DAN STEMATIU 2008

Descrierea CIP a Bibliotecii Naionale a Romniei STEMATIU, DAN Amenajri hidroenerget ice / Dan Stematiu Bucurereti: Conspress, 2008 Bibliogr. ISBN 978-973-100-017-8 6 24.13 Colecia Carte universitara CONSPRESS B-dul Lacul Tei nr. 124, sector 2, Bucureti Tel: (021) 242 27 19 / 169; Fax: (021 ) 242 07 81 2

PREFA Resursele de energie hidraulic reprezint o parte important din resursele mondiale d e energie primar. Energia hidraulic este disponibil n natur sub forma energiei asocia t curgerii rurilor i a fluviilor, energie cunoscut sub denumirea hidro convenional i c energie a valurilor, a curenilor marini i a oscilaiilor periodice ale mareelor, ul timile fiind ncadrate n categoria energiilor hidro neconvenionale. Hidroenergia est e o form de energie regenerabil, ntre care se mai nscriu energia solar, energia eolia n i energia geotermal. Sursa primar a energiei hidraulice este radiaia solar i circuit l apei n natur. ntre diversele forme de energie regenerabil, hidroenergia este i va rm e pentru mult timp cea mai important surs utilizat. n prezent, energia generat anual pe cale hidro atinge 2,1 millioane de GWh, ceea ce reprezint ntre 16 i 18 % din con sumul de electricitate mondial. Cele mai pesimiste estimri accept c potenialul explo atabil este de ase ori mai mare. La nivel European, n 2007, hidroenergia producea peste 85% din energia regenerabil. n Romnia, la nivelul anului 2008, se produc anua l, n medie, cca 18 TWh, adic 35 % din consum, dar potenialul amenajabil este de 38 TWh / an. Energia hidroelectric este nu numai regenerabil, dar este i curat. Ea nu p roduce deeuri (cenui sau substane radioactive), nu produce bioxid de carbon care co ntribuie la efectul de ser, nu produce oxizi de sulf care stau la origina ploilor acide. Combustibilul ei este apa, un combustibil curat care nu sufer degradri pri n turbinare. Ansamblul construciilor i instalaiilor care asigur transformarea energi ei hidraulice n energie electric poart denumirea de amenajare hidroenergetic. Amenajr ile hidroenergetice convenionale cuprind lacuri de acumulare, create prin bararea cursurilor de ap, precum i canale, conducte sau galerii de derivare a apei spre c entrala hidroelectric, unde sunt amplasate turbinele i generatoarele. O categorie special o constitue uzinele hidroelectrice cu acumulare prin pompaj. Amenajrile hi droenergetice neconvenionale cuprind la rndul lor instalaii i mecanisme specifice de convertire a energiei valurilor i mareelor n energie mecanic i apoi electric. Lucrar ea de fa trateaz numai o parte din ansamblul de noiuni, baze teoretice i lucrri ingine reti care sunt cuprinse n sintagma amenajri hidroenergetice. Cuprinsul crii este defi nit de programa analitic a cursului cu denumire similar, pe care autorul l pred din anul 1982 la Facultatea de Hidrotehnic a Universitii Tehnice de Construcii Bucureti. Curicula specializrii cuprinde un curs extins dedicat construciilor hidrotehnice, unde sunt predate barajele i construciile aferente barajelor, prizele de ap, derivai ile sub presiune, prin conducte i galerii hidrotehnice, precum i derivaiile cu nive l liber prin canale. Astfel de construcii intr i n componena amenajrilor hidroenergeti ce, dar nu mai sunt tratate i n aceast lucrare. Cartea debuteaz cu un capitol introd uctiv, n care se prezint geneza i caracteristicile energiei hidraulice i se precizea z rolul energiei hidroelectrice n sistemul energetic. 3

Capitolul al doilea trateaz resursele hidroenergetice i schemele de amenajare. Pen tru nceput se prezint modul de evaluarea a potenialului hidroenergetic i estimrile pr ivind potenialul hidroenergetic al Romniei i potenialul hidroenergetic mondial. Sunt apoi detaliate soluiile de amenajare i principiile de alctuire a schemelor uzinelo r hidroelectrice (UHE). Un paragraf special este dedicat parametrilor energetici ai uzinelor hidroelectrice. Capitolul trei definete mai nti indicatorii tehnico ec onomici ai UHE. Se prezint apoi condiiile de comparare a variantelor hidroenergeti ce i criteriile de selecie i de dimensionare. Unele exemple de aplicare a criteriil or energo-economice la dimensionarea uzinelor hidroenergetice servesc aprofundrii noiunilor. O tratare succint a turbinelor hidraulice face obiectul capitolului pa tru. Curicula restrns a specializrii nu mai cuprinde un capitol de turbine hidrauli ce n cadrul cursului de maini hidraulice i staii de pompare i, ca urmare, noiunile str ict necesare au fost incluse n lucrarea de fa. Sunt prezentate, n succesiune, tipuri le de turbine hidraulice, turaia specific i principiile de similitudine, criteriile de selecie a tipului de turbin, fenomenul de cavitaie n turbine i randamentul turbin elor. Cel mai extins capitol trateaz centralele hidroelectrice pe derivaie. Sunt d etaliate dispoziiile generale ale centralelor supra i subterane i construciile speci fice acestora: camere de ncrcare, castele de echilibru i case de vane. Un capitol d e asemenea extins trateaz centralele hidroelectrice din frontul barat. Se prezint dispoziia general a centralelor baraj echipate cu turbine Kaplan i respectiv cu tur bine Bulb. Sunt prezentate apoi unele elemente de dimensionare hidraulic. n final sunt detaliate elementele constructive i calculele de rezisten aferente, precum i pr oblema stabilitii la alunecare. Capitolul apte este dedicat microhidrocentralelor. Sunt prezentate schemele caracteristice i specificul acestor amenajri care, n pofid a aportului lor modest ca surs energetic, sunt n prezent intens promovate, probabil conjuctural. Tocmai din acest motiv capitolul are un grad de detaliere ce poate prea neconcordant cu complexitatea mai redus a problemelor. Uzinele hidroelectric e cu acumulare prin pompaj sunt din ce n ce mai actuale, fiind singura form cu apl icare industrial de nmagazinare a energiei n exces din sistem. Ele sunt i singura so luie de acumulare a energiei eoliene, care se produce intermitent i dependent de f actorii exteriori. Capitolul opt trateaz cuprinztor aceste amenajri cu caracter spe cial. Resursele neconvenionale de energie hidraulic i sistemele de conversie a ener giei valurilor i mareelor n energie electric sunt prezentate n capitolul final. Lucr area se adreseaz cu predilecie studenilor de la facultile de construcii, dar prin rigo area tratrii i detalierile care exced programa cursului este util i inginerilor prac ticieni din domeniu. Autorul 4

CUPRINS 1. INTRODUCERE . 1.1. Geneza i caracteristicile energiei hidraulice.................. 1.2. Rolul energ iei hidroelectrice n sistemul energetic ........ Controlul unui sistem energetic .... ............................................. 1.3. Hidroenergia i mediul ........... ...................... 1.4. Scurt istoric ............................. Biblio

2. RESURSE HIDROENERGETICE I SCHEME DE AMENAJARE .................................................................... 2.1. Re laii de calcul i uniti de msur pentru putere i energie ......... 2.2. Potenialul hidr ergetic al cursurilor de ap .................. 2.3. Evaluarea potenialului hidroenerge tic liniar ......................... 2.4. Potenialul hidroenergetic al Romniei hidroenergetic mondial . 2.6. Scheme de amenajare ............................. ................................. 2.6.1. Scheme de amenajare ale uzinelor hidroe lectrice de tip baraj..... Uzina hidroelectric de la Itaipu ..................... ........................... Uzina hidroelectric de la Three Gorge ............... ..................... Uzina hidroelectric Hoover ................................ ..................... Amenajarea hidroenergetic a Dunrii ......................... ............. 2.6.2. Scheme de amenajare ale UHE de derivaie .................... ............. 2.6.3. Scheme de amenajare ale UHE mixte ......................... .................. 2.6.4. Principii de alctuire a schemelor UHE ................. ....................... 2.7. Parametri energetici ai uzinelor hidroelectrice ... .............................. 2.7.1. Lacul de acumulare ....................... ................................................ 2.7.2. Debitul instalat ....... ....................................................................... 2.7.3. Cd erea ........................................................................... .............. 2.7.4. Puterile caracteristice ale UHE .......................... ........................... 2.7.5. Energia livrat de UHE ........................ ......................................... Bibliografie ... 25 25 27 2 67 67 70 70 73 75 77 3.

STABILIREA PARAMETRILOR ENERGETICI I DIMENSIONAREA UHE............................. .. 79 79 80 81

3.1. Indicatorii tehnico economici ai UHE 3.2. Condiii pentru compararea vari ...................................... 3.2.1. Aducerea la echivalen a variantelor ........................................... 5

3.2.2. Indicatori de comparaie .................................................. ............ 3.3. Criterii de selecie i de dimensionare .......................... ....................... 3.3.1. Criterii bazate pe durata de recuperare a investii ei..................... 3.3.2. Criteriul cheltuielilor toatale actualizate minim e . 3.4. Exemple de aplicare a criteriilor energoeconomice la dimensionarea unei UHE .......................................................... 3.4.1. Determinarea p uterii instalate .. 3.4.2. Determinarea nlimii barajului .. 3.4.3 ..................................... 3.5. Evaluarea oportunitii de investire n UHE ...................................... 3.5.1. Criterii tradiionale 3.5.2 alizare ........................................................ 82 83 83 84 91 91 94 97 104 105 105 Bibliografie 107

4. TURBINE HIDRAULICE ............................................. ............ ...... 4.1. Tipuri de turbine hidraulice .... 4.1.1. Turbine cu impuls .... urbine cu reaciune ...... 4.2. Turaie specific i similitudine .. udine .......................... 4.2.2. Turaia specific ......................... ....................................... 4.3. Dimensionarea preliminar .. 4.3 inele Pelton 4.3.2. Relaii pentru turbinele Francis . 4.3.3. Rela pului de turbin .. 4.4.1. Selecia n funcie de cdere ................ re i debit ..... 4.4.3. Selecia n funcie de turaia specific ... 4.5 ... 4.6. Randamentul turbinelor .......................................... Bibliografi 109 109 109 113 118 118 119 121 121 122 122 123 123 124 124 124 126 128 129 129 130 130 133 136 140 143 147 147 154

5. CENTRALE HIDROELECTRICE PE DERIVAIE 5.1. Consideraii generale . 5.2. Dispoziia general a centralelor suprat ipate cu turbine Kaplan ................... Studiu de caz: Stabilitatea la alune care a ansamblului cas de vane, conduct forat i centrala hidroelectric Vaduri 5.2.2. C entrale echipate cu turbine Pelton ............................................ 5.2.3. Centrale echipate cu turbine Francis..................................... ......... 5.2.4. Elemente caracteristice pentru dispoziia general a centralelor 5. 3. Dispoziia general a centralelor subterane . 5.3.1. Consideraii generale cu turbine Pelton ............................ 6

5.3.3. Centrale subterane echipate cu turbine Francis 5.3.4. Centrale n pu . n exploatare n Romnia 5.4. Construcii specifice centralelor pe derivaie .......... ere de ncrcare ................................................................... 5.4.2. Castele de echilibru ................................................... ................. 5.4.3. Case de vane Bibliografie 155 158 159 165 165 175 199 201 203 203 204 204 210 214 215 215 220 221 224 224 227 228 230 231 231 232 233 237 239 239 243 243 245 248 248 251 252 253 254 258 258 258 260 262

6. CENTRALE HIDROELECTRICE N FRONTUL BARAT 6.1. Elemente caracteristice . 6.2. Dispoziia general a centralelor baraj .. 6.2.1. Elemente componente i particulariti constructive ................... 6.2 .2. Elemente caracteristice ale dispoziiei generale ......................... 6.2 .3. Centrale n pile ............................................................. ............... 6.3. Dispoziia general a centralelor baraj echipate cu turbine Bul b 6.3.1. Elemente componente i particulariti constructive ................... 6.3.2 . Comparaie ntre echiprile Bulb i Kaplan ................................. Centralel e sistemului hidroenergetic Porile de Fier I i II........ 6.4. Dimensionarea hidra ulic ..................................................................... 6.4.1. Calculul prizei . ....... 6.4.2. Calculul camerei spirale .. .. 6.4.4. Dimensiuni orientative ale circuitului hidraulic ..................... ..... 6.5. Alctuirea constructiv i calcule de rezisten .. 6.5.1. Elemente constr sten . 6.5.3. Stabilitatea la alunecare .......................... ............................................................................. 7. MICROHIDROCENTRALE ..................... 7.1. Definiii i elemente caracteristice .......................................... ............. 7.2. Scheme de amenajare ......................................... .................................. 7.2.1. Microhidrocentrale de cdere medie sau m are ........................... 7.2.2. Microhidrocentrale de joas cdere .......... ................................. 7.3. Dimensionare energetic i evaluare economic . ............................... 7.3.1. Debitul i puterea instalat ................ ........................................ 7.3.2. Alegerea tipului de turbin ...... .................................................. 7.3.3. Evaluarea energiei pro duse n anul hidrologic mediu ............... 7.3.4. Aspecte economice ........... ......................................................... 7.4. Echipamentul hidr omecanic i electric ................................................ 7.5. Particu lariti constructive .............................................................. ..... 7.5.1. Consideraii generale ............................................... ................... 7.5.2. Priza de ap .......................................... ..................................... 7.5.3. Conducta de derivaie ............... ................................................. 7.5.4. Cldirea centralei ...... ............................................................... 7

Bibliografie ................................................................... ................................ POMPAJ ........................................... ........... 8.1. Consideraii preliminare. 8.2. Rolul i funciile UHEAP... ........................................ 8.3. Clasificarea UHEAP ............... .............................................................. 8.4. Tendine n dome niul grupurilor UHEAP ......................................... 8.5. Scheme de a menajare ....................................................................... .... Etanarea i drenarea rezervoarelor superioare. Studiu de caz....... 8.6. Randa mentul ciclului pompare turbinare ....................................... 8.6.1. Randamentul tehnic. 8.6.2. Eficiena energetic .. 8.6.3. C 265 267 267 269 270 273 275 283 287 287 288 289 289 8. UZINE HIDROELECTRICE CU ACUMULARE PRIN

9. RESURSE NECONVENIONALE DE ENERGIE HIDRAULIC 291 9.1. Consideraii preliminare 291 9. urenii marini 292 9.2. Hidroenergie din valuri marine .. 9.2.1. Putere luii de valorificare a energiei valurilor 9.2.3. Convertorul Pelamis ilor de pe litoralul romnesc al Mrii Negre....................................... Impactul asupra mediului ...................................................... .... 9.3. Hidroenergie din maree ............................................ 9.3.1. S luii de recuperare a energiei asociate mareelor ....... 9.3.2. Elice n cureni mareici .... 9.3.3. Centrale mareo-motrice ............................................ Studiu de caz:Estuarul Severn ................................................. 9.3.4. Impactul asupra mediului ............................................... .......... Bibliografie ... 294 294 296 302 304 307 307 307 308 311 3 8

1 INTRODUCERE 1.1. GENEZA I CARACTERISTICILE ENERGIEI HIDRAULICE Resursele de energie hidraulic reprezint o parte important din resursele mondiale de energie primar, a cror utiliza re este indispensabil pentru a se putca asigura acoperirea consumului de energie n continu cretere n toate rile. Energia hidraulic este disponibil n natur sub mai mul rme : energia debitelor rurilor i a fluviilor; energia oscilaiilor periodice ale ma reelor ; energia valurilor si a curenilor marini; Energia hidraulic convenional este energia aferent rurilor i fluviilor, curent numit energie hidro. Diferena de nivel nt re cota unei seciuni de la care cade (curge) apa i cota seciunii la care ajunge apa , reprezint msura energiei poteniale. n natur acest energie se transform n energie ci ic, regsit sub forma curgerii apei ntre cele dou cote. Resursele hidraulice de energi e se regenereaz continuu, prin transformarea i acumularea naturala a energiei sola re. Sursa primar a energiei hidraulice este radiaia solar i circuitul apei n natur. Ra diai solar produce evaporarea (n special de pe oceanul planetar), norii ncrcai cu vapo i de ap se deplaseaz ctre uscat, n anumite condiii condenseaz, precipitaiile cad pe su rafaa uscatului i o parte din volumul de ap formeaz scurgerea de suprafa (fig. 1.1). Nori care produc precipitaii Ape de suprafa Precipitai i Evapotranspiraie Evaporare Apa subteran Figura 1.1. Circuitul apei n natur Pornind de la aceste considerente, rezult clar c energia hidro este regenerabil. Ct timp vor fi precipitaii apa se va colecta i va cu rge n albiile cursurilor de ap i 9

energia hidro va fi prezent. Desigur, sunt n desfurare cercetri pentru dezvoltarea i a unor alte surse de energie regenerabil. ntre energiile regenerabile care au deja aplicare la scar industrial sunt energia eolian i energia solar. Lor li se adaug la o scar mai redus energia geotermal, energia provenit din biomas etc. Contribuia acestor alte surse de energie regenerabil este nc foarte modest. Hidroenergia este pe depart e cea mai important surs de energie regenerabil utilizat n prezent. Energia generat an ual pe cale hidro atinge 2,1 millioane de GWh, ceea ce reprezint ntre 16 i 18 % din consumul de electricitate mondial. Cele mai pesimiste estimri accept c potenialul e xploatabil este de ase ori mai mare. La nivel European, n 2007, hidroenergia produ cea peste 85% din energia regenerabil, care, la rndul ei trebuie s creasc cu 8% pe a n pn n 2010. n Romnia se produc annual, pe cale hidro, cca 18 TWh, adic 35 % din consu m, dar potenialul amenajabil este de 38 TWh / an. O situaie edificatoare privind r esursele energetice i contribuia energiilor regenerabile pe plan mondial este reda t n figura 1.2. a Figura 1.2. Sursele de energie electric la nivel mondial n 2007 Datorit rezervelor limitate ale resurselor tradiionale (crbune, petrol, gaz), a caracterului de pia con trolat geopolitic pentru resursele tradiionale i a creterii rapide a consumului de e nergie, se impune extinderea n viitor a utilizrii surselor regenerabile. Un motiv n plus l constitue impactul asupra mediului (efectul de ser, ploile acide, nclzirea g lobal) creat prin utilizarea resurselor tradiionale. Valorificarea energiei hidrau lice primare ca energie hidroelectric se face prin intermediul turbinelor hidraul ice i a generatoarelor electrice. Apa trece prin palele turbinei i o pune n micare d e rotaie, energia hidraulic devenind energie mecanic. Turbina rotete la rndul ei roto rul generatorului n cmpul magnetic al statorului i prin fenomenul de inducie electro magnetic se convertete energia mecanic n energie electric (fig. 1.3). Transformarea e nergiei hidraulice n energie electric se face cu randamente foarte bune, ceea ce c ontribuie la eficiena economic a fructificrii ei. 10

Figura 1.3. Transformarea energiei hidraulice n energie electric n cele mai multe c azuri energia hidro se concentreaz ntr-o anumit seciune prin barare, sau prin deriva rea curgerii fa de albia natural prin canale sau galerii. Soluii de principiu sunt p rezentate n figurile 1.4 i 1.5. Figura 1.4. Concentrarea cderii prin bararea cursului de ap 11

Priz Camer de ncrcare Conduct forat CHE

Figura 1.5. Concentrarea cderii prin derivarea debitelor turbinate Energia hidroe lectric este nu numai regenerabil, dar este i curat i disponibil atunci cnd consumator i o cer. Ea nu produce deeuri (cenui sau substane radioactive), nu produce bioxid d e carbon care contribuie la efectul de ser, nu produce oxizi de sulf care stau la origina ploilor acide. Combustibilul ei este apa, un combustibil curat care nu sufer degradri prin turbinare. Comparativ cu hidroenergia, care este nmagazinabil n l acuri de acumulare i poate rspunde prompt la cerine, celelalte surse de energie reg enerabil sunt dependente de schimbrile sezoniere, zilnice sau chiar orare ale vrem ii. Energia eolian i energia solar depind de vnt i de soare. Sunt surse intermitente. Valorificarea lor n acord cu cerinele consumatorilor se poate face eficient numai prin conexare cu hidroenergia. Marile ferme eoliene, care sunt din ce n ce mai n umeroase, pot suplini o parte din energia hidro, iar cnd energia produs de ele nu are debueu la consumatorii tradiionali poate fi stocat n lacuri de acumulare, aa cum se va vedea n paragraful urmtor. Lacurile de acumulare servesc, de cele mai multe ori, nu numai pentru stocarea energiei hidraulice, dar i pentru o serie de alte f olosine. Marile lacuri asociate amenajrilor hidroenergetice protejeaz mpotriva inund aiilor, prin atenuarea viiturilor, sunt importante surse pentru alimentarea cu ap a populaiei i a industriilor, asigur debit pentru irigaii n perioadele secetoase, pot fi importante centre de dezvoltare a turismului. n cazul amenajrilor fluviale, ni velul apei este controlat prin barare iar navigaia este mult favorizat, desigur pr in construcia de ecluze n frontul barat. Ansamblul construciilor i instalaiilor care asigur transformarea energiei hidraulice n energie electric poart denumirea de uzin h idroelectric (UHE). Volumul mare de lucrri i complexitatea acestora conduc la costu ri mari de investiie. Efortul financiar pentru investiia iniial este mare, dar este compensat de durata mare de via a unei uzine hidroelectrice. Cu foarte rare excepii , uzinele construite pn n prezent sunt toate n exploatare, este drept cu unele inter venii de retehnologizare. 12

Avantajul principal este preul de cost extrem de redus n raport cu cel al surselel or tradiionale de energie electric. O comparaie concludent este redat n figura 1.6. Co stul este redus pentru c, odat amortizat investiia iniial, sursa de energie este curge rea apei care nu implic costuri, ci eventual taxe bazinale. Chiar costurile de op erare sunt mult reduse pentru c instalaiile i construciile sunt simple i robuste, iar fiabilitatea este mare. 5 4 3 2 1 0 Figura 1.6. Structura preului de cost la principalele surse de energie electric Re zumnd, principalele caracteristici ale energiei hidroelectrice sunt: Sursa este r egenerabil i nepoluant; Randamentul transformrii energiei hidraulice n energie electr ic este ridicat; Acumulrile amenajrilor hidroenergetice asigur i alte folosine - atenu area viiturilor, navigaie, alimentri cu ap etc.; Uzinele hidroelectrice au durat mar e de via; Costurile de investiie sunt mari, dar costurile de ntreinere i operare sunt foarte reduse; Hidroenergia are un rol important n cadrul sistemului energetic. 1 .2. ROLUL ENERGIEI HIDROELECTRICE N SISTEMUL ENERGETIC Sistemul Electroenergetic (SE) reprezint ansamblul instalaiilor electroenergetice interconectate, situate pe teritoriul unei regiuni, a unei ri, sau a unei grupri de teritorii, prin care se r ealizeaz producerea, transportul, distribuia i utilizarea energiei electrice. Siste mul Electroenergetic Interconectat este un sistem electroenergetic format prin i nterconectarea a dou sau mai multe sisteme electroenergetice care funcioneaz n paral el. Consumul de energie electric reprezint valoarea total a energiei electrice abso rbite de la reea de beneficiari, ntr-un timp specificat (consum zilnic, lunar, anu al etc.). USD ceni pe kWh produs 13

Puterea total care trebuie sa fie produs de centralele sistemului energetic este d ictat in fiecare moment de necesitile de putere nsumate ale consumatorilor, care au variaii zilnice, sptmnale i sezoniere caracteristice. Reprezentarea grafic a puterii c erute de consumatori n timp se numete graficul sau curba de sarcin. Variaia n timp a puterii totale cerute de toi consumatorii n decurs de o zi reprezint graficul de sa rcin zilnic P(t), iar energia zilnic consumat este (fig. 1.7): E z = P (t ) dt 0 24 (1.1)

Curbele de sarcin ale zilelor de lucru se mpart n trei zone caracteristice: zona de vrf, corespunzatoare sarcinilor variabile, ale vrfurilor de diminea si de sear, situ ate deasupra sarcinei minime dintre cele dou vrfuri (golul de zi), care se poate a coperi numai de centrale electrice ce pot funciona cu sarcini variabile i pot fi p ornite i oprite cel puin de dou ori n decursul unei zile; zona de semivrf, cuprins n sarcina la golul de zi i sarcina la golul de noapte, care se acoper n mod normal d e centrale care pot fi oprite, sau crora li se poate reduce sarcina n cursul nopii; zona de baz, situat sub sarcina minim de noapte, care se acoper de centrale cu funci onare continu n tot cursul zilei. Pv = putere de vrf; Psv = putere de semivrf; Pb = putere de baz Figura 1.7. Graficul de sarcin zilnic pentru o zi lucrtoare n figura 1.7, dreapta, se mai disting curba de durat a puterilor, care reprezint numrul de ore dintr-o zi n care o anumit putere este cerut de sistem i curba integral a energiei, definit de re laia (1.1). 14

n cazul n care cantitatea de energie cerut de consumatori este mai mare sau mai mic dect cantitatea de energie livrat de productori, n reea apar perturbaii de tensiune i e frecven, care pun n pericol funcionarea consumatorilor, ducnd la avarii grave ale a cestora. Ca urmare, cantitatea de putere livrat (energie produs) trebuie s fie egal, n orice moment, cu cantitatea de putere consumat (energie consumat). Curbele de sa rcin prezint anumite aspecte caracteristice, care depind de structura i ponderea di feritelor categori de consumatori, de variaia condiiilor naturale i climatice n decu rsul anului, de programul de lucru i zilele de repaos, de situaia economic i obiceiu rile de via ale populaiei, de tarifele de vnzare ale energiei electrice etc. O carac terizare global a variaiei puterii cerute zilnic este dat de indicele de aplatizare , sau coeficientul de utilizare a sarcinii maxime, reprezentnd raportul dintre sa rcina medie i sarcina maxim: = Pmed Pmax (1.2) In zilele de lucru ale unei sptmni curbele de sarcin sunt asemntoare, avnd variaiuni itate de 2...3% de la o zi la alta, datorit n special modificrii condiiilor meteorol ogice. n zilele de repaos, sarcina medie reprezint ntre 70 i 80% din aceea a zilelor de lucru, iar in ziua de lucru care urmeaz dupa ziua de repaos circa 93...94%, d in cauza sarcinii de noapte mai sczute. n figura 1.8 se prezint comparativ curbele de sarcin ale zilelor unei sptmni dintr-o zon cu economie dezvoltat, iar n figura 1.9 lemente comparative ale graficelor de sarcin pentru zi de lucru i zi de repaos. Figura 1.8. Grafice de sarcin n decursul unei sptmni 15

Figura 1.9. Diferene ntre alura graficelor de sarcin pentru zi de lucru (cu dou vrfur i) i zi de repaus (cu un singur vrf). n condiiile din Romnia, diferenele dintre zona d e vrf i golul de noapte (cea mai descrcat zon a curbei) variaz n funcie de sezon i s ueaz n jurul valorii de 25...30% din maximul zilnic. Sarcinile de vrf i consumul lun ar de energie electric au valorile maxime n lunile decembrie i ianuarie si valorile minime n lunile iunie i iulie. Este de semnalat faptul c, n ultimii ani, n verile fo arte clduroase, cu temperaturi extreme, se manifest modificri semnificative datorit instalaiilor de aer condiionat. Consumul mediu lunar de energie electric, precum i s arcina medie lunar au n cursul anului o variaie sezonier, asemntoare cu aceea a sarcin ilor de vrf maxime lunare. Pentru caracterizarea regimului anual de variaie a curb elor de sarcin se utilizeaz indicele care reflect durata de utilizare a sarcinii ma xime anuale: T= Ean Pmax, an (1.3) exprimat ca raport dintre cantitatea de energie electric produs pentru consum inte rn anual i puterea (sarcina) de vrf maxim anual. n sistemul energetic, contribuia cent ralelor electrice trebuie s asigure acoperirea curbelor de sarcin n condii tehnice n ormale privind calitatea energiei livrate (frecven, tensiune) precum i funcionarea n condiii economice optime a productorilor de energie electric. Tipurile de centrale electrice care asigur acoperirea curbelor de sarcin depind evident de zonele carac teristicile ale acestora. Pentru acoperirea zonei de baz sunt indicate centrale c u flexibilitate sczut n pornire/oprire, care au predominant o funcionare continu, de obicei cu o putere constant : centralele de termoficare, cu puterea livrat depende nt de consumul de caldur cerut pentru termoficare; 16

centralele termoelectrice de condensaie (CTE), echipate cu grupuri de mare putere i parametri superiori; centralele nuclearo-electrice, cu o producie mare de energ ie practic constant pe toat durata de operare; UHE pe firul apei, sau cu acumulri m ici, n perioadele cu debite afluente mari, pentru a evita pierderi de energie pri n deversarea apei. Pentru acoperirea zonei de semivrf sunt indicate: centralele t ermoelectrice de condensaie, care pot funciona n orele de noapte cu sarcin redusa sa u pot fi oprite; UHE cu acumulri pentru regularizare zilnic, n perioade de debite m ijlocii; Pentru acoperirea zonei de vrf pot fi utilizate numai centralele care au elasticitate mare n funcionare, care au posibilitatea de a fi puse n funciune i de a fi oprite de mai multe ori pe zi fr inconveniente tehnice, care au timp foarte sc urt de pornire i vitez de ncrcare mare pn la plin sarcin, care au randamente ridicate sarcini variabile i la durate de utilizare reduse. Dintre toate tipurile de cent rale, cele hidroelectrice cu lacuri de acumulare mari au caracteristicile cele m ai potrivite pentru o exploatare la vrf de sarcin. Acoperirea vrfului de sarcin o ma i pot asigura, dar cu costuri mult mai mari (vezi fig. 1.6), centralele cu turbi ne cu gaz i CTE cu turbine de construcie special. Repartiia sarcinii zilnice pe tipu ri de centrale este prezentat n figura 1.10. Figura 1.10. Acoperirea curbei de sarcin zilnic de ctre diferitele tipuri de centra le electrice Dup cum se observ n figur, vrful de sarcin este preluat de uzinele hidroe lectrice (UHE) dar i de uzinele hidroelectrice cu acumulare prin pompaj (UHEAP), a cror principiude funcionare se prezint n paginile urmtoare. 17

Prin calitile lor tehnice i economice (elasticitate, fiabilitate, pre de cost redus) centralele hidroelectrice sunt amenajri deosebit de adecvate i pentru ndeplinirea operativ a serviciilor tehnologice de sistem cum sunt: reglarea frecvenei, reglaju l secundar frecven-putere, rezerva turnant, rezerva teriara rapid i reglajul tensiunii . Unele explicaii privind serviciile tehnologice amintite sunt sumar prezentate n caset. CONTROLUL UNUI SISTEM ENERGETIC Controlul activ de tensiune frecven se face n vederea meninerii n limite acceptabile ale valorii nominale a frecvenei. Dispoziti vele de control ncearc s echilibreze n timp real att producia ct i cererea de electri ate. Cel mai important este controlul primar, care este un control local, automa t al vitezei generatorului, realizat de regulatorul de vitez, acionnd asupra vanelo r de control care regleaz debitul de ap care intr n turbin. Cnd viteza generatorului c rete, vana de control reduce debitul intrat n turbin diminund puterea mecanic. Un efe ct invers se obine cnd are loc o reducere a vitezei. Raportul dintre devierea de l a viteza nominal i creterea energiei rezultate este cunoscut sub numele de droop, c aracteristic intrinsec a regulatorului de vitez. Aciunea acestuia joac un rol cheie n meninerea frecvenei ct mai aproape de valoarea sa nominal, evitnd devieri semnificati ve de la aceasta. Caracteristica dinamic a acestui control se situeaz ntr-un interv al de cteva secunde. Controlul tensiunii i managementul puterii reactive se face n vederea meninerii unui profil adecvat al tensiunii n sistemul de transport, din pu nct de vedere al calitii furnizrii i al siguranei. Sistemele energetice sunt echipate cu dispozitive de management al puterii reactive/control al tensiunii. Controlu l primar este un control automat local realizat de regulatorul automat de tensiu ne al generatorului, care regleaz nivelul tensiunii la bara colectoare a blocului , acionnd asupra sistemului de excitaie care alimenteaz furnizarea cu curent continu u a rotorului. Se produce o variaiei n sensul creterii/descreterii puterii reactive care permite readucerea nivelului de tensiune la valoarea prescris. Caracteristic a dinamic a acestui control se situeaz ntr-un interval de cteva secunde. Pornirea la rece nseamn repornirea sistemului energetic n cazul n care are loc o ntrerupere comp let a acestuia. n vederea pornirii la rece, grupurile generatoare trebuie s realize ze pornirea sistemului energetic fr alimentri de energie de la reea. Funcia pornirii la rece include i pregtirea de instruciuni detaliate pentru toi participanii implicai activitatea de furnizare de electricitate, care trebuie respectate n cazul unei opriri totale a sistemului. Funciile dinamice (reglajele) i rezerva de putere ca i funciile cinetice (urmrirea i acoperirea sarcinii programate) nu sunt independente ci sunt interactive i se nlnuiesc. Astfel, urmrirea curbei de sarcin este un program d e acoperire a sarcinilor ntr-un anumit interval de timp, corectat n timp real n fun cie de ecarturile aleatoare de la starea de echilibru a sistemului prin acionarea diferitelor reglaje. 18

n prezent, n Romnia, centralele hidro sunt principalele furnizoare de servicii tehn ologice de sistem, acoperind aproximativ 80% din rezerva minut a sistemului ener getic. La acoperirea necesarului de putere de reglaj secundar particip opt centra le hidroelectrice mari: Porile de Fier I, Stejarul, Corbeni, Ciunget, Glceag, ugag, Mrielu i Retezat. Puterea lor instalat nsumeaz 2845 MW, din care o band total de 400 MW este prevzut pentru acest reglaj. Atunci cnd condiiile naturale nu ofer amplasamen te favorabile sau economic amenajabile pentru UHE clasice, acoperirea vrfurilor d e sarcin i a serviciilor de sistem se poate asigura prin uzine hidroelectrice cu a cumulare prin pompaj (UHEAP). Aceste amenajri sunt alctuite dintr-un rezervor infe rior, care poate fi i lacul de acumulare al unei UHE clasice, i un rezervor superi or (aflat la o cot superioar), n care apa este acumulat prin pompaj. Pomparea se fac e atunci cnd n sistemul energetic exist un surplus de putere disponibil, aa cum se ntm l n cursul nopii sau n zilele de weekend. Din rezervorul superior apa este descrcat n ezervorul inferior prin turbine, producnd energie electric, n perioadele de vrf de s arcin (fig.1. 11 i 1.12). La fel ca n cazul UHE clasice, grupurile turbin generator pornesc rapid i acoper cerinele de sarcin sau de servicii de sistem. UHEAP sunt sing urele nmagazinatoare de energie semnificative din sistem, contribuind la mbuntirea fa ctorului de sarcin. Aa cum s-a mai artat, prin UHEAP se poate mbuntii i aportul n si al energiei eoliene. Cnd bate vntul i exist disponibil de energie acesta servete pompr ii apei n rezervorul superior. Turbinarea se face la vrf de sarcin, asigurnd acoperi rea cerinelor din sistem. Figura 1.11. Principiul uzinelor hidroelectrice cu acumulare prin pompaj (UHEAP) n multe dintre rile cu sisteme energetice dezvoltate, unde resursele de hidroenerg ie clasic au fost epuizate sau nu pot fi valorificate datorit restriciilor, UHEAP r eprezint singura alternativ pentru echilibrarea sistemului energetic. Un avantaj s uplimentar const n faptul c amplasarea lor nu este direct legat de condiiile hidrogra fice ale unui bazin i deci pot fi construite n centrul de grutate al consumului, c u avantaje semnificative privind distibuia. La nivelul anului 2005, peste 20% din turbinele cele mai mari din lume erau instalate n UHEAP. 19

Figura 1.12. Alternana pompare turbinare la UHEAP 1.3. HIDROENERGIA I MEDIUL Oamen ii i aciunile lor fac parte din mediul natural. Materialele de construcie, energia, hainele, alimentele i toate celelalte necesare vieii provin din resurse naturale. Lumea n care trim este puternic afectat de interveniile antropice pentru crearea co ndiiilor de via, a comfortului, a siguranei oamenilor. Pe msur ce omenirea crete i se zvolt, oamenii devin din ce n ce mai dependeni de resursele din natur. Pentru satisf acerea multora dintre nevoile zilnice oamenii au nevoie de energie electric. Cele mai multe surse nu sunt regenerabile i sunt n cantiti limitate. Sunt necesare noi f oraje de sond, noi mine de crbune i de uraniu, imense depozite de gaze naturale. Ex ploatarea oricror surse de energie are un cost de mediu. Folosirea lor pentru pro ducerea de energie are de asemenea impact asupra aerului, a solului i a apelor, d eci noi costuri de mediu. Oamenii i doresc un mediu curat. n acelai timp oamenii i dor esc energie pentru nclzirea i iluminatul locuinelor i pentru a pune n micare toat gam e aparatur legat de comfort. Care este soluia? Fie se reduce cererea de energie ele ctric, fie se gsesc i se dezvolt acele surse care sunt acceptabile din punctul de ve dere al efectelor asupra mediului. Conservarea energiei pare a fi o cale, dar cr eterea continu a populaiei i dorina de avea acces la comfort a populaiei din rile n de dezvoltare fac ca rezultanta s conduc totui la cereri sporite de energie electri c. n aceste condiii, trebuie examinate toate categoriile de surse i promovate cele m ai eficiente i acceptabile alternative. Hidroelectricitatea este una dintre soluii le care rspunde acestui deziderat. Hidroelectricitatea folosete o surs regenerabil, nu polueaz aerul apa i solul, este sigur i are costuri reduse. n plus, are caracteris tici energetice care o fac indispensabil n sistemul energetic. Aa cum s-a artat, ame najrile hidroenergetice cu lacuri de acumulare aduc i alte beneficii semnificative : atenueaz viiturile, asigur alimentarea cu ap a populaiei i economiei, furnizeaz ap p ntru irigaii. Un beneficiu ce nu trebuie neglijat este 20

crearea de peisaje i faciliti pentru recreere, condiii pentru pescuitul sportiv i pen tru sporturi nautice. Amenajrile pentru producerea de hidroelectricitate au i efec te negative asupra mediului natural sau social. Prin barare se inund suprafee de t eren, este afectat migraia petilor, se colmateaz zonele de acces n lac. Consecinele ec ologice ale acestor amenajri sunt favorabile sau nefavorabile, n funcie de climat i de condiiile naturale din amplasament. n ceea ce privete mediul social, amenajrile h idroenergetice au efecte pozitive dar i negative. Costurile sociale sunt date de modificarea folosirii terenurilor i inundarea cuvetei lacului, strmutarea populaiei din amprenta amenajrii, discomfortul localnicilor pe perioada relativ lung a exec uiei lucrrilor. n acelai timp dezvotarea hidroenergetic aduce dup sine noi drumuri bun e, dezvoltarea turismului, locuri de munc pentru cei ce o deservesc, dezvoltare o rizontal a industriilor legate de ntreinerea instalaiilor i construciilor etc. O sinte z a celor bune i a celor rele este prezentat n figura 1.13. Figura 1.13. Efecte favorabile (csue albe) i defavorabile (csue gri) ale unei amenajri hidroenergetice Cele cteva consideraii de mai sus nu constitue o analiz, n adevratul sens al cuvntului, a impactului amenajrilor hidroenergetice asupra mediului. Exis t n prezent numeroase publicaii, iar la nivelul Asociaiei Internaionale a Hidroenergi ei (IHA- International Hydropower Association) sunt dezvoltate proceduri specifi ce de analiz. Ceea ce se poate spune n final este c hidroenergia are o istorie i o c azuistic care permite cunoaterea n detaliu a problemelor i c bunele practici de reduc ere a efectelor negative asupra mediului sunt cunoscute profesiei. 21

1.4. SCURT ISTORIC Cea mai veche utilizare a energiei apelor este atestat n China i n Egiptul antic, unde au aprut roile de ap. Vechii greci i romanii utilizau mori de ap (cu roi hidraulice) pentru mcinatul grnelor. n figura 1.14 este prezentat o moar de ap dup descrierea lui Vitruvius, care include transmisii cu roi dinate.

Figura 1.14. Moar de ap roman Primele roi de ap, cu ax orizontal, erau puse n micare d apa care curgea printr-un canal special amenajat (fig.1.15,a). Mai trziu randame ntul roilor de ap a fost mbuntit prin crearea de cderi artificiale folosind jghiaburi entru aducerea apei la partea de sus a roii (fig.1.15,b). Roile erau puse n micare d e greutatea apei care umplea cupele de pe periferia roii. Se obineau randamente de pn la 85%. a b

Figura 1.15. Roi hidraulice: a puse n micare de curent la baza roii; b- puse n micare de cderea apei la partea superioar n evul mediu roile de ap au fost frecvent utilizat e de meteugari. Au aprut i noi maini hidraulice. n Norvegia, cea mai utilizat main e ernkallen, care era o roat hidraulic cu ax vertical. Rotorul era format din pale r adiale la care apa ajungea printr-un jgheab nclinat. Dispunerea palelor era artiz anal, iar randamentele rar depeau 50%. 22

n perioada revoluiei industriale energia hidraulic a jucat un rol important n dezvol tarea industriilor textile i a pielritului. Primele orae industriale au fost asocia te energiei apelor. Au fost construite baraje i canale, iar ori de cte ori cderea d epea 5 m s-au instalat roi hidraulice. Barajele mari i lacurile de acumulare au aprut mult mai trziu i ca urmare energia apei trebuia dublat de maini cu abur pentru pero iadele cnd debitele erau mici. Renaterea energiei hidraulice s-a produs odat cu dez voltarea electricitii i a generatoarelor. Prima uzin hidroelectric s-a realizat n 1880 n Cragside, Northumberland. Construcia de hidrocentrale a cptat apoi avnt, s-au perf ecionat turbinele, au aprut lucrri hidrotehnice importante. La nivelul anului 1920, n Statele Unite ale Americii, 40% din energia electric se producea pe cale hidro. Principiile care stau la baza uzinelor hidroelectrice au rmas aceleai i n prezent. Amenajrile hidroelectrice cuprind lacuri de acumulare create prin bararea cursuri lor de ap, canale, conducte sau galerii de derivare a apei spre centrala hidroele ctric, unde sunt amplasate turbinele i generatoarele. Pe plan mondial hidroelectri citatea reprezint cca un sfert din producia de energie electric i este n continu extin dere. Sunt ri n care energia hidro este dominant n producia de energie electric. Lider sunt Norvegia (99 %), Congo (97 %) i Brazilia (96 %). n figura 1.16 sunt prezenta te rile cu cea mai mare producie anual de hidroenergie. Sunt nregistrate recorduri pr ivind puterea instalat n uzinele hidroelectric, dintre care se reamintesc Itaipu p e fluviul Parana, pus n funciune n 1982 la grania dintre Brazilia i Paraguay, cu 12600 MW, Three Gorge pus parial n funciune pe fluviul Yangze n China, cu 18200 MW. Figura 1.16. rile cu cea mai mare producie de hidroenergie n ceea ce privete perspect iva de viitor, cerina de surse energetice curate i regenerabile constitue principa lul motor al promovrii amenajrilor hidro. Desigur sunt necesare o serie de condiii preliminare i preocupri pentru ndeplinirea acestora. Construcia unei amenajri hidroen ergetice necesit studii ndelungate privind regimul hidrologic al cursului / cursur ilor de ap, privind condiiile morfologice i geologice din amplasamente, privind imp actul asupra mediului. Pe baza acestor studii se pot alege cele mai bune amplasa mente i se definete regimul de operare al amenajrii. Numrul de amplasamente care pot fi economic amenajate 23

hidroenergetic este limitat. n multe ri amplasamentele favorabile s-au epuizat sau sunt n curs de epuizare. Eforturile sunt mai mari dar i cerinele de energie sunt cr esctoare i la fel i preteniile fa de calitatea surselor energetice. Hidroenergia are u n viitor cert. BIBLIOGRAFIE Blank, J. (2008). Micro-Hydropower for Municipal Wat er and Wastewater Systems in Oregon. Oregon APWA Spring 2008 Portland Conference Boyle, G. (Ed.) (2004). Renewable Energy: Power for a Sustainable Future (Secon d Edition). Oxford University Press / Open University. Encarta Online Encyclopedi a (2007). Hydro-Power. Microsoft Corporation. Jorde, K., Sommer, F. (2008). Lect ures in Hydropower Systems. UNESCO IHE, Delft. Kjlle, A. (2001). Hydropower in Nor way. Mechanical Equipment. Trondheim. Krieger, G. (2007). Renewable energy for t he future. VDMA - Power Systems. Frankfurt/Main, Germany. Conference on Renewabl e Energies for Embassies in Germany, Berlin. Lafitte, R., Bartle, A. (2000). The role and benefits of hydroelectric power. Hydropower and Dams World Atlas. Leje une, A., Topliceanu, I. (2002). EREC 2002. Energies renouvelables et cogeneratio n pour le developpement durable en Afrique. Universite de Liege, Faculty of Scie nce Applied. Pricu, R. Bucureti. (1974). Construcii Hidrotehnice. Editura Didactic i Pedagogic, Pricu, R. , Bogdan, S., Luca, Gh., Stnuc, A., Guja,V. (1970). Amenajri hidroenergeti ce. n Manualul inginerului hidrotehnician, Volumul II, Editura Tehnic, Bucureti. UP B. (2006). Hidroenergetica. www.hydrop.pub.ro / bcap4. USBR. Power Resources Off ice (2005). Hydroelectic Power. US Department of the Interior publications, Denv er. Wikipedia (2008). Renewable energy. http:// Wikipedia.org. 24

2 RESURSE HIDROENERGETICE I SCHEME DE AMENAJARE

2.1 RELAII DE CALCUL I UNITI DE MSUR PENTRU PUTERE I ENERGIE Pentru a facilita urmrir noiunilor legate de potenial, putere i energie este util de a se reaminti care sunt unitile de msur utilizate n energetic. Pentru putere, unitatea de msur n sistemul i aional de uniti de msur (SI) este Watt ul [W]. n energetic se utilizeaz multiplii ac a: 1kW = 103 W i respectiv 1MW = 103 kW = 106 W Pentru energie, unitatea de msur n s istemul internaional de uniti de msur (SI) este Joule- ul [J]. n energetic se utilizea multiplii acestuia: 1kWh = 103 kW x 3600 s = 3,6 x 106 J i respectiv 1GWh = 106 k Wh 1TWh = 109 kWh Dac un volum de ap V (m3) se afl la cota H1 respectiv la nlimea H(m) deasupra unui pla n de referin de cot H2, atunci posed o energie potenial (fig. 2.1): = 9,81 V H [kJ ]

Figura 2.1. Energia unui volum de ap aflat la cota H1 de un plan de referin 25

E p =

V H = 9,81 kN / m 3

V ( m 3 )

H ( m ) = ( 2.1)

Dac volumul V se scurge pe albia unui curs de ap n timpul t , atunci energia potenia l devine energie cinetic, iar cursul de ap pe sectorul dintre H1 i H2 are puterea P = E / t: P= E V = 9,81 H = 9,81Q H [kW ] t t (2.2) Energia pe care cursul de ap o poate livra ntr-un an, denumit potenial energetic al cursului de ap pe sectorul definit anterior, se obine nmulind puterea cu numrul de or e dintr-un an. Dat fiind faptul c debitul rului variaz n acest interval, atunci ener gia livrabil se calculeaz cu debitul mediu multianual Qm : Esector = 8760 P = 8600 Qm H [kWh / an] (2.3) Puterea hidroelectric a cursului de ap se poate fructifica numai prin amenajarea h idroenergetic a sectorului de ru. Puterea fructificabil este mai mic pentru c numai o parte din debitul rului poate fi trecut prin turbine, pe circuitele hidraulice a le amenajrii apar pierderi de sarcin, transformarea energiei hidraulice n energie m ecanic i a energiei mecanice n energie electric se face cu pierderi, intervenind ran damentele transformrilor. Relaia de calcul a puterii devine: P = 9,81 Qm h t g H br = 9,81 G Qm H br (2.4) unde apar notaiile: Hbr = cderea brut pe sector; = coeficientul de utilizare a debi tului datorit deversrilor i prelevrilor pentru alte folosine = Qu debit mediu utilizabil = Qm debit mediu afluent t = randamentul hidraulic, exprimat sub forma: = cu H H br hr ; = H br H br h r pierderile de sarcina pe circuitul hidraulic iar t este randamentul turbinei, g este randamentul generatorului, iar G este randa mentul global, cu valori uzuale ntre 75 % i 85%. 26

2.2. POTENIALUL HIDROENERGETIC AL CURSURILOR DE AP

Prin inventarierea resurselor hidroenergetice se urmrete determinarea cantitii de en ergie care poate fi obinut, variaia ei n timp i localizarea ei geografic. Inventariere a resurselor hidroenergetice se efectueaz prin studii pe fiecare curs de ap n parte , pe baza datelor fizico-geografice, tehnice i economice, innd seama de condiiile sp ecifice ale regiunii sau rii respective. Potenialul hidroenergetic teoretic (sau brut) reprezint aportul tuturor resurselor de energie hidraulic natural ale unui bazin, fr s in seama de posibilitile tehnice omice de amenajare. El corespunde unei utilizri integrale a cderii i a disponibilul ui de ap al bazinului, cu un randament ideal de 100%. Acest potenial teoretic incl ude att potenialul de suprafa, ct i potenialul liniar. Potenialul teoretic de suprafa efer la apele de la suprafaa pmntului i anume la cele de precipitaii i la cele de scur ere. Potenialul teoretic de precipitaii Ep, reprezint echivalentul energetic al ntre gului volum de ap rezultat din precipitaiile ce cad pe o anumit suprafa: unde: Ep = 2,725 h S H0 [kWh/an] h- reprezint nlimea medie a precipitaiilor, n mm/an; 2 (2.5)

S- mrimea suprafeei, n km ; H0- altitudinea medie a suprafeei, fa de nivelul mrii, sau fa de un alt reper, n m. Potenialul teoretic liniar al cursurilor de ap reprezint energia (sau puterea) maxi m care se poate obine de pe rul respectiv (sau de pe un anumit sector al su). Pentru un anumit sector al cursului de ap se obine cu relaiile ( 2.2) i (2.3).

Potenialul teoretic (brut) este o mrime bine precizat care rezult din anumite operaii de calcul ce nu pot fi altfel interpretate. Din acest punct de vedere el reprez int o mrime invariabil n timp (admind c modificrile climatice nu sunt eseniale) i i ent de condiiile tehnice sau economice. De aceea, dei prezint dezavantajul de a nu f i o mrime fizic real, potenialul hidroenergetic teoretic este folosit pentru studii comparative. Potenialul tehnic amenajabil reprezint puterea i energia electric care ar putea fi p rodus prin amenajarea potenialului teoretic al cursurilor de ap, n msura n care amenaj area este realizabil n condiiile tehnice actuale, i innd seama de pierderile care apar la transformarea energiei hidraulice n energie electric (acestea reprezinta in me die 20... 25% din potenialul net). Din cauza acestor influene i limitri, potenialul t ehnic amenajabil nu se poate determina dect n urma elaborrii schemelor de amenajare hidroenergetice. Potentialul economic amenajabil corespunde puterii i capacitii de producere de energie a acelor uzine prevzute in cadrul potenialului tehnic, care pot fi amenajate in condiii considerate economice la o anumit etap de dezvoltare. V aloarea sa variaza in decursul timpului, fiind permanent influenat de o serie de f actori energo27

economici i de alt tip. n ultimile decenii au fost fluctuaii importante, generate d e variaia preului combustibililor fosili, de modificrile climatice, de modul de apr eciere a efectelor produse de amenajrile hidroenergetice asupra mediului etc. Din rezultatele obinute n rile europene se poate deduce c potenialul care poate fi amenaj at in condiii economice variaz ntre 18 i 22 % din valoarea potenialului teoretic de s curgere, respectiv ntre 50 i 75% din valoarea potenialului tehnic amenajabil. 2.3. EVALUAREA POTENIALULI HIDROENERGETIC LINIAR Potenialul hidroenergetic teoretic se calculeaz pe sectoare caracteristice ale fie crui curs de ap. Pe cursurile de ap mici, sectorizarea se face lund drept limite pun ctele de confluen cu afluenii, zonele de schimbare a pantei rului, amplasamentele pr obabile ale uvrajelor amenajrii. Pentru cursurile de ap importante, unde aportul d iferiilor aflueni este redus, potenialul teoretic se poate calcula pe sectoare de l ungime egal, cuprins ntre 10 i 100 km. Considernd un sector de lungime L, ntre cotele 1 i H2 cu debitul mediu Qm (fig. 2.2), potenialul energetic al sectorului este: P = 9,81Qm H [kW ] unde Qm ( m3/s) este debitul mediu multianual pe sector. (2.6) Figura 2.2. Notaii pentru calculul potenialului liniar De regul, n calcul se foloses c mai multe valori caracteristice ale debitelor: debitul mediu multianual Qm, de bitele cu asigurarea de 50% i de 95%, debitele medii ale semestrelor de iarn, resp ectiv de var. Potenialul calculat pe baza debitului mediu multianual indic valoarea maxim a produciei de energie care poate fi obinut pe sectorul de ru respectiv. Deoar ece aceast valoare este influenat de valorile extreme ale debitelor, se consider c de bitul cu asigurare 50% permite aprecierea funcionrii normale a uzinei hidroelectri ce. Debitul cu asigurarea de 95% d indicaii asupra energiei garantate, care poate fi obinut prin amenajarea sectorului de ru. 28

Potenialul calculat pe baza debitului mediu de iarn sau de var permite s se apreciez e repartizarea n timpul anului a produciei de energie hidroelectric. Potenialul specific liniar exprim gradul de concentrare al potenialului teoretic li niar. Acesta se calculeaz prin raportarea potenialului liniar la lungimea sectorul ui de referin: pP / sector = P H = 9,81Qm = 9,81Qm i [kW / km] L L (2.7) und i este panta cursului pe sector (m / Km) . Dac potenialul se refer la energia produs, lund n consideraie debitul mediu multianual rezult: Es ctor = 8760 P = 8600 Qm H [kWh / an] i deci potenialul specific energetic: (2.8) p E / sector = E = 8600 Qm i [kWh / km, an] L (2.9)

P ntru inventarierea potenialului liniar sunt necesare staii hidrometrice, n vedere a cunoaterii regimului hidrologic al cursurilor de ap, i ridicri topo, constnd n nivel mente i profile n lung, pentru stabilirea pantelor i a cderilor. La inventarierea po tenialului hidroenergetic al Romniei s-au studiat circa 25 000 km de ruri. Pe aceas ta cale s-au pus in eviden sectoarele cele mai bogate din punct de vedere hidroene rgetic, care ofer cele mai favorabile condiii de amenajare. Pentru determinarea po tenialului tehnic amenajabil s-au elaborat scheme de amenajare pentru toate cursu rile de ap mai importante, dotate cu un potenial liniar mai mare de 300 kW/km. La n tocmirea acestor scheme s-a inut seama de condiiile naturale locale i de restriciile de mediu. Potenialul hidroenergetic teoretic (brut) este reprezentat pe hri i planu ri prin diverse sisteme de reprezentare grafic, care ncearc, fiecare, s fie ct mai su gestive. Cea mai des folosit este reprezentarea prin benzi energetice, care se obi ne prin trasarea n lungul cursului de ap a unor benzi haurate sau negrite, a cror lime este proporional, la o anumit scar, cu valoarea potenialului liniar specific pe secto rul respectiv. n figurile 2.3 i 2.4 sunt redate benzile energetice ale principalel or cursuri de ap din Romnia. n figura 2.3 benzile corespund evalurii din anii 80 (Kogl niceanu, 1986). n figura 2.4 este reprodus harta realizat de profesorul Dorin Pavel (Pavel, 1933) ntr-o lucrare de referin privind evaluarea forelor hidraulice din Romn ia. n aceeai lucrare se aprecia c teritoriul Romniei dispune de o putere brut de cca 6000 MW , cu o producie de energie de 36 TWh / an. Cifrele se bazau pe studiul a unui numr de 567 de uzine hidroelectrice, concepute conform performanelor tehnice ale perioadei respective. 29

30 Figura 2.3. Potenialul tehnic liniar al cursurilor de ap din Romnia

31 Figura 2.4. Benzile energetice reprezentnd potenilaul tehnic amenajabil evaluat de profesorul Dorin Pavel

Pentru reprezentarea potenilului liniar se mai pot folosi linii paralele cu secto arele de ru, care, potrivit unei legende stabilite, indic valoarea potenialului hid roenergetic teoretic liniar specific. Uneori se reprezint potenialul brut prin fig uri geometrice, a cror suprafa este proporional cu valoarea potenialului. Se folosesc foarte des ptrate sau cercuri. Cea mai complex reprezentare grafic o formeaz ns cea fc t n aa numita caracteristic cadastral, sau cadastrul hidroenergetic (UPB, 2006). Acea st reprezentare grafic conine urmtoarele curbe, care caracterizeazx bazinul rului resp ectiv: - profilul n lung al rului z = z(L); - suprafaa bazinului funcie de lungimea rului S = S(L); - variaia debitului total n lungul rului Q = Q(L); - variaia debitulu i specific q = q(L); - variaia potenialului specific p = p(L). De asemenea pe graf ic se mai indic lungimea n kilometri, panta medie a fiecrui sector al rului i () i cot ele z (n mdM) ale punctelor care delimiteaz fiecare sector. Printr-un cerc, haurat sau negrit pe jumtate, se indic punctele n care rul primete aflueni i de pe care part sa vin acetia (dreapta sau stnga). 2.4. POTENIALUL HIDROENERGETIC AL ROMNIEI

n Romnia resursele de ap datorate rurilor interioare sunt evaluate la aproximativ 37 miliarde m3/an, dar n regim neamenajat se poate conta numai pe aproximativ 19 mi liarde de m3/an, din cauza fluctuaiilor de debite ale rurilor. Aportul anual al Du nrii, la intrarea n ara noastr, este n medie de 170 miliarde m3/an (de peste 4 ori ma i mult dect toate rurile interioare), dar Romnia poate beneficia numai de o cot part e din acest stoc. Resursele de ap din interiorul rii se caracterizeaz printr-o mare variabilitate, att n spaiu, ct i n timp. Astfel, zone mari i importante, cum ar fi Cm Romn, podiul Moldovei i Dobrogea, sunt srace n ap. De asemenea, apar variaii mari n a debitelor, att n cursul unui an, ct i de la an la an. n lunile de primvar (martie-i nie) se scurge peste 50% din stocul anual, atingndu-se debite maxime de sute de o ri mai mari dect cele minime. Toate acestea impun ca necesar realizarea compensrii debitelor cu ajutorul lacurilor de acumulare. n ceea ce privete potenialul hidroene rgetic al Romniei se apreciaz c potenialul teoretic al precipitaiilor este de circa 2 30 TWh/an, potenialul teoretic al apelor de scurgere de aproximativ 90 TWh/an, ia r potenialul teoretic liniar al cursurilor de ap este de 70 TWh/an. n tabelul 1.1 s e indic valorile potenialului hidroenergetic de scurgere, procentul referitor la p otenialul din precipitaii % Ep, potenialul teoretic liniar considerat la debitul me diu i potenialul tehnic amenajabil, pentru cteva din bazinele cursurilor de ap mai i mportante din Romnia. Se observ c potenialul teoretic liniar mediu al rurilor rii, inc usiv partea ce revine Romniei din potenialul Dunrii, se ridic la 70 TWh/an, din care potenialul tehnic amenajabil reprezint 36 TWh/an (2/3 dat de rurile interioare i 1/ 3 de Dunre). 32

Tabelul 1.1. Potenialul hdroenergetic al Romniei . Bazinul Potenialul hidroenergetic De scurgere Teoretic Tehnic liniar amenajabil Suprafaa Km2 TWh/an TWh/an % Ep TWh /an Some 18.740 9,00 39 4,20 2,20 Criuri 13.085 4.,50 43 2,50 0,90 Mure 27.842 17,1 0 42 9,50 4,30 Jiu 10.544 6,30 48 3,15 0,90 Olt 24.507 13,30 38 8,25 5,00 Arge 12 .424 5,00 40 3,10 1,60 Ialomia 10.817 3,30 39 2,20 0,75 Siret 44.993 16,70 37 11, 10 5,50 Total ruri interioare 237.500 90,00 39 51,50 24,00 Dunre Total Romnia 237.500 90.000 39 18,50 70,00 12,00 36,00 Estimri mai recente, concordante de altfel cu evalurile din 1985, arat c potenialul h idroenergetic atinge circa 40 TWh/an i este astfel distribuit: - cursuri de ap int erioare 25 TWh/an; - Dunrea, cota Romniei 11,5 TWh/an; - micropotenial 3,5 TWh/an. Valorile caracteristice ale diferitelor categori de potenial hidroenergetic arat c o serie de bazine hidrografice, cum ar fi Siretul (care include i rul Bistria), Olt ul, Argeul, Mureul, prezint un potenial nsemnat. Condiii favorabile de amenajare sunt pentru mai multe ruri, cum ar fi Bistria, Argeul, Lotru, Sebeul, Someul, Rul Mare, Olt ul, Siretul, .a. La nivelul anului 2005 producia de energie a fost de cca 16 500 G Wh/an, realizat n principal n 129 de centrale hidroelectrice. Puterea instalat n anul 2005 era de 6 335 MW. Ehergia hidroelectric reprezint n medie 1/3 din producia de e nergie electric a Romniei. 2.5. POTENIALUL HIDROENERGETIC MONDIAL Potenialul hidroenergetic mondial, exprimat n putere, este de peste 2 milioane de MW, din care microhidro atinge 27 800 MW. Repartiia pe continente a potenialului a menajat i cota procentual pe care o reprezint potenialul amenajat raportat la potenia lul evaluat la nivelul anului 2005 sunt prezentate n tabelul 2.2. Se constat c n tim p a existat o tendin de cretere a valorii potenialului hidroenergetic teoretic i amen ajabil. Aceasta, pe de o parte, datorit creterii preciziei datelor de baz, hidrolog ice i topografice, iar, pe de alt parte, datorit progreselor tehnicii n general i n do meniul amenajrii uzinelor hidroelectrice n special, ceea ce 33

a creat condiii pentru folosirea unui potenial considerat nainte ca neeconomic sau de neutilizabil. Tabelul 2.2. Rerpartiia pe continente a potenialului exprimat n pu tere Continentul Asia America de Sud Africa America de Nord Rusia Europa Australia TO TAL GLOB Potenial MW 610 000 431 900 358 300 356 400 250 000 245 500 45 000 2 200 000 Potenial amenajat MW % din potenial 36,5 222 637 28,6 123 712 6,0 21 644 46,1 164 127 18,2 45 700 73,0 179 502 29,0 13 471 778 138 35,3 n ceea ce privete repartiia teritorial se observ c Africa, considerat mult timp drept ontinentul cel mai bogat n resurse hidroenergetice, nu deine ntietatea, Asia avnd un potenial de aproape dou ori mai mare, iar n ceea ce privete potenialul specific (kWh/ km2) Africa prezint o valoare mai redus chiar dect media mondial. n ceea ce privete po tenialul mondial tehnic amenajabil exprimat n energie, conform datelor IHA (Laffit e i Bartle, 2000), acesta este de 14 370 TWh/an, din care 8080 TWh/an este econom ic amenajabil. La nivelul anului 2000 se produceau pe cale hidro 2070 TWh/an, ad ic cca 19% din consumul total de energie pe glob. La aceai dat, puterea instalat era de 674 GW, cu 108 GW n construcie, iar n 2005 puterea instalat a crescut la 778 GW. Repartiia pe continente a potenialului hidroenergetic, a energiei produse annual i a gradului de amenajare (procentual) exprimat n energie este redat n figururile 2. 5.i 2.6. Figura 2.5. Repartiia pe continente a potenialului hidroenergetic 34

Figura 2.6. Procente din potenialul hidroenergetic care au fost amenajate i contri buie la acoperirea consumului energetic mondial Pentru formarea unor repere, n ta belul 2.3 sunt prezentate cele mai mari uzine hidroelectrice aflate n prezent (20 08) n exploatare. Tabelul 2.3. Cele mai mari uzine hidroelectrice din lume Putere instalat Energie produs anual Nume ara Anul Three Gorges Itaip Guri Grand Coulee Sayano Shushenskaya Churchill Falls Porile de Fier China Brazilia/Paraguay Venezuela Statele Unite Rusia Canada Romania/Serbia 2009 1983 1986 1942/80 1983 1981 1971 1970 18,200 MW 12,600 MW 10,200 MW 6,809 MW 6,400 MW 5,616 MW 5,429 MW 2,280 MW 35 TW h 11.3 TWh 93.4 TWh 46 TWh 22.6 TWh Robert-Bourassa Canada n figura 2.7 este prezentat situaia amenajrii potenialului hidroenergetic european. n dreptul fiecrei ri sunt trecute procentul din potenial care este amenajat i producia d e energie n GWh/an. 35

36 Figura 2.7. Amenajarea potenialului hidroenergetic european

Aceleai date se regsesc n figura 2.8, ntr-o reprezentare mai sugestiv. n abscis sunt p ziionate rile n ordine alfabetic, iar n ordonat producia anual de energie. Figura 2.8. Energia electric produs i restul de potenial neamenajat al rilor europene 2.6. SCHEME DE AMENAJARE Energia hidraulic natural este distribuit destul de neuniform de-a lungul cursurilo r de ap. Ea se consum n cea mai mare parte ca energie de nvingere a rezistenelor pe c are le opune curgerii patul neregulat al rurilor. Restul energiei se consum prin a ciunea de erodare a albiei i a versanilor. Scopul amenajrilor hidroelectrice este re ducerea ntr-o msur ct mai mare a pierderilor de energie i concentrarea cderilor pe sec toare scurte, in vederea producerii de energie electric. 37

Crearea unei cderi concentrate pe un curs de ap se poate realiza pe mai multe ci (f ig. 2.9) : - prin construirea unui baraj care ridic nivelul apei i reduce viteza d e curgere pe o anumit distan n amonte (fig. 2.9, a); - prin derivarea apei din albia cursului printr-o aduciune cu pant redus, care conduce apa cu pierderi de sarcin mi ci (fig. 2.9, b); - printr-o dispoziie mixt, de ridicare a nivelului i de derivare a apei (fig. 2.9, c i d). Figura 2.9. Scheme de amenajare standard 38

n figura 2.9 se remarc i construciile principale care intervin n cadrul unei scheme d e amenajare. Astfel: Barajele de acumulare concentreaz cderea n seciunea de barare i formeaz lacuri de acum ulare importante pentru regularizarea debitelor, n timp ce barajele de derivaie (s tvilarele) ridic local nivelul apei pentru a putea fi preluat de aduciune. Prizele d e ap, dispuse n corpul barajului sau mai adesea n versani, preiau debitele ce merg ct re turbine i le dirijeaz n aduciuni, sau , dup caz, direct n conductele forate. Aduci le, care pot fi canale cu nivel liber sau galerii sub presiune, transport debitul turbinat ctre camerele de echilibru camere de ncrcare n cazul canalelor de aduciune respectiv castele de echilibru n cazul galeriilor de aduciune. Camerele de echili bru sunt dispuse ntre aduciuni i conductele sau galeriile forate. Ele au rolul de a limita suprapresiunile dinamice provocate de variaiile de sarcin de la central i de a furniza debit pentru pornirea centralei, respectiv de a nmagazina debit la opri rea acesteia. Conductele sau galeriile forate conduc apa de la camerele de ncrcare spre central, pe o diferen de nivel mare i cu viteze i presiuni mari. Centralele hidr oelectrice cuprind construciile i instalaiile care asigur circuitul hidraulic ctre i d e la turbine, gzduesc turbinele i generatorii, precum i mecanismele de reglare a sa rcinii, instalaiile conexe, panourile electrice etc. Canalele sau galeriile de fu g conduc apele turbinate ctre punctele de restituie n cursurile de ap. n cazul uzinelo r hidroelectrice care furnizeaz energie de vrf i lucreaz un numr limitat de ore pe zi , debitele turbinate sunt preluate de un bazin (lac) redresor, denumit n figura 2 .9 regularizare, din care se descarc n aval un debit cvasiconstant.

n funcie de modul de concentrare a cderii, se deosebesc trei tipuri principale de a menjari hidroelectrice: amenajri uzin-baraj (fig. 2.9, a), cnd centrala este dispus n imediata apropiere a barajului i ntreaga cdere este realizat numai prin intermediul barajului; amenjri de derivaie (fig. 2.9, b), cnd centrala este dispus la captul aval al unei derivaii i folosete cderea obinut prin reducerea pantei de curgere prin aceast derivaie fa de panta rului; amenajri mixte, cu baraj i derivaie, cnd centrala folose rea obinut att prin construcia barajului ct i prin aceea a derivaiei; schema din figur 2.9, c reprezint o soluie cu centrala situat la zi, iar schema din figura 2.9, d r eprezint o soluie tot mai des ntlnit, cu centrala situat n subteran. Se precizeaz c denumirea de uzin hidroelectric (prescurtat UHE) se nelege totalitatea lucrrilor de c onstrucie i a echipamentelor care alctuiesc o amenajare hidroelectric, de la captare i pn la punctul de restituie a apelor turbinate. Prin central hidroelectric (prescurt at CHE) se nelege numai construcia care n principal 39

adpostete circuitul hidraulic ctre i de la turbine, turbinele i generatoarele i instal aiile anexe. 2.6.1. Scheme de amenajare ale uzinelor hidroelectrice de tip baraj.

La acest tip de amenajare ntreaga cdere folosit de UHE este realizat prin construcia barajului. Cldirea centralei este aezat n acelai amplasament, n corpul barajului sau l a piciorul barajului, ori imediat n aval de baraj, pe malurile sau n versanii cursu lui de ap. Uzina are aduciuni foarte scurte sau numai conducte sau galerii forate. Cderile pentru care se construiesc aceste uzine sunt cuprinse ntre mai puin de 5 m pn la peste 200 m, limita maxim atins fiind de 300 m (UHE Nurek pe rul VahsRusia). Vo lumul lacurilor de acumulare create de barajele acestor uzine variaz de asemenea n limile foarte largi, de la volume mici, care nu pot asigura dect o compensare or ar a debitelor, pn la volume foarte mari, care permit o regularizare multianual a de bitelor. Cele mai mari acumulri din lume s-au realizat la amenajrile cu uzine bara j de pe marile fluvii (UHE Bratsk, cu 179 miliarde m3 i UHE Kariba cu 160 miliard e m3 ). Uzine-baraj de cdere mijlocie sau mare La acest tip de amenajare cldirea centralei este amplasat la piciorul barajului sau imediat n aval de baraj, pe malul cursulu i de ap sau n subteran, ntr-unul din versani. Dispoziia general depinde de limea albi de tipul de baraj. Aducerea apei la turbine se realizeaz prin conducte forate scu rte, care traverseaza barajul, sau prin galerii forate care strbat versanii.

Schema se utilizeaz pentru amenajarea fluviilor i a rurilor mari n zonele de munte, la trecerea lor prin defilee. Sunt de preferat amplasamente care nu afecteaz loca liti i ci de comunicaie importante. Pentru a crea o cdere mare se construesc baraje na te, care la rndul lor formeaz lacuri de acumulare cu volume foarte mari. Cele mai mari UHE existente sunt construite pe marile fluvii ca uzine-baraj, folosind n nu meroase cazuri baraje mai nalte de 100 m. Lacurile de acumulare ale acestor amena jri servesc mai multor tipuri de folosine, curent pentru alimentare cu ap i pentru a tenuarea viiturilor. Uneori acest tip de schem de amenajare se asociaz unor acumulr i pe ruri cu resurs energetic mai redus, realizate preponderent pentru alte folosine. n astfel de situaii se fructific doar cderea creat, dar debitul uzinat este redus i d eci i puterea centralei. Aceste amenajri nu sunt de regul importante pentru sistemu l energetic. In cazul barajelor de beton, schema de amenajare a UHE este mai sim pl, cldirea centralei fiind amplasat la piciorul barajului, sau lng unul din maluri, pentru a permite descrcarea apelor mari peste cealalt parte a barajului. Aducerea apei se face prin conducte forate scurte care traverseaz barajul, cte una pentru fi ecare turbin, cu prize de ap pe paramentul amonte al barajului (fig. 2.10). Cnd val ea este ngust, centrala se amplaseaz la mijlocul vii, iar evacuarea apelor mari se f ace printr-un deversor lateral, sau peste central printr-o trambulin. O alt soluie e ste poziionarea centralei n aval de baraj, lng unul din maluri. n acest caz 40

aducerea apei se face prin galerii de derivaie prin versani, cu prizele de ap n vers ant sub forma unor turnuri de priz. Nivelul creat prin barare BARAJ Patul rului Nivelul vechi al rului Figura 2.10. Dispunrea clasic a unei UHE-baraj n cazul barajelor din beton Situaia centralelor asociate cu bararea vilor nguste este ilustrat n figura 2.11, n care se p rezint UHE Tarnia, de pe Some, singura uzin baraj din Romnia. VEDERE N PLAN SECIUNE PRIN CHE SECIUNE PRIN GOLIREA DE SEMIADNCIME SECIUNE PRIN DESCRCTOR Clapet Baraj Grtar Centrala hidroelectric Golire de semifund Van segment UHE Tarnia constitue treapta a doua a amenajrii hidroelectrice a Someului Mic. fora Fi gura 2.11. AHE Tarnia pe Someul Mic Conduct CHE CH 41

Centrala hidroelectric are o putere de 45 MW, la o cdere de 80,50 m. Debitul insta lat este de 68 m3/s, iar producia de energie de 80 GWh/an. Barajul i centrala de l a piciorul aval s-au amplasat ntr-o zon de chei, cu condiii morfologice i geologice bune. Barajul are 97 m nlime, fiind foarte svelt. Centrala este separat structural d e baraj printr-un rost permanent. Prizele i conductele forate ale celor dou grupuri cu turbine Francis ale centralei hidroelectrice sunt plasate n dou ploturi centra le. Descrcarea debitelor maxime se face printr-un descrctor de suprafa amplasat la ma lul drept i prin dou goliri de semiadncime care au canale rapide ce bordeaz cldirea c entralei. n cazul barajelor din materiale locale priza i conductele forate nu mai p ot fi amplasate n corpul barajului. n plus, din cauza amprizei mari a barajului i a modului de evacuare a apelor mari, centrala se dispune spre aval. Mai rar i numa i pentru baraje sub 80 m s-au realizat aduciuni sub corpul barajului, sub form de conducte metalice plasate n galerii purttoare, cu prize de ap de tip turn. Uzual am plasarea centralei se face fie suprateran, la unul din maluri, sau n subteran, ntr unul din versani. Cu titlu de exemplu, n fugura 2.12 este prezentat UHE Xiaolangdi din cadrul amenajrii hidroelectrice a Fluviului Galben din China. La o cdere de 13 9 m i cu un debit instalat de 1200 m3/s, centrala subteran are o putere de 1800 MW i produce anual 5100 GWh. PLAN DE SITUAIE Lac Galerii forate CHE subteran Galerii de fug CHE Baraj PROFIL LONGITUDINAL PRIN CIRCUITUL HIDRAULIC Figura 2.12. Uzin-baraj, cu amplasarea centralei n subteran 42

n figura 2.13 este prezentat o uzin baraj de cdere medie la care blocul prizei este amplasat n frontul barat. De aceast dat cldirea centralei este suprateran, poziionat l un versant. La o cdere de 68 m centrala are o putere de 1240 MW. Conductele forat e, scurte, sunt pozate pe versant. 68 m

Figura 2.13. UHE baraj de cdere medie Pentru a evidenia dimensiunile la care pot a junge uzinele baraj realizate pe marile fluvii, n caseta urmtoare se prezint, n ordi nea intrrii lor n exploatare, cele dou uzine hidroelectrice care dein recordurile mo ndiale n ceea ce privete producia de energie i respectiv de putere disponibil. Pentru comparaie este prezentat i amenajarea hidroenergetic de la Boulder (Hoover), care l a data intrrii n exploatare a deinut recordul mondial. Uzina hidroelectric de la Itaipu pe fluviul Parana (figura 2.A1), dat n exploatare n 1984, a fost realizat n comun de Brazilia i Paraguay. Puterea instalat este de 14 0 00 MW, fiind majorat n anul 2004 de la valoarea iniial de 12 600 MW prin adugarea a d ou noi grupuri. n prezent dispune de 20 de grupuri de 700 MW fiecare. Producia reco rd a anului 2000 a fost de 93,4 TWh. Din acest punct de vedere centrala de la It aipu pstreaz primul loc n lume, depind ca producie de energie cea mai mare uzin hidroe ectic ca putere i anume Three Gorges care produce numai 84 TWh/an. Centrala are o cdere de 118,4 m, este echipat cu turbine Francis, iar debitul uzin at de fiecare turbin atinge 700 m3/s. Barajul care realizeaz cderea este un baraj e vidat, de 196 m nlime, cu o lungime la coronament de 1064 m. Descrctorul este echipat cu 14 stavile segment de 20 x 21,3 m fiecare. Debitul capabil al descrctorului es te de 62 200 m3/s. Volumul lacului este de 29 miliarde de m3, iar volumul util d e 19 miliarde de m3. Este interesant de reinut c n anul 1995 uzina de la Itaipu a f ost inclus ntre cele apte minuni ale lumii moderne de ctre American Society of Civil Engineers (ASCE). 43

Cteva date care explic alegerea: volumul de beton utilizat pentru construcia uzinei ar fi ajuns pentru construcia a 210 stadioane cu capacitate de 80 000 locuri fie care, iar cu fierul utilizat se puteau construi 380 de turnuri Eifel. VEDERE N PLAN de SECIUNE PRIN CENTRAL VEDERE DIN AVAL Figura 2.A1. Amenajarea hidroenergetic Itaipu, pe fluviul Parana 44

Uzina hidroelectric de la Three Gorge din China (figura 2. A2) deine recordul mond ial din punct de vedere al puterii instalate cu 18 200 MW. Energia electric produ s n anul mediu hidrologic este de 84,7 TWh. VEDERE IN PLAN SECTIUNE PRIN CENTRALA PROFIL LONGITUDINAL PRIN ECLUZE Descrctor Figura 2.A2. Amenajarea hidroenergetic Three Gorges pe fluviul Yangtze 45

Centrala este echipat cu 26 de grupuri de 700 MW fiecare. Cderea maxim este de 113 m, iar cderea minim de 70 m. Cldirile centralei, cte una la fiecare mal, sunt poziion ate la piciorul barajelor nedeversante. Construcia centralelor a inclus 3,45 mili oane de m3 de beton i 124 de mii de tone de armtur. Barajul principal este de beton de greutate, cu nlimea de 181 m i lungimea la coronament de 2309 m. Zona deversant a re 483 m lungime, este situat n zona central i este echipat cu 22 de stavile i 23 goli ri de fund, cu o capacitate maxim de descrcare de 102 500 m3/s. Volumul lacului es te de 39,3 miliarde de m3, din care 22,15 miliarde de m3 pentru atenuarea viitur ilor. Asigurarea mpotriva inundaiilor a zonei aval a crescut la 1%, iar la limit av alul poate tranzita viitura cu asigurarea de 0,1%. Lacul de acumulare are o supr afa de 632 km2 i a inundat 24 000 ha de teren cultivat i a impus strmutarea a cca 1 m ilion de persoane. Un element de interes este modul de rezolvare a navigaiei pe s ectorul amenajat. Capacitatea de trafic, de 10 milioane de tone dinainte de bara re va fi crescut la 50 de miloane de tone. Navigaia se face printr-o ecluz i un lift de vase. Ecluza are dou fire cu cinci trepte de ecluzare fiecare. Liftul cuprind e un container de 120 x 18 x 3,5 m ce poate acomoda vase de pn la 3000t. Uzina hidroelectric Hoover figura 2.A3 - (vechiul nume Boulder), construit pe fluv iul Colorado, n USA, a deinut la data punerii n funciune, n 1936, recordul n domeniu. Puterea instalat este n prezent de 2080 MW, iar n anul 2005 centrala a produs 3,25 TWh.

Dup cum se poate urmri n figur, barajul de greutate n arc nchide o vale ngust, de tip nion. nlimea barajului este de 221 m (un record mondial la data construciei) iar des chiderea la coronament este de numai 379m. Volumul lacului creat de baraj, de 38 ,54 miliarde de m3, constitue i astzi cel mai mare volum de lac de acumulare din U SA. Descrctorii barajului sunt n principal cele dou canale laterale echipate cu stav ile, care pot evacua 11 300 m3/s. Datorit configuraiei vii, centrala este situat ime diat n aval de baraj i nu la baza barajului i este divizat n dou uniti, fiecare la ba a cte unui versant. Dispunerea simetric a ntregii scheme se datoreaz faptului c n seci nea barat fluviul Colorado constitue grania dintre dou state americane, Nevada i Ari zona. Debitul este preluat de 4 turnuri de priz, cte dou pe fiecare parte. Dou fire de conducte forate sunt amplasate n fostele galerii de deviere. Alte dou fire de de rivaie forat au fost special excavate n versant. Ctre cele 18 turbine Francis apa est e condus de patru conducte forate, de la care pleac distribuitorii. Amenajarea disp une de o cdere de 178 m, iar debitul instalat este de 780 m3/s. Cldirile centralel or se ntind pe 217 m n lungul rului. Amenajarea de la Hoover are nu numai rol hidro energetic, ea servind i pentru atenuarea viiturilor, pentru irigarea terenurilor cu deficit de ap din zona aval, pentru asigurarea alimentrii cu ap i pentru mbuntirea vigaiei. 46

PLAN DE SITUAIE SECIUNE TRANSVERSAL PRIN CENTRALE VEDERE AERIAN Figura 2.A3. Amenajarea hidroenergetic Hoover pe fluviul Colorado 47

Uzine-baraj de cdere mic sau fluviale La acest tip de amenajri cladirea centralei e ste amplasat n albia cursului de ap, in prelungirea barajului i preia direct presiun ea apei din amonte. Cderea la care se poate adopta acest mod de amplasare a centr alei depinde de panta i configuraia rului i de condiiile de fundare, variind ntre civ etri pn la 30 ... 35 m.

In regiunile de deal sau colinare, pentru a se evita inundarea unor localiti, a un or suprafee mari de teren sau a cilor de comunicaie, se pot construi numai baraje d e inlime mic. De multe ori lacul de acumulare este conturat pe un mal, sau chiar pe ambele maluri, de baraje laterale, adesea numite impropriu diguri. Prin aceast d ispoziie n plan se menine n limite raionale inundarea terenurilor din albia major i se protejeaz aezrile (fig. 2.14). Fugura 2.14. Planul de situaie al unei uzine-baraj de cdere mic Uzinele-baraj de cdere mic cuprind n general un baraj deversor de beton cu stavile, pentru evacuarea apelor mari, cldirea centralei cu echipamentul electromecanic, staia de conexiuni si transformare i barajele laterale (digurile) de protecie a ter enurilor riverene. n aval albia rului este regularizat i adncit pe o anumit distan, u mrirea cderii disponibile. Pentru exemplificare, n figura 2.15 se prezint planul de situaie i seciuni caracteris tice ale UHE Haeg, ultima treapt a amenajrii hidroenergetice a Rului Mare. Amenajare a cuprinde un lac de acumulare de 118 ha, cu un volum de 11,5 milioane de m3, co nturat de un baraj lateral (dig) la malul stng, un baraj deversor pentru descrcare a apelor mari i centrala hidroelectric. Centrala are o cdere de 20 m, un debit inst alat de 90 m3/s i furnizeaz o putere de 15,8 MW. Este echipat cu 2 turbine Kaplan. Barajul, de tip stvilar, are o nlime de 32 m, iar barajul lateral are o lungime de 4 ,88 km, cu o nlime maxim de 15 m. De la central debitele turbinate sunt evacuate prin tr-un canal de fug de 210 m ctre albia natural. 48

PLAN DE SITUAIE fuga Baraj de nchidere SECIUNE PRIN CENTRAL SECIUNE PRIN BARAJ Figura 2.15. UHE Haeg In cazul amenajrilor fluviale, cldirea centralei este uzual amplasat lng unul dintre maluri (fig.2.16). n cazul cursurilor de ap de frontier, dac configuraia morfologic o permite, se construiete cte o central lng fiecare mal. Figura 2.16. Dispoziia general a unei UHE fluviale 49

Centralele sunt echipate cu turbine Kaplan sau Bulb. Volumul lacurilor de acumul are ale acestui tip de amenajri, dei mari ca valori absolute, sunt mici n raport cu stocul i permit numai o regularizare zilnic sau sptmnal a debitelor. i cderile sunt i n raport cu volumele. Prin barare se creaz remuuri lungi, care reduc din cdere, n special dac se impune o cot controlat n amonte. Uzinele fluviale cu cderi mai mici de 6 ... 8 m, care au acumulri reduse, funcioneaz pe firul apei i sunt utilizate numai ca uzine de baz, adic acoper baza graficului de sarcin. Pentru a realiza varietatea de dispoziii posibile pentru amenajrile hidroenergetice i de navigaie a fluviilor, n caseta urmtoare se prezint uzinele hidroelectrice de pe Dunre, xteva din amonte de Romnia i apoi cele dou sisteme hidroenergetice Porile de Fier I i II. Amenajarea hidr oenergetic a Dunrii a urmrit fructificarea integral a potenmialului hidroenergetic al fluviului. n figura 2.A4 se redau benzile energetice ale fluviului pe zona amena jat. De asemenea sunt indicate cele 3 locaii ale unor UHE de pe teritoriul austria c, sau la grania Austria Germania, care sunt prezentate n continuare, precum i ampl asamentul de la Porile de Fier, cu cele dou trepte amenajate. Potenialul hidroenerg etic natural al fluviului Dunrea a fost estimat la 52 TWh/an. Pe sectorul romno srb esc, de 229 km, de interes este zona defileului, cunoscut i ca sectorul cazane, cu un potenial energetic de 12,6 TWh/an i cu pante locale de 120 cm/km. Debitul mediu multianual pe sector este de 5540 m3/s. La o cdere amenajabil de 34 m, potenialul specific este cel mai mare din Europa: 8100 kW/km. Figura 2.A4. Potenialul liniar specific al Dunrii 50

Pentru nceput se prezint succint cele trei uzine hidroenergetice din amonte de Pori le de Fier i se fac unele comentarii privind dispoziia general a acestora. Alctuirea frontului barat (figura 2.A5) cuprinde centrala, un baraj deversor i ecluze. La primele amenajri, cum este i UHE Ybbs-Persenbeug (P = 203 MW, E = 1282 GWh/an), da t n exploatare n 1957, centrala a fost fragmentat n dou corpuri, considernd c o aseme dispoziie prezint avantajul unor pierderi de cdere mai mici fa de o dispunere grupat. Dificultile de exploatare pe care le prezint aceast dispoziie au fcut ca la urmtoarel amenajri grupurile s fie dispuse ntr-o singur central. Aa s-a format frontul barat la UHE Aschach (P = 287 MW, E = 1648 GWh/an), centrala ocupnd zona median ntre ecluze i barajul deversor. Este interesant de remarcat faptul c o dispoziie similar s-a al es i pentru UHE Jochenstein (P = 66 MW, E = 425 GWh/an), dei este o amenajare de g rani, unde de regul se prefer dispoziii simetrice. Figura 2.A5 a. UHE Ybbs-Persenbeug Figura 2.A5 b. UHE Aschach 51

Figura 2.A5 c. UHE Jochenstein Amenajarea hidroenergetic i de navigaie Porile de Fier I i II (SHEN) constitue cea ma i important amenajare, ca parametrii energetici, din Europa. Poziia lor n plan i pro filul sinoptic al sectorului amenajat sunt prezentate n figura 2.A6. Figura 2.A6. Localizare i profil sinoptic prin SHEN Porile de Fier 52

UHE Porile de Fier I (fig. 2.A7) are o e energie n anul mediu hidrologic de 2 racteristicle energetice de care dispun a central este de 34,50 m, iar cderea x 4350 m3/s.

putere instalat de 2 x 1050 MW i o producie d x 5250 GWh/an (se specific de fiecare dat ca Romnia i Serbia, cu pri egale). Cderea maxim l medie de 27,17 m. Debitul instalat este de 2

Dispoziia general este simetric, cu un baraj deversor plasat n mijlocul albiei i cte o central i o ecluz de fiecare parte a acestuia. Fiecare dintre cele dou ri are n acest fel amplasat pe teritoriul propriu jumtate din frontul barat. ROMNIA SERBIA Figura 2.A7. Sistemul hidroenergetic i de navigaie Porile de Fier I Centrala este e chipat cu 2 x 6 turbine Kaplan, iniial de 175 MW fiecare. Dup un proces de retehnol ogizare, grupurile romneti au ajuns la 190 MW pe grup. Barajul deversor are o nlime c onstructiv de 60 m, o lungime de 441 m i 14 cmpuri deversante de 24 m deschidere, e chipate cu stavile plane duble tip crlig. Debitul capabil al descrctorului este de 15 400 m3/s. Lacul de acumulare creat prin barare are un volum de 1,45 miliarde de m3, ceea ce permite o oarecare elasticitate n funcionare, centralele lucrnd la s emivrf i contribuind i la reglajul de frecven. UHE Porile de Fier II (fig. 2.A8) are o putere instalat de 2 x 270 MW i o producie d e energie n anul mediu hidrologic de 2 x 1325 GWh/an , din care 50 ... 55% este e nergie de vrf i de semivrf i 50 ... 45% energie de baz. Cderea maxim la central este 12,75 m, iar cderea medie de 7,45 m. Debitul instalat este de 2 x 4250 m3/s. Pe sectorul amenajat albia se situeaz ntr-o zon deluroas, iar cursul apei se ramific n dou brae, care cuprind ntre ele insula Ostrovul Mare. Limea insulei atinge 2 km 53

i este neinundabil. Pe braul principal au fost construite centrala echipat cu 2 x 10 turbine bulb de 27 MW fiecare, barajul deversor, barajul de nchidere din materia le locale i ecluza srbeasc. De aceast dat obiectele frontului barat sunt comune celor dou ri. Nodul principal Figura 2.A8 a. SHEN Porile de Fier II, nodul principal 54

Figura 2.A8 b. SHEN Porile de Fier II, nodul de pe braul Gogou i seciune prin central a de pe firul principal Pe braul secundar Gogou au fost construite un baraj devers or, o central i baraje de nchidere ctre cele dou maluri. Astfel, amenajarea are dou ba raje deversoare, unul pe braul principal, pentru partea srb, i unul pe braul Gogou, pe ntru partea romn. Prin cele 14 cmpuri deversoare i prin 50% din grupuri se pot evacu a 16 350 m3/s. Volumul lacului de acumulare este de 600 milioane de m3. 55

2.6.2. Scheme de amenajare ale UHE de derivaie

La acest tip de schem ntreaga cdere este realizat cu ajutorul unor lucrari de deriva re a apei (canale, galerii, conducte) de lungime mare. Prin lucrri de derivare se pot amenaja n condiii raionale sectoarele cursurilor de ap pe care, din cauza condii ilor locale, nu se pot realiza baraje de retenie. Din cauza regimului de funcionar e pe firul apei, fr posibiliti de adaptare a produciei la consumul de energie electri c, schemele de amenajare la care intreaga cdere este realizat numai prin lucrri de d erivaie sunt utilizate numai n urmtoarele situaii: - pe cursurile de ap din zona de m unte, cu pant ridicat, pe care nu sint amplasamente favorabile pentru acumulri; de obicei aceste amenajri hidroenergetice se ncadreaz n categoria microhidrocentrale (M HC), care fac obiectul capitolului 7; - pe cursurile de ap din zona de deal i cmpie , cu vi largi, pe care nu se pot realiza acumulri; - pe sectoarele cursurilor de a p care au debitele regularizate de acumulrile unor UHE din amonte. UHE de derivaie cuprind un baraj de mic nlime (de obicei un stvilar) pentru derivarea apelor, priza d e ap, canalele sau conductele de aduciune, camera de echilibru (de ncrcare), conduct a forat, cldirea centralei cu echipamentul electromecanic i canalul de fug (fig. 2.17 ). In funcie de cderea amenajat i de structura i tipul de construcie al elementelor co mponente, UHE de derivaie sempart n amenajri de cdere mic sau de cdere mijlocie sau ma e. Priz Canal Camer de ncrcare Conduct forat CHE Figura 2.17. Elementele componente ale unei scheme de derivaie 56

Uzine hidroelectrice de derivaie de cdere mic Acest tip de uzin se amenajeaz pentru cd eri relativ reduse, pe cursul inferior al rurilor mari i n zonele de deal unde ruril e au vi largi. Amenajarea cuprinde derivaii cu scurgere liber, constnd din canale de aduciune i de fug, al cror traseu se nscrie pe malurile i terasele din lungul cursuri lor de ap.

Cldirea centralei este amplasat lng camera de ap, fie formnd cu aceasta o singur const ucie de tip asemntor cu a centralelor baraj de joasa cdere, fie este legat de camera de ncrcare prin conducte forate scurte (fig.2.18). Centralele sunt echipate uzual c u turbine de tip Kaplan i pentru cderi mai mici i cu grupuri bulb. or Figura 2.18. Dispoziia n plan a unei UHE de derivaie de mic cdere Derivarea apei se f ace prin baraje de mic nlime, de tip stvilar i se preia prin prize de ap care trebuie asigure oprirea ptrunderii n canal a aluviunilor de fund. Pentru a crea posibilita tea unei compensri orare a debitelor i a reducerii pierderilor prin deversare, can alele de aduciune se realizeaz adeseori cu berme orizontale (fig.2.19). Uzinele de derivaie de cdere mic se realizeaza pe cursuri de ap care au panta mai mare de 1... 2%0 i potenialul liniar destul de ridicat pentru ca amenajarea s fie economic. Figura 2.19. Schem de principiu a unei UHE de derivaie cu canal de aduciune cu berm e orizontale, n rambleu 57

n numeroase cazuri se amenajeaz mai multe uzine n cascad, folosindu-