1. Uvod Hidroelektrana je postrojenje u kojem se potencijalna energija vode najprije pretvara u kinetičku energiju njezinog strujanja, a potom u mehaničku energiju obrtanja vratila turbine te, konačno u električnu energiju u električnom generatoru. Hidroelektranu u širem smislu čine i sve graĎevine i postrojenja, koje služe za prikupljanje (akumuliranje), dovoĎenje i odvoĎenje vode (brana, zahvati, dovodni i odvodni kanali, cjevovodi itd.), pretvorbu energije (vodne turbine, generatori), transformaciju i razvod električne energije (rasklopna postrojenja, dalekovodi) te za smještaj i upravljanje cijelim sistemom. One se mogu podijeliti prema njihovom smještaju, padu vodotoka, načinu korištenja vode, volumenu akumulacijskog bazena, smještaju strojarnice, ulozi u elektroenergetskom sistemu, snazi itd. Prema instaliranoj snazi HE za naše uslove se dijele na: Velike hidroelektrane - Vece od 100 MW isporucuju energiju u velike elektroenergetske mreže Srednje hidroelektrane – 10 - 100 MW obicno isporucuju energiju u mrežu Male hidroelektrane – 0,5 - 10 MW obicno isporucuju energiju u mrežu Mini hidroelektrane - 100 - 500 kW - Otočni rad ili, što je češći slucaj, isporucuju energiju u mrežu Mikro hidroelektrane - 5 - 100 KW - Obicno daju energiju za malo naselje ili ruralnu industriju na udaljenijim podrucjima udaljenima od mreže Piko hidroelektrane - Od nekoliko stotina W do 5 kW - Podrucja udaljena od mreže Razlika izmeĎu velikih i malih hidroelektrana, odnosno donji i gornji granični iznosi snage u cijelom svijetu pri tome nisu jednoznačno odreĎeni pa se, na primjer, mogu kretati od 5 kW (u Kini) do 30 MW (SAD-u), dok se kod nas malom smatra HE snage izmeĎu 0.5 do 10MW. Male hidroelektrane su postrojenja u kojima se potencijalna energija vode (transformirana energija sunčeva zračenja) najprije pretvara u kinetičku energiju njezinog strujanja (u statoru turbine), a potom u mehaničku energiju (u rotoru turbine) obrtanja vratila turbine te, konačno, u električnu energiju u generatoru. Svjetski energetski trend posljednjih godina je sve veći iskorak ka obnovljivim izvorima energije. Za male hidroelektrane se smatra da nemaju nikakav štetan utjecaj na okoliš, za razliku od velikih čija se štetnost opisuje kroz velike promjene ekosistema (gradnja velikih brana), utjecaji na tlo, poplavljivanje, utjecaji na slatkovodni živi svijet, povećana emisija metana i postojanje štetnih emisija u čitavom životnom ciklusu hidroelektrane koje su uglavnom vezane za period izgradnje elektrane, proizvodnje materijala i transport. Velike količine vode u cjevovodima pitke vode same se nameću kao potencijalni izvor energije. S obzirom da je protok kroz cjevovod postoji kod vodocrpilišta, posebno na dijelu cjevovoda oko izvorišta, vodosprema i crpilišta, gdje se tok vode kroz cijevi uglavnom postiže samom gravitacijskom silom, postavljanje turbine i pripadnih električnih generatora su zahvati koji ne ugrožavaju dobavu pitke vode, a istovremeno proizvode električnu energiju. Danas se za tehnologiju vezanu za hidroenergiju, koja se smatra obnovljivim izvorom energije, može reći da je tehnički najpoznatija i najrazvijenija na svjetskoj razini, sa iznimno visokim stepenom učinkovitosti.Istraživanja su pokazala da 22% svjetske proizvodnje električne energije dolazi iz malih i velikih hidroelektrana.
2. Podjela i dijelovi malih hidroelektrana 2.1 Podjela malih hidroelekrana Male hidroelektrane se dijele: a) prema zahvatu: - protočne, bez akumulacijskog bazena sa bočnim zahvatom iz glavnog vodotoka -akumulacijske, s prirodnim ili umjetnim akumulacijskim bazenom - branom (sa dnevnim, nedeljnim, godišnjim ili višegodišnjim izravnjavanjem) b) prema regulisanosti protoka: -MHE sa protokom koji se može podešavati-regulacija protoka na ulazu u turbinu (ručna ili automatska) -sa stalnim protokom, bilo zbog stvarne prirode opterećenja, ili uništavanjem viška energije c) prema povezanosti sa mrežom i načinom rada: - izolovane elektrane - samostalni rad - elektrane vezane na mrežu - paralelni rad - elektrane koji rade pod režimom ±on - off± - elektrane u kojima radi jedna, dve ili više jedinica - elektrane koje rade po potrebi, u zavisnosti od potrošnje d) prema instalisanoj snazi HE za naše uslove - džepne HE do 20kW - mini HE od 20 do 500kW - male HE od 0.5 do 10MW 2.2 Dijelovi malih hidroelektrana Sistem male hidroelektrane se sastoji od svih objekata i dijelova koji služe za skupljanje, dovoĎenje i odvoĎenje vode, za pretvaranje mehaničke u električnu energiju, za transformaciju i razvod električne energije. Razlikuju se sljedeći karakteristični dijelovi hidroelektrane: brana ili pregrada, zahvat, dovod, vodna komora, tlačni cjevovod, strojarnica (turbina, generator, ...) i odvod vode. Prema tipu hidroelektrane mogu neki od dijelova potpuno izostati, a u drugim slučajevima može isti dio preuzeti više funkcija.
Princip sistema male hidroelektrane Brane ili pregrade imaju višestruku namjenu tj. služe za skretanje vode s njezinoga prirodnog toka prema zahvatu hidroelektrane, povišenje razine vode radi postizanja boljeg pada i ostvarivanje akumulacije.
Zahvat vodu zaustavljenu pregradom prima i upućuje prema hidroelektrani. Postoje dva tipa zahvata, zahvat na površini i zahvat ispod površine. Dovod spaja zahvat s vodnom komorom. Može biti izgraĎen kao kanal ili tunel. Tunel može biti izgraĎen kao tlačni ili gravitacijski, hidroelektrane s tlačnim tunelom su puno elastičnije u pogonu jer mogu bez ikakvih djelovanja slijediti promjene opterećenja. Tlačni privod služi za voĎenje vode iz vodne komore do turbine. Najćešće se izraĎuju od čelika, a za manje padove i od betona. Gravitacijski privod ima slobodno vodno lice. Profil je uglavnom trapeznog oblika. Izvodi se u kanalima i rovovima čija se konstrukcija izvodi tako da se postignu najmanji hidraulički gubici. Vodna komora se nalazi na kraju dovoda. Dimenzioniranje vodne komore ima velik utjecaj na pravilno funkcioniranje hidroelektrane. U strojarnici (mašinska hala) se nalaze generatori zajedno sa turbinama. Hidrogeneratori se rade pretežno u vertikalnoj izvedbi zbog ekonomičnije izvedbe hidrauličkog dijela elektrane. Hidrogeneratori s horizontalnom osovinom susreću se u postrojenjima manje snage ili kad dvije Pelton ili Francis turbine pogone jedan generator. Na ulazu u tlačni cjevovod se nalazi zaporni ureĎaj koji ima sigurnosnu ulogu. On automatski sprječava daljni dotok vode u cjevovod ako pukne cijev. Postavljanje zapornih ureĎaja na dnu tlačnog cjevovoda ovisi o broju turbina koje su spojene na jedan cjevovod. Vodna turbina je pogonski stroj u kojem se potencijalna energija vode pretvara u kinetičku energiju, a zatim promjenom količine gibanja u radnom kolu, u mehaničku energiju vrtnje.Vratilo turbinskog radnog kola spojeno je u pravilu sa generatorom u kojem se mehanička energija obrtanja pretvara u električnu energiju. S obzirom na način pretvorbe energije odnosno prema promjeni tlaka vode pri strujanju kroz radno kolo, vodne turbine dijele se na: pretlačne (reakcijske) i turbine slobodnog mlaza (akcijske, impulsne turbine). Pretlačnim turbinama nazivaju se vodne turbine u kojima je tlak na ulazu u rotor veći od onoga na njegovom izlazu. U pretlačnim se turbinama dio potencijalne energije transformira u kinetičku energiju u statoru, a dio u rotoru. Zakretanje radnog kola uzrokuje promjena količine gibanja i reaktivne sile (razlika tlaka,Coriolisova sila i dr.)U pretlačne turbine spadaju Francisova,Kaplanova,Propelerna i Deriazova turbina. U turbinama slobodnog mlaza je tlak na ulazu u rotor jednak tlaku na njegovom izlazu, jer se sva potencijalna energija transformira u kinetičku energiju vode u statoru (sapnici) turbine. Zakretna sila nastaje samo na temelju promjene količine gibanja zbog skretanja mlaza u radnom kolu.Turbine slobodnog mlaza su Pelton , Turgo i Banki-Michell turbina (za velike vodene tokove i manje padove od Peltonove turbine, izvodi se sa horizontalnom osovinom). 3. Izvedbe malih hidroelektrana Da bi se hidroelektrana smatrala malom hidroelektranom, sa ciljem zaštite okoliša, pod samim pojmom se kategoriziraju energetski objekti koji iskorištavaju hidropotencijal, a istovremeno imaju sljedeća svojstva: -karakterizira ih protočni rad ili iznimno mala akumulacija (minimiziran utjecaj na vodotok) -paralelan rad sa mrežom i ugradnja asinkronih generatora -kod objekata sa instaliranom snagom manjom od 100 kW nema gradnje trafostanice već se predviĎa izvedba transformatora na stupu -postrojenje se sastoji od brane (niskog preljevnog praga), dovodnog kanala i/ili cjevovoda, zgrade strojarnice i odvodnog kanala -preljevni prag služi samo zato da uspori vodotok prije ulaska u dovodni kanal -umjesto niskog preljevnog kanala može se upotrijebiti tzv. tirolski zahvat -dovodni kanal zatvorenog tipa predviĎen je samo za voĎenje zahvaćene vode po strmim obroncima i većim dijelom je ukopan (može biti i potpuno ukopan) -dovodni kanal otvorenog tipa predviĎen je za veće količine vode i u pravilu se nalazi na manje strmim terenima
-tlačni cjevovod treba biti što manjih dimenzija i predviĎen je da vodu najkraćim putem dovede do strojarnice -zgrada strojarnice je što manjih gabarita i operacija je u potpunosti automatizirana -odvodni kanal je otvoren i kratak i njime se voda vraća iz strojarnice u vodotok (ova voda je gotovo redovito jako obogaćena kisikom, tako da se ribe rado zadržavaju u ovom području). Ako se pri kategorizaciji i projektiranju malih hidroelektrana drži ovih načela utjecaji na okoliš su svedeni na minimum. 3.1 Niskotlačne MHE sa strojarnicom na dnu brane Male hidroelektrane si ne mogu priuštiti gradnju velikih rezervoara ili akumulacija da se koriste zalihama vode kada je to najpogodnije.Cijena izgradnje relativno velike brane bi bila preskupa i ekonomski neisplativa.Ali ako je akumulacija već izgraĎena za druge svrhe, kao što su zaštita od poplave, navodnjavanje, prikupljanje vode za velike gradove,područja i slično, moguće je proizvoditi električnu energiju koristeći postojeći odvod ili prirodni tok rezervoara (akumulacije).Ako brana već ima ispusni otvor moguća je izvedba MHE prikazana na slici.
Niskotlačna MHE s korištenjem postojeće brane 3.2 Niskotlačne MHE sa sifonskim odvodom U slučaju da brana nije previsoka može se ugraditi sifonski dovod.Integralni sifonski dovod omogućuje elegantnu izvedbu postrojenja,najčešće do visine 10 m i za postrojenja do 1000 kW, iako postoje postrojenja sa sifonskim dovodom sa instaliranom snagom do 11 MW (Švedska) i visine do 30.5 m (SAD). Turbine mogu biti smještene na vrhu brane ili na nizvodnoj strani.
Niskotlačna MHE – sifonski dovod 3.3 MHE integrirane unutar kanala za navodnjavanje Postoje dvije izvedbe malih hidroelektrana koje koriste kanal za navodnjavanje: 1. Ako je kanal dovoljno velik za smještaj zahvata, strojarnice,odvoda i bočnog obilaza za vodu. Slika prikazuje izvedbu takve vrste sa uronjenom strojarnicom opremljenom sa desno kutnom pogonskom Kaplanovom turbinom.Da bi osigurali opskrbu vode za natapanje izvedba mora sadržavati bočni obilaz u slučaju gašenja turbine. Ovakva izvedba zahtjeva projektiranje istovremeno kada i projektiranje kanala za natapanje, jer bi ugraĎivanje u kanal koji je već u funkciji mogla biti vrlo skupa opcija.
MHE integrirane unutar kanala za navodnjavanje 2. Ako kanal već postoji, pogodna opcija prikazana je na slici. Kanal bi trebalo neznatno povećati za smještaj zahvata i preljeva. Da se širina zahvata reducira na minimum, treba ugraditi izduženi preljev.Od zahvata se voda kroz tlačni cjevovod dovodi do turbine, a zatim se kroz kratki ispust vraća u kanal. Uglavnom u kanalima nema migracije riba pa su prolazi za ribe nepotrebni.
MHE integrirane unutar kanala za navodnjavanje 3.4 MHE ugraĎena u vodoopskrbni sustav Voda za piće se isporučuje u grad transportom vode iz povišenog rezervoara kroz cjevovod pod pritiskom. Uobičajeno, u takvim vrstama instalacije disipacija energije na nižem kraju cjevovoda, na ulasku u postrojenje za pročišćavanje vode, se ublažava korištenjem specijalnih ventila. Smještanjem turbine na kraj cjevovoda, da pretvori ionako izguljenu energiju u električnu, je zgodna opcija, pod uvjetom da se uzbjegne vodeni udar. Da bi se osigurala trajna opskrba vodom mora biti ugraĎen sustav obilaznih ventila. U nekim vodoopskrbnim sustavima turbina ima ispust u otvoreni bazen ili jezero. Sustav za kontrolu održava nivo vode u bazenu. U slučaju mehaničkog zastoja ili zastoja turbine, sustav obilaznih ventila takoner može održavati razinu vode u bazenu. U slučaju da glavni obilazni ventil ispadne iz pogona pojavljuje se nadtlak, te se pomoćni obilazni ventil brzo otvori. Kontrolni sustavi su još složeniji u sustavima gdje je izlaz iz turbine podvrgnut protupritisku vodene mreže.
MHE ugrađena u vodoopskrbni sustav
4.Projektovanje malih HE Pročitaj i izaberi sta mislis da trebamo staviti u nas seminarski…formule su bitne jer je to jedini proračun koji imamo a Osmic je valjda rekao da moramo imati i neki proracun… To se sve nalazi u fail-u 912424oie_3poglavlje_0809.pdf od sranice 8 do strane 22 kad gledas gore u pdfu stranice
3.2. Projektiranje malih HE
Poznavanje i izgraĎenost prostora nužni su kako sa stajališta mogućnosti unošenja novih zahvata, tako i sa stajališta utjecaja novog zahvata na postojeće i planirane zahvate. Podaci se nalaze u postojećim dokumentima, katastrima, kartografskim materijalima, a neke je potrebno snimiti. Izbor odgovarajućih rješenja neposredno je ovisan o svojstvima sredine u kojoj se planira gradnja male hidroelektrane (priroda, izgraĎeni prostori), kao i o raspoloživosti materijala za graĎenje, mogućnosti izgradnje nosive (stabilne i čvrste), uporabljive i trajne graĎevine pouzdane u korištenju. Budući da se hidrotehničkim zahvatima neposredno mijenja stanje vode u prirodi što posredno djeluje na stanje okoliša manje ili više intenzivno, razmatraju se ona moguća rješenja, koja su ekološki prihvatljiva – rješenja koja podržavaju održivi razvoj. Gradnja male hidroelektrane je zahvat u funkciji razvoja društva -neophodno je uskladiti rješenja s ostalim sudionicima izgradnje i korištenja raspoloživih bogatstava, a ne manje važno je pripremiti ekonomski prihvatljiva rješenja. Nakon prikupljanja podloga i izvršenja odgovarajućih istražnih radova, te njihove obrade, pristupa se analizi mogućnosti prirodnih vodotoka i mogućnosti iskorištenja hidroenergetskog potencijala izgraĎenih objekata na malim vodotocima. Prilikom projektiranja malih HE potrebno je razmoriti slijedeće: 1. Geološke karakteristike 2. Hidrološki i meteorološki istražni radovi 3. Stanje na terenu 4. Bruto energetski potencijal 5. Veličina izgradnje male HE 6. Izbor turbine i neto snaga za male HE 1. Geološke karakteristike 1.1. Oblik zemljišta Konfiguracija terena prikazuje se geodetskim kartama različitih mjerila. Karte služe za smještaj hidroelektrana na teren u vidu preglednih situacija, te su podloga za hidrološke, hidrauličke i geotehničke proračune, kao na primjer: definiranje slivnog područja, proticajni profili vodotoka i profili terena. U Geodetskoj upravi nalazi se sav osnovni kartografski materijal o Hrvatskoj. Katastar geoloških, hidrogeoloških i sličnih istraživanja nalazi se u Geološkom institutu.
1.2. Svojstva zemljišta Ovisno o veličini i utjecaju zahvata na prostor potrebno je poznavati svojstva zemljišta šireg ili užeg prostora, sa stajališta površine i dubine do koje se očekuje značajno meĎudjelovanje graĎevine i prostora u kojem se ona izvodi. Općenito treba osigurati mehaničku i kemijsku stabilnost temelja, kao i vododrživost prostora u kojem se izvode hidrotehničke graĎevine. 1.3. Geodetski istražni radovi Potrebni samo u iznimnim situacijama: - snimanje uzdužnog profila, kada se iz raspol. topografskih karata ne može na nekom (dijelu ili cijelom) vodotoku dovoljno točno odrediti uzdužni pad, - snimanje uzdužnog i nekoliko poprečnih profila na dijelu vodotoka pogodnom za izgradnju brane i formiranje akumulacije, - snimanje uzdužnog profila na dionicama sa koncentracijama pada (kaskade, vodopadi, brzaci i sl.), - odreĎivanje kote gornje i donje vode kod postojećih umjetnih koncentr. pada. 2. Hidrološki i meteorološki istražni radovi 2.1. Osnovne hidrološke karakteristike na proticajnom profilu vodotoka Proticajni profil vodotokova - definira proticajne površine uzduž vodotoka, a dobije geodetskim snimanjem prirodnog korita poprečno na smjer toka. Vodostaj se kontinuirano mjeri vodokazom (fiksnim vodomjernim letvama na mjestu vodomjerne postaje i iz tih mjerenja se, statističkim i vjerojatnosnim računanjem, dobiju reprezentativni vodostaji za neki proticajni profil. Konsumpcijska (proticajna) krivulja definira prosječan odnos vodostaja i protoka u nekom trenutku na mjestu razmatrane vodomjerne postaje. TakoĎer se dobije statističkim proračunom iz niza simultanih mjerenja vodostaja i protoka.
Protok se na mjestu vodomjerne postaje odreĎuje u pravilnim vremenskim razmacima. Za svaki izmjereni vodostaj protok se izračuna pomoću konsupcijske krivulje, a zatim se statističkim i vjerojatnosnim računanjem, dobiju reprezentativni protoci za neki proticajni profil. Računa se da su podaci tokom dana konstantni te se iz njih dobiju srednji mjesečni podaci, koji ovise o dobu godine i vlažnosti toga razdoblja. Na osnovu tih, kronološki poredanih, srednjih protoka dobije se godišnja krivulja protoka.
Krivulja protoka: Raspodjela srednjih protoka vodotoka
Krivulja protoka Q [m3/s] - količina vode u ovisnosti o vremenu. Ukoliko se umjesto kronološki uredi prema veličini – krivulja trajanja protoka (obično na promatr. profilu za prosječna za mjerenja u 10 god.) Ako takvi podaci ne postoje ili su nedostupni, pristupa se dodatnom motrenju kroz kraće vremensko razdoblje od mjerodavnog.
Krivulja protoka (a) i krivulja trajanja protoka (b) Mjerenje protoka za male vodotokove Fluktuacije vodostaja i brzina prolaza vodnog vala, kod malih vodotoka (tipično za male HE) vrlo su brze. Moguće ih je registrirati samo kontinuiranim mjerenjima pomoću instrumenta za mjerenje brzine tekućine - limnigrafskim ureĎajem. Mjerenje protoka pomoću limnigrafskog ureĎaja Instrument se uranja u vodotok i kalibrira prema površini presjeka na tom mjestu. Podaci se pohranjuju u elektroničku memoriju.
2.2. Klimatološka svojstva područja izgradnje Klimatološka svojstva područja izgradnje promatraju se sa dva stajališta 1. GraĎenja i korištenja, te 2. Eventualnih promjena koje mogu nastati zbog izgradnje hidrotehničkih sustava odnosno graĎevina. Stanje u dijelu atmosfere, kojima se bavi klimatologija, a značajno je sa stajališta hidrotehničkih graĎevina, opisuju: - temperatura vode i zraka, - vlažnost, - vjetar, - isparavanje sa zemljišta, bilja i vodene površine, - oborine, - insolacija. 3. UtvrĎivanje stanja na terenu Ako nije moguće prikupiti podatke potrebne za odreĎivanje bruto potencijala vodotoka, pristupa se pregledu cijelog vodotoka (ili samo nekih dijelova). Pri tome treba procjenjivati i bilježiti sve karakteristike vodotoka i okolnog zemljišta. Prikupljanje podataka o vodotoku uključuje slijedeće: - opis nastanka i procjena osnovnih karakteristika vodotoka, - obraslost zemljišta i obraĎenost površina ima značajan utjecaj na koeficijent otjecanja i stupanj erozije u slivu, - geometrijske karakteristike, ustaljenost i obraslost protjecajnog presjeka, - maksimalni vodostaji često ostavljaju tragove na terenu, a posebno na objektima uz vodotok. - minimalni i normalni vodostaji raspoloživi kroz veći dio godine posebno su zanimljivi za procjenu iskoristivosti malih vodotoka. 4. OdreĎivanje bruto-energetskog potencijala Svakom profilu vodotoka odgovara odreĎena kota H (visina iznad površine mora) i odreĎeni srednji protok Q, pa se vodotok može prikazati Q-H dijagramom vodotoka. Pri odreĎivanju srednje snage i energije vodotoka, pretpostavljeno je da je sva voda energetski iskoristiva, od izvora do ušća, te da se potencijalna energija vode pretvara (npr. u mehaničku) bez gubitaka. Postupak se osniva na izrazu za bruto snagu i energiju: P=9,84·Qs·Hb [kW] W=P·T [kWh] gdje je: Q - srednji protok za promatrano razdoblje [m3/s] H - bruto pad (prirodni) u [m] T - promatrano razdoblje u [h] (obično 1 god = 8760 h) 5. OdreĎivanje veličine izgradnje male HE
Za odreĎivanje veličine izgradnje male HE mogu se postaviti neki općeniti principi i pojednostavljena metodologija, u odnosu na onu koja se primjenjuje kod velikih HE. Kod utvrĎivanja principa odreĎivanja veličine izgradnje za male hidroelektrane moraju se razlikovati tipovi postrojenja, kod kojih se osnovne koncepcije utvrĎivanja instaliranog kapaciteta meĎusobno bitno razlikuju: 5.1. Male HE predviĎene za samostalan rad (kod lokacija udaljenih od distributivne elektroopskrbne mreže za samostalnu opskrbu izoliranih potrošača) 5.2. Male HE vezane na distributivnu mrežu Općenito treba težiti da mala HE bude vezana na distributivnu mrežu uz mogućnost samostalnog rada u slučaju raspada sustava. Iskoristivi volumen i protok i veličina izgradnje Iskoristivi volumen (m3) ovisan je o veličini izgradnje Qi odreĎuje se iz krivulje trajanja protoka Q = f(t) prikazane na slici ∫
Srednji iskoristivi protok (m3/s) je onaj konstantni protok u kojem bi za isto razdoblje na promatranom profilu toka protekla količina vode Vi
5.1. Male HE predviĎene za samostalan rad Protočna postrojenja Veličina izgradnje odreĎuje se na temelju krivulje trajanja protoka. Odluka se donosi na osnovu malih vodotoka neke odreĎene frekvencije: kod protočnog postrojenja kao jedinog izvora energije za izoliranog potrošača sigurnost u opskrbi energijom ovisi samo o prirodnim protocima, pa su one i presudne za kriterij odreĎivanja veličine izgradnje (trajanje malih voda u sušnom razdoblju). Tipična krivulja trajanja protoka: Qi je instalirani protok, a Qp% je protok (ili veći od njega) koji stoji na raspolaganju p % vremena, (100-p)% vremena su protoci manji od instaliranog, te će tada trebati provoditi redukciju potrošnje energije.
5.1. Male HE predviĎene za samostalan rad Postrojenja s akumulacijom za promjenjivo dnevno reguliranje dotoka. Ukoliko na odabranoj lokaciji postoje povoljni hidrološkomorfološki uvjeti za formiranje akumulacije za potpuno ili djelomično dnevno izravnanje, princip odreĎivanja veličine izgradnje razlikuje se od prethodnog slučaja jer je reguliranjem dotoka uz pomoć akumulacije moguće koncentrirati proizvodnju na kritična dnevna razdoblja. Oscilacije potrošnje energije u toku 24 sata ovise o vrsti konzuma i prikazuju se pomoću dnevnog dijagrama opterećenja. Protočna postrojenja s rezervnim diesel agregatom.Ako se uz protočno postrojenje instalira rezervni diesel agregat, protoci u sušnom razdoblju nisu više odlučujući, pa se postrojenje može instalirati na veći protok. Instalirana snaga odabrat će se veličinom kod koje će marginalni troškovi proizvodnje električne energije iz male HE i diesel agregata dostići minimalnu vrijednost. 5.2. Male HE vezane na distributivnu mrežu Izborom paralenog rada kao osnovnog režima rada, omogućeno je da mala HE u svakom trenutku, u okviru svog instaliranog protoka, stavlja na raspolaganje maksimalno moguću snagu s obzirom na raspoloživi protok. U slučaju smanjene lokalne potrošnje višak energije se isporučuje distributivnoj mreži, a u slučaju da ta potrošnja prelazi raspoloživu snagu elektrane, razlika energije se namiruje iz mreže. Time je riješeno pitanje viška energije elektrane i pitanje dopunske energije za potrošače u period malih voda. Na taj način, prilikom odreĎivanja veličine izgradnje otpada utjecaj karakteristike lokalnog konzuma i krivulje njegove dnevne potrošnje. Za analizu veličine izgradnje koristi se tipična krivulja trajanja srednjih dnevnih protoka koja je dovoljna za razmatrano područje i dobiti iskoristivost izgradnje (godišnji faktor kapaciteta) 6. Izbor turbine i neto snaga za malu HE 6.1. Izbor turbine Općenito vodne turbine ovisno o padu, protoku i tlaku dijele se na: - turbine slobodnog mlaza (akcijske) i - pretlačne (reakcijske) turbine, Akcijske su slične vodenom točku, imaju udubljene lopatice, okreću se u zraku i koriste se za velike padove (okomito >10 m), za velike pritiske. Reakcijske se koriste za velika postrojenja imaju lopatice slične elisi broad, potopljene u vodi i koriste se za male padove, pri velikom protoku i malom pritisku.
Tipovi vodnih turbina: Izbor tipa turbine za odgovarajuće uvjete je vrlo važan. Osnovni kriterij za izbor tipa turbine su visina pada i količina protoka su, a ostali kriteriji su još i korisnost, cijena i sl. Pretlačne (reakcijske) turbine su: - Francisova (konstruirao Amerikanac Francis 1848.) - Kaplanova (konstruirao Čeh Kaplan 1912.) - Propelerna (Kaplanova s nepomičnim rotorskim lopaticama) Turbine slobodnog mlaza (akcijske) -
Peltonova (konstruirao Amerikanac Pelton 1878.) Turgo turbina (varijacija Peltonove turbine, ali je projektirana da ima veću specifičnu brzinu) Banki-Michell turbina (za velike vodene tokove i manje padove od Peltonove turbine, izvodi se samo sa horizontalnom osovinom)
Mikroturbine: potrebna snaga od 3 – 4 kW, uz Q·H ~ 1 uz stupanj korisnog djelovanja od ~50% postiže se snaga ~5 kW Izbor tipa turbine Tip, geometrija i dimenzije turbine su uvjetovani prema kriterijima kao što su neto pad, protok kroz turbinu, brzina rotacije, cijena i sl.
Vrsta turbine Kaplan I propelerna Francis Pelton Banki-Michell Turgo
Raspon padova (m) 2 < Hn < 40 25 < Hn < 350 50 < Hn < 1300 1 < Hn < 200 50 < Hn < 250
6.2. Neto snaga male HE Za odreĎivanje neto snage vodne turbine i male HE polazi se od opšte jednačine stacionarnog strujanja tekućine (Bernoullijeva jednadžba), koja uz zanemarenje trenja ima poznati oblik:
gdje su: p – pritisak u okolini elementa mase vode koja struji (N/m2), ρ – specifična masa tekućine (kg/m3), h – visina promatranog elementa tekućine iznad referentnog nivoa (m), c – brzina strujanja tekućine (m/s), w0 – specifična energija tekućine (m2/s2) Svim članovima jednadžbe dimenzija je m2/s2, što odgovara kvadratu brzine. Ta dimenzija odgovara specifičnoj energiji, jer energija ima dimenziju kgm2/s2, a specifična se energija odnosi na jedinicu mase.
• Prvi je član specifična energija tlaka, drugi specifična potencijalna energija, a treći izražava specifičnu kinetičku energiju tekućine. • Specifična energija w0 ukupna je specifična energija tekućine koja se ne mijenja strujanjem jer je zbroj svih specifičnih energija konstantan, što je u skladu sa stavkom o održanju energije. Može se w0 shvatiti i kao snaga elementa mase vode (M = 1 kg/s). Da bi se odredio neto-pad iskoristiv u vodnoj turbini, treba dakle poći od (prirodnog) bruto-pada Hb Izraz za neto-pad:
gdje je: c0 - brzina vode na ulazu u cjevovod cA - brzina vode na ulazu u turbine cB - brzina vode na izlazu iz difuzora turbine hRc - visina gubitka u cjevovodu Gubici u cjevovodu su mjera za gubitke energije, odnosno snage u cjevovodu, te je obično dopustivo zanemariti visinu brzine c0
Tehnički iskoristiva energija vodotoka smanjena je zbog trenja u dovodima (tunel,tlačni cjevovod), te gubitaka protoka, što se definira kroz neto pad Hn (neto pad = bruto pad (prirodni) – gubici) Srednja iskoristiva snaga (neto snaga) koju hidroelektrana daje na priključcima generatora, može se odrediti iz jednadžbe:
gdje je: ηt i ηg - stupanj korisnog djelovanja turbine i generatora Hn - raspoloživi netto pad [m] Qsi - srednji iskoristivi protok N - broj turboagregata Ukupni stupanj djelovanja η =ηt·ηg pri optimalnom opterećenju prosječno za veća postrojenja (velike HE) iznosi približno 80%, a za manja postrojenja (male HE) približno 75%. Pri tome kod malih HE treba uzeti u obzir i utjecaj stalne varijacije protoka!
5.Investicijski troškovi i troškovi pogona Svako energetsko postrojenje, osim proizvodnje energije, takoĎer koristi i energiju za vlastiti rad. Ti troškovi se nazivaju pogonskim troškovima. Kod vodoopskrbnih sistema u cjevovodima hidraulička snaga, koja se manifestira porastom pritiska anulira se prigušnim elementima koji su potrošači energije. Nadalje, samo prigušenje tlaka može se takoĎer dobiti postavljanjem turbina na pogodna mjesta u cjevovodu i time je iz vodoopskrbnog cjevovoda moguće dobiti dio energije potrebne za, npr., pogon pumpi. Ako je moguće dobiti suvišak energije, ta energija se može dalje eksploatirati ili prodavati, čime se minimiziraju pogonski troškovi postrojenja i dodatno proizvodi korisna energija uz ekonomske beneficije. Problemi vezani za projektiranje i puštanje u rad male hidroelektrane leže u ekonomskim i zakonodavnim izvorima. Gradnja male hidroelektrane je ekonomski zahtjevan projekt i danas je u BiH glavni problem nezainteresiranost mjerodavnih tijela za ulaganja u obnovljive izvore energije, što isključuje i potrebno djelovanje državnih organa usmjereno na banke da se otvore ka ulaganju, jer tržišni interes banaka izostaje zbog niskih kamata za ovakve investicije (u svakom slučaju nižih kamata nego za ostale tržišne aktivnosti). Dodatni problem predstavljaju česti neriješeni imovinsko-pravni odnosi na potencijalnim lokacijama izgradnje malih hidroelektrana ili implementacije istih u vodoopskrbne sustave, kao i neriješena katastarska pitanja i njihovo sporo rješavanje. Općenito, velike hidroelektrane imaju malih poteškoća u nadmetanju sa konvencionalom generacijom, ali male hidroelektrane, osobito vrlo male elektrane i one s malim padom, se mogu normalno nadmetati tamo gdje su uvedene naknade za vanjske troškove povezane sa fosilnim gorivima i nuklearnom energijom. Početni investicijski troškovi ulaganja po kW su veliki, ali su troškovi rada MHE ekstremno niski, budući da nema potrebe plaćati gorivo. Potreban kapital za MHE ovisi o efektivnom padu, protoku, geološkim i zemljopisnim značajkama, opremi (turbine, generatori itd.) i graĎevinskim radovima, te o kontinuitetu toka. Korištenjem postojećih brana, pregrada, rezervoara i jezera može značajno smanjiti ekološki utjecaj i troškove. Elektrane s malim padom i velikim protokom zahtjevaju
veća početna ulaganja, jer graĎevinski radovi i turbinska mehanizacija mora podnijeti veći protok vode. Uzevši u obzir 5000 sati punog opterećenja na godinu, investicijski troškovi za malu hidroelektranu od 100 kW su u opsegu od 0,95 do 1,8 eura po kWh/god. ili od 475 000 do 900 000 eura, dok je za malu hidroelektranu od 2 MW taj raspon izmeĎu 0,55 i 0,75 eura po kWh/god. ili izmeĎu 5,5 i 7,5 milijuna eura.
6. Lokacija male hidroelektane Lociranje mHE je strogo uslovljeno konfiguracijom terena i vodotoka. Zato, njihova izgradnja znači odredjenu intervenciju u prostoru, pri čemu, specificno gledano, relativno manji hidrološki potencijal uslovljava veci zahvat u prostoru, a time i veće uticaje na prirodu i okolinu. Ti uticaji mogu biti jednaki i nejednaki. Pod jednakim uticajima se smatra odredjeno zauzimanje prostora (zemljište i vode), promjena okruženja u blizini mHE. Osim toga, u pogonu dolazi i do stvaranja odredjenih količina čvrstog krutog i tečnog otpada (otpadna ulja i metalni otpad), ali radi se o mnogo manjoj količini nego što je to slučaj kod termoelektrana. Kako su male hidroelektrane, nerijetko , locirane u blizini drugih objekata različite namjene, odredjeni problem može predstavljati i buka u postrojenju.Nejednaki uticaji obuhvataju poremećaje u prirodnim režimima promjena podzemnih i površinskih voda, promjene kvaliteta voda, kao i uticaj na biljni i životinjski svijet. Problem je što je te uticaje teško valorizovati i uporedjivati, jer ih je nemoguce brojčano iskazati (uticaj na šume, isušivanje djelova korita vodotoka, plavljivanje većih površina). Potencijalne lokacije za mHE su: - nove lokacije, -dopuna (dogradnja) postojećih vodoprivrednih i hidroenergetskih objekata malim hidroelektranama: postojeće brane, na biološkom minimumu, granevine za regulisanje korita i zadržavanje nanosa, retenzija za odbranu od velikih voda i druge zaštitne granevine,vodovodi, sistemi za navodnjavanje i dr.), - promjena namjene postojećih objekata (vodenice i dr.) u mHE Povoljne lokacije za mHE nalaze se u gornjim djelovima vodotoka, jer geomorfološki gledano,vodotoci obično u gornjim djelovima imaju strmiji pad koji se postepeno smanjuje kako se vodotok približava svom ušću. Naročito su interesantne lokacije na samom izvoru vodotoka, jer često povoljne geomorfološke karakteristike omogućavaju izvodenje akumulacije na samom izvoru. Pitanje povoljnih lokacija za mHE u gornjim djelovima vodotoka naročito je osjetljivo sa stanovišta osiguravanja dovoljnih količina pitke vode. Ipak, instalacija mHE na nekoj lokaciji ne isključuje mogucnost sigurnog korištenja te iste lokacije kao izvora pitke vode. U odabiru prednost treba dati - lokacijama s postojećim podacima o dugogodišnjim hidrološkim nizovima, -lokacijama na kojima već postoje objekti s tradicijom korišćenja vodnih resursa, kao i njihovo osavremenjivanje, - višenamjenskim rješenjima izvodjenja malih hidroelektrana.
Nakon toga , potrebno je ispitati da li je na potencijalnim lokacijama predvidjena druga namjena prostora te u tom slučaju treba ispitati mogućnost višenamjenskog korišćenja vodotoka na tim lokacijama. Ukoliko to nije moguće, od tih lokacija se odustaje. Lokacije koje treba isključiti iz daljih razmatranja su one zbog ograničenja zaštite kulturne baštine,odnosno zaštite prirode i okoline, jer zbog definisanog stepena zaštite odredjenog prostora ili gradjevina ne dolazi u obzir nikakva gradnja niti zahvati u odredenom prostoru.
7.Uticaj malih hidroelektrana na životnu sredinu Mala hidroenergetska postrojenja, predstavljaju važnu komponentu unutar sistema iskorišćavanja i gazdovanja vodnim resursima, zbog mnogih dobrih strana ovih postrojenja. Mala hidroelektrana je takvo postrojenje koje se, svojim načinom rada, te oblikom i veličinom konstruktivnih elemenata, maksimalno mora uklopiti u okolinu i podrediti ostalim infrastrukturnim objektima i korisnicima prostora i voda, što ukazuje na na njen mali uticaj na životnu sredinu. Prednosti malih hidroenergetskih postrojenja su: - svojim radom ne zaganuju vazduh, - sprečavaju opasnost od poplava jer omogućavaju regulaciju vodotoka, - ne „troše“ vodu, već je poslije upotrebe vraćaju nazad u korito (ovaj princip je narušen jedino u situacijama kada su male hidroelektrane izgradjene daleko od riječnog korita , ili ne vracaju vodu u isto korito) - mogu se koristiti za vodosnabdijevanje i navodnjavanje. - kako su, najčešće, locirane izvan naseljenih mjesta, nivo buke prisutne u mašinskoj zgradi, ispod je dopuštenih i preporučenih nivoa. - svojim dizajnom potpuno mogu uklopiti u pejzaž, tako da su nepovoljni vizuelni efekti svedeni na minimum. U slučaju da se u sklopu elektrane predvina akumulacija, ona se može koristiti u vodoprivredne svrhe (ribnjaci) i/ili sportsko-rekreativne svrhe, a svojom veličinom ne mogu bitno ugroziti geološkopedološke karakteristike zemljišta na kom se nalaze, za razliku od velikih hidroenergetskih objekata. Male hidroelektrane ne utiču na promjenu klimatskih karakteristika područja s obzirom na veličinu vodene akumulacije, kao što je slučaj kod velikih hidroelektrana.Kod malih hidroelektrana nema rizika od pojave pobunivanja seizmičnosti (nema uticaja u aksedentu), jer je visina brane sa svojom akumulacijom mala u odnosu na brane kod velikih hidrocentrala (koje predstavljaju moguću inicijalnu seizmičku tačku). Da bi se izbjegli štetni uticaji mHE, naročito ako se na jednom manjem vodotoku nalazi više malih hidroelektrana, pri planiranju njihove gradnje posebnu pažnju treba posvetiti: - adekvatnom izboru lokacija - protoku vode - riziku od pogrešnog upravljanja vodenim resursima - nedostatku biološkog minimuma količine vode - uticaju na floru i faunu Odredivanje vrijednosti ekološki prihvatljivog protoka zasniva se na definisanju zadržanog dotoka, odnosno "biološkog minimuma" hidrološkim metodama, kao i provjeri dovoljnosti tako definisanog zadržanog dotoka za održavanje autohtonih zajednica matičnog vodotoka nizvodno od vodozahvata kroz osiguranje osnovnih životnih uslova za vodotok karakteristicnih bioindikatora, odnosno ribljih zajednica. Prema Zakonu o vodama, prilikom zahvatanja površinskih voda mora se nizvodno od zahvata obezbijediti garantovani minimum. U Zakonu se pravi razlika izmenu garantovanog i vodnog minimuma:
- garantovani minimum je proticaj koji se nizvodno od vodozahvata mora obezbijediti u vodotoku za opstanak i razvoj nizvodnih biocenoza; - vodni minimum je proticaj nizvodno od brane neophodan za opstanak i razvoj nizvodnih biocenoza, čuvanje kvaliteta vode vodotoka u skladu sa propisima i zadovoljavanje racionalnih potreba nizvodnih korisnika, koji ne smije biti manji od projektovane vrijednosti. Kako je izostalo donošenje propisa kojim bi se definisao način odrenivanja garantovanog minimuma, primjenjuje se praksa zemalja iz okruženja gdje se garantovani minimum (sinonimi: „garantovani proticaj“, „biološki minimum“, „ekološki održiv proticaj“) definiše kao proticaj koji iznosi 10% od srednjeg višegodišnjeg proticaja ili proticaj tzv. male vode vjerovatnoće pojave 95% na odreĎenom profilu vodotoka. Prilikom izgradnje mHE postoji opasnost od ugrožavanja normalnog života flore i faune. Kako bi sezaštitila populacija riba , neophodno je izgraditi zaobilazne kanale koji će omogućiti ribama dazaobidju područje mHE . Da bi zaštita bila potpuna, poželjno je kod turbina instalirati sonare kojiusmjeravaju ribe u zaobilazne kanale (tzv. Fish Guidance System).
a)Prolaz za ribe sa okomitim otvorima
b)Prolaz za ribe sa rotacijskim krilcima
Bio-akustična ograda za ribe
8.Male hidroelektrane u svijetu i Europi
8.1 Male hidroelektrane u svijetu Kada govorimo o malim hidroelektranama u svijetu bitno je pomenuti sljedeće države i njihove potencijale: -Azija, osobito Kina je postala predvodnik u proizvodnji hidroelektrične energije. Današnji razvoj u Australiji i Novom Zelandu se fokusira na mHE. Kanada, zemlja sa dugom tradicijom korištenja hidroenergije, razvija mHE kao zamjenu za dizel elektrane u udaljenim sredinama bez razvedene električne mreže. -Tržišta kao što su Južna Amerika, bivši Sovjetski savez i Afrika takoĎer imaju veliki, netaknuti potencijal. -2000. svjetska instalirana snaga MHE je bila oko 37 GW. Samo 2005. porast od 8 % u odnosu na 2004. i tada je iznosila 66 GW, što je porast u odnosu na 2000. za čak 78% -Više od 50 % u Kini (38.5 GW), slijedi Japan s 3.5 GW, te SAD s 3GW. Ipak, to je u odnosu na svjetsku potrošnju primarne snage (15 TW) samo oko 0,5%, a u svjetskoj proizvodnji električne energije (2006.) oko 5,12 % što vidimo i na sljedećoj slici.
8.2 Male hidroelektrane u Europi Europa je druga u svjetskom doprinosu u proizvodnji električne energije iz malih hidroelektrana, odmah iza Azije. -Hidroenergija ima oko 84% udjela u ukupnoj proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora u EU27 i oko 13% ukupne proizvodnje električne energije u EU-15 -2001. MHE su u EU-15 doprinijele oko: 2% u ukupnoj proizvodnji električne energije, te oko 9% u ukupnoj proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora energije. -MHE broje oko približno 4.6% ukupne hidroenergetske proizvodnje u novim članicama Europske unije i Turskoj. Niti jedan od drugih obnovljivih oblika energije (vjetar, biomasa, fotonaponske ćelije i sl.), u tim zemljama, se ne može mjeriti s malim hidroelektranama. -EU-15: u pogonu oko 14000 MHE s prosječnom instaliranom snagom od 0.7 MW. -Nove članice: EU-10 oko 2800 MHE, prosječne snage 0.3 MW,Rumunjska, Bugarska i Turska: oko 400 MHE, prosječne snage 1.6.
9.Male hidroelektrane u Bosni i Hercegovini Gradnja mHE započela krajem XIX stoljeća; • ukupni procijenjeni tehnički hidropotencijal u BiH cca 23.395 GWh/god;
• ukupni procijenjeni tehnički potencijal mHE u BiH cca 2.599 GWh/god; • instalirana snaga u mHE cca 700 MW; cca 800 mHE do 5 MW; Naravno moramo uzeti u obzir promjene ovih vrijednosti potencijala koje su izazvane izgradnjom novih malih hidroelektrana u Bosni i Hercegovini. Trenutna praksa kod priključenja mHE: • uslove za priključenje odreĎuje operator distribucije-elektrodistributivno preduzeće; • minimiziranje negativnih uticaja mHE na mrežu; • stvaranje povoljnijih uslove za rad mHE; • mogućnost izgradnje direktnih vodova do primarnih objekata; • finansiranje priključenja u skladu sa Zakonom o prostornom ureĎenju i Zakonima o graĎenju. Početna iskustva u gradnji i funkcionisanju mHE u Bosni i Hercegovini nameću mnoga otvorena pitanja kao i potrebu uključivanja svih učesnika na tržištu, regulatora i nosioca energetske politike kroz sljedeće aspekte: – regulacija elektroenergetskog sektora – uticaj distribuiranih izvora električne energije na planiranje distributivnih i prenosnih mreža – integracija distribuiranih izvora električne energije u sistemu upravljanja distributivnom i prenosnom mrežom; – distribuirani izvori električne energije i njihov uticaj na kvalitet isporučene električne energije kupcima.
10.Zaključak Na osnovu predhodnog primjetimo da su uopšte hidroelektrane važan energetski izvor sa stajališta zaštite okoliša budući da praktički ne emitiraju CO2,ne emitiraju SO2,ne emitiraju NOx niti bilo koji drugi tip štetnih plinova, te da nema nikakvog otpada proizvodnje (čvrstog ili tekuceg).To nam svakako govori o značaju kako velikih tako i malih hidroelektrana.
S obizom da je riječ o obnovljivom izvoru energije njihova izgradnja smanjuje svakako potrošnju fosilnih goriva i pospješuje održivi razvoj.TakoĎe uzimajući u obzir da imamo mogućnost kontole kako plavljenja tako i toka onda možemo zaključiti da nam male hidroelektrane povećavaju stabilnost,stepen djelovanja i do 90% i svakako sigurniju i pouzdaniju opskrbu električnom energijom.Svakako izgradnja jedne nove male hidroelektrane ima pozitivan uticaj i na regiju u smislu zapošljavanja.MeĎutim iz predhodno navedenog moramo obratiti pažnju i na nedostatke kao što su ozljede i migracije riba,negativan uticaj na neposredni biosistem kako bi u budućnosti težili ka rješenju tih problema i obezbijedili izgradnju što većeg broja malih hidroelektrana.
