Vesivoiman tai vesivoima , on valtaa uusiutuva kotoisin muuntaminen hydraulisen energian osaksi sähköä . Kineettinen energia veden virtauksen, luonnollinen tai syntyy ero tasolla, muuttuu mekaaniseksi energiaksi , jonka turbiini , sitten sähköenergiaksi, jonka synkroninen generaattorin .
Vuonna 2020 vesivoimalaitosten kapasiteetti saavutti 1330 GW , mikä tuotti noin 4370 TWh eli 70% maailman uusiutuvan energian tuotannosta ja 15,6% maailman sähköntuotannosta vuonna 2019. Vesivoiman vahvuudet ovat sen uusiutuva luonne, sen alhaiset käyttökustannukset ja sen alhainen kasvihuone- kaasupäästöjä ; sen säiliöiden varastointikapasiteetti kompensoi kysynnän vaihtelut sekä jaksottaisten energioiden (tuuli, aurinko). Se kuitenkin on sosiaalisia ja ympäristövaikutuksia , varsinkin jos kyseessä on patojen asennettu ei- vuoristoalueilla: väestön siirtymiset , mahdollisesti tulvia ja peltoa , pirstoutuminen ja muutoksia maan ja vesien ekosysteemeihin , tukos liettymä , jne .
Tärkeimmät vesivoimantuottajat vuonna 2020 olivat Kiina (31,0%), Brasilia (9,4%), Kanada (8,8%) ja Yhdysvallat (6,7%), Keski- Euroopassa.
Sähköenergiaa tuotetaan muuntamalla kineettisen energian vettä sähköenergiaksi kautta turbiini kytketty sähkögeneraattori . Kerääntyvien patojen kohdalla tietyn ajanjakson aikana padon vesivarastossa käytettävissä olevan energian määrä riippuu sen tilavuudesta, luonnollisista panoksista ja häviöistä ajanjaksolla sekä putoamisen korkeudesta . Ja run-of-joen patojen, määrää tuotetun energian liittyy suoraan virtaus (m 3 / s, m 3 / h, m 3 / d, m 3 / vuosi).
Turbineja on neljä päätyyppiä. Sopivimman turbiinityypin valinta tehdään laskemalla ominaisnopeus, jota merkitään "ns".
Ihmiset ovat käyttäneet siipipyörillä toimivia vesimyllyjä vehnän jauhamiseen yli kahden tuhannen vuoden ajan. Kellojen ja paperi- teollisuudessa ja Alppien tehnyt suuria käyttää sitä, koska runsaasti torrent ajautumasta laaksoihin. Vuonna XIX th luvulla, juoksupyörät käytetään sähkön ja korvataan turbiineja.
Vuonna 1869 insinööri Aristide Bergès käytti sitä kaksisataa metriä putoamalla Lanceyssä kääntääkseen silppurit ja raastamalla puuta paperimassan valmistamiseksi. Hän puhui " valkoisen hiilen " in 1878 in Grenoble , sitten Lyonissa messuilla 1887 ja on Universal näyttely Pariisissa vuonna 1889 .
Vuodesta 1900 , teknistä kehitystä Sveitsin vesivoiman antoi aihetta voimakkaalle osakemarkkinoiden spekulaatiota vesivoiman yrityksiä , jotka hyötyivät teollisuuden laitoksista Alpeilla .
Vuonna 1920 , joka on nopea laajeneminen sähkön näki päivänvalon Ranskassa, jossa kahdeksan-kertainen hydraulinen sähköntuotannon ansiosta ensimmäinen patoja.
Vuonna 1925 Grenoble järjesti kansainvälisen valkoisen hiilen näyttelyn .
Vesivoimalla on kolme päämuotoa:
Painovoimalaitokset ovat sellaisia, jotka hyödyntävät potentiaalista energiaa, joka liittyy säiliön ja voimalaitoksen väliseen tasoeroon. Voimalaitokset voidaan luokitella kolmen tyyppisen toiminnan mukaan, mikä määrittää erilaisen palvelun sähköjärjestelmälle. Tämä luokitus tehdään tyhjentämisvakion mukaan, joka vastaa teoreettista aikaa, joka olisi välttämätön varauksen tyhjentämiseksi turbinoimalla maksimiteholla.
Luokittelu toiminnan tyypin mukaanEristämme näin:
Joki-ajovoimaloilla, jotka on asennettu lähinnä matalille alueille, on alhaiset säiliöt näistä syistä. He käyttävät joen virtausta sellaisenaan ilman merkittävää kapasiteettia varastoinnin mukauttamiseen. Ne tarjoavat erittäin halpaa perusenergiaa. Ne ovat tyypillisiä suurten jokien, kuten Rhône ja Rein, kehitykselle .
"Lukittuilla" voimalaitoksilla on suurempia järviä, joten niitä voidaan moduloida päivällä tai jopa viikolla. Niiden hallinta antaa mahdollisuuden seurata kulutuksen vaihtelua näillä aikavälillä (kulutushuiput aamulla ja illalla, ero työpäivien ja viikonloppujen välillä jne. ). Ne ovat tyypillisiä keskvuorilla suoritettaville asennuksille.
"Keskijärvet" vastaavat rakenteita, joissa on tärkeimmät säiliöt. Ne mahdollistavat veden kausittaisen varastoinnin ja tuotannon mukauttamisen sähkökuormituksen huippujen läpäisemiseksi: kesä niissä maissa, joissa kulutuksen huippu määräytyy ilmastointilaitteen avulla, talvi niissä maissa, joissa se määritetään lämmitys. Nämä voimalaitokset ovat tyypillisiä keski- ja korkeille vuorille toteutettaville asennuksille.
Kaksi viimeistä järvityyppiä mahdollistavat vedenpidätyksellä tietyn energian varastoinnin ( potentiaalinen pudotusenergia ), mikä mahdollistaa ainakin osittain sähkön tuotannon tasaamisen.
Luokittelu täytetyypin mukaanVoimalaitokset on myös mahdollista luokitella niiden säiliön täyttöominaisuuksien mukaan, mikä määrää niistä sähköisen käytön, joka niistä voidaan tehdä.
Esimerkiksi tiettyjen säiliöiden täyttäminen voidaan tilastollisesti saada viikoittain, kausittain, vuosittain tai jopa monivuotisesti, jos kyseessä on hyvin suuri vesistö, kuten Caniapiscau-säiliö , joka on luotu osana James Bay -hanketta . , Quebecissä . On selvää, että täyttönopeudella on suora vaikutus käytön joustavuuteen.
Luokittelu putoamiskorkeuden mukaanLopuksi voimme luokitella rakenteet niiden putoamiskorkeuden eli täyden säiliön teoreettisen peilin ja turbiinin korkeuseron mukaan. Tämä pudotuskorkeus määrittää käytettyjen turbiinien tyypit.
Eristämme näin:
Näiden kolmen luokitustyypin välillä ei ole tiukkaa vastaavuutta, mutta vahva korrelaatio:
Vesivoimalaitoksen tuotanto riippuu sitä syöttävien jokien panoksesta, joka vaihtelee vuodenaikojen ja vuoden mukaan sademäärän mukaan. Brasilian vesivoiman tuotanto laski 16% vuosien 2011 ja 2015 välillä useiden vuosien kuivuuden vuoksi huolimatta useiden uusien patojen käyttöönotosta. Espanjassa havaitaan vielä äärimmäisempiä vaihteluita: + 56,1% vuonna 2010, -27,7% vuonna 2011, -26,6% vuonna 2012, + 69,9% vuonna 2013; -47,1% vuonna 2017 ja + 74,4% vuonna 2018.
Järvivoimalaitosten säiliöt ovat varastointiväline, joka voi kompensoida sateiden kausiluonteisuutta ja kysyntää. Niillä on harvoin riittävästi volyymia kompensoimaan vuosittaiset vaihtelut.
Pumpattavat energiansiirtoasemat sisältävät luonnollisesta virtauksesta tuotetun energian lisäksi pumppaustavan, jonka avulla muuntyyppisten voimalaitosten tuottama energia voidaan varastoida, kun kulutus on pienempi kuin tuotanto, esimerkiksi yöllä. se turbiinitilassa kulutushuippujen aikana.
Näillä laitoksilla on kaksi allasta, ylempi säiliö ja ala-allas, joiden väliin on sijoitettu käännettävä vesivoimakone : hydraulinen osa voi toimia sekä pumpussa , turbiinissa että sähköosassa sekä moottorissa että vaihtovirtageneraattorissa ( koneen synkroninen ). Kertymätilassa kone käyttää verkon käytettävissä olevaa voimaa veden nostamiseen altaasta ylempään altaaseen ja tuotantotilassa kone muuntaa veden painovoimapotentiaalin sähköksi.
Tehokkuus (kulutetun sähkön ja tuotetun sähkön välinen suhde) on luokkaa 82%.
Tämän tyyppinen laitos on taloudellisen edun mukaista, kun tuotannon rajakustannukset vaihtelevat merkittävästi tietyn ajanjakson aikana (päivä, viikko, kausi, vuosi jne. ). Ne mahdollistavat painovoiman varastoinnin aikoina, jolloin nämä kustannukset ovat pienet, saada se saataville korkeina aikoina.
Tämä koskee esimerkiksi jos on merkittäviä toistuvia kysynnän vaihteluun (kesä- ja talvi, päivä tai yö, jne ), ”kohtalokas” tuotannot suuria määriä, jotka muuten menetettäisiin ( tuulienergian ) tai matalan moduloitava perusenergiantuotanto (hiili, jokiradan hydrauliikka).
Vuorovesivoimala on vesivoimala, joka käyttää vuorovesien energiaa sähkön tuottamiseen. Rance vuorovesi voimalaitos, käyttöön vuonna 1966, kompensoimaan alhainen sähkön tuotantoon Bretagne, on esimerkki tästä.
AalloistaJapanin kiinnostui ensin resurssi turvota 1945, jonka jälkeen Norja ja Yhdistynyt kuningaskunta .
Kuukauden alussaElokuu 1995, Ocean Swell Powered Renewable Energy ( OSPREY), ensimmäinen aaltoenergiaa käyttävä voimala, sijaitsee Skotlannin pohjoisosassa . Periaate on seuraava: aallot pääsevät eräänlaiseen upotettuun laatikkoon, joka avautuu pohjassa, työntää ilmaa turbiiniin, jotka käyttävät generaattoreita, jotka tuottavat sähköä. Jälkimmäinen lähetetään sitten merikaapelilla noin 300 metrin päässä sijaitsevalle rannikolle. Voimalaitoksen teho oli 2 MW , valitettavasti tämä aaltojen vaurioittama työ tuhoutui hirmumyrsky Felixin pyrstössä vuonna 2007. Sen luojat eivät lannistu, ja uusi, halvempi ja tehokkaampi kone on tällä hetkellä tarkennus . Sen pitäisi mahdollistaa sähkön toimittaminen pienille saarille, joilla sitä ei ole, ja toimittaa meriveden suolanpoistolaitos .
MerivirroistaBrittiläisen Marine Current Turbines (in) -hankkeen tarkoituksena on toteuttaa turbiineja, jotka käyttävät veneen potkurin kaltaisia merivirtauksia sähkön tuottamiseen.
Vettä, joka on lähde vesivoiman on tallennettavissa: sähkön tuotannossa voidaan näin ollen varastoida aikana pois piikkiä tuntia voidaan käyttää ruuhka-aikoina , eli kun kysyntä on suurinta on verkkoon. Yleiseen sähkönjakeluverkkoon; se voidaan myös varastoida viikonloppuisin, jotta se voidaan turbinoida viikon aikana, tai jopa varastoida keväällä lumen sulamisen aikana talvella turbiinoitavaksi. Vesivoiman tuotantoa rajoittaa virtaus ja käytettävissä olevat vesivarannot; nämä varannot riippuvat ilmastosta , säiliöiden ylävirtaan tehdystä pumppauksesta (esimerkiksi kasteluun ) ja vesisäiliöiden koosta (padot).
Maailman vesivoimakapasiteetti saavutti 1330 GW vuoden 2020 lopussa, kasvua oli 1,6%, ja vesivoiman tuotannon arvioitiin olevan 4370 TWh , kasvua 1,5%. Uudet kapasiteetin lisäykset saavuttivat 21 GW vuonna 2020, kun vastaava luku oli 15,6 GW vuonna 2018. Lähes kaksi kolmasosaa näistä lisäyksistä tehtiin Kiinassa: 13,8 GW ; Uusien kapasiteettien asentaneista maista vain Turkki ylitti megawatin: 2,5 GW . Kiina hallitsee suurimmaksi osaksi maiden sijoitusta kapasiteetin mukaan 370,2 GW eli 27,8% maailman kokonaiskapasiteetista, jota seuraa Brasilia (109,3 GW ). Pumppausvarastoon kasveja on yhteensä 160 GW kapasiteetista ja 9000 GWh tallennuskapasiteettia. Uudet asennukset vuonna 2020 saavuttivat 1,5 GW, mukaan lukien Kiinassa 1,2 GW .
Vuonna 2019 uudet kapasiteetin lisäykset olivat 15,6 GW , kun ne vuonna 2018 olivat 21,8 GW . Suurimmat kapasiteetit ovat Brasilia: 4,92 GW , Kiina: 4,17 GW ja Laos: 1,89 GW .
BP arvioi vesivoiman osuuden globaalista sähköntuotannosta vuonna 2019 15,6%. Sen tuotanto kasvoi 0,8% vuonna 2019 ja 22,5% vuodesta 2009.
Mukaan The World Factbook , hydrauliikka edusti 18,7% maailman sähköteho vuonna 2012 ja 10,7% Euroopassa vuonna 2011.
Vesivoiman osuus tuotannossa on pienempi kuin sen osuus asennetusta kapasiteetista: 15,9% maailman sähköntuotannosta vuonna 2017 (20,9% vuonna 1973), mutta sillä on erityisen tärkeä rooli sähkön tuotannon ja kulutuksen välisen hetkellisen tasapainon varmistamisessa; Itse asiassa vesivoima on joustavuutensa ansiosta (mobilisoitavissa muutamassa minuutissa) välttämätön säätömuuttuja, koska sähköenergiaa on hyvin vaikea varastoida suurina määrinä.
Alue |
Kokonaisteho vuoden 2020 lopussa ( GW ) |
josta GW pumpasi varastointia |
Vuoden 2020 GW-lisäykset |
Tuotanto 2020 ( TWh ) |
Osa 2020 |
Afrikka | 38.2 | 3.4 | 0,94 | 139,5 | 3,2% |
Etelä- ja Keski-Aasia | 154.4 | 7.8 | 1.61 | 498 | 11,4% |
Itä-Aasia ja Tyynenmeren alue | 501,5 | 69.5 | 14.47 | 1643 | 37,6% |
Euroopassa | 254.5 | 54,9 | 3.03 | 674 | 15,4% |
Pohjois- ja Keski-Amerikka | 204.8 | 23.0 | 0.53 | 724 | 16,6% |
Etelä-Amerikka | 176,8 | 1.0 | 0,48 | 690 | 15,8% |
Maailman | 1330.1 | 159,5 | 21 | 4,370 | 100% |
Tärkeimmät tuottajamaat | |||||
Kiina | 370,2 | 31.5 | 13.76 | 1,355 | 31,0% |
Brasilia | 109,3 | 0,03 | 0,21 | 409,5 | 9,4% |
Kanada | 82,0 | 0,2 | 0,27 | 383 | 8,8% |
Yhdysvallat | 102,0 | 22.9 | 0,02 | 291 | 6,7% |
Venäjä | 49.9 | 1.4 | 0,38 | 196 | 4,5% |
Intia | 50.5 | 4.8 | 0,48 | 155 | 3,5% |
Norja | 33,0 | 1.4 | 0,32 | 141.7 | 3,2% |
Japani | 50,0 | 27.6 | 0.11 | 89.2 | 2,0% |
Turkki | 31,0 | - | 2.48 | 77.4 | 1,8% |
Venezuela | 15.4 | - | - | 72,0 | 1,6% |
Ruotsi | 16.5 | 0,1 | - | 71.6 | 1,6% |
Ranska | 25.5 | 5.8 | - | 64,8 | 1,5% |
Vietnam | 17.1 | - | 0,08 | 52,0 | 1,2% |
Paraguay | 8.8 | - | - | 49.3 | 1,1% |
Italia | 22.6 | 7.7 | - | 47.7 | 1,1% |
Kolumbia | 11.9 | - | 0,02 | 45.8 | 1,0% |
Itävalta | 14.6 | 5.6 | - | 42.5 | 1,0% |
sveitsiläinen | 16.9 | 3.0 | - | 40.6 | 0,9% |
Tietolähde: Kansainvälinen vesivoimayhdistys. |
Pumpattavien varastovoimalaitosten kapasiteetti oli 159 494 MW , mukaan lukien 31 490 MW Kiinassa (19,7%), 27 637 MW Japanissa (17,3%) ja 22 855 MW Yhdysvalloissa (14,3%); näiden kolmen maan osuus maailman kokonaismäärästä on 51,3%.
Suurimmat vesivoiman tuottajat vuonna 2017 olivat Kiina (28,3%), Kanada (9,4%), Brasilia (8,8%) ja Yhdysvallat (7,7%). Tämän uusiutuvan energian osuus kansallisessa sähköntuotannossa on kuitenkin hyvin vaihteleva, ja viisi maata erottuu osuudella 95,7% Norjassa, 62,9% Brasiliassa, 59,6% Kanadassa, 44,8% Vietnamissa ja 39,7% Ruotsissa.
Huolimatta yleisesti korkeista toteutuskustannuksista, ylläpitokustannukset ovat kohtuulliset, tilat on suunniteltu kestämään pitkään, polttoainekustannuksia ei ole ja vesienergia on uusiutuvaa, jos sitä hoidetaan asianmukaisesti. KWh: n hinta vaihtelee huomattavasti suoritetun asennuksen ominaisuuksista riippuen; suurten jokien jättiläismäisten patojen määrä voi olla erittäin alhainen, mikä houkuttelee sähköintensiivistä teollisuutta, kuten alumiinia mutta korkeat kustannukset tuottavat laitokset voivat olla erittäin kannattavia, koska ne toimivat joustavasti ja kykenevät säätelemään kokonaistuotantoa.
Vesivoimaa pidetään uusiutuvana energiana, toisin kuin öljy tai maakaasu .
Jotkut tutkimukset herättävät epäilyksiä vesivoimajärjestelmien kasvihuonekaasupäästöistä. Bakteriologinen aktiivisuus patojen vedessä, erityisesti trooppisilla alueilla, vapauttaisi suuria määriä metaania (kaasu, jolla on kasvihuoneilmiö 20 kertaa voimakkaampi kuin CO 2). Patohankkeissa vesivoiman tuotanto täydentää usein muita tarkoituksia, kuten tulvien ja niiden seurausten torjunta, vesiväylän navigoitavuuden parantaminen, vesihuolto kanaviin, vesivarastojen muodostuminen kasteluun, matkailu. ..
Siitä lähtien, kun Kiinassa vuonna 2014 perustettiin Kolmen rotkon pato Yangzi- joelle , maa on ollut johtava vesivoiman tuotannossa Aasiassa, mutta myös Afrikassa ja Etelä-Amerikassa. Tällaisten rakenteiden taloudellisten kysymysten sekä ilmaston lämpenemisen torjunnan havaitaan olevan etusijalla muihin ekologisiin kysymyksiin nähden.
Ympäristövaikutukset vaihtelevat tyyppi ja koko rakenteen käyttöön: ne ovat pieniä, kun se tulee käyttää luonnonmukaisia vesiputouksia, merivirrat, aallot, mutta ne ovat erittäin tärkeää, jos kyseessä on hyödyntää luonnon vesiputouksia, merivirrat, Kyse on patojen ja keinotekoisten vesisäiliöiden luomisesta. Jälkimmäisessä tapauksessa kritisoidaan yleensä maatalousmaiden ja kylien katoamista (mikä johtaa väestön siirtymiseen) sekä eläimistön (ei vain vesieliöiden) ja yleisesti koko ympäröivän ekosysteemin häiriöitä.
Joitakin merkittäviä esimerkkejä merkittävistä ympäristövaikutuksista ovat:
Vesivarastojen, kuten deltojen romahtamisen, maanjäristysten ja katastrofien seuraukset voivat johtua itse rakenteiden rakentamisesta. Niinpä vuonna 2018 rakennettu Mekongin sivujokeen Pian-joelle rakennettu pato, joka rakennettiin, kuten monet Laosin padot , ilman todellista vaikutustutkimusta, jätti 6600 ihmistä asunnottomaksi ja teki yli sadan uhrin. Katastrofi vaikutti Mekong-joen vesiin , joka nieli 17 kylää Kambodžassa .