ENERGIA HIDRO

INTRODUCERE Puterea apei e cea mai importanta sursa energetica care nu are in

compozitia sa dioxid de carbon, dioxid de sulf, protoxizi de azot sau orice alt tip de emisie poluanta si nu produce nici un fel de reziduuri solide sau lichide.

Energia hidro este o sursă de energie regenerabilă Energia regenerabilă se referă la forme de energie produse prin

transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a vânturilor, a apelor curgătoare, a proceselor biologice şi a căldurii geotermale pot fi captate de către oameni utilizând diferite procedee.

Energia hidro reprezintă capacitatea unui sistem fizic (apa) de a efectua un lucru mecanic la trecerea dintr-o stare dată în altă stare (curgere). Datorită circuitul apei în natura întreţinut de energia soarelui, este considerată o formă de energie regenerabilă.

Energia hidro este de fapt o energie mecanică, formată din energia potenţială a apei dată de diferenţa de nivel între lacul de acumulare şi centrală, respectiv din energia cinetică a apei în mişcare. Exploatarea acestei energii se face curent în hidrocentrale, care transformă energia potenţială a apei în energie cinetică, pe care apoi o captează cu ajutorul unor turbine hidraulice care acţionează generatoare electrice care o transformă în energie electrică.

Tot forme de energie hidro sunt considerate energia cinetică a valurilor şi  mareelor.

Sursa cea mai importantă de energie regenerabilă din România (în conformitate cu cerinţele UE), o reprezintă energia hidro.

Resursele de apă datorate râurilor interioare sunt evaluate la aproximativ 42 miliarde m3/an

Potenţialul hidroenergetic al ţării noastre se apreciază că potenţialul teoretic al precipitaţiilor este de circa 230 TWh/an, potenţialul teoretic al apelor de scurgere de aproximativ 90 TWh/an, iar potenţialul teoretic liniar al cursurilor de apă este de 70 TWh/an.

Istoric

Energia hidraulică a fost folosită încă din antichitate. În India se foloseau roţile hidraulice la morile de apă. În Imperiul Roman morile acţionate de apă produceau fâină şi erau folosite de asemenea la acţionarea gaterelor pentru tăierea lemnului şi a pietrei. Puterea unui torent de apă eliberată dintr-un rezervor a fost folosită la extracţia minereurilor. În China şi în extremul orient, roţi hidraulice cu cupe erau folosite la irigarea culturilor.

În zilele de azi utilizarea curentă a energiei hidraulice se face pentru producerea curentului electric, care este produs în acest caz cu costuri relativ reduse, iar energia produsă poate fi utilizată relativ departe de surse.

Fizica fenomenelor, funcţionarea Resursa hidroenergetică poate fi evaluată prin puterea (energia în unitatea

de timp) care se poate obţine. Puterea depinde de căderea şi cu debitul sursei de apă.

Căderea (engleză head) determină presiunea apei, care este dată de diferenţa de nivel dintre suprafaţa liberă a apei şi a turbinei, exprimată în metri.

Debitul (engleză flow) este cantitatea de apă care curge în unitatea de timp care curge prin conducta de aducţiune într-o anumită perioadă de timp, exprimată în metri cubi/secundă.

Hidrocentralele moderne au un randament ridicat prin intermediul turbinelor si generatoarelor ce pot realiza un randament de pana la 90 %.

Puterea notată cu litera P este determinată de debitul = Q, de diferenţa de nivel = h şi de randamentul hidraulic şi cel al echipamentului = η

Pp = 1000 ∙ η ∙ q ∙ g ∙ h P – puterea practică disponibilă (W) η – eficienţă (în general are valoare între 0,75-0,95) q – debitul apei (m³/s) g – accelaraţia gravitaţională g=9.81 m/s² h – înălţimea căderii (m)

Funcţionare

Printr-un baraj de acumulare a apei pe cursul unui râu unde poate fi prezentă şi o cascadă, se realizează acumularea unei energii potenţiale, trasformată în energie cinetică prin rotirea turbinei hidrocentralei. Această mişcare de rotaţie va fi transmisă mai departe printr-un angrenaj de roţi dinţate generatorului de curent electric, care prin rotirea rotorului generatorului într-un câmp magnetic, va transforma energia mecanică în energie electrică.

Tipuri de hidrocentrale Folosirea căderii de apă acest parametru este determinat de

diferenţa de nivel dintre oglinda apei din lacul de acumulare (în spatele barajului) şi oglinda apei de jos după ce apa a trecut prin turbină. După acest criteriu sunt hidrocentrale:

cu o cădere mică de apă - < 15 m, debit mare, cu turbine Kaplan cu o cădere mijlocie - 15–50 m, cu debit mijlociu, cu

turbine Kaplan sau Francis cu o cădere mare 50–2.000 m, cu un debit mic de apă, turbinele

utilizate sunt turbinele Francis, Pelton Hidrocentralele mai pot fi clasificate după capacitate, sau după

felul construcţiei, ca de exemplu hidrocentrale: aşezate pe firul râului (centrale fluviale), producând curent după debit

(Fig.5.) cu un lac de acumulare (Fig.6.) CHEAP - centrale hidroelectrice cu acumulare prin pompare (Fig.7.) cu caverne, pentru acumularea apei

Fig.5. ↓ ↓ Fig.7. ↓ Fig.6.

Clasificarea centralelor hidroelectrice se mai poate efectua conform capacităţii de producere a energiei electrice:

Mari: toate hidrocentralele cu o putere instalatã mai mare de 10000 kW

Mici: termen general pentru instalatiile mai mici de 10000 kW Mini: capacitate intre 1000 si 5000 kW Micro: hidrocentrale cu o putere mai mica de 1000 kW Pico: hidrocentrale cu putere

Hidrocentrală Centrale hidroelectrice aveau o putere instalată de 5,8 GW,

reprezentând circa 40% din puterea instalată în România. Producţia efectivă a hidrocentralelor a fost în 1994 de aproape 13 TWh, reprezentând circa 24 % din totalul energiei electrice produse. Actual puterea instalată depăşeşte 6 GW iar producţia este de cca. 20 TWh pe an. Cota de energie electrică produsă pe bază de energie hidraulică este de cca. 22 - 33 %.

Microcentrale si picocentrale hidraulice

Prin microcentrală hidraulică se înţelege o hidrocentrală cu puterea instalată de 5 - 100 kW, iar o picocentrală hidraulică are o putere instalată de 1 - 5 kW. O picocentrală poate alimenta un grup de câteva case, iar o microcentrală o mică aşezare.

Deoarece consumul de curent electric are variaţii mari, pentru stabilizarea funcţionării se pot folosi baterii de acumulatori, care se încarcă în momentele de consum redus şi asigură consumul în perioadele de vârf.

Este nevoie de toate componentele unei hidrocentrale clasice - mai puţin barajul - adică sistemul de captare, conductele de aducţiune, turbina, generatorul, acumulatori, regulatoare, invertoare care ridică tensiunea la 230 V, ca urmare costul unei asemenea amenajări nu este mic şi soluţia este recomandabilă doar pentru zone izolate, care nu dispun de linii electrice.

Microcentralele se pot instala pe râuri relativ mici, dar, datorită fluctuaţiilor sezoniere de debit ale râurilor, în lipsa barajului debitul râului trebuie să fie considerabil mai mare decât cel prelevat pentru microcentrală. Pentru o putere de 1 kW trebuie pentru o cădere de 100 m un debit de 1 l/s. În practică, datorită randamentelor de transformare, este nevoie de un debit aproape dublu, randamentul uzual fiind puţin peste 50 %.

Cantitatea de energie produsaCantitatea de energie produsa depinde de doi factori: 1. Înălţimea de cădere a apei pe verticală: cu cât este mai mare, cu atât este

mai mare puterea generată.2. Debitul de apă ce trece prin turbină: puterea produsă este proportională cu

volumul de apă ce trece prin turbină în unitatea de timp (secundă, minut). Sistemele de microhidrocentrale se impart in două categorii importante de

turbine: Turbine pentru înălţimi mari de apă şi debite mici, turbinele de impuls. Turbinele pentru înălţimi mici de apă şi debite mari, turbinele de reacţiune.

Clasificarea turbinelor de apa

Energia potenţială a apei poate fi convertită în energie mecanică în turbină prin două mecanisme fundamentale, însă absolut diferite: presiunea apei poate aplica o forta asupra suprafetei paletelor,

care descreste cand trece prin turbina. Turbinele care functioneaza in baza acestui mecanism sunt numite turbine cu reactiune. Ele sunt complet imersate in apa. Turbinele Francis si Kaplan fac parte din aceasta categorie.

Presiunea apei este transformata in energie cinetica inainte de a intra in turbina. Energia cinetica este in forma de jet cu viteza mare, care actioneaza asupra unor palete, montata la periferia turbinei. Turbinele care functioneaza in baza acestui mecanism sunt numite turbine de impuls (cu actiune). Cea mai uzuala turbina de acest fel este turbina Pelton.

Turbina Francis (turbină cu reacţiune)

Turbina Francis a fost dezvoltata de James B.Francis. Este o turbina cu reactiune de flux, care imbina conceptele radial si axial. Turbinele Francis au nouă sau mai multe palete fixate pe rotor. Apa intra in

turbina prin palatele instalate vertical si o paraseste in spatele turbinei, schimbandu-si directia la 90 de grade.

Turbinele Francis functioneaza la caderi de inaltimi de la 1 m pana la 500 m si pot dezvolta puteri de pana la 800 MW la iesire. Turbinele Francis sunt utilizate la cele mai mari hidrocentrale din lume: Grand Culee (SUA) – 611,5 MW, Three Gorges (China) – 710 MW.

Turbina Kaplan (turbină cu reacţiune)

Turbina Kaplan este o turbină hidraulică cu rotaţie axială, cu un rotor cu pale reglabile, utilizat la hidrocentrale de cădere mică a apei.

Turbina este invenţia din anul 1913  profesorului dr. inginer  austriac Viktor Kaplan. Această invenţie este de fapt perfecţionarea turbinei Francis (inventat de inginerul american James B. Francis în 1849).

La turbina Francis există problema formării cavitaţiei  (bule de aer în curentul de apă din turbină) care produce scăderi de presiune cu scăderea randamentului turbinei.

Această deficienţă este înlăturată la turbina Kaplan care foloseşte palete reglabile. Pentru o funcţionare optimă turbina necesită un curent de apă cu debit constant.

Turbina funcţionează prin efectul de suprapresiune, ramdamentul atingând 80 - 95 %.În cazul unui curent cu debit mare şi cu o cădere mică de apă turbina Kaplan este optimă.

Turbinele Kaplan se preteaza in aplicatii microhidro cu caderi mici (2-25 m) si debite medii spre mari (100-5.000 l/sec.).

Turbina Kaplan

Turbina Pelton (turbina cu impuls) este una dintre cele mai eficiente tipuri de turbina hidraulica. principiul de functionare a turbinei Pelton reprezinta o roata cu o serie de

cupe instalate la periferie. Aproape toata energia apei vine sa roteasca cupele, iar curentii de apa reflectati sunt evacuati apoi printr-un canal de evacuare.

turbinele de apa Pelton sunt utilizate la inaltimi mari ( 30-1000 m ) si pot dezvolta o putere de la 10 kW pana la 10 MW [33-34].

principale elemente sunt: rotorul, injectorul si carcasa. astfel de turbine sunt produse la Resita (hidrocentrala Lotru este echipată

cu trei turbine de tip Pelton Vertical).

Turbina Turgo (turbina cu acţiune)

un alt tip de turbina de impuls este turbina Turgo. sunt asemanatoare cu turbinele Pelton, insa jetul de apa este

proiectat sa actioneze asupra planului paletelor sub un unghi (de regula 20 de grade), iar apa are o singura intrare si o singura iesire.

pot avea diametre ale rotorului mai mici decat ale turbinelor Pelton

Amenajare

microhidrocentralele pot fi amplasate fie în zone muntoase, unde râurile sunt repezi, fie în zone joase, cu râuri mari.

pentru schemele de căderi mari şi medii, se folosesc combinaţii de canal şi conductă forţată.

in amenajările tip baraj turbinele sunt plasate în corpul barajului sau în imediata vecinătate a acestuia, nemai fiind nevoie de canal sau de conducte.

o altă optiune de amplasare a microturbinelor este utilizarea debitelor de la staţiile de epurare a apei sau de epuisment.

Tipuri de amenajări microhidroenergetice

Principalele componente ale transmisiei Componente principale ale unei microhidrocentrale cu baraj sunt: • Turbina hidraulică: converteşte energia apei în energie mecanică; • Amplificatorul de viteză: amplifică turaţia turbinei pentru la valorile de functionare ale

generatorului; • Generatorul: converteşte energia mecanică în energie electrică; • Sistemul de control: compenseaza orice variaţie a parametrilor de intrare si iesire ai

sistemului (debitul apei, puterea electrica); • Staţia de transformare şi linia de transport: energia electrică este condusă şi

transformată pentru a putea furniza energie electrică consumatorilor. In cazul locuintelor izolate, puterea electrica generata este directionata catre consumatori (de curent continuu si alternativ, prin utilizarea unui invertor), iar puterea electrica in exces este stocata in baterii.

Lucrări civile

Principalele lucrari civile la microhidrocentrala sunt barajul de derivatie sau stavilarul, conductele pentru transportul apei in centrala electrica. Traseul apei intr-o micro-hidrocentrala cuprinde: O priza de apa care include gratarul pentru plutitori, o poarta si o intrare

intr-un canal, intr-o conducta fortata sau direct in turbina, in functie de tipul amenajarii. Priza de apa este in general, construita din beton armat, gratarul din otel, iar poarta din lemn sau otel.

Un canal si/sau conducta de aductiune si/sau conducta fortata care conduc apa la centrala electrica la amenajarile la care aceasta este situata la o distanta oarecare in aval de priza de apa. Canalele sunt, in general, excavate si urmaresc conturul terenului. Conductele de aductiune si conductele fortate care transporta apa sub presiune pot fi din otel, fier, fibra de sticla, polimer, beton sau lemn.

Intrarea si iesirea din turbina includ vanele si portile necesare opririi accesul apei catre turbina pentru oprirea centralei si revizii tehnice. Aceste componente sunt, in general, fabricate din otel sau fier. Portile din aval de turbina pot fi fabricate din lemn, daca intretinerea si reviziile necesita asa ceva.

Canalul de fuga care transporta apa evacuata de la turbina inapoi in rau. Acesta, asemenea canalului de aductiune, e realizat prin excavare.

Energie hidro pentru o locuinţă

Locuinţa noastră se află la partea superioară a râului Olt, dar într-o zonă în care încă nu există reţea de curent electric şi nu putem să realizăm un sistem legat la reţea – un sistem legat la reţea este mai simplu, alcătuit numai dintr-o turbină, un invertor şi reţeaua.

De aceea, am ales soluţia cu un sistem individual. Acest sistem este mai complex, deosebind de cel anterior, este alcătuit din: turbina hidro, regulatoare de încărcare, baterii acumulatori, invertor şi becuri economice.

Canalul prin care trece apa la turbină are o cădere de 15 m cu debitul de 0,006 m³/s, care înseamnă 6 l/s.

Puterea teoretică disponibilă este exprimată prin formula:P = ρ ∙ q ∙ g ∙ h

ρ – densitatea apei (kg/m³) ρ=1000 kg/m³q – debitul apei (m³/s)g – accelaraţia gravitaţională g=9.81 m/s²h – înălţimea căderii (m)P = 1000 kg/m³ ∙ 0.006 m³/s ∙ 9.81 m/s² ∙ 15mP = 882.9 W

Consumul de energie electrică a locuinţei noastre exprimat în kWh pe cursul unei luni:

Categorieconsumator kWh/luna Iluminat 13.65 Electrocasnice 340.23 Comunicatii 56.7 Total 410.58 kWh/luna

Consum de energie electrica medie a locuintei noastre este 410 KWh/luna.

Sistemul alimenteaza toti consumatorii la 220V/50Hz. Pentru deservirea acestor consumatori sistemul va folosi un generator hidro

(turbina hidro) care trebuie sa produca tot necesarul de energie electrica. Acesti consumatori au nevoie de de 410 KWh/luna, ce se considera aproximativ un consum de 13,5 KWh pe zi. 

 Sistemul are o autonomie de 1 zi, adica poate furniza energia necesara timp de 24 ore chiar daca nu avem nici un aport de energie de la turbina hidro.

Pentru acesta aplicatie pentru acoperirea necesarului de consum vom avea nevoie de :

  1 buc. turbina hidro de 1000W   2 buc. regulatoare de incarcare Steca pentru panouri 10 buc. baterii acumulatori cu ciclu profund tip SB6/330A  - 6V/330Ah   1 buc. invertor Steca RI de 500W putere la iesirea de 220VAC   4  buc. becuri economice de 11W curent continu

Fig.20.Componentele unui sistem microhidro izolat

Tip : TURGO

Putere Nominala (W) :

1000

U Nom (V) :

12/24/48V

Head min (m)

3

Head max (m)

60

Debit min (l/s)

0,6

Debit max (l/s)

10

CANADA

Cod Produs: LPH00054 Model:2 Nozzle SE

Standard

Estimarea financiara a sistemuluiPreturile estimative ale echipamentelor folosite in cadrul acestui exemplu sunt : Turbina hidro                      Cod:  LPH00054   - Model: 2 Nozzle SE

Standard         Pret: 2012 Euro x 1 Regulator incarcare            Cod:  LPC00017   - Model: C40        

                          Pret:   260 Euro x 2 Acumulator 6V / 330Ah      Cod:  LPB00017   - Model:

SB6/330A                         Pret:   469 Euro x 10 Invertor Steca 1600W           Cod:  LPI00038    - Model: Studer XPC 2200-

24           Pret: 1292 Euro x 1 Bec economic 11W               Cod:  LPL00010   - Model:

ESL11                               Pret:     10 Euro x 4 2012 Euro x 1 = 2012 E 260 Euro x 2 = 520 E 469 Euro x 10 = 4690 E 1292 Euro x 1 = 1292 E 10 Euro x 4 = 40 E Total = 8554 Euro

Controlul turbinei Variaţiile parametrilor de intrare (debit) şi ieşire (putere electrică) ai micro

hidrocentralei trebuie să fie compensate de către sistemul de control, care să deschidă sau închidă valvele, să menţină nivelul apei în captare sau să menţină aproximativ constantă puterea de ieşire.

În cazul consumatorilor izolaţi pentru a obţine viteza prescrisă a turbinei este necesar să crească debitul apei pe palele acesteia. Dacă nu există suficient debit al apei, fie se poate reduce sarcina consumatorilor, fie se opreşte turbina.

Un invertor se utilizează pentru a transforma curentul continuu generat în curent alternativ pentru alimentarea consumatorilor.

Un senzor care să măsoare frecvenţa, iar un regulator de sarcină, fiabil, introduce în circuit o rezistenţă presetată, menţinând frecvenţa sistemului.

Pentru regularizarea puterii de ieşire,se folosesc dispozitive electronice ELC (electronic load controller) pentru sisteme microhidroenergetice.

Sistemul este impartit in trei componente:-convertor analog-digital -convertor digital-analog -contorMonitorizarea datelor se poate face pe un calculator dotat cu un sistem

standardizat de achizitie de date.

Schema sistemului de control a microhidrocentralei

AvantajePot fi subliniate urmatoarele avantaje principale ale micro-hidrocentralelor:• Sunt potrivite pentru cerinte mici de putere, descentralizate (industria usoara,

ferme private si intreprinderi, comunitati rurale) si pentru operatii externe retelei principale;

• Necesita retele de distributie de joasa tensiune si, eventual, micro-retele subregionale;

• Pot fi utilizate in proprietate privata, in coproprietate sau proprietate comuna, cu un necesar de forta de munca semi-calificat si cu o administrare in coproprietate, sau individuala;

• Perioada scurta de constructie cu materiale locale si utilizarea abilitatilor populatiei din zona, pot avea un impact considerabil asupra calitatii vietii rurale;

• Flexibilitatea lor, in special in ceea ce priveste adaptarea la incarcari variabile in functie de debitul afluent, le face un component privilegiat in orice sistem energetic integrat;

• Centralele pot rezista o perioada indelungata. Unele au peste 70 de ani si sunt inca in stare de functionare. Centralele pregatite de a intra in functiune in viitorul apropiat pot prezenta o durata de viata chiar mai lunga si pot servi consumatori timp de mai multe generatii fara a polua atmosfera;

• Investitiile in hidrocentralele mici s-au dovedit a fi sigure si de nadejde de mai multe zeci de ani.

Microhidrocentralele sunt unitati de productie care au capacitati sub 10 MW. Spre comparatie, hidrocentrala de la Portile de Fier are 1.080 MW, iar cea de la Vidraru, 220 MW. Conform legislatiei in vigoare, veniturile provenite din vanzarea unui MWh produs prin aceste microhidrocentrale pot fi chiar de trei ori mai mari decat cele obtinute de o hidrocentrala, pentru ca, pe langa pretul de pe curentul livrat, producatorul de energie verde mai incaseaza si bani de pe certificatele verzi primite in contul electricitatii cura te produse.

In afara de avantajul certifica te lor verzi, Hidroelectrica, la fel  ca si ceilalti producatori de ener gie verde, nu ramane cu marfa, in speta cu electrici ta tea, nevan duta, intrucat este ca ta logata productia cu prio ritate si este prima introdusa in sistemul energetic national. In cele 63 de microhidrocen trale lucrea za in prezent 210 oameni.

Vă mulţumim pentru atenţie!