Elektrowni wodnych lub wodna , jest moc odnawialnych , który pochodzi z konwersji energii hydraulicznej do energii elektrycznej . Energia kinetyczna prądu wody, naturalna lub generowana przez różnicę poziomów, zamieniana jest na energię mechaniczną przez turbinę hydrauliczną , a następnie na energię elektryczną przez synchroniczny generator elektryczny .
W 2020 roku moc zainstalowana elektrowni wodnych osiągnęła 1330 GW , wytwarzając około 4370 TWh , czyli 70% światowej produkcji energii odnawialnej i 15,6% światowej produkcji energii elektrycznej w 2019 roku. niskie koszty eksploatacji i niska emisja gazów cieplarnianych ; pojemność magazynowa zbiorników pomaga zrównoważyć wahania popytu, a także nieciągłe energie (wiatr, słońce). Jednakże, ma skutki społeczne i środowiskowe , szczególnie w przypadku zapór zainstalowanych w regionach non-górskich: populacyjnych przemieszczeń , ewentualnie powodzi z gruntów ornych , fragmentacji i modyfikacje wodnych i lądowych ekosystemów , zablokowanie aluwium , etc. .
Głównymi producentami energii wodnej w 2020 r. były Chiny (31,0%), Brazylia (9,4%), Kanada (8,8%) i Stany Zjednoczone (6,7%), a kraje centralne należą do najpotężniejszych.
Energia elektryczna jest wytwarzana poprzez przekształcenie energii kinetycznej wody w energię elektryczną za pomocą turbiny hydraulicznej sprzężonej z generatorem elektrycznym . W przypadku zapór akumulacyjnych ilość energii dostępnej w danym okresie w zasobach wodnych zapory zależy od jej objętości, naturalnych nakładów i strat w okresie oraz wysokości spadku . W przypadku zapór przepływowych ilość wytwarzanej energii jest bezpośrednio związana z przepływem (m 3 / s, m 3 / h, m 3 / d, m 3 / rok).
Istnieją cztery główne typy turbin. Wyboru najbardziej odpowiedniego typu turbiny dokonuje się poprzez obliczenie określonej prędkości oznaczonej „ns”.
Od ponad dwóch tysięcy lat ludzie używają młynów wodnych napędzanych łopatkami do mielenia pszenicy. W zegarmistrzostwo i papieru Industries of the Alps wykonane świetny użytek z niej z powodu obfitości torrentów schodzących do dolin. W XIX th wieku, wirniki są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej i są zastępowane przez turbiny.
W 1869 roku inżynier Aristide Bergès użył go podczas upadku z wysokości 200 metrów w Lancey, aby obrócić swoje niszczarki, rozdrabniając drewno na masę papierniczą. Mówił o „ białym węglu ” w 1878 r. w Grenoble , potem na targach w Lyonie w 1887 r. i na Wystawie Powszechnej w Paryżu w 1889 r .
Od początku XX wieku postęp technologiczny w szwajcarskiej elektrowni wodnej doprowadził do intensywnych spekulacji giełdowych na spółkach hydroelektrycznych , z których skorzystały zakłady przemysłowe w Alpach .
W 1920 roku , wykorzystując szybki rozwój elektryczności ujrzał światło dzienne we Francji, z osiem-krotne zwiększenie produkcji energii elektrycznej hydraulicznych Dzięki pierwszych zapór.
W 1925 Grenoble zorganizowało Międzynarodową Wystawę Węgla Białego .
Istnieją trzy główne formy wytwarzania energii hydroelektrycznej:
Elektrownie grawitacyjne to takie, które wykorzystują potencjalną energię związaną z różnicą poziomów między zbiornikiem a elektrownią. Elektrownie można podzielić na trzy rodzaje eksploatacji, określające odmienną obsługę instalacji elektrycznej. Ta klasyfikacja jest dokonywana na podstawie stałej opróżniania, która odpowiada teoretycznemu czasowi, który byłby niezbędny do opróżnienia rezerwy przez turbinę z maksymalną mocą.
Klasyfikacja według rodzaju operacjiW ten sposób wyróżniamy:
Z tych powodów elektrownie przepływowe, instalowane głównie na terenach nizinnych, mają niskie zbiorniki. Wykorzystują przepływ rzeki taki, jaki jest, bez znaczącej zdolności modulacji przez magazynowanie. Zapewniają bardzo tanią energię bazową. Są one typowe dla rozwoju prowadzonego na głównych rzekach, takich jak Rodan i Ren .
Elektrownie „zamknięte” mają większe jeziora, co pozwala na ich modulację w ciągu dnia lub nawet tygodnia. Ich zarządzanie umożliwia śledzenie zmian zużycia w tych horyzontach czasowych (szczyty zużycia rano i wieczorem, różnica między dniami roboczymi a weekendami itp .). Są typowe dla instalacji prowadzonych w górach średnich.
„Jeziora centralne” odpowiadają budowlom z najważniejszymi zbiornikami. Pozwalają one na sezonowe magazynowanie wody i modulację produkcji tak, aby pokonywała szczytowe obciążenia zużycia energii elektrycznej: lato dla krajów, w których szczyt zużycia jest określany przez klimatyzację, zima dla krajów, w których jest on określany przez ogrzewanie. Elektrownie te są typowymi instalacjami realizowanymi w średnich i wysokich górach.
Ostatnie dwa rodzaje jezior pozwalają poprzez retencjonowanie wody na pewien magazyn energii ( energię potencjalną spadku ), umożliwiając przynajmniej częściowe wygładzenie produkcji energii elektrycznej.
Klasyfikacja według rodzaju wypełnieniaMożliwe jest również sklasyfikowanie elektrowni zgodnie z charakterystyką napełniania ich zbiornika, co warunkuje wykorzystanie energii elektrycznej, jakie można z nich wykonać.
Na przykład napełnienie niektórych zbiorników można statystycznie uzyskać w ujęciu tygodniowym, sezonowym, rocznym, a nawet wieloletnim, w przypadku bardzo dużych zbiorników wodnych, takich jak zbiornik Caniapiscau , powstały w ramach projektu James Bay . , w prowincji Quebec . Oczywistym jest, że szybkość napełniania ma bezpośredni wpływ na elastyczność użytkowania.
Klasyfikacja według wysokości upadkuWreszcie możemy sklasyfikować konstrukcje według ich wysokości opadania, czyli różnicy wysokości między teoretycznym lustrem pełnego zbiornika a turbiną. Ta wysokość zrzutu determinuje rodzaje stosowanych turbin.
W ten sposób wyróżniamy:
Pomiędzy tymi trzema typami klasyfikacji nie ma ścisłej równoważności, ale silna korelacja:
Produkcja elektrowni wodnej zależy od udziału rzek, które ją zasilają, zmieniając się w zależności od pory roku iz roku na rok wraz z opadami. Produkcja hydroelektrowni w Brazylii spadła o 16% w latach 2011-2015 z powodu szeregu lat suszy, pomimo uruchomienia kilku nowych zapór. W Hiszpanii obserwuje się jeszcze bardziej skrajne wahania: + 56,1% w 2010 r., -27,7% w 2011 r., -26,6% w 2012 r., + 69,9% w 2013 r.; -47,1% w 2017 roku i +74,4% w 2018 roku.
Zbiorniki w elektrowniach jeziornych są sposobem magazynowania, który może pomóc zrównoważyć sezonowość opadów oraz popyt. Rzadko mają wystarczającą ilość, aby zrekompensować roczne wahania.
Pompowane stacje przesyłu energii (OŚ), oprócz wytwarzania energii z naturalnego przepływu, zawierają tryb pompowania pozwalający na redystrybucję energii wytwarzanej przez inne typy elektrowni, gdy zużycie jest mniejsze niż produkcja, na przykład w nocy. to, w trybie turbiny, podczas szczytów zużycia.
Elektrownie te posiadają dwa baseny, górny zbiornik i dolny basen, pomiędzy którymi znajduje się odwracalna maszyna hydroelektryczna : część hydrauliczna może pracować zarówno w pompie , w turbinie, jak i w części elektrycznej zarówno silnik , jak i alternator ( maszyna synchroniczna ). W trybie akumulacji maszyna wykorzystuje moc dostępną w sieci do podniesienia wody z dolnego basenu do górnego basenu, aw trybie produkcyjnym maszyna przekształca grawitacyjną energię potencjalną wody na energię elektryczną.
Sprawność (stosunek energii elektrycznej zużytej do wyprodukowanej) jest rzędu 82%.
Ten typ zakładu ma znaczenie ekonomiczne, gdy krańcowe koszty produkcji różnią się znacznie w danym okresie czasu (dzień, tydzień, pora roku, rok itp .). Umożliwiają magazynowanie energii grawitacyjnej w okresach, gdy te koszty są niskie, aby mieć ją dostępną w okresach, gdy są one wysokie.
Dzieje się tak na przykład w przypadku znacznych, powtarzających się zmian popytu (pomiędzy latem a zimą, dniem lub nocą itp. ), „fatalnych” produkcji w dużych ilościach, które w przeciwnym razie zostałyby utracone ( energia wiatrowa ) lub modułowa produkcja energii bazowej (węgiel, hydraulika przepływowa).
Elektrownia pływowa to elektrownia wodna, która wykorzystuje energię pływów do wytwarzania energii elektrycznej. Przykładem może być elektrownia pływowa Rance, uruchomiona w 1966 roku, aby zrekompensować niską produkcję energii elektrycznej w Bretanii.
Z falThe Japanese zainteresował się najpierw w zasobie puchnąć od 1945 roku, a następnie w Norwegii i Wielkiej Brytanii .
Na początku miesiącaSierpień 1995, Ocean Swell Powered Renewable Energy ( OSPREY), pierwsza elektrownia wykorzystująca energię fal, znajduje się na północy Szkocji . Zasada jest następująca: fale wchodzą w rodzaj zanurzonej skrzynki, otwartej u podstawy, wtłaczają powietrze do turbin napędzających alternatory wytwarzające prąd. Ten ostatni jest następnie przesyłany kablem podmorskim na wybrzeże oddalone o około 300 metrów. Elektrownia miała moc 2 MW , niestety praca ta, uszkodzona przez fale, została zniszczona przez ogon huraganu Felix w 2007 roku. Jej twórcy nie zniechęcają się, a nowa maszyna, tańsza i wydajniejsza, jest obecnie w ruchu skup się . Powinna umożliwić dostarczanie energii elektrycznej do małych wysp, które jej nie mają, oraz zaopatrywanie zakładu odsalania wody morskiej .
Od prądów morskichW ramach projektu brytyjskiej firmy Marine Current Turbines (in) planuje się wdrożenie turbin, które do generowania energii elektrycznej wykorzystują prądy oceaniczne, podobnie jak śmigło łodzi .
Woda będąca źródłem energii hydroelektrycznej może być magazynowana: produkcja energii elektrycznej może być zatem magazynowana poza godzinami szczytu , aby mogła być wykorzystywana w godzinach szczytu , to znaczy, kiedy zapotrzebowanie w sieci jest największe, publiczna sieć dystrybucji energii elektrycznej; może być również przechowywany w weekendy do turbiny w ciągu tygodnia, a nawet przechowywany na wiosnę podczas topnienia śniegu, aby był turbinowany zimą. Produkcja hydroelektrowni jest ograniczona przepływem i dostępnymi rezerwami wody; rezerwy te zależą od klimatu , od pompowania prowadzonego przed zbiornikami (np. do nawadniania ) oraz od wielkości zbiorników wodnych (tamy).
Zainstalowana na świecie moc wodna osiągnęła na koniec 2020 r. 1330 GW , czyli o 1,6%, a produkcję hydroenergetyczną szacowano na 4370 TWh , czyli o 1,5%. Nowe przyrosty mocy osiągnęły 21 GW w 2020 r., w porównaniu do 15,6 GW w 2018 r. Prawie dwie trzecie tych przyrostów miało miejsce w Chinach: 13,8 GW ; spośród krajów, które zainstalowały nowe moce, tylko Turcja przekroczyła megawat: 2,5 GW . Chiny w dużej mierze dominują w rankingu krajów pod względem zainstalowanej mocy z 370,2 GW , czyli 27,8% całkowitej światowej, za nimi plasuje się Brazylia (109,3 GW ). W pompowane składy posiadają łącznie 160 GW mocy zainstalowanej i 9.000 GWh pojemności pamięci masowej. Nowe instalacje w 2020 roku osiągnęły 1,5 GW, w tym 1,2 GW w Chinach.
W 2019 r. nowe przyrosty mocy sięgnęły 15,6 GW , wobec 21,8 GW w 2018 r. Kraje, które zainstalowały największe moce to Brazylia: 4,92 GW , Chiny: 4,17 GW i Laos: 1,89 GW .
Udział energetyki wodnej w światowej produkcji energii elektrycznej w 2019 roku BP szacuje na 15,6%. Jego produkcja wzrosła o 0,8% w 2019 roku i 22,5% od 2009 roku.
Według The World Factbook hydraulika stanowiła 18,7% światowej energii elektrycznej w 2012 roku i 10,7% w Europie w 2011 roku.
Udział energii hydroelektrycznej w produkcji jest mniejszy niż jej udział w mocy zainstalowanej: 15,9% światowej produkcji energii elektrycznej w 2017 r. (wobec 20,9% w 1973 r.), ale odgrywa szczególnie ważną rolę w zapewnieniu chwilowej równowagi pomiędzy produkcją a zużyciem energii elektrycznej; w rzeczywistości energia wodna jest, dzięki swojej elastyczności (może być uruchomiona w ciągu kilku minut), istotną zmienną regulacji, ponieważ energia elektryczna jest bardzo trudna do przechowywania w dużych ilościach.
Region |
Całkowita moc na koniec 2020 roku ( GW ) |
w tym GW szczytowo-pompowe |
Dodatki 2020 GW |
Produkcja 2020 ( TWh ) |
Część 2020 |
Afryka | 38,2 | 3.4 | 0,94 | 139,5 | 3,2% |
Azja Południowa i Środkowa | 154,4 | 7,8 | 1,61 | 498 | 11,4% |
Azja Wschodnia i Pacyfik | 501,5 | 69,5 | 14.47 | 1643 | 37,6% |
Europa | 254,5 | 54,9 | 3,03 | 674 | 15,4% |
Ameryka Północna i Środkowa | 204,8 | 23,0 | 0,53 | 724 | 16,6% |
Ameryka Południowa | 176,8 | 1,0 | 0,48 | 690 | 15,8% |
Świat | 1330.1 | 159,5 | 21 | 4370 | 100% |
Główne kraje produkujące | |||||
Chiny | 370,2 | 31,5 | 13.76 | 1,355 | 31,0% |
Brazylia | 109,3 | 0,03 | 0,21 | 409,5 | 9,4% |
Kanada | 82,0 | 0,2 | 0,27 | 383 | 8,8% |
Stany Zjednoczone | 102,0 | 22,9 | 0,02 | 291 | 6,7% |
Rosja | 49,9 | 1,4 | 0,38 | 196 | 4,5% |
Indie | 50,5 | 4,8 | 0,48 | 155 | 3,5% |
Norwegia | 33,0 | 1,4 | 0,32 | 141,7 | 3,2% |
Japonia | 50,0 | 27,6 | 0,11 | 89,2 | 2,0% |
indyk | 31,0 | - | 2,48 | 77,4 | 1,8% |
Wenezuela | 15,4 | - | - | 72,0 | 1,6% |
Szwecja | 16,5 | 0,1 | - | 71,6 | 1,6% |
Francja | 25,5 | 5,8 | - | 64,8 | 1,5% |
Wietnam | 17,1 | - | 0,08 | 52,0 | 1,2% |
Paragwaj | 8,8 | - | - | 49,3 | 1,1% |
Włochy | 22,6 | 7,7 | - | 47,7 | 1,1% |
Kolumbia | 11,9 | - | 0,02 | 45,8 | 1,0% |
Austria | 14,6 | 5,6 | - | 42,5 | 1,0% |
szwajcarski | 16,9 | 3.0 | - | 40,6 | 0,9% |
Źródło danych: Międzynarodowe Stowarzyszenie Energetyki Wodnej. |
Moc zainstalowana elektrowni szczytowo-pompowych wyniosła 159 494 MW , w tym 31 490 MW w Chinach (19,7%), 27 637 MW w Japonii (17,3%) i 22 855 MW w Stanach Zjednoczonych (14,3%); te trzy kraje stanowią 51,3% całkowitej światowej.
Największymi producentami energii wodnej w 2017 r. były Chiny (28,3%), Kanada (9,4%), Brazylia (8,8%) i Stany Zjednoczone (7,7%). Ale miejsce tej odnawialnej energii w krajowej produkcji energii elektrycznej jest bardzo zmienne i pięć krajów wyróżnia się z udziałem 95,7% w Norwegii, 62,9% w Brazylii, 59,6% w Kanadzie, 44,8% w Wietnamie i 39,7% w Szwecji.
Pomimo ogólnie wysokich kosztów wdrożenia, koszty utrzymania są rozsądne, obiekty są zaprojektowane tak, aby służyły przez długi czas, nie ma kosztów paliwa, a energia wodna jest odnawialna, jeśli jest odpowiednio zarządzana. Koszt na kWh różni się znacznie w zależności od charakterystyki przeprowadzonej instalacji; że gigantyczne tamy na dużych rzekach mogą być bardzo niskie, przyciągając elektrochłonne gałęzie przemysłu, takie jak aluminium; ale drogie zakłady mogą być bardzo opłacalne ze względu na ich elastyczność działania i zdolność do regulowania całkowitej produkcji.
Energia wodna jest uważana za energię odnawialną, w przeciwieństwie do ropy naftowej czy gazu ziemnego .
Niektóre badania poddają w wątpliwość bilans gazów cieplarnianych systemów hydroelektrycznych. Aktywność bakteriologiczna w wodach zapór, zwłaszcza w rejonach tropikalnych, spowodowałaby uwolnienie dużych ilości metanu (gaz wywołujący efekt cieplarniany 20 razy silniejszy niż CO 2). W projektach zaporowych produkcja energii wodnej jest często komplementarna, inne cele, takie jak kontrola powodzi i ich skutków, poprawa żeglowności cieku wodnego, zaopatrzenie w wodę kanałów, tworzenie zasobów wodnych do nawadniania, turystyka. ...
Od czasu powstania Zapory Trzech Przełomów na rzece Jangzi w Chinach w 2014 roku kraj ten jest liderem w produkcji energii wodnej w Azji, ale także w Afryce i Ameryce Południowej. Kwestie ekonomiczne takich konstrukcji, jak również walka z globalnym ociepleniem, przeważają nad innymi kwestiami ekologicznymi.
Oddziaływania na środowisko różnią się w zależności od rodzaju i wielkości wykonanej konstrukcji: są niewielkie, jeśli chodzi o eksploatację naturalnych wodospadów, prądów morskich, fal, ale stają się bardzo ważne, jeśli chodzi o eksploatację naturalnych wodospadów, prądów morskich, fale, chodzi o tworzenie tam i sztucznych zbiorników wodnych. W tym ostatnim przypadku generalnie krytykuje się zanik gruntów rolnych i wsi (prowadzący do przesiedleń ludności) oraz zakłócenie ruchu fauny (nie tylko wodnej) i ogólnie całego otaczającego ekosystemu.
Niektóre godne uwagi przykłady dużego wpływu na środowisko to:
Oprócz konsekwencji spowodowanych zbiornikami wodnymi, takimi jak zawalenie się delt, trzęsienia ziemi, katastrofy mogą być spowodowane budową samych konstrukcji. Tak więc zawalenie się w 2018 roku zapory na rzece Pian, dopływie Mekongu, zbudowanej, podobnie jak wiele tam w Laosie , bez żadnych badań wpływu, pozostawiło 6600 osób bez dachu nad głową i spowodowało ponad sto ofiar. Katastrofa dotknęła wody rzeki Mekong , która pochłonęła 17 wiosek w Kambodży .