HYDRAULIK: EGENSKABER, HVORDAN DET FUNGERER, FORDELE, ANVENDELSER - MILJØ - 2025

Den hydrauliske kraft er vandets evne til at producere arbejde i form af bevægelse, lys og varme baseret på deres potentiale og kinetiske energi. Det betragtes også som en ren, højtydende vedvarende energi.

Denne energi bestemmes af strømmen, ujævnheden mellem punkter på jorden, gennem hvilket vandet bevæger sig, og tyngdekraften. Det har været brugt af mennesker siden oldtiden til at udføre forskellige job.

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

En af de første anvendelser af hydraulisk energi var at drive vandmøller, der udnyttede strømmen. På denne måde kunne man ved hjælp af redskaber flytte møllesten til at tærske hvede.

På nuværende tidspunkt er den mest relevante anvendelse generering af elektrisk energi gennem hydrauliske kraftværker eller vandkraftværker. Disse planter består dybest set af en dæmning og et system med turbiner og generatorer.

Vandet akkumuleres i dæmningen mellem to niveauer af kanalen (geodesisk ujævnhed), hvilket genererer tyngdepotentialenergi. Derefter aktiverer vandstrømmen (kinetisk energi) turbiner, der overfører energien til vekselstrømsgeneratorer for at producere elektrisk energi.

Blandt fordelene ved hydraulisk energi er, at den er vedvarende og ikke-forurenende, i modsætning til andre energikilder. På den anden side er det yderst effektivt med et udbytte på mellem 90 - 95%.

Miljøpåvirkningen af ​​vandkraftværker er forbundet med variationen i temperatur og fysisk ændring af vandløbet. Ligeledes produceres affaldsolier og fedtstoffer, der filtreres fra maskinen.

Dets største ulempe er den fysiske ændring, den forårsager på grund af oversvømmelse af store arealer, og den naturlige strøm og løb af floder ændres.

Det største vandkraftværk i verden er The Three Gorges, der ligger i Kina, ved Yangtze-floden. De to andre vigtige er Itaipú på grænsen mellem Brasilien og Paraguay og Simón Bolívar eller Guri vandkraftværk i Venezuela.

egenskaber

Kilden til hydraulisk energi er vand, og det betragtes som vedvarende energi, så længe vandcyklussen ikke ændres. Ligeledes kan det producere arbejde uden at generere fast affald eller forurenende gasser og betragtes derfor som ren energi.

ydeevne

Energieffektivitet refererer til forholdet mellem mængden af ​​energi opnået i en proces og den energi, der var nødvendig for at investere i den. I tilfælde af hydraulisk energi opnås en ydelse mellem 90 og 95% afhængigt af vandets hastighed og det anvendte turbinesystem.

Hvordan fungerer vandkraft?

Skema for et vandkraftværk. Kilde: Bruger: Tomia

Transformation af solenergi til kinetisk energi

Grundlaget for hydraulisk energi er i solenergi, landets topografi og jordens tyngdekraft. I vandcyklussen forårsager solenergi fordampning, og derefter kondenseres vandet og udfældes på jorden.

Som et resultat af ujævn jord og tyngdekraften forekommer overfladevandstrømme på jordoverfladen. På denne måde omdannes solenergi til kinetisk energi på grund af vandets bevægelse ved den kombinerede handling af ujævnhed og tyngdekraft.

Senere kan den kinetiske energi i vand omdannes til mekanisk energi, der er i stand til at udføre arbejde. For eksempel kan knive flyttes, der overfører bevægelsen til et gearsystem, der kan betjene forskellige enheder.

Størrelsen af ​​den hydrauliske energi gives ved ujævnheden mellem to givne punkter i flodbeden og dens strømning. Jo større landets ujævnhed er, jo større er potentialet og den kinetiske energi i vandet samt dets evne til at generere arbejde.

I denne forstand er potentiel energi den, der akkumuleres i en vandmasse og er relateret til dens højde i forhold til jorden. På den anden side er kinetisk energi den, som vand frigiver i sin faldende bevægelse som en funktion af topografi og tyngdekraft.

Produktion af elektricitet fra vandkraft (vandkraft)

Den kinetiske energi, der genereres af faldende vand, kan bruges til at producere elektrisk energi. Dette opnås ved at bygge dæmninger, hvor vand ophobes og holdes i forskellige højdeniveauer.

Således er vandets potentielle energi direkte proportional med forskellen i niveau mellem et punkt og et andet, og når vandet falder, omdannes det til kinetisk energi. Efterfølgende passerer vandet gennem et system med roterende knive og genererer roterende kinetisk energi.

Rotationsbevægelsen tillader bevægelige gearsystemer, der kan aktivere mekaniske systemer som møller, hjul eller generatorer. I det særlige tilfælde af vandkraftproduktion kræver systemet et turbinesystem og en generator for at generere elektricitet.

turbiner

Turbinen består af en vandret eller lodret akse med et system af klinger, der roterer aksen med vandets kraft.

Der er tre grundlæggende typer af hydrauliske turbiner:

Pelton-turbine

Pelton-turbine. Kilde: Robertk9410

Det er en højtryksimpulsturbin med en vandret akse, der fungerer uden at være helt nedsænket. Skovlhjulet har en række konkave knive (knive eller tænder), der drives af vandstråler.

Jo flere vandstråler, der rammer turbinen, jo mere energi genererer den. Denne type turbin bruges til vandfald fra 25 til 200 meter høj og når en effektivitet på op til 90%.

Francis-turbine

Francis-turbine. Kilde: Den originale uploader var Stahlkocher på tyske Wikipedia.

Det er en middeltryksreaktionsturbin med en lodret akse og fungerer helt nedsænket i vand. Skovlhjulet består af knive, der drives af vandet, der føres gennem en distributør.

Det kan bruges i vandfald fra 20 til 200 meter højt og når en effektivitet på 90%. Dette er den type turbin, der hyppigst bruges i store vandkraftværker i verden.

Kaplan-turbine

Kaplan-turbine. Kilde: TheRunnerUp

Det er en variant af Francis-turbinen og har ligesom en lodret akse, men pumpehjulet består af en række styrbare knive. Det har en højtryksreaktion og fungerer helt nedsænket i vand.

Kaplan-møllen bruges i vandfald fra 5 til 20 meter høj, og dens effektivitet kan nå op til 95%.

Generator

Generatoren er en enhed, der har evnen til at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi gennem elektromagnetisk induktion. Således drejes magnetiske poler (induktor) inden i en spole med skiftende poler af ledende materiale (for eksempel kobber viklet i blødt jern).

Dens drift er baseret på det faktum, at en leder, der udsættes for et bestemt tidsrum for et variabelt magnetfelt, genererer en elektrisk spænding.

Fordel

Hydraulik er meget brugt, fordi det har mange positive aspekter. Blandt disse kan vi fremhæve:

Det er økonomisk

Selv om det i tilfælde af vandkraftværker er den oprindelige investering høj, er det generelt på lang sigt billig energi. Dette skyldes dets stabilitet og lave vedligeholdelsesomkostninger.

Derudover skal den økonomiske kompensation, der leveres af reservoirer med muligheder for akvakultur, vandsport og turisme, tilføjes.

Det kan fornyes

Da det er baseret på vandcyklus, er det en vedvarende og kontinuerlig energikilde. Dette indebærer, at det ikke løber tør i tid i modsætning til energien fra fossile brændstoffer.

Imidlertid afhænger dens kontinuitet af, at vandcyklussen ikke ændres i en given region eller globalt.

Høj ydeevne

Hydraulisk energi betragtes som meget effektiv og med en høj ydeevne, der er mellem 90 og 95%.

Det er ikke forurenende

Denne type energi bruger en naturlig kilde som vand og producerer heller ikke affald eller forurenende gasser. Derfor er dens indvirkning på miljøet lav, og det betragtes som en form for ren energi.

Tilstedeværelse af reservoirer

I de tilfælde, hvor reservoirer er bygget til brug af vandkraft, giver disse en række yderligere fordele:

- De giver mulighed for at regulere strømmen af ​​floden og undgå oversvømmelser.

- De repræsenterer et reservoir med vand til konsum, kunstvanding og industriel brug.

- De kan bruges som rekreative områder og til udøvelse af vandsport.

Ulemper

Afhængighed af nedbør

En begrænsning af vandkraftproduktion er dens afhængighed af regnfaldsregimet. I særligt tørre år kan vandforsyningen drastisk falde, og reservoirniveauet sænkes.

Når vandstrømmen reduceres, er produktionen af ​​elektrisk energi lavere. På en sådan måde, at der kan opstå problemer i regioner, der er meget afhængige af vandkraftforsyning.

Ændring af flodens naturlige forløb

Opførelsen af ​​en dæmning i en flod ændrer dens naturlige forløb, dens oversvømmelsesregime, aftagende (nedgang i strømning) og sedimenttrækkeprocessen. Derfor forekommer ændringer i biologien hos planter og dyr, der er akvatiske eller placeret i nærheden af ​​vandmassen.

På den anden side ændrer tilbageholdelsen af ​​sedimenter i dæmningen dannelsen af ​​deltas ved floden af ​​floderne og ændrer jordforholdene.

Fare for ødelæggelse af dæmningen

På grund af den store mængde vand, der er opbevaret i nogle vandkrafts dæmninger, kan et brud på støttemuren eller de nærliggende skråninger forårsage alvorlige ulykker. For eksempel forekom i løbet af 1963 skråningen af ​​Vajont-dæmningen (nu brugt) i Italien, hvilket forårsagede 2.000 dødsfald.

Applikationer

Pariserhjul og vandpumper

Rotationen af ​​et hjul drevet af den kinetiske energi i vandet tillader, at vand trækkes fra en lav brønd eller kanal ind i en forhøjet kanal eller reservoir. Ligeledes kan den mekaniske energi, der genereres af hjulet, drive en hydraulisk pumpe.

Den enkleste model består af et hjul med knive med skåle, der samler vandet på samme tid, som de drives af strømmen. Derefter falder de i deres rotation vandet i en tank eller kanal.

Mills

I mere end 2000 år brugte grækere og romere hydraulisk energi til at flytte møller til at slibe korn. Drejning af hjulet drevet af vandstrømmen aktiverer gear, der drejer møllestenen.

Forges

En anden ældgammel anvendelse af hydraulisk kraftbaseret arbejdsevne er dens anvendelse til at aktivere smedebælgen i smed og metallurgi.

Hydraulisk brud

I minedrift og olie bruges vandets kinetiske energi til at erodere sten, sprække det og lette ekstraktionen af ​​forskellige mineraler. Til dette bruges gigantiske kanoner under tryk, der rammer underlaget, indtil det eroderer det.

Dette er en destruktiv teknik for jorden og meget forurenende vandveje.

fracking

En meget kontroversiel teknik, der vinder fart i olieindustrien, er fracking. Det består i at øge porøsiteten af ​​den berggrund, der indeholder olie og gas, for at gøre det lettere at fjerne det.

Dette opnås ved at injicere store mængder vand og sand ved høje tryk sammen med en række kemiske tilsætningsstoffer. Teknikken er blevet stillet spørgsmålstegn ved sit høje vandforbrug, forurenende jord og farvande og forårsager geologiske ændringer.

Vandkraftværker

Den mest almindelige moderne anvendelse er at køre elektriske kraftværker, såkaldte vandkraftværker eller vandkraftværker.

Eksempler på vandkraftanlæg

De tre kløfter

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

Three Gorges-vandkraftværket ligger i Kinas Hubei-provins i løbet af Yangtze-floden. Bygningen af ​​denne dæmning begyndte i 1994 og blev afsluttet i 2010 og nåede et oversvømmet område på 1.045 km² og en installeret kapacitet på 22.500 MW (megawatt).

Anlægget inkluderer 34 Francis-turbiner (32 på 700 MW og to på 50 MW) med en årlig produktion af elektrisk energi på 80,8 GWh. Det er det største vandkraftværk i verden med hensyn til struktur og installeret strøm.

Three Gorges-dæmningen har formået at kontrollere den periodiske oversvømmelse af floden, der kom til at forårsage alvorlig skade på befolkningen. Det garanterer også elforsyningen i regionen.

Konstruktionen heraf havde dog nogle negative konsekvenser, såsom fortrængning af omkring 2 millioner mennesker. Derudover bidrog det til udryddelsen af ​​den kritisk truede kinesiske floddelfin (Lipotes vexillifer).

Itaipu

Itaipu Dam. Kilde: Herr stahlhoefer

Det vandkraftværk Itaipú ligger ved grænsen mellem Brasilien og Paraguay i løbet af floden Paraná. Dens konstruktion begyndte i 1970 og sluttede i tre faser i 1984, 1991 og 2003.

Damens oversvømmede område er 1.350 km² og har en installeret kapacitet på 14.000 MW. Anlægget inkluderer 20 Francis-turbiner på hver 700 MW og har en årlig produktion af elektrisk energi på 94,7 GWh.

Itaipu betragtes som det største vandkraftværk i verden med hensyn til energiproduktion. Det bidrager med 16% af den elektriske energi, der forbruges i Brasilien og 76% i Paraguay.

Hvad angår dens negative virkninger, påvirkede denne dæmning økologien på øerne og deltaet i floden Paraná.

Simon Bolivar (Guri)

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

Vandkraftværket Simón Bolívar, også kendt som Guri-dæmningen, ligger i Venezuela på løbet af Caroní-floden. Bygningen af ​​dæmningen begyndte i 1957, en første etape blev afsluttet i 1978 og blev afsluttet i 1986.

Guri-dæmningen har et oversvømmet areal på 4.250 km² og en installeret kapacitet på 10.200 MW. Dets anlæg inkluderer 21 Francis-møller (10 på 730 MW, 4 på 180 MW, 3 på 400 MW, 3 på 225 MW og en på 340 MW)

Årlig produktion er 46 GWh, og det betragtes som det tredje største vandkraftværk i verden med hensyn til struktur og installeret strøm. Det vandkraftværk leverer 80% af den elektriske energi, som Venezuela bruger, og en del af det sælges til Brasilien.

Under opførelsen af ​​dette vandkraftværk blev store områder af økosystemer i Venezuelas Guiana oversvømmet, en region med stor biodiversitet.

På grund af den dybe økonomiske krise i Venezuela er produktionens kapacitet i dag reduceret betydeligt.

Referencer

1.- Hadzich M (2013). Hydraulisk energi, kapitel 7. PUCP Groups tekniske træningskursus. Teknologier til økologiske huse og hoteller. Pontifical Catholic University of Peru.

2.- Raabe J (1985). Vandkraft. Design, anvendelse og funktion af hydromekanisk, hydraulisk og elektrisk udstyr. Tyskland: N. p.

3.- Sandoval Erazo, Washington. (2018). Kapitel 6: Grundlæggende koncepter af vandkraftværker.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-Soares (2013). Afhængighed af vandkraftproduktion af skove i Amazonasbassinet i lokale og regionale skalaer. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110 (23), 9601–9606.

5.- Soria E (s / f). Hydraulik. Fornyelige energier for alle. IBERDROLA. 19 s.