Begrijp hoe de waterkrachtcentrale water-energie omzet in elektriciteit, de voor- en nadelen ervan

Afbeelding: Itaipu-dam, Paraguay / Brazilië door International Hydropower Association (IHA) is gelicentieerd onder CC BY 2.0

Wat is hydraulische (hydro-elektrische) energie?

Hydro-elektrische energie is het gebruik van de kinetische energie in de stroming van waterlichamen. De kinetische energie bevordert de rotatie van de bladen van de turbines waaruit het waterkrachtcentralesysteem bestaat, om later door de generator van het systeem in elektrische energie te worden omgezet.

Wat is een waterkrachtcentrale (of waterkrachtcentrale)?

Een waterkrachtcentrale is een reeks werken en apparatuur die wordt gebruikt om elektrische energie te produceren door gebruik te maken van het hydraulische potentieel van een rivier. Het hydraulische potentieel wordt gegeven door de hydraulische stroming en de concentratie van de bestaande oneffenheden langs de loop van de rivier. De oneffenheden kunnen natuurlijk zijn (watervallen) of gebouwd zijn in de vorm van dammen of door de rivier van zijn natuurlijke bedding af te leiden om reservoirs te vormen. Er zijn twee soorten reservoirs: accumulatie- en rivierreservoirs. De ophopingsafzettingen worden meestal gevormd aan de bovenloop van de rivieren, op plaatsen waar hoge watervallen voorkomen en bestaan uit grote reservoirs met grote ophopingen van water. Run-of-river-reservoirs profiteren van de watersnelheid van de rivier om elektriciteit op te wekken, waardoor er geen of minimale waterophoping ontstaat.

De installaties worden op hun beurt geclassificeerd volgens de volgende factoren: hoogte van de waterval, stroming, geïnstalleerd vermogen of vermogen, type turbine dat in het systeem wordt gebruikt, dam en reservoir. De bouwplaats geeft de hoogte van de val en de stroming weer, en deze twee factoren bepalen het geïnstalleerde vermogen of vermogen van een waterkrachtcentrale. Het opgestelde vermogen bepaalt het type turbine, de dam en het reservoir.

Volgens een rapport van het National Electric Energy Agency (Aneel), definieert het National Reference Centre for Small Hydroelectric Plants (Cerpch, van de Federal University of Itajubá - Unifei) de hoogte van de waterval als laag (tot 15 meter), gemiddeld ( 15 tot 150 meter) en hoog (groter dan 150 meter). Deze maatregelen zijn echter geen consensus. De grootte van de centrale bepaalt ook de grootte van het distributienetwerk dat de opgewekte elektriciteit naar de consumenten zal brengen. Hoe groter de plant, hoe groter de neiging om ver van stedelijke centra te zijn. Dit vereist de constructie van grote transmissielijnen die vaak staten kruisen en energieverlies veroorzaken.

Hoe werkt een waterkrachtcentrale?

Voor de productie van hydro-elektrische energie is het noodzakelijk om de stroming van de rivier, het verschil in het terrein (natuurlijk of niet) en de hoeveelheid beschikbaar water te integreren.

Het systeem van een waterkrachtcentrale bestaat uit:

Dam

Het doel van de dam is om de natuurlijke kringloop van de rivier te doorbreken en een waterreservoir te creëren. Naast het bergen van water heeft het reservoir nog andere functies, zoals het creëren van de waterspleet, het opvangen van water in een voldoende volume voor energieproductie en het reguleren van de stroming van rivieren tijdens periodes van regen en droogte.

Waterinlaat (adductie) systeem

Samengesteld uit tunnels, kanalen en metalen leidingen die het water naar de krachtpatser brengen.

Krachtpatser

In dit deel van het systeem zijn de turbines aangesloten op een generator. De beweging van de turbines zet de kinetische energie van de waterbeweging via de generatoren om in elektrische energie.

Er zijn verschillende soorten turbines, waarvan pelton, kaplan, francis en bulb de belangrijkste zijn. De meest geschikte turbine voor elke waterkrachtcentrale hangt af van de valhoogte en het debiet. Een voorbeeld: de bol wordt gebruikt in alledaagse planten omdat er geen reservoirs voor nodig zijn en is geïndiceerd voor lage valpartijen en hoge stroomsnelheden.

Escape-kanaal

Na het passeren van de turbines wordt het water via de ontsnappingsgeul teruggevoerd naar de natuurlijke bedding van de rivier.

Het ontsnappingskanaal bevindt zich tussen de krachtcentrale en de rivier en de grootte is afhankelijk van de grootte van de krachtcentrale en de rivier.

Overlaat

Door de overlaat kan water ontsnappen wanneer het reservoirniveau de aanbevolen limieten overschrijdt. Dit komt meestal voor in periodes met regen.

De overlaat wordt geopend wanneer de productie van elektriciteit wordt belemmerd doordat het waterpeil boven het ideale niveau is; of om overstroming en dus overstroming rondom de plant te voorkomen, wat mogelijk is in zeer regenachtige periodes.

Socio-milieueffecten veroorzaakt door de implantatie van waterkrachtcentrales

De eerste waterkrachtcentrale werd aan het einde van de 19e eeuw gebouwd op een stuk Niagara Falls, tussen de Verenigde Staten en Canada, toen steenkool de belangrijkste brandstof was en olie nog niet veel werd gebruikt. Voordien werd hydraulische energie alleen als mechanische energie gebruikt.

Ondanks dat hydro-elektrische energie een hernieuwbare energiebron is, wijst het rapport van Aneel erop dat haar deelname aan de wereldwijde elektrische matrix klein is en zelfs nog kleiner wordt. Het groeiende gebrek aan belangstelling zou het gevolg zijn van de negatieve externe effecten die voortvloeien uit de uitvoering van projecten van deze omvang.

Een negatief effect van de uitvoering van grote waterkrachtprojecten is de verandering in de manier van leven van de populaties die in de regio wonen, of in de omgeving van de plaats waar de plant zal worden geïmplanteerd. Het is ook belangrijk op te merken dat deze gemeenschappen vaak menselijke groepen zijn die worden geïdentificeerd als traditionele populaties (inheemse volkeren, quilombola's, gemeenschappen langs de rivier in de Amazone en andere), waarvan het voortbestaan afhangt van het gebruik van hulpbronnen uit de plaats waar ze wonen, en die banden hebben met het grondgebied. culturele orde.

Is waterkracht schoon?

Ondanks dat het door velen wordt beschouwd als een bron van 'schone' energie omdat het niet wordt geassocieerd met het verbranden van fossiele brandstoffen, draagt waterkrachtcentrales bij aan de uitstoot van kooldioxide en methaan, twee gassen die mogelijk de opwarming van de aarde veroorzaken.

De uitstoot van kooldioxide (CO2) is het gevolg van de afbraak van bomen die boven het waterpeil van de reservoirs blijven, en het vrijkomen van methaan (CH4) vindt plaats door de afbraak van de organische stof die op de bodem van het reservoir aanwezig is. Naarmate de waterkolom toeneemt, stijgt ook de concentratie methaan (CH4). Wanneer het water de turbines van de plant bereikt, zorgt het drukverschil ervoor dat methaan in de atmosfeer vrijkomt. Methaan komt ook vrij in het waterpad via de overlaat van de plant, wanneer het water, naast de verandering in druk en temperatuur, druppelsgewijs wordt gesproeid.

CO2 komt vrij bij de afbraak van dode bomen boven water. In tegenstelling tot methaan wordt slechts een deel van de uitgestoten CO2 als impactvol beschouwd, aangezien een groot deel van de CO2 wordt geannuleerd door absorpties die plaatsvinden in het reservoir. Aangezien methaan niet wordt opgenomen in fotosyntheseprocessen (hoewel het langzaam kan worden omgezet in koolstofdioxide), wordt het in dit geval als effectiever voor het broeikaseffect beschouwd.

Het Balcar-project (broeikasgasemissies in reservoirs van waterkrachtcentrales) is opgericht om de bijdrage van kunstmatige reservoirs aan de intensivering van het broeikaseffect door de uitstoot van kooldioxide en methaan te onderzoeken. De eerste studies van het project werden uitgevoerd in de jaren 90, in reservoirs in het Amazonegebied: Balbina, Tucuruí en Samuel. Het Amazonegebied was gefocust op het onderzoek omdat het wordt gekenmerkt door een enorme vegetatiebedekking en daarom een groter potentieel voor gasemissies door de ontbinding van organisch materiaal. Vervolgens, eind jaren negentig, omvatte het project ook Miranda, Três Marias, Segredo, Xingo en Barra Bonita.

Volgens het artikel dat Dr.Philip M.Fearnside, van het Amazon Research Institute, publiceerde over de gasemissies in de Tucuruí-fabriek in 1990, varieerde de uitstoot van broeikasgassen (CO2 en CH4) van de plant tussen 7 miljoen en 10 miljoen ton dat jaar. De auteur maakt een vergelijking met de stad São Paulo, die in hetzelfde jaar 53 miljoen ton CO2 uitstootte uit fossiele brandstoffen. Met andere woorden, alleen Tucuruí zou verantwoordelijk zijn voor de uitstoot van het equivalent van 13% tot 18% van de uitstoot van broeikasgassen in de stad São Paulo, een significante waarde voor een energiebron die lange tijd als "emissievrij" werd beschouwd. Aangenomen werd dat organische materie na verloop van tijd volledig zou worden afgebroken en als gevolg daarvan deze gassen niet meer zou uitstoten. Echter,Studies van de Balcar-groep hebben aangetoond dat het gasproductieproces wordt gevoed door de komst van nieuwe organische materialen die worden aangevoerd door rivieren en regen.

Verlies van planten- en diersoorten

Vooral in het Amazonegebied, dat een hoge biodiversiteit kent, is er de onvermijdelijke dood van organismen uit de flora van de plaats waar het reservoir wordt gevormd. Wat dieren betreft, zelfs als er een grondige planning wordt gemaakt om de organismen te verwijderen, kan niet worden gegarandeerd dat alle organismen waaruit het ecosysteem bestaat, worden gered. Bovendien legt de dam veranderingen op in de omliggende habitats.

Bodemverlies

De grond in het overstroomde gebied wordt onbruikbaar voor andere doeleinden. Vooral in overwegend vlakke streken, zoals het Amazonegebied zelf, wordt dit een centraal thema. Omdat de kracht van de plant wordt bepaald door de relatie tussen de stroming van de rivier en de oneffenheden van het terrein, moet bij een lage oneffenheid van het terrein een grotere hoeveelheid water worden geborgen, wat een groot reservoirgebied impliceert.

Veranderingen in de hydraulische geometrie van de rivier

Rivieren hebben doorgaans een dynamisch evenwicht tussen afvoer, gemiddelde watersnelheid, sedimentbelasting en bodemmorfologie. De aanleg van reservoirs beïnvloedt dit evenwicht en veroorzaakt bijgevolg veranderingen in de hydrologische en sedimentaire orde, niet alleen in de dam, maar ook in de omgeving en in de bodem onder de dam.

Nominale capaciteit x werkelijk geproduceerde hoeveelheid

Een ander probleem dat aan de orde moet worden gesteld, is dat er een verschil is tussen het nominaal geïnstalleerd vermogen en de werkelijke hoeveelheid elektrische energie die door de centrale wordt geproduceerd. De hoeveelheid geproduceerde energie is afhankelijk van de stroming van de rivier.

Het is dus nutteloos om een systeem te installeren met het potentieel om meer energie te produceren dan de stroming van de rivier kan leveren, zoals gebeurde in het geval van de waterkrachtcentrale Balbina, geïnstalleerd op de Uatumã-rivier.

Stevige kracht van de plant

Een ander belangrijk punt waarmee rekening moet worden gehouden, is het concept van stevige kracht van de plant. Volgens Aneel is de stevige kracht van het bedrijf de maximale continue energieproductie die kan worden verkregen, gezien de droogste reeks die is opgetekend in de stroomgeschiedenis van de rivier waarin het als basis is geïnstalleerd. Dit probleem komt steeds meer centraal te staan in het licht van steeds vaker voorkomende en ernstige droogteperiodes.

Waterkracht in Brazilië

Brazilië is het land met het grootste hydro-elektrische potentieel ter wereld. Zodat 70% ervan geconcentreerd is in de stroomgebieden van Amazonas en Tocantins / Araguaia. De eerste grote Braziliaanse waterkrachtcentrale die werd gebouwd was Paulo Afonso I, in 1949, in Bahia, met een vermogen gelijk aan 180 MW. Momenteel maakt Paulo Afonso I deel uit van het waterkrachtcomplex van Paulo Afonso, dat in totaal vier fabrieken omvat.

Balbina

De waterkrachtcentrale Balbina werd gebouwd op de rivier de Uatumã, in Amazonas. Balbina werd gebouwd om in de energievraag van Manaus te voorzien. De prognose was voor de installatie van 250 MW aan capaciteit, via vijf generatoren, met elk een vermogen van 50 MW. De stroming van de Uatumã-rivier zorgt echter voor een veel lagere gemiddelde jaarlijkse energieproductie, ergens rond de 112,2 MW, waarvan slechts 64 MW als vast vermogen kan worden beschouwd. Rekening houdend met het feit dat er een verlies van ongeveer 2,5% is tijdens het transport van elektriciteit van de centrale naar het consumentencentrum, slechts 109,4 MW (62,4 MW aan bedrijfsvermogen). Waarde ruim onder het nominale vermogen van 250 MW.

Itaipu

De waterkrachtcentrale van Itaipu wordt beschouwd als de op een na grootste fabriek ter wereld, met 14 duizend MW geïnstalleerd vermogen, en de tweede na Três Gorges, in China met 18,2 duizend MW. Gebouwd op de Paraná-rivier en gelegen op de grens tussen Brazilië en Paraguay, is het een binationale plant, aangezien het tot beide landen behoort. De energie die wordt opgewekt door Itaipu dat Brazilië levert, komt overeen met de helft van zijn totale vermogen (7 duizend MW), wat overeenkomt met 16,8% van de energie die in Brazilië wordt verbruikt, en de andere helft van de stroom wordt gebruikt door Paraguay en komt overeen met 75% Paraguayaans energieverbruik.

Tucuruí

De fabriek in Tucuruí is gebouwd aan de rivier de Tocantins, in Pará en heeft een geïnstalleerd vermogen van 8.370 MW.

Belo Monte

De waterkrachtcentrale Belo Monte, gelegen in de gemeente Altamira, ten zuidwesten van Pará en ingehuldigd door president Dilma Roussef, werd gebouwd op de rivier de Xingu. De fabriek is de grootste waterkrachtcentrale die 100% nationaal is en de derde grootste ter wereld. Met een geïnstalleerd vermogen van 11.233,1 Megawatt (MW). Dit betekent voldoende vracht om 60 miljoen mensen in 17 staten te bedienen, wat neerkomt op ongeveer 40% van het huishoudelijk verbruik in het hele land. De equivalente geïnstalleerde productiecapaciteit is 11.000 MW, dat wil zeggen de grootste installatie in geïnstalleerd vermogen het land, en neemt de plaats in van de Tucuruí-fabriek als de grootste 100% nationale plant. Belo Monte is ook de derde grootste waterkrachtcentrale ter wereld, achter respectievelijk Três Gorges en Itaipu.

Veel vraagstukken spelen zich af rond de bouw van de fabriek in Belo Monte. Ondanks dat het een geïnstalleerd vermogen van 11 duizend MW is, komt het vaste vermogen van de centrale volgens het ministerie van Milieu overeen met 4,5 duizend MW, dat wil zeggen slechts 40% van het totale vermogen. Omdat het is gebouwd in een Amazonegebied, heeft Belo Monte het potentieel om grote concentraties methaan en kooldioxide uit te stoten. Dit alles zonder de grote impact op het leven van traditionele populaties en de grote impact op fauna en flora te tellen. Een andere factor is dat de constructie ervan vooral bedrijven ten goede komt, niet de bevolking. Ongeveer 80% van de elektriciteit is bestemd voor bedrijven in het midden-zuiden van het land.

Toepasbaarheid

Ondanks de genoemde negatieve gevolgen voor het milieu, heeft waterkracht voordelen in vergelijking met niet-hernieuwbare energiebronnen zoals fossiele brandstoffen. Ondanks dat ze bijdragen aan de uitstoot van methaan en zwaveldioxide, stoten waterkrachtcentrales geen andere soorten giftige gassen uit, zoals die worden uitgeademd door thermo-elektrische centrales - zeer schadelijk voor het milieu en de menselijke gezondheid.

De nadelen van waterkrachtcentrales in vergelijking met andere hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie, die de impact op het milieu hebben verminderd in vergelijking met de effecten veroorzaakt door waterkrachtcentrales, zijn echter duidelijker. Het probleem is nog steeds de levensvatbaarheid van nieuwe technologieën. Een alternatief om de gevolgen van de productie van hydro-elektrische energie te verminderen, is de bouw van kleine waterkrachtcentrales, waarvoor geen grote reservoirs nodig zijn.

Wat is zonne-energie, voor- en nadelen
Wat is windenergie?

Bovendien hebben dammen een nuttige levensduur van ongeveer 30 jaar, wat vraagtekens plaatst bij hun levensvatbaarheid op lange termijn.

De studie "Duurzame waterkracht in de 21ste eeuw", uitgevoerd door Michigan State University, vestigt de aandacht op het feit dat grote waterkrachtcentrales een nog minder duurzame energiebron zouden kunnen worden in het licht van klimaatverandering.

Het is noodzakelijk om de werkelijke kosten van waterkracht in aanmerking te nemen, niet alleen de economische en infrastructuurkosten, maar ook de sociale, ecologische en culturele kosten.