Υδροστρόβιλοι και Υδροηλεκτρικά Έργα

Αρχές Αξιοποίησης της Υδραυλικής Ενέργειας και Υδρολογικός Κύκλος

• Ορισμός και Ρόλος των Υδροστροβίλων:

  • Οι υδροστρόβιλοι είναι κινητήριες υδραυλικές μηχανές που μετατρέπουν την ενέργεια του νερού σε μηχανική ενέργεια, η οποία εκδηλώνεται ως κινητήρια ροπή στην περιστρεφόμενη άτρακτο της πτερωτής.

  • Το εργαζόμενο μέσο είναι το νερό, το οποίο διαθέτει δυνητική (γεωδαιτική) ενέργεια λόγω της υψομετρικής του διαφοράς σε σχέση με την επιφάνεια της θάλασσας, ως άμεσο αποτέλεσμα του φυσικού υδρολογικού κύκλου.

• Φυσικός Μηχανισμός του Υδρολογικού Κύκλου:

  • Μέρος του νερού από τις κατακρημνίσεις (βροχοπτώσεις) και το λιώσιμο των χιονιών οδηγείται στις κοίτες των ποταμών μιας υδρολογικής λεκάνης.

  • Το νερό ρέει φυσικά προς χαμηλότερες στάθμες μέχρι να καταλήξει στη θάλασσα.

  • Κατά τη φυσική αυτή ροή, η δυνητική ενέργεια του νερού εκτονώνεται ανεξέλεγκτα και υποβαθμίζεται σε θερμική ενέργεια εξαιτίας απωλειών εσωτερικής και εξωτερικής τριβής, τυρβώδους ροής, καθώς και του έργου που καταναλώνεται για τη μεταφορά φερτών υλικών και ιζημάτων.

• Θεμελιώδης Αρχή Μετατροπής Ενέργειας:

  • Όταν το νερό μιας φυσικής ροής δεσμεύεται σε μια αρχική ανάντη στάθμη $z_E$ και διοχετεύεται ελεγχόμενα προς μια χαμηλότερη κατάντη στάθμη $z_A$ διερχόμενο μέσα από έναν υδροστρόβιλο, καθίσταται δυνατή η ανάκτηση της διαθέσιμης ενέργειας ανά μονάδα μάζας:     $e = g \cdot (z_E - z_A)$

  • Η ενέργεια αυτή μετατρέπεται σε ωφέλιμο μηχανικό έργο στον άξονα του στροβίλου.

  • Ο άξονας του υδροστροβίλου συνδέεται μηχανικά (απευθείας ή μέσω κιβωτίου) με τον άξονα μιας σύγχρονης ηλεκτρογεννήτριας, η οποία μετατρέπει τη μηχανική ισχύ σε ηλεκτρική ενέργεια για τροφοδοσία του ηλεκτρικού δικτύου.

• Έννοια και Παράγοντες της Υδατόπτωσης:

  • Η δέσμευση της υδραυλικής ενέργειας επιτυγχάνεται μέσω της δημιουργίας υδατόπτωσης, η οποία προκύπτει είτε με τεχνητή υπερύψωση της στάθμης του νερού εντός της κοίτης (κατασκευή φράγματος), είτε με παροχέτευση του νερού εκτός της φυσικής κοίτης μέσω κλειστού αγωγού ή διώρυγας, είτε με συνδυασμό και των δύο μεθόδων.

  • Η υδατόπτωση καθορίζεται από δύο πρωταρχικούς παράγοντες:

  • Την παροχή όγκου του νερού ($Q$, εκφρασμένη σε $\text{m}^3/\text{s}$).

  • Το διαθέσιμο ύψος πτώσης ($H$, gross head, εκφρασμένο σε $\text{m}$).

  • Και οι δύο παράγοντες εξαρτώνται από τις κλιματολογικές συνθήκες, τη γεωλογική σύσταση, τη γεωμορφολογία και το ποσοστό δάσωσης/φύτευσης της λεκάνης απορροής.

  • Στα φυσικά υδατορεύματα, η παροχή όγκου ($Q$) υπόκειται σε πολύ μεγαλύτερες εποχιακές και τυχαίες αυξομειώσεις σε σύγκριση με το γεωμετρικό ύψος πτώσης ($H$).

Βασικά Στοιχεία και Διάρθρωση Υδροηλεκτρικών Έργων

• Γενική Συγκρότηση Υδροηλεκτρικού Έργου:

  • Ένα πλήρες υδροηλεκτρικό έργο απαρτίζεται από δύο ευρείες κατηγορίες εγκαταστάσεων:

  • Έργα αποθήκευσης και διαχείρισης νερού.

  • Έργα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

• Συνιστώσες των Έργων Αποθήκευσης και Συγκράτησης Νερού:

  • Φράγμα: Τεχνικό έργο ανακοπής της ροής για τη δημιουργία τεχνητού ταμιευτήρα.

  • Αγωγός ή Σήραγγα Εκτροπής: Χρησιμοποιείται για την παράκαμψη της κοίτης κατά τη φάση κατασκευής.

  • Υπερχειλιστές (Κύριοι και Δευτερεύοντες): Υδραυλικές κατασκευές ασφαλείας με ή χωρίς κινητά θυροφράγματα για την ελεγχόμενη εκτόνωση πλημμυρικών παροχών.

  • Αγωγοί Εκκένωσης (Εκκενωτές Πυθμένα): Διατάξεις για την ελεγχόμενη ταπείνωση της στάθμης ή πλήρη κένωση του ταμιευτήρα σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης ή συντήρησης.

  • Βοηθητικά Έργα:

  • Προφράγματα (coffer dams) για την προσωρινή απομόνωση του εργοταξίου.

  • Δίκτυο οδών προσπέλασης και βαρέων μεταφορών.

  • Συστήματα αποστράγγισης του σώματος του φράγματος και των πρανών.

  • Τεχνικά έργα στεγανοποίησης και προστασίας από διαρροές (διαφράγματα, τσιμεντενέσεις).

• Συνιστώσες των Έργων Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας:

  • Υδροληψία (Intake): Ειδικά διαμορφωμένο στόμιο εισόδου εξοπλισμένο με εσχάρες καθαρισμού και θυροφράγματα αποκοπής.

  • Σύστημα Προσαγωγής: Σήραγγες υπό πίεση και χαλύβδινοι αγωγοί πτώσης (penstocks) που οδηγούν το νερό στους στροβίλους.

  • Συστήματα Προστασίας από Υδραυλικό Πλήγμα: Πύργοι εκτόνωσης (surge tanks) ή βαλβίδες ανακούφισης.

  • Υδροηλεκτρικός Σταθμός (ΥΗΣ): Το κτιριακό συγκρότημα (υπέργειο ή υπόγειο) που στεγάζει τους υδροστρόβιλους, τα συστήματα ελέγχου και στραγγαλισμού, τις γεννήτριες και τους αυτοματισμούς.

  • Αγωγοί Απαγωγής (Tailrace): Διώρυγες ή σήραγγες φυγής που επιστρέφουν το νερό στη φυσική κοίτη.

  • Υποσταθμός Ανύψωσης Τάσης: Μετασχηματιστές ισχύος και διακοπτικό υλικό (ασφαλειοαποζεύκτες, διακόπτες ισχύος).

  • Γραμμές Μεταφοράς Υψηλής Τάσης: Πυλώνες και αγωγοί διασύνδεσης με το κεντρικό σύστημα μεταφοράς.

• Κατανομή Κόστους και Επιλογή Χωροθέτησης ΥΗΣ:

  • Η επιλογή μεταξύ υπέργειου ή υπόγειου υδροηλεκτρικού σταθμού καθορίζεται κυρίως από τη συμπεριφορά των στροβίλων έναντι του κινδύνου σπηλαίωσης (cavitation) και από τη γεωτεχνική/μορφολογική δομή του υπεδάφους.

  • Στα μεγάλα υδροηλεκτρικά έργα, η τυπική κατανομή του επενδυτικού κόστους διαμορφώνεται ως εξής:

  • Έργα πολιτικού μηχανικού: $50\% - 60\%$

  • Ηλεκτρομηχανολογικός εξοπλισμός: $30\% - 40\%$

  • Μελέτες, επιβλέψεις και γεωτεχνικές έρευνες: $10\%$

Ταξινόμηση και Τυπολογία Υδροηλεκτρικών Εγκαταστάσεων

• Ταξινόμηση βάσει Τρόπου Διαχείρισης Ροής:

  • Εγκαταστάσεις Υπερυψώσεως (Impoundment Dam): Περιλαμβάνουν φράγμα μεγάλου ύψους που δημιουργεί εκτεταμένο ταμιευτήρα. Επιτρέπουν τη συνεχή ρύθμιση της παροχής και την αποθήκευση ενέργειας σε εποχιακή ή ετήσια βάση.

  • Παράδειγμα: Φράγμα Hoover (Η.Π.Α.) στον ποταμό Colorado (στα σύνορα Αριζόνα και Νεβάδα). Πρόκειται για τοξωτό φράγμα βαρύτητας, του οποίου η κατασκευή διήρκεσε από το 1931 έως το 1936, με επίσημα εγκαίνια στις 30 Σεπτεμβρίου 1935.

  • Εγκαταστάσεις Παροχετεύσεως (Diversion ή Run-of-River): Εγκαταστάσεις όπου η φυσική ρύθμιση της ροής είναι πρακτικά αμελητέα καθώς δεν διαθέτουν σημαντικό ταμιευτήρα. Το νερό εκτρέπεται στιγμιαία από τον ποταμό και οδηγείται στους στροβίλους.

  • Μικτή Μορφή Έργων: Συνδυασμός φράγματος μερικής υπερύψωσης με μακρύ αγωγό παράκαμψης για εκμετάλλευση πρόσθετης φυσικής κλίσης της κοίτης.

• Τυπική Διάταξη Μικρού Υδροηλεκτρικού Έργου (ΜΥΗΕ):

  • Απαγωγή τμήματος της φυσικής ροής μέσω έργου επιφανειακής υδροληψίας στην κοίτη.

  • Εκτροπή του νερού μέσω διώρυγας ή αγωγού προσαγωγής χαμηλής κλίσης και προσωρινή συγκέντρωση σε ανοικτή δεξαμενή φόρτισης (forebay).

  • Δημιουργία τεχνητής υψομετρικής διαφοράς και οδήγηση του νερού υπό πίεση μέσω κεκλιμένου αγωγού πτώσης (penstock) στον σταθμό παραγωγής.

  • Επιστροφή του νερού στην κοίτη μέσω διώρυγας απαγωγής.

  • Νομοθετικό Πλαίσιο: Σύμφωνα με το ισχύον καθεστώς, ως Μικρό Υδροηλεκτρικό Έργο (ΜΥΗΕ) ορίζεται κάθε εγκατάσταση με εγκατεστημένη ισχύ έως $15\,\text{MW}$, ανεξάρτητα από την παρουσία ή μη ταμιευτήρα/φράγματος.

• Ταξινόμηση βάσει Γεωμετρικού Ύψους Πτώσης ($H$):

  • Εγκαταστάσεις Μικρού Ύψους Πτώσης (Low-Head): Ύψος πτώσης μικρότερο από $20\,\text{m} - 30\,\text{m}$.

  • Εγκαταστάσεις Μέσου Ύψους Πτώσης (Medium-Head): Ύψος πτώσης από $20\,\text{m} - 30\,\text{m}$ έως $180\,\text{m} - 200\,\text{m}$.

  • Εγκαταστάσεις Μεγάλου Ύψους Πτώσης (High-Head): Ύψος πτώσης μεγαλύτερο από $180\,\text{m} - 200\,\text{m}$.

• Ταξινόμηση βάσει Ενεργειακού Ρόλου και Λειτουργίας:

  • Μονάδες Βάσης: Λειτουργούν σχεδόν αδιάλειπτα καθ' όλη τη διάρκεια του έτους καλύπτοντας το σταθερό ενεργειακό φορτίο του συστήματος.

  • Μονάδες Αιχμής: Τίθενται σε λειτουργία ταχύτατα για περιορισμένα χρονικά διαστήματα (ώρες αιχμής) ώστε να εξυπηρετήσουν απότομες μεταβολές φορτίου ή ελλείμματα στο ηλεκτρικό δίκτυο.

• Ταξινόμηση βάσει Εγκατεστημένης Ισχύος (Διεθνής Πρακτική):

  • Μεγάλα Έργα: Εγκατεστημένη ισχύς μεγαλύτερη από $10\,\text{MW}$.

  • Μεσαία Έργα: Εγκατεστημένη ισχύς μεταξύ $2\,\text{MW}$ και $10\,\text{MW}$.

  • Μικρά Έργα: Εγκατεστημένη ισχύς μεταξύ $0{,}1\,\text{MW}$ και $2\,\text{MW}$.

• Ταξινόμηση βάσει Σκοπιμότητας Έργου:

  • Απλής Σκοπιμότητας: Αποκλειστικός στόχος είναι η ηλεκτροπαραγωγή.

  • Πολλαπλής Σκοπιμότητας: Συνδυασμός ηλεκτροπαραγωγής με ύδρευση αστικών κέντρων, γεωργική άρδευση, αντιπλημμυρική ανάσχεση, ναυσιπλοΐα, αναψυχή, ιχθυοκαλλιέργειες και παροχή ψυκτικού νερού σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς.

Τεχνολογία και Τύποι Φραγμάτων

• Βασικά Κριτήρια Επιλογής Θέσης και Σχεδιασμού Φράγματος:

  • Δυνατότητα σχηματισμού επαρκούς χωρητικότητας ταμιευτήρα με ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση της κατακλυζόμενης επιφάνειας.

  • Ευνοϊκή τοπογραφία στενώματος κοιλάδας για ελαχιστοποίηση του αναγκαίου όγκου του φράγματος (μικρό μήκος στέψης και ύψος).

  • Εξασφάλιση στιβαρής γεωλογικής θεμελίωσης στα πρανή και στον πυθμένα.

  • Επίτευξη του μέγιστου δυνατού ύψους πτώσης με το ελάχιστο μήκος αγωγών προσαγωγής.

  • Συνεκτίμηση σεισμικότητας περιοχής, υδρογεωλογίας, διαθεσιμότητας τοπικών υλικών (αδρανή, άργιλος, βράχος) και περιβαλλοντικών δεσμεύσεων.

• Βασικοί Ορισμοί Γεωμετρίας και Υδρολογίας:

  • Λεκάνη Απορροής (Drainage Basin): Η κλειστή γεωγραφική επιφάνεια από την οποία τα επιφανειακά νερά συγκλίνουν σε μια κοινή διατομή εξόδου.

  • Υδροκρίτης: Η νοητή γραμμή που οριοθετεί το όριο μεταξύ γειτονικών λεκανών απορροής.

  • Αντερείσματα (Abutments): Τα πλευρικά τμήματα των πρανών της κοιλάδας πάνω στα οποία εδράζεται και στηρίζεται το σώμα του φράγματος (διακρίνονται σε αριστερό και δεξιό, κοιτώντας κατάντη κατά τη φορά της ροής).

  • Στέψη: Το ανώτατο οριζόντιο επίπεδο του σώματος του φράγματος.

  • Ύψος Φράγματος: Η κατακόρυφη απόσταση από το χαμηλότερο σημείο της στάθμης θεμελίωσης μέχρι το υψόμετρο της στέψης.

• Δυνάμεις που Ασκούνται στο Φράγμα:

  • Δυνάμεις βαρύτητας (ίδιον βάρος της κατασκευής).

  • Υδροστατική πίεση του νερού ανάντη.

  • Υποπιέσεις (άνωση) στον πυθμένα και στο σώμα του φράγματος.

  • Εσωτερικές τάσεις που αναπτύσσονται και μεταφέρονται προς τα αντερείσματα και τη θεμελίωση.

• Κατηγοριοποίηση Τύπων Φραγμάτων:

  • Άκαμπτα Φράγματα (Σκυροδέματος):

  • Φράγματα Βαρύτητας (Gravity Dams): Συμπαγείς ογκώδεις κατασκευές από συμβατικό σκυρόδεμα, κυλινδρούμενο σκυρόδεμα (RCC - Roller-Compacted Concrete) ή κυλινδρούμενο σκληρό επίχωμα. Η ευστάθεια έναντι ανατροπής και ολίσθησης εξασφαλίζεται αποκλειστικά από το ίδιον βάρος τους.

  • Αντηριδωτά Φράγματα (Buttress Dams): Ειδική παραλλαγή φραγμάτων βαρύτητας με μειωμένο όγκο σκυροδέματος, όπου η ανάντη κεκλιμένη πλάκα υποστηρίζεται κατάντη από κατακόρυφες τριγωνικές αντηρίδες (στηρίγματα).

  • Τοξωτά Φράγματα (Arch Dams): Λεπτές καμπύλες κατασκευές από σκυρόδεμα με κυρτότητα προς τα ανάντη. Εφαρμόζονται σε στενά φαράγγια με ισχυρά βραχώδη αντερείσματα, καθώς το μεγαλύτερο μέρος της υδροστατικής πίεσης μεταφέρεται μέσω θλιπτικών τάσεων (λειτουργία τόξου) στα βραχώδη πρανή.

  • Εύκαμπτα Φράγματα (Γεωφράγματα / Embankment Dams):

  • Ο πιο κοινός τύπος φράγματος παγκοσμίως, συγκρατούμενος στη θέση του από το ίδιον βάρος του υλικού πλήρωσης.

  • Χωμάτινα Φράγματα (Earthfill): Κατασκευάζονται από διαβαθμισμένα εδαφικά υλικά. Διακρίνονται σε ομοιογενή ή διαζωνισμένα με αδιαπέραστο κεντρικό πυρήνα, ή με στεγανωτική ανάντη ασφαλτική μεμβράνη/γεωμεμβράνη.

  • Λιθόρριπτα Φράγματα (Rockfill): Κατασκευάζονται από κερματισμένο βραχώδες υλικό. Η στεγανότητα εξασφαλίζεται είτε με εσωτερικό αργιλικό/ασφαλτικό πυρήνα, είτε με ανάντη πλάκα οπλισμένου σκυροδέματος (CFRD - Concrete-Faced Rockfill Dam).

• Δομή Χωμάτινου Διαζωνισμένου Φράγματος (Zoned Embankment Dam):

  • 1. Πυρήνας: Κεντρική ζώνη από λεπτόκοκκο, αργιλικό υλικό εξαιρετικά χαμηλής διαπερατότητας για την παρεμπόδιση της διήθησης του νερού.

  • 2. Φίλτρα: Μεταβατικές στρώσεις από αμμοχάλικο εκατέρωθεν του πυρήνα, που αποτρέπουν την έκπλυση και μετακίνηση λεπτόκοκκων σωματιδίων από τον πυρήνα.

  • 3. Στραγγιστήριο: Ζώνη από διαβαθμισμένα χαλίκια ή κροκάλες για την ελεγχόμενη συλλογή και απαγωγή τυχόν διαφυγόντων υδάτων.

  • 4. Κελύφη (Σώμα Στήριξης): Εξωτερικές ζώνες ανάντη και κατάντη από αδρόκοκκα υλικά (αμμοχάλικα, κορήματα, λατομικός βράχος) που παρέχουν τη μηχανική μάζα και ευστάθεια του φράγματος.

• Συνοδευτικά Έργα ενός Φράγματος:

  • Υπερχειλιστής (Spillway): Δίοδος ελεγχόμενης ή ελεύθερης εκτόνωσης των πλημμυρικών νερών, σχεδιασμένη να αποτρέπει την υπερπήδηση της στέψης (overtopping), η οποία είναι καταστροφική ιδίως για τα χωμάτινα φράγματα.

  • Σήραγγα Εκτροπής (Diversion Tunnel): Σήραγγα εκτροπής του ποταμού εκτός του εργοταξίου κατά τη διάρκεια κατασκευής των θεμελίων και του κυρίως σώματος.

  • Υδροληψία (Water Intake): Κατασκευή εισόδου του νερού προς τους στροβίλους, χωροθετημένη σε ασφαλές υψόμετρο αρκετά ψηλότερα από τον πόδα του φράγματος για αποφυγή εισρόφησης φερτών υλών.

  • Εκκενωτής Πυθμένα (Bottom Outlet): Χαλύβδινος αγωγός βαρέος τύπου στον πυθμένα με δικλείδες υψηλής πίεσης για την πλήρη εκκένωση του ταμιευτήρα σε περίπτωση επιθεώρησης, επισκευής ή έκτακτης δομικής ανάγκης.

Υδραυλικοί Υπολογισμοί Αγωγών Προσαγωγής και Φαινόμενο Υδραυλικού Πλήγματος

• Χαρακτηριστικά και Υλικά Αγωγών Πτώσης (Penstocks):

  • Ο αγωγός προσαγωγής μεταφέρει το νερό υπό υψηλή πίεση από την υδροληψία ή τον πύργο εκτόνωσης στους στροβίλους.

  • Η διάμετρος προκύπτει από οικονομοτεχνική βελτιστοποίηση: μικρότερη διάμετρος συνεπάγεται μικρότερο κόστος αγοράς και εγκατάστασης, αλλά προκαλεί υψηλότερες ταχύτητες ροής, αυξημένες υδραυλικές απώλειες τριβής και μειωμένη ενεργειακή απόδοση.

  • Σε μεγάλες διαδρομές με πολλούς στροβίλους προτιμάται ενιαίος κύριος αγωγός ή σήραγγα με διακλαδώσεις κοντά στον σταθμό, ενώ σε μικρές αποστάσεις εγκαθίστανται ανεξάρτητοι αγωγοί ανά μονάδα.

• Μηχανικές Ιδιότητες και Όρια Υλικών Αγωγών:

  • Χάλυβας St.37: Μέγιστη επιτρεπόμενη τάση $150\,\text{MPa}$.

  • Χάλυβας St.42: Μέγιστη επιτρεπόμενη τάση $190\,\text{MPa}$.

  • Χάλυβας St.52: Μέγιστη επιτρεπόμενη τάση $206\,\text{MPa}$.

  • Πολυαιθυλένιο (PE): Μέγιστη διάμετρος $\sim 1{,}0\,\text{m}$, μέγιστη πίεση $160\,\text{m}$, μέγιστη τάση $5\,\text{MPa}$.

  • Σύνθετο Υλικό με Ίνες Υάλου (GUP): Μέγιστη διάμετρος $2{,}4\,\text{m}$ για πίεση έως $160\,\text{m}$, μέγιστη πίεση $320\,\text{m}$ για διάμετρο έως $1{,}4\,\text{m}$.

  • Ξύλο (Wood Stave): Μέγιστη διάμετρος $\sim 5\,\text{m}$, μέγιστη πίεση $80\,\text{m}$.

  • Σκυρόδεμα (Concrete): Μέγιστη διάμετρος $\sim 5\,\text{m}$, μέγιστη πίεση $\sim 400\,\text{m}$.

• Υπολογισμός Θερμικής Μεταβολής Μήκους Αγωγού:

  • Η αξονική μεταβολή μήκους $\Delta L$ λόγω διακυμάνσεων της θερμοκρασίας περιβάλλοντος υπολογίζεται από τον τύπο:     $\Delta L = \alpha \cdot \Delta T \cdot L$

  • $\Delta L$: Μεταβολή μήκους σε $\text{m}$.

  • $L$: Αρχικό μήκος αγωγού σε $\text{m}$.

  • $\alpha$: Συντελεστής θερμικής γραμμικής διαστολής του υλικού σε $^{\circ}\text{C}^{-1}$ ή $\text{K}^{-1}$.

  • $\Delta T$: Θερμοκρασιακή μεταβολή σε $^{\circ}\text{C}$ ή $\text{K}$.

• Υπολογισμός Γραμμικών Υδραυλικών Απωλειών (Darcy-Weisbach):

  • Οι απώλειες φορτίου $h_f$ λόγω τριβών κατά μήκος του αγωγού δίνονται από τη σχέση:     $h_f = f \cdot \frac{L}{D} \cdot \frac{c^2}{2g}$

  • $h_f$: Απώλειες ύψους σε $\text{m}$.

  • $f$: Αδιάστατος συντελεστής τριβής (Darcy friction factor).

  • $L$: Μήκος αγωγού σε $\text{m}$.

  • $D$: Εσωτερική διάμετρος αγωγού σε $\text{m}$.

  • $c$: Μέση ταχύτητα ροής νερού σε $\text{m/s}$.

  • $g$: Επιτάχυνση της βαρύτητας ($9{,}81\,\text{m/s}^2$).

  • Ο συντελεστής τριβής $f$ προσδιορίζεται από το διάγραμμα Moody ως συνάρτηση του αριθμού Reynolds ($Re = \frac{c \cdot D}{\nu}$) και της σχετικής τραχύτητας ($\frac{\epsilon}{D}$).

• Ανάλυση και Υπολογισμός Υδραυλικού Πλήγματος (Water Hammer):

  • Το υδραυλικό πλήγμα αποτελεί παροδικό κυματικό φαινόμενο πίεσης που αναπτύσσεται κατά την απότομη μεταβολή της παροχής (ραγδαίο κλείσιμο ή άνοιγμα ρυθμιστικών δικλείδων/στροβίλου).

  • Ο κρίσιμος χρόνος διάδοσης του κύματος πίεσης είναι:     $T_r = \frac{2L}{a}$

  • $a$: Η ταχύτητα διάδοσης του ηχητικού/ελαστικού κύματος στο νερό εντός του αγωγού ($\text{m/s}$).

  • $T_C$: Ο χρόνος κλεισίματος της διάταξης στραγγαλισμού ($\text{s}$).

  • Ταχύ Κλείσιμο ($T_C \ll \frac{2L}{a}$):

  • Εφαρμόζεται η άμεση εξίσωση Joukowsky:       $\Delta h_{wh} = \frac{a \cdot c_{\max}}{g}$

  • Βραδύ Κλείσιμο ($T_C \ge \frac{2L}{a}$):

  • Η ανύψωση πίεσης εκτονώνεται μερικώς λόγω επιστροφής του κύματος εκτόνωσης:       $\Delta h_{wh} = \frac{2L}{a \cdot T_C} \cdot \frac{a \cdot c_{\max}}{g} = \frac{2L \cdot c_{\max}}{g \cdot T_C}$

  • $\Delta h_{wh}$: Η μέγιστη πίεση υδραυλικού πλήγματος εκφρασμένη σε $\text{m}$ στήλης νερού.

• Υπολογισμός Οικονομικά Βέλτιστου Πάχους Αγωγού:

  • Το ελάχιστο αναγκαίο πάχος τοιχώματος $t$ υπολογίζεται από την ισορροπία εφελκυστικών τάσεων:     $t = \frac{p \cdot D_i \cdot C_s}{2 \cdot \sigma_t}$

  • $p$: Η μέγιστη εσωτερική πίεση σχεδιασμού σε $\text{Pa}$, η οποία προκύπτει από το άθροισμα στατικής πίεσης και υπερπίεσης πλήγματος:       $p = \rho \cdot g \cdot (H_{gr} + \Delta h_{wh})$

  • $D_i$: Εσωτερική διάμετρος αγωγού σε $\text{m}$.

  • $\sigma_t$: Επιτρεπόμενη εφελκυστική τάση του υλικού σε $\text{Pa}$.

  • $C_s$: Συντελεστής ασφαλείας.

  • $H_{gr}$: Συνολικό γεωδαιτικό ύψος πτώσης (gross head) σε $\text{m}$.

• Οικονομικά Βέλτιστη Διάμετρος Αγωγού:

  • Το συνολικό κόστος $K_{\text{ολ}}$ ενός αγωγού αποτελείται από το κεφαλαιουχικό κόστος αγοράς/εγκατάστασης ($K_1$) και το λειτουργικό κόστος απωλειών ενέργειας λόγω τριβών ($K_2$).

  • Η βέλτιστη διάμετρος προκύπτει από τη συνθήκη μηδενισμού της παραγώγου:     $\frac{dK_{\text{ολ}}}{dD} = \frac{d(K_1 + K_2)}{dD} = 0$

• Υπολογισμός Δυνάμεων στα Βάθρα Αγκύρωσης (Thrust Blocks):

  • Στις γωνίες καμπής και στα στηρίγματα του αγωγού αναπτύσσονται σημαντικές δυνάμεις που πρέπει να παραληφθούν από βάθρα σκυροδέματος:

  • $F_1, F_2$: Υδροστατικές και υδροδυναμικές δυνάμεις πίεσης εκατέρωθεν της γωνίας καμπής ($\text{N}$).

  • $F_3, F_4$: Δυνάμεις τριβής της ροής ανάντη και κατάντη του στηρίγματος ($\text{N}$).

  • $F$: Συνισταμένη δύναμη του ρευστού επί της βάσης ($\text{N}$).

  • $G$: Ίδιον βάρος του νερού και του αγωγού ($\text{N}$).

  • $R$: Τελική συνισταμένη δύναμη έδρασης ($\mathbf{R} = \mathbf{F} + \mathbf{G}$).

Θυροφράγματα, Βαλβίδες και Ηλεκτρομηχανολογικός Εξοπλισμός

• Λειτουργία Θυροφραγμάτων και Βαλβίδων Αποκοπής:

  • Τοποθετούνται ανάντη και κατάντη των υδροστροβίλων για την ασφαλή απομόνωση του συστήματος κατά την κατασκευή, την επιθεώρηση και τη συντήρηση.

  • Κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας παραγωγής παραμένουν σε πλήρως ανοικτή θέση για αποφυγή στραγγαλισμού και απωλειών.

• Κύριοι Τύποι Θυροφραγμάτων:

  • Ακτινικού Τύπου (Radial / Tainter Gates): Κυλινδρικής μορφής επιφάνεια που εδράζεται σε βραχίονες με κεντρικό πείρο περιστροφής. Χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε υπερχειλιστές (π.χ. Älvkarleby Σουηδίας).

  • Κύλισης (Wheel Gates): Επίπεδα θυροφράγματα εξοπλισμένα με τροχούς κύλισης σε οδηγούς για δραστική μείωση των δυνάμεων ανέλκυσης.

  • Ολίσθησης (Slide Gates): Επίπεδες μεταλλικές πλάκες που ολισθαίνουν απευθείας εντός πλαϊνών εγκοπών (π.χ. Jhimruk Power Plant, Nepal).

  • Τύπου Πτερυγίου (Flap Gates): Αρθρωτά θυροφράγματα που ανακλίνονται γύρω από οριζόντιο άξονα στον πυθμένα.

  • Κυκλικής Διατομής (Circular Gates): Κυκλικές βαλβίδες αποκοπής σε αγωγούς υπό πίεση (π.χ. Jhimruk, Nepal).

  • Ελαστικού Τύπου (Rubber Gates): Φουσκωτοί κύλινδροι από ενισχυμένο καουτσούκ προσαρμοσμένοι στον πυθμένα. Πληρούνται με αέρα ή νερό μέσω ειδικών σωληνώσεων για ανύψωση της στάθμης και ξεφουσκώνουν σε συνθήκες υπερχείλισης.

• Τύποι Βαλβίδων Διακοπής και Ρύθμισης:

  • Σφαιρική Βαλβίδα (Spherical / Ball Valve): Περιλαμβάνει περιστρεφόμενο σφαιρικό στοιχείο με διαμπερή οπή ίση με τη διατομή του αγωγού. Προσφέρει μηδενικές απώλειες τριβής σε πλήρως ανοικτή θέση και χρησιμοποιείται σε εγκαταστάσεις υψηλής πίεσης (υψηλού head).

  • Βαλβίδα Πεταλούδα (Butterfly Valve): Περιστρεφόμενος δίσκος γύρω από εγκάρσιο άξονα. Χρησιμοποιείται ευρέως σε μεσαίες και χαμηλές πιέσεις λόγω μικρού βάρους και συμπαγούς μεγέθους.

  • Κοίλες Βαλβίδες Jet (Hollow-Jet Valves): Ειδικές βαλβίδες εκτόνωσης νερού στην ατμόσφαιρα με μορφή κοίλης δέσμης για απόσβεση ενέργειας.

  • Σύστημα Παράκαμψης (Bypass): Παράλληλος αγωγός μικρής διαμέτρου με δικλείδα που επιτρέπει την προοδευτική πλήρωση του αγωγού κατάντη και την εξισορρόπηση των πιέσεων (άνω και κάτω της κύριας βαλβίδας) πριν από το άνοιγμά της, αποτρέποντας απότομες υδραυλικές καταπονήσεις.

• Συγκρότηση Ηλεκτρομηχανολογικού Εξοπλισμού:

  • Υδροστρόβιλοι: Francis, Pelton, Kaplan ή βολβοειδείς (bulb).

  • Ηλεκτρογεννήτριες: Σύγχρονες γεννήτριες συνδεδεμένες απευθείας στην ίδια άτρακτο με τον στρόβιλο (εκτός πολύ μικρών μονάδων όπου μεσολαβεί πολλαπλασιαστής στροφών/κιβώτιο ταχυτήτων).

  • Μετασχηματιστές Ισχύος: Ανυψώνουν την παραγόμενη τάση στα επίπεδα της υψηλής τάσης του δικτύου μεταφοράς, ελαχιστοποιώντας τις απώλειες Joule.

  • Βοηθητικός Εξοπλισμός: Γερανογέφυρες βαρέος τύπου, συστήματα πεπιεσμένου αέρα και λαδιού για τους σερβομηχανισμούς ρύθμισης, διακόπτες ισχύος και κεντρικοί ηλεκτρονικοί πίνακες αυτοματισμού.

  • Ο αριθμός των μονάδων σε έναν σταθμό είναι συνήθως $\ge 2$ για λόγους ασφάλειας, συντήρησης και ευελιξίας στην παρακολούθηση του προγράμματος φορτίου.

Τεχνολογίες Αποθήκευσης Ενέργειας και Συστήματα Αντλησιοταμίευσης

• Λειτουργική Αρχή της Αντλησιοταμίευσης (Pumped Hydro Storage - PHS):

  • Αποτελείται από δύο ταμιευτήρες νερού εγκατεστημένους σε διαφορετικό γεωδαιτικό υψόμετρο.

  • Λειτουργία Εκφόρτισης (Ώρες Υψηλής Ζήτησης / Αιχμής): Το νερό ρέει βαρυτικά από τον άνω ταμιευτήρα προς τον κάτω μέσω στροβίλων, παράγοντας πολύτιμη ηλεκτρική ενέργεια αιχμής.

  • Λειτουργία Φόρτισης (Ώρες Χαμηλής Ζήτησης / Βάσης): Πλεονάζουσα ηλεκτρική ενέργεια από το δίκτυο (χαμηλού κόστους ή από μη ελεγχόμενες ΑΠΕ) κινεί τις αντλίες (ή τους αναστρέψιμους στροβίλους), μεταφέροντας νερό από τον κάτω στον άνω ταμιευτήρα και αποθηκεύοντας δυνητική ενέργεια.

• Τεχνοοικονομικά Μεγέθη Αντλησιοταμίευσης:

  • Η αντλησιοταμίευση αντιπροσωπεύει το $85\%$ της συνολικής παγκόσμιας εγκατεστημένης δυναμικότητας αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας.

  • Η κλίμακα ισχύος ανά εγκατάσταση κυμαίνεται από $100\,\text{MW}$ (μικρής κλίμακας) έως και $3.000\,\text{MW}$.

  • Στην Ευρώπη, η μέση δυναμικότητα μιας μονάδας είναι περίπου $300\,\text{MW}$.

  • Το κόστος κατασκευής νέων μεγάλων εγκαταστάσεων ανέρχεται κατά προσέγγιση σε $1$ δισεκατομμύριο ευρώ.

• Τεχνικά Χαρακτηριστικά Αναστρέψιμων Μονάδων:

  • Στις σύγχρονες εγκαταστάσεις χρησιμοποιούνται αναστρέψιμες μονάδες αντλίας-στροβίλου (pump-turbines), συνηθέστερα τύπου Francis.

  • Χαρακτηριστικά παραδείγματα βιομηχανικών μονάδων:

  • Αναστρέψιμη μονάδα TOSHIBA: Ισχύς $P = 115{,}8\,\text{MW}$, Ύψος πτώσης $H = 182\,\text{m}$.

  • Μονάδα με στρόβιλο ισχύος $P = 325\,\text{MW}$ σε ύψος $H = 116{,}2\,\text{m}$ και αντλία παροχής $Q = 231\,\text{m}^3/\text{s}$ σε μανομετρικό ύψος $H = 120\,\text{m}$.

• Σύγκριση Τεχνολογιών Αποθήκευσης στο Ηλεκτρικό Δίκτυο:

  • Εποχιακή Αποθήκευση (Ανάγκη μεγάλης χωρητικότητας, αργή εκφόρτιση): Αντλησιοταμίευση νερού, κυψέλες καυσίμου υδρογόνου ($\text{H}_2$), συνθετικό φυσικό αέριο (SNG).

  • Ημερήσια Αποθήκευση (Μεταβαλλόμενη αιχμή ζήτησης, τροφοδοσία επί ώρες): Αντλησιοταμίευση, μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion), μολύβδου-οξέος, οξειδοαναγωγής (flow batteries), νατρίου-θείου (NaS), κυψέλες υδρογόνου, αποθήκευση πεπιεσμένου αέρα (CAES), αποθήκευση θερμότητας.

  • Υπηρεσίες Υποστήριξης Δικτύου (Απόκριση συχνότητας, απόκριση από δευτερόλεπτα έως ώρες): Αντλησιοταμίευση, μπαταρίες όλων των τύπων, υπερπυκνωτές (supercapacitors), σφόνδυλοι αδράνειας (flywheels), υπεραγώγιμη μαγνητική αποθήκευση (SMES).

  • Οικιακές Εφαρμογές (Μικρή κλίμακα, μακρά διάρκεια ζωής): Μπαταρίες Li-ion, μολύβδου-οξέος, οξειδοαναγωγής, κυψέλες υδρογόνου.

  • Οδικές Μεταφορές: Μπαταρίες Li-ion, υπερπυκνωτές, κυψέλες υδρογόνου.

  • Αεροπορία και Ναυτιλία: Υπερπυκνωτές, κυψέλες υδρογόνου.

Ενεργειακοί Υπολογισμοί, Ισχύς και Στάθμες Ταμιευτήρα

• Θεωρητική Ενέργεια και Υδραυλική Ισχύς:

  • Η θεωρητικά διαθέσιμη υδραυλική ισχύς $P_h$ για παροχή όγκου $Q$ και υψομετρική διαφορά $(z_E - z_A)$ ισούται με:     $P_h = \rho \cdot Q \cdot g \cdot (z_E - z_A)$

  • $\rho$: Η πυκνότητα του νερού ($1.000\,\text{kg/m}^3$).

  • $z_E$: Η στάθμη της ελεύθερης επιφάνειας στον άνω ταμιευτήρα σε $\text{m}$.

  • $z_A$: Η στάθμη της ελεύθερης επιφάνειας στον κάτω ταμιευτήρα / διώρυγα φυγής σε $\text{m}$.

• Υδραυλικές Απώλειες και Ωφέλιμο Ύψος Πτώσης:

  • Οι υδραυλικές απώλειες τριβής και τοπικών αντιστάσεων στο σύστημα προσαγωγής (από τον ταμιευτήρα $E$ έως την είσοδο του στροβίλου $e$) είναι ανάλογες του τετραγώνου της παροχής για πλήρως τυρβώδη ροή:     $\delta h_{fEe} = k_e \cdot Q^2$

  • Στην είσοδο του στροβίλου, η δυνητική ενέργεια έχει μετατραπεί σχεδόν εξ ολοκλήρου σε εντατική ενέργεια πίεσης ($\frac{p_e}{\rho}$), καθώς η κινητική ενέργεια εισόδου ($\frac{c_e^2}{2g}$) διατηρείται σκοπίμως χαμηλή.

  • Στους στροβίλους δράσης (Pelton), η εντατική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια μέσω ακροφυσίων, διαμορφώνοντας δέσμη ταχύτητας $c$:     $c \approx \sqrt{\frac{2p_e}{\rho}} \approx \sqrt{2gH}$

  • Οι απώλειες κινητικής ενέργειας στην έξοδο του στροβίλου ($a$) προς τον κάτω ταμιευτήρα ($A$) θεωρούνται ίσες με την ταχύτητα εξόδου που διαχέεται ως θερμότητα:     $\delta h_{faA} = \frac{c_a^2}{2g}$

  • Το καθαρό ή ωφέλιμο ύψος πτώσης ($H_n$) που αξιοποιείται ουσιαστικά από τον υδροστρόβιλο είναι:     $H_n = h - \delta h_{fEe} - \delta h_{faA} = h - k_e Q^2 - \frac{c_a^2}{2g}$

• Ηλεκτρική Ισχύς και Βαθμοί Απόδοσης:

  • Η καθαρή ηλεκτρική ισχύς $P_e$ που αποδίδεται στο ηλεκτρικό δίκτυο υπολογίζεται ως:     $P_e = \eta \cdot \rho \cdot g \cdot Q \cdot H_n$

  • Ο συνολικός συντελεστής απόδοσης $\eta$ του σταθμού είναι το γινόμενο των επιμέρους βαθμών απόδοσης:     $\eta = \eta_{\text{στρ}} \cdot \eta_{\text{γεν}} \cdot \eta_{\text{μετ}}$

  • Εύρη Βαθμών Απόδοσης Εξοπλισμού:

  • Υδροστρόβιλος ($\eta_{\text{στρ}}$) : $0{,}70 - 0{,}94$

    • Στρόβιλοι Kaplan: $0{,}80 - 0{,}93$

    • Στρόβιλοι Francis: $0{,}70 - 0{,}94$

    • Στρόβιλοι Pelton: $0{,}82 - 0{,}91$

  • Γεννήτρια ($\eta_{\text{γεν}}$) : $0{,}96 - 0{,}97$

  • Μετασχηματιστής ($\eta_{\text{μετ}}$) : $0{,}98 - 0{,}99$

• Ορισμοί Ενεργειακών Παραμέτρων:

  • Εγκατεστημένη Ισχύς: Η μέγιστη ονομαστική ωφέλιμη ισχύς που δύναται να αποδώσει ο σταθμός βάσει των προδιαγραφών των μηχανημάτων.

  • Εγγυημένη Ισχύς: Η ισχύς που είναι διαθέσιμη με βεβαιότητα κάθε χρονική στιγμή, εξασφαλίζοντας την αδιάλειπτη κάλυψη των απαιτήσεων φορτίου του καταναλωτή.

  • Πρωτεύουσα Ενέργεια: Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από την εγγυημένη ισχύ.

  • Δευτερεύουσα Ενέργεια: Κάθε επί πλέον ενέργεια που παράγεται πέραν της πρωτεύουσας, όταν οι υδρολογικές συνθήκες παρουσιάζουν υπερεπάρκεια νερού.

  • Συντελεστής Χρησιμοποιήσεως (Capacity Factor): Ο λόγος της πραγματικά παραγόμενης ενέργειας σε δεδομένο χρονικό διάστημα προς τη μέγιστη ενέργεια που θα παραγόταν εάν ο σταθμός λειτουργούσε συνεχώς στην ονομαστική του εγκατεστημένη ισχύ.

• Χαρακτηριστικές Στάθμες και Όγκοι Ταμιευτήρα:

  • Κανονική Στάθμη Υδροδυναμικής Παραγωγής: Το ανώτερο επίπεδο στο οποίο επιτρέπεται να διατηρείται το νερό υπό συνήθεις συνθήκες λειτουργίας (συμπίπτει συνήθως με τη στάθμη στέψης του υπερχειλιστή).

  • Ελάχιστη Στάθμη Λειτουργίας: Το κατώτατο επιτρεπόμενο όριο ταπείνωσης της στάθμης για παραγωγή ενέργειας, το οποίο ταυτίζεται με το υψόμετρο της υδροληψίας.

  • Ανώτατη Στάθμη (Πλημμύρας): Η μέγιστη δυνατή στάθμη που μπορεί να ανέλθει το νερό κατά τη διέλευση της πλημμύρας σχεδιασμού.

  • Ελεύθερο Ύψος (Freeboard): Η κατακόρυφη απόσταση ασφαλείας μεταξύ της ανώτατης στάθμης πλημμύρας και της στέψης του φράγματος για την προστασία από κυματισμούς.

  • Ωφέλιμος Όγκος: Ο όγκος νερού μεταξύ της κανονικής και της ελάχιστης στάθμης λειτουργίας, διαθέσιμος για παραγωγή ενέργειας.

  • Όγκος Υπερπληρώσεως (Πλημμυρικός Όγκος): Ο όγκος μεταξύ κανονικής και ανώτατης στάθμης, διαθέσιμος αποκλειστικά για προσωρινή ανάσχεση πλημμυρών.

  • Νεκρός Όγκος: Ο όγκος νερού κάτω από την ελάχιστη στάθμη λειτουργίας (υδροληψία), ο οποίος παραμένει μόνιμα δεσμευμένος και προορίζεται για την παγίδευση των φερτών υλών και προσχώσεων κατά τη διάρκεια ζωής του έργου.

  • Μικτή (Ολική) Χωρητικότητα: Το άθροισμα του ωφέλιμου όγκου και του νεκρού όγκου στην ανώτατη στάθμη λειτουργίας.

Υδρολογική Ανάλυση: Υδρογραφήματα, Καμπύλες Διάρκειας και Αθροιστικές Καμπύλες

• Απαιτούμενα Υδρολογικά Δεδομένα Σχεδιασμού:

  • Η ορθή διαστασιολόγηση των ταμιευτήρων απαιτεί συστηματικές ημερήσιες μετρήσεις ταχύτητας και στάθμης στις διατομές επιλογής.

  • Απαιτείται γνώση της μέσης ετήσιας απορροής, της μέσης μηνιαίας απορροής, των μέγιστων και ελάχιστων τιμών απορροής ανά μήνα και έτος, καθώς και της διάρκειας, της συχνότητας και της αιχμής των πλημμυρών.

• Υδρογράφημα Παροχής (Hydrograph):

  • Το διάγραμμα που αποτυπώνει τη διακύμανση της παροχής όγκου ($Q$ σε $\text{m}^3/\text{s}$) σε συνάρτηση με τον χρόνο (ώρες, ημέρες, εβδομάδες, μήνες, έτη) για μια συγκεκριμένη διατομή ποταμού.

• Καμπύλη Διάρκειας Παροχών (Flow Duration Curve - FDC):

  • Διάγραμμα που έχει στον άξονα των τετμημένων το ποσοστό του συνολικού χρόνου ($t\,\%$) κατά το οποίο μια συγκεκριμένη παροχή ισούται ή υπερβαίνεται, και στον άξονα των τεταγμένων την αντίστοιχη τιμή της παροχής ($Q$).

  • Χαρακτηριστικά Σημεία:

  • $Q_{30}$: Η παροχή που υπερβαίνεται κατά το $30\%$ του χρόνου (ένδειξη υψηλής ροής).

  • $Q_m$ ή $Q_{50}$: Η διάμεση παροχή (υπερβαίνεται κατά το $50\%$ του χρόνου).

  • $Q_{100}$: Η ελάχιστη παρατηρηθείσα παροχή του ποταμού (υπερβαίνεται κατά το $100\%$ του χρόνου).

• Ρύθμιση της Φυσικής Παροχής μέσω Ταμιευτήρα:

  • Στόχος της κατασκευής ταμιευτήρα είναι η ρύθμιση της φυσικής παροχής, ώστε να εξασφαλιστεί μια σταθερή εγγυημένη παροχή (π.χ. $80\,\text{m}^3/\text{s}$) καθ' όλη τη διάρκεια του έτους, αυξάνοντας δραστικά την εγγυημένη ισχύ.

  • Η συνολική παραγόμενη ενέργεια παραμένει σταθερή, καθώς αλλάζει μόνο η χρονική κατανομή του διαθέσιμου νερού.

  • Γραφική Μέθοδος Μετασχηματισμού της Καμπύλης Διάρκειας:

  • Υπολογίζεται το εμβαδόν του ελλείμματος $ΑΒ\Gamma$ (η ποσότητα νερού που λείπει κατά την ξηρή περίοδο για να επιτευχθεί η παροχή των $80\,\text{m}^3/\text{s}$).

  • Χαράσσεται οριζόντια γραμμή στο επίπεδο $Ε$ στην περιοχή υψηλών παροχών, ώστε το εμβαδόν αποθήκευσης $ΕΖΑ\Delta$ να ισούται ακριβώς με το εμβαδόν ελλείμματος $ΑΒ\Gamma$.

  • Η υψομετρική διαφορά $ΖΖ'$ αφαιρείται από το άνω τμήμα της καμπύλης (μεταξύ $Ζ$ και $Η$).

  • Η νέα διαμορφωμένη καμπύλη διάρκειας ρυθμισμένης παροχής παίρνει τη μορφή $Η'Ζ'ΑΒ$.

• Αθροιστική Καμπύλη Παροχών (Καμπύλη Rippl / Mass Curve):

  • Διάγραμμα με τετμημένη τον χρόνο ($t$) και τεταγμένη τον σωρευτικό όγκο νερού ($V = \int Q\,dt$) που έχει διέλθει από τη διατομή.

  • Η κλίση της εφαπτομένης σε οποιοδήποτε σημείο της καμπύλης εκφράζει τη στιγμιαία παροχή, ενώ η κλίση της χορδής από $t = 0$ έως $t = T$ αντιστοιχεί στη μέση παροχή της περιόδου.

  • Προσδιορισμός Αναγκαίου Ωφέλιμου Όγκου Ταμιευτήρα:

  • Εάν η ζήτηση παροχής του σταθμού εκφράζεται από την αθροιστική καμπύλη ζήτησης $Z(t)$, εντοπίζεται το σημείο $Α$ στην αθροιστική καμπύλη εισροών $E(t)$ που σηματοδοτεί την έναρξη περιόδου ξηρασίας (όπου η κλίση των εισροών γίνεται μικρότερη από την κλίση της ζήτησης).

  • Από το σημείο $Α$ χαράσσεται ευθεία γραμμή παράλληλη προς την καμπύλη ζήτησης $Z(t)$.

  • Η μέγιστη κατακόρυφη απόσταση $Β\Gamma$ μεταξύ της παράλληλης αυτής ευθείας και της καμπύλης εισροών $E(t)$ ισούται με τον απαιτούμενο ωφέλιμο όγκο του ταμιευτήρα για την πλήρη κάλυψη της ζήτησης.

Τεχνικά και Περιβαλλοντικά Χαρακτηριστικά των Υδροηλεκτρικών Έργων

• Κύρια Τεχνικά και Λειτουργικά Πλεονεκτήματα:

  • Εξαιρετικά ταχεία παραλαβή και απόρριψη φορτίου (εκκίνηση και συγχρονισμός στο δίκτυο σε ελάχιστα λεπτά), καθιστώντας τα ιδανικά για την παρακολούθηση απότομων μεταβολών ζήτησης και συχνότητας.

  • Υψηλή οικονομική αποδοτικότητα μέσω κάλυψης φορτίων αιχμής, όπου η αξία της κιλοβατώρας ($\text{kWh}$) είναι πολλαπλάσια της κιλοβατώρας βάσης.

  • Υψηλή αξιοπιστία και στιβαρότητα μηχανολογικού εξοπλισμού με χαμηλές ανάγκες συντήρησης (τυπικός προληπτικός έλεγχος κάθε $\sim 5.000$ ώρες λειτουργίας).

  • Ελάχιστες απαιτήσεις σε προσωπικό λειτουργίας (περίπου $30$ άτομα για έναν μεγάλο σταθμό ισχύος $300\,\text{MW}$).

  • Μηδενικές εκπομπές καυσαερίων κατά τη φάση λειτουργίας και ανανεώσιμη πηγή πρωτογενούς ενέργειας.

• Κύρια Μειονεκτήματα και Τεχνικοί Περιορισμοί:

  • Μεγάλη διάρκεια κατασκευής, η οποία φθάνει τα $\sim 10$ έτη για μεγάλα έργα, συνυπολογίζοντας τον απαιτούμενο χρόνο για πολυετείς υδρολογικές μετρήσεις και γεωλογικές μελέτες.

  • Εξαιρετικά υψηλό αρχικό κόστος κεφαλαιουχικής επένδυσης, κυμαινόμενο από $2.000$ έως $4.000\,\text{\$/kW}$.

  • Γεωγραφικός περιορισμός θέσεων: Οι κατάλληλες τοποθεσίες βρίσκονται συνήθως σε ορεινές περιοχές μακριά από τα μεγάλα κέντρα κατανάλωσης, απαιτώντας εκτεταμένα έργα οδοποιίας και μακρές γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης.

  • Άμεση εξάρτηση της παραγωγής από τη φυσική μεταβλητότητα των μετεωρολογικών συνθηκών και των ετήσιων βροχοπτώσεων.

• Περιβαλλοντικές και Οικολογικές Επιπτώσεις:

  • Δραστική αλλοίωση της υδρολογικής δίαιτας του ποταμού: εξομάλυνση φυσικών πλημμυρών, αλλαγή της θερμοκρασιακής διαστρωμάτωσης και πλήρης διακοπή της ροής στο τμήμα μεταξύ φράγματος και υδροηλεκτρικού σταθμού (ανάγκη διασφάλισης οικολογικής παροχής).

  • Μόνιμη παγίδευση φερτών υλικών και ιζημάτων στον ταμιευτήρα, προκαλώντας διάβρωση της κοίτης κατάντη και σταδιακή απώλεια της χωρητικότητας του ταμιευτήρα.

  • Παρεμπόδιση της μετανάστευσης της ιχθυοπανίδας (ανάγκη κατασκευής ιχθυοδιαδρόμων).

  • Μετατροπή του τοπικού οικοσυστήματος από ρέον ποτάμιο (λωτικό) σε στάσιμο λιμναίο (φακοειδές).

  • Απώλεια δασικών εκτάσεων, γεωργικής γης και φυσικών βιοτόπων λόγω κατάκλυσης.

  • Εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου (ιδίως μεθανίου, $\text{CH}_4$) από την αναερόβια αποσύνθεση κατακλυσμένης οργανικής βλάστησης στα αρχικά έτη λειτουργίας.

  • Αισθητική υποβάθμιση του τοπίου λόγω εκτεταμένης απογύμνωσης των πρανών κατά την ταπείνωση της στάθμης του ταμιευτήρα.

• Κοινωνικά Ζητήματα και Κίνδυνοι Ασφαλείας:

  • Αναγκαστική μετεγκατάσταση οικισμών και μετακίνηση πληθυσμών από τις κατακλυζόμενες περιοχές.

  • Αλλαγές στη χημική ισορροπία του νερού (πιθανή απελευθέρωση μεθυλιωμένου υδραργύρου, ανοξικές συνθήκες στον πυθμένα, ευτροφισμός).

  • Κίνδυνος επαγόμενης σεισμικότητας (Reservoir-Triggered Seismicity - RTS) λόγω της μεγάλης πίεσης πόρων και του βάρους της στήλης νερού σε ενεργά ρήγματα.

  • Καταστροφικός κίνδυνος θραύσης του φράγματος από ακραία πλημμύρα ή σεισμό και πρόκληση πλημμυρικού κύματος σε κατάντη κατοικημένες περιοχές.

Το Υδροηλεκτρικό Δυναμικό και Μεγάλα Έργα στην Ελλάδα και Διεθνώς

• Παγκόσμιο Ενεργειακό Μίγμα Ηλεκτροπαραγωγής (Έτος 2017 - REN21):

  • Μη ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια: $73{,}5\%$

  • Ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια: $26{,}5\%$

  • Υδροηλεκτρική ενέργεια: $16{,}4\%$ (αποτελεί το $61{,}9\%$ της συνολικής παραγωγής από ΑΠΕ)

  • Αιολική ενέργεια: $5{,}6\%$

  • Βιοενέργεια: $2{,}2\%$

  • Ηλιακά φωτοβολταϊκά: $1{,}9\%$

  • Ωκεανική, συγκεντρωτική ηλιακή (CSP) και γεωθερμική ενέργεια: $0{,}4\%$

• Ενεργειακό Μίγμα Ηλεκτρικής Ενέργειας στην Ελλάδα (Έτος 2017 - Σύνολο $56{,}9\,\text{TWh}$):

  • Λιγνιτικοί σταθμοί: $29\%$ ($16\,\text{TWh}$)

  • Σταθμοί φυσικού αερίου: $27\%$ ($15\,\text{TWh}$)

  • Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (αιολικά, Φ/Β κλπ.): $19\%$ ($11\,\text{TWh}$)

  • Καθαρές εισαγωγές: $11\%$ ($6\,\text{TWh}$)

  • Πετρελαϊκοί σταθμοί σε Μη Διασυνδεδεμένα Νησιά (ΜΔΝ): $8\%$ ($5\,\text{TWh}$)

  • Μεγάλοι υδροηλεκτρικοί σταθμοί: $6\%$ ($4\,\text{TWh}$)

• Ανάλυση Υδροδυναμικού στην Ελλάδα:

  • Ολικό Θεωρητικό Υδροδυναμικό: $80.000\,\text{GWh}$

  • Τεχνικά Εκμεταλλεύσιμο Υδροδυναμικό: $20.000\,\text{GWh}$

  • Οικονομικά Εκμεταλλεύσιμο Υδροδυναμικό: $15.000\,\text{GWh}$

  • Πραγματική Παραγωγή από Εισροές:

  • Έτος 1995 (μέσο υδρολογικό έτος): $3.511\,\text{GWh}$

  • Έτος 2001 (ξηρό υδρολογικό έτος): $2.037\,\text{GWh}$

  • Έτος 2010 (υγρό υδρολογικό έτος): $6.036\,\text{GWh}$

  • Ποσοστό Αξιοποίησης Οικονομικού Υδροδυναμικού: $32\%$

  • Συνολική εγχώρια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας το 2010: $52.366\,\text{GWh}$

  • Ποσοστό συνεισφοράς ΥΗΣ το 2010: $11{,}5\%$

  • Συνολική εγκατεστημένη ισχύς ΥΗΣ στην Ελλάδα: $3.200\,\text{MW}$ (εκ των οποίων $700\,\text{MW}$ είναι αναστρέψιμα αντλητικά συστήματα).

• Τα Μεγαλύτερα Υδροηλεκτρικά Έργα Παγκοσμίως:

  • Three Gorges (Κίνα): Εγκατεστημένη ισχύς $18.300\,\text{MW} - 22.500\,\text{MW}$.

  • Itaipu (Σύνορα Βραζιλίας - Παραγουάης): Εγκατεστημένη ισχύς $12.600\,\text{MW} - 14.000\,\text{MW}$.

  • Xiluodu (Κίνα): Εγκατεστημένη ισχύς $13.860\,\text{MW}$.

  • Guri / Simón Bolívar (Βενεζουέλα): Εγκατεστημένη ισχύς $10.200\,\text{MW}$.

  • Tucurui (Βραζιλία): Εγκατεστημένη ισχύς $8.370\,\text{MW}$.

• Οι Μεγαλύτεροι Υδροηλεκτρικοί Σταθμοί στην Ελλάδα:

  • ΥΗΣ Κρεμαστών (Αχελώος): Εγκατεστημένη ισχύς $437\,\text{MW}$.

  • ΥΗΣ Θησαυρού (Νέστος): Εγκατεστημένη ισχύς $384\,\text{MW}$.

  • ΥΗΣ Πολυφύτου (Αλιάκμονας): Εγκατεστημένη ισχύς $375\,\text{MW}$.

  • ΥΗΣ Καστρακίου (Αχελώος): Εγκατεστημένη ισχύς $320\,\text{MW}$.

• Ιστορικά Έργα και Τύποι Φραγμάτων στον Ελλαδικό Χώρο:

  • Φράγμα Λάδωνα: Έτος κατασκευής 1955, τύπος αντηριδωτό από σκυρόδεμα.

  • Φράγμα Ταυρωπού (Λίμνη Πλαστήρα): Έτος κατασκευής 1959, τύπος τοξωτό από σκυρόδεμα.

  • Φράγμα Κρεμαστών: Έτος κατασκευής 1965, τύπος χωμάτινο με αργιλικό πυρήνα (ύψος $160\,\text{m}$, το υψηλότερο χωμάτινο φράγμα στην Ελλάδα).

  • Φράγμα Μεσοχώρας: Έτος κατασκευής 2009, τύπος λιθόρριπτο με ανάντη πλάκα σκυροδέματος (CFRD).

• Τεχνικά Στοιχεία Υδροηλεκτρικών Έργων Λεκάνης Αχελώου:

  • ΥΗΣ Πλαστήρα:

  • Έκταση λεκάνης απορροής: $161\,\text{km}^2$

  • Μέση ετήσια απορροή: $167\,\text{hm}^3$

  • Ύψος φράγματος: $83\,\text{m}$

  • Ωφέλιμη χωρητικότητα ταμιευτήρα: $286\,\text{hm}^3$

  • Στάθμες λειτουργίας: Ελάχιστη $776{,}0\,\text{m}$, Μέγιστη $792{,}0\,\text{m}$

  • Μέγιστο ύψος πτώσης: $577{,}0\,\text{m}$

  • Θέση σταθμού: Εκτός λεκάνης (εκτροπή προς θεσσαλικό κάμπο)

  • Τύπος στροβίλων: Pelton ($3 \times 43\,\text{MW} = 129\,\text{MW}$

  • Λοιπές χρήσεις: Άρδευση, ύδρευση, αναψυχή

  • ΥΗΣ Κρεμαστών:

  • Έκταση λεκάνης απορροής: $3.570\,\text{km}^2$

  • Μέση ετήσια απορροή: $3.600\,\text{hm}^3$

  • Ύψος φράγματος: $160\,\text{m}$

  • Ωφέλιμη χωρητικότητα ταμιευτήρα: $2.800\,\text{hm}^3$

  • Στάθμες λειτουργίας: Ελάχιστη $227{,}0\,\text{m}$, Μέγιστη $282{,}0\,\text{m}$

  • Μέγιστο ύψος πτώσης: $136{,}0\,\text{m}$

  • Θέση σταθμού: Κοντά στο φράγμα

  • Τύπος στροβίλων: Francis ($4 \times 109\,\text{MW} = 436\,\text{MW}$

  • ΥΗΣ Καστρακίου:

  • Έκταση λεκάνης απορροής: $4.118\,\text{km}^2$

  • Μέση ετήσια απορροή: $3.950\,\text{hm}^3$

  • Ύψος φράγματος: $96\,\text{m}$

  • Ωφέλιμη χωρητικότητα ταμιευτήρα: $90\,\text{hm}^3$ (σε ταμιευτήρα συνολικής χωρητικότητας $950\,\text{hm}^3$

  • Στάθμες λειτουργίας: Υδροληψία $142{,}0\,\text{m}$, Υπερχείλιση $144{,}2\,\text{m}$

  • Μέγιστο ύψος πτώσης: $76{,}0\,\text{m}$

  • Θέση σταθμού: Κοντά στο φράγμα

  • Τύπος στροβίλων: Francis ($4 \times 80\,\text{MW} = 320\,\text{MW}$

  • Λοιπές χρήσεις: Ύδρευση

  • ΥΗΣ Στράτου:

  • Έκταση λεκάνης απορροής: $4.320\,\text{km}^2$

  • Μέση ετήσια απορροή: $4.110\,\text{hm}^3$

  • Ύψος φράγματος: $26\,\text{m}$

  • Ωφέλιμη χωρητικότητα ταμιευτήρα: $10\,\text{hm}^3$

  • Στάθμες λειτουργίας: Ελάχιστη $67{,}0\,\text{m}$, Μέγιστη $68{,}6\,\text{m}$

  • Μέγιστο ύψος πτώσης: $37{,}0\,\text{m}$

  • Θέση σταθμού: Υπόγειος

  • Τύπος στροβίλων: Francis ($2 \times 75\,\text{MW} = 150\,\text{MW}$ και $2 \times 3\,\text{MW} = 6\,\text{MW}$

  • Λοιπές χρήσεις: Άρδευση, αναψυχή

  • ΥΗΣ Μεσοχώρας:

  • Έκταση λεκάνης απορροής: $633\,\text{km}^2$

  • Μέση ετήσια απορροή: $730\,\text{hm}^3$

  • Ύψος φράγματος: $135\,\text{m}$

  • Ωφέλιμη χωρητικότητα ταμιευτήρα: $225\,\text{hm}^3$

  • Στάθμες λειτουργίας: Ελάχιστη $731{,}0\,\text{m}$, Μέγιστη $770{,}0\,\text{m}$

  • Μέγιστο ύψος πτώσης: $220{,}0\,\text{m}$

  • Θέση σταθμού: $7{,}5\,\text{km}$ κατάντη

  • Τύπος στροβίλων: Francis ($2 \times 81\,\text{MW} = 162\,\text{MW}$

• Υδροηλεκτρικό Συγκρότημα Ποταμού Αλιάκμονα:

  • Αποτελείται από μια σειρά κλιμακωτών υδροηλεκτρικών σταθμών (cascade) που εκμεταλλεύονται διαδοχικά την υψομετρική πτώση του ποταμού:

  • ΥΗΣ Ιλαρίωνα: Χιλιομετρική θέση $86\,\text{km}$, υψόμετρο $\sim 400\,\text{m}$.

  • ΥΗΣ Πολυφύτου: Χιλιομετρική θέση $42{,}5\,\text{km}$, υψόμετρο $\sim 290\,\text{m}$.

  • ΥΗΣ Σφηκιάς: Χιλιομετρική θέση $24\,\text{km}$, υψόμετρο $\sim 145\,\text{m}$.

  • ΥΗΣ Ασωμάτων: Χιλιομετρική θέση $13\,\text{km}$, υψόμετρο $\sim 80\,\text{m}$.

  • Μικρός ΥΗΣ Μακροχωρίου: Χιλιομετρική θέση $2\,\text{km}$, υψόμετρο $\sim 40\,\text{m}$.

  • Περιλαμβάνει επιπλέον τον αναρρυθμιστικό ταμιευτήρα και το αναρρυθμιστικό έργο Αγίας Βαρβάρας, τον ΥΗΣ Άγρα, τον ΥΗΣ Εδεσσαίου και τον Μικρό ΥΗΣ Βερμίου.

• Αναλυτικά Στοιχεία Σταθμών Συγκροτήματος Αλιάκμονα:

  • ΥΗΣ Πολυφύτου:

  • Τοποθεσία: Δυτική Μακεδονία, Νομός Κοζάνης.

  • Σκοπός: Υδροηλεκτρική παραγωγή, άρδευση, ύδρευση, αντιπλημμυρική προστασία.

  • Έναρξη εμπορικής λειτουργίας: 1974/1975.

  • Εγκατεστημένη ισχύς: $375\,\text{MW}$ ($3 \times 125\,\text{MW}$ στροβίλων Francis).

  • Μέση ετήσια παραγωγή: $420\,\text{GWh}$.

  • Φράγμα: Λιθόρριπτο, ύψους $112\,\text{m}$.

  • Ωφέλιμη χωρητικότητα ταμιευτήρα: $1.220 \times 10^6\,\text{m}^3$ ($1.220\,\text{hm}^3$).

  • ΥΗΣ Σφηκιάς (Αντλησιοταμιευτικός):

  • Τοποθεσία: Κεντρική Μακεδονία, Νομός Ημαθίας.

  • Σκοπός: Υδροηλεκτρική παραγωγή και αποθήκευση ενέργειας.

  • Έναρξη εμπορικής λειτουργίας: 1985/1986.

  • Εγκατεστημένη ισχύς: $315\,\text{MW}$ ($3 \times 105\,\text{MW}$ αναστρέψιμων αντλιών-στροβίλων Francis / pump-turbines).

  • Μέση ετήσια παραγωγή: $380\,\text{GWh}$ (περιλαμβάνει $200\,\text{GWh}$ προερχόμενες από άντληση).

  • Φράγμα: Χωμάτινο, ύψους $82\,\text{m}$.

  • Ωφέλιμη χωρητικότητα ταμιευτήρα: $18 \times 10^6\,\text{m}^3$ ($18\,\text{hm}^3$).

  • ΥΗΣ Ασωμάτων:

  • Τοποθεσία: Κεντρική Μακεδονία, Νομός Ημαθίας.

  • Σκοπός: Υδροηλεκτρική παραγωγή και άρδευση.

  • Έναρξη εμπορικής λειτουργίας: 1985.

  • Εγκατεστημένη ισχύς: $108\,\text{MW}$ ($2 \times 54\,\text{MW}$ στροβίλων Francis).

  • Μέση ετήσια παραγωγή: $130\,\text{GWh}$.

  • Φράγμα: Χωμάτινο, ύψους $52\,\text{m}$.

  • Ωφέλιμη χωρητικότητα ταμιευτήρα: $10 \times 10^6\,\text{m}^3$ ($10\,\text{hm}^3$).