HYDRAULISK KRAFT: EGENSKAPER, HUR DET FUNGERAR, FÖRDELAR, ANVÄNDNING - MILJÖ - 2025

Den hydrauliska kraften är vattenens förmåga att producera arbete i form av rörelse, ljus och värme baserat på deras potential och kinetiska energi. Det betraktas också som en ren, högpresterande förnybar energi.

Denna energi bestäms av flödet, ojämnheten mellan punkter på marken genom vilken vattnet rör sig och tyngdkraften. Det har använts av människor sedan forntiden för att utföra olika jobb.

Itaipú Dam (Brasilien och Paraguay). Källa: Angelo Leithold

En av de första användningarna av hydraulisk energi var att driva vattenverk som utnyttjade strömmen. På detta sätt, med hjälp av växlar, kunde kvarnsten flyttas för att tröska vete.

För närvarande är den mest relevanta tillämpningen generering av elektrisk energi genom hydrauliska kraftverk eller vattenkraftverk. Dessa växter består i princip av en damm och ett system med turbiner och växelströmsgeneratorer.

Vattnet samlas i dammen mellan två nivåer i kanalen (geodesisk ojämnhet), vilket alstrar gravitationspotentialenergi. Därefter aktiverar vattenströmmen (kinetisk energi) turbiner som överför energin till växelströmsgeneratorer för att producera elektrisk energi.

Bland fördelarna med hydraulisk energi är att den är förnybar och icke-förorenande, till skillnad från andra energikällor. Å andra sidan är den mycket effektiv med ett utbyte som sträcker sig från 90 - 95%.

Vattenkraftsverkens miljöpåverkan är förknippad med variationen i temperatur och fysiska förändringar av vattenförloppet. Likaså produceras spilloljor och fetter som filtreras från maskinen.

Dess huvudsakliga nackdel är den fysiska förändringen som den orsakar på grund av översvämningar av stora markområden och det naturliga flödet och floden av floder ändras.

Världens största vattenkraftverk är The Three Gorges, som ligger i Kina, vid Yangtzefloden. De andra två som är viktiga är Itaipú vid gränsen mellan Brasilien och Paraguay och Simón Bolívar eller Guri vattenkraftverk i Venezuela.

egenskaper

Källan till hydraulisk energi är vatten och det anses vara förnybar energi så länge vattencykeln inte ändras. På samma sätt kan det producera arbete utan att generera fast avfall eller förorenande gaser och anses därför vara ren energi.

prestanda

Energieffektivitet avser förhållandet mellan mängden energi som erhållits i en process och den energi som var nödvändig för att investera i den. När det gäller hydraulisk energi uppnås en prestanda mellan 90 till 95% beroende på vattnets hastighet och det använda turbinsystemet.

Hur fungerar vattenkraft?

Schema för ett vattenkraftverk. Källa: Användare: Tomia

Omvandling av solenergi till kinetisk energi

Grunden för hydraulisk energi ligger i solenergi, landets topografi och jordens tyngdkraft. I vattencykeln orsakar solenergi avdunstning och sedan kondenserar vattnet och faller ut på jorden.

Som ett resultat av ojämn mark och tyngdkraften förekommer ytvattenströmmar på jordytan. På detta sätt omvandlas solenergi till kinetisk energi på grund av rörelse av vatten genom den kombinerade handlingen av ojämnhet och tyngdkraft.

Senare kan den kinetiska energin i vatten omvandlas till mekanisk energi som kan arbeta. Till exempel kan blad flyttas som överför rörelsen till ett växelsystem som kan hantera olika enheter.

Storleken på den hydrauliska energin ges av ojämnheten mellan två givna punkter i flodbotten och dess flöde. Ju större landets ojämnhet, desto större är potentialen och den kinetiska energin i vattnet samt dess förmåga att generera arbete.

I detta avseende är potentiell energi den som samlas i en vattenmassa och är relaterad till dess höjd relativt marken. Å andra sidan är kinetisk energi den som vattnet frigör i sin fallande rörelse som en funktion av topografi och tyngdkraft.

Produktion av el från vattenkraft (vattenkraft)

Den kinetiska energin som genereras av fallande vatten kan användas för att producera elektrisk energi. Detta uppnås genom att bygga dammar där vatten samlas och hålls i olika höjdnivåer.

Således är vattenens potentiella energi direkt proportionell mot skillnaden i nivå mellan en punkt och en annan och när vattnet faller omvandlas det till kinetisk energi. Därefter passerar vattnet genom ett system med roterande blad och genererar roterande kinetisk energi.

Rotationsrörelsen tillåter rörliga växelsystem som kan aktivera mekaniska system som kvarnar, hjul eller växelströmsgeneratorer. I det speciella fallet med vattenkraftproduktion kräver systemet ett turbinesystem och en generator för att generera elektricitet.

turbiner

Turbinen består av en horisontell eller vertikal axel med ett system med blad som roterar axeln med vattnets kraft.

Det finns tre grundläggande typer av hydrauliska turbiner:

Pelton-turbin

Pelton-turbin. Källa: Robertk9410

Det är en högtrycksimpulsturbin med en horisontell axel som fungerar utan att vara helt nedsänkt. Pumphjulet har en serie konkava blad (blad eller tänder) som drivs av vattenstrålar.

Ju fler vattenstrålar som träffar turbinen, desto mer kraft kommer den att generera. Denna typ av turbin används för vattenfall från 25 till 200 meter högt och når en verkningsgrad på upp till 90%.

Francis turbin

Francis turbin. Källa: Den ursprungliga uppladdaren var Stahlkocher på tyska Wikipedia.

Det är en reaktionsturbin med medeltryck med en vertikal axel och fungerar helt nedsänkt i vatten. Pumphjulet består av blad som drivs av vattnet som leds genom en distributör.

Det kan användas i vattenfall från 20 till 200 meter högt och når en verkningsgrad på 90%. Detta är den typ av turbin som oftast används i stora vattenkraftverk i världen.

Kaplan-turbin

Kaplan-turbin. Källa: TheRunnerUp

Det är en variant av Francis-turbinen och som den här har den en vertikal axel, men pumphjulet består av en serie justerbara blad. Det är av högtrycksreaktion och fungerar helt nedsänkt i vatten.

Kaplan-turbinen används i vattenfall från 5 till 20 meter hög och dess effektivitet kan uppgå till 95%.

Generator

Generatorn är en anordning som har förmågan att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi genom elektromagnetisk induktion. Således roteras magnetpoler (induktor) i en spole med alternerande poler av ledande material (till exempel koppar lindat i mjukt järn).

Dess drift är baserad på det faktum att en ledare som utsätts för en viss tid för ett variabelt magnetfält genererar en elektrisk spänning.

Fördel

Hydraulkraft används ofta eftersom det har många positiva aspekter. Bland dessa kan vi lyfta fram:

Det är ekonomiskt

Även om hydroelektriska anläggningar är den initiala investeringen hög, är det i allmänhet på lång sikt billig energi. Detta beror på dess stabilitet och låga underhållskostnader.

Dessutom måste den ekonomiska kompensationen som reservoarerna tillhandahåller med möjligheter till vattenbruk, vattensporter och turism.

Det är förnybart

Eftersom det är baserat på vattencykeln är det en förnybar och kontinuerlig energikälla. Detta innebär att det inte tar slut i tid till skillnad från energin från fossila bränslen.

Emellertid beror dess kontinuitet på att vattencykeln inte förändras i en given region eller globalt.

Hög prestanda

Hydraulisk energi anses vara mycket effektiv och med en hög prestanda mellan 90 och 95%.

Det är inte förorenande

Denna typ av energi använder en naturlig källa som vatten och producerar inte heller avfall eller förorenande gaser. Därför är dess påverkan på miljön låg och det anses vara en form av ren energi.

Närvaro av reservoarer

I de fall där reservoarer byggs för användning av vattenkraft ger dessa en serie ytterligare fördelar:

- De tillåter att reglera floden av floden och undvika översvämningar.
- De representerar en behållare med vatten för konsumtion, bevattning och industriell användning.
- De kan användas som rekreationsområden och för vattensporter.

nackdelar

Beroende på nederbörd

En begränsning av vattenkraftproduktionen är dess beroende av regnregimen. Därför kan vattenförsörjningen under särskilt torra år drastiskt minska och behållarnivån sänks.

När vattenflödet minskas är genereringen av elektrisk energi lägre. På ett sådant sätt att i regioner som är mycket beroende av vattenkraftsförsörjningsproblem kan uppstå.

Förändring av flodens naturliga gång

Byggandet av en damm i en flod förändrar dess naturliga gång, dess översvämningsregime, minskar (minskning i flöde) och sedimentdragningsprocessen. Därför inträffar förändringar i biologin hos växter och djur som är vattenlevande eller ligger i närheten av vattendraget.

Å andra sidan förhindrar kvarhållningen av sediment i dammen bildandet av deltor vid flodens mynning och förändrar markförhållandena.

Fara för dammbrott

På grund av den stora mängden vatten som lagras i vissa vattenkraftsdammar, kan ett brott på stödväggen eller i närheten sluttningar orsaka allvarliga olyckor. Till exempel inträffade under 1963 sluttningen av Vajont-dammen (nu nedlagd) i Italien, vilket orsakade 2 000 dödsfall.

tillämpningar

Pariserhjul och vattenpumpar

Rotationen av ett hjul som drivs av den kinetiska energin i vattnet tillåter att vatten dras från en ytlig brunn eller kanal in i en upphöjd kanal eller reservoar. På samma sätt kan den mekaniska energi som genereras av hjulet driva en hydraulpump.

Den enklaste modellen består av ett hjul med blad med skålar som samlar vattnet samtidigt som de drivs av strömmen. Sedan släpper de i sin rotation vattnet i en tank eller kanal.

Mills

I mer än 2000 år använde grekerna och romarna hydraulisk energi för att flytta kvarnen för att slipa spannmål. Snurret på hjulet som drivs av vattenströmmen aktiverar växlar som vänder kvarnen.

Forges

En annan gammal tillämpning av hydraulisk kraftbaserad bearbetbarhet är dess användning för att aktivera smedbälgen vid smed och metallurgi.

Hydrauliskt brott

Vid gruvdrift och olja används den kinetiska energin i vatten för att erodera berg, spricka det och underlätta utvinning av olika mineraler. För detta används gigantiska trycksatta vattenkanoner som träffar underlaget tills det eroderar.

Detta är en destruktiv teknik för marken och mycket förorenande vattenvägar.

fracking

En mycket kontroversiell teknik som får fart i oljeindustrin är fracking. Den består av att öka porositeten på berggrunden som innehåller olja och gas för att underlätta avlägsnandet.

Detta uppnås genom att injicera stora mängder vatten och sand vid högt tryck tillsammans med en serie kemiska tillsatser. Tekniken har ifrågasatts för sin höga vattenförbrukning, förorenande jordar och vatten och orsakar geologiska förändringar.

Vattenkraftverk

Den vanligaste moderna användningen är att driva elkraftverk, så kallade vattenkraftverk eller vattenkraftverk.

Exempel på vattenkraftverk

De tre klyftorna

Three Gorges Dam (Kina). Källa: Le Grand PortageDerivativt arbete: Rehman

Vattenkraftverket Three Gorges är beläget i Kinas Hubei-provins på loppet av floden Yangtze. Byggandet av denna dam inleddes 1994 och slutfördes 2010 och nådde ett översvämmat område på 1 045 km² och en installerad kapacitet på 22 500 MW (megawatt).

Anläggningen omfattar 34 Francis-turbiner (32 på 700 MW och två på 50 MW) med en årlig produktion av elektrisk energi på 80,8 GWh. Det är världens största vattenkraftverk när det gäller struktur och installerad kraft.

Three Gorges Dam har lyckats kontrollera den periodiska översvämningen av floden som kom att orsaka allvarlig skada för befolkningen. Det garanterar också elförsörjningen i regionen.

Emellertid hade dess konstruktion några negativa konsekvenser såsom förflyttningen av cirka 2 miljoner människor. Dessutom bidrog det till utrotningen av den kritiskt hotade kinesiska floddelfinen (Lipotes vexillifer).

Itaipu

Itaipu Dam. Källa: Herr stahlhoefer

Vattenkraftverket Itaipú ligger vid gränsen mellan Brasilien och Paraguay på floden Paraná. Byggandet inleddes 1970 och slutade i tre etapper 1984, 1991 och 2003.

Damens översvämmade område är 1 350 km² och har en installerad kapacitet på 14 000 MW. Anläggningen omfattar 20 Francis-turbiner på 700 MW vardera och har en årlig produktion av elektrisk energi på 94,7 GWh.

Itaipu anses vara världens största vattenkraftverk när det gäller energiproduktion. Det bidrar med 16% av den elektriska energin som konsumeras i Brasilien och 76% i Paraguay.

När det gäller dess negativa påverkan påverkade denna damm ekologin på öarna och deltaet i floden Paraná.

Simon Bolivar (Guri)

Simón Bolívar vattenkraftverk (Gurí, Venezuela). Källa: Warairarepano & Guaicaipuro

Vattenkraftverket Simón Bolívar, även känd som Guri-dammen, ligger i Venezuela vid floden Caroní. Byggandet av dammen började 1957, en första etapp slutfördes 1978 och slutfördes 1986.

Guri-dammen har ett översvämmat område på 4 250 km² och en installerad kapacitet på 10 200 MW. Anläggningen omfattar 21 Francis-turbiner (10 på 730 MW, 4 på 180 MW, 3 på 400 MW, 3 på 225 MW och en på 340 MW)

Årsproduktionen är 46 GWh och den anses vara den tredje största vattenkraftverk i världen när det gäller struktur och installerad kraft. Vattenkraftverket tillhandahåller 80% av den elektriska energin som Venezuela förbrukar och en del av den säljs till Brasilien.

Under byggandet av detta vattenkraftverk översvämmades stora områden med ekosystem i Venezuelas Guyana, en region med hög biologisk mångfald.

På grund av den djupa ekonomiska krisen i Venezuela har den här anläggningens produktionskapacitet minskat betydligt.

referenser

1.- Hadzich M (2013). Hydraulisk energi, kapitel 7. PUCP Groups tekniska utbildningskurs. Teknologi för ekologiska hus och hotell. Pontifical katolska universitetet i Peru.
2.- Raabe J (1985). Vattenkraft. Design, användning och funktion av hydromekanisk, hydraulisk och elektrisk utrustning. Tyskland: N. p.
3.- Sandoval Erazo, Washington. (2018). Kapitel 6: Grundläggande koncept för vattenkraftväxter.https: //www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas
4.- Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, McGrath Rod LC-BS, HO (2013). Beroende av vattenkraftsproduktion av skogar i Amazonasbassängen i lokala och regionala skalor. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110 (23), 9601–9606.
5.- Soria E (s / f). Hydraulik. Förnybara energier för alla. IBERDROLA. 19 sid.