DAN STEMATIU    2008
Descrierea CIP a Bibliotecii Naţionale a   României   STEMATIU, DAN   Amenajări hidroenergetice / Dan Stematiu   Bucurereş...
PREFAŢĂResursele de energie hidraulică reprezintă o parte importantă din resursele mondialede energie primară. Energia hid...
Capitolul al doilea tratează resursele hidroenergetice şi schemele de amenajare. Pentruînceput se prezintă modul de evalua...
CUPRINS1. INTRODUCERE …………………………………………………….                                                                             91...
3.2.2. Indicatori de comparaţie ..............................................................          823.3. Criterii de...
5.3.3. Centrale subterane echipate cu turbine Francis …………………                                              155         5.3...
Bibliografie ...................................................................................................   2658. U...
1                              INTRODUCERE1.1. GENEZA ŞI CARACTERISTICILE ENERGIEI HIDRAULICEResursele de energie hidrauli...
energia hidro va fi prezentă. Desigur, sunt în desfăşurare cercetări pentru dezvoltareaşi a unor alte surse de energie reg...
Figura 1.3. Transformarea energiei hidraulice în energie electricăÎn cele mai multe cazuri energia hidro se concentrează î...
Priză                  Cameră de                  încărcare              Conductă              forţată                   C...
Avantajul principal este preţul de cost extrem de redus în raport cu cel al surselelortradiţionale de energie electrică. O...
Puterea totală care trebuie sa fie produsă de centralele sistemului energetic este dictatăin fiecare moment de necesităţil...
În cazul în care cantitatea de energie cerută de consumatori este mai mare sau maimică decât cantitatea de energie livrată...
Figura 1.9. Diferenţe între alura graficelor de sarcină pentru zi de lucru (cu două                      vârfuri) şi zi de...
— centralele termoelectrice de condensaţie (CTE), echipate cu grupuri demare putere şi parametri superiori;       — centra...
Prin calităţile lor tehnice şi economice (elasticitate, fiabilitate, preţ de cost redus)centralele hidroelectrice sunt ame...
În prezent, în România, centralele hidro sunt principalele furnizoare de serviciitehnologice de sistem, acoperind aproxima...
Figura 1.12. Alternanţa pompare – turbinare la UHEAP1.3. HIDROENERGIA ŞI MEDIULOamenii şi acţiunile lor fac parte din medi...
crearea de peisaje şi facilităţi pentru recreere, condiţii pentru pescuitul sportiv şipentru sporturi nautice.Amenajările ...
1.4. SCURT ISTORICCea mai veche utilizare a energiei apelor este atestată în China şi în Egiptul antic,unde au apărut roţi...
În perioada revoluţiei industriale energia hidraulică a jucat un rol important îndezvoltarea industriilor textile şi a pie...
hidroenergetic este limitat. În multe ţări amplasamentele favorabile s-au epuizat sausunt în curs de epuizare. Eforturile ...
2  RESURSE HIDROENERGETICE ŞI SCHEME DE               AMENAJARE2.1 RELAŢII DE CALCUL ŞI UNITĂŢI DE MĂSURĂ PENTRU PUTERE ŞI...
Dacă volumul V se scurge pe albia unui curs de apă în timpul t , atunci energiapotenţială devine energie cinetică, iar cur...
2.2. POTENŢIALUL HIDROENERGETIC AL CURSURILOR DE APĂPrin inventarierea resurselor hidroenergetice se urmăreşte determinare...
economici şi de alt tip. În ultimile decenii au fost fluctuaţii importante, generate devariaţia preţului combustibililor f...
Potenţialul calculat pe baza debitului mediu de iarnă sau de vară permite să seaprecieze repartizarea în timpul anului a p...
30     Figura 2.3. Potenţialul tehnic liniar al cursurilor de apă din România
31     Figura 2.4. Benzile energetice reprezentând potenţilaul tehnic amenajabil evaluat de profesorul Dorin Pavel
Pentru reprezentarea potenţilului liniar se mai pot folosi linii paralele cu sectoarele derâu, care, potrivit unei legende...
Tabelul 1.1. Potenţialul hdroenergetic al României                      .                          Potenţialul hidroenerge...
a creat condiţii pentru folosirea unui potenţial considerat înainte ca neeconomic sau deneutilizabil.               Tabelu...
Figura 2.6. Procente din potenţialul hidroenergetic care au fost amenajate şi contribuie                     la acoperirea...
36     Figura 2.7. Amenajarea potenţialului hidroenergetic european
Aceleaşi date se regăsesc în figura 2.8, într-o reprezentare mai sugestivă. În abscisăsunt poziţionate ţările în ordine al...
Crearea unei căderi concentrate pe un curs de apă se poate realiza pe mai multe căi(fig. 2.9) :         - prin construirea...
În figura 2.9 se remarcă şi construcţiile principale care intervin în cadrul unei scheme deamenajare. Astfel:Barajele de a...
adăposteşte circuitul hidraulic către şi de la turbine, turbinele şi generatoarele şi instalaţiileanexe.2.6.1. Scheme de a...
aducerea apei se face prin galerii de derivaţie prin versanţi, cu prizele de apă înversant sub forma unor turnuri de priză...
Centrala hidroelectrică are o putere de 45 MW, la o cădere de 80,50 m. Debitulinstalat este de 68 m3/s, iar producţia de e...
În figura 2.13 este prezentată o uzină baraj de cădere medie la care blocul prizei esteamplasat în frontul barat. De aceas...
Câteva date care explică alegerea: volumul de beton utilizat pentru construcţia uzineiar fi ajuns pentru construcţia a 210...
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Amenajari hidroenergetice
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Amenajari hidroenergetice

14,471

Published on

0 Comments
3 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total Views
14,471
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
371
Comments
0
Likes
3
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Amenajari hidroenergetice

  1. 1. DAN STEMATIU 2008
  2. 2. Descrierea CIP a Bibliotecii Naţionale a României STEMATIU, DAN Amenajări hidroenergetice / Dan Stematiu Bucurereşti: Conspress, 2008 Bibliogr. ISBN 978-973-100-017-8 624.13Colecţia Carte universitara CONSPRESS B-dul Lacul Tei nr. 124, sector 2, Bucureşti Tel: (021) 242 27 19 / 169; Fax: (021) 242 07 81 2
  3. 3. PREFAŢĂResursele de energie hidraulică reprezintă o parte importantă din resursele mondialede energie primară. Energia hidraulică este disponibilă în natură sub forma energieiasociată curgerii râurilor şi a fluviilor, energie cunoscută sub denumirea hidroconvenţională şi ca energie a valurilor, a curenţilor marini şi a oscilaţiilor periodiceale mareelor, ultimile fiind încadrate în categoria energiilor hidro neconvenţionale.Hidroenergia este o formă de energie regenerabilă, între care se mai înscriu energiasolară, energia eoliană şi energia geotermală. Sursa primară a energiei hidraulice esteradiaţia solară şi circuitul apei în natură. Între diversele forme de energie regenerabilă,hidroenergia este şi va rămâne pentru mult timp cea mai importantă sursă utilizată. Înprezent, energia generată anual pe cale hidro atinge 2,1 millioane de GWh, ceea cereprezintă între 16 şi 18 % din consumul de electricitate mondial. Cele mai pesimisteestimări acceptă că potenţialul exploatabil este de şase ori mai mare. La nivelEuropean, în 2007, hidroenergia producea peste 85% din energia regenerabilă. ÎnRomânia, la nivelul anului 2008, se produc anual, în medie, cca 18 TWh, adică 35 %din consum, dar potenţialul amenajabil este de 38 TWh / an.Energia hidroelectrică este nu numai regenerabilă, dar este şi curată. Ea nu producedeşeuri (cenuşi sau substanţe radioactive), nu produce bioxid de carbon carecontribuie la efectul de seră, nu produce oxizi de sulf care stau la origina ploilor acide.Combustibilul ei este apa, un combustibil curat care nu suferă degradări printurbinare.Ansamblul construcţiilor şi instalaţiilor care asigură transformarea energiei hidrauliceîn energie electrică poartă denumirea de amenajare hidroenergetică. Amenajărilehidroenergetice convenţionale cuprind lacuri de acumulare, create prin barareacursurilor de apă, precum şi canale, conducte sau galerii de derivare a apei sprecentrala hidroelectrică, unde sunt amplasate turbinele şi generatoarele. O categoriespecială o constitue uzinele hidroelectrice cu acumulare prin pompaj. Amenajărilehidroenergetice neconvenţionale cuprind la rândul lor instalaţii şi mecanisme specificede convertire a energiei valurilor şi mareelor în energie mecanică şi apoi electrică.Lucrarea de faţă tratează numai o parte din ansamblul de noţiuni, baze teoretice şilucrări inginereşti care sunt cuprinse în sintagma amenajări hidroenergetice.Cuprinsul cărţii este definit de programa analitică a cursului cu denumire similară, pecare autorul îl predă din anul 1982 la Facultatea de Hidrotehnică a UniversităţiiTehnice de Construcţii Bucureşti. Curicula specializării cuprinde un curs extinsdedicat construcţiilor hidrotehnice, unde sunt predate barajele şi construcţiile aferentebarajelor, prizele de apă, derivaţiile sub presiune, prin conducte şi galerii hidrotehnice,precum şi derivaţiile cu nivel liber prin canale. Astfel de construcţii intră şi încomponenţa amenajărilor hidroenergetice, dar nu mai sunt tratate şi în această lucrare.Cartea debutează cu un capitol introductiv, în care se prezintă geneza şicaracteristicile energiei hidraulice şi se precizează rolul energiei hidroelectrice însistemul energetic. 3
  4. 4. Capitolul al doilea tratează resursele hidroenergetice şi schemele de amenajare. Pentruînceput se prezintă modul de evaluarea a potenţialului hidroenergetic şi estimărileprivind potenţialul hidroenergetic al României şi potenţialul hidroenergetic mondial.Sunt apoi detaliate soluţiile de amenajare şi principiile de alcătuire a schemeloruzinelor hidroelectrice (UHE). Un paragraf special este dedicat parametrilorenergetici ai uzinelor hidroelectrice.Capitolul trei defineşte mai întâi indicatorii tehnico – economici ai UHE. Se prezintăapoi condiţiile de comparare a variantelor hidroenergetice şi criteriile de selecţie şi dedimensionare. Unele exemple de aplicare a criteriilor energo-economice ladimensionarea uzinelor hidroenergetice servesc aprofundării noţiunilor.O tratare succintă a turbinelor hidraulice face obiectul capitolului patru. Curicularestrânsă a specializării nu mai cuprinde un capitol de turbine hidraulice în cadrulcursului de maşini hidraulice şi staţii de pompare şi, ca urmare, noţiunile strictnecesare au fost incluse în lucrarea de faţă. Sunt prezentate, în succesiune, tipurile deturbine hidraulice, turaţia specifică şi principiile de similitudine, criteriile de selecţie atipului de turbină, fenomenul de cavitaţie în turbine şi randamentul turbinelor.Cel mai extins capitol tratează centralele hidroelectrice pe derivaţie. Sunt detaliatedispoziţiile generale ale centralelor supra şi subterane şi construcţiile specificeacestora: camere de încărcare, castele de echilibru şi case de vane.Un capitol de asemenea extins tratează centralele hidroelectrice din frontul barat. Seprezintă dispoziţia generală a centralelor baraj echipate cu turbine Kaplan şi respectivcu turbine Bulb. Sunt prezentate apoi unele elemente de dimensionare hidraulică. Înfinal sunt detaliate elementele constructive şi calculele de rezistenţă aferente, precumşi problema stabilităţii la alunecare.Capitolul şapte este dedicat microhidrocentralelor. Sunt prezentate schemelecaracteristice şi specificul acestor amenajări care, în pofida aportului lor modest casursă energetică, sunt în prezent intens promovate, probabil conjuctural. Tocmai dinacest motiv capitolul are un grad de detaliere ce poate părea neconcordant cucomplexitatea mai redusă a problemelor.Uzinele hidroelectrice cu acumulare prin pompaj sunt din ce în ce mai actuale, fiindsingura formă cu aplicare industrială de înmagazinare a energiei în exces din sistem.Ele sunt şi singura soluţie de acumulare a energiei eoliene, care se produce intermitentşi dependent de factorii exteriori. Capitolul opt tratează cuprinzător aceste amenajăricu caracter special.Resursele neconvenţionale de energie hidraulică şi sistemele de conversie a energieivalurilor şi mareelor în energie electrică sunt prezentate în capitolul final.Lucrarea se adresează cu predilecţie studenţilor de la facultăţile de construcţii, darprin rigoarea tratării şi detalierile care exced programa cursului este utilă şi inginerilorpracticieni din domeniu. Autorul 4
  5. 5. CUPRINS1. INTRODUCERE ……………………………………………………. 91.1. Geneza şi caracteristicile energiei hidraulice………….................. 91.2. Rolul energiei hidroelectrice în sistemul energetic …………........ 13 Controlul unui sistem energetic ................................................. 181.3. Hidroenergia şi mediul ……………………...................................... 201.4. Scurt istoric ………………………………………............................. 22Bibliografie ………………………………………………………………… 242. RESURSE HIDROENERGETICE ŞI SCHEME DEAMENAJARE ……………….................................................................... 252.1. Relaţii de calcul şi unităţi de măsură pentru putere şi energie ......... 252.2. Potenţialul hidroenergetic al cursurilor de apă ………….................. 272.3. Evaluarea potenţialului hidroenergetic liniar ………......................... 282.4. Potenţialul hidroenergetic al României …………………………….. 322.5. Potenţialul hidroenergetic mondial …………………………………. 332.6. Scheme de amenajare ........................................................................... 37 2.6.1. Scheme de amenajare ale uzinelor hidroelectrice de tip baraj..... 40 Uzina hidroelectrică de la Itaipu ................................................ 43 Uzina hidroelectrică de la Three Gorge .................................... 45 Uzina hidroelectrică Hoover ..................................................... 44 Amenajarea hidroenergetică a Dunării ...................................... 50 2.6.2. Scheme de amenajare ale UHE de derivaţie ................................. 56 2.6.3. Scheme de amenajare ale UHE mixte ........................................... 59 2.6.4. Principii de alcătuire a schemelor UHE ........................................ 662.7. Parametri energetici ai uzinelor hidroelectrice ................................. 67 2.7.1. Lacul de acumulare ....................................................................... 67 2.7.2. Debitul instalat .............................................................................. 70 2.7.3. Căderea ......................................................................................... 70 2.7.4. Puterile caracteristice ale UHE ..................................................... 73 2.7.5. Energia livrată de UHE ................................................................. 75Bibliografie …………..……………………………………………………. 773. STABILIREA PARAMETRILOR ENERGETICI ŞIDIMENSIONAREA UHE………………………...................................... 793.1. Indicatorii tehnico – economici ai UHE ……………………………… 793.2. Condiţii pentru compararea variantelor ............................................. 80 3.2.1. Aducerea la echivalenţă a variantelor ........................................... 81 5
  6. 6. 3.2.2. Indicatori de comparaţie .............................................................. 823.3. Criterii de selecţie şi de dimensionare ................................................. 83 3.3.1. Criterii bazate pe durata de recuperare a investiţiei..................... 83 3.3.2. Criteriul cheltuielilor toatale actualizate minime ………………. 843.4. Exemple de aplicare a criteriilor energoeconomice la dimensionareaunei UHE ……………………….................................................................... 91 3.4.1. Determinarea puterii instalate ………………………………….. 91 3.4.2. Determinarea înălţimii barajului ……………………………….. 94 3.4.3. Determinarea diametrelor derivaţiei ............................................ 973.5. Evaluarea oportunităţii de investire în UHE ...................................... 104 3.5.1. Criterii tradiţionale ……………………………………………… 105 3.5.2. Criterii bazate pe actualizare ........................................................ 105Bibliografie …………………………………………………………………… 1074. TURBINE HIDRAULICE ............................................. .................. 1094.1. Tipuri de turbine hidraulice ……………………………………….... 109 4.1.1. Turbine cu impuls …………………………................................ 109 4.1.2. Turbine cu reacţiune …………………………………………...... 1134.2. Turaţie specifică şi similitudine ………………………....................... 118 4.2.1. Relaţii de similitudine ………………………….......................... 118 4.2.2. Turaţia specifică ........................................................................... 1194.3. Dimensionarea preliminară ………………………………………….. 121 4.3.1. Relaţii pentru turbinele Pelton…………………………………… 121 4.3.2. Relaţii pentru turbinele Francis .………………………………… 122 4.3.3. Relaţii pentru turbinele Kaplan …………………………………. 1224.4. Criterii de selecţie a tipului de turbină ……………………………….. 123 4.4.1. Selecţia în funcţie de cădere …………………….......................... 123 4.4.2. Selecţia în funcţie de cădere şi debit ...………………………….. 124 4.4.3. Selecţia în funcţie de turaţia specifică ...………………………… 1244.5. Fenomenul de cavitaţie în turbine ………………………................... 1244.6. Randamentul turbinelor ………………….......................................... 126Bibliografie ………………………………………………………………… 1285. CENTRALE HIDROELECTRICE PE DERIVAŢIE ………… 1295.1. Consideraţii generale …………………………………………………. 1295.2. Dispoziţia generală a centralelor supraterane ……………………….. 130 5.2.1. Centrale de joasă cădere echipate cu turbine Kaplan ................... 130 Studiu de caz: Stabilitatea la alunecare a ansamblului casă de vane, conductă forţată şi centrala hidroelectrică Vaduri 133 5.2.2. Centrale echipate cu turbine Pelton ............................................ 136 5.2.3. Centrale echipate cu turbine Francis.............................................. 140 5.2.4. Elemente caracteristice pentru dispoziţia generală a centralelor … 1435.3. Dispoziţia generală a centralelor subterane …………………………. 147 5.3.1. Consideraţii generale …………………………………………… 147 5.3.2. Centrale subterane echipate cu turbine Pelton ............................ 154 6
  7. 7. 5.3.3. Centrale subterane echipate cu turbine Francis ………………… 155 5.3.4. Centrale în puţ .………………………………………………… 158 Centrale hidroelectrice aflate în exploatare în România ……… 1595.4. Construcţii specifice centralelor pe derivaţie ..........………………… 165 5.4.1. Camere de încărcare ................................................................... 165 5.4.2. Castele de echilibru .................................................................... 175 5.4.3. Case de vane …………………………………………………… 199Bibliografie …………………………………………………………………. 2016. CENTRALE HIDROELECTRICE ÎN FRONTUL BARAT … 2036.1. Elemente caracteristice ………………………………………………. 2036.2. Dispoziţia generală a centralelor baraj echipate cu turbine Kaplan .. 204 6.2.1. Elemente componente şi particularităţi constructive ................... 204 6.2.2. Elemente caracteristice ale dispoziţiei generale ......................... 210 6.2.3. Centrale în pile ............................................................................ 2146.3. Dispoziţia generală a centralelor baraj echipate cu turbine Bulb … 215 6.3.1. Elemente componente şi particularităţi constructive ................... 215 6.3.2. Comparaţie între echipările Bulb şi Kaplan ................................. 220 Centralele sistemului hidroenergetic Porţile de Fier I şi II........ 2216.4. Dimensionarea hidraulică ..................................................................... 224 6.4.1. Calculul prizei ……………………………………………. ....... 224 6.4.2. Calculul camerei spirale ……………………………………….. 227 6.4.3. Calculul aspiratorului ………………………............................... 228 6.4.4. Dimensiuni orientative ale circuitului hidraulic .......................... 2306.5. Alcătuirea constructivă şi calcule de rezistenţă …………………….. 231 6.5.1. Elemente constructive …………………………………………… 231 6.5.2. Calcule de rezistenţă ……………………………………………. 232 6.5.3. Stabilitatea la alunecare …………………….............................. 233Bibliografie .................................................................................................... 2377. MICROHIDROCENTRALE …………………………..................... 2397.1. Definiţii şi elemente caracteristice ....................................................... 2397.2. Scheme de amenajare ........................................................................... 243 7.2.1. Microhidrocentrale de cădere medie sau mare ........................... 243 7.2.2. Microhidrocentrale de joasă cădere ........................................... 2457.3. Dimensionare energetică şi evaluare economică ................................ 248 7.3.1. Debitul şi puterea instalată ........................................................ 248 7.3.2. Alegerea tipului de turbină ........................................................ 251 7.3.3. Evaluarea energiei produse în anul hidrologic mediu ............... 252 7.3.4. Aspecte economice .................................................................... 2537.4. Echipamentul hidromecanic şi electric ................................................ 2547.5. Particularităţi constructive ................................................................... 258 7.5.1. Consideraţii generale .................................................................. 258 7.5.2. Priza de apă ............................................................................... 258 7.5.3. Conducta de derivaţie ................................................................ 260 7.5.4. Clădirea centralei ..................................................................... 262 7
  8. 8. Bibliografie ................................................................................................... 2658. UZINE HIDROELECTRICE CU ACUMULARE PRINPOMPAJ …………………………............................................................. 2678.1. Consideraţii preliminare………………………………………………. 2678.2. Rolul şi funcţiile UHEAP........................................................................ 2698.3. Clasificarea UHEAP ............................................................................. 2708.4. Tendinţe în domeniul grupurilor UHEAP ......................................... 2738.5. Scheme de amenajare ........................................................................... 275 Etanşarea şi drenarea rezervoarelor superioare. Studiu de caz....... 2838.6. Randamentul ciclului pompare – turbinare ....................................... 287 8.6.1. Randamentul tehnic.…………………………………………… 287 8.6.2. Eficienţa energetică ………………………………………….. 288 8.6.3. Corecţii ale randamentului tehnic ……………………………. 289Bibliografie …………………………………………………………………. 2899. RESURSE NECONVENŢIONALE DE ENERGIEHIDRAULICĂ…………………………………………………………… 2919.1. Consideraţii preliminare ……………………………………………… 291 9.1.1. Consideraţii privind valurile marine ………………………….. 291 9.1.2. Consideraţii privind mareele şi curenţii marini ………………… 2929.2. Hidroenergie din valuri marine …………………………………….. 294 9.2.1. Puterea şi energia valurilor marine …………………………... 294 9.2.2. Soluţii de valorificare a energiei valurilor ……………………… 296 9.2.3. Convertorul Pelamis …………………………………………… 302 Sistemul de captare a energiei valurilor de pe litoralul românesc al Mării Negre…………………………........................................... 304 9.2.4. Impactul asupra mediului .......................................................... 3079.3. Hidroenergie din maree …………………............................................ 307 9.3.1. Soluţii de recuperare a energiei asociate mareelor ………....... 307 9.3.2. Elice în curenţi mareici ....…………………………………… 308 9.3.3. Centrale mareo-motrice ........................................................... 311 Studiu de caz:Estuarul Severn ................................................. 315 9.3.4. Impactul asupra mediului ......................................................... 318Bibliografie ………………………………………………………………... 318 8
  9. 9. 1 INTRODUCERE1.1. GENEZA ŞI CARACTERISTICILE ENERGIEI HIDRAULICEResursele de energie hidraulică reprezintă o parte importantă din resursele mondialede energie primară, a căror utilizare este indispensabilă pentru a se putca asiguraacoperirea consumului de energie în continuă creştere în toate ţările.Energia hidraulică este disponibilă în natură sub mai multe forme :— energia debitelor râurilor şi a fluviilor;— energia oscilaţiilor periodice ale mareelor ;— energia valurilor si a curenţilor marini;Energia hidraulică convenţională este energia aferentă râurilor şi fluviilor, curentnumită energie hidro. Diferenţa de nivel între cota unei secţiuni de la care cade(curge) apa şi cota secţiunii la care ajunge apa, reprezintă măsura energiei potenţiale.În natură acestă energie se transformă în energie cinetică, regăsită sub forma curgeriiapei între cele două cote.Resursele hidraulice de energie se regenerează continuu, prin transformarea şiacumularea naturala a energiei solare. Sursa primară a energiei hidraulice este radiaţiasolară şi circuitul apei în natură. Radiaţiă solară produce evaporarea (în special de peoceanul planetar), norii încărcaţi cu vapori de apă se deplasează către uscat, înanumite condiţii condensează, precipitaţiile cad pe suprafaţa uscatului şi o parte dinvolumul de apă formează scurgerea de suprafaţă (fig. 1.1). Nori care produc precipitaţii Precipitaţi Ape de i Evapotranspiraţie suprafaţă Evaporare Apa subterană Figura 1.1. Circuitul apei în naturăPornind de la aceste considerente, rezultă clar că energia hidro este regenerabilă. Câttimp vor fi precipitaţii apa se va colecta şi va curge în albiile cursurilor de apă şi 9
  10. 10. energia hidro va fi prezentă. Desigur, sunt în desfăşurare cercetări pentru dezvoltareaşi a unor alte surse de energie regenerabilă. Între energiile regenerabile care au dejaaplicare la scară industrială sunt energia eoliană şi energia solară. Lor li se adaugă la oscară mai redusă energia geotermală, energia provenită din biomasă etc. Contribuţiaacestor alte surse de energie regenerabilă este încă foarte modestă. Hidroenergia estepe departe cea mai importantă sursă de energie regenerabilă utilizată în prezent.Energia generată anual pe cale hidro atinge 2,1 millioane de GWh, ceea ce reprezintăîntre 16 şi 18 % din consumul de electricitate mondial. Cele mai pesimiste estimăriacceptă că potenţialul exploatabil este de şase ori mai mare. La nivel European, în2007, hidroenergia producea peste 85% din energia regenerabilă, care, la rândul eitrebuie să crească cu 8% pe an până în 2010. În România se produc annual, pe calehidro, cca 18 TWh, adică 35 % din consum, dar potenţialul amenajabil este de 38TWh / an. O situaţie edificatoare privind resursele energetice şi contribuţia energiilorregenerabile pe plan mondial este redată în figura 1.2. a Figura 1.2. Sursele de energie electrică la nivel mondial în 2007Datorită rezervelor limitate ale resurselor tradiţionale (cărbune, petrol, gaz), acaracterului de piaţă controlată geopolitic pentru resursele tradiţionale şi a creşteriirapide a consumului de energie, se impune extinderea în viitor a utilizării surselorregenerabile. Un motiv în plus îl constitue impactul asupra mediului (efectul de seră,ploile acide, încălzirea globală) creat prin utilizarea resurselor tradiţionale.Valorificarea energiei hidraulice primare ca energie hidroelectrică se face prinintermediul turbinelor hidraulice şi a generatoarelor electrice. Apa trece prin paleleturbinei şi o pune în mişcare de rotaţie, energia hidraulică devenind energie mecanică.Turbina roteşte la rândul ei rotorul generatorului în câmpul magnetic al statorului şiprin fenomenul de inducţie electromagnetică se converteşte energia mecanică înenergie electrică (fig. 1.3). Transformarea energiei hidraulice în energie electrică seface cu randamente foarte bune, ceea ce contribuie la eficienţa economică afructificării ei. 10
  11. 11. Figura 1.3. Transformarea energiei hidraulice în energie electricăÎn cele mai multe cazuri energia hidro se concentrează într-o anumită secţiune prinbarare, sau prin derivarea curgerii faţă de albia naturală prin canale sau galerii. Soluţiide principiu sunt prezentate în figurile 1.4 şi 1.5. Figura 1.4. Concentrarea căderii prin bararea cursului de apă 11
  12. 12. Priză Cameră de încărcare Conductă forţată CHE Figura 1.5. Concentrarea căderii prin derivarea debitelor turbinateEnergia hidroelectrică este nu numai regenerabilă, dar este şi curată şi disponibilăatunci când consumatorii o cer. Ea nu produce deşeuri (cenuşi sau substanţeradioactive), nu produce bioxid de carbon care contribuie la efectul de seră, nuproduce oxizi de sulf care stau la origina ploilor acide. Combustibilul ei este apa, uncombustibil curat care nu suferă degradări prin turbinare.Comparativ cu hidroenergia, care este înmagazinabilă în lacuri de acumulare şi poaterăspunde prompt la cerinţe, celelalte surse de energie regenerabilă sunt dependente deschimbările sezoniere, zilnice sau chiar orare ale vremii. Energia eoliană şi energiasolară depind de vânt şi de soare. Sunt surse intermitente. Valorificarea lor în acord cucerinţele consumatorilor se poate face eficient numai prin conexare cu hidroenergia.Marile ferme eoliene, care sunt din ce în ce mai numeroase, pot suplini o parte dinenergia hidro, iar când energia produsă de ele nu are debuşeu la consumatoriitradiţionali poate fi stocată în lacuri de acumulare, aşa cum se va vedea în paragrafulurmător.Lacurile de acumulare servesc, de cele mai multe ori, nu numai pentru stocareaenergiei hidraulice, dar şi pentru o serie de alte folosinţe. Marile lacuri asociateamenajărilor hidroenergetice protejează împotriva inundaţiilor, prin atenuareaviiturilor, sunt importante surse pentru alimentarea cu apă a populaţiei şi aindustriilor, asigură debit pentru irigaţii în perioadele secetoase, pot fi importantecentre de dezvoltare a turismului. În cazul amenajărilor fluviale, nivelul apei estecontrolat prin barare iar navigaţia este mult favorizată, desigur prin construcţia deecluze în frontul barat.Ansamblul construcţiilor şi instalaţiilor care asigură transformarea energiei hidrauliceîn energie electrică poartă denumirea de uzină hidroelectrică (UHE). Volumul marede lucrări şi complexitatea acestora conduc la costuri mari de investiţie. Efortulfinanciar pentru investiţia iniţială este mare, dar este compensat de durata mare deviaţă a unei uzine hidroelectrice. Cu foarte rare excepţii, uzinele construite până înprezent sunt toate în exploatare, este drept cu unele intervenţii de retehnologizare. 12
  13. 13. Avantajul principal este preţul de cost extrem de redus în raport cu cel al surselelortradiţionale de energie electrică. O comparaţie concludentă este redată în figura 1.6.Costul este redus pentru că, odată amortizată investiţia iniţială, sursa de energie estecurgerea apei care nu implică costuri, ci eventual taxe bazinale. Chiar costurile deoperare sunt mult reduse pentru că instalaţiile şi construcţiile sunt simple şi robuste,iar fiabilitatea este mare. 5 4 USD cenţi pe kWh produs 3 2 1 0 Figura 1.6. Structura preţului de cost la principalele surse de energie electricăRezumând, principalele caracteristici ale energiei hidroelectrice sunt: Sursa este regenerabilă şi nepoluantă; Randamentul transformării energiei hidraulice în energie electrică este ridicat; Acumulările amenajărilor hidroenergetice asigură şi alte folosinţe - atenuarea viiturilor, navigaţie, alimentări cu apă etc.; Uzinele hidroelectrice au durată mare de viaţă; Costurile de investiţie sunt mari, dar costurile de întreţinere şi operare sunt foarte reduse; Hidroenergia are un rol important în cadrul sistemului energetic.1.2. ROLUL ENERGIEI HIDROELECTRICE ÎN SISTEMUL ENERGETICSistemul Electroenergetic (SE) reprezintă ansamblul instalaţiilor electroenergeticeinterconectate, situate pe teritoriul unei regiuni, a unei ţări, sau a unei grupări deteritorii, prin care se realizează producerea, transportul, distribuţia şi utilizareaenergiei electrice. Sistemul Electroenergetic Interconectat este un sistemelectroenergetic format prin interconectarea a două sau mai multe sistemeelectroenergetice care funcţionează în paralel.Consumul de energie electrică reprezintă valoarea totală a energiei electrice absorbitede la reţea de beneficiari, într-un timp specificat (consum zilnic, lunar, anual etc.). 13
  14. 14. Puterea totală care trebuie sa fie produsă de centralele sistemului energetic este dictatăin fiecare moment de necesităţile de putere însumate ale consumatorilor, care auvariaţii zilnice, săptămânale şi sezoniere caracteristice. Reprezentarea grafică a puteriicerute de consumatori în timp se numeşte graficul sau curba de sarcină. Variaţia întimp a puterii totale cerute de toţi consumatorii în decurs de o zi reprezintă graficul desarcină zilnică P(t), iar energia zilnică consumată este (fig. 1.7): 24 E z = ∫ P (t ) dt (1.1) 0Curbele de sarcină ale zilelor de lucru se împart în trei zone caracteristice: — zona de vârf, corespunzatoare sarcinilor variabile, ale vârfurilor dedimineaţă si de seară, situate deasupra sarcinei minime dintre cele două vârfuri (golulde zi), care se poate acoperi numai de centrale electrice ce pot funcţiona cu sarcinivariabile şi pot fi pornite şi oprite cel puţin de două ori în decursul unei zile; — zona de semivârf, cuprinsă între sarcina la golul de zi şi sarcina la golul denoapte, care se acoperă în mod normal de centrale care pot fi oprite, sau cărora li sepoate reduce sarcina în cursul nopţii; — zona de bază, situată sub sarcina minimă de noapte, care se acoperă decentrale cu funcţionare continuă în tot cursul zilei. Pv = putere de vârf; Psv = putere de semivârf; Pb = putere de bază Figura 1.7. Graficul de sarcină zilnic pentru o zi lucrătoareÎn figura 1.7, dreapta, se mai disting curba de durată a puterilor, care reprezintănumărul de ore dintr-o zi în care o anumită putere este cerută de sistem şi curbaintegrală a energiei, definită de relaţia (1.1). 14
  15. 15. În cazul în care cantitatea de energie cerută de consumatori este mai mare sau maimică decât cantitatea de energie livrată de producători, în reţea apar perturbaţii detensiune şi de frecvenţă, care pun în pericol funcţionarea consumatorilor, ducând laavarii grave ale acestora. Ca urmare, cantitatea de putere livrată (energie produsă)trebuie să fie egală, în orice moment, cu cantitatea de putere consumată (energieconsumată).Curbele de sarcină prezintă anumite aspecte caracteristice, care depind de structura şiponderea diferitelor categori de consumatori, de variaţia condiţiilor naturale şiclimatice în decursul anului, de programul de lucru şi zilele de repaos, de situaţiaeconomică şi obiceiurile de viaţă ale populaţiei, de tarifele de vânzare ale energieielectrice etc. O caracterizare globală a variaţiei puterii cerute zilnic este dată deindicele de aplatizare, sau coeficientul de utilizare a sarcinii maxime, reprezentândraportul dintre sarcina medie şi sarcina maximă: Pmed γ= (1.2) PmaxIn zilele de lucru ale unei săptămâni curbele de sarcină sunt asemănătoare, avândvariaţiuni limitate de ± 2...3% de la o zi la alta, datorită în special modificăriicondiţiilor meteorologice. În zilele de repaos, sarcina medie reprezintă între 70 şi 80%din aceea a zilelor de lucru, iar in ziua de lucru care urmează dupa ziua de repaoscirca 93...94%, din cauza sarcinii de noapte mai scăzute. În figura 1.8 se prezintăcomparativ curbele de sarcină ale zilelor unei săptămâni dintr-o zonă cu economiedezvoltată, iar în figura 1.9 elemente comparative ale graficelor de sarcină pentru zide lucru şi zi de repaos. Figura 1.8. Grafice de sarcină în decursul unei săptămâni 15
  16. 16. Figura 1.9. Diferenţe între alura graficelor de sarcină pentru zi de lucru (cu două vârfuri) şi zi de repaus (cu un singur vârf).În condiţiile din România, diferenţele dintre zona de vârf şi golul de noapte (cea maidescărcată zonă a curbei) variază în funcţie de sezon şi se situează în jurul valorii de25...30% din maximul zilnic. Sarcinile de vârf şi consumul lunar de energie electricăau valorile maxime în lunile decembrie şi ianuarie si valorile minime în lunile iunie şiiulie. Este de semnalat faptul că, în ultimii ani, în verile foarte călduroase, cutemperaturi extreme, se manifestă modificări semnificative datorită instalaţiilor de aercondiţionat. Consumul mediu lunar de energie electrică, precum şi sarcina medielunară au în cursul anului o variaţie sezonieră, asemănătoare cu aceea a sarcinilor devârf maxime lunare. Pentru caracterizarea regimului anual de variaţie a curbelor desarcină se utilizează indicele care reflectă durata de utilizare a sarcinii maxime anuale: Ean T= (1.3) Pmax, anexprimat ca raport dintre cantitatea de energie electrică produsă pentru consum internanual şi puterea (sarcina) de vârf maximă anuală.În sistemul energetic, contribuţia centralelor electrice trebuie să asigure acoperireacurbelor de sarcină în condiţi tehnice normale privind calitatea energiei livrate(frecvenţă, tensiune) precum şi funcţionarea în condiţii economice optime aproducătorilor de energie electrică. Tipurile de centrale electrice care asigurăacoperirea curbelor de sarcină depind evident de zonele caracteristicile ale acestora.Pentru acoperirea zonei de bază sunt indicate centrale cu flexibilitate scăzută înpornire/oprire, care au predominant o funcţionare continuă, de obicei cu o putereconstantă : — centralele de termoficare, cu puterea livrată dependentă de consumul decaldură cerut pentru termoficare; 16
  17. 17. — centralele termoelectrice de condensaţie (CTE), echipate cu grupuri demare putere şi parametri superiori; — centralele nuclearo-electrice, cu o producţie mare de energie practicconstantă pe toată durata de operare; — UHE pe firul apei, sau cu acumulări mici, în perioadele cu debite afluentemari, pentru a evita pierderi de energie prin deversarea apei.Pentru acoperirea zonei de semivârf sunt indicate: — centralele termoelectrice de condensaţie, care pot funcţiona în orele denoapte cu sarcină redusa sau pot fi oprite; — UHE cu acumulări pentru regularizare zilnică, în perioade de debitemijlocii;Pentru acoperirea zonei de vârf pot fi utilizate numai centralele care au elasticitatemare în funcţionare, care au posibilitatea de a fi puse în funcţiune şi de a fi oprite demai multe ori pe zi fără inconveniente tehnice, care au timp foarte scurt de pornire şiviteză de încărcare mare până la plină sarcină, care au randamente ridicate la sarcinivariabile şi la durate de utilizare reduse. Dintre toate tipurile de centrale, celehidroelectrice cu lacuri de acumulare mari au caracteristicile cele mai potrivitepentru o exploatare la vârf de sarcină. Acoperirea vârfului de sarcină o mai potasigura, dar cu costuri mult mai mari (vezi fig. 1.6), centralele cu turbine cu gaz şiCTE cu turbine de construcţie specială. Repartiţia sarcinii zilnice pe tipuri de centraleeste prezentată în figura 1.10. Figura 1.10. Acoperirea curbei de sarcină zilnică de către diferitele tipuri de centrale electriceDupă cum se observă în figură, vârful de sarcină este preluat de uzinele hidroelectrice(UHE) dar şi de uzinele hidroelectrice cu acumulare prin pompaj (UHEAP), a cărorprincipiude funcţionare se prezintă în paginile următoare. 17
  18. 18. Prin calităţile lor tehnice şi economice (elasticitate, fiabilitate, preţ de cost redus)centralele hidroelectrice sunt amenajări deosebit de adecvate şi pentru îndeplinireaoperativă a serviciilor tehnologice de sistem cum sunt: reglarea frecvenţei, reglajulsecundar frecvenţă-putere, rezerva turnantă, rezerva terţiara rapidă şi reglajultensiunii. Unele explicaţii privind serviciile tehnologice amintite sunt sumarprezentate în casetă.CONTROLUL UNUI SISTEM ENERGETICControlul activ de tensiune – frecvenţă se face în vederea menţinerii în limiteacceptabile ale valorii nominale a frecvenţei. Dispozitivele de control încearcă săechilibreze în timp real atât producţia cât şi cererea de electricitate. Cel mai importanteste controlul primar, care este un control local, automat al vitezei generatorului,realizat de regulatorul de viteză, acţionând asupra vanelor de control care regleazădebitul de apă care intră în turbină. Când viteza generatorului creşte, vana de controlreduce debitul intrat în turbină diminuând puterea mecanică. Un efect invers se obţinecând are loc o reducere a vitezei.Raportul dintre devierea de la viteza nominală şi creşterea energiei rezultate estecunoscut sub numele de droop, caracteristică intrinsecă a regulatorului de viteză.Acţiunea acestuia joacă un rol cheie în menţinerea frecvenţei cât mai aproape devaloarea sa nominală, evitând devieri semnificative de la aceasta. Caracteristicadinamică a acestui control se situează într-un interval de câteva secunde.Controlul tensiunii şi managementul puterii reactive se face în vederea menţineriiunui profil adecvat al tensiunii în sistemul de transport, din punct de vedere al calităţiifurnizării şi al siguranţei. Sistemele energetice sunt echipate cu dispozitive demanagement al puterii reactive/control al tensiunii. Controlul primar este un controlautomat local realizat de regulatorul automat de tensiune al generatorului, carereglează nivelul tensiunii la bara colectoare a blocului, acţionând asupra sistemului deexcitaţie care alimentează furnizarea cu curent continuu a rotorului. Se produce ovariaţiei în sensul creşterii/descreşterii puterii reactive care permite readucereanivelului de tensiune la valoarea prescrisă. Caracteristica dinamică a acestui control sesituează într-un interval de câteva secunde.Pornirea la rece înseamnă repornirea sistemului energetic în cazul în care are loc oîntrerupere completă a acestuia. În vederea pornirii la rece, grupurile generatoaretrebuie să realizeze pornirea sistemului energetic fără alimentări de energie de la reţea.Funcţia pornirii la rece include şi pregătirea de instrucţiuni detaliate pentru toţiparticipanţii implicaţi în activitatea de furnizare de electricitate, care trebuie respectateîn cazul unei opriri totale a sistemului.Funcţiile dinamice (reglajele) şi rezerva de putere ca şi funcţiile cinetice (urmărirea şiacoperirea sarcinii programate) nu sunt independente ci sunt interactive şi seînlănţuiesc. Astfel, urmărirea curbei de sarcină este un program de acoperire asarcinilor într-un anumit interval de timp, corectat în timp real în funcţie de ecarturilealeatoare de la starea de echilibru a sistemului prin acţionarea diferitelor reglaje. 18
  19. 19. În prezent, în România, centralele hidro sunt principalele furnizoare de serviciitehnologice de sistem, acoperind aproximativ 80% din rezerva minut a sistemuluienergetic. La acoperirea necesarului de putere de reglaj secundar participă opt centralehidroelectrice mari: Porţile de Fier I, Stejarul, Corbeni, Ciunget, Gâlceag, Şugag,Mărişelu şi Retezat. Puterea lor instalată însumează 2845 MW, din care o bandă totalăde 400…530 MW este prevăzută pentru acest reglaj.Atunci când condiţiile naturale nu oferă amplasamente favorabile sau economicamenajabile pentru UHE clasice, acoperirea vârfurilor de sarcină şi a serviciilor desistem se poate asigura prin uzine hidroelectrice cu acumulare prin pompaj (UHEAP).Aceste amenajări sunt alcătuite dintr-un rezervor inferior, care poate fi şi lacul deacumulare al unei UHE clasice, şi un rezervor superior (aflat la o cotă superioară), încare apa este acumulată prin pompaj. Pomparea se face atunci când în sistemulenergetic există un surplus de putere disponibilă, aşa cum se întâmplă în cursul nopţiisau în zilele de weekend. Din rezervorul superior apa este descărcată în rezervorulinferior prin turbine, producând energie electrică, în perioadele de vârf de sarcină(fig.1. 11 şi 1.12). La fel ca în cazul UHE clasice, grupurile turbină – generatorpornesc rapid şi acoperă cerinţele de sarcină sau de servicii de sistem. UHEAP suntsingurele înmagazinatoare de energie semnificative din sistem, contribuind laîmbunătăţirea factorului de sarcină. Aşa cum s-a mai arătat, prin UHEAP se poateîmbunătăţii şi aportul în sistem al energiei eoliene. Când bate vântul şi existădisponibil de energie acesta serveşte pompării apei în rezervorul superior. Turbinarease face la vârf de sarcină, asigurând acoperirea cerinţelor din sistem. Figura 1.11. Principiul uzinelor hidroelectrice cu acumulare prin pompaj (UHEAP)În multe dintre ţările cu sisteme energetice dezvoltate, unde resursele de hidroenergieclasică au fost epuizate sau nu pot fi valorificate datorită restricţiilor, UHEAPreprezintă singura alternativă pentru echilibrarea sistemului energetic. Un avantajsuplimentar constă în faptul că amplasarea lor nu este direct legată de condiţiilehidrografice ale unui bazin şi deci pot fi construite în centrul de grutate al consumului,cu avantaje semnificative privind distibuţia. La nivelul anului 2005, peste 20% dinturbinele cele mai mari din lume erau instalate în UHEAP. 19
  20. 20. Figura 1.12. Alternanţa pompare – turbinare la UHEAP1.3. HIDROENERGIA ŞI MEDIULOamenii şi acţiunile lor fac parte din mediul natural. Materialele de construcţie,energia, hainele, alimentele şi toate celelalte necesare vieţii provin din resursenaturale. Lumea în care trăim este puternic afectată de intervenţiile antropice pentrucrearea condiţiilor de viaţă, a comfortului, a siguranţei oamenilor. Pe măsură ceomenirea creşte şi se dezvoltă, oamenii devin din ce în ce mai dependenţi de resurseledin natură. Pentru satisfacerea multora dintre nevoile zilnice oamenii au nevoie deenergie electrică. Cele mai multe surse nu sunt regenerabile şi sunt în cantităţilimitate. Sunt necesare noi foraje de sondă, noi mine de cărbune şi de uraniu, imensedepozite de gaze naturale.Exploatarea oricăror surse de energie are un cost de mediu. Folosirea lor pentruproducerea de energie are de asemenea impact asupra aerului, a solului şi a apelor,deci noi costuri de mediu. Oamenii îşi doresc un mediu curat. În acelaşi timp oameniiîşi doresc energie pentru încălzirea şi iluminatul locuinţelor şi pentru a pune înmişcare toată gama de aparatură legată de comfort. Care este soluţia? Fie se reducecererea de energie electrică, fie se găsesc şi se dezvoltă acele surse care suntacceptabile din punctul de vedere al efectelor asupra mediului. Conservarea energieipare a fi o cale, dar creşterea continuă a populaţiei şi dorinţa de avea acces la comforta populaţiei din ţările în curs de dezvoltare fac ca rezultanta să conducă totuşi la cererisporite de energie electrică. În aceste condiţii, trebuie examinate toate categoriile desurse şi promovate cele mai eficiente şi acceptabile alternative.Hidroelectricitatea este una dintre soluţiile care răspunde acestui deziderat.Hidroelectricitatea foloseşte o sursă regenerabilă, nu poluează aerul apa şi solul, estesigură şi are costuri reduse. În plus, are caracteristici energetice care o facindispensabilă în sistemul energetic.Aşa cum s-a arătat, amenajările hidroenergetice cu lacuri de acumulare aduc şi altebeneficii semnificative: atenuează viiturile, asigură alimentarea cu apă a populaţiei şieconomiei, furnizează apă pentru irigaţii. Un beneficiu ce nu trebuie neglijat este 20
  21. 21. crearea de peisaje şi facilităţi pentru recreere, condiţii pentru pescuitul sportiv şipentru sporturi nautice.Amenajările pentru producerea de hidroelectricitate au şi efecte negative asupramediului natural sau social. Prin barare se inundă suprafeţe de teren, este afectatămigraţia peştilor, se colmatează zonele de acces în lac. Consecinţele ecologice aleacestor amenajări sunt favorabile sau nefavorabile, în funcţie de climat şi de condiţiilenaturale din amplasament.În ceea ce priveşte mediul social, amenajările hidroenergetice au efecte pozitive dar şinegative. Costurile sociale sunt date de modificarea folosirii terenurilor şi inundareacuvetei lacului, strămutarea populaţiei din amprenta amenajării, discomfortullocalnicilor pe perioada relativ lungă a execuţiei lucrărilor. În acelaşi timp dezvotareahidroenergetică aduce după sine noi drumuri bune, dezvoltarea turismului, locuri demuncă pentru cei ce o deservesc, dezvoltare orizontală a industriilor legate deîntreţinerea instalaţiilor şi construcţiilor etc. O sinteză a celor bune şi a celor rele esteprezentată în figura 1.13. Figura 1.13. Efecte favorabile (căsuţe albe) şi defavorabile (căsuţe gri) ale unei amenajări hidroenergeticeCele cîteva consideraţii de mai sus nu constitue o analiză, în adevăratul sens alcuvântului, a impactului amenajărilor hidroenergetice asupra mediului. Există înprezent numeroase publicaţii, iar la nivelul Asociaţiei Internaţionale a Hidroenergiei(IHA- International Hydropower Association) sunt dezvoltate proceduri specifice deanaliză. Ceea ce se poate spune în final este că hidroenergia are o istorie şi ocazuistică care permite cunoaşterea în detaliu a problemelor şi că bunele practici dereducere a efectelor negative asupra mediului sunt cunoscute profesiei. 21
  22. 22. 1.4. SCURT ISTORICCea mai veche utilizare a energiei apelor este atestată în China şi în Egiptul antic,unde au apărut roţile de apă. Vechii greci şi romanii utilizau mori de apă (cu roţihidraulice) pentru măcinatul grânelor. În figura 1.14 este prezentată o moară de apădupă descrierea lui Vitruvius, care include transmisii cu roţi dinţate. Figura 1.14. Moară de apă romanăPrimele roţi de apă, cu ax orizontal, erau puse în mişcare de apa care curgea printr-uncanal special amenajat (fig.1.15,a). Mai târziu randamentul roţilor de apă a fostîmbunătăţit prin crearea de căderi artificiale folosind jghiaburi pentru aducerea apei lapartea de sus a roţii (fig.1.15,b). Roţile erau puse în mişcare de greutatea apei careumplea cupele de pe periferia roţii. Se obţineau randamente de până la 85%. a b Figura 1.15. Roţi hidraulice: a – puse în mişcare de curent la baza roţii; b- puse în mişcare de căderea apei la partea superioarăÎn evul mediu roţile de apă au fost frecvent utilizate de meşteşugari. Au apărut şi noimaşini hidraulice. În Norvegia, cea mai utilizată maşină era Kvernkallen, care era oroată hidraulică cu ax vertical. Rotorul era format din pale radiale la care apa ajungeaprintr-un jgheab înclinat. Dispunerea palelor era artizanală, iar randamentele rar depăşeau50%. 22
  23. 23. În perioada revoluţiei industriale energia hidraulică a jucat un rol important îndezvoltarea industriilor textile şi a pielăritului. Primele oraşe industriale au fostasociate energiei apelor. Au fost construite baraje şi canale, iar ori de câte ori cădereadepăşea 5 m s-au instalat roţi hidraulice. Barajele mari şi lacurile de acumulare auapărut mult mai târziu şi ca urmare energia apei trebuia dublată de maşini cu aburpentru peroiadele cînd debitele erau mici.Renaşterea energiei hidraulice s-a produs odată cu dezvoltarea electricităţii şi ageneratoarelor. Prima uzină hidroelectrică s-a realizat în 1880 în Cragside,Northumberland. Construcţia de hidrocentrale a căpătat apoi avânt, s-au perfecţionatturbinele, au apărut lucrări hidrotehnice importante. La nivelul anului 1920, în StateleUnite ale Americii, 40% din energia electrică se producea pe cale hidro.Principiile care stau la baza uzinelor hidroelectrice au rămas aceleaşi şi în prezent.Amenajările hidroelectrice cuprind lacuri de acumulare create prin bararea cursurilorde apă, canale, conducte sau galerii de derivare a apei spre centrala hidroelectrică,unde sunt amplasate turbinele şi generatoarele. Pe plan mondial hidroelectricitateareprezintă cca un sfert din producţia de energie electrică şi este în continuă extindere.Sunt ţări în care energia hidro este dominantă în producţia de energie electrică. Liderisunt Norvegia (99 %), Congo (97 %) şi Brazilia (96 %). În figura 1.16 sunt prezentateţările cu cea mai mare producţie anuală de hidroenergie. Sunt înregistrate recorduriprivind puterea instalată în uzinele hidroelectric, dintre care se reamintesc Itaipu pefluviul Parana, pusă în funcţiune în 1982 la graniţa dintre Brazilia şi Paraguay, cu12600 MW, Three Gorge pusă parţial în funcţiune pe fluviul Yangze în China, cu18200 MW. Figura 1.16. Ţările cu cea mai mare producţie de hidroenergieÎn ceea ce priveşte perspectiva de viitor, cerinţa de surse energetice curate şiregenerabile constitue principalul motor al promovării amenajărilor hidro. Desigursunt necesare o serie de condiţii preliminare şi preocupări pentru îndeplinireaacestora. Construcţia unei amenajări hidroenergetice necesită studii îndelungateprivind regimul hidrologic al cursului / cursurilor de apă, privind condiţiilemorfologice şi geologice din amplasamente, privind impactul asupra mediului. Pebaza acestor studii se pot alege cele mai bune amplasamente şi se defineşte regimul deoperare al amenajării. Numărul de amplasamente care pot fi economic amenajate 23
  24. 24. hidroenergetic este limitat. În multe ţări amplasamentele favorabile s-au epuizat sausunt în curs de epuizare. Eforturile sunt mai mari dar şi cerinţele de energie suntcrescătoare şi la fel şi pretenţiile faţă de calitatea surselor energetice. Hidroenergia areun viitor cert.BIBLIOGRAFIEBlank, J. (2008). Micro-Hydropower for Municipal Water and Wastewater Systems inOregon. Oregon APWA Spring 2008 Portland ConferenceBoyle, G. (Ed.) (2004). Renewable Energy: Power for a Sustainable Future (SecondEdition). Oxford University Press / Open University.Encarta® Online Encyclopedia (2007). Hydro-Power. Microsoft Corporation.Jorde, K., Sommer, F. (2008). Lectures in Hydropower Systems. UNESCO –IHE,Delft.Kjølle, A. (2001). Hydropower in Norway. Mechanical Equipment. Trondheim.Krieger, G. (2007). Renewable energy for the future. VDMA - Power Systems.Frankfurt/Main, Germany. Conference on Renewable Energies for Embassies inGermany, Berlin.Lafitte, R., Bartle, A. (2000). The role and benefits of hydroelectric power.Hydropower and Dams World Atlas.Lejeune, A., Topliceanu, I. (2002). EREC 2002. Energies renouvelables etcogeneration pour le developpement durable en Afrique. Universite de Liege, Facultyof Science Applied.Prişcu, R. (1974). Construcţii Hidrotehnice. Editura Didactică şi Pedagogică,Bucureşti.Prişcu, R. , Bogdan, S., Luca, Gh., Stănucă, A., Guja,V. (1970). Amenajărihidroenergetice. În Manualul inginerului hidrotehnician, Volumul II, Editura Tehnică,Bucureşti.UPB. (2006). Hidroenergetica. www.hydrop.pub.ro / bcap4.USBR. Power Resources Office (2005). Hydroelectic Power. US Department of theInterior publications, Denver.Wikipedia (2008). Renewable energy. http:// Wikipedia.org. 24
  25. 25. 2 RESURSE HIDROENERGETICE ŞI SCHEME DE AMENAJARE2.1 RELAŢII DE CALCUL ŞI UNITĂŢI DE MĂSURĂ PENTRU PUTERE ŞIENERGIEPentru a facilita urmărirea noţiunilor legate de potenţial, putere şi energie este util de ase reaminti care sunt unităţile de măsură utilizate în energetică. Pentru putere, unitateade măsură în sistemul internaţional de unităţi de măsură (SI) este Watt –ul [W]. Înenergetică se utilizează multiplii acestuia: 1kW = 103 W şi respectiv 1MW = 103 kW = 106 WPentru energie, unitatea de măsură în sistemul internaţional de unităţi de măsură (SI)este Joule- ul [J]. În energetică se utilizează multiplii acestuia: 1kWh = 103 kW x 3600 s = 3,6 x 106 Jşi respectiv 1GWh = 106 kWh 1TWh = 109 kWhDacă un volum de apă V (m3) se află la cota H1 respectiv la înălţimea H(m) deasupraunui plan de referinţă de cotă H2, atunci posedă o energie potenţială (fig. 2.1): E p = ρg V H = 9,81 kN / m 3 ∗V ( m 3 ) ∗ H ( m ) = = 9,81 V H [kJ ] ( 2.1)Figura 2.1. Energia unui volum de apă aflat la cota H1 de un plan de referinţă 25
  26. 26. Dacă volumul V se scurge pe albia unui curs de apă în timpul t , atunci energiapotenţială devine energie cinetică, iar cursul de apă pe sectorul dintre H1 şi H2 areputerea P = E / t: E V P= = 9,81 H = 9,81Q H [kW ] (2.2) t tEnergia pe care cursul de apă o poate livra într-un an, denumită potenţial energetic alcursului de apă pe sectorul definit anterior, se obţine înmulţind puterea cu numărul deore dintr-un an. Dat fiind faptul că debitul râului variază în acest interval, atuncienergia livrabilă se calculează cu debitul mediu multianual Qm : Esector = 8760 P = 8600 Qm H [kWh / an] (2.3)Puterea hidroelectrică a cursului de apă se poate fructifica numai prin amenajareahidroenergetică a sectorului de râu. Puterea fructificabilă este mai mică pentru cănumai o parte din debitul râului poate fi trecut prin turbine, pe circuitele hidraulice aleamenajării apar pierderi de sarcină, transformarea energiei hidraulice în energiemecanică şi a energiei mecanice în energie electrică se face cu pierderi, intervenindrandamentele transformărilor. Relaţia de calcul a puterii devine: P = 9,81ε Qm η h ηt η g H br = 9,81ε ηG Qm H br (2.4)unde apar notaţiile: Hbr = căderea brută pe sector; ε = coeficientul de utilizare a debitului datorită deversărilor şi prelevărilorpentru alte folosinţe Qu debit mediu utilizabil ε= = Qm debit mediu afluent ηt = randamentul hidraulic, exprimat sub forma: ηh = H H br − hr = ∑ ; H br H brcu ∑h r pierderile de sarcina pe circuitul hidrauliciar ηt este randamentul turbinei, ηg este randamentul generatorului, iar ηG esterandamentul global, cu valori uzuale între 75 % şi 85%. 26
  27. 27. 2.2. POTENŢIALUL HIDROENERGETIC AL CURSURILOR DE APĂPrin inventarierea resurselor hidroenergetice se urmăreşte determinarea cantităţii deenergie care poate fi obţinută, variaţia ei în timp şi localizarea ei geografică.Inventarierea resurselor hidroenergetice se efectuează prin studii pe fiecare curs deapă în parte, pe baza datelor fizico-geografice, tehnice şi economice, ţinând seama decondiţiile specifice ale regiunii sau ţării respective.Potenţialul hidroenergetic teoretic (sau brut) reprezintă aportul tuturor resurselorde energie hidraulică naturală ale unui bazin, fără să ţină seama de posibilităţiletehnice şi economice de amenajare. El corespunde unei utilizări integrale a căderii şi adisponibilului de apă al bazinului, cu un randament ideal de 100%. Acest potenţialteoretic include atât potenţialul de suprafaţă, cât şi potenţialul liniar.Potenţialul teoretic de suprafaţă se referă la apele de la suprafaţa pământului şianume la cele de precipitaţii şi la cele de scurgere. Potenţialul teoretic de precipitaţiiEp, reprezintă echivalentul energetic al întregului volum de apă rezultat dinprecipitaţiile ce cad pe o anumită suprafaţă: Ep = 2,725 h S H0 [kWh/an] (2.5)unde: h- reprezintă înălţimea medie a precipitaţiilor, în mm/an; 2 S- mărimea suprafeţei, în km ; H0- altitudinea medie a suprafeţei, faţă de nivelul mării, sau faţă de un altreper, în m.Potenţialul teoretic liniar al cursurilor de apă reprezintă energia (sau puterea)maximă care se poate obţine de pe râul respectiv (sau de pe un anumit sector al său).Pentru un anumit sector al cursului de apă se obţine cu relaţiile ( 2.2) şi (2.3).Potenţialul teoretic (brut) este o mărime bine precizată care rezultă din anumiteoperaţii de calcul ce nu pot fi altfel interpretate. Din acest punct de vedere elreprezintă o mărime invariabilă în timp (admiţând că modificările climatice nu suntesenţiale) şi independentă de condiţiile tehnice sau economice. De aceea, deşi prezintădezavantajul de a nu fi o mărime fizică reală, potenţialul hidroenergetic teoretic estefolosit pentru studii comparative.Potenţialul tehnic amenajabil reprezintă puterea şi energia electrică care ar putea fiprodusă prin amenajarea potenţialului teoretic al cursurilor de apă, în măsura în careamenajarea este realizabilă în condiţiile tehnice actuale, şi ţinând seama de pierderilecare apar la transformarea energiei hidraulice în energie electrică (acestea reprezintain medie 20... 25% din potenţialul net). Din cauza acestor influenţe şi limitări,potenţialul tehnic amenajabil nu se poate determina decât în urma elaborăriischemelor de amenajare hidroenergetice.Potentialul economic amenajabil corespunde puterii şi capacităţii de producere deenergie a acelor uzine prevăzute in cadrul potenţialului tehnic, care pot fi amenajate incondiţii considerate economice la o anumită etapă de dezvoltare. Valoarea sa variazain decursul timpului, fiind permanent influenţată de o serie de factori energo- 27
  28. 28. economici şi de alt tip. În ultimile decenii au fost fluctuaţii importante, generate devariaţia preţului combustibililor fosili, de modificările climatice, de modul deapreciere a efectelor produse de amenajările hidroenergetice asupra mediului etc. Dinrezultatele obţinute în ţările europene se poate deduce că potenţialul care poate fiamenajat in condiţii economice variază între 18 şi 22 % din valoarea potenţialuluiteoretic de scurgere, respectiv între 50 şi 75% din valoarea potenţialului tehnic ame-najabil.2.3. EVALUAREA POTENŢIALULI HIDROENERGETIC LINIARPotenţialul hidroenergetic teoretic se calculează pe sectoare caracteristice ale fiecăruicurs de apă. Pe cursurile de apă mici, sectorizarea se face luând drept limite punctelede confluenţă cu afluenţii, zonele de schimbare a pantei râului, amplasamenteleprobabile ale uvrajelor amenajării. Pentru cursurile de apă importante, unde aportuldiferiţilor afluenţi este redus, potenţialul teoretic se poate calcula pe sectoare delungime egală, cuprinsă între 10 şi 100 km.Considerând un sector de lungime ∆L, între cotele H1 şi H2 cu debitul mediu Qm (fig.2.2), potenţialul energetic al sectorului este: ∆P = 9,81Qm ∆H [kW ] (2.6)unde Qm ( m3/s) este debitul mediu multianual pe sector. Figura 2.2. Notaţii pentru calculul potenţialului liniarDe regulă, în calcul se folosesc mai multe valori caracteristice ale debitelor: debitulmediu multianual Qm, debitele cu asigurarea de 50% şi de 95%, debitele medii alesemestrelor de iarnă, respectiv de vară. Potenţialul calculat pe baza debitului mediumultianual indică valoarea maximă a producţiei de energie care poate fi obţinută pesectorul de râu respectiv. Deoarece această valoare este influenţată de valorileextreme ale debitelor, se consideră că debitul cu asigurare 50% permite apreciereafuncţionării normale a uzinei hidroelectrice. Debitul cu asigurarea de 95% dă indicaţiiasupra energiei garantate, care poate fi obţinută prin amenajarea sectorului de râu. 28
  29. 29. Potenţialul calculat pe baza debitului mediu de iarnă sau de vară permite să seaprecieze repartizarea în timpul anului a producţiei de energie hidroelectrică.Potenţialul specific liniar exprimă gradul de concentrare al potenţialului teoreticliniar. Acesta se calculează prin raportarea potenţialului liniar la lungimea sectoruluide referinţă: ∆P ∆H pP / sector = = 9,81Qm = 9,81Qm i [kW / km] (2.7) ∆L ∆Lunde i este panta cursului pe sector (m / Km) .Dacă potenţialul se referă la energia produsă, luând în consideraţie debitul mediumultianual rezultă: ∆Esector = 8760 ∆P = 8600 Qm ∆H [kWh / an] (2.8)şi deci potenţialul specific energetic: ∆E p E / sector = = 8600 Qm i [kWh / km, an] (2.9) ∆LPentru inventarierea potenţialului liniar sunt necesare staţii hidrometrice, în vedereacunoaşterii regimului hidrologic al cursurilor de apă, şi ridicări topo, constând înnivelmente şi profile în lung, pentru stabilirea pantelor şi a căderilor. La inventariereapotenţialului hidroenergetic al României s-au studiat circa 25 000 km de râuri. Peaceasta cale s-au pus in evidenţă sectoarele cele mai bogate din punct de vederehidroenergetic, care oferă cele mai favorabile condiţii de amenajare. Pentrudeterminarea potenţialului tehnic amenajabil s-au elaborat scheme de amenajarepentru toate cursurile de apă mai importante, dotate cu un potenţial liniar mai mare de300 kW/km. La întocmirea acestor scheme s-a ţinut seama de condiţiile naturalelocale şi de restricţiile de mediu.Potenţialul hidroenergetic teoretic (brut) este reprezentat pe hărţi şi planuri prindiverse sisteme de reprezentare grafică, care încearcă, fiecare, să fie cât mai sugestive.Cea mai des folosită este reprezentarea prin benzi energetice, care se obţine printrasarea în lungul cursului de apă a unor benzi haşurate sau înegrite, a căror lăţimeeste proporţională, la o anumită scară, cu valoarea potenţialului liniar specific pesectorul respectiv.În figurile 2.3 şi 2.4 sunt redate benzile energetice ale principalelor cursuri de apă dinRomânia. În figura 2.3 benzile corespund evaluării din anii ’80 (Kogălniceanu, 1986).În figura 2.4 este reprodusă harta realizată de profesorul Dorin Pavel (Pavel, 1933)într-o lucrare de referinţă privind evaluarea forţelor hidraulice din România. Înaceeaşi lucrare se aprecia că teritoriul României dispune de o putere brută de cca 6000MW , cu o producţie de energie de 36 TWh / an. Cifrele se bazau pe studiul a unuinumăr de 567 de uzine hidroelectrice, concepute conform performanţelor tehnice aleperioadei respective. 29
  30. 30. 30 Figura 2.3. Potenţialul tehnic liniar al cursurilor de apă din România
  31. 31. 31 Figura 2.4. Benzile energetice reprezentând potenţilaul tehnic amenajabil evaluat de profesorul Dorin Pavel
  32. 32. Pentru reprezentarea potenţilului liniar se mai pot folosi linii paralele cu sectoarele derâu, care, potrivit unei legende stabilite, indică valoarea potenţialului hidroenergeticteoretic liniar specific. Uneori se reprezintă potenţialul brut prin figuri geometrice, acăror suprafaţă este proporţională cu valoarea potenţialului. Se folosesc foarte despătrate sau cercuri.Cea mai complexă reprezentare grafică o formează însă cea făcută în aşa numitacaracteristică cadastrală, sau cadastrul hidroenergetic (UPB, 2006). Aceastăreprezentare grafică conţine următoarele curbe, care caracterizeazxă bazinul râuluirespectiv: - profilul în lung al râului z = z(L); - suprafaţa bazinului funcţie de lungimea râului S = S(L); - variaţia debitului total în lungul râului Q = Q(L); - variaţia debitului specific q = q(L); - variaţia potenţialului specific p = p(L).De asemenea pe grafic se mai indică lungimea în kilometri, panta medie a fiecăruisector al râului i (‰) şi cotele z (în mdM) ale punctelor care delimitează fiecaresector. Printr-un cerc, haşurat sau înegrit pe jumătate, se indică punctele în care râulprimeşte afluenţi şi de pe care parte a sa vin aceştia (dreapta sau stânga).2.4. POTENŢIALUL HIDROENERGETIC AL ROMÂNIEIÎn România resursele de apă datorate râurilor interioare sunt evaluate la aproximativ37 miliarde m3/an, dar în regim neamenajat se poate conta numai pe aproximativ 19miliarde de m3/an, din cauza fluctuaţiilor de debite ale râurilor. Aportul anual alDunării, la intrarea în ţara noastră, este în medie de 170 miliarde m3/an (de peste 4 orimai mult decât toate râurile interioare), dar România poate beneficia numai de o cotăparte din acest stoc.Resursele de apă din interiorul ţării se caracterizează printr-o mare variabilitate, atât înspaţiu, cât şi în timp. Astfel, zone mari şi importante, cum ar fi Câmpia Română,podişul Moldovei şi Dobrogea, sunt sărace în apă. De asemenea, apar variaţii mari întimp a debitelor, atât în cursul unui an, cât şi de la an la an. În lunile de primăvară(martie-iunie) se scurge peste 50% din stocul anual, atingându-se debite maxime desute de ori mai mari decât cele minime. Toate acestea impun ca necesară realizareacompensării debitelor cu ajutorul lacurilor de acumulare.În ceea ce priveşte potenţialul hidroenergetic al României se apreciază că potenţialulteoretic al precipitaţiilor este de circa 230 TWh/an, potenţialul teoretic al apelor descurgere de aproximativ 90 TWh/an, iar potenţialul teoretic liniar al cursurilor de apăeste de 70 TWh/an. În tabelul 1.1 se indică valorile potenţialului hidroenergetic descurgere, procentul referitor la potenţialul din precipitaţii % Ep, potenţialul teoreticliniar considerat la debitul mediu şi potenţialul tehnic amenajabil, pentru câteva dinbazinele cursurilor de apă mai importante din România.Se observă că potenţialul teoretic liniar mediu al râurilor ţării, inclusiv partea cerevine României din potenţialul Dunării, se ridică la 70 TWh/an, din care potenţialultehnic amenajabil reprezintă 36 TWh/an (2/3 dat de râurile interioare şi 1/3 deDunăre). 32
  33. 33. Tabelul 1.1. Potenţialul hdroenergetic al României . Potenţialul hidroenergetic De scurgere Teoretic Tehnic Bazinul Suprafaţa liniar amenajabil Km2 TWh/an % Ep TWh/an TWh/an Someş 18.740 9,00 39 4,20 2,20 Crişuri 13.085 4.,50 43 2,50 0,90 Mureş 27.842 17,10 42 9,50 4,30 Jiu 10.544 6,30 48 3,15 0,90 Olt 24.507 13,30 38 8,25 5,00 Argeş 12.424 5,00 40 3,10 1,60 Ialomiţa 10.817 3,30 39 2,20 0,75 Siret 44.993 16,70 37 11,10 5,50 Total râuri interioare 237.500 90,00 39 51,50 24,00 Dunăre - - - 18,50 12,00 Total România 237.500 90.000 39 70,00 36,00Estimări mai recente, concordante de altfel cu evaluările din 1985, arată că potenţialulhidroenergetic atinge circa 40 TWh/an şi este astfel distribuit: - cursuri de apă interioare 25 TWh/an; - Dunărea, cota României 11,5 TWh/an; - micropotenţial 3,5 TWh/an.Valorile caracteristice ale diferitelor categori de potenţial hidroenergetic arată că oserie de bazine hidrografice, cum ar fi Siretul (care include şi râul Bistriţa), Oltul,Argeşul, Mureşul, prezintă un potenţial însemnat. Condiţii favorabile de amenajaresunt pentru mai multe râuri, cum ar fi Bistriţa, Argeşul, Lotru, Sebeşul, Someşul, RâulMare, Oltul, Siretul, ş.a.La nivelul anului 2005 producţia de energie a fost de cca 16 500 GWh/an, realizată înprincipal în 129 de centrale hidroelectrice. Puterea instalată în anul 2005 era de 6 335MW. Ehergia hidroelectrică reprezintă în medie 1/3 din producţia de energie electricăa României.2.5. POTENŢIALUL HIDROENERGETIC MONDIALPotenţialul hidroenergetic mondial, exprimat în putere, este de peste 2 milioane deMW, din care microhidro atinge 27 800 MW. Repartiţia pe continente a potenţialuluiamenajat şi cota procentuală pe care o reprezintă potenţialul amenajat raportat lapotenţialul evaluat la nivelul anului 2005 sunt prezentate în tabelul 2.2.Se constată că în timp a existat o tendinţă de creştere a valorii potenţialuluihidroenergetic teoretic şi amenajabil. Aceasta, pe de o parte, datorită creşterii precizieidatelor de bază, hidrologice şi topografice, iar, pe de altă parte, datorită progreselortehnicii în general şi în domeniul amenajării uzinelor hidroelectrice în special, ceea ce 33
  34. 34. a creat condiţii pentru folosirea unui potenţial considerat înainte ca neeconomic sau deneutilizabil. Tabelul 2.2. Rerpartiţia pe continente a potenţialului exprimat în putere Continentul Potenţial Potenţial amenajat MW MW % din potenţialAsia 610 000 222 637 36,5America de Sud 431 900 123 712 28,6Africa 358 300 21 644 6,0America de Nord 356 400 164 127 46,1Rusia 250 000 45 700 18,2Europa 245 500 179 502 73,0Australia 45 000 13 471 29,0TOTAL GLOB 2 200 000 778 138 35,3În ceea ce priveşte repartiţia teritorială se observă că Africa, considerată mult timpdrept continentul cel mai bogat în resurse hidroenergetice, nu deţine întâietatea, Asiaavând un potenţial de aproape două ori mai mare, iar în ceea ce priveşte potenţialulspecific (kWh/km2) Africa prezintă o valoare mai redusă chiar decât media mondială.În ceea ce priveşte potenţialul mondial tehnic amenajabil exprimat în energie,conform datelor IHA (Laffite şi Bartle, 2000), acesta este de 14 370 TWh/an, din care8080 TWh/an este economic amenajabil. La nivelul anului 2000 se produceau pe calehidro 2070 TWh/an, adică cca 19% din consumul total de energie pe glob. La aceaşidată, puterea instalată era de 674 GW, cu 108 GW în construcţie, iar în 2005 putereainstalată a crescut la 778 GW.Repartiţia pe continente a potenţialului hidroenergetic, a energiei produse annual şi agradului de amenajare (procentual) exprimat în energie este redată în figururile 2.5.şi2.6. Figura 2.5. Repartiţia pe continente a potenţialului hidroenergetic 34
  35. 35. Figura 2.6. Procente din potenţialul hidroenergetic care au fost amenajate şi contribuie la acoperirea consumului energetic mondialPentru formarea unor repere, în tabelul 2.3 sunt prezentate cele mai mari uzinehidroelectrice aflate în prezent (2008) în exploatare. Tabelul 2.3. Cele mai mari uzine hidroelectrice din lume Energie Putere produsă Nume Ţara Anul instalată anual Three Gorges China 2009 18,200 MW Itaipú Brazilia/Paraguay 1983 12,600 MW 93.4 TWh Guri Venezuela 1986 10,200 MW 46 TWh Grand Coulee Statele Unite 1942/80 6,809 MW 22.6 TWh Sayano Shushenskaya Rusia 1983 6,400 MW Robert-Bourassa Canada 1981 5,616 MW Churchill Falls Canada 1971 5,429 MW 35 TWh Porţile de Fier Romania/Serbia 1970 2,280 MW 11.3 TWhÎn figura 2.7 este prezentată situaţia amenajării potenţialului hidroenergetic european.În dreptul fiecărei ţări sunt trecute procentul din potenţial care este amenajat şiproducţia de energie în GWh/an. 35
  36. 36. 36 Figura 2.7. Amenajarea potenţialului hidroenergetic european
  37. 37. Aceleaşi date se regăsesc în figura 2.8, într-o reprezentare mai sugestivă. În abscisăsunt poziţionate ţările în ordine alfabetică, iar în ordonată producţia anuală de energie. Figura 2.8. Energia electrică produsă şi restul de potenţial neamenajat al ţărilor europene2.6. SCHEME DE AMENAJAREEnergia hidraulică naturală este distribuită destul de neuniform de-a lungul cursurilorde apă. Ea se consumă în cea mai mare parte ca energie de învingere a rezistenţelorpe care le opune curgerii patul neregulat al râurilor. Restul energiei se consumă prinacţiunea de erodare a albiei şi a versanţilor.Scopul amenajărilor hidroelectrice este reducerea într-o măsură cât mai mare apierderilor de energie şi concentrarea căderilor pe sectoare scurte, in vedereaproducerii de energie electrică. 37
  38. 38. Crearea unei căderi concentrate pe un curs de apă se poate realiza pe mai multe căi(fig. 2.9) : - prin construirea unui baraj care ridică nivelul apei şi reduce viteza de curgerepe o anumită distanţă în amonte (fig. 2.9, a); - prin derivarea apei din albia cursului printr-o aducţiune cu pantă redusă, careconduce apa cu pierderi de sarcină mici (fig. 2.9, b); - printr-o dispoziţie mixtă, de ridicare a nivelului şi de derivare a apei (fig. 2.9,c şi d). Figura 2.9. Scheme de amenajare standard 38
  39. 39. În figura 2.9 se remarcă şi construcţiile principale care intervin în cadrul unei scheme deamenajare. Astfel:Barajele de acumulare concentrează căderea în secţiunea de barare şi formează lacuri deacumulare importante pentru regularizarea debitelor, în timp ce barajele de derivaţie(stăvilarele) ridică local nivelul apei pentru a putea fi preluată de aducţiune.Prizele de apă, dispuse în corpul barajului sau mai adesea în versanţi, preiau debitele cemerg către turbine şi le dirijează în aducţiuni, sau , după caz, direct în conductele forţate.Aducţiunile, care pot fi canale cu nivel liber sau galerii sub presiune, transportă debitulturbinat către camerele de echilibru – camere de încărcare în cazul canalelor de aducţiuneşi respectiv castele de echilibru în cazul galeriilor de aducţiune.Camerele de echilibru sunt dispuse între aducţiuni şi conductele sau galeriile forţate. Eleau rolul de a limita suprapresiunile dinamice provocate de variaţiile de sarcină de lacentrală şi de a furniza debit pentru pornirea centralei, respectiv de a înmagazina debit laoprirea acesteia.Conductele sau galeriile forţate conduc apa de la camerele de încărcare spre centrală, peo diferenţă de nivel mare şi cu viteze şi presiuni mari.Centralele hidroelectrice cuprind construcţiile şi instalaţiile care asigură circuitulhidraulic către şi de la turbine, găzduesc turbinele şi generatorii, precum şi mecanismelede reglare a sarcinii, instalaţiile conexe, panourile electrice etc.Canalele sau galeriile de fugă conduc apele turbinate către punctele de restituţie încursurile de apă. În cazul uzinelor hidroelectrice care furnizează energie de vîrf şilucrează un număr limitat de ore pe zi, debitele turbinate sunt preluate de un bazin (lac)redresor, denumit în figura 2.9 regularizare, din care se descarcă în aval un debitcvasiconstant.În funcţie de modul de concentrare a căderii, se deosebesc trei tipuri principale deamenăjari hidroelectrice: amenajări uzină-baraj (fig. 2.9, a), când centrala este dispusă în imediataapropiere a barajului şi întreaga cădere este realizată numai prin intermediul barajului; amenăjări de derivaţie (fig. 2.9, b), când centrala este dispusă la capătul aval alunei derivaţii şi foloseşte căderea obţinută prin reducerea pantei de curgere prin aceastăderivaţie faţă de panta râului; amenajări mixte, cu baraj şi derivaţie, când centrala foloseşte căderea obţinută atât princonstrucţia barajului cât şi prin aceea a derivaţiei; schema din figura 2.9, c reprezintă osoluţie cu centrala situată la zi, iar schema din figura 2.9, d reprezintă o soluţie tot maides întâlnită, cu centrala situată în subteran.Se precizează că prin denumirea de uzină hidroelectrică (prescurtat UHE) se înţelegetotalitatea lucrărilor de construcţie şi a echipamentelor care alcătuiesc o amenajarehidroelectrică, de la captare şi până la punctul de restituţie a apelor turbinate. Princentrală hidroelectrică (prescurtat CHE) se înţelege numai construcţia care în principal 39
  40. 40. adăposteşte circuitul hidraulic către şi de la turbine, turbinele şi generatoarele şi instalaţiileanexe.2.6.1. Scheme de amenajare ale uzinelor hidroelectrice de tip baraj.La acest tip de amenajare întreaga cădere folosită de UHE este realizată princonstrucţia barajului. Clădirea centralei este aşezată în acelaşi amplasament, în corpulbarajului sau la piciorul barajului, ori imediat în aval de baraj, pe malurile sau înversanţii cursului de apă. Uzina are aducţiuni foarte scurte sau numai conducte saugalerii forţate.Căderile pentru care se construiesc aceste uzine sunt cuprinse între mai puţin de 5 mpână la peste 200 m, limita maximă atinsă fiind de 300 m (UHE Nurek pe râul Vahs-Rusia). Volumul lacurilor de acumulare create de barajele acestor uzine variază deasemenea în limile foarte largi, de la volume mici, care nu pot asigura decât ocompensare orară a debitelor, până la volume foarte mari, care permit o regularizaremultianuală a debitelor. Cele mai mari acumulări din lume s-au realizat la amenajărilecu uzine baraj de pe marile fluvii (UHE Bratsk, cu 179 miliarde m3 şi UHE Karibacu 160 miliarde m3 ).Uzine-baraj de cădere mijlocie sau mareLa acest tip de amenajare clădirea centralei este amplasată la piciorul barajului sauimediat în aval de baraj, pe malul cursului de apă sau în subteran, într-unul dinversanţi. Dispoziţia generală depinde de lăţimea albiei şi de tipul de baraj. Aducereaapei la turbine se realizează prin conducte forţate scurte, care traverseaza barajul, sauprin galerii forţate care străbat versanţii.Schema se utilizează pentru amenajarea fluviilor şi a râurilor mari în zonele de munte,la trecerea lor prin defilee. Sunt de preferat amplasamente care nu afectează localităţişi căi de comunicaţie importante. Pentru a crea o cădere mare se construesc barajeînalte, care la rândul lor formează lacuri de acumulare cu volume foarte mari. Celemai mari UHE existente sunt construite pe marile fluvii ca uzine-baraj, folosind înnumeroase cazuri baraje mai înalte de 100 m. Lacurile de acumulare ale acestoramenajări servesc mai multor tipuri de folosinţe, curent pentru alimentare cu apă şipentru atenuarea viiturilor. Uneori acest tip de schemă de amenajare se asociază unoracumulări pe râuri cu resursă energetică mai redusă, realizate preponderent pentru altefolosinţe. În astfel de situaţii se fructifică doar căderea creată, dar debitul uzinat esteredus şi deci şi puterea centralei. Aceste amenajări nu sunt de regulă importantepentru sistemul energetic.In cazul barajelor de beton, schema de amenajare a UHE este mai simplă, clădireacentralei fiind amplasată la piciorul barajului, sau lângă unul din maluri, pentru apermite descărcarea apelor mari peste cealaltă parte a barajului. Aducerea apei se faceprin conducte forţate scurte care traversează barajul, câte una pentru fiecare turbină,cu prize de apă pe paramentul amonte al barajului (fig. 2.10).Când valea este îngustă, centrala se amplasează la mijlocul văii, iar evacuarea apelormari se face printr-un deversor lateral, sau peste centrală printr-o trambulină. O altăsoluţie este poziţionarea centralei în aval de baraj, lângă unul din maluri. În acest caz 40
  41. 41. aducerea apei se face prin galerii de derivaţie prin versanţi, cu prizele de apă înversant sub forma unor turnuri de priză. Nivelul creat prin barare BARAJ Patul râului Nivelul vechi al râului Figura 2.10. Dispunrea clasică a unei UHE-baraj în cazul barajelor din betonSituaţia centralelor asociate cu bararea văilor înguste este ilustrată în figura 2.11, încare se prezintă UHE Tarniţa, de pe Someş, singura uzină – baraj din România. VEDERE ÎN PLAN SECŢIUNE PRIN CHE SECŢIUNE PRIN GOLIREA SECŢIUNE PRIN DE SEMIADÂNCIME DESCĂRCĂTOR Clapetă Baraj Grătar Vană Centrala segment hidroelectrică Golire de semifundConductă CHE CHUHE Tarniţa constitue treapta a doua a amenajării hidroelectrice a Someşului Mic. forţaţă Figura 2.11. AHE Tarniţa pe Someşul Mic 41
  42. 42. Centrala hidroelectrică are o putere de 45 MW, la o cădere de 80,50 m. Debitulinstalat este de 68 m3/s, iar producţia de energie de 80 GWh/an.Barajul şi centrala de la piciorul aval s-au amplasat într-o zonă de chei, cu condiţiimorfologice şi geologice bune. Barajul are 97 m înălţime, fiind foarte svelt. Centralaeste separată structural de baraj printr-un rost permanent. Prizele şi conductele forţateale celor două grupuri cu turbine Francis ale centralei hidroelectrice sunt plasate îndouă ploturi centrale. Descărcarea debitelor maxime se face printr-un descărcător desuprafaţă amplasat la malul drept şi prin două goliri de semiadâncime care au canalerapide ce bordează clădirea centralei.În cazul barajelor din materiale locale priza şi conductele forţate nu mai pot fiamplasate în corpul barajului. În plus, din cauza amprizei mari a barajului şi amodului de evacuare a apelor mari, centrala se dispune spre aval. Mai rar şi numaipentru baraje sub 80 m s-au realizat aducţiuni sub corpul barajului, sub formă deconducte metalice plasate în galerii purtătoare, cu prize de apă de tip turn. Uzualamplasarea centralei se face fie suprateran, la unul din maluri, sau în subteran, într-unul din versanţi. Cu titlu de exemplu, în fugura 2.12 este prezentată UHE Xiaolangdidin cadrul amenajării hidroelectrice a Fluviului Galben din China. La o cădere de139 m şi cu un debit instalat de 1200 m3/s, centrala subterană are o putere de 1800MW şi produce anual 5100 GWh. PLAN DE SITUAŢIE Galerii forţate CHE subterană Galerii de fugă Lac CHE Baraj PROFIL LONGITUDINAL PRIN CIRCUITUL HIDRAULIC Figura 2.12. Uzină-baraj, cu amplasarea centralei în subteran 42
  43. 43. În figura 2.13 este prezentată o uzină baraj de cădere medie la care blocul prizei esteamplasat în frontul barat. De această dată clădirea centralei este supraterană,poziţionată la un versant. La o cădere de 68 m centrala are o putere de 1240 MW.Conductele forţate, scurte, sunt pozate pe versant. 68 m Figura 2.13. UHE baraj de cădere mediePentru a evidenţia dimensiunile la care pot ajunge uzinele baraj realizate pe marilefluvii, în caseta următoare se prezintă, în ordinea intrării lor în exploatare, cele douăuzine hidroelectrice care deţin recordurile mondiale în ceea ce priveşte producţia deenergie şi respectiv de putere disponibilă. Pentru comparaţie este prezentată şiamenajarea hidroenergetică de la Boulder (Hoover), care la data intrării în exploatarea deţinut recordul mondial.Uzina hidroelectrică de la Itaipu pe fluviul Parana (figura 2.A1), dată în exploatare în1984, a fost realizată în comun de Brazilia şi Paraguay. Puterea instalată este de 14000 MW, fiind majorată în anul 2004 de la valoarea iniţială de 12 600 MW prinadăugarea a două noi grupuri. În prezent dispune de 20 de grupuri de 700 MW fiecare.Producţia record a anului 2000 a fost de 93,4 TWh. Din acest punct de vedere centralade la Itaipu păstrează primul loc în lume, depăşind ca producţie de energie cea maimare uzină hidroelectică ca putere şi anume Three Gorges care produce ”numai” 84TWh/an.Centrala are o cădere de 118,4 m, este echipată cu turbine Francis, iar debitul uzinatde fiecare turbină atinge 700 m3/s. Barajul care realizează căderea este un baraj evidat,de 196 m înălţime, cu o lungime la coronament de 1064 m. Descărcătorul este echipatcu 14 stavile segment de 20 x 21,3 m fiecare. Debitul capabil al descărcătorului estede 62 200 m3/s. Volumul lacului este de 29 miliarde de m3, iar volumul util de 19miliarde de m3.Este interesant de reţinut că în anul 1995 uzina de la Itaipu a fost inclusă între celeşapte minuni ale lumii moderne de către American Society of Civil Engineers(ASCE). 43
  44. 44. Câteva date care explică alegerea: volumul de beton utilizat pentru construcţia uzineiar fi ajuns pentru construcţia a 210 stadioane cu capacitate de 80 000 locuri fiecare,iar cu fierul utilizat se puteau construi 380 de turnuri Eifel. VEDERE ÎN PLAN de SECŢIUNE PRIN CENTRALĂ VEDERE DIN AVAL Figura 2.A1. Amenajarea hidroenergetică Itaipu, pe fluviul Parana 44

×