HYDRAULISK KRAFT: EGENSKAPER, HVORDAN DET FUNGERER, FORDELER, BRUKER - MILJØ - 2025

Den hydrauliske kraften er vannets evne til å produsere arbeid i form av bevegelse, lys og varme basert på deres potensiale og kinetiske energi. Det er også betraktet som en ren fornybar energi med høy ytelse.

Denne energien bestemmes av strømmen, ujevnheten mellom punkter på bakken som vannet beveger seg gjennom og tyngdekraften. Det har blitt brukt av mennesker siden antikken til å utføre forskjellige jobber.

Itaipú Dam (Brasil og Paraguay). Kilde: Angelo Leithold

En av de første bruksområdene av hydraulisk energi var å drive vannverk som utnyttet strømmen til strømmen. På denne måten, ved hjelp av tannhjul, kunne kvernsteiner flyttes til å terske hvete.

For tiden er den mest aktuelle bruken generering av elektrisk energi gjennom hydrauliske kraftverk eller vannkraftverk. Disse plantene består i utgangspunktet av en demning og et system med turbiner og generatorer.

Vannet samler seg i demningen mellom to nivåer av kanalen (geodesisk ujevnhet), og genererer potensiell energi på tyngdekraften. Deretter aktiverer strømmen av vann (kinetisk energi) turbiner som overfører energien til generatorer for å produsere elektrisk energi.

Blant fordelene med hydraulisk energi er at den er fornybar og ikke-forurensende, i motsetning til andre energikilder. På den annen side er den svært effektiv med et utbytte fra 90 - 95%.

Miljøpåvirkningen fra vannkraftverk er assosiert med variasjonen i temperatur og fysisk endring av vannløpet. På samme måte produseres avfallsoljer og fett som filtreres fra maskineriet.

Dets største ulempe er den fysiske endringen som den forårsaker på grunn av oversvømmelse av store landområder og den naturlige strømmen og løpet av elver blir endret.

Den største vannkraftstasjonen i verden er The Three Gorges, som ligger i Kina, ved Yangtze-elven. De to andre som er viktige, er de fra Itaipú på grensen mellom Brasil og Paraguay og Simón Bolívar eller Guri vannkraftverk i Venezuela.

kjennetegn

Kilden til hydraulisk energi er vann, og det anses som fornybar energi så lenge vannsyklusen ikke endres. På samme måte kan det produsere arbeid uten å generere fast avfall eller forurensende gasser og regnes derfor som ren energi.

opptreden

Energieffektivitet refererer til forholdet mellom mengden energi oppnådd i en prosess og energien som var nødvendig for å investere i den. Når det gjelder hydraulisk energi oppnås en ytelse mellom 90 til 95% avhengig av hastigheten på vannet og det anvendte turbinsystemet.

Hvordan fungerer vannkraft?

Ordningen med et vannkraftverk. Kilde: Bruker: Tomia

Transformasjon av solenergi til kinetisk energi

Grunnlaget for hydraulisk energi er i solenergi, landets topografi og jordens tyngdekraft. I vannsyklusen forårsaker solenergi fordampning og deretter kondenserer vannet og faller ut på jorden.

Som et resultat av ujevn grunn og tyngdekraften, oppstår overflatevannstrømmer på jordoverflaten. På denne måten transformeres solenergi til kinetisk energi på grunn av bevegelse av vann ved en kombinert handling av ujevnhet og tyngdekraft.

Senere kan den kinetiske energien til vann omdannes til mekanisk energi som er i stand til å utføre arbeid. For eksempel kan blader flyttes som overfører bevegelsen til et girsystem som kan betjene forskjellige enheter.

Størrelsen på den hydrauliske energien er gitt av ujevnheten mellom to gitte punkter på elvebunnen og dens strømning. Jo større land er ujevn, jo større er potensialet og kinetisk energi i vannet, så vel som dets evne til å generere arbeid.

I denne forstand er potensiell energi den som akkumuleres i en vannmasse og er relatert til dens høyde i forhold til bakken. På den annen side er kinetisk energi den som vannet frigjør i sin fallende bevegelse som en funksjon av topografi og tyngdekraft.

Produksjon av elektrisitet fra vannkraft (vannkraft)

Den kinetiske energien som genereres av fallende vann kan brukes til å produsere elektrisk energi. Dette oppnås ved å bygge demninger der vann samler seg og holdes i forskjellige høydenivåer.

Dermed er den potensielle energien til vann direkte proporsjonal med forskjellen i nivå mellom et punkt og et annet, og når vannet faller blir det omdannet til kinetisk energi. Deretter passerer vannet gjennom et system med roterende kniver og genererer kinetisk rotasjonsenergi.

Rotasjonsbevegelsen tillater bevegelige girsystemer som kan aktivere mekaniske systemer som møller, hjul eller generatorer. I det spesielle tilfellet med vannkraftproduksjon, krever systemet et turbinsystem og en generator for å generere strøm.

turbiner

Turbinen består av en horisontal eller vertikal akse med et system med kniver som roterer aksen med vannkraften.

Det er tre grunnleggende typer hydrauliske turbiner:

Pelton-turbin

Pelton-turbin. Kilde: Robertk9410

Det er en høytrykksimpulssturbin med en horisontal akse som fungerer uten å være helt nedsenket. Skovlhjulet har en serie konkave kniver (kniver eller tenner) som drives av vannstråler.

Jo flere vannstråler som treffer turbinen, jo mer kraft vil den generere. Denne typen turbin brukes til fosser fra 25 til 200 meter høye og når en virkningsgrad på opptil 90%.

Francis turbin

Francis turbin. Kilde: Den opprinnelige opplasteren var Stahlkocher på tyske Wikipedia.

Det er en reaksjonsturbin med middels trykk med en vertikal akse og fungerer fullstendig nedsenket i vann. Skovlhjulet består av kniver som blir drevet av vannet ført gjennom en distributør.

Den kan brukes i fosser fra 20 til 200 meter høye og når en virkningsgrad på 90%. Dette er den typen turbin som oftest brukes i store vannkraftverk i verden.

Kaplan-turbin

Kaplan-turbin. Kilde: TheRunnerUp

Det er en variant av Francis-turbinen og har som en vertikal akse, men løpehjulet består av en serie styrbare kniver. Det har høytrykksreaksjon og fungerer helt nedsenket i vann.

Kaplan-turbinen brukes i fosser fra 5 til 20 meter høye og dens virkningsgrad kan komme opp til 95%.

dynamo

Generatoren er en enhet som har muligheten til å transformere mekanisk energi til elektrisk energi gjennom elektromagnetisk induksjon. Dermed roteres magnetiske poler (induktor) i en spole med vekslende poler av ledende materiale (for eksempel kobber viklet i mykt jern).

Driften er basert på det faktum at en leder som utsettes for en viss tid for et variabelt magnetfelt, genererer en elektrisk spenning.

Fordel

Hydraulisk kraft er mye brukt fordi den har mange positive aspekter. Blant disse kan vi trekke frem:

Det er økonomisk

Selv om det i tilfelle av vannkraftverk er den første investeringen høy, er det generelt sett billig energi på lang sikt. Dette skyldes stabilitet og lave vedlikeholdskostnader.

I tillegg må den økonomiske kompensasjonen levert av reservoarer med muligheter for havbruk, vannsport og turisme.

Den er fornybar

Ettersom den er basert på vannsyklusen, er den en fornybar og kontinuerlig energikilde. Dette innebærer at det ikke går tom for tid i motsetning til energien fra fossile brensler.

Kontinuiteten avhenger imidlertid av at vannsyklusen ikke endres i en gitt region eller globalt.

Høy ytelse

Hydraulisk energi anses som veldig effektiv og med en høy ytelse som er mellom 90 og 95%.

Det er ikke forurensende

Denne typen energi bruker en naturlig kilde som vann og produserer heller ikke avfall eller forurensende gasser. Derfor er dens innvirkning på miljøet lav, og det regnes som en form for ren energi.

Tilstedeværelse av reservoarer

I tilfeller der reservoarer er bygget for bruk av vannkraft, gir disse en rekke ekstra fordeler:

- De tillater å regulere strømmen av elven og unngå flom.
- De representerer et reservoar med vann til konsum, vanning og industriell bruk.
- De kan brukes som rekreasjonsområder og til utøvelse av vannsport.

ulemper

Avhengighet av nedbør

En begrensning av vannkraftproduksjon er dens avhengighet av nedbørregimet. I spesielt tørre år kan vannforsyningen drastisk synke og reservoarnivået senkes.

Når vannstrømmen reduseres, er generasjonen av elektrisk energi lavere. På en slik måte at i regioner som er svært avhengige av vannkraftforsyningsproblemer kan oppstå.

Endring av elvenes naturlige forløp

Bygging av en demning i en elv endrer dens naturlige forløp, flomregimet, avtagende (nedgang i strømning) og sedimentstrekkprosessen. Derfor skjer det endringer i biologien til planter og dyr som er akvatiske eller lokalisert i nærheten av vannmassen.

På den annen side endrer oppbevaring av sedimenter i demningen dannelsen av deltas ved elvenes munning og endrer jordforholdene.

Fare for ødeleggelse av demning

På grunn av det store volumet av vann som er lagret i noen vannkraftsdammer, kan brudd på støttemur eller nærliggende skråninger føre til alvorlige ulykker. For eksempel skjedde skråningen til Vajont-demningen (nå brukt) i løpet av 1963 i Italia, og forårsaket 2000 dødsfall.

applikasjoner

Pariserhjul og vannpumper

Rotasjonen av et hjul drevet av den kinetiske energien til vannet gjør at vann kan trekkes fra en grunne brønn eller kanal inn i en forhøyet kanal eller reservoar. På samme måte kan den mekaniske energien som genereres av hjulet drive en hydraulisk pumpe.

Den enkleste modellen består av et hjul med kniver med skåler som samler vannet samtidig som de blir drevet av strømmen. Deretter slipper de i sin rotasjon vannet i en tank eller kanal.

Mills

I mer enn 2000 år brukte grekerne og romerne hydraulisk energi på å flytte kverner for å slipe korn. Spinningen av hjulet som drives av vannstrømmen aktiverer tannhjul som vender kvernsteinen.

Forges

En annen gammel anvendelse av hydraulisk kraftbasert bearbeidbarhet er bruken av den til å aktivere smia belgen i smed og metallurgi.

Hydraulisk brudd

I gruvedrift og olje brukes den kinetiske energien til vann til å erodere berg, sprekke den og lette utvinning av forskjellige mineraler. For dette brukes gigantiske trykkvannskanoner som treffer underlaget til det eroderer det.

Dette er en destruktiv teknikk for jorda og sterkt forurensende vannveier.

Fracking

En veldig kontroversiell teknikk som får fart i oljebransjen er fracking. Den består av å øke porøsiteten til berggrunnen som inneholder olje og gass for å lette fjerningen.

Dette oppnås ved å injisere store mengder vann og sand ved høyt trykk sammen med en serie kjemiske tilsetningsstoffer. Teknikken har blitt stilt spørsmål ved sitt høye vannforbruk, forurensende jord og farvann og forårsaker geologiske forandringer.

Vannkraftverk

Den vanligste moderne bruken er å drive elektriske kraftproduksjonsanlegg, såkalte vannkraftverk eller vannkraftverk.

Eksempler på vannkraftverk

De tre kløftene

Three Gorges Dam (Kina). Kilde: Le Grand PortageDerivativt arbeid: Rehman

Three Gorges vannkraftverk er lokalisert i Kinas Hubei-provinsen ved løypen av Yangtze-elven. Byggingen av denne demningen startet i 1994 og ble fullført i 2010, og nådde et oversvømmet område på 1.045 km² og en installert kapasitet på 22.500 MW (megawatt).

Anlegget inkluderer 34 Francis-turbiner (32 på 700 MW og to på 50 MW) med en årlig elektrisk energiproduksjon på 80,8 GWh. Det er det største vannkraftverket i verden når det gjelder struktur og installert kraft.

Three Gorges Dam har klart å kontrollere den periodiske flommen av elven som kom til å forårsake alvorlig skade på befolkningen. Det garanterer også strømforsyningen i regionen.

Imidlertid fikk konstruksjonen noen negative konsekvenser som fortrengningen av rundt 2 millioner mennesker. I tillegg bidro det til utryddelsen av den kritisk truede kinesiske elvedelfinen (Lipotes vexillifer).

Itaipu

Itaipu Dam. Kilde: Herr stahlhoefer

Det vannkraftverket Itaipú ligger på grensen mellom Brasil og Paraguay ved elven Paraná. Byggingen begynte i 1970 og ble avsluttet i tre trinn i 1984, 1991 og 2003.

Damens oversvømte område er 1.350 km² og har en installert kapasitet på 14.000 MW. Anlegget inkluderer 20 Francis-turbiner på 700 MW hver og har en årlig elektrisk energiproduksjon på 94,7 GWh.

Itaipu regnes som det største vannkraftverket i verden når det gjelder energiproduksjon. Det bidrar med 16% av den elektriske energien som forbrukes i Brasil og 76% i Paraguay.

Når det gjelder dens negative innvirkninger, påvirket denne demningen økologien på øyene og deltaet i Paraná-elven.

Simon Bolivar (Guri)

Simón Bolívar vannkraftverk (Gurí, Venezuela). Kilde: Warairarepano & Guaicaipuro

Vannkraftverket Simón Bolívar, også kjent som Guri-dammen, ligger i Venezuela på veien mot elven Caroní. Byggingen av demningen begynte i 1957, en første etappe ble fullført i 1978 og ble fullført i 1986.

Guri-demningen har et oversvømmet område på 4250 km² og en installert kapasitet på 10.200 MW. Anlegget inkluderer 21 Francis-turbiner (10 på 730 MW, 4 på 180 MW, 3 på 400 MW, 3 på 225 MW og en på 340 MW)

Årlig produksjon er 46 GWh og regnes som det tredje største vannkraftverket i verden når det gjelder struktur og installert kraft. Det vannkraftverket leverer 80% av den elektriske energien som Venezuela bruker, og en del av den selges til Brasil.

Under byggingen av denne vannkraftstasjonen ble store områder med økosystemer i Venezuelas Guiana oversvømmet, en region med høyt biologisk mangfold.

På grunn av den dype økonomiske krisen i Venezuela er produksjonskapasiteten til dette anlegget betydelig redusert.

referanser

1.- Hadzich M (2013). Hydraulisk energi, kapittel 7. PUCP Groups tekniske treningskurs. Teknologier for økologiske hus og hoteller. Pontifical Catholic University of Peru.
2.- Raabe J (1985). Vannkraft. Utforming, bruk og funksjon av hydromekanisk, hydraulisk og elektrisk utstyr. Tyskland: N. p.
3.- Sandoval Erazo, Washington. (2018). Kapittel 6: Basic Concepts of Hydroelectric Plants.https: //www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas
4.- Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, McGrath Rodrigues GG BS (2013). Avhengighet av vannkraftproduksjon av skog i Amazonasbassenget i lokale og regionale skalaer. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110 (23), 9601–9606.
5.- Soria E (s / f). Hydraulikk. Fornybar energi for alle. Iberdrola. 19 s.