Vízenergia (hidroenergia): meghatározás, történet és alkalmazásai

Ismerje meg a vízenergia (hidroenergia) meghatározását, történetét és modern alkalmazásait: vízerőművek, technológiák, előnyök és fenntartható megoldások.

A vízenergia a mozgó víz energiájának hasznosítása valamilyen hasznos célra.

Az 1830-as években, a csatornaépítés korszakának csúcspontján a vízenergiát arra használták, hogy az uszályforgalmat ferde síkú vasutak segítségével szállítsák fel és le a meredek hegyeken. A közvetlen mechanikus erőátvitelhez a vízenergiát használó iparágaknak a vízesés közelében kellett lenniük. A 19. század utolsó felében például számos malom épült a Saint Anthony vízesésnél, hogy kihasználják a Mississippi folyó 15 méteres (50 láb) esését. A malmok fontosak voltak Minneapolis növekedése szempontjából. Ma a vízenergiát leginkább az elektromos áram előállítására használják. Ez lehetővé teszi, hogy a vízfolyástól nagy távolságra is alacsony költségű energiát használjanak.

Mi a vízenergia és hogyan működik?

A vízenergia a víz mozgási és helyzeti energiájának átalakítása hasznos formává, leggyakrabban villamos energiává. Alapelve egyszerű: a folyóvíz vagy egy tározóból leeresztett víz rendelkezik potenciális energiával (magasságkülönbség miatt) és mozgási energiával; ezt a vizet turbinákon keresztül vezetve a forgó mozgást generátorok alakítják át elektromossággá.

Fő alkotóelemek

• Gát vagy tározó: lehetővé teszi a víz szintjének megemelését (fej létrehozása), szabályozott lefolyást biztosítva.
• Vízelvezetés és vezetékrendszer: csatornák, aknák vagy vízvezetékek (vezetők) szállítják a vizet a turbinákhoz.
• Turbina: a víz energiáját forgó mozgássá alakítja; elterjedt típusok: Kaplan, Francis, Pelton (a választás a vízhozamtól és a fejmagasságtól függ).
• Generátor: a turbinát forgatva elektromos áramot termel.
• Átviteli rendszerek: az előállított áramot a hálózatra csatolják.

A vízenergia típusai

• Gátrendszeres (impounding) erőművek: nagy tározókat hoznak létre; alkalmasak alap- és csúcsterhelésre is.
• Folyóvízi (run-of-river) erőművek: nincs vagy csak kis tározójuk van; a természetes vízhozamhoz alkalmazkodnak.
• Szivattyús tározós (pumped-storage): két tározó között működik, éjszaka olcsó árammal vizet szivattyúznak fel, nappal visszaengedik és áramot termelnek; ez a legelterjedtebb nagykapacitású energiatároló megoldás.
• Kis- és mikroméretű erőművek: helyi közösségek vagy ipari telephelyek ellátására; alacsony környezeti hatású kialakítások is lehetségesek.

Történelem röviden

A vízenergia használata ősi időkig nyúlik vissza: vízimalmok működtették a gabonőrlést, valamint szövő- és feldolgozó gépeket a középkorban és azt megelőzően. Az ipari forradalom idején a víz mechanikus hajtóerőt adott gyáraknak. A villamos energia termelése a 19. század végétől terjedt el, és azóta a hidroelectromos erőművek fontos szereplői az áramellátásnak világszerte.

Alkalmazások

• Villamosenergia-termelés: ez a legfontosabb alkalmazás, különösen nagy gátaknál.
• Rendszerszintű szolgáltatások: szabályozhatóság, gyors indíthatóság, hálózati frekvencia- és feszültséggondoskodás.
• Energiatárolás: szivattyús tározók a megújulók integrálását segítik.
• Öntözés, árvízvédelem, hajózhatóság: többfunkciós vízgazdálkodási létesítmények.
• Rekreáció és turizmus: tározók és környezetük rekreációs célokat szolgálhatnak.

Előnyök

• Alacsony üvegházhatású gáz-kibocsátás az üzemelés során.
• Megbízható, hosszú élettartamú technológia, viszonylag alacsony működési költséggel.
• Rugalmas termelés: könnyen szabályozható a termelés mennyisége (különösen tározós erőművek esetén).
• Pumped-storage rendszerek hatékony energiatárolást biztosítanak.

Hátrányok és környezeti hatások

Bár a vízenergia megújuló, nem mentes a környezeti és társadalmi hatásoktól:

• Ökológiai változások: élőhelyek átalakulása, halvándorlás akadályozása, vízminőség-változások.
• Üledék- és tápanyagáramlás megszakadása: lerakódások csökkentik a folyók természetes viselkedését, a torkolatok feltöltődését befolyásolhatja.
• Szociális hatások: emberek kitelepítése, kulturális területek veszélyeztetése nagy gátak építésekor.
• Üvegházhatás bizonyos körülmények között: trópusi tározókban a víz alatti biomassza lebomlása metánkibocsátást okozhat.

Kockázatok csökkentése, jó gyakorlatok

• Halátjárók, hallépcsők kialakítása, illetve halbarát turbinák alkalmazása a vándorló halfajok védelmére.
• Környezeti vízhozamok meghatározása, hogy a folyók ökológiai funkciói fennmaradjanak.
• Üledék-kezelés, mesterséges hordalék-utánpótlás a torkolatok és fenékszintek fenntartására.
• Átlátható társadalmi egyeztetés és kompenzációs programok a helyi közösségek érdekében.

Világhelyzet és példák

A vízenergia fontos része a globális áramtermelésnek, különösen olyan országokban, ahol nagy vízrajzi adottságok vannak. Kiemelt beruházásokat láthatunk nagy gátrendszerekben (pl. Three Gorges Kína, Itaipu a Brazil–Paraguayi határon), de egyre nagyobb figyelem fordul a kis- és közepes méretű, környezetileg érzékenyebb megoldások felé is. A vízenergia részesedése a világ villamosenergia-termelésében jellemzően a közepes nagyságrendű tartományban van (tízek százalékai között), miközben a megújuló áramon belül az egyik legnagyobb arányt képviseli.

Jövő és fejlesztési irányok

• Hálózatstabilizálás: a növekvő nap- és szélenergia-részarány mellett a szabályozható vízerőművek kulcsfontosságúak lehetnek.
• Hibrid rendszerek: vízerőművek és flottáló napelemek, illetve vízerő és energiatárolás kombinációja növeli a hatékonyságot.
• Kis- és közepes léptékű beruházások: környezeti hatások csökkentése, helyi önellátás elősegítése.
• Innovációk: halbarát turbinák, fejlettebb sediment-menedzsment, digitális üzemeltetés és karbantartás (prediktív karbantartás).

Összefoglalás

A vízenergia egy megbízható, rugalmas és hosszú távon gazdaságos megoldás az elektromos áram termelésére és energiatárolásra. Ugyanakkor építésénél és üzemeltetésénél fontos a környezeti és társadalmi hatások kezelése, a fenntarthatóság szem előtt tartásával. A jövőben a vízenergia szerepe várhatóan megmarad, különösen a megújulók rugalmas integrálásában és a hálózati stabilitás biztosításában.

A vízenergia típusai

A vízenergiának számos formája létezik:

• Vízikerekek, amelyeket évszázadok óta használnak malmok és gépek meghajtására.
• Hidroelektromos energia, amely kifejezés általában a vízerőművek számára van fenntartva.
• árapály-energia, amely az árapályból származó energiát vízszintes irányban nyeri el.
• Az árapály-energia, amely ugyanezt teszi, de függőlegesen.
• Hullámerőművek, amelyek a hullámok energiáját használják fel.

Vízerőművek

Fő cikk: Vízerőművek

A vízenergia olyan eszköz, amellyel tüzelőanyag elégetése nélkül lehet villamos energiát előállítani. A vízenergia a világ villamosenergia-termelésének mintegy 715 000 MWe-t, azaz 19%-át adja (2003-ban 16%-át). A nagy gátakat még mindig tervezik. Néhány olyan országtól eltekintve, ahol bőven van belőle, a vízenergiát általában a csúcsterhelési igényekre alkalmazzák, mivel könnyen leállítható és indítható. Mindazonáltal a vízenergia valószínűleg nem jelent jelentős lehetőséget a fejlett országok jövőbeli energiatermelésében, mivel a legtöbb nagy területet ezekben az országokban már vagy már kiaknázták, vagy más okokból, például környezetvédelmi megfontolásokból nem állnak rendelkezésre.

A vízenergia - a fosszilis tüzelőanyagok elégetésével ellentétben - lényegében nem termel szén-dioxidot vagy más káros kibocsátást, és a szén-dioxid₂ révén nem járul hozzá jelentősen a globális felmelegedéshez.

A vízenergia sokkal olcsóbb lehet, mint a fosszilis tüzelőanyagokból vagy atomenergiából előállított villamos energia. A bőséges vízenergiával rendelkező területek vonzzák az ipart. A víztározók hatásaival kapcsolatos környezetvédelmi aggályok megakadályozhatják a gazdaságos vízenergiaforrások fejlesztését.

Szökőár

Az árapályok hasznosítása egy öbölben vagy torkolatban már megvalósult Franciaországban (1966 óta), Kanadában és Oroszországban, és más, nagy árapály-tartományú területeken is megvalósítható. A csapdába esett víz turbinákat forgat, amikor az árapálygáton keresztül bármelyik irányba áramlik. Egy másik lehetséges hiba az, hogy a rendszer hatóránként (dagályonként egyszer) kitörve termelné a leghatékonyabban az áramot. Ez korlátozza az árapály-energia felhasználásának módját.

Szökőár energiája

A viszonylag új technológia, az árapálygenerátorok az áramlatokból merítik az energiát, hasonlóan a szélgenerátorokhoz. A víz nagyobb sűrűsége azt jelenti, hogy egyetlen generátor is jelentős energiát tud biztosítani. Ez a technológia a fejlesztés korai szakaszában van, és további kutatásokra lesz szükség, mielőtt nagyobb mennyiségű energiát tudna termelni.

De több prototípust is teszteltek az Egyesült Királyságban, Franciaországban és az Egyesült Államokban. Már 2003-ban teszteltek egy 300 kW teljesítményű turbinát az Egyesült Királyságban.

A kanadai Blue Energy vállalat tervei szerint a világ különböző pontjain nagyon nagy méretű, függőleges tengelyű turbinákból álló, úgynevezett "árapály-kerítésbe" szerelt árapály-áramlást előidéző berendezéseket telepítenének.

Hullámerő

Az óceán felszíni hullámmozgásából származó energia sokkal több energiát termelhet, mint az árapály. Kipróbálták, hogy lehetséges-e energiát termelni a hullámokból, különösen az Egyesült Királyságban, Skóciában. De még mindig sok technikai probléma van.

Az ausztráliai Port Kemblában épül egy part menti hullámerőmű prototípusa, amely várhatóan évente akár 500 MWh energiát is termelhet. A hullámenergiát egy levegővel hajtott generátor fogja fel és alakítja át villamos energiává. A nagy partvonalakkal és zord tengeri viszonyokkal rendelkező országok számára a hullámok energiája lehetőséget kínál arra, hogy nagy mennyiségben termeljenek villamos energiát. A viharos tengerek során keletkező energiafelesleget hidrogén előállítására lehetne felhasználni.

Hidraulikus turbina és elektromos generátor.

Kérdések és válaszok

K: Mi az a vízenergia?

K: Mire használták a vízenergiát az 1830-as években?

K: Milyen iparágak használták a vízenergiát közvetlen mechanikus erőátvitelre?

K: Hol épült sok malom a 19. század utolsó felében?

K: Miért voltak fontosak a Saint Anthony Fallsnál épült malmok Minneapolis növekedése szempontjából?

K: Mi a vízenergia legnagyobb felhasználási területe napjainkban?

K: Mit tesz lehetővé a vízenergia felhasználása az elektromos áram előállítására?

Keresés betűvel