HCOIE osnove HIDROELEKTRANA

HRVATSKI CENTAR OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE


HIDROELEKTRANE
Energija vodenih tokova potječe od nekoliko izvora. Sunčeva je energija uzrok kretanja vode u prirodi, što daje energiju vodotokova (rijeka i potoka) i valova, koja se stoljećima koristila za dobivanje mehaničkog rada u vodenicama, a danas se najćešće koristi za dobivanje električne energije u hidroelektranama raznih izvedbi. Za razliku od toga, morske mijene, koje se mogu iskorištavati u hidroelektranama smještenim na prikladnim mjestima, potječu od gravitacijskih sila planeta

Pod pojmom energije vodenih tokova , odnosno jednostavnije hidroenergije , (eng. water power, njem. Wasserkraft) obuhvaćene su sve mogućnosti za dobivanje energije iz strujanja vode u prirodi:
◦iz kopnenih vodotokova (rijeka, potoka, kanala i sl)
◦iz morskih mijena: plime i oseke
◦iz morskih valova.

Kopneni vodotokovi potječu od kruženja vode u prirodi pa njihova energija, zapravo, potječe od Sunčeve. Morski valovi, barem oni koji su uzrokovani vremenskim prilikama zbog čega su prilično pravilni i mogu se iskorištavati, također potječu od Sunčeve energije. Osim njih, postoje još i valovi koji nastaju zbog djelovanja Zemljine kore, primjerice vulkana ili potresa, ali zbog stohastičke prirode i redovito razornog djelovanja nisu prikladni za korištenje. Za razliku od njih, energija morskih mijena potječe od gravitacijskog djelovanja nebeskih tijela, točnije od međudjelovanja Mjeseca i Zemlje.

Prva povijesno zabilježena primjena energija kopnenih vodotokova za dobivanje mehaničkog rada potječe iz 500. godine prije Krista, iako su se vodeni tokovi za promet koristili i mnogo ranije. Snaga protjecanja vode koristila se za dobivanje mehaničkog rada u vodenicama koje su pokretale mlinove, pre?e, kovačnice, pilane i razne druge pogone, a od posljednjih desetljeća 19. stoljeća koristi se i za dobivanje električne energije. Prva hidroelektrana na svijetu izgrađena je 1876. godine u Bavarskoj i služila je za opskrbu obližnjeg velika?kog dvorca električnom energijom.

Energija morskih mijena prikladna je za iskorištavanje samo tamo gdje postoje velike razlike razine mora u vrijeme plime i oseke, što je uglavnom slučaj na obalama oceana. Primjerice, na obalama Normandije (zapadna Francuska) ta razlika iznosi čak 10 m. Ipak, primjena energije morskih mijena zabilježena je još u srednjem vijeku, u brojnim mlinovima na engleskim, francuskim i španjolskim obalama Atlanskog oceana. U blizini jednog takvog mlina na ušću rijeke La Rance u Francuskoj je 1966. godine podignuta prva hidroelektrana na plimu i oseku na svijetu.

Energija morskih valova se sve do posljednjih desetljeća dvadesetoga stoljeća nije koristila za dobivanje energije (osim za promet, naravno), a danas ih u svijetu (najviše Japanu, Norveškoj i Velikoj Britaniji) ima već nekoliko. Neke od njih su po svojoj izvedbi, zapravo, vjetroelektrane jer u njima pod utjecajem valova u posebno izvedenim kanalima dolazi do velikog strujanja zraka koje pokreće vjetroturbinu.

Kada se govori o energiji kopnenih vodotokova u smislu obnovljivih izvora uglavnom se podrazumijevaju samo hidroelektrane malih učina (do 5, odnosno do 10 MW), a ne i sve hidroelektrane (čiji se učin kreće čak do 12,6 GW - HE Itaipu na rijeci Parani u Južnoj Americi). Osnovni je razlog tome pojam ‘održivosti', odnosno ostvarenja najmanjeg mogućeg utjecaja na okoliš, što je usko povezano s pojmom obnovljivih izvora. Kod velikih je hidroelektrana utjecaj na okoliš vrlo velik jer redovito dolazi do značajnih promjena krajolika zbog potapanja čitavih dolina pa i naselja (najnoviji je primjer projekt Tri doline u Kini), velikih emisija metana (od truljenja potopljenih biljaka), lokalnih promjena klime zbog velikih količina vode itd. Za razliku od toga, utjecaj na okoliš malih hidroelektrana je bitno manji jer se nerijetko mogu dobro uklopiti u krajolik (npr. iskorištavanjem postojećih hidroenergetskih sustava, napuštenih mlinova i sl), mala je potrošnja energije za njihovu izgradnju (kumulativna emisija), cijeli sustav nije velik itd.


HIDROELEKTRANE
Hidroelektrane (HE, eng. hydro power plants, njem. Wasserkraftwerke) su postrojenja u kojima se potencijalna energija vode najprije pretvara u kinetičku energiju njezinog strujanja,a potom u mehaničku energiju vrtnje vratila turbine te, konačno, u električnu energiju u generatoru. Hidroelektranu u širem smislu čine i sve građevine i postrojenja koje služe za prikupljanje (akumuliranje), dovođenje i odvođenje vode (brana, zahvati, dovodni i odvodni kanali, cjevovodi itd), pretvorbu energije (turbine, generatori), transformaciju i razvod električne energije (rasklopna postrojenja, dalekovodi) te za smještaj i upravljanje cijelim sustavom (strojarnica i sl).

Hidroelektrane se mogu podijeliti prema njihovom smještaju, padu vodotoka, načinu korištenja vode, volumenu akumulacijskog bazena, smještaju strojarnice, ulozi u elektroenergetskom sustavu, snazi itd.

Prema smještaju samih postrojenja, odnosno prema vodenom toku čiju energiju iskorištavaju, hidroelektrane mogu biti:
◦"klasične", na kopnenim vodotokovima: rijekama, potocima, kanalima i sl.
◦na morske valove
◦na morske mijene: plimu i oseku.

Prema padu vodotoka, odnosno visinskoj razlici između zahvata i ispusta vode (klasične) hidroelektrane se mogu podijeliti na:
◦niskotlačne, s padom do 25 m
◦srednjotlačne, s padom između 25 i 200 m
◦visokotlačne, s padom većim od 200 m.

Prema načinu korištenja vode, odnosno regulacije protoka hidroelektrane se dijele na:
◦protočne, kod kojih se snaga vode se iskorištava kako ona dotječe
◦akumulacijske, kod kojih se dio vode prikuplja (akumulira) kako bi se mogao koristiti kada je potrebnije
◦crpno-akumulacijske ili reverzibilne, kod kojih se dio vode koji nije potreban pomoću viška struje u sustavu crpi na veću visinu, odakle se pušta kada je potrebnije.

Prema načinu punjenja, odnosno veličini akumulacijskog bazena hidroelektrane mogu biti:
◦s dnevnom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni po noći, a prazni po danu
◦sa sezonskom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni tijekom kišnog, a prazni tijekom sušnog razdoblja godine
◦s godišnjom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni tijekom kišnih, a prazni tijekom sušnih godina.

Prema udaljenosti strojarnice od brane hidroektrane se dijele na:
◦pribranske, čija je strojarnica smještena neposredno uz branu, najčešće podno nje
◦derivacijske, čija je strojarnica smještena podalje od brane.

Prema smještaju strojarnice hidroektrane se dijele na:
◦nadzemne, kod kojih je strojarnica smještena iznad razine tla
◦podzemne, kod kojih je strojarnica smještena ispod razine tla.

Prema njihovoj ulozi u elektroenergetskom sustavu hidroelektrane se mogu podijeliti na:
◦temeljne, koje rade cijelo vrijeme ili većinu vremena
◦vršne, koje se uključuju kada se za to pokaže potreba, npr. za pokrivanje vršne potrošnje.

Prema instaliranoj snazi (učinu) hidroelektrane mogu biti:
◦velike
◦male.

Razlika između velikih i malih hidroelektrana, odnosno donji i gornji granični iznosi snage u cijelom svijetu pri tome nisu jednoznačno određeni pa se, na primjer, mogu kretati od 5 kW (u Kini) do 30 MW (SAD-u), dok se kod nas malom smatra HE snage između 50 i 5000 kW. Također valja reći da u nekim zemljama postoji i dodatna podjela hidroelektrana malih snaga na mikro, mini i male hidroelektrane.



Svi dijelovi koji su pri tome u neposrednom doticaju s vodom, odnosno služe za njezino prikupljanje, dovođenje i odvođenje te pretvorbu njezine energije nazivaju se zajediničkim imenom hidrotehnički sustav.

Brana ili pregrada (eng. dam, njem. Sperre) osnovni je dio hidrotehničkog sustava pa i cijelog postrojenja HE (nerijetko se cijelo hidroenergetsko postrojenje jednostavno naziva ‘branom') i ima trostruku ulogu:
◦skretanje vode s prirodnog toka prema zahvatu
◦povišenje razine vode kako bi se povećao pad
◦ostvarenje akumulacije.

S obzirom na visinu, brane mogu biti visoke i niske, a s obzirom na izradu masivne (npr. betonske) ili nasute (npr. zemljane, kamene). Niske se brane nazivaju i pragovima, što je čest slučaj kod malih vodotokova, odnosno kod malih hidroelektrana. Zahvat vode prima i usmjerava vodu zadržanu u akumulaciji prema dovodu, odnosno turbini. Može se izvesti na površini vode ili ispod nje. Kada je pregrada niska i razina vode gotovo konstantna izvodi se na površini, dok se ispod površine i to na najnižoj mogućoj razini izvodi u slučaju kada se razina vode tijekom godine značajno mijenja. Prolaz vode kroz zahvat se regulira zapornicama.

Dovod vode je dio hidrotehničkog sustava koji spaja zahvat s vodostanom, odnosno s vodenom komorom. Ovisno o izgledu okolnog tla i pogonskim zahtjevima, može biti:
◦otvoren (kanal)
◦zatvoren (tunel), koji može biti gravitacijski ili tlačni.

Gravitacijski tunel nije posve ispunjen vodom pa za promjenu protoka vode valja regulirati zahvat, dok kod tlačnog tunela voda ispunjava cijeli poprečni presjek i za promjenu protoka ne treba utjecati na zahvat. S gledišta elastičnosti pogona (mogućnosti odgovaranja na promjene u elektroenergetskom sustavu) tlačni su kanali povoljniji jer bolje mogu pratiti promjenu opterećenja.

Vodostan ili vodena komora predstavlja zadnji dio dovoda, a služi za odgovaranje na promjene opterećenja. Kada je dovod izveden kao gravitacijski tunel, mora imati odgovarajući volumen kako se u njemu mogle pohraniti veće količine vode, a kada je tunel tlačni, njegove dimenzije moraju biti takve da tlak u dovodu ne poraste preko dopuštene granice ili da razina vode ne padne ispod visine ulaza u tlačni cjevovod.

Tlačni cjevovod dovodi vodu od vodostana do turbina. Izrađuje se o čelika ili betona (kod manjih padova), a prema smještaju može biti na površini ili u tunelu. Na ulazu u njega obvezno se nalazi zaporni organ kojim se sprječava daljnje protjecanje vode u slučaju pucanja cijevi. Ispred glavnog zapornog organa redovito se postavlja i pomoćni, koji omogućava bilo kakve radove na glavnom bez potrebe za pražnjenjem sustava. Obilazni cjevovod je smješten na početku tlačnog i služi za njegovo postupno punjenje te za izjednačavanje tlaka ispred i iza zapornog organa.

Vodene turbine ili hidroturbine predstavljaju središnji dio sustava jer služe za pretvaranje kinetičke energije strujanja vode u mehaničku energiju vrtnje vratila turbine, odnosno generatora. Ovisno o načinu prijenosa energije vodotoka na njih turbine mogu biti:
◦impulsne
◦reakcijske koje mogu biti radijalne i aksijalne.

Turbine se često dijele i prema izvedbi, u pravilu prema imenu konstruktora ili proizvođača pa postoje Francisove, Peltonove, Kaplanove, Bankijeve, Ossbergerove itd.

Sustav zaštite od hidrauličkog udara služi za sprječavanje povećanja tlaka preko dopuštene granice, odnosno vodenog (hidrauličkog) udara u tlačnom cjevovodu. Visina tlaka pri tome ovisi o vremenu potrebnom za zatvaranje zapora na dnu cjevovoda.

Generator je uređaj u kojem se mehanička energija vrtnje vratila pretvara u električnu. Može biti postavljen okomito (kod velikih hidroelektrana) ili vodoravno (kod manjih ili kada su dvije turbine spojene na jedan generator). Kod crpno-akumulacijskih hidroelektrana uz turbinu i generator se na istom vratilu nalazi i crpka pa generator može raditi i kao motor.

Strojarnica je građevina u kojoj su smještene turbine, vratila, generatori te svi ppotrebni upravljački i razni pomoćni uređaji. Može biti izgrađena na otvorenom, kao samostojeća zgrada ili ukopana, u tunelu.

Rasklopno postrojenje predstavlja vezu hidroelektrane i elektroenergetskog sustava. Izvodi se u neposrednoj blizini strojarnice, a tek iznimno (ako je to uvjetovano okolnim tlom) dalje od nje.

Odvod vode je završni dio hidrotehničkog sustava, a može biti izveden kao kanal ili kao tunel. Služi za vraćanje vode iskorištene u turbini natrag u korito vodotoka ili za dovod vode do zahvata sljedeće elektrane.

HRVATSKI CENTAR OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE ( HCOIE )