Водната енергия на бъдещето

Като гръбнак на производството на възобновяема енергия в Европа, водноелектрическите централи имат ключова роля в изпълнението на целите за периода до 2020г. в областта на възобновяемата енергия, както и в инициативите за намаляване на парниковите газове. Малките водни централи генерират 46хил.GWh електрическа енергия и имат инсталирана мощност в ЕС-27 над 13хил.MW, което е достатъчно за доставка на електричество за над 13 милиона домакинства. Това допринася за намаляване на емисиите от CO2 с 29 милиона годишно, което съответно води до понижаване на разходите с 766 милиона евро.
Водната енергия е зависима силно от географията на страната. Това се доказва от факта, че почти 90% от инсталираните водноелектрически централи с малък капацитет са съсредоточени в шест държави-членки на ЕС-27. Тези водещи шест страни са на първо място Италия, следвана от Франция, Испания, Германия, Австрия и Швеция. В допълнение, Швейцария и Норвегия имат голям капацитет за малки ВЕЦ, а най-големи възможности имат новите страни-членки България, Чехия, Полша и Румъния.

Хидроенергетиката е възобновяема, незамърсяваща енергетика Тя не предизвиква никакви емисии от парникови газове и не произвежда токсични отпадъци. В момента тя представлява почти 20% от световното производство на електрическа енергия и има възможност за развитие три пъти от сегашното си ниво. Въпреки необходимите инвестиции за ограничаване въздействието на човека върху околната среда, утежняващи големите проекти за изграждане на язовири, бъдещето изглежда обещаващо за малките ВЕЦ.

ВЕЦ имат ниски разходи за експлоатация и поддръжка. Жизненият им цикъл е много дълъг и са изключително надеждни от оперативна гледна точка, защото това е сигурна и добре изпитана технология. Само във Франция на над 60 големи язовира, които са все още в употреба, има построени много централи, като голяма част от тях са от преди 1960г. Най-старата е разположена в Ниевр, открита през 1858г.

Водната енергия може също да се използва за покриване на нуждите от електроенергия по време на променливо търсене. Въпреки че не е възможно да се съхранява електрическа енергия в голям мащаб, водата може да се задържа в големи резервоари с помощта на язовири или бентове. Това е обикновен и лесен начин за съхраняване на потенциалната енергия. Нещо повече, водноелектрическата централа може да достигне максималната си мощност в рамките на няколко минути. За сравнение, при ТЕЦ отнема няколко часа, за да се достигне пълната мощност, а при атомната електроцентрала това отнема четири пъти по-дълго време.

На пръв поглед изглежда, че водната енергия има всичко необходимо за да се получи електрическа. Но изграждането на огромни язовири и задържането на огромни количества вода има въздействие върху човека и околната среда. Ако не се отчитат тези последствия, строителството на язовир може да има сериозни последици за околната среда. Например, това може да попречи на миграцията на някои водни видове, които оказват влияние върху водните ресурси. Нещо повече, нарушават се екологични структури нагоре по веригата при изграждане на язовира и надолу от спада в потока на водата. Може да отнеме няколко десетилетия за възстановяването на устойчиво екологично равновесие в района. Във всеки случай са необходими дълги и скъпи изследвания за измерване на въздействието върху околната среда при изграждане на язовир.

Бъдещето на водната енергия зависи до голяма степен от доводите на държавите и потенциалните публично-частни споразумения. Енергийната революция в Германия и Швейцария е реалност. Генерирането на електрическа енергия от възобновяеми енергийни източници ще продължи. Предпоставка за бързото прилагане на нова политика е, че производството на електроенергия трябва да отговаря на екологичните изисквания. Интересът към "зелени" електрически продукти вече се засилва.

Модернизация или нови турбини
Около 50% от първичните и вторичните технологии, инсталирани във водноелектрическите централи по целия свят, са по-стари от 30 години. Пазарът на модернизацията, рехабилитацията и увеличаването на капацитета на инсталираното оборудване във ВЕЦ е съсредоточен главно в Европа и Северна Америка.

Модернизирането на съществуваща ВЕЦ може да бъде предизвикателство. Целта е да се разработи и приложи най-доброто решение. Същата степен на ангажираност е показана при подобрения на отделни компоненти или пълна рехабилитация на инсталацията. Рехабилитацията е сложна, тъй като промяната на един компонент може да повлияе на работата на цялата инсталация, понеже всички компоненти във ВЕЦ са свързани помежду си.

Обновяването включва подмяна и подобряване на части, които са имали нужда от сериозна поддръжка и ремонт или при които се очаква повреда в близко бъдеще поради стареене. Обновяването включва също инсталиране на допълнителни компоненти или устройства за подобряване на цялата инсталация. Често рехабилитацията може да подобри изходната мощност и значително да увеличи рентабилността на централата.

Компаниите предоставят решения, продукти и услуги за целия жизнен цикъл на водноелектрическите централи. Услугите и програмите за модернизация са проектирани така, че да се увеличи наличността и надеждността на инсталациите, увеличаване на производството на електроенергия чрез оптимално използване на водните ресурси, увеличаване на възможностите за приходи от върхова мощност, намаляване на риска от аварии и непланирани ремонти, оптимизиране на стойността на инсталацията и експлоатационния живот.

Основните задачи включват оценка на инсталацията, поддръжка, резервни части, отстраняване на проблеми, аварийни ремонти, специализирани услуги, обучение. Ремонтът, обновяването и модернизацията на програми/проекти включват инженеринг, проектиране, изпитване на модела, производство, монтаж и въвеждане в експлоатация на турбини, цифрови регулатори на скоростта, спирателни клапани, генератори (синхронни и асинхронни), системи за автоматизация, контрол, защита, възбуждане и синхронизация, мониторинг и диагностика.

Обновяване на съществуващите и инсталиране на нови водни колела
В бъдеще могат да бъдат развити по-малко на брой начини за използване на водна енергия, щадящи околната среда. Те включват проекти за малки ВЕЦ, които използват естествените речни течения и водни колела за производство на енергия. Местата за инсталиране на водни турбини не са много и затова може отново да се обърне внимание на водните колела. Те се намират там, където турбината вече не е изгодна икономически, където използването на ресурсите е сезонно или просто когато гледката на въртящо се водно колело с падаща вода разнообразява атмосферата. В този случай акцентът е върху използването на естествения воден цикъл, а не той да се променя за производство на енергия. Използваните техники са по-малко агресивни, следователно по-благоприятни за околната среда.

Производство на енергия от вълни
Вълновите енергийни технологии извличат енергията директно от повърхностни вълни или от колебанията на налягането под повърхността. Анализаторите на възобновяеми енергийни източници вярват, че има достатъчно енергия в океанските вълни, които да предоставят до 2TW електроенергия.

Енергията на вълните обаче не може да бъде впрегната навсякъде. Районите по света с перспективни възможности включват западните брегове на Шотландия, Северна Канада, Южна Африка и Австралия, както и североизточното и северозападното крайбрежие на САЩ. Само в северозападния Тихи океан е възможно енергията на морските вълни да произведе 40-70kW на 1 метър от западното крайбрежие.

Малки ВЕЦ с мощност 0,1-10MW
Малките водни централи придобиват значение поради техните социални и финансови ползи спрямо големите ВЕЦ. Те имат по-кратък период за изграждане. Големите водноелектрически централи обикновено имат период за изграждане от около седем години, докато за по-малките инсталации той е от две до пет години. Освен това, малките и мини ВЕЦ имат по-висока възвръщаемост на инвестициите, поради ниския инвестиционен капитал и оперативните разходи за поддръжка. Те са по-лесни за изграждане и пускане в експлоатация, дължащо се на по-опростения дизайн, запазвайки по този начин разходите ниски. Малките и мини ВЕЦ улесняват участието на общината при инвестирането, както и привличат местни специалисти при изграждането на инсталациите. В същото време, големите водноелектрически централи изискват щателни проучвания, изследвания и проекти, които не са необходими в пълен обем за изграждането на малки и мини ВЕЦ. В допълнение към горното, изграждането на малка водноелектрическа централа не смущава местното население, какъвто е случаят с големите водноелектрически централи. Инсталиране на малка ВЕЦ не включва изграждането на големи язовири и водоеми и по този начин не води до проблеми с обезлесяване, наводняване и възстановяване на околната среда. Освен това, не се изисква голяма площ и по този начин могат да се изграждат в райони с малки потоци от вода и на малки до средни реки.

Броят на инсталациите на малки водни централи нараства глобално с годишен растеж от 6%. През 2004г. нарастването на годишната инсталирана мощност се дължи главно на повишения брой нови инсталации в Китай. Предимствата от производството на електроенергия от малки ВЕЦ, в съчетание с нарастващия интерес към сектора, водят до увеличаване на подкрепата на държавните политики, която ще получат инсталации в много страни в идните години. Поради тези причини кумулативната инсталирана мощност на малки водноелектрически централи се очаква да достигне 140GW през 2015г. и 201GW през 2020г.

Необходимостта от енергия и опазване на околната среда насърчават развитието на малки водни централи. Търсенето на енергия в световен мащаб се увеличава бързо, особено в развиващите се страни, поради увеличаване на населението и индустриализацията. За да се отговори на това търсене е необходимо изследване на възобновяемите енергийни източници, тъй като конвенционалните източници са станали скъпи поради намаляване на запасите от гориво. Малките ВЕЦ са отличен и обилен източник за производство на електроенергия и нямат никакви разходи за гориво, тъй като използват вода. Те се очертават като едно от най-обещаващите решения за гарантиране на надеждна и достъпна енергия в дългосрочен план.

Административните пречки, които водят до забавяне в разрешителните и одобренията на проектите, са основните предизвикателства за развитието на малки ВЕЦ. Много страни в момента имат дълги процедури за издаване на разрешителни. Сложни и отнемащи време процедури за лицензиране, в съчетание с бюрокрацията, са били основните пречки за развитието на малките водноелектрически инсталации в целия свят.

ВЕЦ и Smart Grid
Увеличаването на мощностите на възобновяемите енергийни източници, по-голямото търсене на електричество и отделянето на икономиката за електроенергия водят към нови предизвикателства за поддържане на сигурна и стабилна работа на мрежата.

Например, до 2050г. Германия възнамерява да покрива 80% от потреблението на електроенергия от възобновяеми енергийни източници и повечето от днешните конвенционални централи с основно натоварване, като ядрени и въглищни електроцентрали, ще бъдат изключени.

Оттук следва, че приспособяването на електроенергията от възобновяеми непостоянни източници към търсенето чрез системи за съхранение на енергия ще бъде един от най-важните въпроси, за да се запази енергията стабилна, удобна и достъпна.

Помпено-акумулиращите ВЕЦ (ПАВЕЦ) и иновативните опции за генериране от ВЕЦ дават възможност за тези разработки. Сегашните енергийни мрежи се базират на изискванията и проектите от началото на 20-ти век. По това време основната цел на електрическата мрежа е била да пренесе енергията от централните обекти за производство до концентрираните промишлени и градски райони. В продължение на почти 100 години тези изисквания не са се променили. Разделението и либерализацията на производството, преноса и разпределението в наши дни доведе до първата промяна в работата на мрежата. Всъщност, електрическите мрежи на високо напрежение за пренос са предмет на по-висок стрес и динамично променящи се условия. Приблизително в същия диапазон от време, първите децентрализирани системи за възобновяема енергия, като фотоволтаиците (PV) или вятърните генератори, засегнаха пазара на широка основа. С широкото приемане на разпространението на тези възобновяеми източници, разпределителните мрежи ниско и средно напрежение също се обтягат допълнително.

Следващата стъпка ще бъде интегрирането на огромно количество възобновяеми енергийни източници за резервиране или дори за замяна на конвенционалните генериращи системи за базово натоварване, като ТЕЦ или ядрени електроцентрали. В комбинация с централизирано управление на ниско ниво на потребителското поведение, това ще се отнася към "интелигентна мрежа". Поради факта, че възобновяемите енергийни източници са много променливи и пулсиращи, тяхното производство на енергия не може да се управлява. С цел да се даде възможност за производство на възобновяема енергия са необходими малки и средни, но също така и големи системи за съхранение на енергия с резервна мощност за сезонни приложения. Тази допълнителна енергия може да бъде най-ефективно и най-икономично осигурявана от водноелектрически централи. Освен това, ВЕЦ разполагат с уникална възможност за осигуряване на ефективно управление на претоварването на мрежата.

Интелигентната мрежа е идея, която трябва да координира наличната енергия и текущото търсене. Един отделен обект за управление включва интелигентни измервателни уреди, индивидуални домашни възобновяеми енергийни източници (например слънчева инсталация на покрива). Възможностите за съхранение и по-добро прогнозиране на времето позволяват динамично ценообразуване на енергията и по този начин се постига управление на търсенето на енергия. Ползата от интелигентна мрежа в нейната "модерна мрежова инициатива" се предвижда да бъде в състояние да се самоподдържа, мотивирайки потребителите да участват активно в дейността й, като по този начин се осигурява по-високо качество на електрическата енергия, спестявайки пари от прекъсвания, да съгласува всички възможности за генериране и съхранение, да работи по-ефективно, за да позволи по-голямо навлизане на непостоянни източници за производство на електроенергия.

Големите ПАВЕЦ са единствената позната днес технология за съхраняване на огромни количества енергия с достатъчна ефективност за произволно време, извършвайки ценни услуги в подкрепа на правилната и сигурната експлоатация на мрежата и стабилността й.

В сравнение с други мащабни технологии за съхранение, като преобразуване на енергия в газ (P2G), производство на синтетичен метан чрез електролиза и съхраняването му в съществуващите газопроводи или съхранение на енергия чрез сгъстен въздух (CAES), водноелектрическите централи имат значително по-висока ефективност на цикъла от 80 до 90%, базирана на доказани технологии. От друга страна, те обикновено са разположени отдалечено от потребителите в планински райони и се нуждаят от определено време, за да стартират или да променят режима си на работа, което може да бъде бавна реакция относно изискванията за съхранение, присъщи на интелигентните мрежи.

Разбира се, ПАВЕЦ не са единствените, които ще се управляват от бъдещата интелигентна мрежа. Електроцентралите по течението на реките също са доказан и адекватен метод за генериране на енергия в близост до потребителя.