Υδροηλεκτρική ενέργεια

Υδροηλεκτρική ενέργεια λέγεται η εκμετάλλευση της μηχανικής ενέργειας του τρεχούμενου νερού με σκοπό -κυρίως- την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Το υδροηλεκτρικό φράγμα Chief Joseph

Ετυμολογικά, η έννοια αυτή προέρχεται από την αρχαία ελληνική λέξη ὕδωρ. Από την αρχαιότητα, η υδραυλική ενέργεια, προερχόμενη από πολλά είδη νερόμυλων, έχει χρησιμοποιηθεί για άρδευση και λειτουργία διάφορων μηχανικών συσκευών, όπως για παράδειγμα στα ελαιοτριβεία, στα πριονιστήρια, στους κλωστοϋφαντουργικούς μύλους, στους γερανούς αποβάθρων και στους οικιακούς ανελκυστήρες. Θεωρείται ανανεώσιμη πηγή ενέργειας επειδή ο κύκλος του νερού ανανεώνεται συνεχώς από τον ήλιο.

Στα τέλη του 19^ου αιώνα έγινε ένα μεγάλο βήμα, καθώς, η υδροηλεκτρική ενέργεια έγινε πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το Cragside στο Northumberland ήταν το πρώτο σπίτι που τροφοδοτήθηκε από υδροηλεκτρική ενέργεια, το 1878. Το πρώτο εμπορικό υδροηλεκτρικό εργοστάσιο κατασκευάστηκε στους καταρράκτες του Νιαγάρα το 1879. Το 1881, οι λαμπτήρες δρόμου στην πόλη των καταρρακτών του Νιαγάρα τροφοδοτήθηκαν από υδροηλεκτρική ενέργεια.

Διεθνή ιδρύματα όπως η Παγκόσμια Τράπεζα θεωρούν την υδροηλεκτρική ενέργεια ως ένα μέσο οικονομικής ανάπτυξης, το οποίο δεν προσθέτει σημαντικές ποσότητες άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Ωστόσο, τα φράγματα ενδέχεται να έχουν σημαντικές αρνητικές κοινωνικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις οι οποίες θα αναλυθούν παρακάτω.

Σήμερα, οι σύγχρονες υδροηλεκτρικές μονάδες παράγουν ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας στροβίλους και γεννήτριες. Η μηχανική ενέργεια που δημιουργείται από το κινούμενο νερό, περιστρέφει τον δρομέα στον στρόβιλο. Ο τελευταίος, συνδέεται με μια ηλεκτρομαγνητική γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν περιστρέφεται ο στρόβιλος.

Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι μια πολύ σημαντική πηγή ηλεκτρισμού, με ικανότητα παραγωγής κοντά στο 1 TW, που αποτελεί το 16.5% (3400 TWh) της συνολικής παγκόσμιας προσφοράς. Σε περισσότερες από είκοσι χώρες, η υδροηλεκτρική ενέργεια παρέχει περισσότερο από το 90% της ηλεκτρικής ενέργειας. Οι περισσότερες από τις νέες υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις βρίσκονται στην Ασία (κυρίως στην Κίνα) και στη Λατινική Αμερική (κυρίως στη Βραζιλία). Η Κίνα έχει μακράν τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ (210 GW) και στοχεύει σε νέα έργα. Η υδροηλεκτρική ενέργεια παράγει περίπου το 8% του ηλεκτρισμού των ΗΠΑ το οποίο, αν και ακούγεται κάπως μέτριο, εξακολουθεί να είναι σημαντικά περισσότερο από όσο παρέχουν σε συνδυασμό οι άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας κάτι που αποδεικνύει τη χρησιμότητα της συγκεκριμένης ανανεώσιμης πηγής ενέργειας. Στις ΗΠΑ και τις άλλες χώρες του Οργανισμού Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης (ΟΟΣΑ), όπου έχουν ήδη αναπτυχθεί οι καλύτερες τοποθεσίες, η εστίαση έχει μετατοπιστεί από την ανάπτυξη νέων περιοχών στη βελτίωση των υφιστάμενων εγκαταστάσεων, προσθέτοντας δυνατότητες παραγωγής σε υφιστάμενα φράγματα όπου δεν έχουν γίνει ακόμα εγκαταστάσεις υδροηλεκτρικής ενέργειας. Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι μια εδραιωμένη ώριμη τεχνολογία, αλλά υπάρχει ακόμα ενδιαφέρον στην ανάπτυξη φθηνότερων και καλύτερων τεχνολογιών για εφαρμογές μικρής ισχύος και χαμηλού ύψους πτώσης.

Η υδροηλεκτρική ενέργεια έχει ένα σαφές πλεονέκτημα ως προς τις περισσότερες άλλες τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας: πρόκειται για μια πολύ πιο ευέλικτη πηγή ενέργειας. Μπορεί να παρέχει ενέργεια φορτίου βάσης, ενέργεια αιχμής, στρεφόμενη εφεδρεία και αποθήκευση ενέργειας. Μπορεί να καλύπτει λεπτό προς λεπτό διακυμάνσεις του φορτίου γρηγορότερα και με μεγαλύτερο εύρος και ευελιξία από ότι τα συμβατικά εργοστάσια παραγωγής ενέργειας. Όσον αφορά την αποθήκευση, είναι ένα ιδανικό συμπλήρωμα για τις μεταβλητές και απρόβλεπτες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Ιστορία

Νερόμυλος στο Βέλγιο (12ος αιώνας)

Οι πρώτες ενδείξεις για τροχούς και νερόμυλους χρονολογούνται από την αρχαία Εγγύς Ανατολή από τον 4^ο αιώνα π.Χ., συγκεκριμένα στην Περσική Αυτοκρατορία πριν από το 350 π.Χ., στις περιοχές του Ιράκ, του Ιράν και της Αιγύπτου.

Στη Ρωμαϊκή Αυτοκρατορία, οι υδρόμυλοι περιεγράφηκαν από τον Βιτρούβιο τον πρώτο αιώνα π.Χ. Ο μύλος Barbegal είχε δεκαέξι τροχούς που επεξεργάζονταν έως και 28 τόνους σιτηρών τη μέρα. Ρωμαϊκοί τροχοί χρησιμοποιήθηκαν επίσης για πριόνισμα μαρμάρου, όπως το πριονιστήριο της Ιεράπολης στα τέλη του 3^ου αιώνα. Τέτοια πριονιστήρια είχαν έναν τροχό νερού ο οποίος «οδηγούσε» δύο ράβδους μανιβέλας για να τροφοδοτήσουν δύο πριόνια. Εμφανίζεται επίσης σε δύο ανατολικούς ρωμαϊκούς μύλους του 6^ου αιώνα που ανασκάφηκαν στην Έφεσο και τη Γέρασα αντίστοιχα. Ο μηχανισμός μανιβέλας αυτών των ρωμαϊκών νερόμυλων μετέτρεψε την περιστροφική κίνηση του τροχού σε γραμμική κίνηση των πριονωτών λεπίδων.

Saint Anthony Falls : Η υδροηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιήθηκε εδώ για να αλέσει αλεύρι.

Στην Κίνα, θεωρήθηκε ότι τα υδατοκίνητα σφυριά από τη δυναστεία των Χαν (202 π.Χ. – 220 π.Χ.) τροφοδοτούνταν από υδάτινες σέσουλες. Εντούτοις, αργότερα οι ιστορικοί πίστευαν ότι τροφοδοτούνταν από υδρόβιους τροχούς, ισχυριζόμενοι ότι οι σέσουλες δεν θα είχαν την κινητήρια δύναμη για να λειτουργήσουν τους φυσητήρες υψικαμίνων. Περίπου το 20 μ.Χ. ο μηχανικός Du Shi εφάρμοσε τη δύναμη των υδραυλικών τροχών στους φυσητήρες εμβόλων στον σφυρηλατημένο χυτοσίδηρο.

Η δύναμη ενός κύματος νερού που απελευθερώνεται από μία δεξαμενή χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή μεταλλευμάτων με μια μέθοδο γνωστή ως “hushing”. Η μέθοδος αυτή, χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στα μεταλλεία χρυσού Dolaucothi στην Ουαλία από το 75 μ.Χ. και μετά, αλλά είχε αναπτυχθεί στην Ισπανία σε ορυχεία όπως το Las Médulas. Το Hushing χρησιμοποιήθηκε επίσης ευρέως στη Βρετανία στη Μεσαιωνική περίοδο και αργότερα για την εξαγωγή μεταλλεύματος μόλυβδου και κασσίτερου. Αργότερα εξελίχθηκε σε υδραυλική εξόρυξη όταν χρησιμοποιήθηκε κατά τη περίοδο του California Gold Rush.

Το κάστρο Warwick, στο οποίο χρησιμοποιείται υδροηλεκτρική ενέργεια για την ηλεκτροδότηση του κάστρου.

Στον μουσουλμανικό κόσμο, κατά τη διάρκεια της Ισλαμικής Χρυσής Εποχής και της Αραβικής Γεωργικής Επανάστασης (8^ος – 13^ος αιώνας), οι μηχανικοί έκαναν ευρεία χρήση υδροηλεκτρικής ενέργειας ενώ παράλληλα έκαναν και τις πρώτες χρήσεις παλιρροιακής ενέργειας. Επίσης έχτισαν και τα πρώτα μεγάλα υδραυλικά εργοστάσια. Ακόμα, στον ισλαμικό κόσμο, χρησιμοποιήθηκε μα ποικιλία υδρόβιων βιομηχανικών ελαιοτριβείων, συμπεριλαμβανομένων των: γρύλων, διάφορων ειδών μύλων, σκαφών, πριονιστηρίων, χαλυβουργείων και ζαχαροτριβείων. Μέχρι τον 11^ο αιώνα, σε κάθε επαρχία του ισλαμικού κόσμου λειτουργούσαν βιομηχανικοί μύλοι. Πιο συγκεκριμένα, από τη Βόρεια Αφρική έως τη Μέση Ανατολή και την Κεντρική Ασία. Οι μουσουλμάνοι μηχανικοί χρησιμοποίησαν επίσης στροβίλους νερού και πρωτοστάτησαν στη χρήση φραγμάτων ως πηγή υδραυλικής ενέργειας, οι οποίοι παρείχαν πρόσθετη ισχύ σε νερόμυλους και μηχανήματα ανύψωσης νερού (water-raising machines).

Ο ισλαμικός μηχανικός Al-Jazari (1136-1206) περιέγραψε σχέδια για 50 συσκευές, πολλές από τις οποίες τροφοδοτούνται με νερό, στο βιβλίο του, The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices.

Το 1753, ο Γάλλος μηχανικός Bernard Forest de Bélidor δημοσίευσε το Architecture Hydraulique, στο οποίο περιέγραψε υδραυλικές μηχανές κάθετου και οριζόντιου άξονα. Η αυξανόμενη ζήτηση για τη βιομηχανική επανάσταση θα οδηγούσε επίσης στην ανάπτυξη.

Τα δίκτυα υδραυλικής ισχύος χρησιμοποιούσαν σωλήνες για τη μεταφορά πεπιεσμένου νερού και τη μετάδοση μηχανικής ισχύος από την πηγή στους τελικούς χρήστες. Η πηγή ισχύος ήταν συνήθως μια κεφαλή νερού, η οποία θα μπορούσε επίσης να βοηθηθεί από μια αντλία. Υπήρξε εκτεταμένη χρήση αυτών των δικτύων σε βικτοριανές πόλεις στο Ηνωμένο Βασίλειο. Ακόμα, ένα δίκτυο υδραυλικής ισχύος αναπτύχθηκε στη Γενεύη της Ελβετίας. Το παγκοσμίου φήμης Jet d'Eau σχεδιάστηκε αρχικά ως βαλβίδα εκτόνωσης υπερπίεσης για το δίκτυο.

Μύλος μεταλλεύματος, ο οποίος τροφοδοτείται απευθείας με νερό, τέλη 19ου αιώνα.

Στην αρχή της Βιομηχανικής Επανάστασης στη Βρετανία, το νερό ήταν η κύρια πηγή ισχύος για νέες εφευρέσεις, όπως το water frame του Richard Arkwright. Παρόλο που η χρήση υδραυλικής ενέργειας αντικαταστάθηκε σε πολλά εργοστάσια από τον ατμό, συνεχίστηκε η χρησιμοποίηση της και κατά τη διάρκεια του 18ου και του 19ου αιώνα για πολλές μικρότερες λειτουργίες, όπως η οδήγηση των φυσητήρων σε μικρούς υψικαμίνους (π.χ. το Dyfi Furnace) και μύλους, όπως αυτοί που χτίστηκαν στο Saint Anthony Falls, οι οποίοι χρησιμοποιούσαν την πτώση του νερού από το ύψος των 50 ποδιών (15 μ.) του ποταμού Μισισιπή.

Καθώς οι σιδηρόδρομοι προσπέρασαν τα κανάλια στο θέμα της μεταφοράς, τα συστήματα καναλιών τροποποιήθηκαν και εξελίχθηκαν σε συστήματα υδροηλεκτρικής ενέργειας. Η Μασαχουσέτη είναι ένα κλασικό παράδειγμα εμπορικής ανάπτυξης και εκβιομηχάνισης, που βασίζεται στη διαθεσιμότητα υδάτινης ισχύος.

Οι τεχνολογικές εξελίξεις είχαν αλλάξει τον τροχό ανοιχτού νερού σε κλειστό κινητήρα στροβίλου ή νερού. Το 1848 ο James B. Francis, ενώ εργαζόταν ως επικεφαλής μηχανικός της εταιρείας Lowell's Locks and Canals, βελτίωσε αυτά τα σχέδια για να δημιουργήσει μια τουρμπίνα με απόδοση 90%. Εφάρμοσε επιστημονικές αρχές και μεθόδους δοκιμών στο πρόβλημα του σχεδιασμού στροβίλων. Ο στρόβιλος αντίδρασης Francis εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα. Στη δεκαετία του 1870, ορμώμενος από τη βιομηχανία εξόρυξης της Καλιφόρνιας, ο Lester Allan Pelton ανέπτυξε τον υψηλής απόδοσης στρόβιλο τροχού Pelton, ο οποίος χρησιμοποιούσε υδροηλεκτρική ενέργεια από τις υψηλές ροές κεφαλής, το οποίο είναι χαρακτηριστικό του ορεινού εσωτερικού της Καλιφόρνιας.

Βασικές αρχές

Η ενέργεια που σχετίζεται με το νερό εκδηλώνεται με τρεις τρόπους: ως δυναμική ενέργεια, ως ενέργεια υπό πίεση και ως κινητική ενέργεια. Η ενέργεια σε ένα υδροηλεκτρικό σύστημα ξεκινάει ως δυναμική ενέργεια λόγω του ύψους του πάνω από ένα επιπέδου αναφοράς, σε στάθμη υψηλότερη από αυτή του εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρισμού. Το νερό υπό πίεση στον αγωγό πτώσης, όταν ελευθερώνεται, είναι ικανό να παράγει έργο, συνεπώς υπάρχει ενέργεια που οφείλεται σε αυτή την πίεση. Τέλος, καθώς το νερό ρέει, υπάρχει κινητική ενέργεια που σχετίζεται με τη μάζα που κινείται. Βοηθάει να εκφράσουμε καθεμία από τις τρεις μορφές ενέργειας ανά μονάδα βάρους. Στην περίπτωση αυτή, η ενέργεια αναφέρεται ως στήλη ύψους και έχει διαστάσεις μήκους, με μονάδες όπως πόδια στήλης (“feet of head”) ή μέτρα στήλης (“meters of head”). Η συνολική ενέργεια είναι το άθροισμα του ύψους της δυναμικής ενέργειας, του ύψους της πίεσης και του ύψους της κινητικής ενέργειας και δίνεται από:

Ύψος ενέργειας = $z+\left({\frac {p}{\gamma }}\right)+\left({\frac {v^{2}}{2g}}\right)$

όπου

z = στάθμη ύψους (υψόμετρο) πάνω από ένα ύψος αναφοράς (m) ή (f)

p = πίεση (N/m²)

γ = ειδικό βάρος (N/m³)

v = μέση ταχύτητα (m/s)

g = επιτάχυνση της βαρύτητας (9,81 m/s²)

Υπολογισμός της ποσότητας της διαθέσιμης ισχύος

Ένας πόρος υδροηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να αξιολογηθεί από τη διαθέσιμη ισχύ του. Η ισχύς είναι συνάρτηση της υδραυλικής κεφαλής και του ογκομετρικού ρυθμού ροής. Η κεφαλή είναι η ενέργεια ανά μονάδα βάρους (ή μονάδα μάζας) του νερού. Η στατική κεφαλή είναι ανάλογη με τη διαφορά ύψους από την οποία πέφτει το νερό. Η δυναμική κεφαλή σχετίζεται με την ταχύτητα του κινούμενου νερού. Κάθε μονάδα νερού μπορεί να παράγει έργο ίσο με το βάρος της επί την κεφαλή.

Η ισχύς που διατίθεται από την πτώση του νερού μπορεί να υπολογιστεί από τον ρυθμό ροής και την πυκνότητα του νερού, το ύψος της πτώσης και την τοπική επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας:

${\dot {W}}_{out}=-\eta ({\dot {m}}g\Delta h)=-\eta ((\rho {\dot {V}})g\Delta h)$

όπου:

• ${\dot {W}}_{out}$ (ρυθμός ροής έργου) είναι η έξοδος ισχύος (σε watt)
• $\eta$ είναι η αποδοτικότητα του στροβίλου (χωρίς διάσταση)
• ${\dot {m}}$ είναι ο ρυθμός ροής μάζας (σε χιλιόγραμμα ανά δευτερόλεπτο)
• $\rho$ είναι η πυκνότητα του νερού (σε χιλιόγραμμα ανά κυβικό μέτρο)
• ${\dot {V}}$ είναι ο ογκομετρικός ρυθμός ροής (σε κυβικά μέτρα ανά δευτερόλεπτο)
• $g$ είναι η επιτάχυνση λόγω βαρύτητας(σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο ανά δευτερόλεπτο)
• $\Delta h$ είναι η διαφορά ύψους μεταξύ της εξόδου και της εισόδου (σε μέτρα)

Για παράδειγμα, η απόδοση ισχύος ενός στροβίλου με αποτελεσματικότητα 85%, ρυθμό ροής 80 κυβικά μέτρα ανά δευτερόλεπτο (2800 κυβικά πόδια ανά δευτερόλεπτο) και κεφαλή 145 μέτρων (480 πόδια), είναι 97 Megawatts:

${\dot {W}}_{out}=0.85\times 1000(kg/m^{3})\times 80(m^{3}/s)\times 9.81(m/s^{2})\times 145m=97\times 10^{6}(kg\ m^{2}/s^{3})=97MW$

Οι χειριστές υδροηλεκτρικών σταθμών θα συγκρίνουν τη συνολική ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται, με τη θεωρητική δυναμική ενέργεια του νερού που διέρχεται από την τουρμπίνα για τον υπολογισμό της απόδοσης. Οι διαδικασίες και οι ορισμοί για τον υπολογισμό της απόδοσης δίνονται σε κωδικούς δοκιμής όπως οι ASME PTC 18 και IEC 60041. Ο έλεγχος πεδίου των στροβίλων χρησιμοποιείται για την επικύρωση της εγγυημένης απόδοσης του κατασκευαστή. Ο λεπτομερής υπολογισμός της απόδοσης ενός στροβίλου υδροηλεκτρικής ενέργειας θα αντιπροσωπεύει την απώλεια της κεφαλής λόγω τριβής της ροής στο κανάλι ισχύος, την αύξηση της στάθμης του νερού της «ουράς» λόγω ροής, τη θέση του σταθμού η οποία προκαλεί διαφορετική επίδρασης της βαρύτητας, τη θερμοκρασία, τη βαρομετρική πίεση του αέρα, την πυκνότητα του νερού σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και τα υψόμετρα πάνω από τη στάθμη της θάλασσας. Για ακριβείς υπολογισμούς, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη σφάλματα λόγω στρογγυλοποίησης και ο αριθμός των σημαντικών ψηφίων.

Ορισμένα συστήματα υδροηλεκτρικής ενέργειας όπως οι τροχοί νερού μπορούν να αντλήσουν ενέργεια από τη ροή ενός σώματος νερού χωρίς να αλλάξει απαραίτητα το ύψος του. Σε αυτήν την περίπτωση, η διαθέσιμη ισχύς είναι η κινητική ενέργεια του ρέοντος νερού. Οι υδραυλικοί τροχοί μπορούν να συλλάβουν αποτελεσματικά και τους δύο τύπους ενέργειας. Η ροή του νερού σε ένα ρεύμα μπορεί να ποικίλλει πολύ από εποχή σε εποχή. Η ανάπτυξη μιας περιοχής υδροηλεκτρικής ενέργειας απαιτεί ανάλυση των αρχείων ροής, που μερικές φορές εκτείνονται σε δεκαετίες, για την αξιολόγηση της ετήσιας παροχής ενέργειας. Τα φράγματα και οι δεξαμενές παρέχουν μια πιο αξιόπιστη πηγή ισχύος, εξομαλύνοντας τις εποχιακές αλλαγές στη ροή του νερού. Ωστόσο, οι δεξαμενές έχουν σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, όπως η αλλοίωση της φυσικής ροής. Ο σχεδιασμός των φραγμάτων πρέπει επίσης να αντιπροσωπεύει τη χειρότερη περίπτωση, "πιθανή μέγιστη πλημμύρα" που μπορεί να αναμένεται. Ένας υπερχειλιστής συχνά περιλαμβάνεται για να παρακάμψει τις πλημμύρες γύρω από το φράγμα. Ένα μοντέλο υπολογιστή της υδραυλικής λεκάνης και τα αρχεία βροχοπτώσεων και χιονοπτώσεων χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της μέγιστης πλημμύρας.

Χρήσεις της Υδροηλεκτρικής Ενέργειας

Μία διάταξη υδροηλεκτρικής παραγωγής, η οποία αξιοποιεί τη δύναμη του νερού που πέφτει από τα βουνά Brecon Beacons στην Ουαλία.

Υδροσυμπίεση πεπιεσμένου αέρα

Όπου υπάρχει άφθονη κεφαλή νερού, μπορεί να δημιουργηθεί πεπιεσμένος αέρας απευθείας χωρίς κινούμενα μέρη. Μια πτώση στήλης νερού αναμιγνύεται σκόπιμα με φυσαλίδες αέρα που δημιουργούνται μέσω στροβιλισμού ή με μειωτή πίεσης βεντούρι στην πρόσληψη υψηλού επιπέδου. Αυτό επιτρέπεται να πέσει κάτω από έναν άξονα, όπου τώρα συμπιεσμένος αέρας χωρίζεται από το νερό και παγιδεύεται. Το ύψος της στήλης νερού που πέφτει διατηρεί τη συμπίεση του αέρα στην κορυφή του θαλάμου, ενώ μια έξοδος, βυθισμένη κάτω από τη στάθμη του νερού στο θάλαμο επιτρέπει στο νερό να ρέει πίσω στην επιφάνεια σε χαμηλότερο επίπεδο από την είσοδο. Μια ξεχωριστή έξοδος στην οροφή του θαλάμου τροφοδοτεί τον πεπιεσμένο αέρα. Μια εγκατάσταση βάσει αυτής της αρχής, χτίστηκε στον ποταμό του Μόντρεαλ στο Ragged Shutes κοντά στο Κοβάλτ του Οντάριο το 1910 και παρείχε 5.000 ιπποδύναμη σε κοντινά ορυχεία.

Υδροηλεκτρισμός

Υδροηλεκτρισμός είναι η εκμετάλλευση της ενέργειας που προκύπτει από το νερό με σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας μπορούν να περιλαμβάνουν μια δεξαμενή (που γενικά δημιουργείται από ένα φράγμα) για την εκμετάλλευση της ενέργειας του νερού που πέφτει ή μπορεί να χρησιμοποιήσει την κινητική ενέργεια του νερού όπως στην υδροηλεκτρική ενέργεια του ποταμού. Τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια ποικίλλουν σε μέγεθος από μικρά κοινοτικά μεγέθη (μικρό υδροηλεκτρικά) έως πολύ μεγάλα εργοστάσια που τροφοδοτούν ενέργεια σε μια ολόκληρη χώρα. Από το 2019, οι πέντε μεγαλύτεροι σταθμοί παραγωγής ενέργειας στον κόσμο είναι συμβατικοί υδροηλεκτρικοί σταθμοί με φράγματα.

Η υδροηλεκτρική ενέργεια μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση ενέργειας με τη μορφή δυναμικής ενέργειας μεταξύ δύο δεξαμενών σε διαφορετικά ύψη με υδροηλεκτρική αντλία αποθήκευσης. Το νερό αντλείται ανηφορικά σε δεξαμενές κατά τη διάρκεια περιόδων χαμηλής ζήτησης για απελευθέρωση, ενώ όταν η ζήτηση είναι υψηλή, για παραγωγή.

Άλλες μορφές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από υδροηλεκτρική ενέργεια περιλαμβάνουν γεννήτριες παλιρροιακού ρεύματος που χρησιμοποιούν ενέργεια από την παλίρροια που παράγεται από ωκεανούς, ποτάμια και ανθρωπογενή κανάλια για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Μια τυπική διάταξη ενός υδροηλεκτρικού σταθμού.

Υδροηλεκτρικοί Σταθμοί

Στους υδροηλεκτρικούς σταθμούς (ΥΗΣ) μετατρέπεται η κινητική ή η δυναμική ενέργεια του τρεχούμενου νερού σε μηχανική ενέργεια, μέσω ενός υδροστρόβιλου που λειτουργεί στην περίπτωση αυτή σαν μετατροπέας ενέργειας. Η γεννήτρια, που είναι σε κοινό άξονα με τον υδροστρόβιλο, μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Ανάλογα με την υψομετρική διαφορά του νερού οι ΥΗΣ διακρίνονται σε σταθμούς χαμηλής (0-20 m), μέσης (20-100m) και υψηλής πίεσης (>100m). Οι υψομετρικές διαφορές που είναι εκμεταλλεύσιμες κυμαίνονται από μερικά μέτρα, π.χ. 3m, μέχρι και 1500m περίπου. Στην Ελλάδα οι ΥΗΣ είναι, κατά κανόνα, ΥΗΣ δεξαμενής, με ρυθμιζόμενη ισχύ. Οι σταθμοί αυτοί, όπως θα αναλυθεί στη συνέχεια, χρησιμοποιούν το νερό που είναι αποθηκευμένο σε μια δεξαμενή χωρητικότητας της τάξης των 10⁹ m³. Στο εξωτερικό, σε μεγάλα ποτάμια (Ρήνος), χρησιμοποιούνται και ΥΗΣ φυσικής ροής. Στις περιπτώσεις αυτές χρησιμοποιείται η ροή του ποταμού για την παραγωγή ενέργειας. Η ηλεκτρική ισχύς που αποδίδεται από τη γεννήτρια προκύπτει από το γινόμενο της δυναμικής ενέργειας του νερού επί ένα βαθμό απόδοσης, ο οποίος είναι το γινόμενο της απόδοσης των αγωγών, n_a  = 0,93…0,99, του στροβίλου n_T = 0,85..0,94 και της γεννήτριας n_G = 0,95..0,99. Ο ολικός βαθμός n της απόδοσης ενέργειας των ΥΗΣ κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 0,75 έως 0,92.

Η ισχύς που παράγεται από έναν ΥΗΣ δίνεται από τη σχέση:

$P=n\cdot \gamma \cdot Q\cdot H$

όπου

              $n=n_{a}\cdot n_{T}\cdot n_{G}$ ο ολικός βαθμός απόδοσης,

$\gamma$ το ειδικό βάρος του νερού σε $N/m^{3}$, δηλαδή $\gamma =9807\ N/m^{3}$,

              $Q$ η παροχή του νερού στο στρόβιλο σε $m^{3}/s$,

              $H$ η υψομετρική διαφορά άνω και κάτω στάθμης σε $m$.

Για ένα βαθμό απόδοσης 0,82 η ισχύς είναι:

               $P\approx 8\ \cdot Q\cdot H\ (kW)$

               όπου Q είναι σε m³/s και H σε m.

Ένα μεγάλο πλεονέκτημα των ΥΗΣ είναι ότι η ισχύς τους ρυθμίζεται σε χρόνους πολύ πιο σύντομους από ότι σε έναν ατμοηλεκτρικό σταθμό. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται σαν ρυθμιστικά εργοστάσια για τη ρύθμιση της ροής της ισχύος στο δίκτυο, εκεί όπου απαιτούνται μικρές χρονικές σταθερές ρύθμισης.

Τα ρυθμιστικά εργοστάσια είναι συνήθως ΥΗΣ. Στην Ελλάδα χρησιμοποιείται ο ΥΗΣ του Καστρακίου για τη ρύθμιση της ροής ισχύος μεταξύ Ελλάδας και Γιουγκοσλαβίας.

Το μεγαλύτερο υδροηλεκτρικό φράγμα στον κόσμο, το Three Gorges Dam στην Κίνα

Οι ΥΗΣ ανήκουν στα μεγαλύτερα έργα της τεχνικής. Τις περισσότερες φορές συνδυάζουν την παραγωγή ενέργειας και την άρδευση ή ύδρευση μεγάλων περιοχών. Η υλοποίηση τους όμως είναι πολυδάπανη, μακροχρόνια και πολλές φορές επιβάλλει και γενικότερες κοινωνικές μεταβολές, όπως μετακίνηση οικισμών από περιοχές που θα πλημμυρίσουν κατά τη δημιουργία ταμιευτήρων νερού. Σήμερα ο μεγαλύτερος ΥΗΣ του κόσμου βρίσκεται στον ποταμό Itaipu, στα σύνορα Βραζιλίας – Παραγουάης.

Άλλα μεγάλα υδροηλεκτρικά συγκροτήματα υπάρχουν στον Καναδά, όπου το συγκρότημα La Grande Complex στο Quebec έχει συνολική εγκατεστημένη ισχύ 16,021 GW, αλλά ο μεγαλύτερος σταθμός του είναι ο Robert Bourassa με εγκατεστημένη ισχύ 5,616 GW. Στις ΗΠΑ υπάρχει ο σταθμός Grand Coulee, Washington, με ισχύ 6,809 GW, που λειτουργεί από το 1942. Πρόσφατα κατασκευάστηκε το μεγαλύτερο υδροηλεκτρικό φράγμα στον κόσμο στο Three Gorges στον ποταμό Yangtze της Κίνας. Οι πρώτες γεννήτριες τέθηκαν σε λειτουργία το 2003 ενώ το έργο, που περιλαμβάνει 26 συνολικά γεννήτριες συνολικής ισχύος 18,3 GW ολοκληρώθηκε το 2009. Το κόστος του έργου ξεπέρασε τα 100 δισεκατομμύρια US, καταλαμβάνοντας έτσι τη θέση του ακριβότερου τεχνικού έργου στον κόσμο. Στην τιμή αυτή δεν συμπεριελήφθησαν τα κόστη των απαλλοτριώσεων, της μετακίνησης του πληθυσμού και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων.

Στη χώρα μας οι ΥΗΣ αναπτύσσονται κυρίως κατά μήκος των ποταμών Αχελώου, Αλιάκμονα και Νέστου. Ο μεγαλύτερος ΥΗΣ, από πλευράς εγκατεστημένης ισχύος, βρίσκεται τον Αχελώο, και είναι ο ΥΗΣ Κρεμαστών, με εγκατεστημένη ισχύ 437,2 MW.

Υδροστρόβιλοι

Ο δρομέας ενός μικρού υδροστροβίλου

Οι υδροστρόβιλοι εργάζονται αποδοτικά σε περιστροφικές ταχύτητες χαμηλότερες των 3000 min^-1, που αντιστοιχούν στη συχνότητα των 50 Hz. Έτσι απαιτείται η προσαρμογή της ταχύτητας αυτών στη σύγχρονη ταχύτητα του δικτύου. Αυτό γίνεται με κατάλληλη επιλογή του αριθμού των πόλων της γεννήτριας. Η αλλαγή της ταχύτητας περιστροφής με μηχανικά μέσα (κιβώτια ταχυτήτων κλπ.) είναι συνήθως τεχνικά ασύμφορη λύση.

Σε συνδυασμό με τους ΥΗΣ, χρησιμοποιούνται οι όροι πρωτογενής και δευτερογενής ενέργεια. Πρωτογενής ενέργεια είναι εκείνη που ρυθμίζεται και μπορεί να προσαρμοστεί στην κατανάλωση, όπως π.χ. σε διάφορους σταθμούς δεξαμενής. Δευτερογενής ενέργεια είναι εκείνη που δεν μπορεί να προσαρμοστεί στη ζήτηση, όπως π.χ. στα εργοστάσια φυσικής ροής.

Όπως η ενέργεια στο νερό εκδηλώνεται σε τρεις μορφές -δυναμική, πίεσης και κινητική-, υπάρχουν τρεις επίσης διαφορετικές προσεγγίσεις για να μετατρέψουμε αυτή την ενέργεια νερού σε μηχανική ενέργεια η οποία χρειάζεται για τη περιστροφή του άξονα μιας ηλεκτρικής γεννήτριας. Οι στρόβιλοι ώσης μετατρέπουν τη δυναμική ενέργεια του νερού σε κινητική ενέργεια μιας δέσμης νερού που εκρέει με ορμή από υψηλής πίεσης ακροφύσια νερού επάνω σε σκαφίδια ή σε πτερύγια του δρομέα. Αντίθετα, η ταχύτητα του νερού σε έναν στρόβιλο αντίδρασης παίζει μικρό μόνο ρόλο, και είναι κυρίως η διαφορά πίεσης κατά μήκος του δρομέα (ή των πτερυγίων) αυτών των υδροστροβίλων που δημιουργεί την επιθυμητή ροπή. Σε γενικές γραμμές, οι υδροστρόβιλοι ώσης είναι πιο κατάλληλοι για εγκαταστάσεις σε συνθήκες μεγάλου ύψους και χαμηλής παροχής, ενώ το αντίθετο είναι η περίπτωση για τους υδροστρόβιλους αντίδρασης. Και τέλος ο αργόστροφος αλλά ισχυρός παραδοσιακός νερόμυλος -τροχός οριζόντιου άξονα- μετατρέπει τη δυναμική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια. Οι τροχοί οριζόντιου άξονα δεν είναι εντελώς κατάλληλοι για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, διότι δεν μπορούν να περιστραφούν με υψηλές ταχύτητες.

Παλιός υδροστρόβιλος Pelton

Στους ΥΗΣ χρησιμοποιούνται διαφορετικοί τύποι στροβίλων ανάλογα με την υψομετρική διαφορά H και την παροχή του νερού στον υδροστρόβιλο. Οι στρόβιλοι που χρησιμοποιούνται ανήκουν στις εξής κατηγορίες:

1. Στρόβιλος ελεύθερης δέσμης ή τύπου Pelton για μεγάλες υψομετρικές διαφορές. H≥100m
2. Στρόβιλος τύπου Francis για μεσαίες υψομετρικές διαφορές. H = 30…800m
3. Στρόβιλος τύπου Kaplan για χαμηλές υψομετρικές διαφορές. H = 2…80m

Υδροστρόβιλος Francis

1)Οι υδροστρόβιλοι ώσης χρησιμοποιούνται πιο συχνά σε μικρά συστήματα. Ο πρωτότυπος υδροστρόβιλος ώσης αναπτύχθηκε και κατοχυρώθηκε από τον Lester Pelton το 1880 και οι σύγχρονες μηχανές αυτής της τεχνολογίας συνεχίζουν να φέρουν το όνομά του. Σε έναν υδροστρόβιλο Pelton, το νερό εκχύνεται με ορμή από τα ακροφύσια σε ζεύγος σκαφιδίων που συνδέονται στον δρομέα. Τα σκαφίδια έχουν σχεδιαστεί προσεκτικά για να εκμεταλλεύονται όσο το δυνατόν περισσότερη από την κινητική ενέργεια του νερού, ενώ απομένει αρκετή ενέργεια στο νερό για να μπορεί να φύγει από τους κάδους χωρίς να αναμιγνύεται με το εισερχόμενο νερό. Το νερό, όπως αναφέρθηκε, προσάγεται σε πολλά ακροφύσια, που είναι διατεταγμένα ισομετρικά γύρω από τον τροχό Pelton. Εκεί το νερό εκρέει και η δυναμική του ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια. Η δέσμη του νερού που εκρέει από κάθε ακροφύσιο χτυπά εφαπτομενικά στον τροχό Pelton που φέρει πτερύγια. Η ρύθμιση της ισχύος γίνεται με βελονοειδείς βαλβίδες. Υπάρχουν όμως εμπρός από τα ακροφύσια και ανακλαστήρες της δέσμης του νερού, που μπορούν σε μικρό χρόνο να παρεμβληθούν ανάμεσα στη δέσμη του νερού και στον τροχό, ώστε να την αποκλίνουν από το να πέσει πάνω στα πτερύγια. Με τον τρόπο αυτό, η ισχύς μπορεί να μηδενιστεί σε διάστημα δέκατων του δευτερολέπτου. Στους στροβίλους Pelton, η υδροστατική πίεση στα πτερύγια είναι παντού η ίδια. Σε κάθε στιγμή μόνο ορισμένα πτερύγια, π.χ. 6, έχουν επαφή με το νερό και έτσι όπως κινείται ο τροχός, τα πτερύγια εναλλάσσονται. Αυτοί οι υδροστρόβιλοι έχουν τυπικά αποδόσεις εύρους 70% - 90%.

Η απόδοση του πρωτότυπου σχεδιασμού Pelton ελαττώνεται σε υψηλότερες παροχές, γιατί το νερό εξερχόμενο από τα σκαφίδια τείνει να αναμιγνύεται με το εισερχόμενο ρεύμα. Ένας άλλος υδροστρόβιλος ώσης ονομάζεται Turgo και είναι παρόμοιος με τον Pelton. Ωστόσο, ο δρομέας έχει διαφορετική γεωμετρία και το εισερχόμενο νερό προσβάλλει τα πτερύγια από τη μια πλευρά υπό γωνία, επιτρέποντας την έξοδο του νερού από την άλλη, κάτι που μειώνει σημαντικά το πρόβλημα παρεμβολής. Ο σχεδιασμός Turgo επιτρέπει στο εκτοξευόμενο ρεύμα νερού να προσβάλλει αρκετούς κάδους απευθείας και περιστρέφει τον δρομέα με μεγαλύτερη ταχύτητα σε σχέση με τον Pelton, το οποίο τον καθιστά κάπως πιο συμβατό με τις ταχύτητες της γεννήτριας.

Υπάρχει και ένας άλλος υδροστρόβιλος ώσης που ονομάζεται στρόβιλος εγκάρσιας ροής, ο οποίος είναι ιδιαίτερα χρήσιμος σε περιπτώσεις χαμηλού προς μέτριο διαθέσιμο ύψος (5-20m). Αυτός ο υδροστρόβιλος είναι γνωστός επίσης ως υδροστρόβιλος Banki, Mitchell ή Ossberger -ονόματα που αφορούν τον εφευρέτη του, αυτόν που το ανέπτυξε και τον τρέχοντα κατασκευαστή του, αντίστοιχα. Αυτοί οι υδροστρόβιλοι είναι ιδιαίτερα απλοί στην κατασκευή τους, κάτι που τους καθιστά ευρύτατα διαδεδομένους στις αναπτυσσόμενες χώρες, όπου μπορούν να κατασκευαστούν τοπικά.

Υδροστρόβιλος Kaplan

2)Για εγκαταστάσεις χαμηλού ύψους με μεγάλες παροχές, οι υδροστρόβιλοι αντίδρασης είναι αυτοί που χρησιμοποιούνται πιο συχνά. Οι υδροστρόβιλοι αντίδρασης δεν προσβάλλονται από δέσμη νερού, όπως συμβαίνει στην περίπτωση των στροβίλων δράσης. Είναι εντελώς βυθισμένοι στο νερό και παράγουν την ισχύ τους από τη μάζα του νερού που κινείται μέσα από αυτούς, και όχι από την ταχύτητα. Οι περισσότεροι υδροστρόβιλοι αντίδρασης που χρησιμοποιούνται σε μικρές υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις έχουν δρομείς τύπου έλικα (σαν μια πτερωτή εξωλέμβιου κινητήρα). Η πτερωτή μπορεί να έχει τρία μέχρι έξι πτερύγια, τα οποία για μικρά συστήματα είναι συνήθως σταθερού βήματος. Μεγαλύτερες μονάδες που περιλαμβάνουν πτερύγια μεταβλητού βήματος και άλλα ρυθμιζόμενα χαρακτηριστικά αναφέρονται ως υδροστρόβιλοι Kaplan. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές χαμηλού ύψους (≈2-40m). Ένα παράδειγμα συστήματος με διάταξη ορθής γωνίας, στο οποίο ένας βολβός περιέχει τη σύζευξη μεταξύ του υδροστροβίλου και μιας εξωτερικά τοποθετημένης γεννήτριας. Για μεγαλύτερα συστήματα, ένας πιο κατάλληλος στρόβιλος αντίδρασης (≈10-350m ύψος), που ονομάζεται Francis, χρησιμοποιείται ευρέως. Οι υδροστρόβιλοι Kaplan και Francis αναλύονται παρακάτω.

3)Στους στροβίλους τύπου Francis το νερό, αφού περάσει τις ρυθμιστικές διατάξεις, οδηγείται σε ένα δακτυλιοειδή, τοροειδή, σωλήνα. Από εκεί πέφτει στα πτερύγια του στροβίλου, περνώντας μέσα από ειδικά ανοίγματα στην εσωτερική περιφέρεια του σωλήνα. Στα ανοίγματα αυτά υπάρχουν κινητά πτερύγια ρύθμισης. Αλλάζοντας τη θέση των πτερυγίων το νερό αλλάζει τη φορά εκροής, και συνεπώς αλλάζει και η ροπή που ασκείται πάνω στα πτερύγια του στροβίλου. Με τον τρόπο αυτό ρυθμίζεται η ισχύς εισόδου στο στρόβιλο. Όλος ο στρόβιλος βρίσκεται μέσα στο νερό και η υδροστατική πίεση είναι μεγαλύτερη στην είσοδο του στροβίλου από ότι στην έξοδο.

Οι στρόβιλοι τύπου Kaplan, έχουν ανάλογη αρχή λειτουργίας, όπως οι αντίστοιχοι τύπου Francis, εκτός από τα κινητά πτερύγια, τα οποία είναι και αυτά ρυθμιζόμενα, όπως και τα σταθερά πτερύγια.

Στους στροβίλους Kaplan και Francis υπάρχει πάντοτε διαφορά πίεσης μεταξύ εισόδου και εξόδου της μηχανής σε αντιδιαστολή με τους στροβίλους τύπου Pelton, όπου η πίεση είναι ενιαία. Για το λόγο αυτό οι δύο αυτοί τύποι ονομάζονται στρόβιλοι υπερπίεσης.

Όταν οι ταχύτητες του νερού είναι μεγάλες, δημιουργούνται υποπιέσεις στον υδροστρόβιλο, με αποτέλεσμα την εξάτμιση του νερού. Οι ατμοί συμπυκνώνονται στη συνέχεια πάνω στις επιφάνειες των πτερυγίων, με αποτέλεσμα τη διάβρωση των πτερυγίων. Το φαινόμενο αυτό λέγεται σπηλαίωση (cavitation) και μπορεί να καταστρέψει κυρίως τα κινούμενα πτερύγια. Αποφεύγεται μόνο με τον κατάλληλο σχεδιασμό του στροβίλου.

Στους στροβίλους υπερπίεσης χρησιμοποιείται συνήθως στην έξοδο του νερού ένας σωλήνας, που οδηγεί μέχρι τη στάθμη φυγής. Στην άκρη αυτού του σωλήνα αναρρόφησης δημιουργείται, λόγω της ροής του νερού στη στάθμη φυγής, μια υποπίεση (φαινόμενο αντλίας διάχυσης). Με τον τρόπο αυτό γίνεται καλύτερη εκμετάλλευση της υψομετρικής διαφοράς.

Στους στροβίλους Kaplan και Francis το νερό προσάγεται κάθετα στον άξονα του στροβίλου. Ο σωλήνας αναρρόφησης δεν είναι παράλληλος με τον άξονα του στροβίλου. Σε ορισμένους τύπους στροβίλων, που ονομάζονται σωληνωτοί στρόβιλοι και οι οποίοι μοιάζουν με τους στροβίλους Kaplan, το νερό ρέει αξονικά. Ο στρόβιλος βρίσκεται στον ευθύ σωλήνα αναρρόφησης. Έτσι βελτιώνεται η απόδοση. Η λύση όμως αυτή είναι κατασκευαστικά δύσκολη. Η ροπή μεταδίδεται τότε στη γεννήτρια μέσω κιβωτίου ταχυτήτων γιατί, όπως προαναφέρθηκε, απαιτείται υψηλή ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας και ο υδροστρόβιλος περιστρέφεται με χαμηλή ταχύτητα.

Η εκμεταλλεύσιμη διαφορά στάθμης νερού, δηλαδή το ενεργό ύψος H, σε συνάρτηση με την παροχή και την ειδική ταχύτητα n_q (min^-1) χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του είδους του στροβίλου. Η ειδική ταχύτητα n_q, είναι ένα χαρακτηριστικό μέγεθος, που υπολογίζεται από τη σχέση:

          $n_{q}=n\ {\frac {\sqrt {Q}}{H^{3/4}}}\ min^{-1}$

όπου $n$ = ταχύτητα περιστροφής min^-1,

         $Q$ = παροχή (m³/s) στην ονομαστική λειτουργία,

         $H$= υψομετρική διαφορά (m) στην ονομαστική λειτουργία.

Μέτρηση ροής για Μικρό Υδροηλεκτρικό Σύστημα

Προφανώς, ο προσδιορισμός της διαθέσιμης ροής του νερού είναι απαραίτητος για τον προγραμματισμό και τον σχεδιασμό ενός συστήματος. Σε κάποιες περιπτώσεις, μπορεί η πηγή να είναι τόσο άφθονη και η ζήτηση τόσο μικρή, που μια πολύ χονδρική αξιολόγηση αρκεί. Αν όμως η πηγή είναι ένα μέτριο ρυάκι ή, μάλλον, απλώς μια πηγή, ιδίως αν είναι μία της οποίας η ροή είναι εποχιακή, μπορεί να απαιτούνται πολύ πιο προσεκτικές παρατηρήσεις και μετρήσεις πριν ξοδέψουμε χρήματα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, θα πρέπει να γίνονται τακτικές μετρήσεις τουλάχιστον κατά τη διάρκεια ενός πλήρους έτους.

Οι μέθοδοι υπολογισμού της ροής ρεύματος κυμαίνονται από την απλούστερη μέθοδο του πλωτήρα και της χρονομέτρησης μέχρι τις πιο εξελιγμένες προσεγγίσεις, μεταξύ των οποίων και αυτή όπου οι μετρήσεις ταχύτητας ροής γίνονται κατά μήκος ολόκληρης της διατομής του υδατορεύματος χρησιμοποιώντας ένα ροόμετρο κινούμενο από μία προπέλα. Για τα μικρά συστήματα υδροηλεκτρικής ενέργειας, πολλές φορές η καλύτερη προσέγγιση περιλαμβάνει την κατασκευή μια προσωρινής δομής από ξύλο (κόντρα πλακέ), σκυρόδερμα ή μέταλλο, που ονομάζεται υδατοφράκτης. Το ύψος του νερού, καθώς αυτό ρέει μέσω ενός στομίου στον υδατοφράκτη, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της ροής.

Το στόμιο στον υδατοφράκτη μπορεί να έχει διαφορετικές γεωμετρίες, όπως ορθογώνιο, τρίγωνο και τραπέζιο. Χρειάζεται να έχει ένα οξύ άκρο, ώστε το νερό να εκτρέπεται αμέσως καθώς διασχίζει τον υδατοφράκτη. Για την ακρίβεια, πρέπει να δημιουργήσει μία σχεδόν στάσιμη δεξαμενή νερού ανάντι έτσι ώστε η επιφάνεια να είναι σε ηρεμία καθώς το νερό προσεγγίζει τον υδατοφράκτη, και απαιτείται κανόνας ώστε να μπορεί να μετρηθεί η στάθμη του νερού κατάντι. Όταν εφαρμοστούν οι γεωμετρικές σχέσεις για τον ορθογώνιο υδατοφράκτη και το ύψος h είναι μεγαλύτερο από 5 εκ., η ροή μπορεί να εκτιμηθεί ως ακολούθως:

$Q=1.8(W-0.2h)\ h^{1.5}$ με $Q(m^{3}/s),h(m),W(m)$

Ηλεκτρολογικός εξοπλισμός Υδροηλεκτρικών Συστημάτων Μικρής Κλίμακας

Τα μεγάλα υδροηλεκτρικά συστήματα χρησιμοποιούνται ως πηγή ισχύος AC που τροφοδοτείται απευθείας στα δίκτυα κοινής ωφέλειας χρησιμοποιώντας συμβατικές σύγχρονες γεννήτριες και συσκευές διασύνδεσης δικτύου. Δεδομένου ότι η συχνότητα εξόδου καθορίζεται από τις στροφές (rpm) της γεννήτριας, είναι επιβεβλημένος ο ακριβής έλεγχός της. Ενώ οι μηχανικοί ελεγκτές και οι χειροκίνητες βαλβίδες ελέγχου χρησιμοποιούνται παραδοσιακά, τα σύγχρονα συστήματα διαθέτουν ηλεκτρονικά εξαρτήματα που ελέγχονται από μικροεπεξεργαστές.

Αντιθέτως, τα μικρά υδροηλεκτρικά συστήματα παράγουν ρεύμα DC, το οποίο χρησιμοποιείται για να φορτίσει συσσωρευτές. Εξαίρεση θα ήταν η περίπτωση στην οποία η ηλεκτρική ενέργεια είναι εύκολα διαθέσιμη μέσω υπάρχοντος δικτύου, οπότε θα ήταν απλούστερο και φθηνότερο, από τη λύση της αποθήκευσης σε συσσωρευτές, ένα διασυνδεδεμένο σύστημα στο οποίο ο μετρητής κατανάλωσης περιστρέφεται προς μία κατεύθυνση, όταν η ζήτηση είναι λιγότερη από αυτήν που παράγει το υδροηλεκτρικό σύστημα, και προς την άλλη κατεύθυνση, όταν δεν συμβαίνει το παραπάνω.

Η συστοιχία συσσωρευτών σε ένα αυτόνομο μικρό υδροηλεκτρικό σύστημα επιτρέπει στο υδροηλεκτρικό σύστημα, συμπεριλαμβανομένων των σωλήνων, των βαλβίδων, του στροβίλου και της γεννήτριας, να σχεδιαστεί για να καλύψει απλώς την καθημερινή μέση ζήτηση ενέργειας, παρά τη μέγιστη ζήτηση αιχμής, που σημαίνει ότι τα πάντα μπορούν να είναι μικρότερα και φθηνότερα. Τα φορτία ποικίλλουν μέσα στην ημέρα βέβαια, καθώς οι συσκευές ανοίγουν και κλείνουν, αλλά οι πραγματικές μέγιστες απαιτήσεις σχετίζονται με τις διατάξεις που χρειάζονται για να ξεκινήσουν ομαλά οι κινητήρες στις μεγάλες συσκευές και τα ηλεκτρικά εργαλεία λόγω της απαίτησης υψηλών ρευμάτων εκκίνησης. Οι συσσωρευτές το χειρίζονται αυτό με ευκολία. Δεδομένου ότι οι καθημερινές διακυμάνσεις στη ροή του νερού είναι μέτριες, τα μικρά υδροηλεκτρικά συστήματα με αποθήκευση σε συσσωρευτή μπορούν να διαστασιολογηθούν για να καλύψουν πολύ μικρότερες διακοπές ρεύματος από τις διακοπές που πρέπει να χειριστούν τα φωτοβολταϊκά συστήματα και οι οποίες εξαρτώνται από τις καιρικές συνθήκες. Δύο ημέρες αποθήκευσης θεωρούνται λογικές.

Για να προστατεύσουμε τους συσσωρευτές από καταστροφή λόγω υπερφόρτισης, το σύστημα περιλαμβάνει έναν ρυθμιστή φόρτισης που εκτρέπει την περίσσεια ενέργειας από τη γεννήτρια σε έναν ρυθμιζόμενο αντιστάτη, ο οποίος μπορεί να είναι, για παράδειγμα, ένα ηλεκτρικό θερμαντικό στοιχείο σε μια δεξαμενή θέρμανσης νερού. Άλλα συστήματα ελέγχου είναι πιθανά, όπως η χρήση ρυθμιστών που είτε προσαρμόζουν την παροχή του νερού μέσω του υδροστροβίλου είτε ρυθμίζουν την παραγωγή της γεννήτριας προσαρμόζοντας το ρεύμα στις περιελίξεις του πεδίου στον δρομέα της γεννήτριας. Όπως φαίνεται, οι συσσωρευτές μπορούν να παρέχουν ισχύ DC απευθείας σε κάποια φορτία, ενώ άλλα φορτία λαμβάνουν AC μέσω ενός μετατροπέα.

Συγκρότηση Υδροηλεκτρικών σταθμών

Σταθμοί φυσικής ροής

Υδροηλεκτρικό φράγμα φυσικής ροής Chief Joseph στις HΠΑ

Σε ποταμούς με μεγάλη παροχή σε όλη τη διάρκεια του έτους, όπως στο Ρήνο, συμφέρει η αξιοποίηση της υδραυλικής ενέργειας με σταθμούς φυσικής ροής. Σε αυτούς δεν ρυθμίζεται σημαντικά η ποσότητα του νερού. Χρησιμοποιούνται κυρίως σαν εργοστάσια βάσης.

Οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας φυσικής ροής έχουν μικρή ή και καθόλου δυνατότητα αποθήκευσης. Χωρίς να απαιτούν σημαντικά έργα υποδομής (έργα πολιτικού μηχανικού), δεν προκαλούν σχεδόν καθόλου διατάραξη του οικοσυστήματος εξαιτίας των φραγμάτων τους και των αντίστοιχων δεξαμενών τους. Ένα τμήμα του ποταμού εκτρέπεται μέσω του στομίου εισόδου σε μια δεξαμενή φόρτισης, που λειτουργεί ως δεξαμενή αποθήκευσης μικρής χωρητικότητας. Από εκεί το νερό οδεύει μέσα σε ένα δίκτυο σωληνώσεων, που ονομάζεται αγωγός πτώσης και μεταφέρει νερό υπό πίεση σε έναν στρόβιλο/γεννήτρια σε έναν σταθμό παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος που βρίσκεται σε κάποιο ύψος κάτω από το επίπεδο λήψης. Αν αυτός είναι ένας πολύ μικρός αυτόνομος (εκτός δικτύου) σταθμός μπορεί επίσης να διαθέτει μια συστοιχία συσσωρευτών, για να βοηθήσει στην κάλυψη των απαιτούμενων φορτίων μέγιστης ζήτησης, που υπερβαίνουν τη μέση αποδιδόμενη ισχύ της γεννήτριας.

Ο ποταμός φράζεται σε κατάλληλο σημείο και το νερό διοχετεύεται, ελεγχόμενα, με αγωγούς σε στροβίλους Kaplan ή Francis. Λόγω του φράγματος υπάρχει υψομετρική διαφορά μεταξύ της στάθμης προσαγωγής και της στάθμης φυγής του νερού. Για να διευκολυνθεί η διέλευση των ψαριών και ενδεχόμενα της ναυσιπλοΐας, μπορεί να υπάρχουν ιχθυόσκαλες ή κανάλια. Υπάρχει, κατά κανόνα, ένα κανάλι παράκαμψης για πλοία και ψάρια.

Ένας μικρός υδροηλεκτρικός σταθμός φυσικής ροής, ο οποίος επιπλέει στην Αυστρία.

Οι σταθμοί φυσικής ροής τοποθετούνται σε σημεία όπου υπάρχει μεγάλη κλίση στο έδαφος και το πλάτος του ποταμού είναι σχετικά μικρό, με απότομες όχθες. Αν η διαμόρφωση του ποταμού δεν επιτρέπει την κατασκευή εργοστασίου μέσα στον ποταμό, τότε ανοίγεται ένα παράλληλο κανάλι και ο σταθμός τοποθετείται εκεί. Σε ποτάμια, όπου το επιτρέπει η κλίση του εδάφους, μπορεί να κατασκευαστεί μια σειρά από υδροηλεκτρικούς σταθμούς φυσικής ροής, π.χ. στο Ρήνο ανάμεσα στο Bodensee και το Basel έχουν κατασκευαστεί 13 εργοστάσια σε μια συνολική απόσταση 140 km.

Για την ελάττωση του κόστους κατασκευής, αλλά και της περιβαλλοντικής παρέμβασης, ο υδροηλεκτρικός σταθμός πρέπει να κατασκευαστεί χαμηλός ώστε να προκαλεί ελάχιστη οπτική ρύπανση στο περιβάλλον. Το ύψος όμως του σταθμού προσδιορίζεται κυρίως από τη γερανογέφυρα, που είναι απαραίτητη για την εγκατάσταση και τη συντήρηση των στροβίλων και των γεννητριών. Η γεννήτρια με το στρόβιλο είναι μέσα στο φράγμα του υδροηλεκτρικού σταθμού και δεν απαιτούν πρόσθετο ύψος. Σε τέτοιες περιπτώσεις μπορεί να χρησιμοποιηθούν κινητές γερανογέφυρες και ο σταθμός να καλυφθεί με αναιρούμενες σκεπές. Στη συντήρηση αφαιρούνται οι σκεπές. Ο γερανός μπορεί να είναι τοποθετημένος κάπου μακριά και να είναι κατάλληλα καμουφλαρισμένος, όταν δεν χρησιμοποιείται.

Σταθμοί δεξαμενής

Η πάνω δεξαμενή και το φράγμα του υδροηλεκτρικού σταθμού αποθήκευσης Ffestiniog στη Βόρεια Ουαλία. Ο χαμηλότερος σταθμός παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος διαθέτει 4 στρόβιλους νερού που παράγουν 360MW ηλεκτρικής ενέργειας εντός ενός λεπτού όταν απαιτείται.

Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί δεξαμενής είναι οι πιο κοινοί σταθμοί παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας. Η διαμόρφωση ενός υδροηλεκτρικού σταθμού δεξαμενής εξαρτάται κυρίως από τη μορφολογία του εδάφους. Για την κατασκευή της δεξαμενής χρησιμοποιούνται χαράδρες από τις οποίες ρέει η φυσική κοίτη του νερού. Σε κάποιο σημείο εκροής που δεν έχει μεγάλο πλάτος φράζεται κατάλληλα η εκροή και δημιουργείται μια δεξαμενή μέσα στην οποία συσσωρεύεται νερό. Οι τυπικές χωρητικότητες των ταμιευτήρων νερού είναι της τάξης των 1-10 km³. Αγωγοί μεγάλης διαμέτρου, π.χ. 8 m, μεταφέρουν το νερό από το κάτω μέρος της δεξαμενής στον υδροηλεκτρικό σταθμό. Η μορφολογία του εδάφους αξιοποιείται όσο είναι δυνατόν, ώστε να βελτιωθεί η υψομετρική διαφορά. Έτσι ο σταθμός μπορεί να τοποθετηθεί πολλά χιλιόμετρα μακριά από το φράγμα.

Στην κατασκευή των φραγμάτων διακρίνονται δύο αποφρακτικά όργανα. Το ένα είναι στο φράγμα, στο σημείο εισροής του νερού στους σωλήνες. Αυτό επιτρέπει τη διακοπή της εκροής του νερού όταν πρόκειται να εκτελεστούν εργασίες συντήρησης των καταθλιπτικών σωλήνων (ή αλλιώς σωλήνες προσαγωγής νερού). Το άλλο αποφρακτικό όργανο επιτρέπει τη διακοπή της εισροής του νερού στο στρόβιλο. Εκτός των εργασιών συντήρησης, η αποφρακτική βάνα του στροβίλου είναι απαραίτητη και στην περίπτωση που ένας κοινός καταθλιπτικός σωλήνας τροφοδοτεί δύο ή περισσότερους στροβίλους. Η ρύθμιση της ισχύος γίνεται με βελονοειδείς βαλβίδες στους στροβίλους τύπου Pelton, ή με ρυθμιζόμενα πτερύγια στους στροβίλους τύπου Francis.

Σε απότομες αλλαγές ισχύος δημιουργούνται κρουστικά υδραυλικά πλήγματα στις σωληνώσεις που μπορούν να τις καταστρέψουν. Για την απόσβεση του υδραυλικού πλήγματος χρησιμοποιείται μια δεξαμενή απόσβεσης ή δεξαμενή εκτόνωσης.

Τέτοιες εγκαταστάσεις συχνά υπηρετούν πολλαπλούς σκοπούς, εκτός από την παραγωγή ενέργειας, στους οποίους περιλαμβάνεται η αστική ύδρευση, ο έλεγχος πλημμυρών, η άρδευση και η αναψυχή. Στις περιπτώσεις αυτές συνήθως υπάρχει στην έξοδο του εργοστασίου μια μικρή δεξαμενή ώστε να ρυθμίζονται οι ποσότητες νερού που χρησιμοποιούνται για άρδευση ή ύδρευση. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να προβλεφθεί και μια σήραγγα παράκαμψης, που να μπορεί να τροφοδοτεί την κατάντι δεξαμενή με νερό όταν δεν λειτουργεί ο υδροηλεκτρικός σταθμός. Επίσης απαιτείται πρόβλεψη για μια ελεγχόμενη υπερχείλιση της ανάντι δεξαμενής, στην περίπτωση όπου οι εισροές είναι μεγαλύτερες από τις εκροές, σε περιόδους μεγάλης υδραυλικότητας, ή όταν ο υδροηλεκτρικός σταθμός είναι εκτός λειτουργίας για μεγάλα χρονικά διαστήματα.

Οι υδροηλεκτρικός σταθμός δεξαμενής, αν και χρησιμοποιούνται για κάλυψη μέσου φορτίου και αιχμών, δηλαδή εντάσσονται στο σύστημα προσαρμοσμένοι στη χρονικά μεταβαλλόμενη ζήτηση, μπορεί πολλές φορές να χρησιμοποιηθούν και για την παραγωγή δευτερογενούς ενέργειας. Αυτό συμβαίνει στις περιπτώσεις που οι εισροές νερού είναι μεγάλες και μια υπερχείλιση του φράγματος δεν ενδείκνυται.

Το εμφανές και σημαντικό πλεονέκτημα της αποθήκευσης (στη δεξαμενή) είναι ο ρόλος της στην αποσύνδεση του χρόνου βροχοπτώσεων και λιώσιμου των πάγων από το συνεχές μεταβαλλόμενο φορτίο που το δίκτυο πρέπει να ικανοποιήσει. Τα οφέλη και το κόστος για τις τοπικές οικονομίες και το περιβάλλον είναι στενά συνδεδεμένα με το μέγεθος των έργων. Τα μικρά έργα μπορούν να παρέχουν τεράστια κοινωνικά οφέλη στις τοπικές κοινωνίες με ελάχιστες οικονομικές επιπτώσεις. Επίσης, οι τοπικές κοινωνίες μοιράζονται τα οφέλη και το κόστος ισότιμα, το οποίο δεν ισχύει για τους μεγάλους υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Το φράγμα των Τριών Φαραγγιών στην Κίνα, για παράδειγμα, εκτόπισε πάνω από ένα εκατομμύριο ανθρώπους, αλλά θα συμβάλει στην παραγωγή σημαντικής ενέργειας που θα ωφελήσει ολόκληρη τη χώρα.

Υπάρχει μια ενδιαφέρουσα συζήτηση σε εξέλιξη στις ΗΠΑ σχετικά με το αν οι μεγάλες υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις θα πρέπει να θεωρούνται ως συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και να υπόκεινται στα ανά πολιτεία πλαίσια κανονισμών ανανεώσιμων πηγών (Renewable Portfolio Standards). Κάποια θέματα στη συζήτηση αφορούν το κατά πόσο μια μεμονωμένη πολιτεία μπορεί πραγματικά να καταστρώνει μελλοντικά σχέδια κατά της παγκόσμιας υπερθέρμανσης. Ορισμένοι εκφράζουν ανησυχίες σχετικά με τις επιπτώσεις στο περιβάλλον, μήπως τα φράγματα τελικά γεμίσουν με φερτές ύλες και σταματήσουν να λειτουργούν. Οι περισσότερες πολιτείες, στα πλαίσια των στόχων των RPS, επιτρέπουν την κατασκευή μικρών μόνο συστημάτων υδροηλεκτρικής ενέργειας, αλλά ο ορισμός του άνω ορίου ισχύος είναι εξαιρετικά μεταβλητός.

Υδροαντλητικά Εργοστάσια

Το φράγμα Hoover στις Ηνωμένες Πολιτείες είναι ένας μεγάλος συμβατικός υδροηλεκτρικός σταθμός με εγκατεστημένη ισχύ 2.080MW.

Οι μεγάλοι ατμοηλεκτρικοί σταθμοί έχουν μεγάλους χρόνους εκκίνησης και δύσκολη ρύθμιση φόρτισης. Επιπλέον το κόστος ανά παραγόμενη ηλεκτρική kWh από τους ατμοηλεκτρικού σταθμού είναι χαμηλό. Συνεπώς για τεχνικούς και οικονομικούς λόγους είναι επιθυμητή μια σταθερή συνεχής λειτουργία. Οι σταθμοί αυτοί λειτουργούν συνήθως σε 24ωρη βάση με σταθερή σχεδόν ισχύ, καλύπτοντας κυρίως το φορτίο βάσης. Όταν η ζήτηση είναι μικρή, όπως π.χ. τη νύχτα, τότε μπορεί κανείς να αποθηκεύσει την περίσσια και φθηνή ενέργεια που παράγουν αυτά τα εργοστάσια. Σε μια τέτοια περίπτωση κατά τις αιχμές της ζήτησης, π.χ. το μεσημέρι, αντί να εντάξει κανείς στο δίκτυο πρόσθετους σταθμούς παραγωγής π.χ. αεροστρόβιλους, που έχουν σημαντικά υψηλότερο κόστος ανά kWh σε σχέση με τους μεγάλους ατμοηλεκτρικούς σταθμούς, μπορεί να χρησιμοποιήσει τη φθηνή αποθηκευμένη ενέργεια. Για αυτό τον κύκλο λειτουργίας, δεν είναι ασυνήθιστες αποδόσεις της τάξης άνω του 80%. Τα συστήματα αυτά, εκτός του ότι εξασφαλίζουν σταθερότητα δικτύου, μπορεί επίσης να αποτελέσουν έναν εύκολο τρόπο για την ενσωμάτωση άλλων μεταβαλλόμενων ανανεώσιμων πηγών στο δίκτυο. Στην πραγματικότητα, σε κατάλληλες γεωγραφικές συνθήκες, φαίνεται λογικό να στέλνουμε ενέργεια απευθείας από τις ανανεώσιμες πηγές σε έναν σταθμό αντλησιοταμίευσης παρά στο ίδιο το δίκτυο.

Η αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας όμως είναι προβληματική. Γίνεται σε λογικά οικονομικά πλαίσια επί του παρόντος μόνο με υδράντληση στους υδροαντλητικούς σταθμούς. Στους σταθμούς αυτούς η πλεονάζουσα ενέργεια του δικτύου χρησιμοποιείται για την άντληση του νερού σε μια ανάντι δεξαμενή. Όταν αυξηθεί το φορτίο του συστήματος, ο σταθμός λειτουργεί σαν υδροηλεκτρικός σταθμός δεξαμενής και επαναφέρει την αποθηκευμένη ενέργεια στο σύστημα. Αν οι βαθμοί απόδοσης των κύκλων της αντλίας και του στροβίλου είναι $n_{p}$ και $n_{t}$ αντίστοιχα, τότε ο συνολικός βαθμός απόδοσης του κύκλου άντλησης – παραγωγής είναι $n_{pt}=n_{p}\cdot n_{t}$ και μπορεί να φτάσει το $n_{pt}=0.75$.

Οι υδροαντλητικοί σταθμοί αποτελούνται από δυο δεξαμενές, την ανάντι δεξαμενή πάνω και την κατάντι δεξαμενή κάτω, από μια αντλία, ένα στρόβιλο και μια γεννήτρια. Ο στρόβιλος και η αντλία, πολλές φορές, είναι ενσωματωμένοι σε μια μοναδική υδρομηχανή τον αντλιοστρόβιλο. Ο αντλιοστρόβιλος, ανάλογα με τη φορά περιστροφής του, είτε αντλεί νερό ή κινείται από το νερό, δηλαδή παίρνει ή δίνει ισχύ στο δίκτυο. Οι υδρoαντλητικοί σταθμοί παρουσιάζουν κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που αναλύονται παρακάτω:

• Κατά την άντληση η παροχή, δηλαδή η απορροφούμενη ισχύς, δεν ρυθμίζεται εύκολα γιατί η αντλία στρέφεται με σταθερές στροφές που προσδιορίζονται από το πλήθος των ζευγών των πόλων του σύγχρονου κινητήρα και τη συχνότητα του δικτύου. Η πίεση του νερού δίνεται από τη διαφορά της στάθμης των δυο δεξαμενών.

• Στην περίπτωση αντλιοστροβίλου η αλλαγή της φοράς περιστροφής γίνεται με την εναλλαγή δύο φάσεων της γεννήτριας. Στην περίπτωση αυτή απαιτείται ένας ειδικός διακόπτης που αντιμεταθέτει δύο φάσεις του δικτύου σε κάθε αλλαγή της λειτουργίας από γεννήτρια σε αντλία και αντίστροφα.

• Η εκκίνηση του ζεύγους για την άντληση είναι δυνατόν να γίνει μέσω του υδροστροβίλου, όταν υπάρχει ανεξάρτητος στρόβιλος και αντλία. Η φορά περιστροφής του στροβίλου και της αντλίας στην περίπτωση αυτή είναι η ίδια. Αφού το ζεύγος αποκτήσει την ταχύτητα συγχρονισμού, παραλληλίζεται με το δίκτυο, διακόπτεται η παροχή νερού στο στρόβιλο και το νερό οδηγείται στην αντλία.

• Στην περίπτωση του αντλιοστροβίλου, δεν είναι δυνατή η εκκίνηση για άντληση όπως προηγούμενα, όπου χρησιμοποιήθηκε το νερό σαν κινητήρια δύναμη. Η φορά περιστροφής της υδρομηχανής ως στροβίλου είναι προφανώς αντίθετη από τη φορά περιστροφής της υδρομηχανής ως αντλίας. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούνται πρόσθετα μέσα για την εκκίνηση. Τέτοια μέσα μπορεί να είναι ένας πρόσθετος ασύγχρονος κινητήρας (pony motor), ένας μικρός πρόσθετος υδροστρόβιλος ή η εκκίνηση της γεννήτριας σαν ασύγχρονος κινητήρας.

Η εκκίνηση γίνεται επίσης τροφοδοτώντας τον ασύγχρονο κινητήρα με τάση μεταβλητής συχνότητας, που αυξάνεται ανάλογα με τις στροφές. Η τάση τροφοδοσίας με μεταβλητή συχνότητα παράγεται με στατικούς ή στρεφόμενους μετατροπείς. Αν υπάρχουν άλλα υδρoαντλητικά ζεύγη, τότε μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την εκκίνηση, δηλαδή την ώρα που ξεκινάει το ένα να ξεκινήσουμε και το άλλο. Το ένα ζεύγος με στρόβιλο εκκινεί και η τάση του, που μεταβάλλεται με τις στροφές, χρησιμοποιείται για να τροφοδοτήσει το άλλο ζεύγος. Έτσι, τα δύο ζεύγη κινούνται σύγχρονα από την ηρεμία μέχρι τις σύγχρονες στροφές.

Κατά την εκκίνηση με απευθείας σύνδεση με το δίκτυο, ο σύγχρονος κινητήρας εκκινεί σαν ασύγχρονος, δηλαδή στο κλωβό απόσβεσης κυκλοφορούν ρεύματα πολύ μεγαλύτερα του ονομαστικού. Η λειτουργία αυτή πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τον σχεδιασμό, ώστε να μπορεί να γίνει μέσω αυτεπαγωγών που μειώνουν το ρεύμα αλλά και τη ροπή.

Στην περίπτωση αντλιοστροβίλων υπάρχουν ειδικά συστήματα που απομακρύνουν το νερό από τα πτερύγια του στροβίλου, ώστε αυτός να εκκινεί στον αέρα. Αυτό γίνεται για να μειωθεί η απαιτούμενη ροπή εκκίνησης.

Στην Ελλάδα, υπάρχουν δυο υδροαντλητικοί σταθμοί. Είναι ο υδροηλεκτρικός σταθμός Σφηκιάς στον Αλιάκμονα και ο υδροηλεκτρικός σταθμός Θησαυρού στο Νέστο.

Υδροηλεκτρικά συστήματα αντλησιοταμίευσης

Η τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας σε αντλούμενο νερό είναι μία πλήρως εμπορευματοποιημένη τεχνολογία που παρέχει παγκοσμίως κοντά στα 130 GW αποθήκευσης, τα οποία αποτελούν το 99% όλης της αποθηκευμένης ηλεκτρικής ενέργειας δικτύου στον πλανήτη. Στις ΗΠΑ, η τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας σε αντλούμενο νερό αντιπροσωπεύει το 2.2% όλης της παραγωγικής ικανότητας, ενώ στην Ισπανία είναι το 18% και στην Αυστραλία το 19% (IRENA, 2012). Τα περισσότερα συστήματα εμπορικής κλίμακας χρησιμοποιούν μία αντιστρεπτή μονάδα αντλίας/στροβίλου Francis συνδεδεμένης με έναν κινητήρα/γεννήτρια έτσι ώστε ο ίδιος εξοπλισμός να χρησιμοποιείται για να αντλείται νερό και επίσης για να παράγει ισχύ όταν το νερό κατέρχεται. Με τις χαρακτηριστικές αποδόσεις κυκλικής διαδρομής της τάξης του 75% - 85%, είναι σήμερα ο οικονομικά πιο αποδοτικός τρόπος να παρέχεται μεγάλης κλίμακας αποθήκευση ενέργειας. Οι επιπτώσεις που υφίστανται τα συστήματα αυτά λόγω των απωλειών απόδοσης αντισταθμίζονται εύκολα από τα οικονομικά οφέλη που μπορούν να εξασφαλιστούν γεμίζοντας την άνω δεξαμενή κατά τη διάρκεια των περιόδων εκτός αιχμής και πουλώντας αυτή την ενέργεια κατά τη διάρκεια των περιόδων ζήτησης αιχμής.

Η άντληση-αποθήκευση, εκτός από την παροχή ισχύος αιχμής, προσφέρει αρκετά άλλα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Τα συστήματα αυτά μπορούν να ξεκινήσουν και να σταματήσουν τη λειτουργία τους σε λίγα λεπτά και μπορούν να μεταβούν από λειτουργία αντλίας σε λειτουργία γεννήτριας σε λιγότερο από μισή ώρα. Η γρήγορη ανταπόκρισή τους σε διαφορετικά φορτία τα καθιστά ιδανικά για την παρακολούθηση των φορτίων, και τη σταθεροποίηση του δικτύου, καθώς επίσης παρόχους μη ρυπογόνων στρεφόμενων εφεδρειών. Από την άποψη της μεγάλης κλίμακας, του μεγάλου όγκου αποθήκευσης δικτύου, η αντλούμενη υδροηλεκτρική ενέργεια είναι προς το παρόν η πιο αποδοτική οικονομικά σε σχέση με τους αναδυόμενους ανταγωνιστές της. Ο βασικός ανταγωνιστής της είναι η συμβατική μεγάλη υδροηλεκτρική ενέργεια με αποθήκευση (ταμιευτήρας νερού - δεξαμενή), η οποία ούτως ή άλλως είναι η πρώτη επιλογή για οποιαδήποτε καλή τοποθεσία εφαρμογής.

Καθώς οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας υπεισέρχονται όλο και περισσότερο στο δίκτυο, τα υδροηλεκτρικά συστήματα αντλησιοταμίευσης δεν μπορούν απλώς να παρέχουν εφεδρική ενέργεια όταν η αιολική ή η ηλιακή μειώνεται, αλλά μπορεί επίσης να βοηθήσουν στην αποφυγή περικοπής από αυτές τις πηγές, όταν παράγεται περίσσεια ισχύος που δεν μπορεί να απορροφηθεί από το δίκτυο. Μια ενδιαφέρουσα προοπτική για την ενέργεια σε τοπική βάση (π.χ. σε αυτόνομα δίκτυα νησιών) προτείνει τη χρήση ενός συστήματος δύο αγωγών πτώσης, στο οποίο η ενέργεια άντλησης παρέχεται απευθείας από τις ανανεώσιμες πηγές, ενώ τα φορτία καλύπτονται από την πτώση του νερού από τη δεξαμενή αποθήκευσης προς τη χαμηλότερη δεξαμενή. Η αποθήκευση παρέχει την αποσύνδεση μεταξύ των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και των φορτίων, δεδομένου ότι και τα δύο είναι μεταβλητά και αβέβαια.

Η διαθέσιμη ενέργεια στην ανώτερη δεξαμενή, σε σχέση με τη χαμηλότερη, δίνεται από:

$E={\frac {\rho Ag\Delta hH}{3.6\times 10^{6}}}$

όπου $E$ είναι η ενέργεια (kWh), $\rho$ είναι η πυκνότητα του νερού (1000 kg/m³), $A$ είναι η επιφάνεια στην πάνω δεξαμενή (m²), $\Delta h$ είναι η επιτρεπόμενη μεταβολή στο ύψος του νερού (m), $g$ είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας (9.81 m/s²), $H$ η υψομετρική διαφορά μεταξύ των δύο δεξαμενών (m), και όπου ο συντελεστής 3.6 × 10⁶ μετατρέπει τις μονάδες J σε kWh.

Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα

Φράγμα Merowe στο Σουδάν. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί που χρησιμοποιούν φράγματα βυθίζουν μεγάλες εκτάσεις γης λόγω της απαίτησης μιας δεξαμενής. Αυτές οι αλλαγές στο χρώμα της γης παράλληλα με ορισμένα έργα που ταυτόχρονα βυθίζουν τροπικά δάση, μπορούν σε αυτές τις συγκεκριμένες περιπτώσεις να έχουν ως αποτέλεσμα τον αντίκτυπο της υπερθέρμανσης του πλανήτη.

Από όλες τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας η υδροηλεκτρική ενέργεια κατέχει το μεγαλύτερο μερίδιο της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η υδροηλεκτρική ενέργεια έχει πολλά οφέλη: είναι ανταγωνιστική ως προς το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας (παρόλο που το αρχικό κόστος κατασκευής μπορεί να είναι υψηλό), είναι αρκετά αξιόπιστη σε σύγκριση με άλλες ανανεώσιμες πηγές και συνδυάζεται καλά με άλλες πηγές, καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βασική ισχύς φορτίου. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι δεξαμενές των φραγμάτων μπορούν επίσης να βοηθήσουν στον έλεγχο των πλημμυρών και να είναι αξιόπιστη παροχή νερού για τις κοινότητες.

Υπάρχουν όμως ορισμένες ανησυχίες σχετικά με την υδροηλεκτρική ενέργεια, ειδικά όταν πρόκειται για μεγάλα φράγματα. Το φράξιμο ενός ποταμού έχει σημαντικό αντίκτυπο στο τοπικό περιβάλλον καθώς αλλάζει τους βιότοπους της άγριας ζωής, εμποδίζει τη διέλευση των ψαριών και συχνά αναγκάζει τους ανθρώπους σε παραποτάμιες κοινότητες να μετακομίσουν από τα σπίτια τους. Επιπλέον, οι αποτυχίες του φράγματος μπορεί να είναι καταστροφικές, απειλώντας τη ζωή εκείνων που ζουν κοντά στο σημείο που καταλήγει ο ποταμός. Οι υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις δεν είναι επίσης εντελώς απαλλαγμένες από εκπομπές αερίων θερμοκηπίου. Όπως με τις περισσότερες μορφές ενέργειας, οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της κατασκευής, κυρίως λόγω των μεγάλων ποσοτήτων τσιμέντου που χρησιμοποιούνται. Ακόμα, η φυτική ύλη στις πλημμυρισμένες περιοχές παράγει μεθάνιο, ένα άλλο αέριο θερμοκηπίου καθώς αποσυντίθεται υποβρύχια.

Μελλοντικές δυνατότητες

Το τεχνικό δυναμικό ανάπτυξης της υδροηλεκτρικής ενέργειας σε όλο τον κόσμο είναι πολύ μεγαλύτερο από την πραγματική παραγωγή: το ποσοστό της δυνητικής υδροηλεκτρικής ικανότητας -που δεν έχει αναπτυχθεί- είναι 71% στην Ευρώπη, 75% στη Βόρεια Αμερική, 79% στη Νότια Αμερική, 95% στην Αφρική, 95% στη Μέση Ανατολή και 82% στην περιοχή της Ασίας και του Ειρηνικού. Λόγω της πολιτικής πραγματικότητας των νέων ταμιευτήρων στις δυτικές χώρες, των οικονομικών περιορισμών στον τρίτο κόσμο και της έλλειψης συστήματος μεταφοράς σε ανεπτυγμένες περιοχές, ίσως το 25% του εναπομείναντος τεχνικά εκμεταλλεύσιμου δυναμικού μπορεί να αναπτυχθεί πριν από το 2050, με το μεγαλύτερο μέρος αυτού να είναι στην περιοχή Ασίας-Ειρηνικού. Ορισμένες χώρες έχουν αναπτύξει το δυναμικό υδροηλεκτρικής ενέργειας και έχουν πολύ μικρό περιθώριο ανάπτυξης: η Ελβετία παράγει το 88% των δυνατοτήτων της και το Μεξικό 80%.

Σύγκριση με άλλες μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας

Η υδροηλεκτρική ενέργεια, όπως αναφέρθηκε, εξαλείφει τις εκπομπές καυσαερίων από την καύση ορυκτών καυσίμων, συμπεριλαμβανομένων ρύπων όπως το διοξείδιο του θείου, το νιτρικό οξείδιο, το μονοξείδιο του άνθρακα, η σκόνη και ο υδράργυρος στον άνθρακα. Αποφεύγει επίσης τους κινδύνους της εξόρυξης άνθρακα και τις έμμεσες επιπτώσεις στην υγεία των εκπομπών άνθρακα.

Πυρηνική ενέργεια

Σε σύγκριση με την πυρηνική ενέργεια, η κατασκευή υδροηλεκτρικής ενέργειας απαιτεί την αλλαγή μεγάλων περιοχών του περιβάλλοντος, ενώ ένας πυρηνικός σταθμός παραγωγής ενέργειας απαιτεί μικρή αλλαγή στο περιβάλλον και οι αποτυχίες των υδροηλεκτρικών σταθμών έχουν προκαλέσει δεκάδες χιλιάδες περισσότερους θανάτους από οποιαδήποτε αποτυχία πυρηνικού σταθμού. Η δημιουργία του φράγματος Garrison, για παράδειγμα, απαιτούσε γη ιθαγενών της Αμερικής για τη δημιουργία της λίμνης Sakakawea, η οποία έχει ακτογραμμή 2.120 χιλιομέτρων (1.320 μίλια), και έκανε τους κατοίκους να πουλήσουν το 94% της αρόσιμης γης τους για 7,5 εκατομμύρια δολάρια το 1949.

Ωστόσο, δεδομένου ότι το κόστος της πυρηνικής ενέργειας επηρεάζεται από το υψηλό κόστος υποδομής, το κόστος ανά μονάδα ενέργειας αυξάνεται σημαντικά με χαμηλή παραγωγή. Αντίθετα, η υδροηλεκτρική ενέργεια μπορεί να παρέχει μέγιστη ισχύ με πολύ χαμηλότερο κόστος. Η υδροηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται επομένως συχνά για τη συμπλήρωση πυρηνικών ή άλλων πηγών για παρακολούθηση φορτίου. Τα παραδείγματα ανά χώρα, όπου αντιστοιχούν σε μερίδιο 50/50 περίπου, περιλαμβάνουν το ηλεκτρικό δίκτυο στην Ελβετία, τον τομέα ηλεκτρικής ενέργειας στη Σουηδία, σε μικρότερο βαθμό την Ουκρανία και τον τομέα ηλεκτρικής ενέργειας στη Φινλανδία.

Αιολική ενέργεια

Η αιολική ενέργεια περνά από προβλέψιμες διακυμάνσεις ανά εποχή, αλλά είναι διακοπτόμενη σε καθημερινή βάση. Η μέγιστη παραγωγή ανέμου έχει μικρή σχέση με τη μέγιστη ημερήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Ο άνεμος μπορεί να κορυφωθεί τη νύχτα όταν δεν απαιτείται ενέργεια ή να παραμείνει ακίνητος κατά τη διάρκεια της ημέρας όταν η ηλεκτρική ζήτηση είναι υψηλότερη. Περιστασιακά τα καιρικά φαινόμενα μπορεί να οδηγήσουν σε χαμηλό άνεμο για ημέρες ή εβδομάδες. Μια υδροηλεκτρική δεξαμενή ικανή να αποθηκεύει την παραγωγή εβδομάδων είναι χρήσιμη για την εξισορρόπηση της παραγωγής στο δίκτυο. Η μέγιστη αιολική ενέργεια μπορεί να αντισταθμιστεί από την ελάχιστη υδροηλεκτρική ενέργεια και η ελάχιστη αιολική ενέργεια μπορεί να αντισταθμιστεί από τη μέγιστη υδροηλεκτρική ενέργεια. Με αυτόν τον τρόπο ο εύκολα ρυθμιζόμενος χαρακτήρας της υδροηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείται για την αντιστάθμιση της διακοπτόμενης φύσης της αιολικής ενέργειας. Αντίθετα, σε ορισμένες περιπτώσεις η αιολική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξοικονομήσει νερό για μελλοντική χρήση σε περιόδους ξηρασίας.

Σε περιοχές που δεν διαθέτουν υδροηλεκτρική ενέργεια, η αντλία αποθήκευσης εξυπηρετεί παρόμοιο ρόλο, αλλά με πολύ υψηλότερο κόστος και 20% χαμηλότερη απόδοση. Ένα παράδειγμα αυτού είναι οι συναλλαγές της Νορβηγίας με τη Σουηδία, τη Δανία, τις Κάτω Χώρες και πιθανώς τη Γερμανία ή το Ηνωμένο Βασίλειο στο μέλλον. Η Νορβηγία χρησιμοποιεί κατά 98% υδροηλεκτρική ενέργεια, ενώ οι γείτονες της πεδινής εγκατάστασης εγκαθιστούν αιολική ενέργεια.

Συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Gilbert M. Masters

Βιβλιογραφία

• Συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Gilbert M. Masters
• Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Δ. Λαμπρίδης, Π. Ντοκόπουλος, Γ. Παπαγιάννης