AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΒΙΩΣΙΜΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Η ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΩΝ ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ ΣΤΙΣ ΠΟΛΛΑΠΛΕΣ ΧΡΗΣΕΙΣ ΝΕΡΟΥ: Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΔΗΜΗΤΡΑ ΚΑΡΑΜΠΑΤΑΚΗ Διπλ. Μηχανικός Παραγωγής & Διοίκησης Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2009
Περίληψη Είναι ευρέως γνωστό ότι, η υδροηλεκτρική ενέργεια κατέχει σήμερα κυρίαρχο μερίδιο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Βέβαια, η ένταξη των Υδροηλεκτρικών Έργων (ΥΗΕ) στο ενεργειακό σύστημα υπήρξε περιορισμένη στην Ελλάδα. Παρά τις οποιεσδήποτε επιφυλάξεις για τις σοβαρές επεμβάσεις στο φυσικό περιβάλλον, δεν μπορεί να αμφισβητηθεί ότι η σημασία των Υδροηλεκτρικών Έργων για τη διαχείριση των υδατικών πόρων της Ελλάδας είναι πολύ μεγάλη, καθώς τα περισσότερα από αυτά αποτελούν έργα πολλαπλού σκοπού, αφού χρησιμοποιούνται για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ύδρευση, άρδευση, αντιπλημμυρική προστασία, αναψυχή, ιχθυοκαλλιέργειες, αθλητικές δραστηριότητες και συμβάλλουν στην ήπια τουριστική ανάπτυξη της χώρας. Βάσει των παραπάνω η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει τη συμβολή των Υδροηλεκτρικών Έργων στην εξασφάλιση οφέλους στην κοινωνία, την οικονομία και το περιβάλλον καθώς και στην ενεργειακή επάρκεια της Ελλάδας. Παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας και εγκατάστασης των υδροηλεκτρικών έργων, γίνεται αναφορά των υπαρχόντων ΥΗΕ στην Ελλάδα ενώ παράλληλα μέσα από την παρουσίαση στοιχείων που αφορούν την ενεργειακή εκμετάλλευση των ΥΗΕ αναλύεται η προσφορά τους στο ελληνικό σύστημα. Γίνεται ειδική αναφορά στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις τους καθώς είναι καθοριστικές για την σωστή διαχείριση των υδατικών πόρων και τη γενικότερη διατήρηση και προστασία του περιβάλλοντος. Τέλος, εκτιμάται το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από υδροηλεκτρικούς σταθμούς καθώς επίσης γίνεται και μια προσπάθεια εκτίμησης του εξωτερικού περιβαλλοντικού κόστους. i
Abstract Nowadays, the hydroelectricity holds a major share in the production of electric energy from renewable sources. However, there was limited integration of Hydroelectric Plants in the energy system of Greece. Despite any reserves for the serious interventions in environment, the great importance of Hydroelectric Plants for the water management of Greece cannot be disputed, while most of them constitute constructions of multiple purposes. Thus, they are used for production of electricity, water supply, irrigation, flood-preventing protection, recreation, piscicultures, athletic activities and contribute in mild tourism development of the country. Based on the above, the present thesis examines the contribution of Hydroelectric Plants in order to obtain profit for the society, the economy and the environment as well as for the energy sufficiency of Greece. The basic rules of installation and operation of hydroelectric plants are presented, the existing hydroelectric plants in Greece are reported, while at the same time their offer is being analyzed, through the presentation of elements concerning energy exploitation of hydroelectric plants in Greece. There is also a special reference in their environmental impacts because of their decisive role for a more efficient water management and the general maintenance and protection of the environment. Finally, the cost of electricity s production from hydroelectric stations is estimated while there is an attempt of approximating the external cost. ii
Πρόλογος Η ενέργεια ανέκαθεν αποτελούσε βασικό κοινωνικό αγαθό, απαραίτητο για την ανάπτυξη και την εξέλιξη των κοινωνιών. Τα τελευταία χρόνια, ενεργειακά θέματα που αφορούν την παραγωγή,τη διαχείριση και τη συσχέτισή της με τα σύγχρονα περιβαλλοντικά ζητήματα, όπως το φαινόμενο του θερμοκηπίου και η επικείμενη εξάντληση των συμβατικών ενεργειακών αποθεμάτων, βρίσκονται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος σε εθνικό και παγκόσμιο επίπεδο. Ο ενεργειακός τομέας αποτελεί πλέον παράγοντα καθοριστικής σημασίας στη λήψη αποφάσεων και στη χάραξη πολιτικών, σχετικών με οικονομικά, κοινωνικά και τεχνολογικά ζητήματα. Η σημασία των υδατικών πόρων ως πηγών ηλεκτροπαραγωγής αναβαθμίζεται και έτσι αποκτούν ολοένα μεγαλύτερο διεθνές επενδυτικό και οικονομικό ενδιαφέρον. Το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την ενέργεια των ποταμών γίνεται πιο ελκυστικό σε σύγκριση με αυτό που στηρίζεται σε εισαγόμενες ενεργειακές ύλες. Γίνεται λοιπόν, επιτακτική η ανάγκη για αποτελεσματικότερη συγκέντρωση και διαχείριση των υδατικών πόρων μέσω της υδροηλεκτρικής παραγωγής. Κύριο θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσία της υδροηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα, η προοπτική ανάπτυξης της καθώς και η εκτίμηση της συνεισφοράς της στην παραγωγή «πράσινης» ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλη απόδοση. Η εκπόνηση της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια του ακαδημαϊκού έτους 2008-2009 στο πλαίσιο της ολοκλήρωσης της εκπαιδευτικής διαδικασίας του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προστασία Περιβάλλοντος και Βιώσιμη Ανάπτυξη» του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου, με επιβλέπουσα τριμελή επιτροπή τους: κ. Λατινόπουλο Π., Καθηγητή Α.Π.Θ, κ. Κατσιφαράκη Κ., Καθηγητή Α.Π.Θ, κ. Μυλόπουλο Ι., Καθηγητή Α.Π.Θ. Ολοκληρώνοντας τη μεταπτυχιακή μου εργασία και ταυτόχρονα ένα σημαντικό κύκλο στην εκπαίδευσή μου, αισθάνομαι την ανάγκη να ευχαριστήσω τους ανθρώπους που συνεισέφεραν σε αυτή την προσπάθεια. Οφείλω καταρχήν ένα μεγάλο ευχαριστώ προς τον επιβλέποντα καθηγητή αυτής της διπλωματικής εργασίας, τον κ. Περικλή Λατινόπουλο όχι μόνο για την υποστήριξή του στην επιλογή και διεκπεραίωση ενός θέματος που πραγματικά με ενδιέφερε, αλλά και για την υποδειγματική διδασκαλία του, που είχα την τύχη να παρακολουθήσω σε μεταπτυχιακό επίπεδο. Σημαντική ήταν η συμβολή του Διδάσκοντα iii
Π.Δ.407 κ. Διονύση Λατινόπουλο με την παροχή στοιχείων και την προθυμία του να προσφέρει βοήθεια όταν τη χρειάστηκα. Τέλος, οφείλω επίσης να ευχαριστήσω τον κ. Μιχαηλίδη, Διευθυντή του υδροηλεκτρικού σταθμού του Θησαυρού για την άψογη συνεργασία στη συλλογή και διάθεση τεχνικών και οικονομικών δεδομένων για τα ΥΗΕ της Ελλάδας και συγκεκριμένα για το ΥΗΕ του Θησαυρού. Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2009 iv
Περιεχόμενα Περίληψη Abstract Πρόλογος i ii iii 1 Εισαγωγή 1 1.1 Γενικά...1 1.2 Δομή της εργασίας...2 2 Η αξιοποίηση της υδροηλεκτρικής ενέργειας 4 2.1 Υδροηλεκτρική ενέργεια και υδροηλεκτρικοί σταθμοί...4 2.1.1 Λειτουργία των υδροηλεκτρικών σταθμών...5 2.1.2 Υδροηλεκτρικοί σταθμοί μεγάλης κλίμακας...9 2.1.3 Υδροηλεκτρικοί σταθμοί μικρής κλίμακας...9 3 Κύρια χαρακτηριστικά ενός ΥΗΕ 11 3.1 Τα κύρια μέρη ενός υδροηλεκτρικού έργου...11 3.1.1 Έργα σύλληψης του νερού (Φράγματα)...14 3.1.2 Έργα ασφαλείας...15 3.1.3 Έργα υδροληψίας...15 3.2 Σταθμός παραγωγής...20 3.2.1 Στρόβιλοι...20 3.2.2 Γεννήτριες...23 3.2.3 Ηλεκτρομηχανολογικός εξοπλισμός...23 3.3 Η ροή της ενέργειας σε ένα ΥΗΕ...25 4 Χρήση υδροηλεκτρικής ενέργειας σε Ευρώπη και παγκόσμια 27 4.1 Παγκόσμια κατάσταση στην κατανάλωση υδροηλεκτρικής ενέργειας...27 5 Περιγραφή Μεγάλων και Μικρών ΥΗΕ στην Ελλάδα 31 v
5.1 Ιστορική αναδρομή της ανάπτυξης των υδροηλεκτρικών σταθμών (ΥΗΣ) στην Ελλάδα...31 5.2 Περιγραφή των ΥΗΣ στην Ελλάδα...32 5.3 Στοιχεία εκμετάλλευσης των ΥΗΣ...39 5.4 Προβλήματα ανάπτυξης υδροηλεκτρικών έργων στην Ελλάδα...45 6 Επιπτώσεις και οφέλη από την κατασκεή ΥΗΕ 47 6.1 Κατηγορίες επιπτώσεων...47 6.2 Θετικές επιπτώσεις ΥΗΕ...48 6.2.1 Τα ΥΗΕ ως έργα πολλαπλού σκοπού με σημαντικά οφέλη...48 6.2.2 Η ενεργειακή συμβολή των ΥΗΕ στο διασυνδεδεμένο σύστημα...50 6.3 Αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις από ΥΗΕ...52 6.3.1 Αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις στο έδαφος...52 6.3.2 Αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις στο νερό...52 6.3.3 Αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις στην πανίδα...53 6.3.4 Αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις στα οικοσυστήματα, στη χλωρίδα και στη βλάστηση...54 6.3.5 Αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις στο τοπίο...55 6.3.6 Αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις στο μικροκλίμα...55 6.3.7 Παραγωγή θορύβου στους ΥΗΣ...55 6.3.8 Έκλυση αέριων εκπομπών από ΥΗΣ...55 6.3.9 Δημιουργία αποβλήτων στους ΥΗΣ...56 6.3.10 Αρνητικές κοινωνικοοικονομικές επιπτώσεις...56 6.4 Μέτρα ενδεχόμενων περιβαλλοντικών επιπτώσεων από ΥΗΣ....57 7 Υδροηλεκτρική αξιοποίηση στον ποταμό Νέστο: Το ΥΗΕ Θησαυρού 64 7.1 Η σημασία του ποταμού Νέστου...64 7.2 Τα υδροηλεκτρικά έργα στο Νέστο...66 7.3 Το ΥΗΕ του Θησαυρού: Ένα σημαντικό έργο για την ανάπτυξη του ποταμού Νέστου...70 8 Η οικονομική θεώρηση 76 8.1 Καθορισμός οικονομικής αξίας του νερού...76 8.2 Υπολογισμός της οικονομικής αξίας του νερού στην παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας...77 8.2.1 Κόστος παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας στο ΥΗΕ Θησαυρού...80 8.2.2 Το εξωτερικό κόστος στην παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας...83 vi
9 Συμπεράσματα 88 Βιβλιογραφία 91 vii
Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Γενικά Η ενέργεια ανέκαθεν αποτελούσε βασικό κοινωνικό αγαθό, απαραίτητο για την ανάπτυξη και την εξέλιξη των κοινωνιών. Τα τελευταία χρόνια, ενεργειακά θέματα που αφορούν την παραγωγή,τη διαχείριση και τη συσχέτισή της με τα σύγχρονα περιβαλλοντικά ζητήματα, όπως το φαινόμενο του θερμοκηπίου και η επικείμενη εξάντληση των συμβατικών ενεργειακών αποθεμάτων, βρίσκονται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος σε εθνικό και παγκόσμιο επίπεδο. Ο ενεργειακός τομέας αποτελεί πλέον παράγοντα καθοριστικής σημασίας στη λήψη αποφάσεων και στη χάραξη πολιτικών, σχετικών με οικονομικά, κοινωνικά και τεχνολογικά ζητήματα. Οι κοσμοϊστορικές εξελίξεις και μεταρρυθμίσεις στο διεθνή ενεργειακό τομέα, όπως η εκτίναξη των διεθνών ενεργειακών πρώτων υλών δημιουργεί νέα δεδομένα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η σημασία των υδατικών πόρων ως πηγών ηλεκτροπαραγωγής αναβαθμίζεται και έτσι αποκτούν ολοένα μεγαλύτερο διεθνές επενδυτικό και οικονομικό ενδιαφέρον. Η εκτίναξη, λοιπόν, σε πρωτοφανή επίπεδα των διεθνών τιμών πετρελαίου και φυσικού αερίου υποχρεώνει τις εξαρτημένες από ενεργειακές εισαγωγές χώρες να στραφούν περισσότερο στην καλύτερη εκμετάλλευση των εγχώριων υδατικών πόρων και στην ανάπτυξη των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την ενέργεια των ποταμών γίνεται πιο ελκυστικό σε σύγκριση με αυτό που στηρίζεται σε εισαγόμενες ενεργειακές ύλες. Ήδη, με εξαίρεση την πυρηνική, η υδροηλεκτρική ενέργεια έχει το χαμηλότερο κόστος σε σύγκριση με όλες τις άλλες πηγές παραγωγής ηλεκτρισμού. (Διεθνές Συνέδριο HYDRO, 2006) Επιπλέον, η απελευθέρωση των αγορών ηλεκτρισμού και το σπάσιμο των μονοπωλίων στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης άνοιξαν το δρόμο για μεγαλύτερη αξιοποίηση των υδατικών πόρων της κάθε χώρας, μέσω επενδύσεων ιδιωτών σε μικρά ή και μεγάλα υδροηλεκτρικά έργα. Η διασύνδεση των εθνικών δικτύων μεταφοράς ηλεκτρισμού των χωρών της Ευρωπαϊκής Ένωσης και των τρίτων χωρών συντέλεσε στην ταχεία 1
διεθνοποίηση του εμπορίου ηλεκτρισμού το οποίο θα βασίζεται σε χαμηλό κόστος παραγωγής από υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Έτσι, μέσα από την παραγωγή ηλεκτρισμού από υδροηλεκτρικούς σταθμούς εξασφαλίζεται μείωση των ρύπων CO 2 και απεξάρτηση από τις εισαγωγές ενέργειας. Γίνεται λοιπόν, επιτακτική η ανάγκη για αποτελεσματικότερη συγκέντρωση και διαχείριση των υδατικών πόρων μέσω της υδροηλεκτρικής παραγωγής. 1.2 Δομή της εργασίας Η παρούσα εργασία, πραγματεύεται τη συμβολή της υδροηλεκτρικής ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρισμού συγκεκριμένα για την Ελλάδα. Διαρθρώνεται σύμφωνα με τις βασικές αρχές που διέπουν ένα τεχνικό-επιστημονικό κείμενο, και χωρίζεται σε εννιά επιμέρους κεφάλαια. Πιο συγκεκριμένα το πρώτο κεφάλαιο είναι εισαγωγικό καθώς αποτελεί εισήγηση του ιστορικού αξιοποίησης της υδροηλεκτρικής ενέργειας. Γίνεται σύντομη αναφορά της ανάγκης για αποτελεσματικότερη συγκέντρωση και ορθή διαχείριση των υδατικών πόρων με τη χρήση της υδροηλεκτρικής ενέργειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά των αρχών λειτουργίας της υδροηλεκτρικής ενέργειας. Ουσιαστικά, γίνεται περιγραφή της λειτουργίας ενός υδροηλεκτρικού σταθμού, ενώ στη συνέχεια γίνεται διαχωρισμός των υδροηλεκτρικών σταθμών, σε μικρούς και μεγάλους. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία που διαθέτει μια υδροηλεκτρική μονάδα. Ακολουθεί εκτενέστερη ανάλυση των έργων σύλληψης νερού, των έργων ασφαλείας, των έργων υδροληψίας καθώς και του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού που διαθέτει ο σταθμός παραγωγής μιας υδροηλεκτρικής μονάδας. Στο τέλος αυτού του κεφαλαίου αναλύεται και αποδίδεται η ροή της υδροηλεκτρικής ενέργειας μέσω διαφόρων νόμων και εξισώσεων. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρονται ορισμένα ενεργειακά στατιστικά στοιχεία από Ευρώπη σχετικά με την ανάπτυξη της υδροηλεκτρικής ενέργειας και γίνεται μία προσπάθεια να καταγραφεί η διείσδυση της υδροηλεκτρικής ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στην Ευρώπη και παγκόσμια. Το πέμπτο κεφάλαιο αποτελεί παρουσίαση των υπαρχόντων υδροηλεκτρικών έργων (μικρών και μεγάλων) στην Ελλάδα. Μέσα από την παρουσίαση στατιστικών στοιχείων που αφορούν την εκμετάλλευση των υπαρχόντων ελληνικών υδροηλεκτρικών έργων, επιχειρείται καταγραφή της παρούσας κατάστασης στην Ελλάδα. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται μια ανάλυση των επιπτώσεων (θετικών και αρνητικών) που προκύπτουν από την κατασκευή υδροηλεκτρικών έργων. Παρουσιάζονται τα υδροηλεκτρικά έργα ως έργα πολλαπλού σκοπού καθώς δίνεται και η ενεργειακή συμβολή τους στο εθνικό διασυνδεδεμένο σύστημα. Παράλληλα αναλύονται οι περιβαλλοντικές και οι 2
κοινωνικοοικονομικές επιπτώσεις που προκαλούν ενώ δίνονται μέτρα για τη μείωση και την αντιμετώπιση τους. Έτσι επιχειρείται μια ολοκληρωμένη και σωστή αξιολόγηση των υδροηλεκτρικών έργων. Στο έβδομο κεφάλαιο αναλύεται η περίπτωση του υδροηλεκτρικού έργου του Θησαυρού στον ποταμό Νέστο. Γίνεται περιγραφή της κατασκευής του έργου καθώς επίσης δίνονται τα τεχνικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά του με σκοπό την εκτίμηση της συνεισφοράς του στην αξιοποίηση των υδάτων του ποταμού Νέστου. Στο όγδοο κεφάλαιο γίνεται προσπάθεια εκτίμησης του κόστους παραγωγής της υδροηλεκτρικής ενέργειας και σύγκριση της με το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από συμβατικές πηγές. Στόχος του κεφαλαίου είναι να διερευνηθεί η αξία της χρήσης νερού στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για την επίτευξη του παραπάνω στόχου γίνεται και μια προσπάθεια αποτίμησης του εξωτερικού κόστους παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας. Τέλος, η διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται με την ανακεφαλαίωση των συμπερασμάτων που προέκυψαν από την ανάλυση και σύνθεση των δεδομένων της προηγούμενης ενότητας. 3
Κεφάλαιο 2 Η αξιοποίηση της υδροηλεκτρικής ενέργειας 2.1 Υδροηλεκτρική ενέργεια και Υδροηλεκτρικοί σταθμοί Η Υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η ενέργεια η οποία στηρίζεται στην εκμετάλλευση της μηχανικής ενέργειας του νερού των ποταμών και της μετατροπής της σε ηλεκτρική ενέργεια, με τη βοήθεια στροβίλων και ηλεκτρογεννητριών. Η ενέργεια αυτή διαχέεται στη φύση από δίνες και ρεύματα, καθώς το νερό ρέει κατηφορικά σε ρυάκια, χείμαρρους και ποτάμια μέχρι να φτάσει στη θάλασσα. Πιο αναλυτικά, η δυναμική (λόγω βαρύτητας) ενέργεια που συνδέεται με το νερό το αναγκάζει να διατηρεί μία καθοδική ροή. Αυτή η προς τα κάτω κίνηση του ύδατος περιέχει την κινητική ενέργεια, η οποία μπορεί να μετατραπεί σε μηχανική ενέργεια, και έπειτα από τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική στους σταθμούς υδροηλεκτρικής παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Η δυνατότητα αποταμίευσης ενέργειας ως υδροδυναμικής καθώς επίσης η ανανεωσιμότητά της καθιστούν την υδροηλεκτρική ενέργεια σημαντική εναλλακτική λύση στο ενεργειακό-περιβαλλοντικό πρόβλημα, δεδομένης και της "καθαρότητάς" της. Αποτελεί δικαίως μια ανανεώσιμη, και αποκεντρωμένη πηγή ενέργειας που υπηρέτησε και υπηρετεί πιστά τον άνθρωπο στο δρόμο της ανάπτυξης. Πολυάριθμοι υδραυλικοί τροχοί, νερόμυλοι, υδροτριβεία και άλλοι μηχανισμοί υδροκίνησης συνεχίζουν ακόμη και σήμερα να χρησιμοποιούν τη δύναμη του νερού, συμβάλλοντας σημαντικά στην πρόοδο της τοπικής οικονομίας πολλών περιοχών, με φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Η μετατροπή της κινητικής ενέργειας του νερού σε μηχανική, όπως αναφέρθηκε παραπάνω δεν είναι μια καινούργια ιδέα. Οι ξύλινοι υδρόμυλοι χρησιμοποιήθηκαν πριν 2000 χρόνια για να την επεξεργασία διαφόρων αγαθών. Η ακριβής προέλευση αυτών των υδραυλικών τροχών δεν είναι γνωστή, αλλά η παλιότερη αναφορά, ως προς τη χρήση τους, προέρχεται από την αρχαία Ελλάδα. Οι πρώτες σύγχρονες υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις χτίστηκαν το 1882 στις Ηνωμένες Πολιτείες. Αυτές οι πρώτες εγκαταστάσεις χρησιμοποίησαν έναν ρέοντα ποταμό ως πηγή ενέργειας. Μερικά έτη αργότερα, άρχισαν να χρησιμοποιούνται 4
τα φράγματα ως τεχνητές περιοχές αποθήκευσης ύδατος στις καταλληλότερες θέσεις. Αυτά τα φράγματα ελέγχουν επίσης το ποσοστό ροής του νερού στους στροβίλους των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Αρχικά, οι σταθμοί υδροηλεκτρικής παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος ήταν μικρής κλίμακας και ιδρύονταν δίπλα σε καταρράκτες κοντά στις πόλεις καθώς δεν ήταν δυνατό, εκείνη την περίοδο, να μεταφερθεί η ηλεκτρική ενέργεια σε μεγάλες αποστάσεις. Πλέον, η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις είναι εφικτή με αποτέλεσμα να έχει υπάρξει μεγάλης κλίμακας χρήση της υδροηλεκτρικής ενέργειας καθιστώντας την οικονομικά βιώσιμη. Η μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις πραγματοποιείται με τη βοήθεια της υψηλής τάσης σε εναέρια ηλεκτροφόρα καλώδια αποκαλούμενα γραμμές μετάδοσης. Αντίθετα από τους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος, που χρειάζονται αρκετό χρόνο για να ξεκινήσουν την παραγωγή ενέργειας, οι σταθμοί υδροηλεκτρικής παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος μπορούν να παρέχουν την ηλεκτρική ενέργεια πολύ γρήγορα και αυτό τους καθιστά ιδιαίτερα χρήσιμους στις ξαφνικές αυξήσεις για ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. 2.1.1 Λειτουργία των υδροηλεκτρικών σταθμών Η λειτουργία των υδροηλεκτρικών μονάδων βασίζεται στην κίνηση του νερού λόγω διαφοράς μανομετρικού ύψους μεταξύ των σημείων εισόδου και εξόδου (Σχήμα 2.1). Για το σκοπό αυτό κατασκευάζεται ένα φράγμα που συγκρατεί την απαιτούμενη ποσότητα νερού στον δημιουργούμενο ταμιευτήρα. Κατά τη διέλευσή του από τον αγωγό πτώσεως, το νερό κινεί έναν στρόβιλο ο οποίος θέτει σε λειτουργία τη γεννήτρια. Σχήμα 2.1: Απεικόνιση της λειτουργίας ενός υδροηλεκτρικού σταθμού 5
Μία τουρμπίνα που είναι εγκατεστημένη σε μεγάλη μονάδα μπορεί να ζυγίζει μέχρι 172 τόνους και να περιστρέφεται με 90 rpm. Η ποσότητα του ηλεκτρισμού που παράγεται καθορίζεται από αρκετούς παράγοντες. Δύο από τους σημαντικότερους είναι ο όγκος του νερού που ρέει και η διαφορά μανομετρικού ύψους μεταξύ της ελεύθερης επιφάνειας του ταμιευτήρα και του στροβίλου. Η ποσότητα ηλεκτρισμού που παράγεται είναι ανάλογη των δύο αυτών μεγεθών. Συνεπώς, ο παραγόμενος ηλεκτρισμός εξαρτάται από την ποσότητα του νερού του ταμιευτήρα. Για το λόγο αυτόν μόνο σε περιοχές με σημαντικές βροχοπτώσεις, πλούσιες πηγές και κατάλληλη γεωλογική διαμόρφωση είναι δυνατόν να κατασκευαστούν υδροηλεκτρικά έργα. Συνήθως η ενέργεια που τελικώς παράγεται, χρησιμοποιείται μόνο συμπληρωματικά ως προς άλλες συμβατικές πηγές ενέργειας, καλύπτοντας φορτία αιχμής. Στη χώρα μας η υδροηλεκτρική ενέργεια ικανοποιεί περίπου το 9% των ενεργειακών μας αναγκών σε ηλεκτρισμό. Το ποσό ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να παραχθεί από μια περιοχή εξαρτάται από δύο συντελεστές: την υψομετρική διαφορά της στάθμης του νερού μεταξύ του φράγματος και του ποταμού (ή της λίμνης) όπου καταλήγει το νερό και την ποσότητα ροής του νερού. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος είναι επομένως τοποθετημένοι όπου μπορούν να εκμεταλλευθούν τη μέγιστη πτώση μιας μεγάλης ποσότητας νερού - στο χαμηλότερο σημείο μιας βαθιάς και απότομα-πλαισιωμένης κοιλάδας ή ενός φαραγγιού, ή κοντά στη βάση ενός φράγματος. Το νερό συλλέγεται και αποθηκεύεται σε ένα φράγμα, επάνω από το σταθμό παραγωγής, για να χρησιμοποιηθεί όταν απαιτείται(σχήμα 2.2). Σχήμα 2.2: Μονάδα υδροηλεκτρικής παραγωγής 6
Μερικά φράγματα δημιουργούν μεγάλες δεξαμενές για αποθήκευση νερού (αυξάνοντας παράλληλα τη στάθμη του ποταμού ή δημιουργώντας τεχνητή λίμνη), με σκοπό να αυξήσουν τη δυναμικότητα τους. Άλλα φράγματα συλλαμβάνουν απλά τη ροή των ποταμών και εκτρέπουν το νερό στο σταθμό παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος μέσω των σωληνώσεων. Ενώ ένας υδροστρόβιλος είναι πιο περίπλοκος από τους παλαιούς υδραυλικούς τροχούς, οι αρχές λειτουργίας του παραμένουν ίδιες: τα πτερύγια της γεννήτριας είναι ενωμένα με έναν άξονα ο οποίος περιστρέφεται λόγω της ροής του νερού που ασκεί πίεση στα πτερύγια. Όταν το νερό έχει μεταφέρει όλη του την κινητική ενέργειά στον υδροστρόβιλο, απομακρύνεται μέσω των αποχετεύσεων ή των διωρύγων φυγής του σταθμού παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος και συνεχίζει κανονικά τη ροή του στο ποτάμι, ενώ δεν παύει να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σκοπούς άρδευσης ή ύδρευσης νερού. Μια υδροηλεκτρική μονάδα παραγωγής αποτελείται από έναν υδροστρόβιλο, για να μετατρέψει την ενέργεια του νερού σε μηχανική, και μια ηλεκτρική γεννήτρια, για να μετατρέψει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Το σύνολο της διαθέσιμης ενέργειας εξαρτάται από την ποσότητα του διαθέσιμου νερού και από την πίεσή του στο στρόβιλο. Η πίεση είναι η υδροστατική πίεση, και μετριέται ως το διανυσματικό μέγεθοσ από το στρόβιλο έως την επιφάνεια του νερού στο φράγμα. Όσο μεγαλύτερο το ύψος του νερού πάνω από τον κινητήρα, τόσο περισσότερη ενέργεια μεταφέρει κάθε κυβικό μέτρο νερού σε αυτόν (που κινεί στη συνέχεια τη γεννήτρια). Όσο μεγαλύτερη η ποσότητα του νερού, τόσο μεγαλύτερος ο αριθμός και το μέγεθος των στροβίλων που μπορούν να περιστραφούν, και τόσο μεγαλύτερη η παραγωγή ενέργειας. Το σύνολο των έργων και εξοπλισμού μέσω των οποίων μετατρέπεται η υδραυλική ενέργεια σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική, ονομάζεται Υδροηλεκτρικό Έργο (ΥΗΕ). Ένα ΥΗΕ αποτελείται από ένα σύνολο το οποίο θα μπορούσε να διακριθεί σε έργα πολιτικού μηχανικού και σε ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό. Βασικός σκοπός των έργων πολιτικού μηχανικού είναι η συγκέντρωση της επιφανειακής ροής, η μεταφορά της μέσω των υδροστροβίλων ώστε να γίνει μετατροπή της ενέργειας του νερού σε μηχανική ενέργεια και η απαγωγή και μεταφορά της παροχής στη φυσική κοίτη, όπου το νερό συνεχίζει τη φυσική ροή του προς χαμηλότερη στάθμη. Ακόμη περιλαμβάνονται κατασκευές που αναφέρονται στην ασφάλεια των έργων και στη διαδικασία κατασκευής καθώς και των έργων που σκοπό έχουν τη στέγαση και ασφάλεια του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού, στον οποίο περιλαμβάνονται οι υδροστρόβιλοι, οι γεννήτριες, οι μετασχηματιστές, οι ασφαλειοαποζεύκτες κ.λ.π (Σχήμα 2.2) (Παπαντώνης 2002) Η σημαντική θέση της υδροηλεκτρικής ενέργειας στην παραγωγή ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο είναι αποτέλεσμα των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν τα υδροηλεκτρικά έργα από τεχνικής, οικονομικής και οικολογικής πλευράς τα σημαντικότερα των οποίων είναι: 7
Οι υδατοπτώσεις είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και έτσι δεν αντιμετωπίζουν κίνδυνο εξαντλήσής τους, όπως αντιμετωπίζεται αυτό το ενδεχόμενο για τα συμβατικά καύσιμα. Τα υδροηλεκτρικά έργα δεν έχουν απόβλητα ή κατάλοιπα, δεν μολύνουν το περιβάλλον και δεν αυξάνουν τη θερμοκρασία του νερού των ποταμών. Η κατασκευή τους συνδυάζεται συχνά και με άλλες διευθετήσεις όπως άρδευση, ύδρευση, ρύθμιση πλημμύρας, αλιεία κ.α Το κόστος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας δεν παρουσιάζει διακυμάνσεις και αντιστοιχεί ουσιαστικά στις αποσβέσεις του έργου (το κόστος συντήρησης και λειτουργίας είναι σημαντικά μικρότερο). Οι υδροστρόβιλοι είναι στιβαρές και αξιόπιστες μηχανές που απαιτούν μικρή συντήρηση και επίβλεψη και για τον λόγο αυτό το προσωπικό των ΥΗΕ είναι πολύ μικρό σε σύγκριση με την εγκατεστημένη ισχύ.(περίπου 25 άτομα για ΥΗΕ συνολικής ισχύος 300 MW). ( Παπαντώνης 2002) Για τις ανάγκες κατασκευής του ΥΗΕ κατασκευάζονται έργα υποδομής (δρόμοι, γέφυρες) που βοηθούν στην αξιοποίηση απομακρυσμένων περιοχών. Η διάρκεια ζωής των υδροηλεκτρικών έργων είναι μεγάλη, της τάξεως των 50 ετών για τα μεγάλα υδροηλεκτρικά και 20-30 ετών για τα μικρά. Η διάρκεια ζωής τους μπορεί να γίνει μεγαλύτερη με ανανέωση του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι τα ΥΗΕ ταξινομούνται σε μεγάλης και μικρής κλίμακας. Τα μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά έργα διαφέρουν σημαντικά από της μεγάλης κλίμακας σε ότι αφορά τις επιπτώσεις τους στο περιβάλλον. Οι μεγάλης κλίμακας υδροηλεκτρικές μονάδες απαιτούν τη δημιουργία φραγμάτων και τεράστιων δεξαμενών.αντίθετα, τα μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά εγκαθίστανται δίπλα σε ποτάμια ή κανάλια και η λειτουργία τους παρουσιάζει πολύ μικρότερη περιβαλλοντική όχληση. Για το λόγο αυτό, οι υδροηλεκτρικές μονάδες μικρότερης δυναμικότητας των 30 MW χαρακτηρίζονται ως υδροηλεκτρικά έργα μικρής κλίμακας. Το πλέον σημαντικό και αναντικατάστατο πλεονέκτημα των υδροηλεκτρικών έργων είναι η δυνατότητα πολύ γρήγορης παραλαβής και απόρριψης φορτίου, έτσι ώστε να γίνεται δυνατή η παρακολούθηση της μεταβολής της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας και η κάλυψη των αιχμών ζήτησης του διασυνδεδεμένου δικτύου. Τον ρόλο αυτό αναλαμβάνουν τα μεγάλα ισχύος υδροηλεκτρικά έργα αποθήκευσης (αυτών που το φράγμα δημιουργεί δεξαμενή μεγάλης χωρητικότητας). Από οικονομικής πλευράς η δυνατότητα αυτή είναι πολύ σημαντική επειδή το κόστος της KWH αιχμής είναι πολλαπλάσιο της KWH βάσεως. Σ αυτό ακριβώς το πλεονέκτημα των ΥΗΕ βασίζεται η κατασκευή αναστρέψιμων μονάδων οι οποίες κατά τη διάρκεια της χαμηλής ζήτησης (νύχτα) λειτουργούν αντλώντας νερό από τον κάτω ταμιευτήρα προς τα άνω 8
Από την άλλη πλευρά, το υψηλό κόστος κατασκευής φραγμάτων και εγκατάστασης εξοπλισμού και ο συνήθως μεγάλος χρόνος που απαιτείται για την αποπεράτωση του έργου, η έντονη περιβαλλοντική αλλοίωση της περιοχής του έργου (συμπεριλαμβανομένων της γεωμορφολογίας, της πανίδας και της χλωρίδας), και η ενδεχόμενη μετακίνηση πληθυσμών, η υποβάθμιση περιοχών, οι απαιτούμενες αλλαγές χρήσης γης αποτελούν τα κυριότερα μειονεκτήματα των υδροηλεκτρικών έργων. Για τους λόγους αυτούς, η διεθνής πρακτική σήμερα προσανατολίζεται κυρίως στην κατασκευή έργων μικρότερης κλίμακας, όπως η δημιουργία μικρότερων φραγμάτων, συστοιχίες μικρών υδροηλεκτρικών έργων και μονάδες μικρής κλίμακας. (Παπαντώνης 2002) 2.1.2 Υδροηλεκτρικοί σταθμοί μεγάλης κλίμακας Τα συστήματα υδροηλεκτρικής ενέργειας μεγάλης κλίμακας έχουν εγκατασταθεί σε όλο τον κόσμο, με το μεγαλύτερο να έχει δυναμικότητα 10.000 MW (10 GW). Κάθε ένα από αυτά τα συστήματα μεγάλης κλίμακας απαιτεί ένα πολύ μεγάλο φράγμα, ή μια σειρά φραγμάτων, για να αποθηκεύσει τις τεράστιες ποσότητες νερού που απαιτούνται από το σύστημα. Το φράγμα Kariba στη Ζάμπια της Αφρικής συγκρατεί 160 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα νερό, και παράγει 1.300 MW ηλεκτρικό ρεύμα. Ενώ η παραγωγή ενέργειας από το νερό έχει τα οφέλη της, από την άποψη των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, έχει επίσης σημαντικές αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Οι εγκαταστάσεις υδροηλεκτρικής ενέργειας έχουν μια καταστρεπτική επίδραση στις ροές των ποταμών και στις παροχές νερού. Για την κατασκευή μεγάλης κλίμακας υδροηλεκτρικών έργων χρειάζεται συνήθως να πλημμυρίσουν μεγάλες εκτάσεις εδάφους, οδηγώντας στη μετατόπιση των ανθρώπων που ζουν στην περιοχή, και στις αρνητικές επιδράσεις στην τοπική πανίδα και χλωρίδα. Τα προτεινόμενα σχέδια παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας αντιμετωπίζουν συχνά την έντονη αντίδραση από ομάδες ανθρώπων σχετικές με το περιβάλλον και τα ανθρώπινα δικαιώματα καθώς προβληματίζονται για τις κοινωνικές και περιβαλλοντικές επιδράσεις αυτών των αναπτυξιακών προγραμμάτων 2.1.3 Υδροηλεκτρικοί σταθμοί μικρής κλίμακας Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι διαθέσιμη από μερικές εκατοντάδες Watt μέχρι και 10GW. Στο χαμηλό σημείο αυτού του φάσματος, η υδροηλεκτρική ενέργεια μπορεί να διαιρεθεί σε τρεις κατηγορίες. Οι ορισμοί των κατηγοριών ποικίλλουν, αλλά συνήθως διακρίνονται στους: μίκρο (δυναμικό λιγότερο από 100kW), μίνι (100kW-1MW) και μικρό (1MW-5MW) 9
υδροηλεκτρικός σταθμός. Τα μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά συστήματα λειτουργούν με την καθοδήγηση μέρους της ροής κάποιου ποταμού στον ρυθμιστή ροής και στον υδροστρόβιλο, ο οποίος κινεί μια γεννήτρια και παραγάγει την ηλεκτρική ενέργεια (Σχήμα 2.3). Το νερό ρέει έπειτα πίσω στον ποταμό. Τα μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά συστήματα λειτουργούν συνήθως παράλληλα στη ροή του ποταμού, και έτσι δεν διακόπτεται η ροή του. Αυτό είναι προτιμότερο από περιβαλλοντική άποψη, καθώς οι εποχιακές αυξομειώσεις νερού δεν επηρεάζουν την ροή του ποταμού στην κατεύθυνση του ρεύματος, ενώ δεν πλημμυρίζουν κοιλάδες σε υψηλότερα από το σύστημα επίπεδα. Μια περαιτέρω επίπτωση είναι ότι η παραγωγή ενέργειας δεν καθορίζεται με κάποιο έλεγχο της ροής του ποταμού, αλλά αντίθετα ο στρόβιλος λειτουργεί όταν υπάρχει κάποια ροή και σε παραγωγή ενέργειας εξαρτάται αποκλειστικά από αυτή. Αυτό σημαίνει ότι το μηχανικό σύστημα ρύθμισης της ροής του νερού δεν απαιτείται με αποτέλεσμα να μειώνεται το κόστος και οι απαιτήσεις συντήρησης. Τα μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά συστήματα είναι ιδιαίτερα κατάλληλα ως μακρινές παροχές ηλεκτρικού ρεύματος για τις αγροτικές και απομονωμένες κοινότητες, ως οικονομική εναλλακτική λύση στην επέκταση ή αναβάθμιση του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Τα συστήματα παρέχουν μια πηγή φτηνής, ανεξάρτητης και συνεχούς ενέργειας, χωρίς υποβάθμιση του περιβάλλοντος. Υπολογίζεται ότι το 1990 υπήρξε παγκοσμίως εγκατεστημένη ισχύς μικρής υδροηλεκτρικής κλίμακας (λιγότερο από 10MW) της τάξεως των 19.5GW. Σχήμα 2.3 : Μικρής κλίμακας υδροηλεκτρική εγκατάσταση 10
Κεφάλαιο 3 Κύρια χαρακτηριστικά ενός ΥΗΕ 3.1 Τα κύρια μέρη ενός υδροηλεκτρικού έργου Όπως αναφέρθηκε και στο Κεφάλαιο 1 τα υδροηλεκτρικά έργα ανήκουν στα σύνθετα έργα πολιτικού μηχανικού με σημαντικό ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό. Σκοπός κάθε τέτοιου έργου είναι η παραγωγή μηχανικής- ηλεκτρικής ενέργειας από το νερό που συλλέγεται και οδηγείται στους υδροστροβίλους μέσω κλειστού αγωγού. Η συγκέντρωση και παροχέτευση του νερού αποτελεί τον κύριο σκοπό των έργων πολιτικού μηχανικού ενώ η μετατροπή της υδραυλικής ενέργειας σε μηχανική και ηλεκτρική εξασφαλίζεται από τον ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό, που στεγάζεται στο σύνολό του σχεδόν στον υδροηλεκτρικό σταθμό (ΥΗΣ). Ο ΥΗΣ μπορεί να είναι υπόγειος ή υπέργειος, επιλογή που είναι αποτέλεσμα της οικονομοτεχνικής μελέτης. Στην επιλογή αυτή σημαντικό ρόλο παίζει ο υδροστρόβιλος και η μορφολογία του εδάφους. Τα τελευταία χρόνια, χάρη στα σύγχρονα μέσα διάνοιξης σηράγγων οι υπόγειοι ΥΗΣ προκύπτουν όλο και περισσότερο συμφέροντες ( Πολύφυτο, Στράτος ). Η αναλογία του κόστους των έργων του πολιτικού μηχανικού και του κόστους του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού προς το συνολικό κόστος του έργου έχει ως εξής για τα μεγάλα ΥΗΕ: έργα πολιτικού μηχανικού 50-60 % του συνολικού κόστους, ηλεκτρομηχανολογικός εξοπλισμός 40-30 % ενώ το κόστος των μελετών ανέρχεται στο 10 % περίπου του συνολικού κόστους. Τα κύρια μέρη των έργων πολιτικού μηχανικού ενός μεγάλου υδροηλεκτρικού έργου είναι : το φράγμα, η υδροληψία, το σύστημα προσαγωγής και απαγωγής του νερού και ο υδροηλεκτρικός σταθμός παραγωγής (ΥΗΣ). Το φράγμα έχει ως σκοπό την τροφοδοσία του αγωγού προσαγωγής ( ή πτώσεως) ενώ παράλληλα επιδιώκεται ο σχηματισμός ταμιευτήρα νερού μέσω του οποίου ανεξαρτοποιείται, ως ένα βαθμό, η παραγωγή ενέργειας από τον ρυθμό της φυσικής παροχής του ποταμού. Το φράγμα κατασκευάζεται στην κοίτη του ποταμού. Για την επιλογή της πλέον κατάλληλης θέσης για την κατασκευή του φράγματος λαμβάνεται υπόψη μεγάλο πλήθος κριτηρίων όπως: ο σχηματισμός ταμιευτήρα μεγάλης χωρητικότητας, το κόστος και η ευκολία 11
κατασκευής του (μικρό ύψος, μικρό άνοιγμα, καλή δυνατότητα έδρασής του), σχηματισμός μεγάλης υψομετρικής διαφοράς h = z E - z A με το κατά δυνατόν μικρό μήκος αγωγού προσαγωγής, κ.λ.π για τον λόγο αυτό η επιλογή της θέσης ενός φράγματος και ο καθορισμός των βασικών χαρακτηριστικών τους είναι αποτέλεσμα οικονομοτεχνικής μελέτης που εξετάζει διάφορες εναλλακτικές λύσεις. Η θέση του φράγματος καθορίζει ως ένα βαθμό και τον τύπο του φράγματος : βαρύτητας (χωμάτινο ή από σκυρόδεμα) ή τοξωτό (από οπλισμένο σκυρόδεμα). Το φράγμα συνοδεύεται και από τα ακόλουθα κύρια έργα τα οποία εξυπηρετούν το έργο ή σχετίζονται με την ασφάλεια του: ο εκχυλιστής (σκοπό έχει τη διοχέτευση πλημμυρικής παροχής ώστε η στάθμη του νερού να μην ξεπεράσει τη στέψη του φράγματος), η σήραγγα εκτροπής (από την οποία διοχετεύεται η φυσική παροχή κατά τη διάρκεια της τελευταίας φάσης κατασκευής του φράγματος), ο εκκενωτής πυθμένα (μέσω του οποίου εκκενώνεται ο ταμιευτήρας σε περίπτωση ανάγκης ή συντήρησης ενώ επίσης από αυτόν διοχετεύεται η απαιτούμενη παροχή συντήρησης της κοίτης του ποταμού) και η υδροληψία (το στόμιο εισόδου του αγωγού ή της σήραγγας προσαγωγής). Το υδραυλικό σύστημα προσαγωγής και απαγωγής της παροχής από το φράγμα στους υδροστρόβιλους και στη συνέχεια στην φυσική κοίτη του ποταμού αποτελείται από την σήραγγα και τον αγωγό προσαγωγής, τις βάννες και τα θυροφράγματα. Σε αυτό επίσης περιλαμβάνονται ο πύργος ή οι πύργοι ανάπλσης όταν απαιτείται η προστασία των αγωγών προσαγωγής από υπερπιέσεις και υποπιέσεις που λαμβάνουν χώρα κατά τα μεταβατικά φαινόμενα εκκίνησης ή απόρριψης φορτίου των υδροστρόβιλων (υδραυλικό πλήγμα). Ανάλογα με τη διαμόρφωση του έργου, το σύστημα προσαγωγής μπορεί να μην περιλαμβανει σήραγγα ή και αγωγό προσαγωγής (π.χ. στην περίπτωση υδροστροβίλων βολβοειδούς τύπου). Ο αγωγός προσαγωγής είναι χαλύβδινος με διάμετρο η οποία καθορίζεται με οικονομοτεχνικά κριτήρια και η οποία ενδέχεται να μην είναι ομοιόμορφη σε όλο το μήκος του αγωγού. Στην περίπτωση αγωγού προσαγωγής μεγάλου μήκους προκύπτει προτιμότερη η κατασκευή ενός αγωγού προσαγωγής για την τροφοδοσία όλων των υδροστροβίλων του ΥΗΣ, ενώ στην αντίθετη περίπτωση κάθε υδροστρόβιλος τροφοδοείται από ανεξάρτητο αγωγό. Για τις ανάγκες κατασκευής και συντήρησης του έργου προβλέπονται τα θυροφράγματα και οι βάννες διακοπής ανάντι και κατάντι των υδροστροβίλων και οι οποίες κατά την διάρκεια της κανονικής λειτουργίας είναι πλήρως ανοικτές (Παπαντώνης 2002). Με τον όρο κύριος ηλεκτρομηχανολογικός εξοπλισμός του ΥΗΕ εννοούνται οι υδροστρόβιλοι, οι ηλεκτρογεννήτριες, οι μετασχηματιστές, οι ασφαλειοαποζεύκτες και ενώ τα ανυψωτικά μηχανήματα (γερανογέφυρες), το σύστημα πεπιεσμένου ελαίου και αέρα, αυτοματισμοί κ.λ.π περιλαμβάνονται στον βοηθητικό εξοπλισμό. 12
Κάθε ηλεκτρογεννήτρια είναι κατ ευθείαν συζευγμένη με τον υδροστρόβιλο στην ίδια άτρακτο, εκτός από κάποιες μικρές μονάδες στις οποίες παρεμβάλλεται γραναζωτή μετάδοση. Σκοπός των μετασχηματιστών είναι η ανύψωση της τάσεως που παράγουν οι γεννήτριες στην υψηλή τάση του διασυνδεδέμενου δικτύου, ώστε η μεταφορά της ενέργειας να γίνεται με τις μικρότερες απώλειες. Το πλήθος των μονάδων, δηλαδή των συγκροτημάτων υδροστροβίλου - ηλεκτρικής γεννήτριας μετασχηματισμού κλπ. εξαρτάται από το προβλεπόμενο πρόγραμμα παραγωγής του έργου, λαμβάνοντας υπόψη τη διακύμανση της παροχής, την ανάγκη κάλυψης αιχμών του δικτύου κλπ. και καθορίζεται από οικονομοτεχνικά κριτήρια. Για λόγους ασφαλείας το πλήθος των μονάδων ενός ΥΗΕ είναι συνήθως μεγαλύτερο ή ίσο του δύο. Με τον τρόπο αυτόν υπάρχει η δυνατότητα συντήρησης και μεγαλύτερη ευελιξία στο σύστημα παραγωγής (Παπαντώνης 2002). Σχήμα 3.1: Βασικά Στοιχεία μιας Υδροηλεκτρικής Εγκατάστασης (ESHA, 2004) 13
3.1.1 Έργα σύλληψης του νερού (Φράγματα) Σε ότι αφορά τις τυπικές επιλογές φραγμάτων, εάν είναι φράγματα βαρύτητας επιλέγεται ως υλικό πλήρωσης του αδιαπέραστου πυρήνα διαμορφωμένα στεγανά χαλυβοελάσματα, ενώ σπάνια επιλέγεται τοξωτό φράγμα, λόγω των υψηλών προδιαγραφών που απαιτεί η μελέτη και η κατασκευή του. Συχνά, σε μικρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς επιλέγονται τύποι φραγμάτων απλής κατασκευής από υλικά που αφθονούν στην περιοχή. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι τα λιθόκτιστα φράγματα, τα οποία απαιτούν πολλά εργατικά και λίθους καλής ποιότητας. Σε περίπτωση εδάφους ιδιαίτερα διαπερατού και για ύψος έως 3m είναι δυνατή η διαμόρφωση στεγανού παραπετάσματος από χαλυβοελάσματα κατάλληλης διατομής, σε μονή ή διπλή σειρά. Μειονέκτημα της εφαρμογής αυτής είναι το κόστος καθώς απαιτούνται υλικά και ειδικός εξοπλισμός των οποίων το κόστος μεταφοράς ίσως να είναι δυσανάλογα υψηλό, ιδίως σε απομακρυσμένες περιοχές. Άλλες δυνατές κατασκευές είναι τα φράγματα βαρύτητας με αργιλικό πυρήνα και ορθογωνικά πλέγματα από ανοξείδωτο ή από γαλβανισμένο συρματόπλεγμα γεμισμένα με χαλίκια ή ακόμη από οριζόντιες ξύλινες δοκούς έμφραξης (Σχήμα 3.2) (Μπέλλου 2000). Σχήμα 3.2: Φράγμα από διαμορφωμένα χαλυβοελάσματα (1), οριζόντιες δοκούς έμφραξης (2),εγκιβωτισμένα χαλίκια (3) (Παπαντώνης, 2001) 14
3.1.2 Έργα ασφαλείας Το σημαντικότερο έργο ασφαλείας μιας υδροδυναμικής εγκατάστασης που χρησιμέυει στην παροχέτευση των πλημμυρικών παροχών είναι οι εκχυλιστές. Ως εκχειλιστής χαρακτηρίζεται η κατασκευή η οποία παρεμβάλλεται στη ροή ελεύθερης επιφάνειας με αποτέλεσμα την υπερχείλιση της ροής από τη στέψη της (αναβαθμός). Οι εκχειλιστές των ΥΗΕ που κατασκευάζονται κατά τον ρου ενός ποταμού και οι οποίοι σκοπό έχουν είτε τη δημιουργία της υδραυλικής πτώσης (περίπτωση μικρού ύψους κατά τον ρου του ποταμού), είτε τη διαμόρφωση μίας στάθμης του νερού, που να εξασφαλίζει ικανοποιητικές συνθήκες στην υδροληψία, δηλαδή στην είσοδο της διώρυγας ή του αγωγού προσαγωγής (περίπτωση εκτροπής). Εκχειλιστές που συνήθως χρησιμοποιούνται σε μικρούς σταθμούς είναι οι πλευρικοί και οι σιφωνοειδείς που εφαρμόζονται σε ΥΗΕ μικρού ύψους πτώσεως και όταν είναι επιθυμητή η διατήρηση της ανάντι στάθμης σε περιορισμένα όρια διακύμανσης (Σχήμα 3.3 ). Σχήμα 3.3: Σιφωνοειδής εκχειλιστής (ESHA,2004) 3.1.3 Έργα υδροληψίας Σκοπός του έργου υδροληψίας είναι η οδήγηση της παροχής του νερού στη διώρυγα προσαγωγής (ανοικτός αγωγός) ή κατ' ευθείαν στον αγωγό πτώσεως (ή προσαγωγής), για την περίπτωση στην οποία δεν παρεμβάλλεται ανοικτή διώρυγα, εξασφαλίζοντας τη δυνατότερη ομοιόμορφη ροή ώστε να μην αναπτυχθούν υπερβολικές ταχύτητες, οι οποίες θα προκαλούσαν αποκόλληση και σχηματισμό στροβιλισμών. Το έργο υδροληψίας πρέπει να είναι εφοδιασμένο με σχάρα η οποία θα συγκρατεί τα επιπλέοντα σώματα (κλαδιά δένδρων κλπ.), με θυρόφραγμα (ή βάννα) ώστε να διακόπτεται η ροή στην περίπτωση ηθελημένης διακοπής της λειτουργίας (πχ. στην περίπτωση συντήρησης) και να φέρει διάταξη εξαμμωτή, ώστε τα αιωρούμενα σωματίδια να απομακρύνονται και να μη συμπαρασύρονται προς τους υδροστροβίλους, Η διαμόρφωση εξαμμωτή είναι πολύ μεγάλης σημασίας στην περίπτωση 15
κατά την οποία η χωρητικότητα και η έκταση του ταμιευτήρα ανάντι του φράγματος (ή του εκχειλιστή) είναι μικρή, όπως συνήθως συμβαίνει στα μικρά ΥΗΕ. Διάταξη εξαμμωτή δεν απαιτείται, σε περίπτωση σταθμού με μικρό ύψος πτώσης κατά το ρου του ποταμού, όταν η κλίση του υδατορεύματος, σε αρκετή απόσταση ανάντι του έργου, είναι μικρή οπότε και η ταχύτητα της ροής είναι μικρή με αποτέλεσμα η ποσότητα των αιωρούμενων σωματιδίων να είναι αμελητέα. Θα πρέπει όμως σε περίπτωση εξαιρετικών πλημμυρικών επεισοδίων να διακόπτεται η λειτουργία των υδροστροβίλων ώστε να αποφεύγεται η φθορά τους από μηχανική διάβρωση. Η παροχή φερτών και αιωρούμενων σωματιδίων σε μία διατομή υδατορεύματος είναι πολύ δύσκολο να εκτιμηθεί με ακρίβεια. Στις ορεινές περιοχές που το πρόβλημα είναι περισσότερο έντονο προτείνεται η κατασκευή προφράγματος ανάντι του κυρίως φράγματος ή του εκχειλιστή, από φυσικούς λίθους μεγάλου μεγέθους, ώστε να συγκρατούνται οι φερτές ύλες. Ο καθαρισμός της λεκάνης ανάντι του προφράγματος πρέπει να γίνεται περιοδικά με μηχανικά μέσα και για το λόγο αυτό η θέση κατασκευής του προφράγματος θα πρέπει να είναι προσβάσιμη. (Παπαντώνης, 2001) Η υδροληψία είναι σχεδιασμένη με τρόπο ώστε ένα μέρος της παροχής (οικολογική παροχή) να αποδίδεται απευθείας στο φυσικό υδατόρευμα, προκειμένου να διατηρούνται ικανές συνθήκες επιβίωσης για το παρόχθιο οικοσύστημα. Διώρυγα υδροληψίας Η ροή που οδηγείται μέσω της διώρυγας υδροληψίας στην διώρυγα προσαγωγής ή κατ' ευθείαν στον αγωγό πτώσεως πρέπει να είναι απαλλαγμένη από φερτές ύλες. Πρέπει να διαμορφώνεται κοντά στον εκχειλιστή ώστε να αποφεύγεται ο σχηματισμός νεκρών ζωνών ή ανακυκλοφορίας, όπου ευνοείται η κατακάθιση των αιωρούμενων σωματιδίων, δηλαδή της άμμου. Η γωνία μεταξύ της διώρυγας και της διεύθυνσης της ροής του υδατορεύματος μπορεί να είναι ακόμη και ορθή, αρκεί η ταχύτητα της ροής του υδατορεύματος να μην ξεπερνά το 1m/sec. Σε ότι αφορά το σημείο διαμόρφωσής της είναι προτιμότερο το κοίλο τμήμα του υδατορεύματος, καθώς η ζώνη ανακυκλοφορίας και κατακάθισης των φερτών σχηματίζεται στην απέναντι κυρτή καμπυλότητα. Σχάρα συγκράτησης Στην είσοδο της διώρυγας υδροληψίας τοποθετείται σχάρα η οποία συγκρατεί τα επιπλέοντα σώματα (κλαδιά δένδρων κλπ.) ώστε να μην εισχωρήσουν σε αυτή. Οι ράβδοι είναι κατασκευασμένοι από μέταλλο ή πλαστικό (μικρές υδραυλικές απώλειες). Η καθαρή διατομή της σχάρας (ολική διατομή μείον τη διατομή των ράβδων της σχάρας) υπολογίζεται έτσι ώστε να αντιστοιχεί σε μέση ταχύτητα όχι μεγαλύτερη από 0,75m/sec για πολύ μικρές παροχές ή 1,5m/sec για μεγαλύτερες παροχές. 16
Αναβαθμός πυθμένα Η μη εισχώρηση των φερτών υλών στην διώρυγα υδροληψίας επιτυγχάνεται με την κατάλληλη διαμόρφωση της εισόδου του νερού σε αυτή, συνήθως με την κατασκευή αναβαθμού, δηλαδή ο πυθμένας της διώρυγας υδροληψίας είναι κατά 1-2m ψηλότερα από τον αρχικό πυθμένα της λεκάνης (Σχήμα 3.4). Πιο αποτελεσματικός στην συγκράτηση των φερτών θεωρείται ο αναβαθμός με προέκταση μορφής προβόλου. Οι φερτές ύλες που συσσωρεύονται ανάντι του αναβαθμού θα πρέπει περιοδικά να απομακρύνονται και για το λόγο αυτό ανάντι του αναβαθμού και μεταξύ του εκχειλιστού και της διώρυγας υδροληψίας διαμορφώνεται διώρυγα έκπλυσης. Με το άνοιγμα θυροφράγματος σχηματίζεται ροή υψηλής ταχύτητας η οποία συμπαρασύρει τις φερτές ύλες κατάντι του εκχειλιστή. Σχήμα 3.4: Διώρυγα υδροληψίας με αναβαθμό (Παπαντώνης, 2001) Ορεινή υδροληψία Μία μορφή υδροληψίας κατάλληλη για ορεινές περιοχές με μεγάλη στερεοπαροχή και απότομες μεταβολές της παροχής του υδατορεύματος είναι η λεγόμενη ορεινή υδροληψία (Tyrolean). Εχει την μορφή εκχειλιστή στο πάνω μέρος του οποίου τοποθετείται σχάρα με τις λάμες διατεταγμένες κατά την φορά της ροής ή διάτρητο έλασμα. Η παροχή του υδατορεύματος υπερχειλίζει την όλη κατασκευή και μέρος ή στο σύνολο της διέρχεται από τα διάκενα της εσχάρας (ή τις οπές του διάτρητου ελάσματος) προς την συλλεκτήρια διώρυγα, διαμορφωμένη κατά το πλάτος του εκχειλιστού και στη συνέχεια στη διάταξη του αμμοκράτη 17
(αν απαιτείται) και στη συνέχεια στη διώρυγα ή τον αγωγό προσαγωγής. Τα βασικά πλεονεκτήματα της ορεινής υδροληψίας είναι η απλότητα της κατασκευής, η εύκολη συντήρηση και η αποτελεσματικότητά της στην αποφυγή εισόδου φερτών υλών στον προσαγωγό. Η κατασκευή αναβαθμό μπορεί να εφαρμοστεί και σε αυτή την περίπτωση. (ESHA,2004) Διώρυγα προσαγωγής-δεξαμενή φόρτισης Η διώρυγα προσαγωγής ΥΗΕ προσάγει την παροχή του νερού από την υδροληψία στην δεξαμενή φόρτισης, από την οποία τροφοδοτείται ο αγωγός πτώσεως όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.5. Σχήμα 3.5: Σχηματική διάταξη μικρού ΥΗΕ με διώρυγα προσαγωγής και δεξαμενή φόρτισης (Παπαντώνης, 2001) Σε πολλές περιπτώσεις κρίνεται αναγκαία η (μη στεγανή) κάλυψη της στέψης της διώρυγας, κυρίως σε σημεία στα οποία υπάρχει κίνδυνος να πέσουν σε αυτή χώματα ή πέτρες λόγω κατολισθήσεων. Η δεξαμενή φόρτισης διαμορφώνεται στο άκρο της διώρυγας προσαγωγής και από αυτή τροφοδοτείται ο αγωγός πτώσης. Η θέση κατασκευής της επιλέγεται ώστε το μήκος του αγωγού πτώσης να είναι το μικρότερο δυνατό ώστε να μειώνεται το κόστος του αγωγού και η ένταση των μεταβατικών φαινομένων (υδραυλικό πλήγμα). Ο βασικός ρόλος της δεξαμενής φόρτισης είναι η απρόσκοπτη τροφοδοσία του αγωγού πτώσεως και των υδροστροβίλων κατά την φάση της εκκίνησης των μονάδων η οποία στους μικρούς υδροστρόβιλους διαρκεί περίπου 5sec, χρόνο στον οποίο ο αγωγός δεν θα μπορούσε να τροφοδοτηθεί από την διώρυγα με αποτέλεσμα την είσοδο αέρα στον αγωγό πτώσεως και τη μη ομαλή εξέλιξη της λειτουργίας της μονάδας. Λόγω του σχετικά μεγάλου όγκου της δεξαμενής φόρτισης, η ταχύτητα της ροής σε αυτή είναι πολύ μικρή με αποτέλεσμα να κατακάθονται τα αιωρούμενα, δηλαδή η δεξαμενή φόρτισης παίζει τον ρόλο τελικού εξαμμωτή. Επί πλέον στον πυθμένα της διαμορφώνεται αναβαθμός και θυρόφραγμα έκπλυσης. Επίσης η δεξαμενή φόρτισης θα πρέπει να φέρει 18
υπερχειλιστή ώστε να διοχετεύεται από αυτή η υπερβάλλουσα παροχή κυρίως κατά το σταμάτημα των υδροστροβίλων. Αγωγός πτώσης (ή προσαγωγής) Οι αγωγοί πτώσης μπορεί να είναι πλαστικοί, χαλυβοσωλήνες ή αμιαντοσωλήνες ανάλογα με την παροχή και την υδραυλική πτώση. Πλαστικοί σωλήνες από εύκαμπτο πολυαιθυλένιο, πολυπροπυλένιο ή PVC χρησομποιούνται σε εφαρμογές με παροχή μέχρι 0,03m3/sec και υδραυλική πτώση μικρότερη των 100m. Βασικά πλεονεκτήματα: μικρό βάρος, μικρό κόστος και ευκολία στην κατασκευή, ακόμη και σε απόκρημνο έδαφος. Τοποθετούνται συνήθως υπόγειοι γιατί η έκθεση στον ήλιο προκαλεί γήρανση του υλικού. Για υδραυλική πτώση μικρότερη από 33m ο αγωγός πτώσης μπορεί να κατασκευαστεί από οπλισμένο σκυρόδεμα. Αμιαντοσωλήνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παροχή μέχρι 0,2m3/sec και υδραυλική πτώση μικρότερη των 160m, αλλά είναι ακατάλληλοι σε ασταθές ή έντονα επικλινές έδαφος (δεν παρουσιάζουν ελαστικότητα). Στις περισσότερες περιπτώσεις, ο αγωγός πτώσης κατασκευάζεται από χαλυβοσωλήνες λόγω της δυνατότητας συγκόλλησης των διαφόρων τμημάτων, της υψηλής αντοχής και ελαστικότητας. Η επιλογή της διαμέτρου του αγωγού πτώσεως γίνεται λαμβάνοντας υπόψη την μέση ταχύτητα της ροής (παροχή λειτουργίας της μονάδας). Η τιμή της μέσης ταχύτητας της ροής επιλέγεται έτσι ώστε: i) να μην είναι μεγαλύτερη από μία μέγιστη τιμή, που είναι διαφορετική σε κάθε εφαρμογή και εξαρτάται από το υλικό του αγωγού και της επένδυσής του, το διακινούμενο υγρό και την περιεκτικότητά του σε στερεά. Για παράδειγμα η επιτρεπόμενη ταχύτητα της ροής είναι της τάξεως των 4 m/sec για χαλυβοσωλήνα και νερό που περιέχει πυριτική άμμο. ii) να ικανοποιούνται οικονομοτεχνικά κριτήρια από τα οποία προκύπτει μία βέλτιστη τιμή της διαμέτρου της σωλήνωσης, λαμβάνοντας υπόψη τις υδραυλικές απώλειες και το κόστος κατασκευής. iii) να μην αναπτύσσονται υπερβολικές υπερπιέσεις και υποπιέσεις κατά την εξέλιξη των μεταβατικών φαινομένων και κυρίως κατά την πλήρη απόρριψη φορτίου. Συμβολίζοντας με L το μήκος του αγωγού προσαγωγής και με h την υδραυλική πτώση αποδεικνύεται ότι για L/h<2 κατά κανόνα δεν υπάρχει πρόβλημα υπερπιέσεων. Ένα πρακτικ ό κριτήριο για τον καθορισμό της διαμέτρου του αγωγού πτώσεως προκύπτει από τον περιορισμό των υδραυλικών απωλειών σε ποσοστό μεταξύ του 3 έως 5% του ύψους πτώσεως h. (Παπαντώνης, 2001) Οι Gordon και Penman προτείνουν την ακόλουθη συσχέτιση για τη διάμετρο D του αγωγού πτώσης μικρών ΥΗΣ: 19
D 0,5 0,72 Q (3.1) όπου η διάμετρος D δίνεται σε m και η παροχή Q σε 2m 3 /sec. Στην σχέση αυτή δεν λαμβάνεται υπόψη το ύψος πτώσεως το οποίο σχετίζεται έμμεσα με το μήκος του αγωγού. Σύμφωνα με άλλη οικονομοτεχνική ανάλυση η βέλτιστη διάμετρος του αγωγού πτώσης ΥΗΣ δίνεται από τη σχέση: 0,43 N D 0,7307 (3.2) 0,63 H όπου η διάμετρος D δίνεται σε m, η ονομαστική ισχύς του σταθμού σε KW και Η (η διαθέσιμη υδραυλική πτώση σε m. Η μέση ταχύτητα ροής στον αγωγό πτώσης ΥΗΕ, και επομένως ο καθορισμός της διαμέτρου, μπορεί αρχικά να γίνει από την ακόλουθη σχέση η οποία, με καλή προσέγγιση,αντιστοιχεί στην βέλτιστη οικονομοτεχνική επιλογή: c K c 2 g h (3.3) όπου h(m) το ύψος πτώσης και Κc, συντελεστής του οποίου η τιμή κυμαίνεται μεταξύ 0,07 και 0,125. (Παπαντώνης,2001) 3.2 Σταθμός παραγωγής Ο σταθμός παραγωγής είναι ο χώρος όπου τερματίζει το σύστημα προσαγωγής και εγκαθίσταται ο ηλεκτρομηχανολογικός (Η/Μ) εξοπλισμός, δηλαδή οι στρόβιλοι, οι γεννήτριες, οι μετασχηματιστές και ο εξοπλισμός παρακολούθησης και ελέγχου του έργου. 3.2.1 Στρόβιλοι Ο υδροστρόβιλος, ανά μονάδα μάζας του διερχόμενου νερού, καλείται να μετατρέψει την διαθέσιμη (από την εγκατάσταση) υδραυλική πτώση Η σε μηχανική ενέργεια Ο τύπος και το πλήθος των στροβίλων επιλέγεται ανάλογα με τα μεγέθη σχεδιασμού (παροχή, ύψος πτώσης) και το βέλτιστο σενάριο λειτουργίας του σταθμού. Υπάρχει ένα βασικός διαχωρισμός των υδροστροβίλων σε δύο κατηγορίες: Υδροστρόβιλοι αντίδρασης (ολικής προβολής). Στην περίπτωση αυτή η πίεση του νερού κινεί τα πτερύγιά του υδροστροβίλου και ο δρομέας είναι πλήρως βυθισμένος. Οι στρόβιλοι Francis και Kaplan ανήκουν σε αυτή την κατηγορία. Εφαρμόζονται κυρίως για μικρά και μεσαία ύψη πτώσης και μεγάλες παροχές. Propellor και Kaplan Οι υδροστρόβιλοι τύπου Propellor μπορούν να τροφοδοτηθούν με ένα εύρος διατάξεων ώστε να εξυπηρετήσουν εξειδικευμένες ανάγκες. Παρόλο που βασικά είναι υδροστρόβιλος σταθερού φορτίου, μπορεί να αποκτηθεί σημαντική ευελιξία μέσω της χρήσης ρυθμιζόμενων βασικών πτερυγίων. Πλήρεις υδροστρόβιλοι Kaplan με ρυθμιζόμενα πτερύγια και είτε 20
σταθερά είτε ρυθμιζόμενα βασικά πτερύγια (οδηγούς) μπορούν επίσης να κατασκευαστούν. Τα ρυθμιζόμενα τμήματα καθώς και η διατήρηση υψηλού βαθμού απόδοσης σε ένα ευρύ φάσμα λειτουργίας, επιτρέπει στον τύπο Kaplan να εξάγει τη μέγιστη διαθέσιμη ενέργεια υπό συνθήκες μικρής παροχής ή μικρού υδραυλικού ύψους. Αυτό το στοιχείο επίσης επιτρέπει στον υδροστρόβιλο Kaplan να προσαρμόζεται σε μεγάλες διακυμάνσεις του φορτίου. Τα πτερύγια οδηγοί και/ή τα πτερύγια της έλικας μπορούν να ρυθμιστούν χειροκίνητα ή να ελεγχθούν από ένα κέντρο ρύθμισης. Σχήμα 3.6: Υδροστρόβιλος τύπου Kaplan Francis Για συνθήκες σταθερής ισχύος και συγκεκριμένου υδραυλικού ύψους, οι υδροστρόβιλοι τύπου Francis συχνά χρειάζονται πολύ μικρότερο χώρο εγκατάστασης από τους άλλους τύπους υδροστροβίλων. Επίσης έχουν το πλεονέκτημα του πολύ υψηλού βαθμού απόδοσης σε λειτουργία αιχμής (Water Turbine Appendix, 2007) Σχήμα 3.7: Υδροστρόβιλος τύπου Francis Υδροστρόβιλοι ώθησης (μερικής προβολής). Στην περίπτωση αυτή η πίεση του νερού έχει μετατραπεί σε κινητική ενέργεια πριν την είσοδό του στο δρομέα. Ο πιο συνηθισμένος στρόβιλος ώθησης είναι το Pelton (στην ίδια κατηγορία ανήκει και ο Τurgo) και εφαρμόζονται σε μεγάλη ύψη πτώσης. (ESHA,2004) 21
Pelton Ο στρόβιλος τύπου Pelton δεν ήταν ο πρώτος τύπος υδροστροβίλου που χρησιμοποιήθηκε αλλά επειδή είναι απλός και απεικονίζει ένα βασικό υδραυλικό αξίωμα, είναι ο πιο δημοφιλής στη συντριπτική πλειοψηφία των εργαστηρίων μηχανικής. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να επιδείξει τα περισσότερα από τα απαραίτητα χαρακτηριστικά των υδροστροβίλων. Στον Πίνακα 3.1, παρουσιάζονται οι προτεινόμενοι υδροστρόβιλοι ανάλογα με το διαθέσιμο ύψος πτώσης του νερού: Πίνακας 3.1: Υδροστρόβιλοι αντίδρασης-ώθησης(british Hydropower Association, 2005) Κατηγορία Ύψος Πτώσης υδροστροβίλου Υψηλό (>50 m) Μέσο (10-50m) Χαμηλό(<10m) Ώθησης Francis Francis, Kaplan, Propeller Αντίδρασης Pelton, Turgo, Multi-jet Cross-flow, Turgo, Pelton Multi-jet Pelton Cross- flow Ένας σημαντικός παράγοντας για τη σύγκριση διαφορετικών τύπων υδροστρόβιλων είναι οι σχετικοί τους βαθμοί απόδοσης τόσο στο σημείο σχεδιασμένης λειτουργίας τους όσο και σε λειτουργία με μειωμένη παροχή. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι υδροστρόβιλοι τύπου Pelton και Kaplan διατηρούν πολύ υψηλούς βαθμούς απόδοσης όταν λειτουργούν χαμηλότερα από το σημείο σχεδιασμού τους, αντίθετα με τους υδροστρόβιλους τύπου Francis. Οι περισσότεροι υδροστρόβιλοι σταθερού βήματος έλικας εμφανίζουν χαμηλή απόδοση σε μειωμένο φορτίο (συγκεκριμένα, στην περιοχή χαμηλότερα από το 80% του πλήρους φορτίου). Σχήμα 3.8: Διάγραμμα που δείχνει τη σχέση μεταξύ βαθμού απόδοσης (efficiency) διάφορων τύπων υδροστρόβιλων συναρτήσει του βαθμού φόρτισης υδροστροβίλων (British Hydropower Association, 2005) 22