Besleaga Vladut Univers itatea Politehnică din București [629235]

Besleaga Vladut Univers itatea Politehnică din București
Facultatea de Energetică

Grupa: 123A

SURSE REGENERABILE DE ENERGIE

Hidroenergia

1. Aspecte generale
Energia cinetică a cursurilor de apă a fost folosită încă din antichitate pentru obținerea de
energie meca nică necesară unor activități meșteșugărești. În prezent, această formă de hidroenergie
este folosită aproape exclusiv pentru producerea de energie electrică, făcând parte din categoria
surselor convenționale.

Potențial energetic prezintă și apele oceanul ui planetar sub diferite forme: energia mecanică a
mareelor, a valurilor și curenților marini ca și energia termică înmagazinată în apă. În prezent această
energie este însă utilizată în prezent în proporții neînsemnate, fiind astfel o sursă neconvențional ă.

Originea energiei hidrosferei în ansamblu, o constituie energia solară. Transformată prin absorbție
de către suprafața pământului, uscat și ape, în energie termică, aceasta întreține circuitul apei în natură.
Astfel hidroenergia este inepuizabilă, avân d un ciclu anual de refacere a potențialului.

MOD DE FUNCȚIONARE

Marile fluvii curg și acumulează multă energie cinetică. Aceasta s -ar
pierdere în zonele de câmpie, dacă nu ar fi hidrocentralele care
transformă energia cinetică în energie electrică.
Hidrocentralele se construiesc lângă lacuri de acumulare, pentru a forța
apa să treacă cu multă putere prin tunele înguste. Barajele sunt
construite cu beton și oțel pentru a rezista la presiunea apei.
Hidrocentralele au mai multe turbine aflate sub bar aj. Prin acestea trece
apa, rotind axul central care este conectat la un generator. Cu ajutorul
transformatoarelor curentul electric intră în rețeaua națională de
electricitate.

EFECTE

Pe lângă prețul lor și cantitatea mare de resurse consumate
în tim pul construcției, hidrocentralele pot influența negativ
zona în care se află.
De exemplu, pentru a construii cea mai mare hidrocentrală,
cea din China, „Barajul celor Trei Defileuri”, a dus la

inundarea unor situri arheologice și la mutarea f orțată a pe ste
1, 3 milioane de oameni. În 2000 se estima că un total de 80
milioane de oameni au fost mutați globali din cauza
hidrocentralelor.

Hidrocentralele blochează deplasarea peștilor dintr -o parte a fluviului în alta. Inundarea unor zone a
dus la pierderea a mari cantități de pământ, care erau locuite de animale.
AVANTAJE

Apa se găsește peste tot pe „Planeta Albastră”, iar energia apei este ușor de exploatat. În țări
subdezvoltate ca Vietnam sau Cambodgia, multe comunități au construit mini -hidrocent rale, care
generează energie la scară mică.

Turbinele hidrocentralelor pot fi pornite sau oprite în câteva minute, hidrocentralele fiind mult mai
flexibile decât centralele care ard cărbune sau gaz.

Hidrocentralele produc energie foarte ieftin, ele neavâ nd nevoie de atâta întreținere cât celelalte
centrale.

2. Potențialul hidroenergetic

Se exprimă în mod cantitativ prin energia potențială gravitațională a unui stoc de apă,
calculată în raport cu un nivel de referință. Se poate clasifica după cum urmează:
▪ potențialul teoretic :
➢ al precipitațiilor;
➢ de scurgere;
➢ liniar;
▪ potențialul amenajabil:
➢ tehnic;
➢ economic;

A. Potențialul teoretic

Reprezintă energia potențială a stocului de apă fără a lua în considerare randamentul
amenajării, în condițiile utilizăr ii integrale a acestui stoc.

a) Potențialul teoretic al precipitațiilor reprezintă energia potențială a volumului de apă provenit
din precipitații pe o suprafață într -o anumită perioadă timp (un an de zile), în raport cu un nivel de
referință (nivel mării, a ltitudinea la frontiera statului, etc.).

Valoarea acestui potențial se calculează conform relației:
W p k g S i hi xi

în care:

▪ k este o constantă pentru conversia unităților de măsură, ce permite exprimarea rezultatului
în TWh/an ( k 2.778 .1 0 13 );

▪ ρ este densitatea apei (1000 kg/m3 ),
▪ g este accelerația gravitațională (9,81 m/s2),
▪ Si este suprafața de teren a zonei cu precipitații considerate (km2),
▪ Δhi este diferența de nivel dintre altitudinea medie a suprafeței Si și nivelul de r eferință (m)
▪ xi este grosimea stratului de apă provenit din precipitații pe durata unui an (mm),

În țara noastră, pentru un an normal din punct de vedere al precipitațiilor, valoarea
potențialului teoretic al precipitațiilor este de 240 TWh.

b) Potențialu l teoretic de scurgere reprezintă energia potențială a volumului de apă care se scurge
pe suprafața unui teritoriu, până la un nivel de referință stabilit, într -un interval de timp standard.
Pentru calcul se poate folosi relația:
WSk g1 s S i hi xi

în care mărimile au aceeași semnificație precum cele din relația , iar s este coeficientul de infiltrare
al apei în sol, pentru a lua astfel în considerare doar volumul de apă care se scurge pe suprafața
solului. Mărimea acestui coeficient depinde atât de tipul reliefului, structura solului, cât și de
caracterul precipitațiilor (torențiale, moderate, zăpezi acumulate iarna sau persistente, etc).

Pentru teritoriul României valoarea acestui potențial este de 81 TWh/an, ceea ce reprezintă
practic 33,75 % din potențialul teoretic al precipitațiilor.

c) Potențialul teoretic liniar se determină luând în considerare doar volumul de apă ce se scurge în
mod organizat pe cursurile de apă permanente (fluvii, râuri, etc.), într -un anumit interval de timp,
până la un niv el de referință adoptat.

Deoarece debitele cursurilor de apă variază de -a lungul acestora, de la izvor până la vărsare,
pentru calcule, traseul râului se împarte în sectoare omogene din acest punct de vedere (cel mai
frecvent, sectoarele sunt delimitate d e punctele de confluență).

Valoarea acestui potențial se calculează cu expresia:

W
Lk
1T g Q
mi h
i
în care:
▪ k1 este o constantă egală cu 10-12, necesară pentru exprimarea potențialului în TWh/an;
▪ T este durata intervalului considerat (1 an = 8760 or e),
▪ Qmi este debitul mediu multianual pe sectorul considerat(m3/s),
▪ Δhi este diferența de nivel pe sectorul considerat (m).

În țara noastră valoarea acestui potențial este de 70 TWh/an, ceea ce reprezintă 29,16 % din
WP, respectiv 86,4 % din WS.

B. Po tențialul amenajabil

Se exprimă prin producția de energie electrică a tuturor amenajărilor hidroenergetice
realizabile pe cursurile de apă de pe un teritoriu, într -un anumit interval, de timp. Se calculează
ținând seama de pierderile care apar cu ocazia r ealizării amenajărilor și în procesul de conversie a
energiei potențială a apei in energie electrică.

a) Potențialul tehnic amenajabil reprezintă partea din potențialul teoretic liniar, care poate fi
cuprinsă în schemele de amenajare hidroenergetică. Se poate calcula cu următoarea expresie:

Wtah T G W L (4)

în care:

▪ φ – coeficient ce ține seama de utilizarea incompletă a potențialului ca urmare a unor restricții
(existența unor localități, obiective industriale, structură geologică inadecvată);
▪ ε – coeficient ce ține seama de utilizarea incompletă a debitelor excepționale ce apar o dată la
mai mulți ani și care nu pot fi reținute în lacurile de acumulare;
▪ ηh – randamentul hidraulic al amenajării care ține seama de pierderile ce apar la curgerea ap ei
prin canalele și conductele de până la intrarea în turbina hidraulică;
▪ ηT – randamentul turbine hidraulice;
▪ ηG – randamentul generatorului electric;
▪ WL – potențialul teoretic liniar.

În țara noastră valoarea potențialului tehnic amenajabil este de 3 6,1 TWh/an, din care 13,3
TWh/an revine Dunării.

b) Potențialul economic amenajabil reprezintă acea parte a potențialului tehnic amenajabil ce poate
fi exploatată în condiții de eficiență economică, prin prisma strategiei energetice adoptate.

Mărimea acestu i potențial este variabilă, în general în continuă creștere, pe măsura creșterii
prețului electricității. Deși prețul energiei produse de hidrocentrale este cel mai coborât în raport cu
alte surse de electricitate, costurile amenajărilor hidroenergetice, r aportate la 1 kW putere instalată
sunt, comparativ foarte mari.

3. Amenajarea resurselor hidroenergetice

Relieful și regimul hidrologic al cursurilor de apă sunt cei mai importanți un factori ce trebuie
avuți în vedere la proiectarea unei amenajări hid roenergetice. Ca urmare, există o mare diversitate a
schemelor de amenajare, principalele elemente ale acestora fiind:
▪ acumulările de apă;
▪ sistemul hidrotehnic de conducere a apei către turbine;
▪ uzina hidroelectrică;
▪ sistemul de evacuare a apei din uzin ă.

Lacul de acumulare este un element nelipsit din orice schemă de amenajare hidroenergetică,
acesta îndeplinind următoarele funcții:

▪ concentrarea, cu ajutorul unui baraj, a diferenței de nivel (a căderii) de pe un sector de râu în
amonte de acesta;
▪ utilizarea optimă a stocului de apă acumulat pentru producerea de electricitate în funcție de
cerere.

Pe lângă acestea, acumulările îndeplinesc și alte funcții precum: prevenirea inundațiilor,
transportul pe apă, piscicultură, turism etc.

Cursurile de a pă au debit variabil, în funcție de sursa lor alimentare, care poate fi permanentă
sau sezonieră. Curba de variația a debitului unui curs de apă pe o anumită perioadă de timp se
numește hidrograf. Pe baza hidrografului se poate întocmi curba clasata a debi telor, reprezentând
debitul cursului de apă în ordine descrescătoare, ținând seama de durata de existență a fiecărei
valori în decursul anului (fig.4.1).

Q QV Q

QM QM

Qm Qmed

t Qm
t

T
T
TV
a) b)
Fig.4.1. Hidrograful (a) și curba clasată a debitelor (b)

Suprafața cuprinsă între curbe și axe reprezintă stocul anual de apă al râului consi derat. Fără o
acumulare se poate utiliza în mod permanent numai partea din stocul de apă ce corespunde debitului
minim ( Qm). În prezența acumulării, hidrocentrala poate avea o putere instalată asociată unui debit
mediu ( Qmed), ce asigură o funcționare perm anentă ( T). Dimensionarea hidrocentralei pentru o
putere mai mare (debit QV), folosind același stoc anual de apă asigură funcționarea la puterea
nominală doar pe o durată limitată de timp ( TV).

Acumulările de apă se pot clasifica în funcție de gradul de r egularizare pe care îl asigură, acestea
fiind:
▪ acumulări mici – care asigură regularizarea zilnică;
▪ acumulări mijlocii – permit regularizarea saptamânală și zilnică prin acumularea apei în zilele
nelucrătoare și redistribuirea ei în celelalte zile;
▪ acum ulări mari – pentru o regularizare sezonier -anuală, și care permit și redistribuirea debitelor
mari din sezonul ploios în sezonul de iarnă;
▪ acumulări foarte mari – pentru regularizarea super -anuală a debitelor, care permite
redistribuirea stocului de apă între anii ploioși și secetoși.

Acumulările de apă existente pe teritoriul țării pot realiza cel mult compensarea sezonier –
anuală a variațiilor debitelor. Realizarea acumulărilor foarte mari implică ocuparea unor mari
suprafețe de teren ce ar trebui astfe l retrase de la alte utilizări, teritoriul României nefiind destul de
mare în acest sens.

4. Principii de amenajare hidroenergetică

Proiectarea amenajărilor hidroenergetice trebuie să aibă în vedere nu doar potențialul energetic al
apei, ci și celelalte ut ilități ale acestei resursei (industriale, de consum, turistice, piscicole, etc.). În

vederea obținerii efectului economic maxim este nevoie de o concepție sistemică la proiectarea
acestora, ce poate fi formulată prin următoarele principii.

Princip iul I – Alcătuirea unor scheme de amenajare pentru un întreg bazin hidrografic sau
pentru mai multe bazine învecinate

Se urmărește astfel folosirea integrală a potențialului hidroenergetic amenajabil pe teritoriul
respectiv, dar și corelarea utilizării en ergetice cu celelalte folosințe ale apei. Astfel, în zona montană
predomină folosința energetică a apei datorită diferențelor mari de nivel (ce asigură un potențial
hidroenergetic însemnat), precum și a densității reduse a populației.

Cu cât altitudinea s cade cu atât devin mai importante utilizările ne -energetice ale apei. Pe de -o
parte creșterea densității populației implică creșterea necesarului de apă în industrie, agricultură,
alimentarea localităților, turism, etc. Pe de altă parte, reducerea pantei t erenului conduce la
diminuarea potențialului energetic al cursului de apă.

În țara noastră există numeroase exemple de scheme de amenajare a unor întregi bazine
hidrografice (Bistrița, Arges, Sebeș, Someș, Olt) cât și unele cazuri de scheme pe mai multe b azine
învecinate (Lotru, Cerna -Motru -Tismana).

Principiul II – Realizarea în zona de munte a unor lacuri de acumulare importante și a unor
hidrocentrale de mare putere cu funcționare în regim de vârf

În această zonă a râului utilizarea principală a apei este cea energetică, deoarece aici există
cea mai mare concentrare a potențialului liniar. Celelalte folosințe ale apei sunt în general reduse,
deoarece densitatea populației este mică, iar activitățile din agricultură și industrie sunt, de
asemenea, puțin însemnate.

Se urmărește așadar utilizarea potențialului energetic ridicat din această zonă și recuperarea
cât mai rapidă a investiției, prin funcționarea hidrocentralei în regim de vârf, atunci când prețul
energiei electrice este maxim.

Pentru asigurare a unei eficiențe economice maxime se pot aplica următoarele procedee:

▪ concentrarea în acumulare a unor debite cât mai mari, folosind captările și aducțiunile
secundare;
▪ amplasarea în subteran a hidrocentralei pentru creșterea căderii;

În România aplicar ea practică a acestui principiu a pus în evidență posibilitatea de realizare
numai a regularizării sezonier -anuale a debitelor. De asemenea soluția amplasării hidrocentralei în
subteran a fost folosită în mai multe cazuri (Arges, Lotru, Tismana și altele).

Principiul III – Realizarea, pe cursurile mijlocii și inferioare ale râurilor, a unor centrale cu
caracter de semivârf și bază dispuse în cascadă

În zona cursului mijlociu al râurilor, densitatea populației este mult crescută, iar folosințele apei
sunt multiple. Pentru utilizarea energetică, căderea de apă a cursului mijlociu este divizată în trepte
succesive, potențialul fiecărei trepte fiind exploatat prin dispunerea unui baraj și a unei hidrocentrale de
putere mai mică. Acumulările astfel obținute asi gură hidrocentralelor o independență zilnică,
funcționarea acestora fiind corelată cu cea a hidrocentralei de mare putere din zona montană.

Reducerea investițiilor și creșterea eficienței economice în această parte a cursurilor de apă
este posibilă pr in egalizarea treptelor cascadei. Această soluție permite tipizarea construcțiilor
hidrotehnice și a echipamentelor energetice, fapt ce reduce semnificativ costurile de proiectare, de
execuție pe șantier și de fabricare industrială a echipamentelor.

La no i în țară aplicarea acestui principiu se observă în cazul amenajărilor din bazinele râurilor
Bistrița, Argeș, Olt, care cuprind numeroase hidrocentrale de putere medie organizate în cascade.
De exemplu pe râul Bistrița, în aval de hidrocentrala Stejaru sun t 12 centrale având căderi de apă de
15 și 20 m, cu o putere instalată și o producție totală de energie mai mare decât a centralei
principale; pe râul Arges, în aval de hidrocentrala principală de la Arefu sunt 14 centrale în cascadă,
având trepte de căder e de 10,5; 14,5; 20,5 m.

Principiul IV – Pe cursurile inferioare ale râurilor se amplasează centrale cu funcționare în
regim de bază pe lângă acumulările de apă destinate irigațiilor sau alimentării localităților

Acest principiu subliniază preponderența utilizării apei în agricultură și pentru alimentarea
localităților, folosința energetică fiind una secundară. Ponderea acestui tip de centrale este foarte
redusă în cazul țării noastre.

5. Microhidrocentrale

Sunt catalogate drept microhidrocentrale unit ățile de producție de putere medie -mică (sub 10
MW putere instalată) ce valorifică prin mijloace tehnice simplificate următoarele categorii de
potențial hidroenergetic:

▪ potențialul liniar al cursurilor de apă pe sectoarele necuprinse în schemele principal e de
amenajare sau în aval de captările acestora, după refacerea debitului natural la o mărime
convenabilă;
▪ căderile de apă reziduale ale amenajărilor hidroenergetice sau hidrotehnice existente (pe
galeriile de fugă ale unor hidrocentrale subterane, pe ci rcuitele de apă de răcire ale unor
termocentrale cu răcire in circuit deschis, la ecluzele pentru navigație,etc.);
▪ diferențele de nivel pe conductele de transport pentru apă potabilă sau industrială.

Energia electrică astfel obținută este utilizată pentr u alimentarea unor consumatori izolați, sau
pentru anumite servicii secundare din cadrul amenajărilor mari.

6. Problemele ecologice ale amenajărilor hidroenergetice

În raport cu alte activități cu profil energetic, hidroenergetica pare a fi cel mai puțin d ăunătoare
mediului natural. După încheierea lucrările de amenajare zona afectată își reia starea aparent normală,
realizarea proiectului contribuind la dezvoltarea economică și socială a comunităților locale.

Înfluențele negative asupra mediului apar mai ales în perioada de realizare a amenajării,
principalele efecte fiind poluarea apei, aerului și solului prin praf, gaze de eșapament, scurgeri de
carburanți, ulei, etc.

Există însă și o serie de efecte negative ce pot apărea și după finalizarea lucrărilor , precum:

▪ degradarea unor terenuri agricole și forestiere prin surpări, alunecări de teren și ridicarea
nivelului apei freatice în zona lacurilor de acumulare;
▪ reținerea aluviunilor în acumulări și deranjarea procesului natural de regenerare a carier elor de
nisip;
▪ întreruperea migrației unor specii de pești;
▪ continuarea poluării dupa terminarea lucrărilor datorită dezvoltării economice a zonei
înconjurătoare;
▪ posibilitatea potențială a unor mari distrugeri în aval, în caz de avarie gravă la baraj.

O bună parte dintre aceste efecte negative pot fi evitate prin măsuri luate cu ocazia proiectării
și executării lucrărilor, iar altele se pot corecta ulterior, cu cheltuieli suplimentare.

Efectele directe asupra ecosistemelor biologice sunt considerate in certe, putând apărea
modificări în flora și fauna locală, respectiv modificări ale microclimatului local.

Concluzie

Resursele de apă ale Pământului trebuie îngrijite pentru a ne asigura supraviețuirea. Însă putem utiliza
apa și pentru a produce ușor ș i eficient electricitate.

Bicliografie

• http://www.wall -street.ro/files/149896 -446.pdf .

• http://ro.wikipedia.org/

• http://www .alea.ro/energie -hidro