Резиме
Хидроенергија је метод производње електричне енергије који користи потенцијалну енергију воде да би је претворио у електричну енергију. Њен принцип је коришћење пада нивоа воде (потенцијалне енергије) за ток под дејством гравитације (кинетичка енергија), као што је вођење воде из високих извора воде као што су реке или акумулације на ниже нивое. Текућа вода покреће турбину да се ротира и покреће генератор за производњу електричне енергије. Вода на високом нивоу долази од топлоте сунца и испарава воду на ниском нивоу, тако да се може сматрати индиректним коришћењем соларне енергије. Због своје зреле технологије, тренутно је најшире коришћени обновљиви извор енергије у људском друштву.
Према дефиницији велике бране Међународне комисије за велике бране (ICOLD), брана се дефинише као свака брана висине веће од 15 метара (од најниже тачке темеља до врха бране) или брана висине између 10 и 15 метара, која испуњава најмање један од следећих услова:
Дужина врха бране не сме бити мања од 500 метара;
Капацитет акумулације коју формира брана не сме бити мањи од милион кубних метара;
⑶ Максимални проток поплаве који брана може да поднесе не сме бити мањи од 2000 кубних метара у секунди;
Проблем темеља бране је посебно тежак;
Дизајн ове бране је изванредан.
Према извештају BP2021, глобална хидроенергија је чинила 4296,8/26823,2=16,0% глобалне производње електричне енергије у 2020. години, што је мање од производње електричне енергије из угља (35,1%) и производње електричне енергије из гаса (23,4%), што је треће место у свету.
У 2020. години, производња хидроелектричне енергије била је највећа у Источној Азији и Пацифику, чинећи 1643/4370=37,6% укупне светске производње.
Земља са највећом производњом хидроелектричне енергије на свету је Кина, а следе је Бразил, Сједињене Америчке Државе и Русија. У 2020. години, производња хидроенергије у Кини чинила је 1322,0/7779,1=17,0% укупне производње електричне енергије у Кини.
Иако је Кина на првом месту у свету по производњи хидроенергије, она није високо у структури производње електричне енергије у земљи. Земље са највећим уделом производње хидроенергије у укупној производњи електричне енергије у 2020. години биле су Бразил (396,8/620,1=64,0%) и Канада (384,7/643,9=60,0%).
У 2020. години, производња електричне енергије у Кини је углавном била из угља (што је чинило 63,2%), затим из хидроенергије (што је чинило 17,0%), што је чинило 1322,0/4296,8=30,8% укупне светске производње хидроенергије. Иако је Кина на првом месту у свету по производњи хидроенергије, она још није достигла свој врхунац. Према извештају о светским енергетским ресурсима за 2016. годину који је објавио Светски енергетски савет, 47% хидроенергетских ресурса Кине је још увек неразвијено.
Поређење структуре електричне енергије међу 4 земље са највећим бројем произвођача хидроелектрана у 2020. години
Из табеле се може видети да хидроенергија Кине чини 1322,0/4296,8=30,8% укупне светске производње хидроенергије, што је прво место у свету. Међутим, њен удео у укупној производњи електричне енергије у Кини (17%) је само незнатно већи од глобалног просека (16%).
Постоје четири облика производње хидроелектричне енергије: производња хидроелектрана типа бране, производња хидроелектрана пумпно-акумулираних хидроелектрана, производња хидроелектрана типа потока и производња енергије плиме и осеке.
Производња хидроелектране типа бране
Хидроенергија типа бране, позната и као хидроенергија типа акумулације. Резервоар се формира складиштењем воде у насипима, а његова максимална излазна снага одређена је разликом између запремине резервоара, положаја излаза и висине површине воде. Ова разлика у висини назива се пад, такође познат као снага или притисак, а потенцијална енергија воде је директно пропорционална паду.
Средином 1970-их, француски инжењер Бернар Форест де Белидор објавио је дело „Градња хидраулике“, у којем је описао хидрауличне пресе са вертикалном и хоризонталном осом. Године 1771, Ричард Аркрајт је комбиновао хидраулику, водоводно конструисање и континуирану производњу како би одиграо важну улогу у архитектури. Развити фабрички систем и усвојити модерне праксе запошљавања. Четрдесетих година 19. века развијена је хидроелектрична мрежа за производњу електричне енергије и њен пренос до крајњих корисника. До краја 19. века развијени су генератори и сада се могу повезати са хидрауличним системима.
Први хидроелектрански пројекат на свету био је хотел Крегсајд Кантри у Нортамберленду, у Енглеској, 1878. године, који је коришћен за осветљење. Четири године касније, прва приватна електрана је отворена у Висконсину, у САД, а стотине хидроелектрана су потом пуштене у рад како би обезбедиле локално осветљење.
Хидроелектрана Шилонгба је прва хидроелектрана у Кини, која се налази на реци Тангланг на периферији града Кунминга, у провинцији Јунан. Изградња је почела у јулу 1910. (године Генгсју), а електрична енергија је произведена 28. маја 1912. године. Почетни инсталирани капацитет био је 480 kW. Дана 25. маја 2006. године, Државни савет је одобрио укључивање хидроелектране Шилонгба у шесту групу јединица за заштиту кључних националних културних реликвија.
Према извештају REN21 за 2021. годину, глобални инсталирани капацитет хидроенергије у 2020. години износио је 1170 GW, при чему је Кина повећана за 12,6 GW, што чини 28% укупног глобалног капацитета, више него Бразил (9%), Сједињене Америчке Државе (7%) и Канада (9,0%).
Према статистици БП-а за 2021. годину, глобална производња хидроелектричне енергије у 2020. години износила је 4296,8 TWh, од чега је производња хидроелектричне енергије у Кини била 1322,0 TWh, што чини 30,1% укупне светске производње.
Производња хидроелектрана један је од главних извора глобалне производње електричне енергије и водећи извор енергије за производњу обновљивих извора енергије. Према статистици БП-а из 2021. године, глобална производња електричне енергије у 2020. години износила је 26.823,2 TWh, од чега је производња хидроелектрана била 4.222,2 TWh, што чини 4.222,2/26.823,2=15,7% укупне глобалне производње електричне енергије.
Ови подаци су из Међународне комисије за бране (ICOLD). Према регистрацији у априлу 2020. године, тренутно постоји 58713 брана широм света, при чему Кина чини 23841/58713=40,6% од укупног броја брана на свету.
Према статистици БП-а из 2021. године, у 2020. години, хидроенергија у Кини је чинила 1322,0/2236,7=59% електричне енергије из обновљивих извора енергије у Кини, заузимајући доминантну позицију у производњи електричне енергије из обновљивих извора енергије.
Према подацима Међународног удружења за хидроенергију (iha) [Извештај о стању хидроенергије за 2021. годину], укупна производња хидроенергије у свету достићи ће 4370 TWh у 2020. години, од чега ће највећу производњу хидроенергије имати Кина (31% глобалне производње), Бразил (9,4%), Канада (8,8%), Сједињене Америчке Државе (6,7%), Русија (4,5%), Индија (3,5%), Норвешка (3,2%), Турска (1,8%), Јапан (2,0%), Француска (1,5%) итд.
У 2020. години, регион са највећом производњом хидроелектричне енергије на свету био је Источна Азија и Пацифик, са 1643/4370=37,6% укупне глобалне производње; Међу њима, Кина је посебно истакнута, са 31% укупне глобалне производње, што у овом региону чини 1355,20/1643=82,5%.
Количина производње хидроелектричне енергије пропорционална је укупном инсталираном капацитету и инсталираном капацитету пумпно-акумулираних хидроелектрана. Кина има највећи капацитет за производњу хидроелектричне енергије на свету и, наравно, њен инсталирани капацитет и капацитет пумпно-акумулираних хидроелектрана такође су на првом месту у свету. Према извештају о стању хидроелектрана Међународног удружења хидроелектрана (ИХА) за 2021. годину, инсталирани капацитет хидроелектрана у Кини (укључујући пумпно-акумулиране хидроелектране) достигао је 370160 MW у 2020. години, што чини 370160/1330106=27,8% од укупног светског капацитета, што је на првом месту у свету.
Хидроелектрана Три клисуре, највећа хидроелектрана на свету, има највећи капацитет за производњу хидроенергије у Кини. Хидроелектрана Три клисуре користи 32 Франсис турбине, свака од 700 MW, и две турбине од 50 MW, са инсталираним капацитетом од 22500 MW и висином бране од 181 м. Капацитет производње електричне енергије у 2020. години биће 111,8 TWh, а трошкови изградње биће 203 милијарде јена. Биће завршена 2008. године.
У делу реке Јангцекјанг у региону Сичуан, Ђинша, изграђене су четири хидроелектране светске класе: Сјангђаба, Силуоду, Баихетан и Вудонгде. Укупни инсталирани капацитет ове четири хидроелектране је 46508 MW, што је 46508/22500=2,07 пута више од инсталираног капацитета хидроелектране Три клисуре од 22500 MW. Њена годишња производња електричне енергије је 185,05/101,6=1,82 пута. Баихетан је друга највећа хидроелектрана у Кини после хидроелектране Три клисуре.
Тренутно је хидроелектрана Три клисуре у Кини највећа електрана на свету. Међу 12 највећих хидроелектрана на свету, Кина држи шест места. Брана Итаипу, која је дуго била друга у свету, потиснута је на треће место браном Баихетан у Кини.
Највећа конвенционална хидроелектрана на свету у 2021. години
У свету постоји 198 хидроелектрана са инсталираним капацитетом од преко 1000 MW, од чега Кина чини 60, што чини 60/198=30% од укупне светске снаге. Следе Бразил, Канада и Русија.
У свету постоји 198 хидроелектрана са инсталираним капацитетом од преко 1000 MW, од чега Кина чини 60, што чини 60/198=30% од укупне светске снаге. Следе Бразил, Канада и Русија.
У Кини постоји 60 хидроелектрана са инсталираним капацитетом од преко 1000 MW, углавном 30 у сливу реке Јангце, што чини половину кинеских хидроелектрана са инсталираним капацитетом од преко 1000 MW.
Хидроелектране инсталисаног капацитета преко 1000 MW пуштене у рад у Кини
Узводно од бране Геџоуба и прелазећи притоке реке Јангцекјанг преко бране Три клисуре, ово је главна снага преноса електричне енергије Кине са запада на исток, а такође и највећа каскадна електрана на свету: у главном току реке Јангцекјанг налази се око 90 хидроелектрана, укључујући брану Геџоуба и Три клисуре, 10 у реци Вуђанг, 16 у реци Ђијалинг, 17 у реци Минђанг, 25 у реци Даду, 21 у реци Јалонг, 27 у реци Ђинша и 5 у реци Мули.
Таџикистан има највишу природну брану на свету, брану Усој, висине 567 метара, што је 262 метра више од постојеће највише вештачке бране, бране Ђинпинг нивоа 1. Брана Усој је формирана 18. фебруара 1911. године, када се у Сарезу догодио земљотрес јачине 7,4 степена Рихтерове скале, а природна брана дуж реке Мургаб блокирала је ток реке. То је изазвало клизишта великих размера, блокирало реку Мургаб и формирало највишу брану на свету, брану Усој, формирајући језеро Сарес. Нажалост, нема извештаја о производњи хидроелектричне енергије.
У 2020. години, на свету је постојало 251 брана са највећом висином већом од 135 метара. Тренутно највиша брана је брана Ђинпинг-И, лучна брана висине 305 метара. Следећа је брана Нурек на реци Вахш у Таџикистану, дужине 300 метара.
Највиша брана на свету у 2021. години
Тренутно, највиша брана на свету, брана Ђинпинг-И у Кини, има висину од 305 метара, али три бране у изградњи се спремају да је надмаше. Текућа брана Рогун постаће највиша брана на свету, која се налази на реци Вахш у јужном Таџикистану. Брана је висока 335 метара, а изградња је почела 1976. године. Процењује се да ће бити пуштена у рад од 2019. до 2029. године, са трошковима изградње од 2 до 5 милијарди америчких долара, инсталираним капацитетом од 600 до 3600 MW и годишњом производњом електричне енергије од 17 TWh.
Друга је брана Бахтијари која је у изградњи на реци Бахтијари у Ирану, висине 325 метара и снаге 1500 MW. Вредност пројекта је 2 милијарде америчких долара, а годишња производња електричне енергије је 3 TWh. Трећа највећа брана на реци Даду у Кини је брана Шуангђангкоу, висине 312 метара.
Гради се брана виша од 305 метара
Највиша гравитациона брана на свету 2020. године била је брана Гранд Диксенс у Швајцарској, висине 285 метара.
Највећа брана на свету са највећим капацитетом складиштења воде је брана Кариба на реци Замбези у Зимбабвеу и Замбезију. Изграђена је 1959. године и има капацитет складиштења воде од 180,6 км3, а следе је брана Братск на реци Ангара у Русији и брана Акосомбо на језеру Канавалт, са капацитетом складиштења од 169 км3.
Највећи резервоар на свету
Брана Три клисуре, која се налази на главном току реке Јангце, има највећи капацитет складиштења воде у Кини. Завршена је 2008. године и има капацитет складиштења воде од 39,3 km³, што је 27. место у свету.
Највећи резервоар у Кини
Највећа брана на свету је брана Тарбела у Пакистану. Изграђена је 1976. године и има структуру високу 143 метра. Брана има запремину од 153 милиона кубних метара и инсталисани капацитет од 3478 MW.
Највећа брана у Кини је брана Три клисуре, која је завршена 2008. године. Структура је висока 181 метар, запремина бране је 27,4 милиона кубних метара, а инсталисани капацитет је 22500 MW. Рангирана је на 21. месту у свету.
Највеће тело бране на свету
Слив реке Конго углавном се састоји од Демократске Републике Конго. Демократска Република Конго може да развије национални инсталирани капацитет од 120 милиона киловат (120000 MW) и годишњу производњу електричне енергије од 774 милијарде киловат-сати (774 TWh). Почевши од Киншасе на надморској висини од 270 метара и досежући деоницу Матади, речно корито је уско, са стрмим обалама и турбулентним током воде. Максимална дубина је 150 метара, са падом од око 280 метара. Проток воде се редовно мења, што је изузетно корисно за развој хидроенергије. Планирана су три нивоа великих хидроелектрана, при чему је први ниво брана Пиока, која се налази на граници између Демократске Републике Конго и Републике Конго; други ниво брана Гранд Инга и трећи ниво брана Матади налазе се у Демократској Републици Конго. Хидроелектрана Пиока користи водостај од 80 метара и планира да инсталира 30 јединица, укупног капацитета 22 милиона киловата и годишњом производњом електричне енергије од 177 милијарди киловат-сати, при чему ће Демократска Република Конго и Република Конго добити по половину. Хидроелектрана Матади користи водостај од 50 метара и планира да инсталира 36 јединица, укупног капацитета 12 милиона киловата и годишњом производњом електричне енергије од 87 милијарди киловат-сати. Деоница брзака Јингђа, са падом од 100 метара на 25 километара, је речни део са најконцентрисанијим хидроенергетским ресурсима на свету.
У свету постоји више хидроелектрана које још нису завршене него брана Три клисуре.
Река Јарлунг Зангбо је најдужа река на висоравни у Кини, која се налази у аутономној области Тибета, и једна је од највиших река на свету. Теоретски, након завршетка хидроелектране на реци Јарлунг Зангбо, инсталирани капацитет ће достићи 50.000 MW, а производња електричне енергије ће бити три пута већа од бране Три клисуре (98,8 TWh), достижући 300 TWh, што ће бити највећа електрана на свету.
Река Јарлунг Зангбо је најдужа река на висоравни у Кини, која се налази у аутономној области Тибета, и једна је од највиших река на свету. Теоретски, након завршетка хидроелектране на реци Јарлунг Зангбо, инсталирани капацитет ће достићи 50.000 MW, а производња електричне енергије ће бити три пута већа од бране Три клисуре (98,8 TWh), достижући 300 TWh, што ће бити највећа електрана на свету.
Река Јарлунг Зангбо је преименована у „Брахмапутра“ након што је потекла из територије Луојуа и ушла у Индију. Након што је протекла кроз Бангладеш, преименована је у „Џамуна“. Након што се спајала са реком Ганг на његовој територији, уливала се у Бенгалски залив у Индијском океану. Укупна дужина је 2104 километра, са дужином реке од 2057 километара у Тибету, укупним падом од 5435 метара и просечним нагибом, што је рангира међу већим рекама у Кини. Слив је издужен у правцу исток-запад, са максималном дужином од преко 1450 километара од истока ка западу и максималном ширином од 290 километара од севера ка југу. Просечна надморска висина је око 4500 метара. Терен је висок на западу и низак на истоку, са најнижим на југоистоку. Укупна површина речног слива је 240.480 квадратних километара, што чини 20% укупне површине свих речних сливова у Тибету и око 40,8% укупне површине изливног речног система у Тибету, што га рангира на петом месту међу свим речним сливовима у Кини.
Према подацима из 2019. године, земље са највећом потрошњом електричне енергије по глави становника у свету су Исланд (51699 kWh/особи) и Норвешка (23210 kWh/особи). Исланд се ослања на производњу геотермалне и хидроелектричне енергије; Норвешка се ослања на хидроенергију, која чини 97% структуре производње електричне енергије у Норвешкој.
Енергетска структура земаља без излаза на море, Непала и Бутана, које се налазе близу Тибета у Кини, не ослања се на фосилна горива, већ на њихове богате хидрауличне ресурсе. Хидроелектрична енергија се не користи само у земљи, већ се и извози.
Производња електричне енергије пумпно-акумулираним хидроелектранама
Пумпно-акумулационе хидроенергије су метод складиштења енергије, а не метод производње електричне енергије. Када је потражња за електричном енергијом ниска, вишак капацитета за производњу електричне енергије наставља да генерише електричну енергију, покрећући електричну пумпу да пумпа воду до високог нивоа за складиштење. Када је потражња за електричном енергијом велика, вода високог нивоа се користи за производњу електричне енергије. Ова метода може побољшати стопу искоришћења генераторских агрегата и веома је важна у пословању.
Пумпно-акумулационе хидроелектране су важна компонента модерних и будућих система чисте енергије. Значајан пораст обновљивих извора енергије као што су енергија ветра и сунца, заједно са њиховом заменом традиционалних генератора, довео је до све већег притиска на електроенергетску мрежу и нагласио потребу за пумпно-акумулационим „водним батеријама“.
Количина производње хидроелектричне енергије је директно пропорционална инсталираном капацитету пумпно-акумулираних хидроелектрана и повезана је са количином пумпно-акумулираних хидроелектрана. У 2020. години, широм света је било 68 у функцији и 42 у изградњи.
Кина је на првом месту у свету по производњи хидроелектрана, па је стога и број пумпно-акумулираних електрана у раду и у изградњи на првом месту у свету. Следе Јапан и Сједињене Америчке Државе.
Највећа пумпно-акумулациона електрана на свету је пумпно-акумулациона електрана округа Бат у Сједињеним Државама, са инсталираним капацитетом од 3003 MW.
Највећа пумпно-акумулациона електрана у Кини је пумпно-акумулациона електрана Хуишоу, са инсталираним капацитетом од 2448 MW.
Друга највећа пумпно-акумулациона електрана у Кини је Гуангдонг пумпно-акумулациона електрана, са инсталираним капацитетом од 2400 MW.
Кинеске пумпно-акумулационе електране у изградњи су прве у свету. Постоје три електране са инсталираним капацитетом од преко 1000 MW: пумпно-акумулациона електрана Фенгнинг (3600 MW, завршена од 2019. до 2021. године), пумпно-акумулациона електрана Ђисји (1800 MW, завршена 2018. године) и пумпно-акумулациона електрана Хуанггоу (1200 MW, завршена 2019. године).
Највиша пумпно-акумулациона електрана на свету је хидроелектрана Јамдрок, која се налази у Тибету, Кина, на надморској висини од 4441 метар.
Производња хидроелектричне енергије у потоку
Хидроенергија протока реке (ROR), позната и као хидроенергија отицања, је облик хидроенергије који се ослања на хидроенергију, али захтева само малу количину воде или не захтева складиштење великих количина воде за производњу електричне енергије. Производња хидроенергије речног протока скоро у потпуности не захтева складиштење воде или захтева само изградњу веома малих објеката за складиштење воде. Приликом изградње малих објеката за складиштење воде, ови објекти за складиштење воде се називају базени за подешавање или предбазени. Због недостатка великих објеката за складиштење воде, производња енергије из потока је веома осетљива на сезонске промене запремине воде у извору воде. Стога се електране на потоке обично дефинишу као повремени извори енергије. Ако се у електрани на потоку изгради регулациони базен који може да регулише проток воде у било ком тренутку, може се користити као електрана за уклањање вршног оптерећења или електрана за основно оптерећење.
Највећа хидроелектрана на свету у Сечуану је брана Џирау на реци Мадеири у Бразилу. Брана је висока 63 метра, дугачка 1500 метара и има инсталирани капацитет од 3075 MW. Завршена је 2016. године.
Трећа највећа хидроелектрана на свету је брана „Чиф Џозеф“ на реци Колумбија у Сједињеним Државама, висине 72 метра, дужине 1817 метара, инсталираног капацитета 2620 MW и годишње производње електричне енергије од 9780 GWh. Завршена је 1979. године.
Највећа хидроелектрана сечуанског типа у Кини је брана Тјаншенгћао II, која се налази на реци Нанпан. Брана је висине 58,7 м, дужине 471 м, запремине 4.800.000 м³ и инсталираног капацитета 1320 MW. Завршена је 1997. године.
Производња енергије плиме и осеке
Енергија плиме и осеке настаје порастом и падом нивоа океанске воде изазваних плимом и осеком. Генерално, акумулације се граде за производњу електричне енергије, али постоје и директне употребе тока плиме и осеке за производњу електричне енергије. Нема много места широм света погодних за производњу енергије плиме и осеке, а у Великој Британији постоји осам места за која се процењује да имају потенцијал да задовоље 20% потражње земље за електричном енергијом.
Прва плимна електрана на свету била је плимна електрана Ланс, која се налази у Лансу, у Француској. Грађена је од 1960. до 1966. године током 6 година. Инсталирани капацитет је 240 MW.
Највећа светска електрана на плиму и осеку је електрана на језеру Сихва у Јужној Кореји, са инсталираним капацитетом од 254 MW и завршена је 2011. године.
Прва електрана на плиму и осеку у Северној Америци је Анаполис Ројал Генератинг Стaн, која се налази у Ројалу, Анаполис, Нова Шкотска, Канада, на улазу у залив Фанди. Инсталирани капацитет је 20 MW и завршен је 1984. године.
Највећа плимна електрана у Кини је плимна електрана Ђијангсја, која се налази на југу Хангџоуа, са инсталираним капацитетом од само 4,1 MW и 6 агрегата. Почела је са радом 1985. године.
Први генератор плимних струја у оквиру Северноамеричког демонстрационог пројекта плимних струја из камена инсталиран је на острву Ванкувер у Канади у септембру 2006. године.
Тренутно се у Пентланд Ферту, у северној Шкотској, гради највећи светски пројекат плимне енергије, МејЏен (MeyGen tidal energy project), са инсталираним капацитетом од 398 MW и очекује се да ће бити завршен 2021. године.
Гуџарат, Индија, планира да изгради прву комерцијалну електрану на плиму и осеку у Јужној Азији. Електрана инсталираног капацитета 50 MW инсталирана је у заливу Куч на западној обали Индије, а изградња је почела почетком 2012. године.
Планирани пројекат плимне електране Пенжин на полуострву Камчатка у Русији има инсталисани капацитет од 87100 MW и годишњи капацитет производње електричне енергије од 200 TWh, што је чини највећом плимном електраном на свету. Када буде завршена, плимна електрана у заливу Пирена имаће четири пута већи инсталисани капацитет од тренутне електране Три клисуре.
Време објаве: 25. мај 2023.
