Παγκοσμίως, τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια παράγουν περίπου το 24% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας και προμηθεύουν με ενέργεια περισσότερους από 1 δισεκατομμύριο ανθρώπους. Τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια παγκοσμίως παράγουν συνολικά 675.000 μεγαβάτ, το ενεργειακό ισοδύναμο 3,6 δισεκατομμυρίων βαρελιών πετρελαίου, σύμφωνα με το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. Υπάρχουν περισσότερα από 2.000 υδροηλεκτρικά εργοστάσια που λειτουργούν στις Ηνωμένες Πολιτείες, καθιστώντας την υδροηλεκτρική ενέργεια τη μεγαλύτερη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας της χώρας.
Σε αυτό το άρθρο, θα ρίξουμε μια ματιά στο πώς η πτώση του νερού δημιουργεί ενέργεια και θα μάθουμε για τον υδρολογικό κύκλο που δημιουργεί τη ροή του νερού που είναι απαραίτητη για την υδροηλεκτρική ενέργεια. Θα πάρετε επίσης μια γεύση από μια μοναδική εφαρμογή της υδροηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να επηρεάσει την καθημερινότητά σας.
Όταν παρακολουθείτε ένα ποτάμι να κυλάει, είναι δύσκολο να φανταστείτε τη δύναμη που ασκεί. Αν έχετε κάνει ποτέ ράφτινγκ σε ομαλά νερά, τότε έχετε νιώσει ένα μικρό μέρος της δύναμης του ποταμού. Τα ορμητικά νερά δημιουργούνται ως ποτάμι, μεταφέροντας μια μεγάλη ποσότητα νερού προς τα κάτω, με σημεία συμφόρησης μέσα από ένα στενό πέρασμα. Καθώς το ποτάμι αναγκάζεται να περάσει από αυτό το άνοιγμα, η ροή του επιταχύνεται. Οι πλημμύρες είναι ένα ακόμη παράδειγμα του πόση δύναμη μπορεί να ασκήσει ένας τεράστιος όγκος νερού.
Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί αξιοποιούν την ενέργεια του νερού και χρησιμοποιούν απλούς μηχανισμούς για να μετατρέψουν αυτήν την ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί βασίζονται στην πραγματικότητα σε μια μάλλον απλή ιδέα — το νερό που ρέει μέσα από ένα φράγμα γυρίζει μια τουρμπίνα, η οποία γυρίζει μια γεννήτρια.
Ακολουθούν τα βασικά εξαρτήματα ενός συμβατικού υδροηλεκτρικού σταθμού:
Φράγμα – Τα περισσότερα υδροηλεκτρικά εργοστάσια βασίζονται σε ένα φράγμα που συγκρατεί το νερό, δημιουργώντας μια μεγάλη δεξαμενή. Συχνά, αυτή η δεξαμενή χρησιμοποιείται ως λίμνη αναψυχής, όπως η λίμνη Ρούσβελτ στο φράγμα Γκραντ Κούλι στην πολιτεία της Ουάσινγκτον.
Εισαγωγή – Οι πύλες στο φράγμα ανοίγουν και η βαρύτητα τραβάει το νερό μέσω του αγωγού πένσας, ενός αγωγού που οδηγεί στον στρόβιλο. Το νερό συσσωρεύει πίεση καθώς ρέει μέσα από αυτόν τον σωλήνα.
Στρόβιλος – Το νερό χτυπά και περιστρέφει τα μεγάλα πτερύγια ενός στροβίλου, ο οποίος είναι προσαρτημένος σε μια γεννήτρια από πάνω του μέσω ενός άξονα. Ο πιο συνηθισμένος τύπος στροβίλου για υδροηλεκτρικούς σταθμούς είναι ο στρόβιλος Francis, ο οποίος μοιάζει με έναν μεγάλο δίσκο με καμπύλες πτερύγια. Ένας στρόβιλος μπορεί να ζυγίζει έως και 172 τόνους και να περιστρέφεται με ρυθμό 90 στροφών ανά λεπτό (rpm), σύμφωνα με το Ίδρυμα για την Εκπαίδευση για το Νερό και την Ενέργεια (FWEE).
Γεννήτριες – Καθώς περιστρέφονται οι λεπίδες του στροβίλου, περιστρέφεται και μια σειρά από μαγνήτες στο εσωτερικό της γεννήτριας. Γιγάντιοι μαγνήτες περιστρέφονται γύρω από χάλκινα πηνία, παράγοντας εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) μετακινώντας ηλεκτρόνια. (Θα μάθετε περισσότερα για το πώς λειτουργεί η γεννήτρια αργότερα.)
Μετασχηματιστής - Ο μετασχηματιστής μέσα στο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας λαμβάνει το AC και το μετατρέπει σε ρεύμα υψηλότερης τάσης.
Γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας – Από κάθε σταθμό παραγωγής ενέργειας προέρχονται τέσσερα καλώδια: οι τρεις φάσεις της ενέργειας παράγονται ταυτόχρονα συν έναν ουδέτερο ή γείωση κοινό και για τις τρεις. (Διαβάστε πώς λειτουργούν τα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας μέσω γραμμών.)
Εκροή – Το χρησιμοποιημένο νερό μεταφέρεται μέσω αγωγών, που ονομάζονται αγωγοί εκροής, και επανεισέρχεται στον ποταμό κατάντη.
Το νερό στη δεξαμενή θεωρείται αποθηκευμένη ενέργεια. Όταν οι πύλες ανοίγουν, το νερό που ρέει μέσω του αγωγού πένσας μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια επειδή βρίσκεται σε κίνηση. Η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται καθορίζεται από διάφορους παράγοντες. Δύο από αυτούς τους παράγοντες είναι ο όγκος της ροής του νερού και η ποσότητα του υδραυλικού ύψους. Το ύψος πτώσης αναφέρεται στην απόσταση μεταξύ της επιφάνειας του νερού και των στροβίλων. Καθώς το ύψος πτώσης και η ροή αυξάνονται, αυξάνεται και η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια. Το ύψος πτώσης συνήθως εξαρτάται από την ποσότητα νερού στη δεξαμενή.
Υπάρχει ένας άλλος τύπος υδροηλεκτρικού σταθμού, που ονομάζεται σταθμός αντλιοταμίευσης. Σε έναν συμβατικό υδροηλεκτρικό σταθμό, το νερό από τη δεξαμενή ρέει μέσα από τον σταθμό, εξέρχεται και μεταφέρεται κατάντη. Ένας σταθμός αντλιοταμίευσης έχει δύο δεξαμενές:
Άνω δεξαμενή – Όπως ένα συμβατικό υδροηλεκτρικό εργοστάσιο, ένα φράγμα δημιουργεί μια δεξαμενή. Το νερό σε αυτήν τη δεξαμενή ρέει μέσα από το υδροηλεκτρικό εργοστάσιο για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια.
Κάτω δεξαμενή – Το νερό που εξέρχεται από τον υδροηλεκτρικό σταθμό ρέει σε μια κάτω δεξαμενή αντί να επανεισέρχεται στον ποταμό και να ρέει κατάντη.
Χρησιμοποιώντας μια αναστρέψιμη τουρμπίνα, η μονάδα μπορεί να αντλεί νερό πίσω στην άνω δεξαμενή. Αυτό γίνεται εκτός ωρών αιχμής. Ουσιαστικά, η δεύτερη δεξαμενή γεμίζει την άνω δεξαμενή. Αντλώντας νερό πίσω στην άνω δεξαμενή, η μονάδα έχει περισσότερο νερό για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια κατά τις περιόδους αιχμής της κατανάλωσης.
Η Γεννήτρια
Η καρδιά του υδροηλεκτρικού σταθμού είναι η γεννήτρια. Τα περισσότερα υδροηλεκτρικά εργοστάσια διαθέτουν αρκετές από αυτές τις γεννήτριες.
Η γεννήτρια, όπως ίσως μαντέψατε, παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Η βασική διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με αυτόν τον τρόπο είναι η περιστροφή μιας σειράς μαγνητών μέσα σε πηνία σύρματος. Αυτή η διαδικασία κινεί ηλεκτρόνια, τα οποία παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα.
Το φράγμα Χούβερ διαθέτει συνολικά 17 γεννήτριες, καθεμία από τις οποίες μπορεί να παράγει έως και 133 μεγαβάτ. Η συνολική ισχύς του υδροηλεκτρικού σταθμού του φράγματος Χούβερ είναι 2.074 μεγαβάτ. Κάθε γεννήτρια αποτελείται από ορισμένα βασικά μέρη:
Στέλεχος
Διεγερτής
Στροφείο
Στάτωρ
Καθώς η τουρμπίνα περιστρέφεται, ο διεγέρτης στέλνει ηλεκτρικό ρεύμα στον ρότορα. Ο ρότορας είναι μια σειρά από μεγάλους ηλεκτρομαγνήτες που περιστρέφονται μέσα σε ένα σφιχτά τυλιγμένο πηνίο από χάλκινο σύρμα, που ονομάζεται στάτορας. Το μαγνητικό πεδίο μεταξύ του πηνίου και των μαγνητών δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα.
Στο φράγμα Χούβερ, ένα ρεύμα 16.500 αμπέρ κινείται από τη γεννήτρια στον μετασχηματιστή, όπου το ρεύμα αυξάνεται στα 230.000 αμπέρ πριν μεταδοθεί.
Τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια εκμεταλλεύονται μια φυσική, συνεχή διαδικασία — τη διαδικασία που προκαλεί τη βροχή και την άνοδο της στάθμης των ποταμών. Κάθε μέρα, ο πλανήτης μας χάνει μια μικρή ποσότητα νερού μέσω της ατμόσφαιρας καθώς οι υπεριώδεις ακτίνες διασπούν τα μόρια του νερού. Ταυτόχρονα, όμως, νέο νερό εκπέμπεται από το εσωτερικό της Γης μέσω της ηφαιστειακής δραστηριότητας. Η ποσότητα νερού που δημιουργείται και η ποσότητα νερού που χάνεται είναι περίπου η ίδια.
Ανά πάσα στιγμή, ο συνολικός όγκος νερού στον κόσμο βρίσκεται σε πολλές διαφορετικές μορφές. Μπορεί να είναι υγρό, όπως στους ωκεανούς, τα ποτάμια και τη βροχή· στερεό, όπως στους παγετώνες· ή αέριο, όπως στους αόρατους υδρατμούς στον αέρα. Το νερό αλλάζει κατάσταση καθώς κινείται στον πλανήτη από τα ρεύματα ανέμου. Τα ρεύματα ανέμου παράγονται από τη θερμαντική δραστηριότητα του ήλιου. Οι κύκλοι των ρευμάτων αέρα δημιουργούνται από τον ήλιο που λάμπει περισσότερο στον ισημερινό από ό,τι σε άλλες περιοχές του πλανήτη.
Οι κύκλοι των ρευμάτων αέρα καθοδηγούν την παροχή νερού της Γης μέσω ενός δικού τους κύκλου, που ονομάζεται υδρολογικός κύκλος. Καθώς ο ήλιος θερμαίνει το υγρό νερό, το νερό εξατμίζεται σε ατμούς στον αέρα. Ο ήλιος θερμαίνει τον αέρα, προκαλώντας την άνοδο του αέρα στην ατμόσφαιρα. Ο αέρας είναι ψυχρότερος σε ψηλότερα σημεία, επομένως καθώς οι υδρατμοί ανεβαίνουν, ψύχονται, συμπυκνώνοντας σε σταγονίδια. Όταν συσσωρευτούν αρκετά σταγονίδια σε μια περιοχή, τα σταγονίδια μπορεί να γίνουν αρκετά βαριά ώστε να πέσουν πίσω στη Γη ως βροχόπτωση.
Ο υδρολογικός κύκλος είναι σημαντικός για τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς επειδή εξαρτώνται από τη ροή του νερού. Εάν δεν υπάρχει βροχή κοντά στον σταθμό, το νερό δεν θα συλλέγεται ανάντη. Καθώς δεν συλλέγεται νερό ανάντη, ρέει λιγότερο νερό μέσω του υδροηλεκτρικού σταθμού και παράγεται λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια.
Ώρα δημοσίευσης: 07 Ιουλίου 2021
