Vesivoima


Vesivoima tarkoittaa veden liikkeen muuntamista ihmiselle hyödyllisempään muotoon. Ensisijaisesti vesivoimalla tarkoitetaan kuitenkin nykykielessä sähköntuotantomuotoa, joka hyödyntää veden potentiaalienergiaa. Vesivoima on toiseksi vanhin tunnettu energiatuotantomuoto heti tulen jälkeen. Virtaavalla vedellä koskissa ja putouksissa on potentiaalienergiaa, joka muuttuu liike-energiaksi, kun se hyödynnetään vesipyörillä ja vesirattailla. Vesirattaita ja vesipyöriä on käytetty jo tuhansien vuosien ajan apuna mekaanisen työn teossa esimerkiksi maanviljelyssä, myllyissä ja puusahoissa. Aurinko haihduttaa vettä meristä ja muista vesistöistä pilviksi, jotka sitten satavat maahan kerääntyen sisävesistöihin merenpinnan yläpuolelle. Vesiturbiini, jolla virtaavan veden liike-energiaa saadaan muunnettua akselin ja sähkövirtaa synnyttävän generaattorin pyörimisenergiaksi, keksittiin 1800-luvulla. Vesiturbiini on vesivoimalaitoksen pääkomponentti generaattorin kanssa.

Vesiturbiini

Vesiturbiinissa virtaavan veden liike-energiaa muunnetaan pyörimisenergiaksi, joka pyörittää turbiinin akselia ja sitä kautta generaattoria, joka synnyttää sähkövirtaa. Turbiini toimii periaatteessa päinvastoin kuin pumppu. Toimintaperiaatteeltaan vesiturbiini on energiamuunnin. Se muuntaa veden paineeseen sitoutuneen potentiaalienergian pyörimisenergiaksi, kun virtaava vesi ohjataan turbiinin juoksupyörän lapoihin. Tämä aiheuttaa voiman, joka vaikuttaa lapaan tietyn matkan ajan, mistä syntynyt työ luovuttaa energiaa turbiinille.

Vesiturbiinit jaotellaan reaktioturbiineihin ja impulssiturbiineihin. Reaktioturbiinin yksinkertaistettu malli on vesiratas. Kaplan-turbiini on potkurityyppinen reaktioturbiini, joka soveltuu suurille virtaamille ja pienille pudotuskorkeuksille. Kaplan-turbiinin juoksupyörä on potkurin ja aksiaalipumpun juoksupyörän muotoinen. Aiemmin turbiinien rakenteessa generaattori sijaitsi vesikanavan yllä niin, että turbiinin lavat roikkuivat akselin varassa alhaalla. Nykyaikaisemmissa putkiturbiineissa sekä turbiini että generaattori sijaitsevat vesiputkessa olevassa tilassa. Reaktioturbiineihin kuuluu myös Francis-turbiini, joka soveltuu keskisuurille putouskorkeuksille. Näiden turbiinien juoksupyörä muistuttaa keskipakopumpun juoksupyörää.

Impulssiturbiineihin kuuluu esimerkiksi Pelton-turbiini, joka soveltuu pienille virtaamille ja suurille putouskorkeuksille. Nämä tunnetaan myös ylivirtausturbiineina. Vesivirta tulee suurella nopeudella tangentin suuntaisesti turbiinin kehällä oleviin lusikan muotoisiin kuppeihin.

Historia

Vesirattaan käyttämisen aikakautta ennen höyrykoneen käytön yleistymistä kutsutaan esiteolliseksi aikakaudeksi. Euroopan teollisuuden kehittymiselle muuta maailmaa nopeammin pidetään yhtenä selityksenä suurta jokien määrää ja sen mahdollistamaa vesivoiman saatavuutta. Vesivoimaa käytettiin muuan muassa viljan jauhamiseen jo antiikin ajalla Kaksoisvirtainmaassa, mutta Eurooppa nousi vesivoiman laajan käytön ansiosta todelliseksi maailmanmahdiksi. Vesivoimaa käytetiin hyvin laaja-alaisesti kaikkeen mahdolliseen hyötykäyttöön. Sitä käytettiin muun muassa leipomoiden uuneja kuumentavien palkeiden liikuttamiseen ja metallin valssaamiseen. Sotilaiden varustelussa vesivoimalla oli suuri merkitys huovan valmistuksen vaativan prässäys- ja puristusvoiman mahdollistajana. Myös esimerkiksi tykinputket porattiin vesivoiman avulla vielä Napoleonin sotien aikaan.

Vaikutuksen ympäristöön

Vesivoiman tuottaman energian varastoiminen ja energian kulutushuippujen tasaaminen onnistuvat helposti tekojärvien ansiosta. Tekojärviin varastoidun veden potentiaalienergiaa voidaan hyödyntää vesivoimalassa kulutushuippujen aikana. Vesivoimaloiden hyötysuhde on hyvä ja huoltokustannukset alahaiset. Vesivoiman tuotantoa on helppo säätää kulutushuippujen ajaksi, joten sitä käytetään erityisesti säätövoiman tuotannossa. Vesivoimalat eroavat näin merkittävästi esimerkiksi ydinvoimaloista, jotka tuottavat parhaimmillaan jatkuvaa täyttä tehoa. Vesivoimaloiden tekoaltaiden säätelyvoimalla voi korvata hiilivoimaloita säätelytehon tuottajina.

Vaikutuksen ympäristöön

 

Vesivoimaloita varten padotaan usein suuria määriä vettä tekojärviksi, jolloin suuren vesimäärän avulla saadaan keskitettyä paljon energiaa hydrostaattiseksi paineeksi, mikä lisää vesivoimaloiden tehoja ja hyötysuhdetta. Tekojärvien patoaminen peittää suuria maa-alueita, mikä voi aiheuttaa esimerkiksi väestönsiirtoja alueelta. Lisäksi tekojärviin liukenee niiden peittämän maaperän saasteita. Altaisiin kertyy muun muassa raskasmetalleja ja muita saasteita, joten tekoaltaissa ei voi toteuttaa normaalia kalojen kasvatusta. Patojen vaatimien tekoaltaiden alle voi jäädä myös arvokkaita viljelysmaita, mikä on ollut ongelmana varsinkin Kiinaan rakennettujen patojen tilanteessa.

Vesivoima ei tuota välittömästi lainkaan päästöjä, joten sen tuottaminen on lähes päästötöntä. Patoaltaissa pysyvän veden alla olevan kasvimateriaalin hajoaminen hapettomassa ympäristössä vapauttaa kuitenkin ilmakehään hiilidioksidia ja metaania. Todellisia päästöjä ei kuitenkaan koskaan ole mitattu.