Vodní elektrárny nebo vodní energie , je síla obnovitelných zdrojů , která pochází z konverze hydraulické energie do elektrické energie . Kinetická energie vodního proudu, přírodní nebo vytvořených rozdílu v míře, se transformuje na mechanickou energii prostřednictvím hydraulické turbíny , pak na elektrickou energii pomocí synchronní elektrický generátor .
V roce 2020 dosáhl instalovaný výkon vodních elektráren 1330 GW , což produkuje přibližně 4370 TWh , což je 70% světové výroby obnovitelné energie a 15,6% celosvětové výroby elektřiny v roce 2019. Silnou stránkou vodní energie je její obnovitelný charakter, její nízké provozní náklady a nízké emise skleníkových plynů ; skladovací kapacita jejích nádrží pomáhá vyrovnat rozdíly v poptávce i v případě přerušovaných energií (větrná, sluneční). Má však sociální a environmentální dopady , a to zejména v případě přehrad instalovaných v non-horských oblastech: populačních přesunů , případně záplavy z orné půdy , fragmentaci a úpravy vodních i suchozemských ekosystémů , zablokování nivy , atd. .
Hlavními výrobci vodní v roce 2020 byla Čína (31,0%), přičemž Brazílie (9,4%), přičemž Kanada (8,8%) a USA (6,7%), přičemž ústřední patří mezi nejsilnější.
Elektrická energie se vyrábí transformací kinetické energie vody na elektrickou energii pomocí hydraulické turbíny připojené k elektrickému generátoru . U přehrad akumulací závisí množství dostupné energie vodní rezervy přehrady v daném období na jejím objemu, přirozených vstupech a ztrátách během období a výšce pádu . U přehradních toků je množství vyrobené energie přímo úměrné průtoku (m 3 / s, m 3 / h, m 3 / d, m 3 / rok).
Existují čtyři hlavní typy turbín. Volba nejvhodnějšího typu turbíny se provádí výpočtem specifické rychlosti označené „ns“.
Lidé používají vodní mlýny poháněné lopatkovými koly k mletí pšenice již více než dva tisíce let. Na hodinářské a papírenské průmysly těchto Alp dělal velké využití, protože hojnosti bystřin sestupující do údolí. V XIX th století, oběžná kola se používají k výrobě elektrické energie a jsou nahrazeny turbínami.
V roce 1869 to technik Aristide Bergès použil při pádu dvě stě metrů v Lancey k otočení svých drtičů a strouhání dřeva k výrobě papírové buničiny. Mluvil o „ bílém uhlí “ v roce 1878 v Grenoblu , poté na lyonském veletrhu v roce 1887 a na světové výstavě v Paříži v roce 1889 .
Od 20. let 20. století vedl technologický pokrok ve švýcarské vodní elektrárně k intenzivním spekulacím na akciových trzích s hydroelektrickými společnostmi , z nichž měly prospěch průmyslové podniky v Alpách .
V roce 1920 , je rychlá expanze elektřiny spatřil denní světlo ve Francii, s osmi násobné zvýšení hydraulických zařízení na výrobu elektřiny díky prvních přehrad.
V roce 1925 uspořádal Grenoble mezinárodní výstavu bílého uhlí .
Existují tři hlavní formy výroby vodní energie:
Gravitační elektrárny jsou ty, které využívají potenciální energie spojené s rozdílem v úrovni mezi nádrží a elektrárnou. Elektrárny lze klasifikovat podle tří typů provozu, které určují jinou službu pro elektrický systém. Tato klasifikace se provádí podle vyprazdňovací konstanty, která odpovídá teoretickému času, který by byl nezbytný k vyprázdnění rezervy turbinací při maximálním výkonu.
Klasifikace podle typu operaceRozlišujeme tedy:
Run-of-river elektrárny, instalované hlavně v nížinných oblastech, mají nízké nádrže z těchto důvodů. Využívají tok řeky takový, jaký je, bez značné kapacity modulace skladováním. Poskytují velmi levnou základní energii. Jsou typické pro vývoj prováděný na hlavních řekách, jako jsou Rhôna a Rýn .
„Uzamčené“ elektrárny mají větší jezera, což umožňuje jejich modulaci během dne nebo dokonce týdne. Jejich řízení umožňuje sledovat kolísání spotřeby v těchto časových horizontech (spotřeba vrcholí ráno a večer, rozdíl mezi pracovními dny a víkendy atd. ). Jsou typické pro instalace prováděné ve středních horách.
„Centrální jezera“ odpovídají strukturám s nejdůležitějšími nádržemi. Umožňují sezónní skladování vody a modulaci výroby, aby překonaly špičky zátěže spotřeby elektrické energie: léto pro země, kde je vrchol spotřeby určen klimatizací, zima pro ty, kde je určen topení. Tyto elektrárny jsou typické pro instalace prováděné ve středních a vysokých horách.
Poslední dva typy jezer umožňují zadržování vody určité ukládání energie ( potenciální pokles energie ), což umožňuje alespoň částečně vyhladit výrobu elektřiny.
Klasifikace podle typu plněníJe také možné klasifikovat elektrárny podle plnících charakteristik jejich zásobníku, které podmíňují elektrické využití, které z nich lze provést.
Naplnění určitých nádrží lze například statisticky získat na týdenním, sezónním, ročním nebo dokonce víceletém základě v případě velmi velkých vodních ploch, jako je vodní nádrž Caniapiscau , vytvořených v rámci projektu James Bay . , v Quebecu . Je zřejmé, že rychlost plnění má přímý dopad na flexibilitu použití.
Klasifikace podle výšky páduNakonec můžeme klasifikovat struktury podle jejich výšky pádu, to znamená rozdílu v nadmořské výšce mezi teoretickým zrcadlem plné nádrže a turbíny. Tato výška pádu určuje typy použitých turbín.
Rozlišujeme tedy:
Mezi těmito třemi typy klasifikace neexistuje striktní ekvivalence, ale silná korelace:
Výroba vodní elektrárny závisí na příspěvcích řek, které ji napájejí, kolísající podle ročních období a rok od roku podle srážek. Produkce vodní elektrárny v Brazílii poklesla mezi lety 2011 a 2015 o 16% v důsledku řady let sucha, a to i přes uvedení několika nových přehrad do provozu. Ve Španělsku lze pozorovat ještě extrémnější odchylky: + 56,1% v roce 2010, -27,7% v roce 2011, -26,6% v roce 2012, + 69,9% v roce 2013; -47,1% v roce 2017 a + 74,4% v roce 2018.
Nádrže v jezerních elektrárnách jsou prostředkem skladování, který může pomoci vyrovnat sezónnost srážek i poptávku. Málokdy mají dostatečný objem, aby vyrovnali meziroční rozdíly.
Přečerpávací stanice přečerpávané energie (ČOV) kromě své výroby energie z přirozeného toku zahrnují režim přečerpávání, který umožňuje skladování energie vyrobené z jiných typů elektráren, když je spotřeba nižší než výroba, například v noci, k přerozdělení to, v turbínovém režimu, během špiček ve spotřebě.
Tyto rostliny mají dva bazény, horní nádrž a spodní nádrž, mezi nimiž je umístěn na reverzibilní vodní stroj : hydraulická část může být použita jak v čerpadle , v turbíně a elektrické části jak motor, že alternátor ( Machine synchronní ). V akumulačním režimu stroj využívá energii dostupnou v síti ke zvedání vody ze spodní nádrže do horní nádrže a ve výrobním režimu stroj převádí gravitační potenciální energii vody na elektřinu.
Účinnost (poměr mezi spotřebovanou a vyrobenou elektřinou) je řádově 82%.
Tento typ zařízení je ekonomicky zajímavý, když se mezní výrobní náklady významně liší v daném časovém období (den, týden, sezóna, rok atd. ). Umožňují ukládat gravitační energii v obdobích, kdy jsou tyto náklady nízké, mít ji k dispozici v obdobích, kdy jsou vysoké.
Tak je tomu například v případě, že existují výrazné opakující se rozdíly v poptávce (mezi létem a zimou, dnem nebo nocí atd. ), „Fatální“ produkce ve velkém množství, která by jinak byla ztracena ( větrná energie ) nebo nízko modulovatelná výroba základní energie (uhlí, odtoková hydraulika).
Přílivová elektrárna je vodní elektrárna, která využívá energii přílivu a odlivu k výrobě elektřiny. Rance přílivová elektrárna, do provozu v roce 1966, pro kompenzaci nízké produkci elektrické energie v Bretani, je příkladem.
Z vlnMezi Japonci se začal zajímat jako první v zdrojů vlnách od roku 1945, následované Norskem a Spojeným královstvím .
Na začátku měsíceSrpna 1995„ Ocean Swell Powered Renewable Energy ( OSPREY), první elektrárna využívající vlnovou energii, se nachází na severu Skotska . Princip je následující: vlny vstupují do jakési ponořené skříně, otevírají se na základně a tlačí vzduch do turbín, které ovládají alternátory vyrábějící elektřinu. Ten je pak přenášen podmořským kabelem na pobřeží vzdálené asi 300 metrů. Elektrárna měla výkon 2 MW , bohužel toto dílo, poškozené vlnami, bylo zničeno ocasem hurikánu Felix v roce 2007. Jeho tvůrci se nedají odradit a nový stroj, levnější a efektivnější, je v současné době v focus . Mělo by to umožnit dodávku elektřiny na malé ostrovy, které ji nemají, a dodávku zařízení na odsolování mořské vody .
Z mořských proudůProjekt britské společnosti Marine Current Turbines (in) plánuje implementovat turbíny, které k výrobě elektřiny využívají oceánské proudy podobné lodní vrtule .
Voda, která je zdrojem vodní energie, je skladovatelná: výroba elektřiny může být proto skladována mimo špičku, aby mohla být použita ve špičkách , tj. Když je na síti nejvyšší poptávka. může být také uložen během víkendů, aby byl během týdne turbinován, nebo dokonce uložen na jaře během tání sněhu, které bude turbinováno v zimě. Výroba vodní energie je omezena průtokem a dostupnými vodními rezervami; tyto zásoby závisí na podnebí , na čerpání prováděném před nádržemi (například pro zavlažování ) a na velikosti vodních nádrží (přehrad).
Instalovaná kapacita vodní energie na světě dosáhla na konci roku 2020 1330 GW , což představuje nárůst o 1,6%, a výroba vodní energie se odhaduje na 4370 TWh , což představuje nárůst o 1,5%. Nové přírůstky kapacity dosáhly v roce 2020 21 GW oproti 15,6 GW v roce 2018. Téměř dvě třetiny těchto přírůstků byly provedeny v Číně: 13,8 GW ; mezi zeměmi, které instalovaly nové kapacity, překročilo megawatt pouze Turecko: 2,5 GW . Čína do značné míry dominuje v žebříčku zemí podle instalovaného výkonu s 370,2 GW , což je 27,8% celosvětového součtu, následovaná Brazílií (109,3 GW ). Tyto přečerpávací vodní elektrárny mají celkem 160 GW instalovaného výkonu a 9000 GWh úložné kapacity. Nová zařízení v roce 2020 dosáhla 1,5 GW, včetně 1,2 GW v Číně.
V roce 2019 dosáhly nové přírůstky kapacity 15,6 GW oproti 21,8 GW v roce 2018. Mezi země, které instalovaly největší kapacity, patří Brazílie: 4,92 GW , Čína: 4,17 GW a Laos: 1,89 GW .
Podíl vodní energie na celosvětové výrobě elektřiny v roce 2019 odhaduje BP na 15,6%. Jeho produkce se v roce 2019 zvýšila o 0,8% a od roku 2009 o 22,5%.
Podle The World Factbook představovala hydraulika 18,7% světové elektrické energie v roce 2012 a 10,7% v Evropě v roce 2011.
Podíl vodní energie na výrobě je menší než její podíl na instalovaném výkonu: 15,9% světové výroby elektřiny v roce 2017 (oproti 20,9% v roce 1973), ale hraje obzvláště důležitou roli při zajišťování okamžité rovnováhy mezi výrobou a spotřebou elektřiny; ve skutečnosti je vodní energie díky své flexibilitě (lze ji mobilizovat za pár minut) zásadní proměnnou nastavení, protože elektrickou energii je velmi těžké akumulovat ve velkém množství.
| Kraj |
Celkový výkon na konci roku 2020 ( GW ) |
z toho přečerpávací zařízení GW |
Přírůstky 2020 GW |
2020 produkce ( TWh ) |
Část 2020 |
| Afrika | 38.2 | 3.4 | 0,94 | 139,5 | 3,2% |
| Jižní a střední Asie | 154,4 | 7.8 | 1,61 | 498 | 11,4% |
| Východní Asie a Tichomoří | 501,5 | 69.5 | 14,47 | 1643 | 37,6% |
| Evropa | 254,5 | 54,9 | 3.03 | 674 | 15,4% |
| Severní a Střední Amerika | 204,8 | 23.0 | 0,53 | 724 | 16,6% |
| Jižní Amerika | 176,8 | 1.0 | 0,48 | 690 | 15,8% |
| Svět | 1330.1 | 159,5 | 21 | 4370 | 100% |
| Hlavní producentské země | |||||
| Čína | 370,2 | 31.5 | 13,76 | 1355 | 31,0% |
| Brazílie | 109.3 | 0,03 | 0,21 | 409,5 | 9,4% |
| Kanada | 82,0 | 0.2 | 0,27 | 383 | 8,8% |
| Spojené státy | 102,0 | 22.9 | 0,02 | 291 | 6,7% |
| Rusko | 49,9 | 1.4 | 0,38 | 196 | 4,5% |
| Indie | 50.5 | 4.8 | 0,48 | 155 | 3,5% |
| Norsko | 33.0 | 1.4 | 0,32 | 141,7 | 3,2% |
| Japonsko | 50.0 | 27.6 | 0,11 | 89,2 | 2,0% |
| krocan | 31.0 | - | 2.48 | 77,4 | 1,8% |
| Venezuela | 15.4 | - | - | 72,0 | 1,6% |
| Švédsko | 16.5 | 0,1 | - | 71.6 | 1,6% |
| Francie | 25.5 | 5.8 | - | 64.8 | 1,5% |
| Vietnam | 17.1 | - | 0,08 | 52,0 | 1,2% |
| Paraguay | 8.8 | - | - | 49.3 | 1,1% |
| Itálie | 22.6 | 7.7 | - | 47.7 | 1,1% |
| Kolumbie | 11.9 | - | 0,02 | 45.8 | 1,0% |
| Rakousko | 14.6 | 5.6 | - | 42.5 | 1,0% |
| švýcarský | 16.9 | 3.0 | - | 40.6 | 0,9% |
| Zdroj dat: International Hydropower Association. | |||||
Instalovaný výkon přečerpávacích elektráren dosáhl 159 494 MW , z toho 31 490 MW v Číně (19,7%), 27 637 MW v Japonsku (17,3%) a 22 855 MW ve Spojených státech (14,3%); tyto tři země tvoří 51,3% celosvětového součtu.
Největšími producenty vodní energie v roce 2017 byla Čína (28,3%), Kanada (9,4%), Brazílie (8,8%) a USA (7,7%). Místo této obnovitelné energie ve vnitrostátní výrobě elektřiny je však velmi variabilní a pět zemí vyniká podílem 95,7% v Norsku, 62,9% v Brazílii, 59,6% v Kanadě, 44,8% ve Vietnamu a 39,7% ve Švédsku.
Navzdory obecně vysokým nákladům na implementaci jsou náklady na údržbu přiměřené, zařízení jsou navržena tak, aby vydržela dlouhou dobu, nevznikají žádné náklady na palivo a při správném řízení je obnovitelná vodní energie . Cena za kWh se značně liší v závislosti na vlastnostech prováděného zařízení; že obří přehrady na velkých řekách mohou být extrémně nízké, což přitahuje průmyslová odvětví náročná na elektro, jako je hliník; ale vysoce nákladné závody mohou být velmi ziskové díky své flexibilitě provozu a schopnosti regulovat celkovou výrobu.
Hydroelektřina je považována za obnovitelnou energii, na rozdíl od ropy nebo zemního plynu .
Některé výzkumy zpochybňují bilanci skleníkových plynů ve vodních systémech. Bakteriologická aktivita ve vodě přehrad, zejména v tropických oblastech, by uvolňovala velké množství metanu (plyn, který má skleníkový efekt 20krát silnější než CO 2). V projektech přehrad se výroba vodní energie často doplňuje, další účely, jako je kontrola povodní a jejich následků, zlepšení splavnosti vodního toku, zásobování vodou kanály, vytváření zásob vody pro zavlažování, cestovní ruch. ..
Od vytvoření přehrady Tři soutěsky na řece Yangzi v Číně v roce 2014 zaujímá tato země vedoucí postavení ve výrobě vodní energie v Asii, ale také v Africe a Jižní Americe. Zjistilo se, že ekonomické otázky těchto staveb, stejně jako boj proti globálnímu oteplování, převažují nad jinými ekologickými problémy.
Tyto dopady na životní prostředí se liší podle typu a velikosti struktury zavedeného: jsou nízké, pokud jde o využívání přírodních vodopády, mořské proudy, vlny, ale stanou se velmi důležité, pokud se jedná o využívání přírodních vodopády, mořské proudy, vlny. jde o vytváření přehrad a umělých vodních nádrží. V druhém případě se obecně kritizuje mizení zemědělských pozemků a vesnic (vedoucí k přemisťování populace), jakož i narušení pohybu fauny (nejen vodní) a celkově celého okolního ekosystému.
Některé pozoruhodné příklady významných dopadů na životní prostředí jsou:
Kromě následků způsobených vodními nádržemi, jako je kolaps delt, zemětřesení, katastrofy, může být důsledkem konstrukce samotných staveb. Zhroucení přehrady na řece Pian, přítoku Mekongu, postavené v roce 2018, stejně jako mnoho přehrad v Laosu , bez skutečné dopadové studie, tedy zanechalo 6 600 lidí bez domova a učinilo více než sto obětí. Katastrofa zasáhla vody řeky Mekong , která zachvátila 17 vesnic v Kambodži .