Apa este un purtător de energie din care se poate obţine energie electrică – în centrale hidroelectrice, energie calorică – din energia geotermală şi energie mecanică – prin punerea în mişcare a unui tambur cu ax (moara de apă).

Energia apei în mişcare poate fi transformată în energie mecanică, iar aceasta este transformată în energie electrică în centralele hidroelectrice. O metodă de utilizare a energiei apei este utilizarea energiei potenţiale a apei aflate pe un nivel superior. De acolo, prin curgerea apei, ea se transformă în energie cinetică utilizată pentru punerea în mişcare a unei turbine. Evaporarea şi ploaia duc apa la un nivel superior (râu montan, vale superioară, lacuri de munte). De acolo ea este captată, canalizată şi utilizată în centralele hidroelectrice.

Energia hidroelectrică este potenţialul apelor curgătoare (râuri, fluvii, cascade), precum şi al apei colectate în bazine de acumulare, să producă un lucru mecanic.

Peste 70% din suprafaţa Terrei este acoperită cu apă – mări, oceane, lacuri, râuri, fluvii cu un potenţial energetic uriaş, din care se poate produce o cantitate mare de energie electrică. În prezent cea mai răspândită utilizare a energiei apei este producția de energie electrică.

De-a lungul istoriei, energia apei a fost utilizată pentru irigaţii, pentru acționarea roţilor de moară (folosite pentru a măcina, dar și pentru a pune în mișcare maşini textile, fierăstraie mecanice, etc.) În epoca modernă, odată cu dezvoltarea şi perfecţionarea turbinelor, s-a dezvoltat exploatarea acestui potenţial energetic, prin realizarea centralelor hidroelectrice. În prezent, centralele hidroelectrice furnizează un total de 715 GW sau 19% din energia electrică mondială produsă anual, mai mult ca energia electrică produsă din energia nucleară (15,2%) şi din ţiţei (6,6%). În zilele noastre energia hidroelectrică este cea mai importantă sursă de energie regenerabilă. Celelalte (soarele, vântul, biomasa și energia geotermică) produc în total 2,1%. În Elveţia hidrocentralele produc cca. 60%, în Austria cca. 66% şi în Germania cca. 5% din consumul anual de energie electrică. Centralele hidroelectrice prezintă următoarele avantaje:

Energia apei face parte din sursele de energii regenerabile. Centralele hidro-electrice produc aproximativ 3,5% din totalul energiei electrice produsă în toată lumea. Reprezintă 18% din totalul energiilor regenerabile care ne stau la dispoziţie şi este aproximativ egală cu totalul energiei produse în centralele nucleare. Energia electrică produsă de centralele hidro-electrice este cea mai importantă sursă de energie regenerabilă care alimentează în momentul de faţă populaţia lumii. Celelalte surse de energie regenerabile sunt: soarele, vântul, bio-masa şi energia geo-termică, care contribuie cu 2,1% din totalul energiei produse.

1. Producţia de energie electrică poate fi adaptată la necesități prin punerea în funcţiune sau oprirea producţiei în funcţie de consum.

2.La hidrocentralele care funcţionează cu apa colectată într-un bazin de acumulare, energia apei colectate poate fi stocată pentru timp lung.

3. Nu utilizează combustibil pentru şi nu produc emisii dăunătoare mediului.

4. Energia este mai ieftină ca cea produsă cu combustibili fosili sau cu centralele nucleare.

Energia hidroelectrică poate fi exploatată acolo unde resursele de apă sunt suficiente şi unde există potenţialul tehnic de transformare, producere şi distribuţie a energiei electrice obținute. Principala condiţie de funcţionare a unei hidrocentrale este ca apa acumulată înainte de turbină să aibă energie potenţială cât mai mare, respectiv diferenţa de nivel dintre apa înainte de stăvilar (barajul lacului de acumulare) şi nivelul de amplasare a turbinei să fie cât mai mare.

Centrale hidroelectrice de capacitate mică

După puterea electrică produsă, acestea se clasifică în: centrale micro (sub 100 kW), centrale mini (100 – 1000 kW) și centrale mici, (1 – 10 MW). În general hidrocentralele micro nu sunt cuplate la reţea, ci acționează independent. Pe malul unui râu cu un debit corespunzător se pot construi mai multe unităţi. Apa este dirijată cu un stăvilar şi un canal (sau o conductă) spre o turbină care acţionează un generator electric. La sfârșit, apa se întoarce în râu. Hidrocentrala se află pe malul râului, nu deranjează curgerea apei şi nici nu are nevoie de acumulări mari de apă care ar putea provoca inundaţii. Nu necesită sisteme complicate de dirijare a fluxului de apă, deci costul de întreţinere este redus.

Centrale hidroelectrice de capacitate mare funcţionează cu apa râurilor şi fluviilor cu debit mare, cu bazine (lacuri) de acumulare şi cu pompe hidraulice acţionate electric care readuc apa în poziţia cu energie potenţială mare.

1.Centrale hidroelectrice cu apă curgătoare folosesc energia de mişcare a apei unui râu şi nu au bazin de acumulare. Principalele componente ale acestor centrale sunt: apa râului în amonte, canalizarea apei spre turbină, evacuarea apei după turbină, dispozitivul de acţionare a stăvilarelor, motoarele de acţionare a stăvilarelor.

2. Centrale hidroelectrice cu dig de acumulare

Apa este colectată într-un lac de acumulare limitat de un dig puternic din beton armat. În funcţie de debitul surselor de apă, suprafaţa şi adâncimea lacului, precum şi de înălţimea digului, se încearcă ca apa din lacul de acumulare să aibă o energie potenţială mare. Diferenţa maximă de înălţime între nivelul apei din lacul de acumulare şi nivelul la care este plasată turbina, precum şi cantitatea de apă care acţionează turbina/unitate de timp determină valoarea puterii nominale instalate şi cantitatea energiei electrice produsă de hidrocentrală.

În figura de mai jos, apa acumulată în spatele digului va fi dirijată spre turbină printr-o conductă al cărei orificiu de acces se găseşte la o anumită adâncime în raport cu suprafaţa apei, însă la o înălţime suficient de mare deasupra intrării în turbină, astfel încât energia potenţială a apei să fie mare. Dezavantajul acestui procedeu este că pe timp de secetă, când nivelul apei în lacul de acumulare scade, centrala nu mai poate funcționa.

Hidrocentrala Three Gorges Dam din China, prezentată în imaginea de mai jos, deţine până în prezent toate recordurile privind capacitatea de producţie a energiei electrice, dimensiunile şi investiţia financiară. Centrala a fost construită în provincia Hubei, între oraşele Yichang şi Chongquing. Lacul de acumulare este alimentat de apa râului Yangtze care are trei strâmtori în acea zonă.

Construcţia a început în 14 decembrie 1994 cu 18.000 de muncitori. Întâi a fost construit un canal de 3,7 km pentru devierea râului Yangtze. Canalul a fost terminat şi deschis în 8 noiembrie 1997 şi a început construcţia barajului, cu participarea zilnică a 350 camioane care transportau 20 tone de ciment / cursă. La 1 iunie 2003 au fost închise stăvilarele digului şi a început acumularea apei. În 24 iunie 2003 a fost pusă în mişcare prima turbină de 700 MW. Lucrările de amenajare au continuat până în februarie 2007, iar restul turbinelor au fost instalate şi date în funcţiune până în anul 2008. Investiţia a fost evaluată iniţial la 26 miliarde US$, dar până în anul 2002 au fost investiţi 50 miliarde US$ şi se estimează că investiția totală va ajunge la 75 miliarde US$. Generatoarele, transformatoarele şi turbinele de apă au fost livrate compania Siemens

Principalele caracteristici a proiectului sunt:

-Perioada realizării: 1993-2013

-Digul (barajul) de acumulare din beton: 2.689 milioane m³

-Lungimea digului: 2310 m

-Înălţimea lui: 185 m

-Nivelul normal al apei: 175 m

-Nivelul minim al apei pentru funcţionare normală a centralei: 145 m

-Capacitate maximă de acumulare a apei: 22,1 miliarde m³

-Domeniul total de acumulare: 39,3 km³

-Suprafaţa totală a apei acumulate: 1.085 km²

-Evacuarea reglementară a apei în sezonul uscat: 5.860 m³ / sec

-Putere nominală 18,2 GW

-Numărul turbinelor: 26

-Capacitatea medie de producere a energiei electrice: 84 TWh/an, care corespunde la o putere medie anuală de 9,6 GW

-Suprafaţa inundată: 23.793 ha

-Lacul de acumulare a inundat 13 orașe, 657 fabrici și au fost evacuate 1,3 – 2 milioane de persoane.

În țările în care condițiile naturale o permit (cantități mari de apă și diferențe mari de nivel), energia electrică produsă cu centrale hidroelectrice acoperă practic întregul consum anual de energiei electrică.  Printre ele se numără Norvegia, Brazilia, Canada, Elveţia şi Venezuela.

Avantajele centralelor hidroelectrice:

-Utilizează o formă de energie regenerabilă pentru producerea energiei electrice

-În timpul funcţionării nu se emite CO₂ sau alte componente nocive pentru mediul înconjurător

-Folosirea rațională a apei. Apa acumulată în perioadele ploioase este eliberată în natură treptat, după extragerea energiei potenţiale.

-Regularizarea circulaţiei fluviale

Principalele dezavantaje ale centralelor hidroelectrice sunt:

-Necesitatea de a evacua populaţia din zona care urmează să fie inundată de lacul de acumulare

-Depunerea de aluviuni pe fundul lacului de acumulare îi micșorează cu vremea capacitatea

-Dezechilibrarea punctuală a regiunii poate duce la cutremure

-Pot apărea influențe asupra apei freatice, cu consecinţe asupra calităţii apei potabile din fântâni şi izvoare.

-Modificări ale regimului normal de curgere a râurilor pot produce modificări ecologice, deranjând modului de viaţă şi alimentaţie al peştilor şi al animalelor acvatice.

 Dr. Roman Baican

Offenbach am Main, 15 noiembrie 2021