De hydraulische energie is het vermogen van water om werk te produceren in de vorm van beweging, licht en warmte op basis van zijn potentieel en kinetische energie. Het wordt ook beschouwd als een schone en hoogwaardige hernieuwbare energie.
Deze energie wordt bepaald door de stroming, de oneffenheden tussen punten op de grond waar het water doorheen beweegt en de zwaartekracht. Het wordt al sinds de oudheid door mensen gebruikt om verschillende taken uit te voeren.
Een van de eerste toepassingen die aan hydraulische energie werd gegeven, was het aandrijven van watermolens die gebruik maakten van de kracht van de stroming. Op deze manier konden molenstenen door middel van tandwielen worden verplaatst om tarwe te dorsen..
Momenteel is de meest relevante toepassing de opwekking van elektrische energie door middel van waterkrachtcentrales of waterkrachtcentrales. Deze installaties bestaan in wezen uit een dam en een systeem van turbines en alternatoren..
Het water hoopt zich op in de dam tussen twee niveaus van het kanaal (geodetische oneffenheid) en genereert potentiële zwaartekrachtenergie. Vervolgens activeert de waterstroom (kinetische energie) turbines die de energie naar alternatoren sturen om elektrische energie te produceren.
Een van de voordelen van hydraulische energie is dat het in tegenstelling tot andere energiebronnen hernieuwbaar en niet-vervuilend is. Aan de andere kant is het zeer efficiënt met een prestatie variërend van 90 - 95%..
De milieu-impact van waterkrachtcentrales hangt samen met de variatie in temperatuur en fysieke verandering van de waterloop. Evenzo worden afgewerkte oliën en vetten geproduceerd die uit de machines worden gefilterd.
Het belangrijkste nadeel is de fysieke verandering die het veroorzaakt als gevolg van de overstroming van grote stukken land en de natuurlijke loop en stroming van rivieren..
De grootste waterkrachtcentrale ter wereld is The Three Gorges, gelegen in China, aan de Yangtze-rivier. De andere twee die belangrijk zijn, zijn die van Itaipú op de grens tussen Brazilië en Paraguay en de waterkrachtcentrale Simón Bolívar of Guri in Venezuela..
Artikel index
De bron van hydraulische energie is water en het wordt als hernieuwbare energie beschouwd zolang de waterkringloop niet verandert. Evenzo kan het werk produceren zonder vast afval of vervuilende gassen te produceren en daarom wordt het als een schone energie beschouwd.
Energie-efficiëntie verwijst naar de relatie tussen de hoeveelheid energie die in een proces wordt verkregen en de energie die nodig was om erin te investeren. Bij hydraulische energie wordt een prestatie tussen 90 en 95% behaald, afhankelijk van de snelheid van het water en het gebruikte turbinesysteem..
De basis van hydraulische energie ligt in zonne-energie, de topografie van het land en de zwaartekracht van de aarde. In de waterkringloop veroorzaakt zonne-energie verdamping, waarna het water condenseert en neerslaat op de aarde..
Als gevolg van oneffenheden in de grond en de zwaartekracht treden op het aardoppervlak oppervlaktewaterstromen op. Op deze manier wordt zonne-energie omgezet in kinetische energie door de beweging van water door de gecombineerde werking van oneffenheden en zwaartekracht..
Later kan de kinetische energie van het water worden omgezet in mechanische energie die in staat is om te werken. Zo kunnen er messen worden bewogen die de beweging overbrengen naar een versnellingssysteem dat verschillende apparaten kan bedienen..
De grootte van de hydraulische energie wordt gegeven door de oneffenheid tussen twee gegeven punten van het kanaal en de stroom daarvan. Hoe groter de oneffenheid van het land, des te groter het potentieel en de kinetische energie van het water en het vermogen om werk te genereren..
In die zin is potentiële energie die welke zich ophoopt in een watermassa en gerelateerd is aan de hoogte ervan ten opzichte van de grond. Aan de andere kant is kinetische energie de energie die vrijkomt door water in zijn vallende beweging als een functie van topografie en zwaartekracht..
De kinetische energie die wordt opgewekt door vallend water kan worden gebruikt om elektrische energie te produceren. Dit wordt bereikt door dammen te bouwen waar water zich ophoopt en op verschillende hoogten wordt vastgehouden..
De potentiële energie van water is dus recht evenredig met het niveauverschil tussen het ene punt en het andere en wanneer het water valt, wordt het omgezet in kinetische energie. Vervolgens passeert het water een systeem van roterende bladen en wekt het roterende kinetische energie op.
De roterende beweging maakt bewegende tandwielsystemen mogelijk die mechanische systemen zoals molens, wielen of dynamo's kunnen activeren. In het specifieke geval van hydro-elektrische energieopwekking heeft het systeem een turbinesysteem en een dynamo nodig om elektriciteit op te wekken..
De turbine bestaat uit een horizontale of verticale as met een systeem van schoepen die door de kracht van het water de as laten draaien.
Er zijn drie basistypen hydraulische turbines:
Het is een hogedrukimpulsturbine met een horizontale as die werkt zonder volledig onder te duiken. De waaier heeft een reeks concave bladen (bladen of tanden) die worden aangedreven door waterstralen.
Hoe meer waterstralen tegen de turbine botsen, hoe meer vermogen deze zal genereren. Dit type turbine wordt gebruikt voor watervallen van 25 tot 200 meter hoog en haalt een rendement tot 90%.
Het is een middendruk reactieturbine met een verticale as en werkt volledig ondergedompeld in water. De waaier is opgebouwd uit bladen die worden aangedreven door het water dat door een verdeler wordt geleid.
Het kan worden gebruikt in watervallen van 20 tot 200 meter hoog en bereikt een rendement van 90%. Dit is het type turbine dat het meest wordt gebruikt in grote waterkrachtcentrales ter wereld..
Het is een variant van de Francis-turbine en heeft, net als deze, een verticale as, maar de waaier bestaat uit een reeks verstelbare bladen. Het reageert onder hoge druk en werkt volledig ondergedompeld in water.
De Kaplan-turbine wordt gebruikt in watervallen van 5 tot 20 meter hoog en het rendement kan oplopen tot 95%.
De dynamo is een apparaat dat de mogelijkheid heeft om mechanische energie om te zetten in elektrische energie door middel van elektromagnetische inductie. Zo worden magnetische polen (inductor) geroteerd binnen een spoel met afwisselende polen van geleidend materiaal (bijvoorbeeld koper gewikkeld in zacht ijzer).
De werking is gebaseerd op het feit dat een geleider die gedurende een bepaalde tijd aan een variabel magnetisch veld wordt blootgesteld, een elektrische spanning genereert.
Hydraulische kracht wordt veel gebruikt omdat het veel positieve aspecten heeft. Onder deze kunnen we benadrukken:
Hoewel in het geval van waterkrachtcentrales de initiële investering hoog is, is het in het algemeen op lange termijn goedkope energie. Dit komt door zijn stabiliteit en lage onderhoudskosten..
Bovendien moet de economische compensatie die wordt geboden door reservoirs met mogelijkheden voor aquacultuur, watersport en toerisme worden toegevoegd..
Omdat het gebaseerd is op de watercyclus, is het een hernieuwbare en continue energiebron. Dit houdt in dat het niet in de tijd uitgeput raakt in tegenstelling tot de energie uit fossiele brandstoffen..
De continuïteit ervan hangt echter af van het feit of de watercyclus in een bepaalde regio of wereldwijd niet wordt gewijzigd..
Hydraulische energie wordt als zeer efficiënt beschouwd en met een hoog rendement dat tussen 90 en 95% ligt.
Dit type energie gebruikt een natuurlijke bron zoals water en produceert ook geen afval of vervuilende gassen. Daarom is de impact op het milieu laag en wordt het beschouwd als een vorm van schone energie..
In de gevallen waarin reservoirs worden gebouwd voor het gebruik van waterkracht, bieden deze een reeks extra voordelen:
- Ze maken het mogelijk om de stroming van de rivier te reguleren en overstromingen te voorkomen.
- Ze vertegenwoordigen een reservoir met water voor menselijke consumptie, irrigatie en industrieel gebruik..
- Ze kunnen worden gebruikt als recreatiegebieden en voor het beoefenen van watersporten.
Een beperking van de opwekking van waterkracht is de afhankelijkheid van het regenregime. Daarom kan in bijzonder droge jaren de watertoevoer drastisch afnemen en wordt het reservoirniveau verlaagd..
Wanneer de waterstroom wordt verminderd, is de opwekking van elektrische energie lager. Zodanig dat in regio's die sterk afhankelijk zijn van waterkracht, problemen kunnen ontstaan..
De constructie van een dam in een rivier verandert de natuurlijke loop, het overstromingsregime, de afname (afname van de stroming) en het proces van het slepen van sediment. Daarom treden er veranderingen op in de biologie van planten en dieren die in het water leven of zich in de buurt van het water bevinden..
Aan de andere kant verandert het vasthouden van sedimenten in de dam de vorming van delta's aan de monding van de rivieren en verandert de bodemgesteldheid..
Vanwege het grote volume water dat in sommige hydro-elektrische dammen is opgeslagen, kan een doorbraak van de keermuur of nabijgelegen hellingen ernstige ongelukken veroorzaken. Bijvoorbeeld, in het jaar 1963 vond de helling van de Vajont-dam (nu in onbruik) plaats in Italië en veroorzaakte 2000 doden..
Door de rotatie van een wiel, aangedreven door de kinetische energie van water, kan water uit een ondiepe put of kanaal in een verhoogd kanaal of reservoir worden gezogen. Evenzo kan de mechanische energie die door het wiel wordt gegenereerd, een hydraulische pomp aansturen..
Het eenvoudigste model bestaat uit een wiel met bladen met kommen die het water opvangen terwijl ze worden voortgestuwd door de stroming. Vervolgens laten ze het water in hun rotatie in een tank of kanaal vallen..
Gedurende meer dan 2000 jaar gebruikten de Grieken en Romeinen hydraulische energie om molens te verplaatsen om granen te malen. Het draaien van het wiel, aangedreven door de waterstroom, activeert tandwielen die de molensteen laten draaien.
Een andere oude toepassing van op hydraulische kracht gebaseerde werkbaarheid is het gebruik ervan om de smeedbalg te activeren bij smeden en metallurgie..
In mijnbouw en olie wordt de kinetische energie van water gebruikt om gesteente te eroderen, te breken en de winning van verschillende mineralen te vergemakkelijken. Hiervoor worden gigantische waterkanonnen onder druk gebruikt die het substraat raken totdat het erodeert..
Dit is een destructieve techniek voor de bodem en sterk vervuilende waterlopen..
Een zeer controversiële techniek die in de olie-industrie aan kracht wint, is de fracking. Het bestaat uit het vergroten van de poreusheid van het gesteente dat olie en gas bevat om de verwijdering ervan te vergemakkelijken..
Dit wordt bereikt door grote hoeveelheden water en zand onder hoge druk te injecteren samen met een reeks chemische toevoegingen. De techniek is in twijfel getrokken vanwege het hoge waterverbruik, de vervuiling van bodems en wateren en het veroorzaken van geologische veranderingen..
Het meest gebruikelijke moderne gebruik is om elektriciteitscentrales, de zogenaamde waterkrachtcentrales of hydraulische centrales, te laten draaien.
De waterkrachtcentrale van de Three Gorges bevindt zich in de Chinese provincie Hubei in de loop van de Yangtze-rivier. De bouw van deze dam begon in 1994 en werd voltooid in 2010, met een overstroomd gebied van 1.045 km² en een geïnstalleerd vermogen van 22.500 MW (megawatt).
De installatie omvat 34 Francis-turbines (32 van 700 MW en twee van 50 MW) met een jaarlijkse elektrische energieproductie van 80,8 GWh. Het is de grootste waterkrachtcentrale ter wereld qua structuur en geïnstalleerd vermogen.
De Three Gorges Dam is erin geslaagd de periodieke overstromingen van de rivier te beheersen die ernstige schade aan de bevolking veroorzaakten. Evenzo garandeert het de elektriciteitsvoorziening van de regio.
De bouw ervan had echter enkele negatieve gevolgen, zoals de ontheemding van ongeveer 2 miljoen mensen. Bovendien heeft het bijgedragen aan het uitsterven van de ernstig bedreigde Chinese rivierdolfijn (Lipotes vexillifer)..
De waterkrachtcentrale Itaipú bevindt zich op de grens tussen Brazilië en Paraguay in de loop van de rivier de Paraná. De bouw begon in 1970 en eindigde in drie fasen in 1984, 1991 en 2003..
Het overstroomde gebied van de dam is 1.350 km² en heeft een geïnstalleerd vermogen van 14.000 MW. De fabriek omvat 20 Francis-turbines van elk 700 MW en heeft een jaarlijkse elektrische energieproductie van 94,7 GWh.
Itaipu wordt beschouwd als de grootste waterkrachtcentrale ter wereld op het gebied van energieproductie. Het draagt 16% bij aan de elektrische energie die wordt verbruikt in Brazilië en 76% in Paraguay..
Wat betreft de negatieve effecten: deze dam heeft de ecologie van de eilanden en de delta van de Paraná-rivier beïnvloed..
De waterkrachtcentrale Simón Bolívar, ook wel bekend als de Guri-dam, bevindt zich in Venezuela in de loop van de rivier de Caroní. De bouw van de dam begon in 1957, een eerste fase werd voltooid in 1978 en werd voltooid in 1986.
De Guri-dam heeft een overstroomd gebied van 4.250 km² en een geïnstalleerd vermogen van 10.200 MW. De fabriek omvat 21 Francis-turbines (10 van 730 MW, 4 van 180 MW, 3 van 400 MW, 3 van 225 MW en één van 340 MW)
De jaarlijkse productie is 46 GWh en wordt beschouwd als de op twee na grootste waterkrachtcentrale ter wereld in termen van structuur en geïnstalleerd vermogen. De waterkrachtcentrale levert 80% van de elektrische energie die Venezuela verbruikt en een deel wordt verkocht aan Brazilië.
Tijdens de bouw van deze waterkrachtcentrale zijn grote delen van ecosystemen in Venezolaans Guyana overstroomd, een regio met een hoge biodiversiteit..
Door de diepe economische crisis in Venezuela is de productiecapaciteit van deze fabriek vandaag aanzienlijk verminderd..
1. - Hadzich M (2013). Hydraulische energie, hoofdstuk 7. Technische training van de PUCP Group. Technologieën voor ecologische huizen en hotels. Pauselijke Katholieke Universiteit van Peru.
2. - Raabe J (1985). Waterkracht. Het ontwerp, het gebruik en de functie van hydromechanische, hydraulische en elektrische apparatuur. Duitsland: N. p.
3. - Sandoval Erazo, Washington. (2018). Hoofdstuk 6: Basisconcepten van waterkrachtcentrales. Https://www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas
4. - Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, McGrath DG, Dias LCP, Rodrigues HO en Soares-Filho BS (2013). Afhankelijkheid van de opwekking van energie uit waterkracht van bossen in het Amazonebekken op lokale en regionale schaal. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110 (23), 9601-9606.
5. - Soria E (s / f). Hydraulica. Hernieuwbare energie voor iedereen. IBERDROLA. 19 p.
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.