curs hidroenergetica

Surse regenerabile de energie

- 1 -

6. HIDROENERGETICA

6.1 Introducere

Apa este o resursă naturală esenţială desfăşurării şi evoluţiei vieţii pe pământ, de calităţile ei trebuind să beneficieze toţi oamenii şi vieţuitoarele de pe un teritoriu dat.

În zonele aride, lipsite de apă, gestiunea calitativă a acesteia s-a făcut prin reglementări locale încă de la începutul mileniului I şi probabil şi înainte. Sunt cunoscute astfel de reglementări în Egipt, Grecia, Imperiul Roman, Orientul Apropiat, Spania etc. Una din calităţile cursurilor de apă este energia potenţială şi cinetică a acestora, care încă din antichitate a fost folosită pentru uşurarea muncii colectivităţilor omeneşti. Sunt cunoscute mori pentru măcinat, ciocane pentru sfărâmat minereurile, pentru producerea de ţesături pentru îmbrăcăminte etc.

Agricultură

Industrie

Resurse de apă Rezervoare de apă

Centrală hidroelectrică Energetică

Figura 6.1. Utilizarea resurselor de apă

6. Hidroenergetica

- 2 -

Odată cu explozia industrială din secolul XIX, cînd s-a început introducerea masivă a utilizării energiei electrice şi a fost posibilă despărţirea sursei de producere a energiei de locul de consumare a ei, s-au dezvoltat centrale hidroelectrice care să folosească energia cursurilor de apă.

În secolul XX, odată cu dezvoltarea industrială pe bază de tehnologii noi şi a concentrărilor umane în oraşe mari, a apărut pregnant pericolul de poluare a cursurilor de apă, poluare care face practic inutilizabile volume mari de apă. În consecinţă protecţia calităţii apelor a devenit o activitate majoră, ea fiind în multe ţări, în special a celor dezvoltate, preponderentă faţă de gestiunea cantitativă a apei.

În majoritatea ţărilor apele curgătoare şi marea teritorială cu toate calităţile lor, inclusiv cele energetice, sunt considerate bunuri publice de interes major care nu pot fi vândute ci exploatarea lor este posibilă să fie realizată numai prin concesionare sau închiriere a obiectelor respective.

Hidroenergetica este un domeniu tehnic interdisciplinar, aflat la confluenţa dintre mediul înconjurător geologic şi biologic, tehnologie, economie şi viaţă socială. Acest sistem presupune rigurozitate şi precizie în abordarea etapelor existenţei sale. Buna lui funcţionare aduce bunăstare şi confort perspective de dezvoltare complexă, după cum proasta funcţionare, necontrolată corespunzător, poate duce la catastrofe. Toate lucrările hidroenergetice care s-au realizat „în lupta cu natura” pentru a stabili şi valorifica potenţialul apelor, şi-au pus amprenta pe însuşirile oamenilor care lucrează în acest sector.

Energia apei, la fel ca şi energia vîntului a fost folosită de către om înca din cele mai vechi timpuri. Oamenii s-au folosit de energia apei cu ajutorul morilor de apa (figura 6.2), care erau întrebuinţate la măcinatul cerealelor. Astăzi, energia apei este captată şi transformată în electricitate de către hidrocentrale. Hidrocentralele, pentru a produce electricitate, au nevoie în permanenţă de un volum mare de apă, de aceea sunt aşezate pe rîuri. Apa curge cu mare putere şi învîrteşte turbina care este conectată la generator, transformînd astfel energia apei in energie electrica.

Figura 6.2. Moară de apă


- 3 -

Hidrocentralele asigură producerea a 19% (2.650 TWh/an) din energia electrică la nivel mondial.

Centralele hidroelectrice au cele mai reduse costuri de operare şi cea mai mare durată de viaţă în comparaţie cu alte tipuri de centrale electrice. Există o experienţă de peste un secol în realizarea şi exploatarea lor, ceea ce face ca ele să atingă niveluri de performanţă tehnică şi economică foarte ridicate. Energia hidro nu mai este de mult o promisiune, ci o certitudine pentru toate ţările lumii, dezvoltate sau în curs de dezvoltare.

Potenţialul tehnic amenajabil este de cca. 14.400 TWh/an şi se consideră că peste 8.000 TWh/an pot fi produşi în condiţii economice. Puterea electrică instalată în hidrocentrale este de cca. 692 GW şi alţi 110 GW sunt în construcţie. O situaţie pe zone geografice privind capacitatea instalată (în MW) şi producţia de energie electrică în hidrocentrale în anul 1999 este prezentată în tabelul 6.1.

Tabelul 6.1. Hidrocentrale: puterea instalată şi energia

ZONA Capacitatea instalată, MW Energia electrică produsă GWh

Africa, din care: - Egipt - Congo - Mozambic America de Nord, din care: - SUA - Canada - Mexic America de Sud, din care: - Brazilia - Venezuela - Argentina Asia, din care: - China - Japonia - India - Turcia Europa, din care: - Federaţia Rusă - Norvegia - Franţa - România Orientul Mijlociu Australia – Oceania TOTAL MONDIAL

20.170 2.810 2.440 2.180 60.113 79.511 66.954 9.390

106.277 57.517 13.165 8.981

174.076 65.000 27.229 22.083 10.820 214.368 44.000 27.528 25.335 5.795 4.185 13.231 692.420

73.159 11.450 5.350 11.548 711.225 319.484 341.312 32.005 496.016 285.603 60.600 21.598 567.501 204.300 84.500 82.237 34.678 735.655 160.500 121.824 77.500 17.857 8.434 41.918

2.633.908

6. Hidroenergetica

- 4 -

6.2 Principiile generării şi utilizării energiei hidraulice

Aşa cum s-a arătat în capitolul introductiv, deşi apele uscatului prezintă un volum foarte redus faţă de cel existent pe glob, ele au un rol foarte mare în societatea industrială. Una din utilizările apelor uscatului este hidroenergetica. Energia hidraulică, adică energia cursurilor de apă este în principal utilizată pentru producerea energiei electrice.

6.2.1. Caracteristicile energiei hidraulice

Există unele aspecte ce impun incontestabil necesitatea utilizării energiei hidraulice. − Energia hidraulică deşi este limitată este regenerabilă prin circuitul apei în natură şi sub acest aspect inepuizabilă. − Energia hidraulică transformată în electricitate, reprezintă numai o parte componentă a utilizării complexe a cursurilor de apă. Alte servicii, cum ar fi alimentările cu apă, irigaţiile, navigaţia, regularizarea cursurilor apelor ş.a. pot fi realizate prin amenajările hidroenergetice. − Aspectele economiei ale producerii şi utilizării energiei hidroelectrice sunt deosebit de favorabile deoarece amenajările hidroenergetice au o durată mare de funcţionare şi cheltuieli anuale de producţie reduse (în lipsa utilizării oricăror tipuri de combustibili). − Din punct de vedere tehnic există de asemenea avantaje considerabile, pe de-o parte datorită tehnologiilor de transformare a energiei hidraulice în electrice care sunt verificate şi transformarea are loc la randamente ridicate şi pe de altă parte datorită manevrabilităţii ridicate în exploatarea utilajelor ceea ce asigură preluarea cu uşurinţă a variaţiilor de sarcină impuse de consumatori. − Impactul ecologic al producerii energiei hidroelectrice este deosebit de redus, chiar dacă realizarea lacurilor de acumulare perturbă mediul natural, se constituie noi biotopi cu rol de stabilizare.

6.2.2. Energia şi puterea căderilor de apă

Volumele de apă care se deplasează de-a lungul râurilor din motive gravitaţionale reprezintă o sursă de energie care poate fi utilizată.

Să considerăm un segment dintr-un curs natural al unui rîu, delimitat de secţiunile A şi B:


- 5 -

Considerând că pe acest segment se scurge debitul Q, care se conservă, volumul scurs în timpul t va fi W.

Dacă notăm cu VAB vitezele în secţiunile caracteristice cu PA,B presiunile la suprafaţa apei, cu ZA,B cotele faţă de planul de referinţă N-N, energia teoretică a segmentului AB va fi după aplicarea ecuaţiei transferului energiei mecanice pe acest segment, în ipoteza pierderilor nule:

TAB gWHE ρ= ; [J] (6.1)

şi ţinînd cont că 1kWh = 3,6 106J, energia segmentului exprimată în KWh va fi:

367

TAB

HWE ⋅= ; [kWh] (6.2)

Puterea hidraulică va fi:

ABAB gQHP ρ= ; [W] (6.3)

Relaţiile de mai sus oferă valorile teoretice ale energiei şi puterii unui segment de râu. Pentru obţinerea unui randament global de transformare trebuie ţinut seama de pierderile de debit, de cădere şi de randamentele de transformare a energiei hidraulice în mecanică şi apoi electrică.

Z A

Figura 6.3. Energia unui sector de rîu

A

B

HT

Z B

EAB=EA-EB

HT=ZA-ZB

N N

6. Hidroenergetica

- 6 -

Astfel se consideră:

• coeficientul de utilizare al debitului:

a

u

a

u

QQ

WWq == ; (6.4)

unde cu indicii "u" şi "a" s-au marcat volumele (debitele) utilizate şi natural (afluent);

• randamentul hidraulic al amenajării (sectorului):

T

net

T

PSTh H

HH

hH=

−= ∑η (6.5)

unde: hps – pierderile hidraulice pe sector, în care intră pierderile de frecare şi de formă ale albiei; Hnet – căderea netă; • randamentul transformării energiei hidraulice dată de căderea netă în energie mecanică în turbina hidraulică, „ηt”; • randamentul transformării energiei mecanice în energie electrică în generatorul electric, „ηg”,

de unde se observă că randamentul global este:

gthG q ηηηη ⋅⋅⋅= (6.6)

Valorile uzuale ale randamentelor parţiale sunt:

q= 0,90÷0,98

ηh = 0,94÷0,98

ηt = 0,86÷0,92

ηg = 0,95÷0,97

ceea ce conduce la ηG = 0,71÷0,75.

Aplicând relaţiile de calcul pentru determinarea energiei şi puterii teoretice la toate cursurile de apă ale unei ţări se obţine potenţialul hidroenergetic teoretic al ţării respective.


- 7 -

6.3. Potenţialul hidroenergetic al cursurilor de apă

6.3.1. Potenţialul hidroenergetic teoretic, tehnic şi economic

Creşterea rapidă a consumului de energie şi implicit a gradului de utilizare a resurselor hidroenergetice, a pus problema valorificării optime a resurselor energetice, în acest scop este însă necesar să se cunoască mărimea şi caracteristicile resurselor hidroenergetice disponibile în raport cu celelalte categorii de resurse energetice.

Prin inventarierea resurselor hidroenergetice se urmăreşte determinarea cantităţii de energie care poate fi obţinută, variaţia ei în timp şi localizarea ei geografică. Inventarierea resurselor hidroenergetice se efectuează prin studii pe fiecare curs de apă în parte, pe baza datelor fizico-geografice, tehnice şi economice, ţinând seama de condiţiile specifice ale regiunii sau ţării respective.

Potenţialul hidroenergetic reprezintă resursele hidraulice de pe un anumit teritoriu în scopul utilizării lor pentru producerea energiei electrice.

Termenul de potenţial este utilizabil în cazul resurselor regenerabile de energie primară ca energia eoliană, solară, hidraulică, în timp ce resurselor neregenerabile cum sunt combustibilii, le corespunde termenul de rezervă.

Potenţialul hidroenergetic se exprimă de preferinţă în energie productibilă [kWh], valoare ce suferă variaţii mici în timp, sau în unităţi de putere [kW], ce caracterizează puterea tuturor centralelor hidroelectrice realizabile pe teritoriul pe care s-a evaluat potenţialul.

Este oportun să despărţim de la început potenţialul hidroenergetic în categoriile de potenţial hidroenergetic teoretic şi potenţial hidroenergetic amenajabil.

Cel teoretic reprezintă producţia teoretică de energie electrică pe baza unei energii furnizate de un teritoriu, ţinându-se seama de pierderile de debit şi cădere şi de randamentele transformărilor energetice, în această mare categorie intră potenţialul hidroenergetic de suprafaţă cu alte subclase şi potenţialul teoretic liniar al râurilor.

Potenţialul hidroenergetic teoretic (sau brut) reprezintă totalitatea resurselor de energie naturală ale unui bazin, fără să ţină seama de posibilităţile tehnice şi economice de amenajare. El corespunde unei utilizări integrale a căderii şi a disponibilului de apă al bazinului şi unui randament total de 100%. Acest potenţial teoretic include atît potenţialul de suprafaţă, cît şi potenţialul liniar.

6. Hidroenergetica

- 8 -

Potenţialul teoretic de suprafaţă se referă la apele de la suprafaţa pământului şi anume la cele de precipitaţii şi la cele de scurgere. Potenţialul teoretic de precipitaţii Ep, reprezintă echivalentul energetic al întregului volum de apă rezultat din precipitaţiile ce cad pe o anumită suprafaţă:

Ep = 2,725·h·S·Ho; [kWh/an] (6.7)

unde: h – reprezintă înălţimea medie a precipitaţiilor, în mm/an;

S – mărimea suprafeţei, în km2;

HO – altitudinea medie a suprafeţei, faţă de nivelul mării, sau faţă de alt reper, în m.

Dacă se ţine seama că numai o parte din precipitaţii se scurg la suprafaţa bazinului, restul pierzîndu-se prin infiltraţii, evaporaţie, evapotranspiraţie, se obţine potenţialul teoretic al apelor de scurgere:

Esc=2,725σ·S·h·H0; [kWh/an] (6.8)

în care σ - coeficient de scurgere.

Potenţialul teoretic (brut) liniar al cursurilor de apă reprezintă energia (sau puterea) maximă care se poate obţine pe rîul respectiv (sau pe un anumit sector al său). Pentru un anumit sector al cursului de apă se obţine:

Plij=9,81QmijHij; [kW] (6.9)

Elij = 86.000 QmijHij; [kWh/an] (6.10)

Potenţialul teoretic (brut) este o mărime bine precizată care rezultă din anumite operaţii de calcul ce nu pot fi altfel interpretate. Din acest punct de vedere el reprezintă o mărime invariabilă în timp şi independentă de condiţiile tehnice sau economice. De aceea, deşi prezintă dezavantajul de a nu fi o mărime fizică reală, potenţialul hidroenergetic teoretic este folosit pentru studii comparative.

Potenţialul hidroenergetic amenajabil se mai subdivide în potenţialul tehnic amenajabil, care reprezintă energia produsă sau puterea tuturor centralelor ce pot fi realizate pe cursurile de apă din teritoriul în cauză şi potenţialul economic amenajabil care restricţionează producţia de energie, la una avantajoasă economic într-o anumită stare de dezvoltare a tehnicii.


- 9 -

Potenţialul hidroenergetic tehnic reprezintă acea parte din potenţialul brut care ar putea fi obţinută prin amenajarea cursului de apă, ţinînd seama de condiţiile tehnice ale momentului respectiv. Acest potenţial se poate determina pe baza elaborării schemelor de amenajare ale fiecărui curs de apă şi se calculează ţinînd seama de pierderile care apar în instalaţiile unei amenajări şi care se datorează următoarelor cauze principale:

- neutilizarea întregii căderi brute a rîului din cauza remuului, variaţiei nivelului în lacurile de acumulare, neamenajării zonei de izvoare a rîului şi a altor zone, etc;

- neutilizarea energetică a întregului stoc de apă a rîului din cauza deversărilor, pierderilor de apă prin infiltraţii şi evaporaţie, consumului de apă pentru alte folosinţe, a pierderilor de apă de pe suprafaţa de bazin cuprinsă între baraj şi centrală;

- pierderilor din turbine şi generatoare, ca urmare a ciclului de transformare energie hidraulică → energie mecanică → energie electrică.

Potenţialul tehnic reprezintă o mărime mai apropiată de realitate. Deoarece în calcularea lui se ţine seama de posibilităţile tehnice, prezintă însă dezavantajul de a fi variabil în timp (în funcţie de gradul de dezvoltare al tehnicii) şi de a putea fi interpretat în mod diferit (în sensul că alegerea schemelor de amenajare, cotelor, distanţelor, parametrilor de bază, prezintă o mare doză de subiectivitate).

Potenţialul hidroenergetic economic amenajabil reprezintă acea parte a potenţialului hidroenergetic tehnic amenajabil, care se poate obţine în condiţii economice. Această mărime este cea mai susceptibilă de modificări, fiind influenţată de progresul tehnic, restul altor categorii de centrale, dinamica acestora, amplasarea teritorială a surselor de energie primară, condiţii economice ale ţării sau regiunii respective. De aceea valoarea acestui potenţial trebuie raportată la o anumită dată, iar evaluarea trebuie reluată periodic.

6.3.2. Potenţialul hidroenergetic al ţării noastre şi al altor ţări

Evaluarea resurselor hidroenergetice se poate face destul de greu, din cauza diversităţii metodelor de calcul şi a gradului diferit de cunoaştere a datelor hidrologice de bază. Pe baza unor date mai exacte asupra debitelor şi căderilor cursurilor de apă, se apreciază în ultimul timp, că potenţialul teoretic liniar mondial este repartizat conform datelor din tabelul 6.2.

6. Hidroenergetica

- 10 -

Tabelul 6.2. Potenţialul teoretic

Continentul Suprafaţa Potenţialul teoretic 106km2 MW % kW/km2 Africa 30,4 720.000 19 23,7 America de Nord 20,4 700.000 18,5 34,3 America de Sud 18,2 620.000 16 34,1 Asia 44,7 1.330.000 35 29,8 Australia 7,6 170.000 4,5 22,4 Europa 9,8 240.000 6,5 24,5 Regiunile polare 12,4 (20.000) (0,5) - Total mondial 143,5 3.800.000 100 26,2

Se observă că se consideră valoarea potenţialului teoretic liniar mondial ca fiind de aproximativ 3.800.000 MW, la care corespunde o producţie anuală de energie electrică de circa 36.000 TWh/an, aceste cifre reprezentînd nişte limite superioare. Potenţialul teoretic amenajabil, este evaluat la circa 15.000 TWh/an, deci la aproximativ 45% din potenţialul teoretic liniar. Potenţialul economic amenajabil (sau echipabil) se apreciază la 9.800 TWh/an, adică la 27%. Din potenţialul tehnic amenajabil, în anul 1990 era exploatat numai 14%, în curs de amenajare 3,2%, iar în curs de proiectare 7,4%.

Menţionăm că în timp există o tendinţă de creştere a valorii potenţialului hidroenergetic teoretic şi amenajabil. Aceasta pe de o parte datorită precizării datelor de bază, hidrologice şi topografice, iar pe de altă parte progreselor tehnicii în general şi în domeniul amenajării uzinelor hidroelectrice în special, ceea ce a creat condiţii pentru folosirea unui potenţial considerat înainte ca neeconomic sau de neutilizat.

Un astfel de exemplu îl constituie Federaţia Rusă (fosta URSS) al cărui potenţial teoretic era evaluat în 1916 la 170 TWh/an, în 1934 la 2.452 TWh/an (647 râuri), în 1960 la 3.000 TWh/an (1.477 rîuri), iar în 1961 la 3.300 TWh/an (4.500 rîuri), din care tehnic amenajabil 2.100 TWh/an, iar economic amenajabil 1.100 TWh/an. În prezent potenţialul hidroenergetic teoretic al acestei ţări este apreciat la 4.000 TWh/an. Cazuri asemănătoare prezintă Canada, Japonia, Argentina.

În alte cazuri, datorită conjuncturii economice la un moment dat, mărimea potenţialului hidroenergetic economic amenajabil se poate reduce. Astfel în Elveţia în 1964, potenţialul economic amenajabil era apreciat la 38-40 TWh/an. Scumpirea lucrărilor hidrotehnice şi


- 11 -

ieftinirea costului centralelor termoelectrice şi nucleare, a făcut ca în 1965 potenţialul economic amenajabil să fie apreciat doar la 32-33 TWh/an.

În ceea ce priveşte repartiţia teritorială se observă că Africa, considerată mult timp drept continentul cel mai bogat în resurse hidroenergetice, nu deţine întâietatea, Asia avînd un potenţial de aproape două ori mai mare, iar în ceea ce priveşte potenţialul specific (kWh/km2) Africa prezintă o valoare mai redusă chiar decît media mondială.

În tabelul 6.3 sunt date valorile potenţialului teoretic al apelor de scurgere şi al celui economic amenajabil în cîteva ţări europene, calculat faţă de nivelul mării.

Aşa cum se observă din acest tabel, se poate aprecia că potenţialul economic amenajabil reprezintă cam 15 - 40 % din potenţialul teoretic al apelor de scurgere.

Tabelul 6.3. Potenţialul teoretic şi economic

Potenţialul teoretic Potenţialul economic Ţara

TWh/an GWh/km2 TWh/an % din cel teoretic

Austria 152,5 1,820 44,0 28,9 Cehoslovacia 39,3 0,308 7,0 17,8 Elveţia 179,0 4,500 33,0 18,4 Finlanda 46,0 0,138 18,5 40,0 Franţa 314,0 0,571 68,0 21,6 Italia 340,9 1,130 50,0 14,7 Norvegia 556,0 1,715 104,5 18,8 Polonia 31,9 0,103 6,0 18,8 România 90,0 0,379 24,0 26,7 Suedia 196,1 0,436 100,0 51,0 Federaţia Rusă 4000,0 0,219 1.100,0 28,0

Aşa cum s-a mai menţionat, resursele de apă datorate râurilor interioare sunt evaluate la aproximativ 37 miliarde m3/an, dar în regim neamenajat se poate conta numai pe aproximativ 19 milioane m3/an, din cauza fluctuaţiilor de debite ale rîurilor.

6. Hidroenergetica

- 12 -

Boxa 6.1.

Cînd şi-a anunţat intenţia de a elabora un program naţional pentru reducerea, pînă în anul 2000, a emanaţiilor de CO din SUA la nivelul celor din 1990, Bill Clinton se bizuia mult pe aplicarea unor tehnologii şi pe sursele de energie alternative, în special hidroenergia. Din toate sursele de energie regenerabile, aceasta a fost cel mai mult folosită, deşi în ultima vreme punerea în aplicare a unor programe hidroenergetice din ţări în curs de dezvoltare a fost temporizată din motive financiare şi sociale, sau ecologice. Numai o mică parte din potenţialul hidroenergetic din ţările în curs de dezvoltare este utilizat aproximativ 5% în Africa, 8% în America Latina, 9% în Asia. China a căpătat cam 10% din potenţialul sau exploatabil de 378 GW, cel mai mare din lume. În ţările industrializate se foloseşte o parte mai mare a potenţialului hidroenergetic - 26% în ţările membre ale Organizaţiei pentru Cooperare şi Dezvoltare Economică şi 52% în SUA.

Dacă primele roţi hidraulice, care sunt premierele răpirii de către om a energiei cursurilor de apă s-au construit în sec.III Î.Ch., bazele producţiei de energie electrică, folosind energia hidraulică ca sursă, s-au pus practic la sfârşitul secolului al XlX-lea. Acesta a fost saltul major în istoria tehnicii care a permis ca locul de utilizare al energiei să difere de cel al producerii ei. Dintre toate sursele de energie numai cea hidraulică este reînnoibilă, şi deşi limitată cantitativ, inepuizabilă. Există caracteristici tehnico-economice care pun hidroenergetica în prim plan din multe puncte de vedere.

Este oportun de amintit că progresele tehnologice conferă şi acestei ramuri tehnice o evoluţie corespunzătoare.

La început, centralele hidroelectrice, care sunt de fapt un ansamblu de construcţii şi echipamente ce transformă energia hidraulică în energie electrică au fost de puteri mici, utilizând o diversitate relativ extinsă a maşinilor hidraulice, electrice şi a echipamentelor de transformare şi transport a electricităţii.

Începutul secolului XX, cel al uimitorului progres ştiinţific, surprinde construcţia turbinelor hidraulice, elemente componente principale ale centralelor hidroelectrice într-o benefică înviorare tehnică. La acea vreme, dintre toate maşinile construite, numai turbina Pelton prezenta performanţe ridicate privind funcţionarea la randamente mari într-un domeniu larg al puterii. Necesitatea obţineri unor curbe de garanţie cât mai plate a condus la realizări ştiinţifice deosebite, în cazul turbinelor axiale, profesorul Kaplan a realizat reglajul dublu optimizat, ceea ce a impus turbinele axiale tip Kaplan pentru dotarea centralelor cu debite mari şi căderi medii şi mici.

Ideea reglajului dublu a transformat turbinele radial-axiale tip Francis în maşini noi, cu palete reglabile, tip Deriaz.


- 13 -

Utilizarea căderilor mici de apă, în care componenţa potenţială a energiei hidraulice este mică, a condus la simplificarea constructivă a turbinelor axiale prin eliminarea camerei spirale, într-o construcţie tubulară, denumită ulterior turbina bulb.

Savanţii şi tehnicienii şi-au orientat eforturile şi în alte direcţii, modernizând construcţiile arhaice, care însă nu au avut succes decât în domeniul puterilor mici (Banki, Michell, Turgo Gilkes).

În etapa actuală construcţia maşinilor primare din centrale, turbinele hidraulice, s-a concentrat în jurul unor tipuri moderne şi eficiente care sunt repartizate în întreg domeniul de variaţie al parametrilor hidroenergetici: Kaplan, Francis, Pelton şi derivatele bulb şi Deriaz. S-au realizat maşini cu puteri foarte mari, de exemplu Grand Colee 120 MW/unit, Porţile de Fier l 178 MW/unit, Krasnoiarsk 510 MW/unit, centralele hidroelectrice ajungînd de asemenea la puteri foarte mari - John Day 2700 MW, Porţile de Fier 2050 MW, Saiansk 6300 MW.

Este bine să amintim că, deşi s-au făcut paşi uriaşi, la nivelul globului există un potenţial hidroenergetic teoretic de 48230 miliarde KWh, tehnic amenajabil de 19390 miliarde kWh, iar economic 9700 miliarde KWh cu un grad de utilizare de 18%, adică o uriaşă rezervă de energie hidraulică aşteptată să fie valorificată.

În societatea modernă, unde consumul de energie creşte continuu, dezvoltarea hidroenergeticii este necesară, însă condiţionată de reducerea costurilor şi duratei investiţiilor, a impactului economic al protejării mediului sub forma cheltuielilor ascunse, a reducerii suprafeţelor inundate şi volumului lacurilor.

6.4 Scheme principiale de amenajare a cursurilor de apă

Pentru a utiliza energia hidraulică trebuie să reducă pierderile ce apar la curgerea rîului în albia sa şi să se concentreze căderea segmentului ce urmează a-şi ceda energia pentru a putea fi utilizat debitul disponibil al rîului.

6. Hidroenergetica

- 14 -

Figura 6.4. Amenajări tip baraj

Aceasta se poate realiza, în mod normal pe două căi principale, care nu se exclud una pe alta, fiind amenajările tip baraj şi cu derivaţie. Principalele scheme de amenajare care includ aceste soluţii şi altele, sunt date în cele ce urmează.

a) Amenajări tip baraj, la care întreaga cădere a segmentului de rîu se concentrează de baraj, centrala fiind situată la baza acestuia (figura 6.5).

În cazul fluviilor, unde căderea este mică, centrala se amplasează în acelaşi front cu barajul, amenajarea denumindu-se pe firul apei sau fluvială, barajul realizînd o acumulare minimă.

2

3

HB

1

Figura 6.5. Amenajare tip baraj

1- lac; 2- baraj; 3- clădirea centralei


- 15 -

b) Amenajări în derivaţie, la care căderea este realizată în întregime de aducţiune (figura 6.6)

c) Amenajări cu baraj şi derivaţie sau mixtă, unde barajul şi aducţiunea concură la realizarea căderii (figura 6.7).

Figura 6.6. Amenajare în derivaţie 1- stăvilar; 2- aducţiune; 3- cameră de încărcare; 4- conductă forţată; 5- clădirea centralei.

1

2 3

5

4

2

1

HB

Rîu

5

3

2 3 4

Figura 6.7. Amenajare cu baraj şi derivaţie 1- baraj; 2- captare; 3- aducţiune; 4- cameră de încărcare;

5- conductă forţată; 6- centrala.

1

5

6

Rîu

1

23

4

5

6

6. Hidroenergetica

- 16 -

O soluţie mixtă, uneori avantajoasă este centrala subterană (figura 6.8).

Există cazuri rare, cînd căderea este concentrată de o cascadă sau pot fi utilizate alte conformaţii, cu totul speciale ale terenului.

Deşi nu au o mare răspândire, există şi funcţionează eficient centralele maree-motrice, la care un bazin se separă printr-un baraj de ocean sau mare, centrala dispunându-se în acest baraj. Utilizînd efectul mareelor se stabileşte o lege de umplere şi golire a bazinului izolat (care poate fi alimentat şi de un râu) care va crea o cădere "H".

O altă soluţie, din ce în ce mai aplicată este cea a centralei electrice de acumulare prin pompaj CHEAP1 care, utilizează două bazine de acumulare, unul amonte şi altul aval, funcţionând parte din timp ca producător de energie electrică şi parte ca producător de energie hidraulică.

Boxa 6.2. Aspecte de amenajări hidroenergetice

Scoatem în evidenţă câteva aspecte pe care le considerăm semnificative pentru acest sector:

- volumele de apă acumulate în spatele construcţiilor hidrotehnice din cadrul amenajărilor hidroenergetice sunt de ordinul milioanelor şi/sau miliardelor de metri cubi, asigurînd astfel importante rezerve de apă potabilă sau industrială în mod permanent;

- toate echipamentele şi instalaţiile care se fabrică, montează şi exploatează în acest sector au, de cele mai multe ori, dimensiuni agabaritice şi greutăţi foarte mari care pot ajunge uneori la sute de tone per subansamblu, dar toleranţele de montaj şi funcţionare se încadrează în domeniul zecimilor şi uneori a sutimilor de milimetru;

1 CHEAP- centrale hidroelectrice de acumulare prin pompaj

Figura 6.8. Amenajare cu centrală subterană 1- lac; 2- baraj; 3- conductă forţată; 4- centrală; 5- galerie de fugă

1 2

3 4 5

Rîu

1 2 3

4

5


- 17 -

- posibilitatea de creştere rapidă de la 0 la sute/mii de MW şi racordarea la Sistemul Electroenergetic Naţional în cîteva minute, dar şi singura posibilitate de “stocare” la scara industrială a energiei hidraulice, rapid convertibila in energie electrică;

- influenţă deosebită a factorului uman în realizarea acestor sisteme, care poartă numele de AMENAJĂRI HIDROENERGETICE, pornind de la durata mare a execuţiei, fabricaţiei şi exploatării acestora, precum şi de la eforturile deosebite pentru corelarea tuturor factorilor care concura la un astfel de obiectiv; realizarea acestor amenajări nu este posibilă fără colaborarea unor echipe complexe de specialişti şi fără concursul unor utilaje şi furnituri foarte diverse şi/sau complexe, care pot angrena peste 40-50.000 de lucrători la o amenajare complexă;

- amplasarea obiectivelor hidroenergetice este de cele mai multe ori în zone îndepărtate şi/sau izolate, rezultînd eforturi deosebite, atît pentru personalul care participă la realizarea acestor obiective, dar mai ales pentru personalul de exploatare, care va fi foarte greu de menţinut în astfel de locuri; durata execuţiei, volumele de lucrări şi valoarea acestor amenajări hidroenergetice sunt foarte mari;

- trebuie remarcat faptul că prin realizarea obiectivelor hidroenergetice se creează şi o infrastructură de drumuri, reţele electrice şi/sau de apă şi spaţii de cazare şi/sau comerciale cu perspectiva finalizării unor zone turistice;

- numărul instalaţiilor, care contribuie la menţinerea sub control a unor rezerve, cvasi permanente de apă, de peste 10 mld. mc în toate acumulările, este foarte mare. Trebuie să existe permanent preocuparea pentru creşterea fiabilităţii, mentenanţei, disponibilităţii şi performabilitătii acestor instalaţii, pentru valorificarea eficientă a acestei resurse primare, regenerabile prin toate activităţile care se pot dezvolta: energie electrică, servicii de sistem, agricultură, industrie, turism şi agrement protecţie civilă etc.

6.5. Căderea apei la centrala hidroelectrică (CHE)

Căderea amenajării este acceptată a fi diferenţa energiilor specifice ale lichidelor de lucru între două secţiuni convenţionale ale amenajării în cauză.

Figura 6.9. Schema unei CHE cu baraj şi derivaţie pentru definirea căderii

Din figura 6.9 rezultă două componente ale căderii statice: • căderea realizată de baraj hb; • căderea realizată de derivaţie hd;

h d H

br

Hst

h d

6. Hidroenergetica

- 18 -

6.6 Tipuri de turbine hidraulice

În centralele hidroelectrice, turbinele hidraulice reprezintă echipamentul hidroenergetic de bază. Ca tipuri constructive s-au cristalizat, în tehnica modernă, în funcţie de cădere sau de turaţia specifică, următoarele:

• H=200 - 2000m nS[cp]=2 - 36 Turbina Pelton • H=50 - 600m nS[cp]=60 - 350 Turbina Francis • H=100-250m nS[cp]=120 - 300 Turbina Deriaz • H=12-70m nS[cp]=350 - 900 Turbina Kaplan • H=0,5-12m ns[cp]=700 -1400 Turbina bulb

În figura 6.10,a se redă o schemă constructivă pentru o turbină tip Pelton cu un singur injector, iar în figura. 6.10,b este reprezentată o cupă a rotorului Pelton

Figura 6.10. Turbina Pelton

În figura 6.11,a,b,c se prezintă schematic o turbină Francis şi dimensiunile principale ale rotorului, în figura 6.11,b semnificaţiile notaţiilor sunt: • Da - diametrul de aşezare a paletelor aparatului director; • bo - înălţimea aparatului director; • D1i - diametrul de intrare pe coroană; • D1e - diametrul de intrare pe inel; • D2e - diametrul de ieşire pe inel.

b) a)


- 19 -

Forma rotorului depinde de turaţia specifică. Pentru stabilirea formei (tipului) de rotor se apelează la condiţii limitative privind dezvoltarea fenomenului de cavitaţie, prin calculul unei turaţii specifice critice, cu relaţia dată de firma HITACHI şi recunoscută de Comitetul Electrotehnic Internaţional (IEC):

Turbina Kaplan este reprezentată schematic în figura 6.12.

Figura 6.12. Turbina Kaplan Figura 6.13. Turbina bulb

a)

b)

c)

Figura 6.11. Turbina Francis a – schemă de ansamblu; b – dimensiunile principale ale rotorului; c - microhidroturbina Francis

6. Hidroenergetica

- 20 -

Turbina bulb, prezentată în fig.6.13, este de asemenea o maşină axială, cu rotor de tip Kaplan, fără cameră spirală.

6.6.1. Microhidroturbine

Apa este colectată într-un micro-bazin şi apoi canalizată prin conducta de aducţie direct în turbină. Căderea pe verticală, creează presiunea necesara la capătul inferior al conductei de aducţie, pentru a pune în mişcare turbina. Cu cît va fi mai mare debitul sau capul, cu atît vom obţine mai multă energie electrica.

După cum se observă, valorile acestor doua criterii, sunt foarte importante pentru determinarea valorii de energie electrica (potenţialul) unei locaţii pentru implementarea unui microhidrosistem bazat pe microhidroturbine.

De exemplu Turbina Pelton este mai eficienta în locaţiile cu CAP 2 înalt, în contrast cu o turbina Crossflow care e folosită numai în locaţiile cu CAP scurt dat DEBIT3 mare. Conducta de aducţie nu este numai “ghidajul” pentru apa, în drumul ei spre turbina, dar şi cea care creează presiunea necesara. Ca efect, conducta de aducţie concentrează toată presiunea creată de diferenţa de nivel, la baza conductei, la intrarea în turbină. Diametrul conductei, lungimea, materialul din care e confecţionata şi “drumul parcurs”, toate afectează eficienta turbinei. O conducta mica în diametru poate reduce considerabil energia obţinută, chiar daca se foloseşte toată apa de care se dispune.

2 CAP– este presiunea creată de distanţa verticală între locul în care apa pătrunde în conducta de aducţie şi locaţia turbinei şi e măsurată în picioare (sau metri), sau ca presiune în pounds (sau livre) pe inch pătrat (psi).

3 DEBIT– este o cantitate de apă (exprimată în volum pe timp) care curge prin conducta de aducţie intr-o anumită perioadă de timp şi e măsurată în metri cubi/secundă, galoane pe minut (gpm) sau litri pe minut.

Figura 6.14. Generarea energiei cu ajutorul apei


- 21 -

Indiferent dacă vor fi folosite turbine eoliene, panouri solare sau microhidroturbine, la generarea energiei alternative pentru aplicaţii de mica capacitate, schema sistemului este similară. Ca şi componente de bază, avem nevoie de baterii , invertoare şi regulatoare de încărcare.

Figura 6.15. Amplasarea turbinelor

Este evident că nu pot consuma mai multă energie decît acumulez. Deci daca am un generator Harris de 900W el va produce în mod ideal o energie echivalentă cu 21,6 kWh pe zi. Daca o casă consumă în medie 180-200kWh pe luna rezultă ca aceasta microhidroturbina poate alimenta 3 case independente.

Producţia echivalentă pe luna fiind 540kWh (consideram o luna de funcţionare de 25 zile).

Daca : 1kWh = 0,08 Euro, rezultă că producţia unei luni e echivalenta cu 43,2 Euro.

Figura 6.16. Sisteme cu microturbine Harris de 900W

6. Hidroenergetica

- 22 -

6.7. Tipuri constructive de centrale hidroelectrice

Există o mare varietate constructivă de realizarea centralelor electrice, care suferă diverse clasificări în funcţie de criteriul ales. Totuşi, o tratare raţională poate să generalizeze două tipuri constructive specifice de CHE şi CHEAP. • de suprafaţă cu subcategoriile: construcţie separată de baraj descoperită sau acoperită şi înglobată în baraj; • subterane, dispuse în interiorul munţilor sau altor formaţiuni, care pot fi cu castel de echilibru în aval, pentru canalul de fugă sau fără.

În figurile următoare se prezintă câteva exemple caracteristice. Astfel în figura 6.17 se prezintă o centrală de suprafaţă în construcţie înglobată în baraj, descoperită.

În figura 6.18 se prezintă o centrală de suprafaţă, pe firul apei iar, în figura 6.19 o centrală de suprafaţă cu conductă forţată, dar de mică cădere.

În figura 6.20 se prezintă un exemplu de centrale electrică subterană.

6.7.1 Echipamentele mecanice şi electrice ale centralelor hidroelectrice

Din cele expuse mai sus, rezultă că în componenţa CHE şi CHEAP există o serie de instalaţii şi echipamente care concură la atingerea scopului funcţional. Aceste echipamente se situează pe două trepte de „importanţă”: • echipamente principale, care concură direct la transformarea energiei şi la funcţionarea hidroagregatelor • echipamente auxiliare, care cuprind o serie de instalaţii care deservesc instalaţiile principale.

În clasa echipamentelor principale intră maşinile de forţă, echipamentul electric şi echipamentul mecanic.


- 23 -

Maşinile de forţă: • Maşinile hidraulice (turbine în cazul CHE şi turbine-pompe pentru CHEAP) care realizează transformarea energiei apei în energie stereomecanică şi invers. Există câteva tipuri • constructive consacrate care funcţionează bine şi la randamente ridicate. • Maşinile electrice (generatoare sau motoare-generatoare) care transformă energia stereomecanică a arborilor în energie electrică şi invers. Sunt maşini electrice sincrone, la puteri mari.

Echipamentul mecanic. • Sistemul de reglare automată, care asigură funcţionarea la o turaţie constantă prescrisă prin reglarea debitului cu aparatul director. • Sistemul de răcire al generatorului şi lagărelor turbinei. La maşinile moderne răcirea de regulă se face cu apă.

Figura 6.17. Centrală electrică înglobată în construcţia barajului

Figura 6.18. Centrală hidroelectrică electrică pe firul apei (fluvială)

Figura 6.19. Centrală hidroelectrică cu conductă forţată

Figura 6.20. Centrală hidroelectrică subterană

6. Hidroenergetica

- 24 -

Echipamentul electric cuprinde: • Barele capsulate care evacuează puterea generatorului către transformatoare. Tensiunea generatorului atinge maximum 24 kV, curenţii transportaţi fiind mari şi în consecinţă dimensiunile conductorilor sunt apreciabile. Ele sunt izolate faţă de mediu şi fac faţă oricărui contact accidental cu apa. Cu cât tensiunea este mai mare şi distanţa la transformatoare mare, costurile sunt mai ridicate. • Transformatoarele • Staţia de distribuţie a energiei electrice.

În cadrul echipamentelor auxiliare intră:

• Pupitrul de comandă care asigură guvernarea funcţionării

• Serviciile proprii care asigură energia necesară funcţionării regulatorului automat de turaţie şi a instalaţiilor de apă şi aer.

• Vane, batardouri, ventile, conducte, grătare şi maşini de curăţat, instalaţii de ridicat.

6.7.2. Maşinile electrice ale centralelor hidroelectrice

Cuplul maşină hidraulică - maşină electrică formează hidroagregatul. Maşina hidraulică poate fi turbină, pompă sau maşină reversibilă, iar maşina electrică - generator, motor sau motor - generator. De obicei între maşina hidraulică şi cea electrică există un cuplaj rigid, ele avînd aceeaşi turaţie, în cazuri rare, la puteri mici, se interpune un reductor sau un multiplicator.

În CHE, maşina electrică a hidroagregatului este, în general de tip sincron trifazat.

În cazul CHEAP moderne, maşina electrică este motor - generator de tip sincron trifazat. Pornirea ca motor, în sarcină, ridică probleme suplimentare, de asemenea, reversarea sensului de rotaţie impune construcţii specifice de lagăre (axiale şi radiale) care să asigure formarea şi menţinerea filmului de ulei, indiferent de sensul rotaţiei.

În SP, la acţionarea pompelor mici, se utilizează fără excepţie motoare asincrone trifazate. Pentru pompele foarte mari, se utilizează motoare sincrone.

În cazul CHE, generatorul electric cuplat cu turbina hidraulică poartă numele de hidrogenerator, în cele ce urmează se vor trata câteva aspecte privind parametri funcţionali şi construcţia acestor maşini electrice.


- 25 -

a) b)

6.7.2.1. Hidrogeneratoare

Hidrogeneratoarele sunt maşini electrice sincrone cu poli aparenţi. Construcţia lor este influenţată de tipul turbinei hidraulice care le antrenează, şi sunt în general produse unicat.

Hidrogeneratoarele se pot clasifica după: putere, turaţie, poziţia arborelui, dispoziţia lagărului axial, protecţie şi răcire. După putere se deosebesc hidrogeneratoare de putere mică (sub 103 kVA), medie (103 -2-104 kVA), mare (2-104 - 105kVA) şi foarte mare (peste 105kVA). După turaţie, hidrogeneratoarele pot fi lente (n< 150 rot/min), sau rapide (n>150 rot/min).

După poziţia arborelui, se remarcă hidrogeneratoare verticale şi orizontale. Cele verticale se deosebesc între ele după dispoziţia lagărului axial. Astfel, hidrogeneratoarele ia care lagărul axial este deasupra rotorului, în steaua superioară, sunt de tip suspendat (figura 6.21,a), şi sunt de obicei de turaţie nominală mai mare de 150 rot/min. Tipul umbrelă are lagărul axial dispus sub rotor (figura 6.21,b) şi este utilizat când turaţia nominală este mai mică de 150 rot/min, fără ca această limită să fie foarte fixă.

Figura 6.21. Scheme de dispoziţie generală a hidrogeneratoarelor

a - generator tip suspendat; b - generator tip umbrelă; 1 - lagăr radial superior; 2 - lagăr axial; 3 - lagăr radial inferior

În figura 6.22 se prezintă soluţia constructivă a unui hidrogenerator cu puterea de 300MW şi turaţia nominală 200 rot/min, de tip suspendat. Rotorul (1) este format dintr-un butuc fixat pe arborele (4), din spiţe şi o obadă pe care sunt montaţi polii bobinaţi. La partea inferioară se află discul de frînare pe care acţionează pistoanele cilindrilor de frînare (6). Statorul -

1

2

3

1

3

2

6. Hidroenergetica

- 26 -

partea fixă - este executat, ca şi rotorul din sectoare care se montează, în cazul dimensiunilor foarte mari, pe şantier.

Figura 6.22. Hidrogenerator vertical de tip suspendat.

Bobinajul statoric este executat din bobine sau bare, care se leagă în serie pentru a forma fazele statorului. Miezul, în crestăturile căruia se montează bobinele, se execută din tole stanţate. Pentru răcire, în miez se prevăd canale de ventilaţie, iar la periferie se instalează răcitoarele (7). Există, în această construcţie, două lagăre radiale (5),şi unul axial (3).

În afara subansamblelor principale - rotor, stator, arbore şi lagăre -hidrogeneratoarele sunt prevăzute cu elemente şi instalaţii specifice, necesare funcţionării, care sunt prezentate în cele ce urmează.

6.8 Energia hidraulică a Republicii Moldova

Republica Moldova este situată într-o zonă pricarpatică cu climă şi relief variabil. Precipitaţiile anuale medii constituie aproximativ 500 mm. Aceste precipitaţii moderate asigură formarea scurgerilor de ape interne, care reprezintă afluenţii rîurilor Nistru şi Prut.

Afluenţii Nistrului şi Prutului constituie resursele hidroenergetice interne ale Republicii Moldova. Luînd în consideraţie situaţia critică a republicii privind sursele de energie, ar fi util de studiat posibilităţile realizării acestor rezerve de energie hidraulică.

Deşi aceste rezerve sunt relativ mici, totuşi pe aceste scurgeri de apă s-ar putea construi microhidrocentrale capabile să asigure cu energie electrică numeroşi consumatori din sectorul rural.

Pentru secolul al XX-lea sunt caracteristice migraţia şi concentrarea populaţiei în oraşe gigantice, care necesită un consum enorm de energie electrică. Această migraţie a populaţiei


- 27 -

de la sat la oraş a fost impusă de concentraţia surselor energetice (cărbune, gaz, petrol) dobândite, transportate şi apoi transformate în energie electrică.

Transportul energiei electrice este perfect însă justificată şi utilizarea acestei energii în zona ei de producere. Acest lucru a şi contribuit la concentraţia populaţiei în oraşe mari. Dacă rezervele de combustibil sunt pe Planetă pe cale de a fi epuizate iar daunele ecologice pun în pericol viaţa pe Planetă, este necesar de a căuta alte surse de energie. Aceste surse de energie sunt bine cunoscute: energia apei, soarelui şi vântului. Unica incomoditate de a folosi această energie pură din punct de vedere ecologic constă în densitatea ei redusă. Folosirea eficientă a acestor surse de energie vor contribui în mod obiectiv la repartizarea mai uniformă a populaţiei pe Planetă. Republica Moldova dispune de o densitate relativ mare a populaţiei, însă ea este destul de uniform repartizată. Acest lucru ar contribui la utilizarea eficientă a energiei soarelui, apei şi vântului, aflându-ne în acest sens într-o situaţie mai bună, cu atât mai mult că preţul pentru combustibil va creşte în continuu.

Una din sursele energetice nestudiate practic şi nefolosite în Moldova sunt apele curgătoare interne. În figura 6.23 este prezentată harta Republicii Moldova cu reţeaua de afluenţi ai râurilor Nistru şi Prut. Moldova este o zonă industrial-agrară cu o populaţie de peste 4 milioane locuitori, din care 60 % locuiesc la sat. Din aceste considerente una din problemele importante este de a dezvolta agricultura şi, prin urmare, de a îmbunătăţi condiţiile de trai ale ţăranilor, care în ultimul timp, datorită transformărilor sociale şi economice, se află într-o situaţie extrem de grea.

Satele din Moldova au fost electrificate şi până în anul 1990 au fost alimentate cu energie electrică la nivelul ţărilor dezvoltate. Creşterea preţului pentru energie pune problema de a folosi şi sursele de energie hidraulică, deşi teritoriul Moldovei nu dispune de râuri mari cu debit mare de apă, însă reţeaua afluenţilor mici a celor două râuri Nistru şi Prut există şi ar putea într-o anumită măsură să fie folosită pentru alimentarea parţială cu energie a satelor aranjate pe cursurile de ape interne.

Hidroenergetica la scară mică fără baraje este deosebit de favorabilă pentru Republica Moldova din diverse puncte de vedere.

6. Hidroenergetica

- 28 -

Minihidrocentralele propuse:

necesită suprafeţe minime (practic numai pentru construirea terasei pe malul râului pe care se montează, canalului, sau conductei de derivaţie);

nu necesită construirea barajelor (fapt ce duce la dezechilibrul acvatic);

necesită cheltuieli minime la fabricare şi deservire.

Utilizarea minihidrocentralelor va permite asigurarea parţială a consumatorilor (în special din zonele rurală şi riverană râurilor Nistru, Prut şi Răut) cu energie electrică, mecanică (la irigarea terenurilor), termică (pentru încălzirea spaţiilor locative în perioada rece a anului).

Aceasta va asigura reducerea parţială a importului combustibililor fosili utilizaţi pentru producerea energiei electrice, si, deci a emisiei gazelor poluante. La dimensiuni raţionale (suprafaţa totală lucrativă a paletelor de aproximativ 10 m2 şi viteza apei curgătoare V=(1,5- 2,5)m/s) puterea minihidrocentralelor poate sa atingă P=10–40 kW. Potenţialul energetic annual al unei minihidrocentrale hidraulice se estimează aproximativ la 350 MWh. Aceasta ar permite economisirea a aproximativ a 100 000 m3 de gaz natural sau ≈ 160 t. de cărbune, sau ≈ 90 t de păcură, şi reducerea emisiei de CO2 cu ≈ 250 t/an. La instalarea pe râurile Prut, Nistru şi Răut a aproximativ 200 minihidrocentrale va permite producerea aproximativ a 70000 MWh, economisirea a cca 20 mln m3 de gaz natural şi reducerea emisiei de CO2 cu ≈50000 t/an.

Având construcţie şi deservire simple minihidrocentralele vor permite producerea energiei electrice cu cost redus. Deoarece producerea energiei electrice în Republica Moldova depinde la cca 95% de sursele importate de combustibili fosili aceasta va asigura o reducere a cheltuielilor pentru importarea combustibililor şi reducerea emisiei de gaze.

Construcţia hidrocentralelor mici ar putea fi realizată prin autofinanţare conform principiului teritorial prin întrunirea resurselor financiare ale ţăranilor şi autorităţilor locale. Concomitent construcţiile locale hidrotehnice pot fi susţinute şi subsidiate de Stat prin acordarea unor credite.

Conform principiului de autoadministrare odată cu terminarea construcţiei microhidrocentralei ea trece în proprietatea deponenţilor de capital, care au dreptul să ia hotărâri administrative respective.

În acest scop este necesar de a elabora un program de Stat pentru valorificarea resurselor de apă ale republicii.


- 29 -

Resursele hidroenergetice ale unei anumite zone disponibile de a produce energie electrică reprezintă potenţialul teoretic hidroenergetic. Acest potenţial se numeşte teoretic, fiindcă nu ia în consideraţie pierderile de debit, de cădere de apă, de randamentele dispozitivelor care transformă energia hidraulică în energie electrică.

Potenţialul hidroenegetic teoretic poate fi clasificat astfel: • potenţial hidroenergetic de suprafaţă; • potenţial teoretic de suprafaţă al scurgerii; • potenţial teoretic liniar al râurilor, care se calculează în lungul scurgerilor de apă.

Precipitaţiile reprezintă energia teoretică care ar putea fi produsă utilizînd volumul de apă căzut prin precipitaţii pe un anumit teritoriu. Potenţialul teoretic de suprafaţă al scurgerii se determină prin scăderea volumului de apă al precipitaţiilor de apă pierdută prin filtrări şi evaporare. Potenţialul hidroenergetic teoretic liniar al râurilor se calculează în lungul cursurilor de apă reprezentând energia teoretică a cursului de apă respectiv. Potenţialul hidroenergetic al amenajării se obţine la considerarea pierderilor de debit, de cădere şi a randamentului dispozitivelor de transformare a energiei hidraulice în energie electrică.

Deci pentru a evalua potenţialul hidroenergetic, va trebui de efectuat cîteva etape de studiu, trecînd de la precipitaţii la scurgeri, la cursurile de apă formate, apoi la amenajări. Acest calcul se dă în cursurile de specialitate şi nu este scopul acestei lucrări.

Debitele de scurgere pe rîuri provin de la ciclul hidrologic al precipitaţiilor, evaporărilor şi restituirii parţiale a debitelor în mări şi oceane.

Debitul teoretic de suprafaţă a unui bazin se calculează cu expresia

s

mthSQp

23 ,10⋅

∆∆

= (6.11)

unde: S - suprafaţa bazinului scurgerii în km2; ∆h - depunerile atmosferice sub formă de ploi, zăpadă, grindină, măsurate în mm într-un interval de timp ∆t.

6. Hidroenergetica

- 30 -

Figura 6.23. Harta cu apele curgătoare interne ale Republicii Moldova

Debitul real provenit din precipitaţii

pR QQ ⋅=σ (6.12)

unde σ este coeficientul de scurgere, care indică a câta parte din debite se scurge pe râuri. Direcţia (1-σ) ia în consideraţie pierderile de debite care au loc în rezultatul evaporării, filtraţiilor, consumului vegetaţiei. Coeficientul σ este de asemenea influenţat de regularitatea precipitaţiilor, temperatură, de intensitatea vânturilor, umiditate, gradul de împădurire al bazinului, permeabilitatea solului, panta râurilor şi a fluenţilor ş.a.

Pentru bazine înalt carpatine σ = 0,6-0,8, în regiunea dealurilor σ = 0,3-0,5 în regiunile de şes σ = 0,1-0,2.

Debitul mediu anual se obţine cu relaţia

31500

ShQ σ= (6.13)

în care σ este valoarea medie a coeficientului de scurgere;

S - suprafaţa bazinului, în km2;

h - precipitaţiile anuale în mm/an.

Nr. Denumirea

apelor curgătoare

Lungimea km

1 Răut 200 2 Bâc 120 3 Botna 110 4 Cogîlnic 100 5 Ialpug 65 6 Lăpuşna 60 7 Ciuhur 55 8 Racovăţ 50 9 Cula 45

10 Ichel 45 11 Vilia 48 12 Sărata 20


- 31 -

Luând în consideraţie că anul are 8760 ore, urmează că energia electrică produsă de apa căzătoare

ηηρ ⋅=⋅⋅⋅= bb QHQHE 8593681,98760 ; (6.14)

gth ηηηη ++= ; (6.15)

iar Q şi H sunt valori medii anuale şi energia utilă

Gbbu QHQHE ηεη ⋅=⋅⋅= 8593685936 (6.16)

unde ηG este randamentul global.

Puterea mecanică dezvoltată de un volum W de apă căzătoare de la înălţimea brută de cădere Hb poate fi dată cu expresia

QHHdt

dWgP bb ρρ ⋅=⋅= 81,9 (6.17)

Fiind luate în consideraţie pierderile ce au loc până la bornele generatorului electric, avem

GbG QHPP ηρη ⋅⋅⋅=⋅= 81,9 (6.18)

Debitul instalat

QkQ ii ⋅= (6.19)

unde Q este debitul mediu anula iar QQk i

i = ,

deci puterea instalată

iii HQP ρ⋅= 81,9 (6.20)

şi puterea anuală medie

ηρ ⋅⋅= bQHP 81,9 (6.21)

6.9 Concluzii

Viitorul aparţine hidrocentralelor conduse în regim automat, sub comanda sistemelor de automatizare bazate pe tehnica modernă, de calcul. Personalul intervine numai în caz de funcţionare necorespunzătoare.

6. Hidroenergetica

- 32 -

BIBLIOGRAFIE

1. Renewable Energy, Power for a sustainable future, Godfrey Bozle 2004

2. T. Ambros, I. Sobor ş.a, Surse regenerabile de energie, Chişinău 1999

3. Alexandru Baya, Centrale şi staţii de pompare, Bucureşti 1990

4. Anton L, Baya A, Hidraulică şi maşini hidraulice, Vol. I, II, Ed. Mirton, Timişoara, 1994, 1995

5. Bâlă M, Construcţii hidrotehnice şi centrale hidroelectrice, Vol. II E.D.P. Bucureşti 1967

6. World Energy Council: Survey of Energy Resources 2001

7. Buletin informativ editat de Camera de Comerţ si Industrie Vâlcea, Partener, Nr. 8-9 (126-127), Octombrie-noiembrie, 2004

8. „Mesagerul energetic”, Anul 2003 , Nr. 22, pag.12

9. „Universul hidro”, Anul 2003-2004, Nr. 2-7

10. Sistem telematic interactiv pentru modelarea potenţialului hidroenergetic al unei amenajări Stimod, http://www.automation.ro

11. Hidrocentrale, http://www.caransebes.ro/

curs hidroenergetica

Documents