och frisättningen av metan (CH4) sker genom nedbrytningen av det organiska materialet som finns i botten av behållaren. När vattenpelaren ökar ökar också koncentrationen av metan (CH4). När vattnet når anläggningens turbiner orsakar tryckskillnaden metan i atmosfären. Metan släpps också ut i vattenvägen genom anläggningens spillvatten, förutom vattentrycket förändras vattnet i droppar.
CO2 släpps ut genom nedbrytning av döda träd ovanför vatten. Till skillnad från metan anses endast en del av den koldioxid som släpps ut vara påverkande, eftersom en stor del av koldioxiden avbryts genom absorptioner som uppstår i behållaren. Eftersom metan inte införlivas i fotosyntesprocesser (även om det långsamt kan omvandlas till koldioxid) anses det ha en större inverkan på växthuseffekten i detta fall.
Balcar-projektet (växthusgasutsläpp i reservoarer av vattenkraftverk) skapades för att undersöka bidrag från konstgjorda reservoarer till intensifieringen av växthuseffekten genom utsläpp av koldioxid och metan. De första studierna av projektet genomfördes på 90-talet i reservoarer i Amazonasregionen: Balbina, Tucuruí och Samuel. Amazonasregionen var fokuserad på studien eftersom den kännetecknas av massivt vegetationsklädsel och därmed större potential för gasutsläpp genom nedbrytning av organiskt material. Senare, i slutet av 1990-talet, omfattade projektet också Miranda, Três Marias, Segredo, Xingo och Barra Bonita.
Enligt artikeln som Dr Philip M. Fearnside, från Amazon Research Institute, publicerade om utsläpp av gaser vid Tucuruí-anläggningen 1990, varierade utsläppen av växthusgaser (CO2 och CH4) från anläggningen mellan 7 miljoner och 10 miljoner ton det året. Författaren gör en jämförelse med staden São Paulo, som släppte ut 53 miljoner ton koldioxid från fossila bränslen samma år. Med andra ord, endast Tucuruí skulle vara ansvarig för att utfärda motsvarande 13% till 18% av växthusgasutsläppen i staden São Paulo, ett betydande värde för en energikälla som länge anses vara "utsläppsfri". Man trodde att organiskt material över tid skulle genomgå fullständig sönderdelning och, som en konsekvens, skulle det upphöra att släppa ut dessa gaser. I alla fall,studier av Balcar-gruppen har visat att gasproduktionsprocessen matas genom ankomsten av nya organiska material som förts in av floder och regn.
Förlust av växt- och djurarter
Särskilt i Amazonasregionen, som har hög biologisk mångfald, finns det oundvikliga dödsfall av organismer från flora på platsen där reservoaren bildas. När det gäller djur, kan det inte garanteras att alla organismer som utgör ekosystemet sparas, även om noggrann planering görs i ett försök att ta bort organismerna. Dessutom påför dammen förändringar i de omgivande livsmiljöerna.
Jordförlust
Marken i det översvämmade området blir oanvändbar för andra ändamål. Detta blir en central fråga, särskilt i övervägande platta regioner, som Amazonregionen själv. Eftersom kraften i anläggningen ges av förhållandet mellan flodens flöde och ojämnheter i terrängen, om terrängen har låg ojämnhet, måste en större mängd vatten lagras, vilket innebär ett omfattande reservoarområde.
Förändringar i flodens hydrauliska geometri
Floder tenderar att ha en dynamisk balans mellan utsläpp, genomsnittlig vattenhastighet, sedimentbelastning och sängmorfologi. Konstruktionen av reservoarer påverkar denna balans och orsakar följaktligen förändringar i hydrologisk och sedimentär ordning, inte bara på dammplatsen utan också i det omgivande området och i sängen nedanför dammen.
Nominell kapacitet x faktisk producerad kvantitet
En annan fråga som ska tas upp är att det finns en skillnad mellan den nominella installerade kapaciteten och den faktiska mängden elektrisk energi som produceras av anläggningen. Mängden producerad energi beror på floden.
Således är det värdelöst att installera ett system med potential att producera mer energi än flödet i floden kan ge, vilket inträffade i fallet med vattenkraftverket i Balbina, installerat på floden Uatumã.
Anläggningens fasta kraft
En annan viktig punkt att ta hänsyn till är konceptet med anläggningens kraft. Enligt Aneel är anläggningens starka kraft den maximala kontinuerliga energiproduktionen som kan erhållas, med tanke på den torraste sekvensen som registrerats i flödeshistoriken för floden där den är installerad som bas. Denna fråga tenderar att bli alltmer central inför allt mer frekventa och svåra torkperioder.
Vattenkraft i Brasilien
Brasilien är det land som har den största vattenkraftpotentialen i världen. Så att 70% av det koncentreras till bassängerna i Amazonas och Tocantins / Araguaia. Den första stora brasilianska vattenkraftverket som byggdes var Paulo Afonso I, 1949, i Bahia, med en effekt motsvarande 180 MW. För närvarande är Paulo Afonso I en del av Paulo Afonso vattenkomplex, som består av totalt fyra anläggningar.
Balbina
Balbina vattenkraftverk byggdes vid floden Uatumã i Amazonas. Balbina byggdes för att tillgodose Manaus energibehov. Prognosen gällde installation av 250 MW kapacitet, genom fem generatorer, med effekt på 50 MW vardera. Flödet av Uatumã-floden ger dock en mycket lägre genomsnittlig årlig energiproduktion, någonstans runt 112,2 MW, varav endast 64 MW kan betraktas som fast kraft. Med tanke på att det finns en ungefärlig förlust på 2,5% under överföringen av el från anläggningen till konsumentcentret, endast 109,4 MW (62,4 MW i fast effekt). Värde långt under den nominella kapaciteten på 250 MW.
Itaipu
Vattenkraftverket Itaipu anses vara den näst största anläggningen i världen, med 14 tusen MW installerad kapacitet, och näst bara Três Gorges, i Kina med 18,2 tusen MW. Byggd vid floden Paraná och belägen vid gränsen mellan Brasilien och Paraguay, är det en binational anläggning, eftersom den tillhör båda länderna. Den energi som genereras av Itaipu som levererar Brasilien motsvarar hälften av dess totala effekt (7 tusen MW) vilket motsvarar 16,8% av den energi som förbrukas i Brasilien, och den andra halvan av kraften används av Paraguay och motsvarar 75% Paraguays energiförbrukning.
Tucuruí
Anläggningen Tucuruí byggdes vid floden Tocantins i Pará och har en installerad kapacitet motsvarande 8 370 MW.
Belo Monte
Vattenkraftverket Belo Monte, som ligger i kommunen Altamira, sydväst om Pará och invigdes av president Dilma Roussef, byggdes på floden Xingu. Anläggningen är den största vattenkraftverket 100% nationell och den tredje största i världen. Med en installerad kapacitet på 11233,1 Megawatt (MW). Detta innebär tillräcklig belastning för att tjäna 60 miljoner människor i 17 stater, vilket motsvarar cirka 40% av bostadsförbrukningen över hela landet. Motsvarande installerad produktionskapacitet är 11 000 MW, det vill säga den största anläggningen med installerad kraft landet och tar platsen för Tucuruí-anläggningen som den största nationella anläggningen för 100%. Belo Monte är också den tredje största vattenkraftverket i världen, bakom Três Gargantas respektive Itaipu.
Många frågor kretsar kring byggandet av Belo Monte-anläggningen. Trots att den installerade effekten på 11 tusen MW, enligt miljöministeriet, motsvarar anläggningens fasta kraft 4,5 miljoner MW, det vill säga bara 40% av den totala effekten. Eftersom det är byggt i en Amazon-region har Belo Monte potential att avge stora koncentrationer av metan och koldioxid. Allt detta utan att räkna med den stora påverkan på traditionella befolkningars liv och den stora påverkan på fauna och flora. En annan faktor är att dess konstruktion främst gynnar företag, inte befolkningen. Cirka 80% av elen är avsedd för företag i centrum-syd i landet.
Tillämplighet
Trots de nämnda negativa miljökonsekvenserna har vattenkraft fördelar jämfört med icke-förnybara energikällor som fossila bränslen. Trots att de bidrar till utsläppen av metan och svaveldioxid släpper eller släpper inte vattenkraftverk ut andra typer av giftiga gaser, som de som andas ut av termoelektriska anläggningar - mycket skadliga för miljön och människors hälsa.
Nackdelarna med vattenkraftverk jämfört med andra förnybara energikällor som solenergi och vindkraft, som har minskat miljöpåverkan jämfört med de effekter som orsakas av vattenkraftverk, är dock tydligare. Problemet är fortfarande livskraften hos ny teknik. Ett alternativ för att minska effekterna i samband med produktion av vattenkraft är byggandet av små vattenkraftverk som inte kräver byggandet av stora reservoarer.
- Vad är solenergi, fördelar och nackdelar
- Vad är vindenergi?
Dessutom har dammar en livslängd på cirka 30 år, vilket ifrågasätter deras långsiktiga livskraft.
Studien "Sustainable hydropower in the 21st century", utförd av Michigan State University, uppmärksammar det faktum att stora vattenkraftsdammar kan bli en ännu mindre hållbar energikälla inför klimatförändringarna.
Det är nödvändigt att ta hänsyn till de verkliga kostnaderna för vattenkraft, inte bara ekonomiska kostnader och infrastrukturkostnader utan också sociala, miljömässiga och kulturella kostnader.
