Hidroelektrarna je eden od najstarejših načinov proizvodnje energije za človeštvo. Ta način proizvodnje električne energije je bil uporabljen že pred več kot 100 leti. Proizvodnja električne energije v hidroelektrarni se prišteva med največje deleže izrabe obnovljivih virov energije.
Uporaba tako pridobljene električne energije je zaradi številnih prednosti hitro naraščala in pokazala se je potreba po vedno močnejših elektrarnah. Pretvorba v električno energijo ima tudi to prednost, da ne onesnažuje okolja in skrbi za zmanjševanje emisij plinov tople grede, saj zamenjuje ostale načine pretvorbe energije.
V sedanjem času znaša proizvodnja električne energije v hidroelektrarnah v nekaterih državah Evrope okoli 3,5%, v drugih državah (npr. Norveška, Islandija, Avstrija, Švica, Kanada), ki imajo za izrabo vodne energije bistveno boljše pogoje, je ta odstotek še veliko večji. Tako znaša proizvodnja pridobljene električne energije po vsem svetu, približno petino proizvedene električne energije.
Na tak način proizvedeno električno energijo lahko prištevamo, kot pomemben prispevek k reševanju energetskih problemov.
Številne prednosti izrabe vodne energije:
- Pretvarjanje vodne energije poteka z zelo visokim izkoristkom,
- Z uporabo vodne energije ne obremenjujemo okolja,
- Oddaja odpadne toplote v okolje je zelo nizka.
Slabosti izkoriščanja hidroenergije:
- izgradnja hidroelektrarne predstavlja velik poseg v okolje,
- nihanje proizvodnje glede na razpoložljivost vode po različnih mesecih leta,
- visoka investicijska vrednost.
Pri gradnji hidroelektrarn je zelo zahtevna uskladitev ekološkega ravnovesja v akumulacijskem jezeru, rekah in njihovega okolja. Ukrepi v posameznih primerih morajo biti uravnoteženi učinkom na okolje in na koristi pridobivanja okolju prijazne električne energije. Kadar je elektrarna skrbno načrtovana, je možno vodno energijo označiti kot "obnovljivo" in "trajno".
Pri vseh vodnih hidroelektrarnah se elektrika proizvaja v generatorju. Električni generator po principu elektromagnetne indukcije proizvaja električno energijo, ki ga poganja vodna turbina. Obstaja več vrst turbin, ki so primerne za različne vodotoke. Vodo dovajamo v turbine, te poganjajo generator, ki pretvarja hidroenergijo v električno.
V večini primerov so v uporabi, Kaplanove, Peltonove in Francisove turbine. Njihov učinek je odvisen od moči turbine, ki je premo sorazmerna vodnemu padcu in količini vode, ki priteka na turbino. V preglednici št. 1 so prikazane vrste turbin, ki se uporabljajo v hidroelektrarnah.
Preglednica št. 1: Vrste turbin, ki se uporabljajo v hidroelektrarnah
| Nizek | Srednji | Visok | |
|---|---|---|---|
| Padec | 4 – 50 m | 20 – 600 m | 100 – 1000 m |
| Zajezitev | Majhna | Srednja | Velika |
| Vrtilna hitrost | 1 – 4 s-1 | 2 – 10 4 s-1 | 4 – 20 s-1 |
| Turbina | Kaplan | Francis | Pelton |
Pri uporabi vode za proizvodnjo električne energije pridejo v poštev:
- Pretočna hidroelektrarna
- Črpalna hidroelektrarna
- Hidroelektrarne na plimovanje in hidroelektrarne, ki delujejo po principu valovanja
Pretočna hidroelektrarna
V delujočih hidroelektrarnah spreminjajo potencialno energijo zajezene vode iz rek ali rezervoarjev v kinetično energijo. Količina proizvedene električne energije je odvisna od hitrosti vrtenja generatorja. Hitrost, s katero lahko turbina poganja generator, pa je odvisna od tega, s kolikšnim tlakom voda potiska lopatice turbine. Čim večji je tlak vode, tem hitreje se turbina vrti. Z globino pa narašča tudi vodi tlak.
Pri gradnji hidroelektrarne običajno zgradijo jez, ki zapira dolino, po kateri teče reka. Za jezom se voda nabira v globokem jezeru, ki služi za akumulacijo vode. Če je vode za jezom preveč, je lahko nekaj spustijo skozi stranske zapornice. Voda na dnu jezera je pod velikim tlakom zaradi teže vse vode nad njo.
Črpalna hidroelektrarna
Črpalne elektrarne predstavljajo posebno obliko shranjevanja vode. V času nizke porabe električne energije, na primer ponoči, lahko s presežkom proizvedene energije in s pomočjo črpalke, črpamo vodo v višje ležeče bazene. Skozi dan pa, ko je poraba električne energije najvišja, z akumulirano vodo v višje ležečih bazenih, preko turbine dovajamo vodo v spodnji zbiralnik. Tako proizvedemo dodatno oziroma manjkajočo električno energijo za pokrivanje v špicah porabe. Slika št. 1 prikazuje način delovanja črpalne elektrarne.
Razlaga k sliki: Poraba električne energije se bo tudi v prihodnje v toku dneva in noči močno spreminjala. Zato se bodo morale elektrarne v prihodnosti sproti prilagajati tej spremenljivi porabi, kar je tudi ključni razlog hitrega naraščanja črpalnih elektrarn.
Elektrarna z valovanjem
Elektrarna z valovanjem je oblika hidroelektrarne. Za pridobivanje električne enrgije uporablja energijo morskih valov. Elektrarne z valovanjem prištevamo med obnovljive vire energije. Izkoriščanje energije valovanja v določeni meri posnema izkoriščanje hidrokinetične energije. Prva tovrstna elektrarna je bila zgrajena na Škotskem. Elektrarna Pelamis, ki je tudi največja valovna elektrarna na svetu, je ime dobila po orjaški morski kači iz grške mitologije. Danes je to 120 metrov dolga in 750 ton težka plavajoča elektrarna, ki jo je izdelalo škotsko podjetje Ocean Power Delivery.
Z izkoriščanjem valovanja bi lahko pokrili celotne energetske potrebe našega planeta. Valovanje ima velik energetski potencial, ima pa tudi veliko slabosti: njegova amplituda je močno odvisna od trenutnih vremenskih razmer in je zato nepredvidljiva.
Za razliko od elektrarne, ki deluje s plimovanjem in izrablja energijsko razliko med plimo in oseko, uporabljajo tovrstne elektrarne kontinuirano valovanje.
Na obali je praviloma prisotno stalno udarjanje valov in ob ugodnih razmerah v obalnem področju lahko energijo udarjajočih valov ujamemo in jo, preko turbine, vodimo skozi odgovarjajoči kanalski sistem ter spremenimo kinetično energijo padajoče vode, podobno kot v pretočnih elektrarnah (tudi s pridelanim komprimiranim zrakom) spremenimo v električni tok. Slika št. 2 prikazuje primer delovanja elektrarne z valovanjem.
Tovrstne elektrarne terjajo za delovanje vsekakor visok strošek, še posebej pri zaščiti za delovanje v neugodnih vremenskih razmerah. Tako so v tem času poznane samo večje elektrarne. Manjše elektrarne moči med 50 do 500 W se v večini primerov uporabljajo izključno za razsvetljavo.
