Hidroenergia (din greacă ὕδωρ , „apă”), este utilizarea apei care cade sau curge rapid pentru a genera electricitate sau pentru a alimenta mașinile. Acest lucru se realizează prin transformarea potențialului gravitațional sau a energiei cinetice a sursei de apă în energie [1] . Hidroenergia este o metodă de producere durabilă a energiei .
Din cele mai vechi timpuri, energia hidroelectrică de la morile de apă a fost folosită ca sursă de energie regenerabilă pentru irigare și funcționarea dispozitivelor mecanice, cum ar fi mori , gatere , fabrici de textile , ciocane pneumatice , macarale de docuri , ascensoare de uz casnic și mori de minereu . O trompa care produce aer comprimat din apă în cădere este uneori folosită pentru a alimenta alte utilaje la distanță [2] [1] .
Hidroenergia este utilizată în prezent în principal pentru generarea de energie electrică și este, de asemenea, utilizată ca jumătate din sistemul de stocare a energiei cunoscut sub numele de stocare prin pompare .
Hidroenergia este o alternativă atractivă la combustibilii fosili, deoarece nu produce direct dioxid de carbon sau alți poluanți atmosferici și oferă o sursă de energie relativ stabilă. Cu toate acestea, are dezavantaje economice, sociale și de mediu și necesită o sursă de apă suficient de mare, cum ar fi un râu sau un lac pe teren înalt [3] . Organizațiile internaționale precum Banca Mondială văd energia hidroelectrică ca un vehicul cu emisii scăzute de carbon pentru dezvoltarea economică [4] .
Datele disponibile indică faptul că bazele hidroenergiei datează de la civilizația greacă antică [5] . Alte dovezi indică faptul că roata de apă a apărut singură în China în aceeași perioadă [5] . Dovezile existenței roților de apă și a morilor de apă datează din Orientul Apropiat antic în secolul al IV-lea î.Hr. e. [6] :14 . Mai mult, dovezile indică utilizarea hidroenergiei cu mașini de irigare în civilizații antice precum Sumer și Babilonia [7] . Cercetările arată că roata de apă era forma originală de utilizare a energiei apei și era alimentată de oameni sau animale [7] .
În Imperiul Roman , morile de apă au fost descrise de Vitruvius în secolul I î.Hr. e. [8] . Moara Barbegala , situată pe teritoriul Franței moderne, avea 16 roți de apă, procesând până la 28 de tone de cereale pe zi [2] . Roțile de apă romane au fost folosite și pentru tăierea marmurei, cum ar fi gaterul din Hierapolis de la sfârșitul secolului al III-lea [9] . Astfel de gatere aveau o roata de apa care actiona doua biele pentru a actiona doua ferastraie. De asemenea, apare în două gatere romane din secolul al VI-lea excavate la Efes și , respectiv, Gherasa . Mecanismul cu manivelă al acestor mori de apă romane a transformat mișcarea de rotație a roții de apă în mișcarea liniară a ferăstrăilor [10] .
Inițial, s-a crezut că ciocanele pneumatice și burdufurile din China în timpul dinastiei Han (202 î.Hr. - 220 d.Hr.) erau alimentate cu oale de apă [6] :26–30 . Cu toate acestea, unii istorici au sugerat că aceștia erau propulsați de roți de apă. Acest lucru se datorează faptului că s-a presupus că prizele de apă nu ar avea forța motrice pentru a acționa burduful furnalului [ 11 ] . Multe texte descriu roata de apă hunică; unele dintre cele mai vechi dintre acestea sunt dicționarul Jijiupian din 40 î.Hr. î.Hr., text de Yang Xiong , cunoscut sub numele de Fangyan 15 î.Hr. e., precum și Xin Lun, scrisă de Huang Tang în jurul anului 20 [12] . Tot în această perioadă, inginerul Du Shi (aproximativ 31 de ani) a aplicat puterea roților cu apă unui piston - un burduf din fier forjat [12] .
Un alt exemplu de utilizare timpurie a hidroenergiei poate fi văzut în arrugia , utilizarea forței valurilor de apă eliberate dintr-un rezervor pentru a extrage minereuri metalice. Această metodă a fost folosită pentru prima dată în minele de aur Dolaucothy din Țara Galilor din anul 75 d.Hr. Metoda a fost dezvoltată în continuare în Spania la mine precum Las Medulas . Metoda arrugy a fost, de asemenea, utilizată pe scară largă în Marea Britanie în timpul Evului Mediu și nu numai pentru a extrage minereurile de plumb și staniu . S-a dezvoltat ulterior în minerit hidraulic în timpul goanei aurului din California în secolul al XIX-lea [13] .
Imperiul islamic a ocupat o regiune mare, în principal în Asia și Africa, precum și în alte zone adiacente [14] . În timpul Epocii de Aur islamice și a Revoluției Agricole Arabe (secolele VIII-XIII), energia hidroelectrică a fost utilizată și dezvoltată pe scară largă. Utilizarea timpurie a energiei mareelor a apărut împreună cu mari complexe de fabrici hidraulice [15] . În regiune au fost folosite o gamă largă de mori industriale alimentate cu apă , inclusiv mori de pâslă , cereale, hârtie , decojire , gater , navă , matriță , oțel , zahăr și maree . Până în secolul al XI-lea , aceste industrii funcționau în fiecare provincie a Imperiului Islamic, de la Al-Andalus și Africa de Nord până în Orientul Mijlociu și Asia Centrală [16] :10 . Inginerii musulmani au folosit și turbine cu apă , folosind roți dințate în mori de apă și mașini de ridicare a apei. De asemenea, au fost primii care au folosit baraje ca sursă de energie apei, folosite pentru a furniza energie suplimentară pentru morile de apă și mașinile de ridicare a apei [17] .
În plus, în cartea sa The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices , inginerul mecanic musulman Al-Jazari (1136-1206) a descris designul a 50 de dispozitive. Multe dintre aceste dispozitive erau alimentate cu apă, inclusiv ceasuri, un dozator de vin și cinci dispozitive pentru ridicarea apei din râuri sau piscine, dintre care trei erau alimentate de animale și unul putea fi alimentat de animale sau de apă. În plus, acestea includeau o centură fără sfârșit cu ulcioare atașate, un puț de macara și un dispozitiv alternativ cu supape articulate [18] .
În secolul al XIX-lea, inginerul francez Benoît Fourneron a dezvoltat prima hidroturbină. Acest dispozitiv a fost implementat la uzina comercială din Niagara Falls în 1895 și este încă în funcțiune [7] . La începutul secolului al XX-lea, inginerul englez William Armstrong a construit și a exploatat prima centrală electrică privată, care se afla în casa sa din Cragside din Northumberland ( Anglia ) [7] . În 1753, inginerul francez Bernard Forest de Belidor și-a publicat cartea Hydraulic Architecture , care descria mașinile hidraulice cu axe verticale și orizontale [19] .
Cererea în creștere pentru revoluția industrială va stimula și dezvoltarea [20] . La începutul Revoluției Industriale în Marea Britanie, apa a fost principala sursă de energie pentru noi invenții, cum ar fi cadrul de apă al lui Richard Arkwright [21] . Deși energia apei a făcut loc energiei cu abur în multe fabrici și fabrici mari, a fost încă folosită în secolele al XVIII-lea și al XIX-lea pentru multe operațiuni mai mici, cum ar fi antrenarea burdufurilor în furnalele mici (cum ar fi cuptorul Difi ) și mori , de exemplu. , construit la St. Anthony Falls , care utilizează căderea verticală de 15 m a Mississippi [21] .
Progresele tehnologice au transformat o roată cu apă deschisă într-o turbină închisă sau un motor cu apă . În 1848, inginer britanic-american James B. Francis , inginer șef al Lowell's Locks and Canals, a îmbunătățit aceste proiecte și a creat o turbină cu o eficiență de 90% [22] . A aplicat principii științifice și metode de testare la problema proiectării turbinelor. Metodele sale matematice și grafice de calcul i-au permis să proiecteze cu încredere turbine de înaltă performanță care se potrivesc exact condițiilor specifice de debit ale amplasamentului. Hidroturbina lui Francis este încă în uz. În anii 1870, pe baza utilizării în industria minieră din California, Lester Allan Pelton a dezvoltat turbina de impuls cu roată Pelton , extrem de eficientă , care folosea energia hidroelectrică de la înălțimea înaltă găsită în Sierra Nevada .
Resursa hidroenergetică poate fi estimată prin capacitatea disponibilă . Puterea depinde de înălțimea hidraulică și de debitul volumic . Capul este energia pe unitatea de greutate (sau unitatea de masă) a apei [23] . Înălțimea statică este proporțională cu diferența de înălțime peste care cade apa. Capul dinamic este legat de viteza apei în mișcare. Fiecare unitate de apă poate face o muncă egală cu greutatea sa înmulțită cu capul.
Puterea apei în cădere poate fi calculată din debitul și densitatea apei, înălțimea căderii și accelerația locală datorată gravitației:
UndeDe exemplu, puterea de ieșire a unei turbine cu o eficiență de 85%, un debit de 80 de metri cubi pe secundă și o înălțime de 145 de metri este de 97 megawați [nota 1] :
Operatorii hidrocentralelor compară energia totală produsă cu energia potențială teoretică a apei care trece prin turbină pentru a calcula eficiența. Procedurile și definițiile pentru calcularea eficienței sunt date în coduri de testare, cum ar fi ASME PTC 18 și IEC 60041. Testele pe teren cu turbine sunt utilizate pentru a verifica asigurarea performanței producătorului. Un calcul detaliat al eficienței unei hidroturbine ia în considerare pierderea de presiune din cauza frecării debitului într-un hidrocanal sau conductă, creșterea nivelului apei de evacuare din cauza debitului, locația stației și influența gravitației diferite. , temperatura aerului și presiunea barometrică, densitatea apei la temperatura ambiantă și înălțimile relative ale compartimentelor din față și din spate. Pentru calcule precise, este necesar să se ia în considerare erorile datorate rotunjirii și numărul de cifre semnificative ale constantelor.
Unele sisteme hidroenergetice, cum ar fi roțile de apă , pot extrage energie din fluxul de apă fără a-i modifica neapărat înălțimea. În acest caz, puterea disponibilă este energia cinetică a apei care curge. Roțile de apă supraejectate pot capta eficient ambele tipuri de energie [24] . Cursul unui flux poate varia foarte mult de la sezon la sezon. Dezvoltarea unei centrale hidroelectrice necesită analiza înregistrărilor de debit , uneori de decenii, pentru a evalua o aprovizionare anuală de energie fiabilă. Barajele și rezervoarele oferă o sursă mai fiabilă de energie prin netezirea variațiilor sezoniere ale debitului de apă. Cu toate acestea, rezervoarele au un impact semnificativ asupra mediului , la fel ca și schimbarea debitului natural al râului. Proiectarea barajului trebuie să țină cont de cel mai rău caz, „inundație maximă probabilă” la care se poate aștepta la fața locului; Un deversor este adesea inclus pentru a direcționa fluxurile de inundații în jurul barajului. Un model computerizat al bazinului hidrografic și înregistrările precipitațiilor și căderilor de zăpadă sunt utilizate pentru a prezice inundațiile maxime.
Au fost identificate unele deficiențe ale hidroenergiei. Oamenii care locuiesc în apropierea unei centrale hidroelectrice sunt deplasați în timpul construcției sau când malurile lacului de acumulare devin instabile [7] . Un alt dezavantaj potențial este că siturile culturale sau religioase pot bloca construcția [7] [nota 2] .
Barajele și rezervoarele pot avea un impact negativ grav asupra ecosistemelor fluviale , cum ar fi împiedicarea unor animale să se deplaseze în amonte, răcirea și dezoxigenarea apei evacuate în aval și pierderea nutrienților din cauza depunerii particulelor solide [25] . Sedimentele râurilor formează deltele râurilor, iar barajele nu le permit să restaureze ceea ce s-a pierdut ca urmare a eroziunii [26] [27] . Diguri și rezervoare mari și adânci acoperă suprafețe mari de teren, provocând emisii de gaze cu efect de seră din putrezirea vegetației sub apă. În plus, hidroenergie, deși la un nivel mai scăzut decât alte surse de energie regenerabilă , s-a descoperit că produce metan , care este un gaz cu efect de seră . Aceasta se întâmplă atunci când materia organică se acumulează la fundul unui corp de apă din cauza dezoxigenării apei, care declanșează digestia anaerobă [28] . În plus, studiile au arătat că construcția de baraje și rezervoare poate duce la pierderea habitatului pentru unele specii acvatice [7] .
Defecțiunile barajului pot avea consecințe catastrofale, inclusiv pierderea de vieți omenești, pierderea proprietății și poluarea terenurilor.
Este o moară cu apă o moară care folosește hidroenergie? prin intermediul unei roți de apă sau a unei turbine cu apă pentru a controla un proces mecanic, cum ar fi măcinarea (măcinarea), laminarea sau zdrobirea. Astfel de procese sunt esențiale în producția multor bunuri fizice, inclusiv făină, cherestea, hârtie, textile și multe produse metalice. Aceste mori de apă pot include gatere, fabrici de hârtie, fabrici de textile, mori de concasare, laminoare, mori de tragere.
Una dintre principalele modalități de clasificare a morilor de apă este orientarea roții (verticală sau orizontală), una este acționată de o roată hidraulică verticală printr-un mecanism de angrenaj, iar cealaltă este echipată cu o roată de apă orizontală fără un astfel de mecanism. Primul tip poate fi împărțit în continuare, în funcție de locul în care apa lovește vâslele roții, în morile de roată de apă ale împușcăturii, încălcării, sânului și pitchback-ului (împușcare din spate sau împușcare inversă). O altă modalitate de a clasifica morile de apă este după o caracteristică importantă a locației lor: morile de maree folosesc mișcarea mareei; morile de nave sunt mori de apă la bordul unei nave.
Morile de apă afectează dinamica râurilor unde sunt instalate. În timpul în care morile de apă funcționează, canalele tind să se așeze, mai ales în sălbăticie. În plus, inundațiile și tasarea zonelor inundabile din apropiere sunt în creștere în zona umedă. În timp, însă, aceste efecte sunt anulate din cauza creșterii nivelului malurilor râurilor. Acolo unde morile au fost îndepărtate, tăieturile râului cresc și canalele se adâncesc [29] .
Aer comprimatPresiunea abundentă a apei poate fi utilizată pentru a produce aer comprimat direct, fără piese în mișcare. În aceste modele, coloana de apă care căde este amestecată în mod intenționat cu bule de aer create de turbulențe sau de un reductor de presiune venturi de admisie de nivel înalt . Acest lucru îi permite să cadă pe puț într-o cameră subterană cu acoperiș înalt, unde aerul comprimat este acum separat de apă și prins. Înălțimea coloanei de apă care căde menține compresia aerului în partea superioară a camerei, în timp ce orificiul de evacuare, scufundat sub nivelul apei din cameră, permite apei să curgă înapoi la suprafață la un nivel mai scăzut decât intrarea. O ieșire separată în acoperișul camerei furnizează aer comprimat. O structură bazată pe acest principiu a fost construită pe râul Montreal la Ragged Shutes lângă Cobalt, Ontario, în 1910 și a furnizat minelor din apropiere 5.000 de cai putere [30] .
Hidroelectricitatea este cea mai mare aplicație a hidroenergiei. Hidroenergia produce aproximativ 15% din electricitatea mondială și asigură cel puțin 50% din totalul furnizării de energie electrică în peste 35 de țări [31] .
Generarea de energie hidroelectrică începe cu conversia fie a energiei potențiale a apei prezente datorită înălțimii amplasamentului, fie a energiei cinetice a apei în mișcare în energie electrică [28] .
Centralele hidroelectrice diferă prin modul în care colectează energie. Un tip include un baraj și un rezervor . Apa din rezervor este disponibilă la cerere pentru generarea de energie prin trecerea prin canale care leagă barajul de rezervor. Apa rotește o turbină, care este conectată la un generator care generează energie electrică [28] .
Un alt tip se numește o fabrică curentă. În acest caz, se construiește un baraj pentru a regla debitul de apă în absența unui rezervor . O centrală electrică la cursul râului are nevoie de un debit constant de apă și, prin urmare, are o capacitate mai mică de a furniza energie electrică la cerere. Energia cinetică a apei curgătoare este principala sursă de energie [28] .
Ambele modele au limitări. De exemplu, construcția unui baraj poate provoca disconfort locuitorilor din apropiere. Barajul și lacurile de acumulare ocupă un spațiu relativ mare, care poate fi rezistat de așezările din apropiere [32] . În plus, rezervoarele au potențialul de a avea impacturi grave asupra mediului, cum ar fi deteriorarea habitatelor din aval [28] . Pe de altă parte, o limitare a proiectului de curgere a râului este scăderea eficienței producției de energie electrică, deoarece procesul depinde de viteza debitului sezonier al râului. Aceasta înseamnă că sezonul ploios crește generarea de energie electrică comparativ cu sezonul uscat [33] .
Dimensiunea hidrocentralelor poate varia de la centrale mici, numite microhidrocentrale , până la centrale mari care furnizează întreaga țară cu această energie. Începând cu 2019, cele mai mari cinci centrale electrice din lume sunt baraje hidroelectrice convenționale [34] .
Hidroelectricitatea poate fi folosită și pentru a stoca energie sub formă de energie potențială între două rezervoare la înălțimi diferite folosind rezervoare de stocare pompate . Apa este pompată în sus în rezervoare în perioadele de cerere scăzută, pentru a fi eliberată pentru generare atunci când cererea este mare sau randamentul sistemului este scăzut [35] .
Alte forme de generare a energiei hidroelectrice includ generatoarele de curent de maree , care utilizează energia mareelor generată din oceane, râuri și sisteme de canale artificiale pentru a genera electricitate [28] .
Centrala hidroelectrică convențională (Hidroelectrică) este cel mai comun tip de generare de energie hidroelectrică.
Barajul Chief Joseph de lângă Bridgeport, Washington , este o stație majoră de curgere, fără un rezervor semnificativ.
Microhidrocentrală în nord-vestul Vietnamului
Rezervorul superior și barajul sistemului de stocare cu pompare Ffestiniog din Țara Galilor . Centrala inferioară poate genera 360 MW de energie electrică.
Ploaia a fost numită „una dintre ultimele surse de energie neexploatate ale naturii”. Când plouă, pot cădea miliarde de litri de apă care, dacă este folosită corespunzător, are un potențial electric enorm [36] . Sunt cercetate diferite metode pentru a genera energie din ploaie, de exemplu prin utilizarea energiei de impact a picăturilor de ploaie. Aceste studii sunt într-un stadiu foarte incipient în care tehnologiile noi și emergente sunt testate, prototipate și create. O astfel de forță a fost numită forța ploii [37] [38] . O metodă în care s-a încercat acest lucru este utilizarea panourilor solare hibride numite „panouri solare pentru orice vreme” care pot genera electricitate atât de la soare, cât și de la ploaie [39] .
Potrivit zoologului și educator în știință și inginerie Luis Villazon, „Un studiu francez din 2008 a arătat că puteți folosi dispozitive piezoelectrice care generează energie pe măsură ce vă deplasați pentru a extrage 12 miliwați dintr-o picătură de ploaie. Pe parcursul unui an, aceasta va fi mai mică de 0,001 kWh pe metru pătrat – suficient pentru a alimenta un senzor de la distanță.” Villazon a sugerat că cea mai bună aplicație ar fi colectarea apei de ploaie și utilizarea acesteia pentru a conduce o turbină cu o putere estimată de 3 kWh de energie pe an pentru un acoperiș de 185 m 2 [40] . Un sistem bazat pe microturbine creat de trei studenți de la Universitatea Tehnologică din Mexic a fost folosit pentru a genera electricitate. Sistemul Pluvia „folosește fluxul de apă de ploaie din jgheaburile de pe acoperiș pentru a învârti o microturbină într-o carcasă cilindrică. Electricitatea generată de această turbină este folosită pentru încărcarea bateriilor de 12 volți [41] .
Termenul „putere ploii” se aplică și sistemelor hidroenergetice care includ un proces de captare a ploii [36] [40] .