25

2

RESURSE HIDROENERGETICE I SCHEME DE AMENAJARE

2.1 RELAII DE CALCUL I UNITI DE MSUR PENTRU PUTERE I ENERGIE Pentru a facilita urmrirea noiunilor legate de potenial, putere i energie este util de a se reaminti care sunt unitile de msur utilizate n energetic. Pentru putere, unitatea de msur n sistemul internaional de uniti de msur (SI) este Watt ul [W]. n energetic se utilizeaz multiplii acestuia: 1kW = 103 W i respectiv 1MW = 103 kW = 106 W Pentru energie, unitatea de msur n sistemul internaional de uniti de msur (SI) este Joule- ul [J]. n energetic se utilizeaz multiplii acestuia: 1kWh = 103 kW x 3600 s = 3,6 x 106 J i respectiv 1GWh = 106 kWh 1TWh = 109 kWh Dac un volum de ap V (m3) se afl la cota H1 respectiv la nlimea H(m) deasupra unui plan de referin de cot H2, atunci posed o energie potenial (fig. 2.1):

Figura 2.1. Energia unui volum de ap aflat la cota H1 de un plan de referin

[ ] )1.2(81,9)()(/81,9 33

kJHV

mHmVmkNHVgEp=

===

26

Dac volumul V se scurge pe albia unui curs de ap n timpul t , atunci energia potenial devine energie cinetic, iar cursul de ap pe sectorul dintre H1 i H2 are puterea P = E / t: (2.2) Energia pe care cursul de ap o poate livra ntr-un an, denumit potenial energetic al cursului de ap pe sectorul definit anterior, se obine nmulind puterea cu numrul de ore dintr-un an. Dat fiind faptul c debitul rului variaz n acest interval, atunci energia livrabil se calculeaz cu debitul mediu multianual Qm : (2.3) Puterea hidroelectric a cursului de ap se poate fructifica numai prin amenajarea hidroenergetic a sectorului de ru. Puterea fructificabil este mai mic pentru c numai o parte din debitul rului poate fi trecut prin turbine, pe circuitele hidraulice ale amenajrii apar pierderi de sarcin, transformarea energiei hidraulice n energie mecanic i a energiei mecanice n energie electric se face cu pierderi, intervenind randamentele transformrilor. Relaia de calcul a puterii devine: (2.4) unde apar notaiile: Hbr = cderea brut pe sector; = coeficientul de utilizare a debitului datorit deversrilor i prelevrilor pentru alte folosine t = randamentul hidraulic, exprimat sub forma: iar t este randamentul turbinei, g este randamentul generatorului, iar G este randamentul global, cu valori uzuale ntre 75 % i 85%.

[ ]kWHQHtV

tEP 81,981,9 ===

[ ]ankWhHQPE m /86008760sector ==

brmGbrgthm HQHQP 81,981,9 ==

afluentmediudebitutilizabilmediudebit==

m

u

QQ

hidrauliccircuitulpesarcinadepierderile

;

==

r

br

rbr

brh

hcu

HhH

HH

27

2.2. POTENIALUL HIDROENERGETIC AL CURSURILOR DE AP Prin inventarierea resurselor hidroenergetice se urmrete determinarea cantitii de energie care poate fi obinut, variaia ei n timp i localizarea ei geografic. Inventarierea resurselor hidroenergetice se efectueaz prin studii pe fiecare curs de ap n parte, pe baza datelor fizico-geografice, tehnice i economice, innd seama de condiiile specifice ale regiunii sau rii respective. Potenialul hidroenergetic teoretic (sau brut) reprezint aportul tuturor resurselor de energie hidraulic natural ale unui bazin, fr s in seama de posibilitile tehnice i economice de amenajare. El corespunde unei utilizri integrale a cderii i a disponibilului de ap al bazinului, cu un randament ideal de 100%. Acest potenial teoretic include att potenialul de suprafa, ct i potenialul liniar. Potenialul teoretic de suprafa se refer la apele de la suprafaa pmntului i anume la cele de precipitaii i la cele de scurgere. Potenialul teoretic de precipitaii Ep, reprezint echivalentul energetic al ntregului volum de ap rezultat din precipitaiile ce cad pe o anumit suprafa: Ep = 2,725 h S H0 [kWh/an] (2.5) unde: h- reprezint nlimea medie a precipitaiilor, n mm/an; S- mrimea suprafeei, n km

2;

H0- altitudinea medie a suprafeei, fa de nivelul mrii, sau fa de un alt reper, n m. Potenialul teoretic liniar al cursurilor de ap reprezint energia (sau puterea) maxim care se poate obine de pe rul respectiv (sau de pe un anumit sector al su). Pentru un anumit sector al cursului de ap se obine cu relaiile ( 2.2) i (2.3). Potenialul teoretic (brut) este o mrime bine precizat care rezult din anumite operaii de calcul ce nu pot fi altfel interpretate. Din acest punct de vedere el reprezint o mrime invariabil n timp (admind c modificrile climatice nu sunt eseniale) i independent de condiiile tehnice sau economice. De aceea, dei prezint dezavantajul de a nu fi o mrime fizic real, potenialul hidroenergetic teoretic este folosit pentru studii comparative. Potenialul tehnic amenajabil reprezint puterea i energia electric care ar putea fi produs prin amenajarea potenialului teoretic al cursurilor de ap, n msura n care amenajarea este realizabil n condiiile tehnice actuale, i innd seama de pierderile care apar la transformarea energiei hidraulice n energie electric (acestea reprezinta in medie 20... 25% din potenialul net). Din cauza acestor influene i limitri, potenialul tehnic amenajabil nu se poate determina dect n urma elaborrii schemelor de amenajare hidroenergetice. Potentialul economic amenajabil corespunde puterii i capacitii de producere de energie a acelor uzine prevzute in cadrul potenialului tehnic, care pot fi amenajate in condiii considerate economice la o anumit etap de dezvoltare. Valoarea sa variaza in decursul timpului, fiind permanent influenat de o serie de factori energo-

28

economici i de alt tip. n ultimile decenii au fost fluctuaii importante, generate de variaia preului combustibililor fosili, de modificrile climatice, de modul de apreciere a efectelor produse de amenajrile hidroenergetice asupra mediului etc. Din rezultatele obinute n rile europene se poate deduce c potenialul care poate fi amenajat in condiii economice variaz ntre 18 i 22 % din valoarea potenialului teoretic de scurgere, respectiv ntre 50 i 75% din valoarea potenialului tehnic ame-najabil. 2.3. EVALUAREA POTENIALULI HIDROENERGETIC LINIAR Potenialul hidroenergetic teoretic se calculeaz pe sectoare caracteristice ale fiecrui curs de ap. Pe cursurile de ap mici, sectorizarea se face lund drept limite punctele de confluen cu afluenii, zonele de schimbare a pantei rului, amplasamentele probabile ale uvrajelor amenajrii. Pentru cursurile de ap importante, unde aportul diferiilor aflueni este redus, potenialul teoretic se poate calcula pe sectoare de lungime egal, cuprins ntre 10 i 100 km. Considernd un sector de lungime L, ntre cotele H1 i H2 cu debitul mediu Qm (fig. 2.2), potenialul energetic al sectorului este: (2.6) unde Qm ( m3/s) este debitul mediu multianual pe sector.

Figura 2.2. Notaii pentru calculul potenialului liniar

De regul, n calcul se folosesc mai multe valori caracteristice ale debitelor: debitul mediu multianual Qm, debitele cu asigurarea de 50% i de 95%, debitele medii ale semestrelor de iarn, respectiv de var. Potenialul calculat pe baza debitului mediu multianual indic valoarea maxim a produciei de energie care poate fi obinut pe sectorul de ru respectiv. Deoarece aceast valoare este influenat de valorile extreme ale debitelor, se consider c debitul cu asigurare 50% permite aprecierea funcionrii normale a uzinei hidroelectrice. Debitul cu asigurarea de 95% d indicaii asupra energiei garantate, care poate fi obinut prin amenajarea sectorului de ru.

[ ]kWHQP m= 81,9

29

Potenialul calculat pe baza debitului mediu de iarn sau de var permite s se aprecieze repartizarea n timpul anului a produciei de energie hidroelectric. Potenialul specific liniar exprim gradul de concentrare al potenialului teoretic liniar. Acesta se calculeaz prin raportarea potenialului liniar la lungimea sectorului de referin:

(2.7)

)/(sectorpecursuluipantaesteunde Kmmi . Dac potenialul se refer la energia produs, lund n consideraie debitul mediu multianual rezult:

(2.8) i deci potenialul specific energetic:

(2.9) Pentru inventarierea potenialului liniar sunt necesare staii hidrometrice, n vederea cunoaterii regimului hidrologic al cursurilor de ap, i ridicri topo, constnd n nivelmente i profile n lung, pentru stabilirea pantelor i a cderilor. La inventarierea potenialului hidroenergetic al Romniei s-au studiat circa 25 000 km de ruri. Pe aceasta cale s-au pus in eviden sectoarele cele mai bogate din punct de vedere hidroenergetic, care ofer cele mai favorabile condiii de amenajare. Pentru determinarea potenialului tehnic amenajabil s-au elaborat scheme de amenajare pentru toate cursurile de ap mai importante, dotate cu un potenial liniar mai mare de 300 kW/km. La ntocmirea acestor scheme s-a inut seama de condiiile naturale locale i de restriciile de mediu. Potenialul hidroenergetic teoretic (brut) este reprezentat pe hri i planuri prin diverse sisteme de reprezentare grafic, care ncearc, fiecare, s fie ct mai sugestive. Cea mai des folosit este reprezentarea prin benzi energetice, care se obine prin trasarea n lungul cursului de ap a unor benzi haurate sau negrite, a cror lime este proporional, la o anumit scar, cu valoarea potenialului liniar specific pe sectorul respectiv. n figurile 2.3 i 2.4 sunt redate benzile energetice ale principalelor cursuri de ap din Romnia. n figura 2.3 benzile corespund evalurii din anii 80 (Koglniceanu, 1986). n figura 2.4 este reprodus harta realizat de profesorul Dorin Pavel (Pavel, 1933) ntr-o lucrare de referin privind evaluarea forelor hidraulice din Romnia. n aceeai lucrare se aprecia c teritoriul Romniei dispune de o putere brut de cca 6000 MW , cu o producie de energie de 36 TWh / an. Cifrele se bazau pe studiul a unui numr de 567 de uzine hidroelectrice, concepute conform performanelor tehnice ale perioadei respective.

[ ]kmkWiQLHQ

LPp mmP /81,981,9sector/ =

==

[ ]ankWhHQPE m /86008760sector ==

[ ]ankmkWhiQLEp mE ,/8600sector/ =

=

30

Figu

ra 2

.3. P

otenia

lul t

ehni

c lin

iar a

l cur

suril

or d

e ap

din

Rom

nia

31

Figu

ra 2

.4. B

enzi

le e

nerg

etic

e re

prez

ent

nd p

otenil

aul t

ehni

c am

enaj

abil

eval

uat d

e pr

ofes

orul

Dor

in P

avel

32

Pentru reprezentarea potenilului liniar se mai pot folosi linii paralele cu sectoarele de ru, care, potrivit unei legende stabilite, indic valoarea potenialului hidroenergetic teoretic liniar specific. Uneori se reprezint potenialul brut prin figuri geometrice, a cror suprafa este proporional cu valoarea potenialului. Se folosesc foarte des ptrate sau cercuri.

Cea mai complex reprezentare grafic o formeaz ns cea fcut n aa numita caracteristic cadastral, sau cadastrul hidroenergetic (UPB, 2006). Aceast reprezentare grafic conine urmtoarele curbe, care caracterizeazx bazinul rului respectiv:

- profilul n lung al rului z = z(L); - suprafaa bazinului funcie de lungimea rului S = S(L); - variaia debitului total n lungul rului Q = Q(L); - variaia debitului specific q = q(L); - variaia potenialului specific p = p(L).

De asemenea pe grafic se mai indic lungimea n kilometri, panta medie a fiecrui sector al rului i () i cotele z (n mdM) ale punctelor care delimiteaz fiecare sector. Printr-un cerc, haurat sau negrit pe jumtate, se indic punctele n care rul primete aflueni i de pe care parte a sa vin acetia (dreapta sau stnga). 2.4. POTENIALUL HIDROENERGETIC AL ROMNIEI n Romnia resursele de ap datorate rurilor interioare sunt evaluate la aproximativ 37 miliarde m3/an, dar n regim neamenajat se poate conta numai pe aproximativ 19 miliarde de m3/an, din cauza fluctuaiilor de debite ale rurilor. Aportul anual al Dunrii, la intrarea n ara noastr, este n medie de 170 miliarde m3/an (de peste 4 ori mai mult dect toate rurile interioare), dar Romnia poate beneficia numai de o cot parte din acest stoc. Resursele de ap din interiorul rii se caracterizeaz printr-o mare variabilitate, att n spaiu, ct i n timp. Astfel, zone mari i importante, cum ar fi Cmpia Romn, podiul Moldovei i Dobrogea, sunt srace n ap. De asemenea, apar variaii mari n timp a debitelor, att n cursul unui an, ct i de la an la an. n lunile de primvar (martie-iunie) se scurge peste 50% din stocul anual, atingndu-se debite maxime de sute de ori mai mari dect cele minime. Toate acestea impun ca necesar realizarea compensrii debitelor cu ajutorul lacurilor de acumulare. n ceea ce privete potenialul hidroenergetic al Romniei se apreciaz c potenialul teoretic al precipitaiilor este de circa 230 TWh/an, potenialul teoretic al apelor de scurgere de aproximativ 90 TWh/an, iar potenialul teoretic liniar al cursurilor de ap este de 70 TWh/an. n tabelul 1.1 se indic valorile potenialului hidroenergetic de scurgere, procentul referitor la potenialul din precipitaii % Ep, potenialul teoretic liniar considerat la debitul mediu i potenialul tehnic amenajabil, pentru cteva din bazinele cursurilor de ap mai importante din Romnia. Se observ c potenialul teoretic liniar mediu al rurilor rii, inclusiv partea ce revine Romniei din potenialul Dunrii, se ridic la 70 TWh/an, din care potenialul tehnic amenajabil reprezint 36 TWh/an (2/3 dat de rurile interioare i 1/3 de Dunre).

33

Tabelul 1.1. Potenialul hdroenergetic al Romniei

. Potenialul hidroenergetic

De scurgere Teoreticliniar

Tehnic amenajabil

Bazinul

Suprafaa

Km2 TWh/an % Ep TWh/an TWh/an Some 18.740 9,00 39 4,20 2,20 Criuri 13.085 4.,50 43 2,50 0,90 Mure 27.842 17,10 42 9,50 4,30 Jiu 10.544 6,30 48 3,15 0,90 Olt 24.507 13,30 38 8,25 5,00 Arge 12.424 5,00 40 3,10 1,60 Ialomia 10.817 3,30 39 2,20 0,75 Siret 44.993 16,70 37 11,10 5,50 Total ruri interioare 237.500 90,00 39 51,50 24,00

Dunre - - - 18,50 12,00 Total Romnia 237.500 90.000 39 70,00 36,00

Estimri mai recente, concordante de altfel cu evalurile din 1985, arat c potenialul hidroenergetic atinge circa 40 TWh/an i este astfel distribuit:

- cursuri de ap interioare 25 TWh/an; - Dunrea, cota Romniei 11,5 TWh/an; - micropotenial 3,5 TWh/an.

Valorile caracteristice ale diferitelor categori de potenial hidroenergetic arat c o serie de bazine hidrografice, cum ar fi Siretul (care include i rul Bistria), Oltul, Argeul, Mureul, prezint un potenial nsemnat. Condiii favorabile de amenajare sunt pentru mai multe ruri, cum ar fi Bistria, Argeul, Lotru, Sebeul, Someul, Rul Mare, Oltul, Siretul, .a. La nivelul anului 2005 producia de energie a fost de cca 16 500 GWh/an, realizat n principal n 129 de centrale hidroelectrice. Puterea instalat n anul 2005 era de 6 335 MW. Ehergia hidroelectric reprezint n medie 1/3 din producia de energie electric a Romniei. 2.5. POTENIALUL HIDROENERGETIC MONDIAL

Potenialul hidroenergetic mondial, exprimat n putere, este de peste 2 milioane de MW, din care microhidro atinge 27 800 MW. Repartiia pe continente a potenialului amenajat i cota procentual pe care o reprezint potenialul amenajat raportat la potenialul evaluat la nivelul anului 2005 sunt prezentate n tabelul 2.2.

Se constat c n timp a existat o tendin de cretere a valorii potenialului hidroenergetic teoretic i amenajabil. Aceasta, pe de o parte, datorit creterii preciziei datelor de baz, hidrologice i topografice, iar, pe de alt parte, datorit progreselor tehnicii n general i n domeniul amenajrii uzinelor hidroelectrice n special, ceea ce

34

a creat condiii pentru folosirea unui potenial considerat nainte ca neeconomic sau de neutilizabil.

Tabelul 2.2. Rerpartiia pe continente a potenialului exprimat n putere

Potenial Potenial amenajat Continentul MW MW % din potenial

Asia America de Sud Africa America de Nord Rusia Europa Australia

610 000431 900358 300356 400250 000245 50045 000

222 637123 71221 644

164 12745 700

179 50213 471

36,5 28,6 6,0

46,1 18,2 73,0 29,0

TOTAL GLOB 2 200 000 778 138 35,3 n ceea ce privete repartiia teritorial se observ c Africa, considerat mult timp drept continentul cel mai bogat n resurse hidroenergetice, nu deine ntietatea, Asia avnd un potenial de aproape dou ori mai mare, iar n ceea ce privete potenialul specific (kWh/km2) Africa prezint o valoare mai redus chiar dect media mondial. n ceea ce privete potenialul mondial tehnic amenajabil exprimat n energie, conform datelor IHA (Laffite i Bartle, 2000), acesta este de 14 370 TWh/an, din care 8080 TWh/an este economic amenajabil. La nivelul anului 2000 se produceau pe cale hidro 2070 TWh/an, adic cca 19% din consumul total de energie pe glob. La aceai dat, puterea instalat era de 674 GW, cu 108 GW n construcie, iar n 2005 puterea instalat a crescut la 778 GW. Repartiia pe continente a potenialului hidroenergetic, a energiei produse annual i a gradului de amenajare (procentual) exprimat n energie este redat n figururile 2.5.i 2.6.

Figura 2.5. Repartiia pe continente a potenialului hidroenergetic

35

Figura 2.6. Procente din potenialul hidroenergetic care au fost amenajate i contribuie

la acoperirea consumului energetic mondial Pentru formarea unor repere, n tabelul 2.3 sunt prezentate cele mai mari uzine hidroelectrice aflate n prezent (2008) n exploatare.

Tabelul 2.3. Cele mai mari uzine hidroelectrice din lume

Nume ara Anul Putere

instalat

Energie produs

anual

Three Gorges China 2009 18,200 MW

Itaip Brazilia/Paraguay 1983 12,600 MW 93.4 TWh Guri Venezuela 1986 10,200 MW 46 TWh

Grand Coulee Statele Unite 1942/80 6,809 MW 22.6 TWh Sayano Shushenskaya Rusia 1983 6,400 MW Robert-Bourassa Canada 1981 5,616 MW Churchill Falls Canada 1971 5,429 MW 35 TWh

Porile de Fier Romania/Serbia 1970 2,280 MW 11.3 TWh n figura 2.7 este prezentat situaia amenajrii potenialului hidroenergetic european. n dreptul fiecrei ri sunt trecute procentul din potenial care este amenajat i producia de energie n GWh/an.

36

Figu

ra 2

.7. A

men

ajar

ea p

otenia

lulu

i hid

roen

erge

tic e

urop

ean

37

Aceleai date se regsesc n figura 2.8, ntr-o reprezentare mai sugestiv. n abscis sunt poziionate rile n ordine alfabetic, iar n ordonat producia anual de energie.

Figura 2.8. Energia electric produs i restul de potenial neamenajat al rilor europene

2.6. SCHEME DE AMENAJARE Energia hidraulic natural este distribuit destul de neuniform de-a lungul cursurilor de ap. Ea se consum n cea mai mare parte ca energie de nvingere a rezistenelor pe care le opune curgerii patul neregulat al rurilor. Restul energiei se consum prin aciunea de erodare a albiei i a versanilor. Scopul amenajrilor hidroelectrice este reducerea ntr-o msur ct mai mare a pierderilor de energie i concentrarea cderilor pe sectoare scurte, in vederea producerii de energie electric.