5. fejezet - Vízenergia

Tartalom

5.1. Energiatermelés a szárazföldi vizekből
5.2. Energiatermelés az óceánok vizéből

A vízenergia hasznosításon belül elkülöníthetjük a kontinentális édesvizek és az óceáni területek hatalmas víztömegeinek felhasználását.

5.1. Energiatermelés a szárazföldi vizekből

A víz függőleges és vízszintes irányú mozgásának kinetikus energiájából is kinyerhetünk energiatermelés céljára felhasználható hányadot. A vízenergia felhasználása több mint öt évezreddel ezelőtt indult: öntözésre, majd később a víz mozgása által hajtott vízkerekeket, vízimalmokat használtak a gabona lisztté őrlésére. A vízenergiából történő elektromos áram nyeréséhez szükséges fejlesztések a XVIII. században indultak, majd a generátorok használatának elterjedése a XIX. század végére tehető. Például az Amerikai Egyesült Államok és Kanada határán elhelyezkedő Niagara-vízesés energiájából a közeli település közvilágítását táplálták 1881-től. Az 1880-as évek végére az Észak-Amerikában működő vízenergián alapuló elektromos áramtermelő erőművek száma már meghaladta a 200-at. A XX. század során az Amerikai Egyesült Államok elektromos áramtermelésének egyre nagyobb hányadát biztosították vízerőművek: 1920-ra már a teljes nemzeti termelés 25%-át, 1940-ben 40%-át. A fosszilis energiahordozók és a nukleáris energia elterjedése később visszaszorította a vízerőművek részesedés-növekedését, ennek ellenére az összkapacitás folyamatosan bővült. 1970 óta globálisan több mint háromszorosára nőtt a vízenergia felhasználásával történő elektromos áramtermelés, az utóbbi két évtizedben pedig mintegy 50%-os növekedést figyelhetünk meg (5.1. ábra). A legnagyobb növekedés egyértelműen Kínában jelentkezett.

A vízenergia felhasználásával történő elektromos áramtermelés növekedése az 1971 és 2010 közötti időszakban

5.1. ábra: A vízenergia felhasználásával történő elektromos áramtermelés növekedése az 1971–2010 időszakban (IEA, 2012c adatai alapján)

Jelenleg a világ több mint 160 országában termelnek elektromos áramot vízenergia felhasználásával, mely a teljes áramtermelés 16%-át adja. A világszerte megtalálható mintegy 11.000 vízerőmű összkapacitása 874 GW (WEC, 2010a). Ebből a legnagyobb hányad – mintegy 35% – Ázsiában található, és jelentős az európai részesedés is 27%-kal (5.2. ábra). Több mint 35 országban a nemzeti szintű elektromos áramtermelés több mint felét vízerőművekkel állítják elő. Nagyon magas – 90%-ot meghaladó – a vízenergia áramtermelésben betöltött szerepe például Paraguayban, Norvégiában, Albániában, Tádzsikisztánban, Nepálban, Kongóban, Mozambikban és Zambiában (IEA, 2012a).

A vízenergia felhasználásával termelt elektromos áram földrészenkénti megoszlása

5.2. ábra: A vízenergia felhasználásával termelt elektromos áram földrészenkénti megoszlása (WEC, 2010a adatai alapján)

Becslések szerint a technikailag potenciálisan felhasználható vízenergia meghaladja a 16.400 TWh-t évente, mely nagyon egyenlőtlenül oszlik el a Föld különböző régióiban. Ennek a lehetséges energiamennyiségnek a fele öt országban – Kínában, az Amerikai Egyesült Államokban, Oroszországban, Brazíliában és Kanadában – áll rendelkezésre. Az európai országokban a vízenergia potenciál relatíve kisebb, mint a Föld más térségeiben. Ennek ellenére a legnagyobb arányú a vízenergia potenciál kihasználása Európában (29%), különösen magas ez az arány Svájcban (88%), Norvégiában (70%), Svédországban (69%) és Franciaországban (68%). Európán kívül 60%-ot meghaladó kihasználási arány csak Mexikóban (80%) és Japánban (61%) jellemző (IEA, 2010a). A becslések szerint a rendelkezésre álló lehetőségeknek globálisan csak mintegy ötödét használjuk ki.

A világ első 10 vízenergia felhasználásával elektromos áramot termelő országa

5.3. ábra: A világ első 10 vízenergia felhasználásával elektromos áramot termelő országa (WEC, 2010a adatai alapján) – animáció

A vízenergia felhasználásával a legtöbb áramot termelő ország Kína, ezt követi Kanada, Brazília és az Amerikai Egyesült Államok (5.3. ábra), melyek mindegyikében a vízenergia-termelés több mint 20 millió tonna olajekvivalensnek felel meg. Európában a legnagyobb vízenergia-felhasználó országok: Oroszország, Norvégia, Svédország és Franciaország (5.4. ábra). Ez a négy ország összességében sem éri el a kínai vízenergia-termelés mértékét, holott együttesen csaknem 40 millió tonna olajekvivalensnek megfelelő vízenergia-termelést végez.

Magyarország adottságai nem túl kedvezőek a vízenergia hasznosítása szempontjából, a telepített összkapacitás alig haladja meg az 55 MW-ot. A hazánkban létesített 23 vízerőmű közül csupán kettőnek a beépített kapacitása haladja meg az 5 MW-t: az 1975 óta üzemelő Kiskörei Vízerőmű 28 MW-os, az 1956 óta üzemelő Tiszalöki Vízerőmű 12,9 MW-os beépített kapacitással rendelkezik (MEH, 2012).

Európa 10 legtöbb elektromos áramot termelő országa a vízenergia felhasználásával

5.4. ábra: Európa 10 legtöbb elektromos áramot termelő országa a vízenergia felhasználásával (WEC, 2010a adatai alapján) – animáció

A vízerőműveknek (5.5. ábra) három alapvető típusát különböztethetjük meg.

Vízerőmű szerkezeti felépítése

5.5. ábra: Vízerőmű szerkezeti felépítése. A - víztározó, B - gépház, C - turbina, D - generátor, E - vízbevezetés, F - frissvíz csatorna, G - villamos távvezeték, H - folyó (Forrás: Tomia, wikipedia)

(1) A folyóvízre telepített vízerőművek a víz természetes lefolyását felhasználva generálnak elektromos áramot.

(2) A víztározókhoz kapcsolódó erőművek az összegyűjtött nagy mennyiségű víz leeresztésével állítják elő az áramot. Ebben az esetben a turbina és a generátor a megépített duzzasztógát alján helyezkedik el. Példaként az 5.6. ábrán az amerikai Hoover-gát fotóját láthatjuk, melyet a Colorado folyó felduzzasztásával építettek 1931 és 1936 között.

Az amerikai Hoover-gát légifotón

5.6. ábra: Az amerikai Hoover-gát. Beépített kapacitása: 2080 MW. A legtöbb termelt energia 1984-ben 10,348 TWh volt, 1940 óta a legkevesebb évi energiatermelés 2,648 TWh volt 1956-ban. Az átlagos energiatermelés 4,2 TWh/év. (Fotó: Florian.Arnd)

(3) A szivattyús energiatározó vízerőművek lényege, hogy az alacsonyabban fekvő víztározóba már leeresztett víztömeget egy magasabban fekvő víztározóba szivattyúzzák fel, majd onnan ismét leeresztik. A leeresztéskor termelt energiát a hálózatba betáplálják, s amikor a csúcsidőn kívül csökken a felhasználói energiaigény, akkor a feleslegessé vált energiával oldják meg a víz visszavezetését a magasabban fekvő tározóba (5.7. ábra).

Két eltérő tengerszint feletti magasságon fekvő víztározó alkalmazásával kialakított szivattyús vízerőmű sematikus felépítése

5.7. ábra: Két eltérő tengerszint feletti magasságon fekvő víztározó alkalmazásával kialakított szivattyús vízerőmű sematikus felépítése.

A fenti osztályozás is mutatja, hogy a vízenergia nagyon rugalmasan felhasználható az eltérő feltételeknek megfelelően. Folyamatos, állandó mértékű áramtermelésre, illetve csúcsidőszakban jelentkező nagy áramigény kielégítésére egyaránt lehetőség van. A vízerőműveket a hasznosítható esés alapján, illetve a beépített teljesítőképességük alapján is csoportosíthatjuk.

A víz hasznosítható esése alapján történő osztályozás szerint megkülönböztethetünk kis-, közepes- és nagy esésű vízerőműveket. A kisesésű vízerőművek esetén 15 m-nél kisebb, a nagyesésű vízerőművek esetén viszont 50 m-nél nagyobb a hasznosítható esés. Az 5.8. ábrán egy 100 m hasznosítható esést is meghaladó, nagyesésű amerikai vízerőmű látható, melyet a Hoover-gáthoz hasonlóan szintén a Colorado-folyó felduzzasztásával működtetnek Arizona és Utah állam határán. A gáthoz kapcsolódó víztározó az attól északkeletre elhelyezkedő Powell-tó, mely az Amerikai Egyesült Államok második legnagyobb mesterséges tava.

Az amerikai Glen-kanyon gát fényképe

5.8. ábra: Az 1964-ben üzembe helyezett Glen-kanyon gát, melynek magassága 220 m. A hasznosítható esése meghaladja a 150 m-t. Beépített kapacitása: 1296 MW. Átlagosan évente csak a teljes kapacitás negyedét használják ki. A legtöbb termelt energia 1984-ben 10,4 TWh volt, a legkevesebb évi energiatermelés mintegy 2 TWh volt 2002-ben. Az átlagos energiatermelés 3,454 TWh/év.

A víz esése (h) alapján kinyerhető P teljesítmény az alábbi képlet alapján számítható:

(5.1)

ahol ρ a víz sűrűsége (értéke 1,023 kg/m3), g a nehézségi gyorsulás (értéke 9,81 m/s2), Q az időegység alatt átáramló vízmennyiség (vízhozam).

A beépített kapacitás alapú osztályozást az 5.1. táblázat részletezi. A kis vízerőműveken belül ún. mikro- (vagy törpe-) vízerőműveket is elkülöníthetünk, melyek 100 kW-nál is kisebb teljesítményűek.

Kategória

Beépített teljesítőképesség

Típus

Energiafelhasználás módja

Beruházási költségek (millió USD/MW)

kicsi

< 10 MW

folyóvízi

alapterhelés

2–4

közepes

10–100 MW

folyóvízi

alapterhelés

2–3

közepes

100–300 MW

víztározó és gát

alap- és csúcsterhelés

2–3

nagy

> 300 MW

víztározó és gát

alap- és csúcsterhelés

< 2

5.1. táblázat. Vízerőművek osztályozási rendszere (IEA, 2010 alapján)

A vízerőművek építése ugyan minden esetben nagy költségű beruházást jelent, de a hosszú élettartam miatt ez megtérül. Az 50–100 éve épített vízerőművek nagy többsége mind a mai napig működik, és megbízható, hatékony áramtermelésre alkalmas. Nagy előnye a vízerőművek alkalmazásának a relatíve alacsony fenntartási költség. Előnyös továbbá az is, hogy segíthetik az árvízi szabályozást, a mezőgazdasági öntözést, s az ivóvíz-ellátás biztonságát.

A globális klímaváltozás hatására a potenciálisan felhasználható vízenergia régiónként változhat a jövőben, de globális skálán ezek kiegyenlítik egymást, s a teljes Földre vonatkozóan lényegében nem változnak a lehetőségeink. Előrejelzések szerint a XXI. század közepéig a jelenlegi globális vízenergia felhasználás meg fog duplázódni, mely hátterében az ázsiai potenciális fejlesztések állnak. A fejlődő országokban mind nagy, mind kisebb vízerőművek építését tervezik. Ezek jelentős mértékben hozzájárulhatnak az energiaigényes, modern szolgáltatások bővüléséhez, a szegénység csökkentéséhez, a társadalmi és gazdasági fejlődéshez. A fejlett ipari országokban a meglévő vízierőművek fejlesztésével mintegy 5–20%-os kapacitásbővülés érhető el.