Forstå hvordan vannkraftverket gjør vann energi til elektrisitet, fordeler og ulemper
Bilde: Itaipu Dam, Paraguay / Brasil av International Hydropower Association (IHA) er lisensiert under CC BY 2.0
Hva er hydraulisk (vannkraft) energi?
Vannkraft er bruken av den kinetiske energien som finnes i strømmen av vannforekomster. Den kinetiske energien fremmer rotasjonen av bladene til turbinene som utgjør det vannkraftanlegg som senere blir transformert til elektrisk energi av systemets generator.
Hva er et vannkraftverk (eller vannkraftverk)?
Et vannkraftverk er et sett med verk og utstyr som brukes til å produsere elektrisk energi ved bruk av det hydrauliske potensialet i en elv. Det hydrauliske potensialet er gitt av den hydrauliske strømmen og konsentrasjonen av ujevnheter langs elveløpet. Ujevnhetene kan være naturlige (fosser) eller bygges i form av demninger eller gjennom avledning av elven fra dens naturlige seng for å danne reservoarer. Det er to typer magasiner: akkumulering og avrenningsmagasiner. Akkumuleringsforekomstene dannes vanligvis ved elvenes overvann, på steder som oppstår høye fosser og består av store magasiner med store vannakkumuleringer. Strømningsmagasiner drar fordel av elvens vannhastighet for å generere strøm, og genererer dermed minimal eller ingen vannakkumulering.
Anleggene er i sin tur klassifisert i henhold til følgende faktorer: høyden på fossen, strømmen, installert kapasitet eller kraft, type turbin som brukes i systemet, dam og reservoar. Byggeplassen gir høyden på høsten og strømmen, og disse to faktorene bestemmer den installerte kapasiteten eller kraften til et vannkraftverk. Den installerte kapasiteten bestemmer typen turbin, demningen og reservoaret.
I følge en rapport fra National Electric Energy Agency (Aneel) definerer National Reference Center for Small Hydroelectric Plants (Cerpch, fra Federal University of Itajubá - Unifei) høyden på fossen som lav (opptil 15 meter), middels ( 15 til 150 meter) og høy (større enn 150 meter). Disse tiltakene er imidlertid ikke samstemmende. Størrelsen på anlegget bestemmer også størrelsen på distribusjonsnettet som tar strømmen som produseres til forbrukerne. Jo større anlegget er, jo større er tendensen til at den er langt fra bysentre. Dette krever konstruksjon av store overføringslinjer som ofte krysser tilstander og forårsaker energitap.
Hvordan fungerer et vannkraftverk?
For produksjon av vannkraft er det nødvendig å integrere elvenes strøm, forskjellen i terrenget (naturlig eller ikke) og mengden vann tilgjengelig.
Systemet til et vannkraftverk består av:
Demning
Hensikten med demningen er å avbryte elvenes naturlige syklus og skape et vannreservoar. Reservoaret har andre funksjoner i tillegg til å lagre vann, som å skape vanngapet, fange vann i et tilstrekkelig volum for energiproduksjon og regulere strømmen av elver i perioder med regn og tørke.
Vanninntakssystem (adduksjon)
Består av tunneler, kanaler og metallrør som tar vannet til kraftverket.
Kraftstasjon
I denne delen av systemet er turbinene koblet til en generator. Bevegelsen til turbinene omdanner vannbevegelsens kinetiske energi til elektrisk energi gjennom generatorene.
Det finnes flere typer turbiner, med pelton, kaplan, francis og pære som de viktigste. Den mest passende turbinen for hvert vannkraftverk avhenger av fallhøyde og strømning. Et eksempel: Pæren brukes i anlegg som ikke er i bruk, fordi den ikke krever eksistens av magasiner og er indikert for lave fall og høye strømningshastigheter.
Rømningskanal
Etter å ha passert gjennom turbinene, blir vannet returnert til den naturlige sengen av elven gjennom rømningskanalen.
Rømningskanalen ligger mellom kraftverket og elven, og størrelsen avhenger av størrelsen på kraftverket og elven.
Spillway
Overløpet tillater at vann renner ut når reservoarnivået overskrider de anbefalte grensene. Dette skjer vanligvis i perioder med regn.
Overløpet åpnes når produksjonen av elektrisitet svekkes fordi vannstanden er over det ideelle nivået; eller for å unngå overflyt og følgelig flom rundt planten, noe som er mulig i veldig regnfulle perioder.
Samfunnsmiljøpåvirkninger forårsaket av implantasjon av vannkraftanlegg
Det første vannkraftverket ble bygget på slutten av 1800-tallet på en strekning av Niagara Falls, mellom USA og Canada, da kull var hoveddrivstoffet og olje fortsatt ikke ble brukt mye. Før det ble hydraulisk energi bare brukt som mekanisk energi.
Til tross for at vannkraft er en fornybar energikilde, peker Aneels rapport på at dens deltakelse i verdens elektriske matrise er liten og blir enda mindre. Den økende mangelen på interesse vil være et resultat av de negative eksternalitetene som følge av gjennomføring av prosjekter av denne størrelsen.
En negativ innvirkning av gjennomføringen av store vannkraftprosjekter er endringen i livsstilen til befolkningene som bor i regionen, eller i omgivelsene til stedet der planten skal implanteres. Det er også viktig å merke seg at disse samfunnene ofte er menneskelige grupper identifisert som tradisjonelle befolkninger (urfolk, quilombolas, Amazonas ved samfunnet ved elven og andre), hvis overlevelse avhenger av bruk av ressurser fra stedet de bor, og som har tilknytning til territoriet kulturell orden.
Er vannkraften ren?
Til tross for at mange av dem betraktes som en kilde til "ren" energi fordi den ikke er forbundet med forbrenning av fossilt brensel, bidrar vannkraftproduksjon til utslipp av karbondioksid og metan, og to gasser kan forårsake global oppvarming.
Utslippet av karbondioksid (CO2) skyldes nedbrytning av trær som forblir over vannstanden i reservoarene, og frigjøring av metan (CH4) skjer ved nedbrytning av det organiske materialet som er tilstede i bunnen av reservoaret. Når vannsøylen øker, øker også konsentrasjonen av metan (CH4). Når vannet når anleggets turbiner, forårsaker trykkforskjellen frigjøring av metan i atmosfæren. Metan slippes også ut i vannbanen gjennom plantens overløp, når vannet sprøytes i dråper i tillegg til endring i trykk og temperatur.
CO2 frigjøres ved nedbrytning av døde trær over vann. I motsetning til metan anses bare en del av CO2 som slippes ut som innvirkning, siden en stor del av CO2 blir kansellert ved hjelp av absorpsjoner som oppstår i reservoaret. Ettersom metan ikke er innlemmet i fotosynteseprosesser (selv om det langsomt kan omdannes til karbondioksid), anses det som mer innvirkning på drivhuseffekten, i dette tilfellet.
Balcar-prosjektet (klimagassutslipp i reservoarer av vannkraftanlegg) ble opprettet for å undersøke bidraget fra kunstige reservoarer til intensivering av drivhuseffekten gjennom utslipp av karbondioksid og metan. De første studiene av prosjektet ble utført på 90-tallet i reservoarer i Amazonas-regionen: Balbina, Tucuruí og Samuel. Amazonas-regionen var fokusert på studien fordi den er preget av massivt vegetasjonsdekke, og derfor større potensial for gassutslipp ved nedbrytning av organisk materiale. På slutten av 1990-tallet inkluderte prosjektet også Miranda, Três Marias, Segredo, Xingo og Barra Bonita.
Ifølge artikkelen som Dr. Philip M. Fearnside, fra Amazon Research Institute, publisert om utslipp av gasser ved Tucuruí-anlegget, i 1990, varierte utslippene av klimagasser (CO2 og CH4) fra anlegget mellom 7 millioner og 10 millioner tonn det året. Forfatteren gjør en sammenligning med byen São Paulo, som slapp ut 53 millioner tonn CO2 fra fossile brensler samme år. Med andre ord, bare Tucuruí vil være ansvarlig for utslipp av tilsvarende 13% til 18% av klimagassutslippene i byen São Paulo, en betydelig verdi for en energikilde som lenge anses som "utslippsfri". Det ble antatt at organisk materiale over tid ville gjennomgå fullstendig nedbrytning, og som en konsekvens av dette ville det slutte å avgi disse gassene. Men,studier av Balcar-gruppen har vist at gassproduksjonen blir matet gjennom ankomsten av nye organiske materialer hentet inn av elver og regn.
Tap av plante- og dyrearter
Spesielt i Amazonas-regionen, som har høy biologisk mangfold, er det uunngåelig død av organismer fra floraen på stedet der reservoaret dannes. Når det gjelder dyr, selv om grundig planlegging gjøres i et forsøk på å fjerne organismer, kan det ikke garanteres at alle organismer som utgjør økosystemet blir reddet. I tillegg pålegger demningen endringer i de omkringliggende habitatene.
Jordtap
Jorda i det oversvømte området vil bli ubrukelig til andre formål. Dette blir et sentralt spørsmål, spesielt i overveiende flate regioner, som Amazon-regionen selv. Siden kraften til anlegget er gitt av forholdet mellom elvestrømmen og ujevnheter i terrenget, må terrenget lagres en større mengde vann, noe som innebærer et omfattende reservoarområde, hvis terrenget har lav ujevnhet.
Endringer i elvens hydrauliske geometri
Elver har en dynamisk balanse mellom utslipp, gjennomsnittlig vannhastighet, sedimentbelastning og sengemorfologi. Byggingen av magasiner påvirker denne balansen og forårsaker følgelig endringer i hydrologisk og sedimentær orden, ikke bare i damområdet, men også i det omkringliggende området og i sengen under demningen.
Nominell kapasitet x faktisk produsert mengde
Et annet spørsmål som skal tas opp er at det er en forskjell mellom den nominelle installerte kapasiteten og den faktiske mengden elektrisk energi produsert av anlegget. Mengden produsert energi avhenger av strømmen av elven.
Dermed er det ubrukelig å installere et system med potensial til å produsere mer energi enn strømmen av elven kan gi, slik det skjedde i tilfelle vannkraftverket i Balbina, installert på Uatumã-elven.
Fast kraft i anlegget
Et annet viktig poeng som skal tas i betraktning er konseptet med anleggets faste kraft. I følge Aneel er den faste kraften til anlegget den maksimale kontinuerlige energiproduksjonen som kan oppnås, med tanke på den tørreste sekvensen registrert i strømningshistorien til elven der den er installert som base. Denne saken har en tendens til å bli stadig mer sentral i møte med stadig hyppigere og alvorlige tørkeperioder.
Vannkraft i Brasil
Brasil er det landet som har det største vannkraftpotensialet i verden. Slik at 70% av det er konsentrert i bassengene til Amazonas og Tocantins / Araguaia. Det første store brasilianske vannkraftverket som ble bygget var Paulo Afonso I, i 1949, i Bahia, med en effekt tilsvarende 180 MW. For øyeblikket er Paulo Afonso I en del av Paulo Afonso vannkompleks, som består av totalt fire anlegg.
Balbina
Balbina vannkraftverk ble bygget på Uatumã-elven, i Amazonas. Balbina ble bygget for å dekke Manaus ’energibehov. Prognosen var for installasjon av 250 MW kapasitet, gjennom fem generatorer, med kraft på 50 MW hver. Strømmen av Uatumã-elven gir imidlertid en mye lavere gjennomsnittlig årlig energiproduksjon, et sted rundt 112,2 MW, hvorav bare 64 MW kan betraktes som fast kraft. Tatt i betraktning at det er et omtrentlig tap på 2,5% under overføring av elektrisitet fra anlegget til forbrukersenteret, bare 109,4 MW (62,4 MW i fast kraft). Verdi godt under den nominelle kapasiteten på 250 MW.
Itaipu
Itaipu vannkraftverk regnes som det nest største anlegget i verden, med 14 tusen MW installert kapasitet, og nest etter Três Gorges, i Kina med 18,2 tusen MW. Bygget på Paraná-elven og ligger på grensen mellom Brasil og Paraguay, og er et binasjonalt anlegg, siden det tilhører begge land. Energien som produseres av Itaipu som leverer Brasil tilsvarer halvparten av total kraft (7 tusen MW), som tilsvarer 16,8% av energien som forbrukes i Brasil, og den andre halvparten av kraften brukes av Paraguay og tilsvarer 75% Paraguays energiforbruk.
Tucuruí
Tucuruí-anlegget ble bygget på Tocantins-elven i Pará og har en installert kapasitet tilsvarende 8.370 MW.
Belo Monte
Belo Monte vannkraftverk, som ligger i kommunen Altamira, sørvest for Pará og innviet av president Dilma Roussef, ble bygget på Xingu-elven. Anlegget er det største vannkraftverket 100% nasjonalt og det tredje største i verden. Med en installert kapasitet på 11233,1 Megawatt (MW). Dette betyr nok last til å betjene 60 millioner mennesker i 17 stater, som representerer omtrent 40% av boligforbruket over hele landet. Tilsvarende installert produksjonskapasitet er 11 000 MW, det vil si det største anlegget med installert kraft landet og tar plassen til Tucuruí-anlegget som den største 100% nasjonale planten. Belo Monte er også det tredje største vannkraftverket i verden, bak henholdsvis Três Gargantas og Itaipu.
Mange saker dreier seg om byggingen av Belo Monte-anlegget. Til tross for at den er installert kapasitet på 11 tusen MW, tilsvarer miljødepartementet anleggets faste effekt 4,5 tusen MW, det vil si bare 40% av den totale effekten. Fordi den er bygget i en Amazon-region, har Belo Monte potensialet til å avgi store konsentrasjoner av metan og karbondioksid. Alt dette uten å telle den store innvirkningen på tradisjonelle befolkningers liv og den store innvirkningen på fauna og flora. En annen faktor er at konstruksjonen fordeler det meste av selskaper, ikke befolkningen. Cirka 80% av strømmen er bestemt for selskaper i sentrum-sør i landet.
Anvendbarhet
Til tross for de nevnte negative miljømessige påvirkningene, har vannkraft fordeler sammenlignet med ikke-fornybare energikilder som fossilt brensel. Til tross for at de har bidratt til utslipp av metan og svoveldioksid, slipper ikke vannkraftanlegg ut eller frigjør andre typer giftige gasser, som de som pustes ut av termoelektriske anlegg - veldig skadelig for miljøet og menneskers helse.
Ulempene med vannkraftanlegg sammenlignet med andre fornybare energikilder som solenergi og vindkraft, som har redusert miljøpåvirkningen sammenlignet med virkningene forårsaket av vannkraftverk, er imidlertid tydeligere. Problemet er fortsatt levedyktigheten til ny teknologi. Et alternativ for å redusere virkningene knyttet til produksjon av vannkraft er bygging av små vannkraftanlegg, som ikke krever bygging av store magasiner.
- Hva er solenergi, fordeler og ulemper
- Hva er vindenergi?
I tillegg har dammer en levetid på rundt 30 år, som setter spørsmålstegn ved deres langsiktige levedyktighet.
Studien "Bærekraftig vannkraft i det 21. århundre", utført av Michigan State University, gjør oppmerksom på at store vannkraftdammer kan bli en enda mindre bærekraftig energikilde i møte med klimaendringene.
Det er nødvendig å vurdere de virkelige kostnadene ved vannkraft, ikke bare de økonomiske og infrastrukturelle kostnadene, men også de sosiale, miljømessige og kulturelle kostnadene.
