Microhidrocentralele

1.PREZENTARE MICROHIDROCENTRALE

Istoric

Utilizarea energie apei se realizează de mii de ani. De cel puțin 2000 de ani apa a fost folosită în foarte multe părți ale lumii, în special pentru măcinarea cerealelor și pentru producerea energiei. În toată Europa și America de Nord au fost construite mori de apă în primele etape ale revoluției industriale, pentru a produce energie folosită într-o mare varierate de scopuri, de la procesarea inului până la tors și țesut, de la piuă până la prelucrarea lemnului.

Prima hidrocentrală din lume este Cragside, Rothbury, Anglia, construită în 1870. Cragside era o casă țărănească, în apropriere de Rithbury. A fost prima casă din lume care a utilizat energia hidroelectrică. Construită într-o zonă muntoasă, a fost casă de vacanță a lordului William George Amstrong și după 1870 a trecut în grija Național Trust. Cragside, numită după dealul Cragend, a fost contruit în 1963 ca o modestă casă țărănească cu 2 etaje, dar a fost extinsă transformându-se într-o adevărată vilă de arhitectul Norman Shaw.

În 1868 a fost instalat un motor hidraulic utilizat în spălătoria de rufe, în rotiserie și pentru acționarea liftului hiraulic. În 1860, apa din unul din lacurile obținute pe proprietate a fost utilizată pentru a învârti un dinam marca Simens, aceasta fiind probabil prima centrală hidroelectrică din lume.

Figura 1.Casa Cragside,Anglia

A doua hidrocentrală din lume a fost construită, în 1882, în Winconsin, SUA, Apleton, pe râul Fox, fiind utilizată pentru a lumina două mori de hârtie și o casă, la 2 ani după ce Thomas Edison a prezentat lampa cu incandescență.

În decursul anului 1896 prima centrală combinată hidro și termo din România a fost dată în exploatare pe valea râului Sadu, fiind denumită Sadu I. Vechea turbină cu ax vertical a fost înlocuită în 1905 cu o turbină Francis care a funcționat până în 1929.

In comparatie cu alte tipuri de centrale, cele hidroelectrice au cele mai reduse costuri de exploatare si cea mai mare durată de viață. Conversia energiei hidraulice in energie electrica nu este poluantă,presupune cheltuieli relatv mici de intretinere,nu exită probleme de combustibil si constituie o soluție de lungă durată.

Aspecte teoretice

Energia hidro face parte din categoria resurselor regenerabile. Prin potențialul hidroenergetic se înțelege energia echivalentă corespunzătoare unui volum de apă într-o perioadă de timp fixată (1 an) de pe o suprafață. (bazin hidrografic) precizată.

Potențialul hidroenergetic se poate clasifica în mai multe categorii:

– potențialul hidroenergetic brut (teoretic):

de suprafață;

din precipitații;

din scurgere;

– potențialul teoretic liniar (al cursurilor de apă):

tehnic amenajabil;

economic amenajabil;

exploatabil.

Energia hidroelectrică este nu numai regenerabilă, dar este și curată și disponibilă atunci când consumatorii o cer. Ea nu produce deșeuri (cenuși sau substanțe radioactive), nu produce bioxid de carbon care contribuie la efectul de seră, nu produce oxizi de sulf care stau la origina ploilor acide. Combustibilul ei este apa, un combustibil curat care nu suferă degradări prin turbinare.

Potențialul hidroenergetic teoretic (sau brut) reprezintă aportul tuturor resurselor de energie hidraulică naturală ale unui bazin, fără să țină seama de posibilitățile tehnice și economice de amenajare. El corespunde unei utilizări integrale a căderii și a disponibilului de apă al bazinului, cu un randament ideal de 100%. Acest potențial teoretic include atât potențialul de suprafață, cât și potențialul liniar.

Potențialul teoretic de suprafață se referă la apele de la suprafața pământului și anume la cele de precipitații și la cele de scurgere. Potențialul teoretic de precipitații Ep, reprezintă echivalentul energetic al întregului volum de apă rezultat din precipitațiile ce cad pe o anumită suprafață:

Ep = 2,725 h S H0 [kWh/an]

unde:

h- reprezintă înălțimea medie a precipitațiilor, în mm/an;

S- mărimea suprafeței, în km2;

H0- altitudinea medie a suprafeței, față de nivelul mării, sau față de un alt reper, în m.

Potențialul teoretic liniar al cursurilor de apă reprezintă energia (sau puterea) maximă care se poate obține de pe râul respectiv (sau de pe un anumit sector al său).

Potențialul teoretic (brut) este o mărime bine precizată care rezultă din anumite operații de calcul ce nu pot fi altfel interpretate. Din acest punct de vedere el reprezintă o mărime invariabilă în timp (admițând că modificările climatice nu sunt esențiale) și independentă de condițiile tehnice sau economice. De aceea, deși prezintă dezavantajul de a nu fi o mărime fizică reală, potențialul hidroenergetic teoretic este folosit pentru studii comparative.

Potențialul tehnic amenajabil reprezintă puterea și energia electrică care ar putea fi produsă prin amenajarea potențialului teoretic al cursurilor de apă, în măsura în care amenajarea este realizabilă în condițiile tehnice actuale, și ținând seama de pierderile care apar la transformarea energiei hidraulice în energie electrică (acestea reprezinta in medie 20… 25% din potențialul net). Din cauza acestor influențe și limitări, potențialul tehnic amenajabil nu se poate determina decât în urma elaborării schemelor de amenajare hidroenergetice.

Potentialul economic amenajabil corespunde puterii și capacității de producere de energie a acelor uzine prevăzute in cadrul potențialului tehnic, care pot fi amenajate in condiții considerate economice la o anumită etapă de dezvoltare. Valoarea sa variaza in decursul timpului, fiind permanent influențată de o serie de factori energo28 economici și de alt tip. În ultimile decenii au fost fluctuații importante, generate de variația prețului combustibililor fosili, de modificările climatice, de modul de apreciere a efectelor produse de amenajările hidroenergetice asupra mediului etc. Din rezultatele obținute în țările europene se poate deduce că potențialul care poate fi amenajat in condiții economice variază între 18 și 22 % din valoarea potențialului teoretic de scurgere, respectiv între 50 și 75% din valoarea potențialului tehnic amenajabil.

Figura 2. Schema unei amenajari hidroenergetice

Pentru a se putea utiliza potențialul unui rau este nevoie sa obțina o concentrare a energiei pe sectorul 1-2,concentrarea se referă la căderea realizată de la devierea apei de pe cursul normal al râului pana la clădirea centralei.

1.3 Definiție,aspecte tehice si elemente caracteristice microhidrocentralelor

Definiția microhidrocentralelor (MHC) plecând de la limitarea puterii instalate nu are o însă o abordare unitară. În cele mai multe țări europene microhidrocentralele sunt centrale a căror putere instalată este mai mică de 10 MW. Sunt însă și alte limite, cum ar fi 3 MW în Italia, 8 MW în Franța, 5 MW în Anglia. Comisia Europeană, ESHA (European Small Hydro Association) și UNIPEDE (International Union of Producers and Distributors of Electricity) definesc microhidrocentrale ca fiind centralele hidroelectrice a căror putere instalată nu depășește 10 MW.

Definiția corectă pornește de la caracteristicile puterii și energiei livrate. Microhidrocentralele propriu-zise sunt uzine hidroelectice de mică putere, care valorifică energia hidraulică a unui sector de râu, fără a modifica însă regimul de curgere al acestuia. Prin modul de operare, hidrocentrala folosește doar apa disponibilă din curgerea naturală a râului. Microhidrocentralele intră în categoria amenajărilor pe firul apei, la care nu există acumulări, iar puterea livrată fluctuează odată cu debitul râului. Pentru că o astfel de amenajare nu dispune de o putere asigurată semnificativă, puterea instalată este și ea redusă și, ca urmare, se încadrează în categoria micro.

Figura 3. Schema de principiu a unei microhidrocentrale

Microhidrocentralele "pe firul apei" implică construirea unei derivații, prin care se dirijează o parte a apelor râului. Devierea este necesară pentru a se putea concentra căderea de pe sectorul amenajat. Debitul derivat conduce la o reducere a debitului râului între priza de apă și centrala propriu-zisă. De regulă, pentru a asigura intrarea debitului către priza de apă, este necesar un prag deversant sau un stăvilar.

Aceste tipuri de amenajări se refera la faptul că, hidrocentrala folosește doar apa disponibilă din curgerea naturală a râului, deasemenea la aceste amenajări nu există acumulări de apă sau inundări,iar puterea fluctuează odată cu debitul râului.

Schemele microhidrocentralelor depind de caracteriscile geografice ale zonei de amplasament, acestea putând fi de cădere mare sau de cădere mică. Pentru un râu care parcurge un relief abrupt pentru o parte din cursul său, diferența de nivel poate fi utilizată prin devierea totală sau parțială a debitului și prin returnarea acestuia în albia naturală după ce a trecut prin turbină. Apa poate fi adusă de la captare direct în turbină printr-o conductă sub presiune.

Principalele componente unei MHC sunt următoarele:

Acumularea: constituie o formă de stocare a energiei potențiale disponibile.

Sistemul de transfer: include priza de apă (echipată cu grătar) și circuitul de transfer (canalul, conducta forțată, galeriile și evacuarea) unde o parte din energia disponibilă este convertită în energie cinetică.

Turbina hidraulică: este componenta centralei unde energia apei este convertită în energie mecanică.

Rotorul generatorului: energia mecanică transmisă prin intermediul arborelui către rotor conduce la producerea de energie electrică, conform legilor electromagnetice.

Linia de legătură la rețea: prin intermediul acesteia MHC este conectată la rețea pentru a furniza energie electrică consumatorilor.

Traseul hidraulic într-o microhidrocentrală cuprinde:

O priză de apă care include grătarul pentru plutitori, o poartă și o intrare într-un canal, într-o conductă forțată sau direct în turbină, în funcție de tipul amenajării. Priza de apă este în general, construită din beton armat, grătarul din oțel, iar poarta din lemn sau oțel.

Un canal și/sau tunel de aducțiune și/sau conductă forțată care conduc apa la centrala electrică la amenajările la care aceasta este situată la o distanță oarecare în aval de priza de apă. Canalele sunt, în general, excavate și urmăresc conturul terenului. Tunelele sunt subterane și sunt excavate prin forare, prin explozii sau prin folosirea unei mașini de forare. Conductele forțate care transportă apă sub presiune pot fi din oțel, fier, fibră de sticlă, polimer, beton sau lemn.

Intrarea și ieșirea din turbină, care includ vanele și porțile necesare opririi accesului apei către turbină, pentru oprirea centralei și revizii tehnice. Aceste componente sunt, în general, fabricate din oțel sau fier. Porțile din aval de turbină, dacă sunt necesare pentru revizii, pot fi fabricate din lemn.

Canalul de fugă care transportă apa evacuată de la turbină înapoi în râu. Acesta este realizat prin excavare, asemenea canalului de aducțiune.

Clădirea centralei conține turbina sau turbinele și majoritatea echipamentului mecanic și electric. Clădirile microhidrocentralelor sunt, de regulă, realizate la dimensiuni cât mai mici posibile, având totuși o fundație puternică, acces pentru între ținere și siguranță. Construcția este din beton și din alte materiale de construcție.

Principalele componente mecanice și electrice ale unei microhidrocentrale sunt turbina (turbinele) și generatorul (generatoarele).

O turbină transformă energia hidraulică a apei în energie mecanică. Există diferite tipuri de turbine care pot fi clasificate în mai multe feluri. Alegerea turbinei depinde în principal de căderea disponibilă și de debitul instalat în microhidrocentrală. Turbinele sunt în general împărțite în trei categorii : în funcție de căderea pe care o prelucrează:

de înaltă cădere,

de cădere medie

de cădere mică;

după presiunea pe palele turbinei:

cu acțiune

cu reacțiune.

Diferența dintre acțiune și reacțiune poate fi explicată prin faptul că turbinele cu acțiune transformă energia cinetică a jetului de apă prin aer în mișcare prin lovirea paletelor turbinei, nu există reduceri de presiune apa având aceeași presiune pe ambele fețe ale paletelor, presiunea atmosferică. Pe de altă parte, palele unei turbine cu reacțiune sunt complet imersate în apă, iar momentul unghiular al apei, ca și cel liniar, este transformat în putere la arbore, presiunea apei care iese din rotor fiind egală sau chiar mai mică decât cea atmosferică.

O turbină hidraulică se compune din următoarele trei organe principale:

– un distribuitor, care imprimă fluidului o viteză de mărime și direcție convenabile pentru atacul rotorului în condițiile optime dorite, cu minim de pierderi de sarcină;

– un rotor prevăzut cu pale sau cupe, care are rolul de a transforma energia hidraulică în energie mecanică;

– un aspirator sau difuzor, care recuperează sub formă de energie de presiune energia cinetică pe care o mai are apa la ieșirea din rotor și de a evacua apa în bieful aval. Aceasta lipsește la turbinele cu acțiune.

Turbina Pelton este o turbină cu acțiune care utilizează căderi mari de sute de metri, până la Hmax = 1765 m (la U.H.E. Reisseck-Kreuzek în Austria), iar din punct de vedere a rapidității sunt turbinele cele mai lente (5 < *s n < 50). Există numeroase amenajări echipate cu turbine Pelton care utilizează căderi peste 1000 m.

1- rotor

2- injector

3- acul injectorului

4- dispozitiv de acționare

5- resort

6- arbore

7- carcasă

8- canal de evacuare

Figura 4. Turbina Pelton

Pentru căderi mici, până la 50 m și amenajări de mai mică importanță, se folosește turbina Banki. Rotorul 1 este compus din două coroane circulare între care se găsesc palele 2, iar admisia apei în turbină poate fi reglată cu ajutorul clapetei 3. Este singurul tip de turbină la care apa trece de două ori printre palele rotorice.

1. rotor;

2. pale rotorice;

3. dispozitiv de reglare a accesului apei.

Figura 5. Turbina Banki

Turbina Francis, este o turbină cu reacțiune, care prelucrează căderi de apă între 50 și 610 m, rapiditatea ei fiind cuprinsă între 60 și 350. Aceste turbine se mai numesc radial-axiale, deoarece apa intră radial în rotor, își schimbă direcția și iese axial.

Puterea unitară a turbinelor Francis a crescut foarte mult, deținând recordul în cadrul turbinelor hidraulice 508 MW (U.H.E. Krasnoiarsk – Rusia), iar puteri unitare de peste 150 MW sunt instalate în numeroase centrale hidroelectrice din lume. Cea mai mare cădere utilizată de turbina Francis este de 610 m (U.H.E. Hotzenwald – Germania).

Avantajele folosirii la căderi mari a turbinelor Francis în locul turbinelor Pelton, decurg din turațiile mai mari, reducerea gabaritelor și prețuri unitare mai scăzute.

În țara noastră există numeroase amenajări echipate cu astfel de turbine, uzina hidroelectrică de pe Argeș, uzina de la Bicaz, cea de la Mărișelu etc.

Figura 6. Turbina Francis

1.carcasă spirală; 2. aparat director; 3. rotor paletat 4. aspirator; 5. arbore.

Tipul selecției, geometria și dimensiunile turbinei depind în principal de cădere, de debitul defluent și de viteza rotorului.

Cu privire la generatoare, există două tipuri de bază folosite în general în microhidrocentrale și anume cele sincrone și cele de inducție (asincrone). Un generator sincron poate fi operat izolat în timp ce unul de inducție trebuie operat legat cu alte generatoare.

Alte componente mecanice și electrice ale microhidrocentralelor includ:

regulator de turație pentru a potrivi viteza de rotație ideală a turbinei cu cea a generatorului (dacă este nevoie);

vane de închidere a accesului apei la turbine;

porți de control și de by-pass pentru râu (dacă este nevoie);

sistem de control hidraulic pentru turbine și valve;

sistem de control și de protecție electrică;

comutator electric;

transformatoare pentru serviciile interne și pentru transmiterea puterii;

serviciile interne care includ: iluminatul, încălzirea și puterea necesară funcționării sistemelor de control și a comutatorului;

sisteme de răcire și de lubrifiere (dacă este necesar);

sursă de putere de rezervă;

sistem de telecomunicații;

sisteme de alarmă împotriva incendiilor și de siguranță (dacă sunt necesare);

sistem de interconectare sau de transmitere și de distribuție.

1.4 Aspecte economice ale utilizării energiei hidro

Proiectarea microhidrocentralelor necesită studii tehnice și financiare fundamentale pentru a determina dacă un amplasament este fezabil din punct de vedere tehnic și economic. Aceste studii sunt legate de:

Topografia și geomorfologia amplasamentului.

Evaluarea resurselor de apă și potențialului acestora.

Alegerea amplasamentului și aranjamente de bază.

Turbinele și generatoarele hidraulice și echipamentele de control asociate.

Măsuri legate de protecția mediului și de micșorarea impactului.

Evaluare economică a proiectului și a potențialului financiar.

Cadrul instituțional și procedurile administrative pentru a obține autorizațiile necesare.

Debitul și puterea instalată

Pentru a decide dacă pe un sector de râu dat este fezabilă realizarea unei

microhidrocentrale, trebuie evaluată mai întâi resursa de apă disponibilă. Potențialul

energetic al schemei este proporțional cu produsul debitului și al căderii:

P=9,81*ε*Qm*ηh*ηt*ηg*Hbr

Pi=9,81*ηG*Qi*Hbr

unde apar notațiile:

P = puterea hidroelectrică fructificabilă;

Pi = puterea instalată în MHC;

ε = coeficientul de utilizare a debitului ținând seama de deversări și de

debitele de servitute care nu pot fi prelevate pentru turbinare;

Hbr = căderea brută pe sector;

ηh = randamentul hidraulic;

În relații mai intervin ηt randamentul turbinei, ηg randamentul generatorului și ηG

randamentul global, dat de produsul randamentelor ηG = ηhηtηg.

Dimensionarea energetică are în vedere determinarea debitului instalat, stabilirea ariilor de curgere pentru circuitul hidraulic și a alegerea puterii instalate a centralei.

Căderea brută poate fi considerată, în general, constantă, dar debitul variază în cursul anului. Pentru a alege cel mai potrivit echipament hidraulic, pentru a se estima potențialul și pentru a calcula producția anuală de energie este nevoie de o curbă de durată a debitelor. Curba de durată evidențiază, în procente, durata dintr-un an în care debitul este egal sau depășește o anumită valoare. Ea oferă un mijloc de determinare rapidă a cantității din resursa de apă disponibilă care poate fi folosită de turbine de diferite dimensiuni (fig. 7).

Figura 7.Curba de durată a debitelor pentru amplasamentul unei CHEMP

Făcând referire la figura 7, care este curba de durată a debitelor unui râu într-un amplasament posibil pentru o amenajare hidroenergetică, puterea P disponibilă a râului variază în timp odată cu variația debitului Q. Nu toată puterea poate fi folosită. Mai întâi trebuie înlăturată din curba de durată a debitelor debitul care trebuie lăsat pe albie (debitul de servitute), având în vedere faptul că râul trebuie să își continue existența în albia naturală. Hașura rară și oblică de la baza curbei de durată din figura 7. reprezintă această curgere. Debitul utilizabil rămâne în suprafața de deasupra servituții. Pentru a turbina toată resursa disponibilă, ar fi necesară o turbină atât de mare încât să preia și debitele extreme din partea dreaptă a curbei, care au durată de curgere de câteva procente din durata unui an. O astfel de turbină ar fi foarte scumpă și ar funcționa la întreaga ei capacitate pentru o foarte scurtă perioadă de timp. Ca urmare, se determină un debit instalat Qi a cărui valoare se regăsește pe o perioadă de timp semnificativă din an. Alegerea se face astfel încât energia câștigată, în comparație cu unele capacități mai mici, să justifice costurile adiționale ale echipamentelor și conductelor. Mai există un motiv pentru care debitul instalat trebuie limitat: nici o turbină nu poate funcționa de la un debit zero la debitul instalat. Multe pot funcționa doar până la valori de minim 60% din debitul instalat, iar chiar cele mai bune, nu pot fi folosite sub 50%. De aceea, cu cât este mai mare debitul instalat ales, cu atât va fi mai mare întreruperea funcționării datorită debitelor mici.

Pentru evaluări preliminare se admite că debitul instalat este egal cu diferența dintre debitul mediu anual și debitul de servitute. Determinare finală a debitului instalat trebuie făcută prin calcule energoeconomice. La alegerea debitului instalat trebuie avut în vedere și modul în care se fructifică energia produsă de MHC. Dacă centrala alimentează cu energie un consumator izolat sau o rețea mică, debitul instalat trebuie ales astfel încât să permită producerea de energie în aproape tot cursul anului. Dacă centrala este conectată la o rețea de distribuție a sistemului energetic, debitul instalat trebuie ales astfel încât venitul net obținut din vânzarea energiei electrice produse să fie maxim. Determinarea curbei de durată a debitelor se face pe baza unor înregistrări cu privire la regimul precipitațiilor pe suprafața bazinului hidrografic de interes și la debitul râului, pentru o perioadă de timp cât mai lungă.

Figura 8. Curba de durata a debitelor

Alegerea tipului de turbină

După stabilirea debitului instalat se alege tipul de turbină, în funcție de parametrii energetici debit nominal și cădere. Alegerea se face pe baza graficelor care definesc domeniile de funcționare ale diverselor tipuri de turbine, cum este graficul din figura 7.16.

Figura 9. Delimitarea domeniilor de aplicabilitate a tipurilor de turbină în funcție

de debitul și căderea nominală

În figura 10. se prezintă variația randamentului turbinelor în funcție de debitul turbinat. O turbină este proiectată să funcționeze cât mai aproape de punctul ei de randament maxim, de regulă pe la 80% din debitul nominal, iar pe măsură ce debitul se depărtează de acest punct, randamentul turbinei hidraulice scade. Scăderea devine accentuată sub o anumită valoare limită, dependentă de tipul de turbină.

Figura 10. Dependența randamentului turbinei de raportul debitul turbinat și

debitul nominal