Centralele hidroelectrice – intre energia ieftina si impactul asupra mediului

Centralele hidroelectrice folosesc energia potentiala a apei, stocata in rezervoare specializate (lacuri de acumulare), cu ajutorul barajelor, pentru a pune in miscare turbine. Acestea din urma sunt conectate la generatoare de mari dimensiuni, care transforma energia mecanica in electricitate.

Capacitatea centralelor este determinata de volumul rezervoarelor si necesita conditii geografice speciale, pe langa o sursa de apa constanta, deoarece uzina este amplasata, de regula, in aval de baraj (in cazul centralelor care se folosesc si de diferenta de nivel, adica de forta gravitationala), iar apa trebuie condusa prin canale (galerii) sapate in munte, care sa asigure o cadere suficient de mare a apei, astfel incat aceasta sa aiba forta necesara pentru punerea in functiune a turbinei. Exista si hidrocentrale in care apa este asigurata prin pompare sau printr-o cadere mica a apei, dar cu debit constant, la care se folosesc turbine Kaplan (cu rotor reglabil).

Apa este o sursa regenerabila de energie si una dintre cele mai eficiente in ceea ce priveste costurile de productie, fiind mult mai avantajoasa, din acest punct de vedere, decat energia obtinuta, de exemplu, prin intermediul celulelor fotovoltaice, care, desi utilizeaza energia solara (alta sursa inepuizabila), presupun preturi ridicate pentru fabricarea panourilor, eficienta lor fiind de aproximativ 20% (daca se ia in considerare raportul dintre costul panourilor si cantitatea de energie produsa).

In schimb, randamentul centralelor hidroelectrice este de 90%, asigurand, la ora actuala,  aproximativ un sfert din totalul de energie electrica la nivel mondial. Instalatiile comerciale, ca putere, variaza de la 1 MW (Megawatt) pe ora, pana la impresionanta valoare de 18 400 Megawatti, asa cum se intampla in cazul unor centrale construite in China.

Scurta istorie a centralelor hidroelectrice

Omul a incercat sa stapaneasca si sa exploateze forta apei inca din antichitate. La vremea respectiva (mileniul I i.Hr.), in Egipt, s-au construit roti care aveau atasate niste cupe, asezate pe cursurile raurilor, pentru a ridica apa pe maluri, in tinuturile mai secetoase, in scopul irigarii.  In secolul al III-lea d.Hr., la Arles (Franta), exista un fel de “uzina” alcatuita din mai multe mori de apa, un apeduct si o cadere a apei de la 18 metri. Abia in secolul al XIX-lea, in 1827, inginerul francez Benoit Foruneyron inventeaza turbina capabila sa transforme forta apei in electricitate. Prima centrala hidroelectrica a fost construita in Franta, in localitatea Lancey, in 1869, acest compartiment luand avant dupa 1930, in multe parti ale lumii.

Cum functioneaza centralele hidroelectrice

Apa in miscare (raurile, cascadele) poseda deopotriva energie mecanica/cinetica (asa cum orice corp aflat in miscare are o astfel de energie), dar si energie potentiala (Ep = mgh – m-masa corpului, g- acceleratia gravitationala, h-inaltimea). Centralele hidroelectrice au capacitatea de a folosi energia cinetica/mecanica, prin crearea unui sistem eficient de valorificare a apei, in scopul obtinerii energiei, folosind diverse componente specifice, care reprezinta standardul, pentru orice centrala, indiferent de puterea ei. Prima componenta este barajul, construit la nivelul unui rau sau fluviu de mari dimensiuni.

Spatiul din spatele barajului poarta denumirea de rezervor (lac de acumulare) si are functia de stocare a apei intr-o pozitie mai inalta decat cea a uzinei, pentru ca forta gravitationala sa intre in actiune, permitand apei sa ajunga la turbinele din cadrul centralei hidroelectrice. Pentru ca apa se afla la o altitudine mai mare decat cea la care ar trebui sa se regaseasca, in mod normal, se considera ca aceasta are un echilibru alterat, fapt care duce la instalarea unei energii potentiale gravitationale. Gravitatia va face ca apa sa cada la o pozitie mai joasa, prin intermediul portilor de control, construite pe partea interioara a barajului. In momentul in care aceste porti sunt deschise, apa din rezervor va dobandi energie cinetica, pe masura ce trece printr-o alta componenta esentiala a unei centrale hidroelectrice – vanele de control.

Vanele transporta apa catre turbine, pentru ca energia cinetica sa se transforme in energie mecanica. Forta apei este folosita pentru punerea in miscare a turbinelor, care, mai departe, vor pune in functiune axul generatorului de foarte mari dimensiuni. Lucrul mecanic realizat de apa care impinge turbinele poarta numele de energie mecanica. Aceasta energie alimenteaza generatoarele, care, la randul lor,  convertesc enegia apei in energie electrica.

Pentru ca productia de electricitate sa fie maxima, majoritatea centralelor hidroelectrice detin mai multe generatoare, fiecare fiind alcatuit din patru parti – axul, rotorul, statorul si inductorul. Cel din urma transmite curentul electric catre rotor (o serie de electromagneti de mari dimensiuni, care se rotesc in interiorul unei bobine din cupru, numita stator). Inductia electromagnetica determinata de electromagnetii in miscare, din interior, va duce la miscarea electronilor si, deci, la crearea de electricitate.

Transformatorii, o alta componenta importanta a centralelor, transfera energia primara, intr-un circuit secundar, prin modificarea curentului alternativ, in curent de voltaje foarte mari. Curentul electric produs de catre generatoare este transmis catre bobina din cupru, in interiorul transformatorului. Ulterior, prin intermediul unui camp electromagnetic, ajunge la cea de a doua bobina. De aici, este condus in reteaua publica, pentru a ajunge la consumatori sub forma de electricitate. Pe de alta parte, apa care a generat acest proces, prin turbine, trece, prin niste tevi de mari dimensiuni, prevazute cu filtre speciale, pentru a ajunge inapoi in rau sau in fluviu.

Intr-o centrala conventionala, exista un singur rezervor, care contine apa acumulata prin constructia unui baraj. Apa care curge catre turbine duce la producerea de electricitate, pentru ca mai apoi sa se reintoarca in raul din care a fost preluata. Mai exista insa un tip special de centrala hidroelectrica (numita “de stocare”), prevazuta cu un rezervor, situat la un nivel mai jos, care capteaza apa, inainte de a se intoarce in rau. Aici este tinuta ca fiind energie potentiala si este pompata catre rezervorul superior, prin intermediul unei turbine inversate, pentru a fi refolosita. Prin aplicarea unei asemenea metode, exista mai multa apa care poate fi folosita de catre centrala hidroelectrica, pentru obtinerea de energie, in special in conditii de seceta prelungita.

Centralele hidroelectrice – recorduri

In topul celor mai mari centrale hidroelectrice din lume se situeaza:

• Hidrocentrala din provincia Hubei, China – Barajul Three Gorges, construita intre 2006 – 2009, pe fluviul Yangts, cu o capacitate de  22500 Megawatti pe ora, cu cel mai mare baraj (185 metri inaltime si 2 335 metri lungime) si cel mai mare generator de electricitate din lume. Costul oficial al unei asemenea constructii a fost de peste 30 de miliarde de euro.
• Centrala hidroelectrica de la Itaipu, situata la granita dintre Brazilia si Uruguai, produce 14000 Megawatti pe ora, cu ajutorul a 20 de generatoare. In anul 2008, acest baraj a depasit recordul istoric in ceea ce priveste productia de energie electrica, reusind sa obtina peste 95 de terrawatti pe ora.
• Anul acesta, in 2012, tot in Brazilia, a debutat constructia altui mare baraj, cel de la Belo Monte, care, potrivit proiectului, va deveni al treilea in lume, dupa cele mentionate anterior (cu o putere de 11200 Megawatti, o inaltime de 90 de metri si o lungime de 3 545 metri). Principalii opozanti ai acestui proiect au ca argument faptul ca 25 000 de locuitori (indieni) trebuie mutati de pe teritoriul respectiv, la care se adauga impactul urias asupra mediului si biodiversitatii din zona.
• Barajul Hoover, din Colorado, SUA, a fost construit intre 1931 – 1936 si este unul dintre cele mai impresionante din lume. Are un baraj de 221 metri inaltime, 379 metri lungime si o putere instalata de 2080 Megawatti. Americanii au avut grija sa transforme regiunea intr-un obiectiv turistic vizitat de peste un milion de turisti pe an.
• In Romania, cel mai mare baraj este cel de la Portile de Fier I, construit la granita dintre Serbia si Romania, pe Dunare, in anul 1970, si avand capacitatea de 2192 de Megawatti pe ora.
• Prima hidrocentrala din Romania este cea construita in anul 1896 (la acel moment fiind a treia din lume) pe raul Sadu, la 18 kilometri de Sibiu, aceasta fiind prevazuta cu trei turbine si doua motoare cu abur.
• Deosebite nu numai prin importanta economica, dar, mai ales, prin frumusetea peisajului in care sunt amplasate sunt si hidrocentralele de pe Arges (Vidraru) si Stejaru-Bicaz.

Impactul ecologic al centralelor hidroelectrice

Construirea de baraje in ariile cu o foarte mare diversitate a florei si a faunei provoaca, de obicei, modificari ale climatului zonei, din cauza nivelurilor ridicate de carbon care sunt eliberate. Peisajul natural poate fi dezechilibrat, prin instalarea liniilor de curent electric, dar si prin construirea drumurilor de acces spre baraj. Habitatul natural al pestilor este si el afectat, pentru ca este strict dependent de nivelul apei, de viteza de curgere a acesteia, dar si de vegetatia subacvatica protectoare, in mod obisnuit, a speciilor de pesti. In Romania, odata cu construirea barajelor de pe raurile Cerna si Nera, numarul de sturioni s-a redus dramatic, nemaiputand migra in vederea reproducerii.