Hidroenergija

Vodenica u Nemačkoj, Argenštajn

Hidroelektrana Jaruga je među najstarijim hidroelektranama na svijetu. Sagrađena je ispod slapa Skradinskog buka na jeci Krki (danas unutar Nacionalnog parka Krka).

Vodeničko kolo gde voda teče ispod drvenog točka.

Brana plimne hidroelektrana La Rans.

Pogled na branu Hidroelektrane Tri klanca u septembru 2009.

Preliv brane Itaipu u radu.

Dva od tri zglobna plutajuća prigušnika Pelamis P-750, koji su primer korištenja energije talasa.

Mala hidroelektrana Ozalj.

Hidroenergija je energija koja potiče od snage vode (hydro), pa otuda i njen naziv. Predstavlja konvencionalan obnovljivi izvor energije, koji se vekovima koristi za dobijanje mehaničke, a već duže od sto godina i električne energije. Pre nego što je komercijalna električna energija postala široko dostupna, energija vode se koristila za navodnjavanje i pogon raznih mašina, poput vodenica, mašina u tekstilnoj industriji, pilana, lučkih dizalica ili dizala. Od početka 20. veka, termin se koristi većinom u spoju s modernim razvojem hidroelektrične energije, što je omogućilo korišćenje udaljenih izvora energije.

Druga metoda je koristila kompresor, koji bi komprimovao vazduh pomoću mlaza vode, a čija bi se energija zatim mogla koristiti za pogon mašina udaljenih od vode. Hidroenergija je obnovljivi izvor energije. Energija vode se očituje u hidrologiji, kao snaga vode u rečnom koritu. Kada reka nabuja, ona je tada najsnažnija i pokreće najveću količinu sedimenta.

Istorija

U starim vodenicama za mlevenje brašna, energija vode koja se kreće je prenošena na vodeničko kolo, koje se okretalo i preko osovine prenosilo kretanje na mlinski kamen, koji je drobio zrnevlje u brašno. Sličan direktan mehanički prenos je korišten za pilane i razne druge potrebe. Prednost direktnih metoda je bila jednostavnost, pouzdanost i praktično „besplatna“ energija uz vrlo malo primetnog uticaja na okolinu.

Posle otkrića električnog generatora u 19. veku, počele su da se grade sve veće hidroelektrane, gdje se mehanička energija vode pretvara u električnu u generatoru. Jedna od prvih koja je proizvodila naizmeničnu struju, sa učešćem Nikole Tesle, je podignuta na Nijagarinim vodopadima, SAD i Kanada. Prednost ovoga je da se energija preko žica može preneti na velike udaljenosti. Ranije fabrike su često morale da budu na obalama reka da iskoriste direktnu hidroenergiju, pogotovo prije otkrića parne mašine. Parne mašine međutim nisu bile pogodne za male potrošače, pa je tek pojava jeftinog elektriciteta iz hidroelektrana rešila taj problem.

Hidroelektrana-šema: A-rezervoar, B-zgrada, C-turbina, D-generator, E-ulaz vode, F-cev za vodu, G-visokonaponske linije, H-reka

Vodenice i mlinovi

Energija vode se koristi već stotinama godina. U drevnoj 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 talasa ispuštenog iz spremnika koristila se za izdvajanje metalne rude u starom rudarskom procesu. Taj se proces široko koristio u Britaniji, u srednjem veku. Koristio se za dobivanje olova i kalaja, a kasnije se iz njega razvilo hidraulično rudarenje koje je bilo u upotrebi tokom kalifornijske potere za zlatom.

U Kini i ostatku Dalekog istoka zahvaljujući energiji vode koristile su se pumpe zasnovane na principu točka sa spremnicima za podizanje vode u kanale za navodnjavanje. Tokom 1830-ih godina, na vrhuncu perioda izgradnje kanala, energija vode se koristila za prevoz teglenica uz, kao i niz strme padine pomoću koloseka s nakošenom ravni. Direktni prenos snage zahtevao je da delatnosti koje su koristile energiju vode budu smeštene blizu vodopada. Na primer, tokom druge polovine 19. veka izgrađeni su mnogi mlinovi za žito kraj slapova Sv. Antuna, koji su koristili 15-metarski vodopad do reke Misisipi. Ti su mlinovi doprineli razvoju Mineapolisa.

Hidrauličke cevi

Sistemi hidrauličkih mreža takođe su postojali. Sastojali su se od cevi u kojima se nalazila tečnost pod pritiskom, koja bi prenosila energiju od izvora, na primer pumpe, do krajnjih korisnika. Ovakve su mreže bile vrlo raširene u viktorijanskim gradovima Ujedinjenog Kraljevstva.

Komprimovani vazduh pomoću hidroenergije

Na mestima sa puno vode može se direktno generisati komprimovani vazduh, bez pokretnih delova. U tim izvedbama, padajući stub vode namerno je pomešan s mehurićima vazduha koji su nastali turbulencijom na višim nivoima usisa. Ta smesa pada niz cev u duboku podzemnu komoru gde je turbulencija manja te se mehurići vazduha odvajaju i isplovljavaju na površinu. Visina vodenog stuba sprečava komprimovanom vazduhu da pobegne iz komore, dok izlaz, koji se nalazi ispod nivoa vode dopušta vodi da se vraća na površinu na nižem nivou od usisa. Objekt na ovom principu izgrađen je na reci Montreal u blizini Kobalta, u državi Ontario u 1910. i isporučuje 5000 konjskih snaga do obližnjih rudnika.

Uticaj u prirodi

U hidrologiji se energija vode manifestuje kroz delovanje sile na korito i obale reka usled kretanja vode. Ta je pojava posebno izražena u slučaju visokog vodostaja ili poplave. Snaga vode deluje na korito i obale reke, odnoseći s njih talog i ostale materijale, što uzrokuje eroziju i ostale promene u rečnom toku.

Savremena upotreba

Trenutno je u upotrebi ili razvoju više oblika korištenja energije vode. Neki oblici su isključivo mehanički, a većina je okrenuta pretvaranju energije vode u električnu energiju. Među širim područjima su:

• Vodenice, koje se koriste već vekovima za pogon mlinova i ostalih mašina;
• Električna energija dobijena iz vode; što se uobičajeno odnosi na vodene brane ili postave uz reke (npr. vodenice čiji se pogon temelji na hidraulici);
• Energija vodenih tokova, koja se dobija iz energije kretanja (kinetičke energije) reka, potoka i okeana;
• Vrtložna energija, koja se dobija iz vrtloga;
• Energija plime i oseke;
• Energija dobijena iz protoka uzrokovanih plimnim menama;
• Energija talasa;
• Osmotska energija, odnosno energija gradijenta saliniteta, pomoću koje se energija dobiva iz razlike u koncentraciji soli između morske i rečne vode;
• Energija morskih struja;
• Energija dobijena iz razlike temperature okeana na različitim dubinama.

Hidroenergetska energija je danas izvor 715.000 MW, odnosno 19% električne energije proizvedene u svetu. Velike brane se još uvek projektuju. Trenutno najveća hidroelektrana na svetu, Hidroelektrana Tri klisure, izgrađena je u Kini, na reci Jangce. Osim u nekolicini zemalja koje imaju energije vode dovoljne za pokrivanje većine potreba za električnom energijom, hidroelektrane uobičajeno pokrivaju vršne potrebe za električnom energijom zahvaljujući mogućnosti brzog puštanja u pogon. Takođe, hidropotencijal se može koristiti kao veliki spremnik jeftine energije ukoliko se pri suvišnoj proizvodnji hidrogenerator koristi kao pumpa (reverzibilne hidroelektrane).

Hidroenergija u osnovi ne stvara emisiju ugljen-dioksida CO₂ ni ostale štetne materije, za razliku od izgaranja fosilnih goriva, te stoga nije značajni činilac globalnog zagrevanja usled štetnih emisija CO₂. Energija dobijena iz hidroelektrana može biti znatno jeftinija od energije dobijene iz fosilnih goriva ili nuklearne energije. Područja s obiljem hidropotencijala privlače industriju. Međutim, briga za životnu sredinu može biti prepreka razvoju hidroenergetike.

Glavna prednost hidroelektrana je njihova sposobnost da pokriju sezonsku i dnevnu vršnu potražnju za električnom energijom. Kada se smanji potražnja, brana jednostavno zadržava više vode, koja onda daje snažniji tok. Neke hidrocentrale koriste brane za čuvanje viška energije (često tokom 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 komplikuje zbog potreba za navodnjavanjem, koje se mogu javiti istovremeno kad i vršna električna opterećenja. Ne zahtevaju sve hidroelektrane branu: neke koriste protok samo dela toka reke, što je karakteristika manjih hidroelektrana. Primer tehnologije u razvoju je tehnologija zasnovana na Gorlovljevoj helikoidnoj turbini.

Energija plime i oseke

Glavni članak: Elektrane na plimu i oseku

Iskorištavanje energije plime i oseke u zalivu ili estuariju postoji u Francuskoj (od 1966), u Kanadi i Rusiji, a moglo bi se proširiti i na ostale lokacije gde se javlja velika promena nivoa mora u vreme plime i oseke. „Zarobljena” voda propušta se kroz plimnu branu u oba smera i pokreće turbine. Ovakvi sistemi efikasno generišu električnu energiju u kratkim ciklusima svakih 6 sati (prilikom svake mene). Ovo ograničava primenu energije plime i oseke: ova je energija vrlo predvidljiva, ali ne može zadovoljiti brzo menjajuće potrebe.

Energija strujanja plime i oseke

Glavni članak: Plimne turbine

Reč je o relativno novoj tehnologiji koja energiju crpi iz strujanja vode koje se stvara pri morskim menama. Princip rada je sličan onome kod vetrogeneratora. Što je veća gustina vode, generator može proizvesti veću snagu. Ova je tehnologija u ranom stadiju razvoja i zahteva još istraživanja pre nego što postane značajniji učesnik u opskrbi električnom energijom, ali neki prototipi već daju obećavajuće rezultate.

Energija morskih talasa

Glavni članak: Elektrane na talase

Iskorištavanje površinskih okeanskih talasa 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 talasa gradi se u Port Kemblu u Australiji i očekuje se da bi mogao proizvesti energiju od 500 MWh godišnje. Pretvarač energije talasa konstruisan je u junu 2005. i početni su rezultati nadmašili očekivanja za vreme talasa male energije. Energija talasa obuhvata se pomoću generatora pogonjenog vazduhom i pretvara u električnu. Za države s dugačkom obalom izloženom snažnim talasima, energija talasa omogućava generiranje električne energije dovoljne za potrebe opskrbe.

Karakteristike

Radi proučavanja hidroenergetike potrebno je poznavati nekoliko karakteristika ovog potencijala.

• Teorijski potencijal vodnih snaga je teoretski moguća snaga koju vodotok može dati bez obzira na tehničku i ekonomsku stranu ostvarljivosti postrojenja. Za račun ovog pokazatelja je potrebno poznavati visinske razlike za data jedinična odstojanja, tj. podužni profil reka i potoka, trajanje i učestanost snaga, raspoređenost snaga duž toka, raspodela snaga u funkciji vremena, prosečne i maksimalne protoke.
• Tehnički iskoristiv vodni potencijal se određuje na osnovu razrade nekog tehničkog rešenja kada se utvrdi realno ostvariv potencijal godišnje proizvodnje energije.
• Ekonomski iskoristiv vodni potencijal je onaj deo tehnički iskoristivog potencijala čija se eksploatacija ekonomski isplati.

Danas se u svetu koristi 18% tehnički iskoristivog, odnosno 28% ekonomski iskoristivog potencijala. Najveći deo neiskorišćenih rezervi se nalazi u zemljama u razvoju.

Prema strategiji energetike u Republici Srbiji je tehnički potencijal hidroenergije u Srbiji oko 17000 GWh, od čega je iskorišćeno oko 10000 GWh. Od neiskorišćenih a tehnički ostvarivih 7000 GWh, u velikim hidroelektranama je potencijal 5200 GWh, a u malim hidroelektranama 1800 GWh.

Razvojne mogućnosti

Brana u Poljskoj, Pilhovice

Hidroenergija pruža velike mogućnosti za dalji razvoj. Iako su veće reke uglavnom iskorišćene, manje reke i potoci pružaju mogućnosti za dalju gradnju, pogotovo hidroelektrana protočnog tipa ili sa malim branama.

Kada se govori o hidroenergiji onda se tu prvenstveno podrazumeva energija vodotokova (tj. energija reka). Energija glečera i energija morskih struja su u ovom trenutku neisplative i tehnički zahtevne za korišćenje, te se ne koriste ili je njihovo korišćenje u eksperimentalnoj fazi (energija morskih struja). Energija plime i oseke svoje postojanje duguje gravitacionom dejstvu Meseca. Energija talasa je derivat energije vetra, te se nekad navodi odvojeno od hidroenergije.

Energija talasa, energija plime i oseke i energija morskih struja uopšteno se svrstavaju u energiju mora.

Vidi još

• Hidroelektrana
• Obnovljivi izvori energije

Literatura

• Electrical Machines, Drives, and Power Systems, , Theodore Wildi. (4th изд.). ISBN 9780-13-082460-8. 

Spoljašnje veze

• Pelamis, generator na morskim talasima na obalama Portugalije Arhivirano na sajtu Wayback Machine (6. januar 2014)
• Morski generator, elektrana na morskim strujama u Severnoj Irskoj
• International Hydropower Association
• International Centre for Hydropower (ICH) hydropower portal with links to numerous organizations related to hydropower worldwide
• IEC TC 4: Hydraulic turbines (International Electrotechnical Commission – Technical Committee 4) IEC TC 4 portal with access to scope, documents and TC 4 website
• Micro-hydro power, Adam Harvey, 2004, Intermediate Technology Development Group. Приступљено 1 January 2005
• Microhydropower Systems, US Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, 2005