Pochopte, jak vodní elektrárna přeměňuje vodní energii na elektřinu, její výhody a nevýhody
Obrázek: Přehrada Itaipu, Paraguay / Brazílie od Mezinárodní hydroenergetické asociace (IHA) je licencována podle CC BY 2.0
Co je to hydraulická (hydroelektrická) energie?
Hydroelektrická energie je využití kinetické energie obsažené v toku vodních útvarů. Kinetická energie podporuje rotaci lopatek turbín, které tvoří systém vodní elektrárny, aby se později generátorem systému přeměnil na elektrickou energii.
Co je to vodní elektrárna (nebo vodní elektrárna)?
Vodní elektrárna je soubor prací a zařízení používaných k výrobě elektřiny z využití hydraulického potenciálu řeky. Hydraulický potenciál je dán hydraulickým tokem a koncentrací nerovností podél toku řeky. Nerovnosti mohou být přirozené (vodopády) nebo budovány ve formě přehrad nebo odkloněním řeky od jejího přirozeného koryta do nádrží. Existují dva typy nádrží: akumulační a nábřežní nádrže. Akumulační jsou obvykle vytvářeny na horních tocích řek, na místech, kde se vyskytují vysoké vodopády, a skládají se z velkých nádrží s velkou akumulací vody. Vodní nádrže využívají rychlosti vody řeky k výrobě elektřiny, čímž generují minimální nebo žádnou akumulaci vody.
Rostliny jsou zase klasifikovány podle následujících faktorů: výška vodopádu, průtok, instalovaný výkon nebo výkon, typ turbíny použité v systému, přehrada a nádrž. Staveniště udává výšku pádu a průtoku a tyto dva faktory určují instalovaný výkon nebo výkon vodní elektrárny. Instalovaný výkon určuje typ turbíny, přehrady a nádrže.
Podle zprávy Národní agentury pro elektrickou energii (Aneel) definuje Národní referenční středisko pro malé vodní elektrárny (Cerpch z Federální univerzity v Itajubá - Unifei) výšku vodopádu jako nízkou (až 15 metrů), střední ( 15 až 150 metrů) a vysoké (větší než 150 metrů). Tato opatření však nejsou konsensuální. Velikost elektrárny také určuje velikost distribuční sítě, která bude odebírat vyrobenou elektřinu spotřebitelům. Čím větší je rostlina, tím větší je tendence být daleko od městských center. To vyžaduje konstrukci velkých přenosových vedení, která často překračují stavy a způsobují energetické ztráty.
Jak funguje vodní elektrárna?
Pro výrobu vodní energie je nutné integrovat tok řeky, rozdíl v terénu (přirozeném či nikoli) a množství dostupné vody.
Systém vodní elektrárny se skládá z:
Přehrada
Účelem přehrady je přerušit přirozený cyklus řeky a vytvořit vodní nádrž. Přehrada má kromě skladování vody i další funkce, jako je vytváření vodní mezery, zachycování vody v dostatečném množství pro výrobu energie a regulace toku řek v období dešťů a sucha.
Systém přívodu vody (addukce)
Skládá se z tunelů, kanálů a kovových potrubí, které odvádějí vodu do elektrárny.
Powerhouse
V této části systému jsou turbíny připojeny k generátoru. Pohyb turbín převádí kinetickou energii pohybu vody na elektrickou energii generátory.
Existuje několik typů turbín, přičemž hlavní jsou pelton, kaplan, francis a bulb. Nejvhodnější turbína pro každou vodní elektrárnu závisí na výšce pádu a průtoku. Příklad: baňka se používá v běžných provozech, protože nevyžaduje existenci nádrží a je určena pro nízké pády a vysoké průtoky.
Únikový kanál
Po průchodu turbínami se voda vrací únikovým kanálem do přirozeného koryta řeky.
Únikový kanál se nachází mezi elektrárnou a řekou a její velikost závisí na velikosti elektrárny a řeky.
Přeliv
Přepad umožňuje únik vody, kdykoli hladina nádrže překročí doporučené limity. K tomu obvykle dochází v období dešťů.
Přepad se otevře, když je snížena výroba elektřiny, protože hladina vody je nad ideální úrovní; nebo aby nedošlo k přetečení a následnému zaplavení rostliny, což je možné ve velmi deštivých obdobích.
Sociálně-environmentální dopady způsobené implantací vodních elektráren
První vodní elektrárna byla postavena na konci 19. století na úseku Niagarských vodopádů mezi Spojenými státy a Kanadou, kdy uhlí bylo hlavním palivem a ropa ještě nebyla široce používána. Před tím byla hydraulická energie používána pouze jako mechanická energie.
Přestože je vodní energie obnovitelným zdrojem energie, zpráva Aneel zdůrazňuje, že její účast ve světové elektrické matrici je malá a stává se ještě menší. Rostoucí nezájem by byl výsledkem negativních externalit vyplývajících z realizace projektů této velikosti.
Negativním dopadem realizace velkých hydroelektrických projektů je změna způsobu života populací, které žijí v regionu nebo v okolí místa, kde bude rostlina implantována. Je také důležité si uvědomit, že těmito komunitami jsou často lidské skupiny identifikované jako tradiční populace (domorodé obyvatelstvo, quilomboly, amazonské nábřežní komunity a další), jejichž přežití závisí na využití zdrojů z místa, kde žijí, a které mají vazby na dané území kulturní řád.
Je vodní energie čistá?
Přestože je mnoho lidí považováno za zdroj „čisté“ energie, protože není spojeno se spalováním fosilních paliv, výroba vodní energie přispívá k emisím oxidu uhličitého a metanu, dvou plynů, které potenciálně způsobují globální oteplování.
Emise oxidu uhličitého (CO2) je způsobena rozkladem stromů, které zůstávají nad hladinou vody v nádržích, a k uvolňování metanu (CH4) dochází rozkladem organických látek přítomných na dně nádrže. Jak se zvyšuje vodní sloupec, zvyšuje se také koncentrace methanu (CH4). Když voda dosáhne turbíny rostliny, rozdíl v tlaku způsobí uvolnění metanu do atmosféry. Metan se také uvolňuje do vodní cesty přepadem rostliny, když se kromě změny tlaku a teploty voda stříká po kapkách.
CO2 se uvolňuje rozkladem odumřelých stromů nad vodou. Na rozdíl od metanu je pouze část emitovaného CO2 považována za nárazovou, protože velká část CO2 je zrušena pomocí absorpcí, ke kterým dochází v zásobníku. Jelikož metan není zabudován do fotosyntetických procesů (i když se může pomalu přeměňovat na oxid uhličitý), je v tomto případě považován za dopad na skleníkový efekt.
Projekt Balcar (emise skleníkových plynů v zásobnících vodních elektráren) byl vytvořen za účelem zkoumání příspěvku umělých zásobníků k zesílení skleníkového efektu prostřednictvím emise oxidu uhličitého a metanu. První studie projektu byly provedeny v 90. letech v nádržích v oblasti Amazonie: Balbina, Tucuruí a Samuel. Oblast Amazonie byla zaměřena na studii, protože je charakterizována masivním vegetačním krytem, a tedy i větším potenciálem pro emise plynů rozkladem organické hmoty. Na konci 90. let se do projektu zapojili také Miranda, Três Marias, Segredo, Xingo a Barra Bonita.
Podle článku, který Dr. Philip M. Fearnside z Amazonského výzkumného ústavu publikoval o emisích plynů v Tucuruí Plant, se v roce 1990 emise skleníkových plynů (CO2 a CH4) rostliny lišily mezi 7 milionů a 10 milionů tun v tomto roce. Autor provádí srovnání s městem São Paulo, které ve stejném roce emitovalo 53 milionů tun CO2 z fosilních paliv. Jinými slovy, pouze Tucuruí by byl zodpovědný za emise ve výši 13% až 18% emisí skleníkových plynů ve městě São Paulo, což je významná hodnota pro energetický zdroj, který je dlouhodobě považován za „bezemisní“. Věřilo se, že v průběhu času dojde k úplnému rozkladu organické hmoty a v důsledku toho přestane tyto plyny emitovat. Nicméně,studie skupiny Balcar ukázaly, že proces výroby plynu je napájen příchodem nových organických materiálů, které přinesly řeky a déšť.
Ztráta rostlinných a živočišných druhů
Zejména v oblasti Amazonie, která má vysokou biologickou rozmanitost, dochází k nevyhnutelnému odumírání organismů z flóry místa, kde se nádrž tvoří. Pokud jde o zvířata, i když je provedeno důkladné plánování ve snaze odstranit organismy, nelze zaručit, že budou zachráněny všechny organismy, které tvoří ekosystém. Přehrada navíc ukládá změny v okolních stanovištích.
Ztráta půdy
Půda v zatopené oblasti se stane nepoužitelnou pro jiné účely. To se stává ústředním problémem, zejména v převážně plochých oblastech, jako je například samotná oblast Amazonie. Jelikož síla elektrárny je dána vztahem mezi tokem řeky a nerovností terénu, je-li v terénu malá nerovnost, musí být uloženo větší množství vody, což znamená rozsáhlou oblast nádrže.
Změny v hydraulické geometrii řeky
Řeky mají tendenci mít dynamickou rovnováhu mezi vypouštěním, průměrnou rychlostí vody, zatížením sedimentu a morfologií dna. Stavba nádrží ovlivňuje tuto rovnováhu a následně způsobuje změny v hydrologickém a sedimentárním řádu, a to nejen v místě přehrady, ale také v jejím okolí a v korytě pod přehradou.
Jmenovitá kapacita x skutečné vyrobené množství
Dalším problémem, který je třeba nastolit, je rozdíl mezi nominálním instalovaným výkonem a skutečným množstvím elektrické energie vyrobené zařízením. Množství vyrobené energie závisí na toku řeky.
Je tedy zbytečné instalovat systém s potenciálem produkovat více energie, než kolik může poskytnout tok řeky, jak tomu bylo v případě vodní elektrárny Balbina instalované na řece Uatumã.
Pevná síla závodu
Dalším důležitým bodem, který je třeba vzít v úvahu, je koncept pevné síly závodu. Podle společnosti Aneel je pevná síla elektrárny maximální nepřetržitá výroba energie, kterou lze získat, s ohledem na nejsušší sekvenci zaznamenanou v historii toku řeky, ve které je instalována jako základna. Tato otázka má tendenci být stále více ústřední tváří v tvář stále častějším a těžkým obdobím sucha.
Vodní energie v Brazílii
Brazílie je zemí, která má největší hydroelektrický potenciál na světě. Takže 70% z toho je soustředěno v povodích Amazonas a Tocantins / Araguaia. První velkou brazilskou vodní elektrárnou, která měla být postavena, byl Paulo Afonso I v roce 1949 v Bahii o výkonu ekvivalentním 180 MW. V současné době je Paulo Afonso I součástí hydroelektrického komplexu Paulo Afonso, který zahrnuje celkem čtyři elektrárny.
Balbina
Vodní elektrárna Balbina byla postavena na řece Uatumã v Amazonas. Společnost Balbina byla postavena tak, aby zásobovala Manausovu poptávku po energii. Předpovídala se instalace kapacity 250 MW prostřednictvím pěti generátorů o výkonu 50 MW. Tok řeky Uatumã však poskytuje mnohem nižší průměrnou roční produkci energie, někde kolem 112,2 MW, z čehož pouze 64 MW lze považovat za pevnou energii. Vzhledem k tomu, že při přenosu elektřiny ze závodu do spotřebitelského centra došlo k přibližné ztrátě 2,5%, pouze 109,4 MW (pevná síla 62,4 MW). Hodnota hluboko pod nominální kapacitou 250 MW.
Itaipu
Vodní elektrárna Itaipu je považována za druhou největší elektrárnu na světě s instalovaným výkonem 14 tis. MW a druhou za soutěskami Três Gorges v Číně s 18,2 tis. MW. Postaven na řece Paraná a umístěný na hranici mezi Brazílií a Paraguayem, je to dvojnárodní závod, protože patří oběma zemím. Energie vyrobená společností Itaipu, která dodává Brazílii, odpovídá polovině jejího celkového výkonu (7 tisíc MW), což odpovídá 16,8% energie spotřebované v Brazílii, a druhou polovinu energie využívá Paraguay a odpovídá 75% Paraguayská spotřeba energie.
Tucuruí
Závod Tucuruí byl postaven na řece Tocantins v Pará a má instalovaný výkon ekvivalentní 8 370 MW.
Belo Monte
Vodní elektrárna Belo Monte, která se nachází v obci Altamira, jihozápadně od Pará a byla slavnostně otevřena prezidentkou Dilmou Roussefovou, byla postavena na řece Xingu. Závod je největší vodní elektrárnou, která je stoprocentně národní, a třetí největší na světě. S instalovaným výkonem 11 233,1 megawattů (MW). To znamená dostatečnou zátěž pro 60 milionů lidí v 17 státech, což představuje přibližně 40% domácí spotřeby v celé zemi. Ekvivalentní instalovaná výrobní kapacita je 11 000 MW, tedy největší závod v instalovaném výkonu. země, kde místo závodu Tucuruí zaujímá největší 100% národní závod. Belo Monte je také třetí největší vodní elektrárnou na světě za soutěskami Três Gorges a Itaipu.
Mnoho otázek se točí kolem výstavby závodu Belo Monte. Přestože se jedná o instalovaný výkon 11 tis. MW, podle MŽP odpovídá pevný výkon elektrárny 4,5 tis. MW, tj. Pouze 40% z celkového výkonu. Protože je postaven v amazonské oblasti, má Belo Monte potenciál emitovat velké koncentrace metanu a oxidu uhličitého. To vše bez započítání velkého dopadu na život tradičních populací a velkého dopadu na faunu a flóru. Dalším faktorem je, že z jeho výstavby mají prospěch převážně společnosti, nikoli obyvatelstvo. Přibližně 80% elektřiny je určeno pro společnosti v oblasti Střed-Jih země.
Použitelnost
Přes zmíněné negativní socioenvironmentální dopady má vodní energie výhody ve srovnání s neobnovitelnými zdroji energie, jako jsou fosilní paliva. I přes to, že přispívají k emisím metanu a oxidu siřičitého, vodní elektrárny nevypouštějí ani neuvolňují jiné druhy toxických plynů, například ty, které vydechují termoelektrické elektrárny - velmi škodlivé pro životní prostředí a lidské zdraví.
Nevýhody vodní přehrady ve srovnání s jinými obnovitelnými zdroji energie, jako je solární a větrná energie, které však snížily dopady na životní prostředí ve srovnání s dopady přehrad, jsou zjevnější. Problémem stále zůstává životaschopnost nových technologií. Alternativou ke snížení dopadů souvisejících s výrobou vodní energie je výstavba malých vodních elektráren, které nevyžadují výstavbu velkých vodních nádrží.
- Co je sluneční energie, výhody a nevýhody
- Co je to větrná energie?
Přehrady mají navíc životnost přibližně 30 let, což zpochybňuje jejich dlouhodobou životaschopnost.
Studie „Udržitelná vodní energie ve 21. století“, kterou provedla Michiganská státní univerzita, upozorňuje na skutečnost, že velké vodní přehrady by se mohly tváří v tvář změně klimatu stát ještě méně udržitelným zdrojem energie.
Je třeba vzít v úvahu skutečné náklady na vodní energii, nejen ekonomické a infrastrukturní náklady, ale také sociální, environmentální a kulturní náklady.
