VÍZIENERGIA-HASZNOSÍTÁS A Föld vízkészlete hozzávetőlegesen 1,4 milliárd km 3. Ez víz, vagy jég formájában a felszín mintegy 71%-át borítja. A napsugárzás hatására a Föld vízkészletének jelentős része szakadatlan mozgásban van, ezt a Földet eléri napsugárzás 4,3 %-a, 4 000 TW teljesítménnyel fedezi. A felszínről másodpercenként 14 millió m 3 víz párolog el, amely a felhőkben kondenzálódik, s csapadék formájában visszahull a földfelszínre. Az óceánba hulló csapadékkal a ciklus gyorsan rövidre zárul, a szárazföldre jutó eső, vagy hó egy része a talajba szivárog, más része lefolyik a felszínen, úgy jut az óceánba. A nagy tengerszint feletti magasságú területeken hulló víz helyzeti energiája nagy, s ennek egy része jól hasznosítható. A nagy vízbőség mellett a hidraulikai esés is szükséges a vízi energia hasznosításához. A természetes vízfolyások helyzeti energiája forrásuktól a torkolatig fokozatosan elfogy: az áramló víz kinetikus energiáját, a vízben ébredő súrlódóerők hővé alakuló munkáját, a lebegtetett és görgetett hordalék mozgatására fordított munkát fedezi. Ha valamely vízfolyás L hosszúságú szakaszán h 1 tengerszint feletti magasságról h magasságra csökken a vízfelszín, akkor az ún. hidraulikai esés: h h J 1 = (1) L jellemzi az egységnyi hosszra jutó munkavégző-képességet. A nagy hidraulikus esés mellett a nagy vízhozam is szükséges a nagy erőmű-teljesítményhez. Hatalmas potenciális lehetőséget hordoz a Kongó alsó szakasza: az utolsó 00 km-en, 300 m szintkülönbség-csökkenéssel áramlik a 4 000 m 3 /s hozamú folyó. Ez 16 000 MW teljesítmény, amit nyilvánvalóan nem lehet teljes egészében hasznosítani, de tízszer akkora, mint a jelenleg működő legnagyobb vízi erőmű teljesítménye (Itaipu a Parana folyón: 1 500 MW). A klasszikus vízikerekek a víz kinetikus energiájának egy töredékét hasznosították. A modern vízierőművekben sokkal koncentráltabb energia-elvétel történik. A lehetőleg nagy hidraulikai esésű folyószakaszon duzzasztó gáttal hoznak létre minél rövidebb szakaszon minél nagyobb szintkülönbséget a gát mögötti tároló duzzasztott h 1 szintje, és a gát utáni h alvízszint között. A tárolóban csak nagyon lassan áramlik a víz, kicsi a súrlódási veszteség, s a hordalék is lerakódik mint pl. a Níluson épült asszuáni gát mögött. A duzzasztott h 1 és a gát utáni h alvízszint különbsége a geodetikus esés: H G = h 1 h () Veszteségmentes esetben ez lenne a hasznosítható helyzeti energiakülönbség fajlagos értéke, súlyegységre vonatkoztatva. A helyzeti energiát a vízturbina alakítja át mechanikai munkává, ami a villamos generátor hajtásához szükséges. Szenteljünk egy kis figyelmet az energiaátalakulás néhány alapvető mozzanatának! A fizikából jól ismert tény az energiamegmaradás törvénye. Ha egy rendszer esetünkben az áramló folyadék környezetével csupán mechanikai kölcsönhatásban áll, akkor egy áramvonal mentén ez az egységnyi térfogatú folyadékra a
v ρ + ρgh + p + p' áll. = (3) v alakban írható fel. Itt ρ a folyadék sűrűsége, v a sebessége, tehát ρ a mozgási energia. A ρgh mennyiség az egységnyi térfogatú folyadék helyzeti energiája, p a nyomási energiája, míg p' a súrlódási hővé disszipálódó mechanikai energia: az ún. súrlódási nyomásveszteség. Tehát az összenergia: a három mechanikai energiafajta és a keletkező belső energia összege állandó. A turbina forgórésze, az ún. járókerék alakítja mechanikai munkává a víz helyzeti energiáját: esését. Ez két különböző működési elv alapján történhet. Az akciós, vagy szabadsugár-turbinák lapátjaira nagysebességű vízsugarat vezetnek. A vízsugarat levegő veszi körül, nyomása nem változik, a légköri nyomással egyezik meg. A turbina tengelyén levehető munka a kinetikus energia csökkenéséből adódik. A reakciós, vagy réstúlnyomásos turbinák járókerekét teljesen kitölti a víz, ennek nyomása jóval nagyobb, mint a környezeté. A reakciós turbina járókerekének lapátjai az átáramló vizet elterelik, a víz perdülete megváltozik. Az időegységre eső perdületváltozás a gép tengelyén levehető nyomatékkal egyenlő. A mechanikai munkává alakuló esés részben a nyomás munkájából, részben kinetikai energiacsökkenésből tevődik össze. A járókerekek kialakítása nagy változatosságot mutat a víz átáramlási irányától függően lehetnek radiális, (sugárirányú), axiális (tengelyirányú), és félaxiális átömlésűek. Néhány jellegzetes járókerék-alakot mutat be a 1. ábra. 1. ábra Jellegzetes járókerék alakok
Ha az áramlást a turbinaházhoz kötött álló, abszolút koordinátarendszerben vizsgáljuk, akkor annak sebessége c r. Ha viszont a koordinátarendszert az ω szögsebességgel forgó járókerékhez kötjük, abban a w r relatív sebesség adódik. A kerék bármely pontjának kerületi sebessége r r r u = rxω (4) ez a koordinátarendszer ún. szállítósebessége. Az abszolút sebesség a szállító és a relatív sebesség összege: r r r c = u + w (5) Egy radiális átömlésű turbina járókeréken a külső R 1 sugarú hengerpalástfelületen lép be a folyadék és a kisebb R sugarú felületen távozik. A w r relatív sebesség a lapátok alakját igyekszik követni bár ez nem valósul meg tökéletesen. A beömlés és a kiömlés sebességviszonyait a. ábrán látható sebességi háromszögekkel tehetjük szemléletessé. Különösen fontos szerepet kap az abszolút sebesség kerületi irányú komponense, hiszen ennek változásától függ a perdületváltozás és a tengelyen levehető nyomaték.. ábra Radiális átömlésű turbina-járókerék sebességi háromszögei A folyadék perdületváltozását, az átáramló folyadék irányváltozását megfelelő kialakítású lapátkoszorúkkal érik el. A járókerék elé egy vezetőlapát-koszorút építenek be. Az álló vezetőlapátokra sugárirányban érkezik a víz, amelyet a lapátok eltérítenek, úgy, hogy nagy perdülete (rc u ) keletkezzen. Az elterelt víz a lapátokra jelentős erőt fejt ki, de mivel ez az erő nem okoz elmozdulást, az álló vezetőlapátkoszorún nincs munkavégzés, nincs energiaváltozás. A járókerék lapátkoszorúja viszont a kerék ω szögsebességével forog. A jó hatásfokú üzem feltétele, hogy a járókerékre érkező víz relatív sebessége érintse a lapátokat a beömlő keresztmetszetben. A lapátok közötti csatornában a víz 3
sebességének nagysága és iránya is megváltozik, most is jelentős reakcióerőt kifejtve a lapátokra. Mivel a lapátok a járókerék forgásával elmozdulnak, az erő munkát végez, a víz energiája pedig csökken. Minél kisebb a járókerékről kiömlő víz perdülete, annál nagyobb a hasznosított, munkává alakított energiamennyiség. A perdülettétel szerint a perdület időegységre eső megváltozása a tengelyen adódó nyomaték: ( c R ) M = m& R (6) u 1c1u Itt m& a járókeréken átömlő víz tömegárama [kg/s]. A járókeréken bekövetkező energiaváltozás, amely a tengelyen levehető teljesítmény: ( R c R ) P = Mω = m& ω (7) u 1c1u Mivel ez energiacsökkenés, mindig negatív előjelű. Ennek fajlagos értéke, figyelembe véve, hogy u = rω H e ucu u1c = 1u (8) g Ez az ún. elméleti esés, amelyet az EULER- féle turbinaegyenletből számíthatunk. Ha egy sebességi háromszögre a cosinus tételt alkalmazzuk a. ábra jelöléseinek megfelelően a w = c + u uc cos α (9) összefüggést kapjuk. Mivel c u = ccosα, uc u = c + u w (10) Ezzel viszont H e 3 c c1 u u1 w1 w = + + (11) g g g adódik. Itt jól látszik, hogy az első tag a kinetikus energia megváltozása, míg a második és a harmadik tag a nyomási energia változásából adódó érték. Két azonos teljesítményű vízierőmű felépítésében jelentősen különbözhet attól függően, hogy nagy eséssel dolgozik kisebb térfogatáram mellett, vagy kisebb eséssel de nagy vízhozammal. Így három nagy erőmű-típust különböztethetünk meg: nagy, közepes és kis eséssel. Ezek között nincsenek merev határok a nagy esés általában nagyobb 00 m-nél, a kis esés pedig kisebb, mint 10 m. A nagy, közepes és kis esésekhez különböző turbinatípusokat fejlesztettek ki. 4
A nagy esésű erőműben (3. ábra) a tárolóból a víz a nyomócsövön keresztüláramolva, egy fúvókában felgyorsulva légköri nyomású szabad sugár alakjában érintő irányban lövell a járókerékre. 3. ábra Nagyesésű vízierőmű Pelton-turbinával Ha a tároló felszíne és a sugár kiömlő keresztmetszete közé felírjuk a (3) egyenletet: v 1 v ' + ρgh1 + p1 = ρ + ρgh + p + p 1 ρ (1) Az (1) pontban még nincs súrlódási veszteség, a mozgási energia is elhanyagolható a () mellett. Viszont mind a tároló felszínén, mind a szabad sugárban megegyezik a nyomás a légköri nyomással, ezek a tagok kiesnek. Így kapjuk, hogy v = ρg p ' ( h 1 h ) 1 ρ (13) A nyomócső súrlódási nyomásveszteségét csökkenthetjük, ha a kilépő keresztmetszethez képest megnöveljük a keresztmetszetét: ezért a végén a fúvóka. A sugár kinetikus energiája: v ' = ρghg p1 ρ (14) 5
4. ábra Hatsugaras Pelton-turbina metszete Jól látható, hogy a veszteség csökkenti a kinetikus energiává alakítható esést. Az atmoszférikus nyomáson üzemelő szabadsugár-, vagy akciós turbinát mutatja a 4. ábra. A feltalálójáról PELTON-turbinának nevezett gép járókerekét, a jellegzetes alakú kanalakkal az 5. ábrán láthatjuk. A Pelton-turbinát viszonylag kisebb hozamok és nagy (< 1800 m) esések mellett alkalmazzák. 5. ábra Pelton-turbina kerék szerelés közben 6
A turbina járókerekére érkező V = c 1 sebességű érintőirányú vízsugár az u kerületi sebességű kanalakon változtat irányt. A belépő sebességi háromszög egy egyenessé fajul, mivel c 1 és u párhuzamosak. A kanalakon végigáramló víz w relatív sebességének nagysága nem változik, mivel a nyomás állandó. Az elterelt vízsugár sebessége θ szöget zár be a radiális iránnyal, mint a 6. ábrán látható. 6. ábra Pelton-turbina sebességi háromszögei A sebességi háromszögek jól mutatják az abszolút sebesség, ezzel a folyadék kinetikus energiájának csökkenését, amit a turbina munkává alakít. Ennek fajlagos értéke c c H = (15) g 1 A sebességi háromszögek adataival a turbina teljesítményére a. ( c )( 1+ sinθ ) P = mu u (16) összefüggést kapjuk. A maximális teljesítmény ebből adódik. c1 u = kerületi sebességnél 7. ábra Közepes esésű erőmű csigaházas Francis-turbinával 7
8. ábra Kis esésű erőmű Kaplan-turbinával A közepes és kis esésű erőművekben alkalmazott turbinák felépítése, működése ettől eltér. A 7. ábrán egy közepes, a 8. ábrán egy kis esésű erőmű vázlata látható. Az ezekben használt turbinákban túlnyomással áramlik a víz, s az aszimmetrikusan körüláramlott turbinalapátokra ható nyomóerők forgató nyomatékot fejtenek ki a járókerékre. Egy közepes esés (10<H G <50 m) hasznosító FRANCIS-turbina vázlata látható a 9. ábrán. A felduzzasztott víz h 1 helyzeti energiája a nyomócsőben nyomási energiává alakul. A nyomócsőből a csigaházba ömlik a nagy nyomású víz, annak szűkülő keresztmetszetében felgyorsul, nyomása csökken. A vezetőlapát-koszorú egyrészt optimális szögben irányítja az áramlást a járókerék lapátjaira. A Francis-turbina járókerekén radiálisan, sugárirányban áramlik át a víz, amely a bővülő keresztmetszetű szívócsövön át távozik a turbinából. 9. ábra Csigaházas Francis-turbina axonometrikus vázlata A 10. ábrán láthatjuk az Itaipu erőmű Francis turbináinak vázlatát. A turbina 740 MW teljesítményű, járókerék-átmérője 8,5m. 8
10. ábra Az Itaipu erőmű (Brazilia-Paraguay) Francis-turbinája A kis esésű, (< H G <40 m) nagy víznyelésű turbinák axiális, tengelyirányú átömlésűek. A kis esésű, nagy hozamú folyóknál az állandó nagyságú esés csak ritkán biztosítható. Ezért fejlesztették ki a KAPLAN turbinát, amely állítható lapátjaival széles sávban változó üzemi jellemzők (esés, hozam) is jó hatásfokkal működnek. Ezt úgy érik el, hogy a járókerék lapátjait elforgathatóan építik be a járókerék-agyba, és megfelelő szerkezettel oldják meg, hogy a lapátok üzem közben is állíthatók. A 11. ábra szemlélteti egy Kaplan-turbina vázlatát. A járókerékre a vezetőlapátok terelik a vizet, a nagyméretű csigaház és a szívócső betonból készül. A csőturbina is axiális átömlésű, állítható lapátozású gép. A Kaplan-turbinától vízvezetésében különbözik: a turbinán átáramolva az áramvonalak alig görbülnek, minimális iránytöréssel, igen jó hatásfokkal működik. Az esés változásával a csőturbina hatásfoka kevésbé változik, mint a Kaplan turbináé. A csőturbina által hajtott generátort gyakran a gép agyában helyezik el, s a kis méretre törekedve gyorsító áttételt alkalmaznak. Ezt mutatja a 1. ábra. 9
11. ábra Kaplan-turbina 1. ábra Csőturbina vázlata 10
A nyomócső és a szívócső áramlási veszteségei miatt valamennyi turbinatípus kisebb esést hasznosít, mint a geodetikus esés: H = H h h (17) G ' ny ' sz ahol ' h ny és ' h sz az nyomócső és a szívócső veszteségei. A turbina teljesítménye pedig a P = ρghqη (18) összefüggéssel számítható, ahol Q a vízhozam [m 3 /s] η pedig a hatásfok. A vízienergia-hasznosítás mellett számos megalapozott érv szól. A vízienergia folyamatosan megújuló, kimeríthetetlen energiaforrás. Teljesen tiszta energia: semmiféle káros szennyező anyagot, sem hulladék hőt nem bocsátanak ki a vízierőművek. Rendkívül megbízható energiatermelési mód: a vízturbinák viszonylagos egyszerűsége miatt a meghibásodás, az üzemzavar esélye nagyon kicsi. Rugalmasan alkalmazkodik az igényekhez: indítása, leállása, szabályozása gyors. Különösen alkalmas energia-csúcsigények kielégítésére: erre a tározós erőművek nyújtanak lehetőséget. Az energiafölösleg periódusaiban szivattyúkkal egy magasan fekvő medencét vízzel töltenek fel, és energiahiány idején turbinák hajtására használják az így tárolt energiát. Ilyen erőművekben tehát turbinákra és szivattyúkra egyaránt szükség van. A gépek számának csökkentése miatt fejlesztették ki a reverzibilis szivattyú-turbinát, amely mindkét üzemmódban (szivattyúként és turbinaként is) jó hatásfokkal használható. Erre különösen alkalmas az ún. Dériaz-turbina, ez lényegében egy állítható lapátozású Francis-turbina (13. ábra). Forgásiránya szivattyú, ill. turbinaüzemben ellentétes, és igen széles üzemi tartományban használható 93% körüli hatásfokkal. 13. ábra Megfordítható üzemű Dériaz-turbina 11
A vízierőművek üzemeltetési, karbantartási költségei alacsonyak. Ha a létesítmény elkészült, üzemanyagköltség nem jelentkezik, a berendezés alig kopik. Ebből eredően érzéketlen az inflációra: nem érinti az üzemanyagárak állandó emelkedése. Építészeti és gépészeti szempontokból is kiforrott konstrukciókról van szó. A turbinák hatásfoka, elsősorban a nagy gépegységeké, elérheti a 95%-ot is. Sokszorosan kipróbált szerkezeti anyagok, technológia és üzemeltetési gyakorlat jellemzi a vízierőműveket. A kisebb, 50-100 kw-os egységek tömeggyártásban készülnek, megbízható minőségűek, olcsók, így a fejlődő országok számára is megfizethetők. Egyes elemei egyszerűen felújíthatók. Pl. az USA-ban a Sharta Dam erőmű generátorainak újratekercselése 15% teljesítménynövekedést eredményezett. Meglévő erőművek turbináinak korszerűsítésével (pl. állíthatóra cserélt járókerék-lapátozás) minimális befektetéssel jelentős kapacitás-növelés érhető el. A vízierőművek gépészeti berendezései hosszú élettartamúak: a világban jó néhány 100 évesnél régebbi turbina üzemel, és még nyilvánvalóan jó néhány eredményes évtized elé néznek. Időnként esedékes részleges felújítással élettartamuk gyakorlatilag korlátlan a fosszilis erőművek viszont csupán 30-40 évig működtethetők. A vízienergia fontos hajtóereje a gazdaság fejlődésének. Jelenleg is jelentős ütemben épülnek a nagy vízierőművek. Az Itaipú (Parana, Brazília-Paraguay) jelenlegi 1.500 MW teljesítménye a teljes kiépítés után 0.600 MW lesz. Kína a Jangce felső szakaszán egy 1800 MW teljesítményű erőművet épít. Ezek mellett szinte eltörpül a krasznojarszki 6100 MW-os, vagy a Venezuelában a Caroni folyón épült 6500 MW-os erőmű. Kínában több mint 50.000 kis, 50 kw-nál kisebb mini-vízierőmű épült. A vízienergia hasznosításának egész komplex problémakörét érzékelhetjük a Kínában a Jangcén épülő duzzasztómű és erőmű kapcsán. A Yichang közelében levő Három Szakadék szurdokban nagy eséssel zúdul le a közel 0.000 m 3 /s hozamú folyó. Itt kezdték a duzzasztómű építését 1994-ben a folyó elterelése után. A gát koronamagassága 181 m és 600 km hosszon duzzasztja fel a Jangce vizét. Az erőmű teljes elkészülte után 6, egyébként 700 MW-os turbina 18.00 MW teljesítményt ad. Az első egységek már termelnek, 009-re készül el az egész létesítmény. Az erőmű építésének legnagyobb pozitívuma a tiszta, megbízható energiatermelés, amely Magyarország szükségletének kétszeresét termeli. Kiválthat 10 nukleáris erőművet (Paks 1800 MW) Kína energiafogyasztása ma 10.000 MW-tal nő évente, tehát vitális érdek az erőmű megépítése. A folyónak egy eddig nehezen hajózható szakaszát teszi biztonságossá, több tízmillió tonna áruszállítást téve lehetővé. A tározó kapacitása km 3, tehát az árvizek szabályozásában is jelentős szerepet kap. A gát ellenzőinek legfőbb érve volt az építés hatalmas költsége: 09 milliárd dollár. A vízzel elöntött területről 1,9 millió lakost kellett kitelepíteni. A környezetvédők a folyami delfinek kipusztulását várják az erőmű hatásaként, az idegenforgalmi szakemberek a festői szurdok víz alá kerülését. A régészek ellenérve több, mint 1300 lelőhely és műemlék tönkremenetele. Végső soron a 18.00 MW erőmű-teljesítményért a gát ellenzői elviselhető környezeti, kulturális, szociális árat fizetnek. A vízierőművek jelentős és integráns részei a komplex vízgazdálkodásnak. A víztartalékok többcélú, sokoldalú hasznosításába beletartozik az árvízvédelem, hajózás, termő területek öntözése, üdülőövezetek, halászat, természetvédelem. 1
Óriási energiatartalékok vannak kihasználatlanul a világ nagy hozamú, nagy esésű folyóiban. A legnagyobb vízhozamú folyók: Amazonas Kongó La Plata-Parana Jangce Mississippi Jenyiszej Mekong Léna Brahmaputra Irrawaddy Orinoco Duna 10.000 m 3 /s 4.000 40.000 31.000 17.545 15.930 15.900 15.400 14.890 14.000 14.000 6.500 Az egyes földrészek vízienergiatermelő kapacitásának áttekintése is figyelemre méltó: Kapacitás Kihasználtság MW Ázsia Délamerika Afrika Északamerika Szovjet utódállamok Európa Ausztrália, Óceánia 610.100 431.900 358.300 356.400 50.000 163.000 45.000 1% 18% 6% 45% 0% 65% 0% Ez elsősorban a harmadik világbeli kapacitások kiaknázásában rejlő ígéretes lehetőségeket mutatja. Érdemes áttekintenünk a magyarországi folyók vízhozam-adatait is. A szerényebb hozamok mellett a folyók esése sem tesz lehetővé nagyléptékű vízienergiahasznosítást. A folyók neve után a táblázatban az átlagos kisvíz, a középvízhozam és az átlagos nagyvízhozam értéki állnak m 3 /s-ban. Duna Budapestnél Tisza Tokajnál Szolnoknál Szegednél Dráva Mura Maros Szamos Bodrog Hármas Kőrös Sajó Rába Győrnél Hernád 951 88 109 185 50 80 54 30 9 8 15 14 7 150 465 515 800 670 190 155 130 105 105 66 48 3 7000 3600 1400 000 300 750 650 640 960 48 550 79 70 13
A nyolcvanas évek végén viharos politikai harcok robbantak ki a Nagymaros és Visegrád között tervezett vízierőmű kapcsán. A helyszín alkalmas energetikai szempontból erőmű építésére, de a környezetvédők részéről komoly aggályok merültek fel, elsősorban az ivóvízbázis károsodása miatt. Így a már megkezdett építkezést abbahagyták, a területet rekultiválták. A Tiszán két duzzasztómű épült Tiszalöknél és Kiskörénél. Tiszalökön 7,5 m-es esést hasznosít 3 db 3000 mm-es kerékátmérőjű Kaplan-turbina. Az erőmű beépített teljesítménye 1 MW. A megemelkedett vízszint biztonságossá teszi a hajózást a Tiszán és a Bodrogon. A kiskörei gát mögött alakult ki az idegenforgalmilag is egyre jobban kiaknázott Tisza-tó. Az erőmű 6,5 méteres esést hasznosít 3 db 4300 mm járókerékátmérőjű csőturbinával, 1 MW teljesítményt adva. A kiskörei duzzasztó az árvízi hozamokat is kiegyenlítettebbé teszi : a nagyvízi érték Tokajnál 3600 m 3 /s, Szolnoknál 1400 m 3 /s. A Hernádon három kis vízierőművet találunk. A kesznyéteni erőmű 14 m-es esése Kaplan turbinát hajt meg, ezek 4,7 MW teljesítményt szolgáltatnak. A gibárti és a felsődobszai erőművek egykori vízimalmokból kialakított alig 0,5 MW-os egységek. A Rábán Ikervárnál 5 db Francis-turbina szolgáltat 8 m esésnél 1,5 MW teljesítményt. Végül a Soroksári-Dunán Tassnál 4 m-es szintkülönbségnél propellerturbinával 0,65 MW teljesítményt nyújtó törpe-erőmű zárja a sort. A hazai kis vízierőművek még az 1900-as évek elején épültek, berendezéseik részben elavultak, részben elhasználódtak. Teljesítményük átgondolt rekonstrukcióval -3-szorosára lenne növelhető 14. ábra A világ legnagyobb vizierőműve Itaipu a Parana folyón 14
Gibárt 0,59MW 88/465/3600 Kesznyéten 4,7MW Tiszalök 1MW 14/18/79 951/150/7000 Kisköre 1MW Ikervár 1,6MW Tass 0,65MW 109/515/1400 8/105/48 80/190/750 185/800/000 50/670/300 15