Hüdroenergia – määratlus, ajalugu ja roll elektritootmises

Hüdroenergia on liikuva vee energia kasutamine mõnel kasulikul eesmärgil.

1830. aastatel, kanali ehitamise tippajal, kasutati hüdroenergiat, et veoautode liiklust järskudest mägedest üles ja alla transportida, kasutades selleks kaldpinnalisi raudteid. Otsese mehaanilise jõuülekande jaoks pidid hüdroenergiat kasutavad tööstused asuma veekogu lähedal. Näiteks 19. sajandi viimasel poolel ehitati Saint Anthony Falls'i juurde palju veskeid, et kasutada Mississippi jõe 15-meetrist langust. Need veskid olid Minneapolise kasvu jaoks olulised. Tänapäeval kasutatakse hüdroenergiat peamiselt elektrienergia tootmiseks. See võimaldab kasutada odavat energiat ka kaugel veekogust.

Määratlus ja tööpõhimõte

Hüdroenergia põhineb vee gravitatsioonilisel potentsiaalenergial ja voolava vee kineetilisel energial. Tüüpilises hüdroelektrijaamas juhitakse vesi paisjärvest või jõest survetoru kaudu turbiinile, mis muudab vee energia mehaaniliseks pöörlemiseks; generaator teisendab selle seejärel elektrienergiaks. Tootmist määravad peamiselt kaks tegurit: lang (vee tasemete vahe) ja vooluhulk (läbi turbiini voolava vee kogus). Kaod on väikesed ning moodsa jaama kasutegur võib ulatuda üle 90%.

Ajaloo lühikokkuvõte

Enne elektriajastut kasutati hüdroenergiat vesirataste abil viljajahvatamiseks, saeveskites, kangastelgede ja muude mehhanismide käitamiseks. 19. sajandi industrialiseerumisega rajati veskeid ja veojõu ülekande süsteeme otse jõgede äärde. 19. sajandi lõpus käivitati esimesed hüdroelektrijaamad, mis võimaldasid toota elektrit ja seda kaugemale edastada. 20. sajand tõi kaasa suurte tammide ja paisjärvede ehitamise, mille eesmärk oli ühtaegu elektrit toota, üleujutusi ohjata ja niisutust toetada. Tänapäeval on rõhk lisaks tootmisele ka paindlikkusel ja võrgu stabiliseerimisel, sealhulgas pumbatavsalvestuse kasutamisel.

Hüdroenergia peamised liigid

• Jooksupais (run-of-river): vesi suunatakse jõest otse turbiinidesse ilma suure paisjärveta; tootmine sõltub hooajalisest vooluhulgast.
• Paisjärvega jaamad: suur veehoidla võimaldab tootmist ajaliselt nihutada, pakkuda tippkoormust ja hoida varuvõimsust.
• Pumbatavsalvestus: kaheastmeline süsteem, kus elektri ülejäägi ajal pumbatakse vesi ülemisse reservuaari ja tiputarbimise ajal lastakse see läbi turbiinide tagasi; see on maailmas suurima mahuga elektrisüsteemi salvestustehnoloogia.
• Väike- ja mikrohüdro: kümnetest kilovattidest kuni mõne megavatini; sobib hajaasustuse, tööstusparkide või kaugpiirkondade varustamiseks.

Hüdroturbiinid ja tehnoloogia

• Francise turbiin: laia kasutusalaga, sobib keskmise languga; on töökindel ja laialt levinud.
• Kaplani turbiin: reguleeritavate labadega propeller-turbiin, optimeeritud väikese languga ja suurte vooluhulkadega.
• Peltoni turbiin: impulsstüüpi turbiin, sobib väga suure languga jaamadele ning väiksematele vooluhulkadele.

Kaasaegsed jaamad kasutavad automaatikat, kaugjuhtimist ja digitaalseid kaksikuid, et parandada tõhusust, ohutust ja hooldusplaneerimist.

Roll elektritootmises ja energiasüsteemis

• Hüdroenergia annab maailmas ligikaudu 15–16% elektrist ja üle poole taastuvast elektritootmisest.
• See pakub paindlikku reguleeritavat võimsust (kiire käivitus ja koormuse jälgimine), inertsust ja sageduse/pinge tuge ning sobib ka mustkäivituseks elektrikatkestuste järel.
• Pumbatavsalvestus moodustab valdava osa võrgu energiamahtu salvestavast lahendusest ning aitab tasakaalustada tuule ja päikese tootmise kõikumist.
• Paljud riigid, näiteks Norra ja Brasiilia, tuginevad suurel määral hüdroenergiale, samas kui teistes piirkondades on potentsiaal piiratud geograafia ja hüdroloogia tõttu.

Eestis on hüdropotentsiaal tagasihoidlik madala reljeefi ja jõgede väikese languse tõttu. Siiski tegutseb mitu väikest hüdroelektrijaama ning piiriülene veerežiim sõltub osaliselt Narva jõe valgalast.

Eelised

• Madalad muutuvkulud ja pikk eluiga (jaamad töötavad sageli aastakümneid).
• Kõrge kasutegur ja kiire reageerimine koormuse muutustele.
• Mitmeotstarbeline kasutus: elektritootmine, üleujutuste ohjamine, niisutus, joogivesi, laevandus ja rekreatsioon.
• Väikesed otsesed heitkogused võrreldes fossiilkütustel põhineva elektriga (täielikus elutsüklis on heitmed üldiselt madalad).

Keskkonnamõjud ja väljakutsed

• Ökosüsteemide muutused: rändekalade liikumist takistavad paisud; lahendusteks on kalapääsud, kalaliftid ja võreseadmed.
• Setete kuhjumine: paisud püüavad setteid, muutes jõesängi dünaamikat ja vähendades paisjärve mahtu; võimalikud meetmed on setete läbipesu ja ümbersuunamine.
• Vee kvaliteet ja temperatuur: muutused võivad mõjutada elustikku; keskkonnahoidlikud miinimumvoolud ja astmeline väljalase aitavad leevendada mõjusid.
• Sotsiaalsed mõjud: suurte paisjärvede rajamine võib nõuda elanike ümberasustamist ning mõjutada kohalikku kultuuri ja majandust.
• Kasvuhoonegaasid: eriti troopilistes piirkondades võivad paisjärved eraldada metaani orgaanika lagunemisel.
• Kliimariski tundlikkus: sademete ja lumeolude muutumine mõjutab tootmisvõimet; vastumeetmeteks on paindlik töörežiim, portfelli mitmekesistamine ja veemajanduse täiustamine.

Ohutus ja regulatsioon

Tambade ja rajatiste ohutus sõltub nõuetekohasest projekteerimisest, seirest ja hooldusest. Regulaarne ülevaatus, veetasemete juhtimine, varajase hoiatuse süsteemid ning hädaolukorra plaanid on hädavajalikud, et vähendada üleujutuste ja konstruktsioonirikete riske.

Tulevikusuundumused

• Moderniseerimine: olemasolevate jaamade renoveerimine (turbiinide uuendamine, automaatika) annab sageli suurema lisatootmise kui uute suurte paisude rajamine.
• Keskkonnasäästlik projekteerimine: kalasõbralikud tehnoloogiad, paremad keskkonnavoolud ja setete majandamine.
• Integreerimine uute taastuvatega: pumbatavsalvestus koos tuule ja päikesega, samuti uued lahendused nagu reservuaaride-ülene päikesepark (floating PV).
• Väike- ja mikrohüdro off-grid rakendustes, eriti maapiirkondades ja tööstusaladel.

Kokkuvõttes on hüdroenergia küps ja tõhus tehnoloogia, mille roll on ühtaegu pakkuda puhast elektrit, tugevdada süsteemi töökindlust ning toetada üleminekut madala heitega energiamajandusele. Samas eeldab selle jätkusuutlik kasutamine tasakaalu leidmist energiavajaduste, ökosüsteemide kaitse ja kogukondade huvide vahel.

Veevõimsuse tüübid

Vee-energiat on palju erinevaid vorme:

• Vesirattad, mida kasutati sajandeid veskite ja masinate käitamiseks.
• Hüdroelektriline energia, termin, mis tavaliselt on reserveeritud hüdroelektriliste tammide jaoks.
• loodete energia, mis püüab energiat loodetest horisontaalsuunas.
• loodevoolu energia, mis teeb sama, kuid vertikaalselt.
• Lainete energia, mis kasutab lainete energiat.

Hüdroelektriline energia

Peamine artikkel: Hüdroelektrijaam

Hüdroelektrijaamade abil saab elektrit toota ilma kütust põletamata. Hüdroenergia annab umbes 715 000 MWe ehk 19% maailma elektrienergiast (2003. aastal 16%). Suurte tammide projekteerimine jätkub. Peale mõnede riikide, kus seda on palju, kasutatakse hüdroenergiat tavaliselt tippkoormuse nõudluse rahuldamiseks, sest see on kergesti peatatav ja käivitatav. Sellest hoolimata ei ole hüdroelektrijaamade kasutamine arenenud riikide energiatootmises tulevikus tõenäoliselt peamine võimalus, sest enamik nende riikide suuremaid rajatisi on kas juba ära kasutatud või ei ole muudel põhjustel, näiteks keskkonnakaalutlustel, kättesaadavad.

Erinevalt fossiilsete kütuste põletamisest ei tekita hüdroenergia sisuliselt süsinikdioksiidi ega muid kahjulikke heitkoguseid ning see ei põhjusta oluliselt globaalset soojenemist süsinikdioksiidi₂ kaudu.

Hüdroenergia võib olla palju odavam kui fossiilkütustest või tuumaenergiast toodetud elekter. Piirkonnad, kus on rohkelt hüdroelektrijaama, meelitavad ligi tööstust. Keskkonnaprobleemid seoses veehoidlate mõjuga võivad keelata majanduslike hüdroenergia allikate arendamise.

Paisjärvevoolude energia

Lahtede ja suudmealade loodete kasutamine on saavutatud Prantsusmaal (alates 1966. aastast), Kanadas ja Venemaal ning seda on võimalik saavutada ka muudes suure loodete vahemikuga piirkondades. Kinnipeetud vesi keerutab turbiini, kui see lastakse läbi tõusu- ja mõõnapaisu mõlemas suunas. Teine võimalik viga on see, et süsteem toodaks kõige tõhusamalt elektrit iga kuue tunni tagant (üks kord iga tõusu ja mõõna järel). See piirab loodete energia kasutamise võimalusi.

Loodevoolu energia

Suhteliselt uus tehnoloogia, loodevoolugeneraatorid ammutavad energiat hoovustest samamoodi nagu tuulegeneraatorid. Vee suurem tihedus tähendab, et üks generaator võib anda märkimisväärset energiat. See tehnoloogia on alles arengu algstaadiumis ja vajab rohkem uuringuid, enne kui sellega saab toota suuremaid koguseid energiat.

Kuid Ühendkuningriigis, Prantsusmaal ja USAs katsetati mitmeid prototüüpe. Juba 2003. aastal katsetati Ühendkuningriigis 300 kW võimsusega turbiini.

Kanada ettevõttel Blue Energy on plaanis paigaldada väga suured loodevooluseadmed, mis on paigaldatud nn loodete tara kujul, erinevatesse kohtadesse üle maailma, mis põhineb vertikaalteljelisel turbiinide konstruktsioonil.

Lainete võimsus

Ookeani pinnalainete liikumisest saadav energia võib toota palju rohkem energiat kui loodete energia. On katsetatud, et lainetest on võimalik energiat toota, eriti Šotimaal Ühendkuningriigis. Kuid seal on veel palju tehnilisi probleeme.

Austraalias Port Kemblas ehitatakse praegu rannapõhise laineelektrijaama prototüüpi, mis peaks tootma kuni 500 MWh aastas. Lainete energia kogutakse õhu abil töötava generaatori abil ja muundatakse elektrienergiaks. Suurte rannikualade ja karmide mereoludega riikide jaoks pakub lainete energia võimalust toota elektrienergiat suurtes kogustes. Ebakindla mere ajal tekkivat liigset energiat võiks kasutada vesiniku tootmiseks.

Hüdrauliline turbiin ja elektrigeneraator.

Küsimused ja vastused

K: Mis on hüdroenergia?

K: Milleks kasutati hüdroenergiat 1830. aastatel?

K: Millised tööstusharud kasutasid hüdroenergiat otseseks mehaaniliseks jõuülekandeks?

K: Kuhu ehitati 19. sajandi viimasel poolel palju veskeid?

K: Miks olid Saint Anthony Falls'i juurde ehitatud veskid Minneapolise kasvu jaoks olulised?

K: Mis on tänapäeval hüdroenergia suurim kasutusviis?

K: Mida võimaldab hüdroenergia kasutamine elektrienergia tootmiseks?

Otsing