ENERGIA CURSURILOR DE APĂ

Energia cursurilor de apă este un rezultat indirect al activităţii solare care, prin modificările de

regim termic respectiv al umidităţii la nivelul globului terestru, determină circuitul apei.

Amenajările hidrotehnice captează energia apei sub formă de energie potenţială care poate fi

transformată în alte forme de energie – mecanică sau electrică – prin utilizarea sistemelor de

conversie formate, în cazul producerii de energie electrică, din turbine hidraulice şi generatoare

electrice.

În general, microhidrocentralele sunt considerate a avea maximum 10 MW putere instalată.

Pentru a calcula un sistem de conversie a energiei hidro sunt necesare cel puţin trei etape:

determinarea potenţialului hidroenergetic economic amenajabil, stabilirea tipului de maşină

hidraulică prin care să se poată extrage cea mai calitativă energie din resursa de apă şi stabilirea

soluţiei constructive optime.

1. Potenţialul hidroenergetic.

Inventarierea resurselor hidroenergetice urmăreşte determinarea cantităţii de energie care poate fi

obţinută, variaţia ei în timp şi localizarea ei geografică. Inventarierea resurselor hidroenergetice

se efectuează prin studii pe fiecare curs de apă în parte, pe baza datelor fizico-geografice, tehnice

şi economice, ţinând seama de condiţiile specifice ale regiunii sau ţării respective.

Potenţialul hidroenergetic teoretic (sau brut) reprezintă totalitatea resurselor de energie naturală

ale unui bazin, fără să ţină seama de posibilităţile tehnice şi economice de amenajare. El

corespunde unei utilizări integrale a căderii şi a disponibilului de apă al bazinului şi unui

randament total de 100%. Acest potenţial teoretic include atât potenţialul de suprafaţă, cât şi

potenţialul liniar.

Potenţialul teoretic de suprafaţă se referă la apele de la suprafaţa pământului şi anume la cele de

precipitaţii şi la cele de scurgere. Potenţialul teoretic de precipitaţii Ep, reprezintă echivalentul

energetic al întregului volum de apă rezultat din precipitaţiile ce cad pe o anumită suprafaţă:

Ep

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

unde: h- reprezintă înălţimea medie a precipitaţiilor, în mm/an; S- mărimea suprafeţei, în km2

;

H0- altitudinea medie a suprafeţei, faţă de nivelul mării, sau faţă de alt reper, în m; Dacă se ţine

seama că numai o parte din precipitaţii se scurg la suprafaţa bazinului, restul pierzându-se prin

infiltraţii, evaporaţie, evapotranspiraţie, se obţine potenţialul teoretic al apelor de scurgere:

Esc =2,725 H0 h S σ [kWh/an]

în care σ - coeficient de scurgere.

Potenţialul teoretic (brut) liniar al cursurilor de apă reprezintă energia (sau puterea) maximă care

se poate obţine pe râul respectiv (sau pe un anumit sector al său între punctele i şi j de ex.).

Pentru un anumit sector al cursului de apă se obţine:

P 1 ij = 9,81 QmijHij [kW]

E 1 ij = 86.000 QmijHij [kWh/an]

Potenţialul teoretic (brut) este o mărime bine precizată care rezultă din anumite operaţii de calcul

ce nu pot fi altfel interpretate. Din acest punct de vedere el reprezintă o mărime invariabilă în

timp şi independentă de condiţiile tehnice sau economice. De aceea, deşi prezintă dezavantajul

de a nu fi o mărime fizică reală, potenţialul hidroenergetic teoretic este folosit pentru studii

comparative.

Potenţialul hidroenergetic tehnic reprezintă acea parte din potenţialul brut care ar putea fi

obţinută prin amenajarea cursului de apă, ţinând seama de condiţiile tehnice ale momentului

respectiv. Acest potenţial se poate determina pe baza elaborării schemelor de amenajare ale

fiecărui curs de apă şi se calculează ţinând seama de pierderile care apar în instalaţiile unei

amenajări şi care se datorează următoarelor cauze principale:

- neutilizarea întregii căderi brute a râului din cauza remuului, variaţiei nivelului

în lacurile de acumulare, neamenajării zonei de izvoare a râului şi a altor zone,

etc;

- neutilizarea energetică a întregului stoc de apă a râului din cauza deversărilor,

pierderilor de apă prin infiltraţii şi evaporaţie, consumului de apă pentru alte

folosinţe, a pierderilor de apă de pe suprafaţa de bazin cuprinsă între baraj şi

centrală;

- pierderilor din turbine şi generatoare, ca urmare a ciclului de transformare

energie hidraulică → energie mecanică →energie electrică.

Potenţialul tehnic reprezintă o mărime mai apropiată de realitate. Deoarece în calcularea lui se

ţine seama de posibilităţile tehnice, prezintă însă dezavantajul de a fi variabil în timp (în funcţie

de gradul de dezvoltare al tehnicii) şi de a putea fi interpretat în mod diferit (în sensul că alegerea

schemelor de amenajare, cotelor, distanţelor, parametrilor de bază, prezintă o mare doză de

subiectivitate).

Potenţialul hidroenergetic economic amenajabil reprezintă acea parte a potenţialului

hidroenergetic tehnic amenajabil, care se poate obţine în condiţii economice. Această mărime

este cea mai susceptibilă de modificări, fiind influenţată de progresul tehnic, restul altor categorii

de centrale, dinamica acestora, amplasarea teritorială a surselor de energie primară, condiţii

economice ale ţării sau regiunii respective. De aceea valoarea acestui potenţial trebuie raportată

la o anumită dată, iar evaluarea trebuie reluată periodic.

2. Tipuri de turbine hidraulice utilizate în amenajările hidroenergetice

Turbinele hidraulice, mai precis rotoarele acestora, sunt caracterizate, în acelaşi timp, de trei

mărimi: căderea H, debitul Q şi viteza de rotaţie n. Aceste mărimi, introduse într-un criteriu de

similitudine numit rapiditate specifică n s permit determinarea formei rotorului.

Astfel, viteze specifică este:

nQE = ( n Q ½

) / E 3/4

[-]

unde: Q = Debitul [m3

/s]; E = energia specifică a maşinii [J/kg]; n = viteze de rotaţie [rot/s] , iar

rapiditatea specifică este:

n s = 995 nQE.

În funcţie de acest criteriu se pot caracteriza rotoarele turbinelor hidraulice de la rotoarele de

turbină Pelton, Francis,Kaplan (bulb) la rotoarele cu dublă curgere -centripete.

Rotor Francis – radial (ns = 300) Rotor Kaplan – axial (ns = 500)

Turbina axială tip bulb

Rotor de turbină Pelton

Turbină Pelton cu 2 injectoare

In funcţie de cădere şi debitul disponibil în amenajare, se utilizează diferite tipuri de rotoare:

TIP DEBIT CADERE

PELTON Redus Mare

FRANCIS Mediu Medie

KAPLAN Mare Redusă

CU ELICE Redusă Redusă

Domeniul de lucru al turbinelor hidraulice funcţie de tipul rotorului

3. Soluţii constructive pentru amenajări ale microhidrocentralelor

În funcţie de potenţialul hidroenergetic amenajării, de condiţiile topometrice şi de constrângerile

impuse de mediu şi aplicaţiile complexe pe care le implică o astfel de lucrare hidrotehnică, există

o serie de soluţii constructive.

a. Amenajare în lungul albiei râului

Amenajarea se realizează într-un amplasament în care există o cădere relevantă iar debitul poate fi

controlat cu ajutorul unei prize cu clapetă. Apa este dirijată către turbină prin intermediul unei

conducte de fugă la capătul căreia se plasează turbina (axială rapidă).

b. Amenajare cu dig

Amenajarea poate folosi un dig existent la baza căruia, în aval, se plasează o turbină –axială

c. Amenajare cu dig şi montare a turbinei în varianta „sifon”

În această amenajare cu cădere foarte redusă trebuie luată în considerare necesitatea de amorsare a

sifonului având în vedere că debitul de apă este ridicat peste cota amonte.

d. Amenajare pe canal de irigaţie

Această amenajare este plasată în lungul unui canal de irigaţii cu posibilitatea de a o folosi atât

pentru facilitatea de irigare prin intermediul by-pass-ului (deschis) cât şi pentru producerea de

energie electrică (by-pass închis).

e. Plasarea turbinei pe conducta de aducţiune a unei alimentări cu apă pentru o localitate

În acest caz se utilizează avantajul căderii care permite alimentarea unei localităţi cu apă

potabilă. Este un caz favorabil, în care sursa de apă se află la o cotă superioară oraşului.