PROFILPELAJAR.COM

Hidroelektrane ili hidroelektrične centrale su elektrane koje pomoću vodnih turbina pretvaraju potencijalnu energiju vode u kinetičku i mehaničku, koja se dalje koristi za obrtanje električnog generatora. Turbina se sastoji uglavnom od jednog provodnog dijela koji vodi daje dovoljno veliku brzinu i preko jednog obrtnog kotača oduzima energiju od vode.

Vrste turbina u Hidroelektrana

Prema količini vode i visini vodenog pada, koji koriste, razlikuju se:

hidroelektrane s visokim padovima i relativno malom količinom vode,
hidroelektrane sa srednjim i niskim padovima i
hidroelektrane s niskim padovima i relativno velikom količinom vode.

Za visoke padove (preko 200 metara) primjenjuju se takozvane Peltonove turbine kod kojih se potencijalna energija vode u provodnom dijelu potpuno pretvara u kinetičku, i u obliku vodenog mlaza pokreće lopatice turbine pretvarajući kinetičku energiju u mehaničku.

Za srednje padove (do 200 metara) koriste se takozvane Francisove turbine, kod kojih provodni dio s lopaticama okružuje kotač. U provodnom dijelu ovih turbina potencijalna se energija vode samo djelomično pretvara u kinetičku tako da s određenim pretlakom dospijeva u obrtno kolo (kotač) i njemu predaje svoju energiju.

Za niske padove (do približno 40 metara) koriste se takozvane Kaplanove turbine koje rade slično kao i Francisove turbine, s tim da je broj lopatica daleko manji.

Snaga dobivena u hidroelektranama

Ovisno o veličini hidroelektrane, odnosno volumnom protoku rijeke, snaga hidroelektrane se izračunava pomoću formule:

   P=q ρghk

Gdje je:

P-dobivena snaga struje i električna energija (električna snaga), W;

q-volumni protok vode, m³/s;

ρ-gustoća vode (uzima se približna vrijednost 1000 kg/m³);

g-ubrzanje sile teže(gravitacijske sile), 9.81 m/s²;

h-visina vodenog stupca, tj. dubina vodenog bazena;

k- koeficijent djelovanja hidroelektrane koji poprima vrijednosti između 0 i 1;

Koeficijent k ovisi isključivo o vrsti turbina ugrađenih u hidroelektrane. Što su turbine veće i modernije koeficijent, k se približava vrijednosti 1.

Uloga hidroelektrana u suvremenom svijetu

Električna energija predstavlja jedan od najčišćih oblika energije. Mogućnosti dobivanja električne energije su raznovrsni. Najprihvatljiviji su načini dobivanja iz obnovljivih izvora energije, kao što su hidroelektrane, vjetroelektrane te solarne elektrane. Od obnovljivih izvora energije hidroelektrane su najraširenije. Njihov udio među obnovljivim izvorima energije je oko 88% (podatak za 2005. godinu). To je posljedica više čimbenika. Za razliku od vjetra ili sunca, čiji intenzitet je nepredvidljiv te ovisi o meteorološkim prilikama, voda, odnosno njen volumni protok, je puno stabilniji i stalniji tokom godine. To znači da je i opskrba električnom energijom pouzdanija. Također, vrlo zanimljiva skupina hidroelektrana su reverzibilne hidroelektrane, koje omogućavaju dva režima rada, te kao takve su vrlo isplative i poželjne za izgradnju. Procjenjuje se da je 2005. godine 20% ukupne svjetske potrošnje električne energije bilo opskrbljeno upravo energijom iz hidroelektrana, što je približno 816 GW.

Prednosti hidroelektrana

Ključna prednost obnovljivih izvora energije, pa tako i hidroelektrana, je smanjena ili u potpunosti eliminirana emisija stakleničkih plinova. Glavni razlog tomu je što ne koriste fosilna goriva kao pokretač turbine, odnosno električnog generatora. Time električna energija nastala u hidroelektranama postaje rentabilnija, te neovisna o cijeni i ponudi fosilnih goriva na tržištu. Hidroelektrane također imaju predviđen dulji životni vijek nego elektrane na fosilna goriva. Ono što je bitno, u razmatranju hidroelektrana s ekonomskog aspekta, jest da današnje, moderne, hidroelektrane zahtijevaju vrlo malen broj osoblja, zbog velikog stupnja automatiziranosti. Nadalje, cijena investicije u izgradnju hidroelektrane se povrati u razdoblju do desetak godina.

Emisija stakleničkih plinova je u potpunosti eliminirana, ako se isključivo promatra samo proces proizvodnje električne energije. Isto se ne može reći za cijelu hidroelektranu, kao sistem sačinjen od brane, turbine i električnog generatora te hidro akumulacijskog jezera. Međutim, zanimljiva je studija koja je provedene u suradnji Paul Scherrer Institut-a i Sveučilišta u Stuttgartu. Ona je pokazala da su, među svim izvorima energije, hidroelektrane najmanji proizvođači stakleničkih plinova. Slijede redom vjetroelektrane, nuklearne elektrane, energija dobivena foto naponskim ćelijama. Važno je napomenuti da je ta studija rađena za klimatske prilike u Europi te se može primijeniti i na područja Sjeverne Amerike i Sjeverne Azije.

Hidro-akumulacijska jezera hidroelektrana mogu osim svoje primarne funkcije imati još nekoliko pozitivnih aspekata. Svojom veličinom mogu privlačiti turiste, te se na njihovoj površini mogu odvijati razni vodeni sportovi. Također velike brane mogu igrati značajnu ulogu u navodnjavanju, te u regulaciji toka rijeka.

Nedostaci hidroelektrana

Ključni dio hidroelektrane je njena brana. Urušavanje brane može dovesti do velikih katastrofa za cijeli ekosistem nizvodno od brane. Sama kvaliteta gradnje, konstrukcije i održavanje brane nije dovoljna garancija da je brana osigurana od oštećivanja. Brane su vrlo primamljiv cilj tijekom vojnih operacija, terorističkih činova i tomu sličnih situacija. Također jedan primjer koji svjedoči opasnosti ljudskim životima je hidroelektrana Brana tri kanjona (eng. Three Gorges Dam) u Kini. Brana tri kanjona je najveća hidroelektrana na svijetu. Naime, hidroelektrana se nalazi na rijeci Jangce. To je najveće Kineska rijeka i shodno tomu je i rijeka najbogatija vodom, što opravdava izgradnju hidroelektrane na njoj. Međutim, vodeni bazen, tj. hidro akumulacijsko jezero te brane, je toliko veliko da svojom težinom opterećuje zemljinu koru. Ako se uzme u obzir da je to područje geološki nestabilno, tj. da se nalazi na spoju litosfernih ploča, jasno je da postoji opravdani rizik od potresa. Dok znanstvenici strahuju od potresa i urušavanja brane, političari tvrde da takav rizik ne postoji.

Rijeka svojim tokom nosi vodeni materijal u obliku pijeska i mulja. To s vremenom dovodi do taloženja toga materijala u vodenom bazenu, a posljedica toga je smanjivanje dubine vodenog bazena. Zahvaljujući tome, vodeni bazen gubi svoju ulogu. Akumulaciju vodene mase tijekom kišnih razdoblja, a korištenja iste tijekom suhih razdoblja godine. To se može izbjeći gradnjom raznoraznih kanala koji imaju ulogu premosnice, te se tako odvodi taj sediment. Rezultat je da svaka hidroelektrana ima svoj životni vijek, nakon kojeg postaje neekonomična.

Također uočeni, negativni, aspekt prilikom gradnje brana je nužnost uništavanja gospodarskih, kulturoloških i prirodnih dobara. Prilikom punjenja hidro akumulacijskog jezera dolazi do nužnog potapanja svega onoga što se našlo ispod površine samoga jezera. Fauna toga područja je primorana na preseljenje, također kao i ljudi. Što se flore tiče, situacija je malo drugačija, prvenstveno u tropskim područjima. U tim područjima, gdje je temperatura viša, prilikom truljenja, raspadanja, biljnih ostataka zarobljenih pod vodom, u anaerobnim uvjetima, dolazi do stvaranja stakleničkih plinova. U prvom redu nastaju ugljični dioksid,(CO₂) i metan. Stvaranje ugljičnog dioksida zapravo nije zabrinjavajuće. On je ionako već kružio u atmosferi te ga je bilje tokom svoga rasta, u procesu fotosinteze ugradilo u svoje tkivo. To nije novooslobođeni CO₂, kao što nastaje prilikom izgaranja fosilnih goriva. Zanimljivo je kazati da je emisija CO₂, oslobođena u hidro akumulacijskim jezerima, veća nego u elektranama u kojima izgara fosilno gorivo, ukoliko prije punjenja bazena vodom šuma nije bila porušena i očišćena. Puno veći problem je stvaranje metana, koji odlazeći u atmosferu pridonosi efektu staklenika.

Države s najvećom proizvodnjom hidro-električne energije

Kada se promatra količina hidro-energije, tj. električne energije proizvedene u hidroelektranama, tijekom nekog perioda, valja razlikovati dva pojma. Nominalnu snagu koju ta hidroelektrana može ostvariti kada bi cijeli promatrani period radila punim kapacitetom, te stvarnu proizvedenu snagu u promatranom periodu. Omjer godišnje, stvarno proizvedene, snage te instalirane snage je faktor kapacitivnosti. Instalirana snaga je zbroj svih generatora neke države kada bi radili pri nominalnoj snazi tijekom cijele godine.

U tablici se nalaze podaci o godišnjoj proizvodnji električne energije koju je objavio BP Statistical Review –Full Report 2009

Država	Godišnja proizvodnja hidro-električne energije (TWh)	Instalirana snaga (GW)	Faktor kapacitivnosti	Postotak od ukupne proizvodnje el. energ.
Kina	585.2	171.52	0.37	17.18
Kanada	369.5	88.974	0.59	61.12
Brazil	363.8	69.080	0.56	85.56
SAD	250.6	79.511	0.42	5.74
Rusija	167.0	45.000	0.42	17.64
Norveška	140.5	27.528	0.49	98.25
Indija	115.6	33.600	0.43	15.80
Venecuela	86.8	-	-	67.17
Japan	69.2	27.229	0.37	7.21
Švedska	65.5	16.209	0.46	44.34
Paragvaj (2006.)	64.0	-	-	-
Francuska	64.4	25.335	0.25	11.23

Jedine zemlje koje većinu električne energije osiguravaju pomoću hidroelektrana su Brazil, Paragvaj, Kanada, Norveška, Švicarska i Venecuela. Međutim, Paragvaj ne samo da proizvodi dovoljno električne energije, putem hidroelektrana, za domaće potrebe, već on i izvozi svoju električnu energiju Brazilu i Argentini.