Vízenergia és vízerőmű kisokos

Klímavédelmi szempontból és a világ energiaellátásában egyaránt egyre fontosabb szerepet kapnak a megújuló energiaforrások. Világszerte a vízenergia a legelterjedtebb és legjelentősebb közülük, ismerkedjünk meg vele közelebbről!

Mit kell tudni a vízről, mint energiaforrásról?

A víz nem csupán éltető elem, a földi élet létrejöttének és fenntartásának alapja, de fontos energiaforrás is. Igaz, valójában elsősorban a Nap energiáját közvetíti: a Nap az, ami energiájával folyamatos mozgásban tartja. Tulajdonképpen ezt a mozgási energiát tekintjük vízenergiának.

Hogyan lehet hasznosítani a vízenergiát?

Vízenergiaként az áramló víz mozgási energiája hasznosítható közvetlenül, mechanikai energiává, valamint az utóbbit elektromos árammá tovább alakítva. 

A közvetlen hasznosítás legegyszerűbb példája a faúsztatás vagy az olyan, pusztán a folyók sodrását kihasználó egyszerű közlekedési eszközök, mint a tutaj és a bárka. Ezek esetében a farönkök és közlekedési eszközök helyváltoztatáshoz szükséges munkát a folyó áramlása végzi. 

Már az ókorban felfedezték ugyanakkor, hogy az áramló víz által meghajtott eszközök is felhasználhatóak munkavégzésre. Az ehhez létrehozott mechanikai szerkezetek legkorábbi példája az öntöző- és a vízkerék. Lényegében ezek a víz mozgási energiáját mechanikai energiává alakító (víz)erőgépek. 

A vízkereket az emberiség legalább az i.e. 4. évszázadtól kezdve ismeri és használta különböző célokra – akár egészen bonyolult gépezetek működtetésére is. Ilyenek voltak a különböző vízi- és fűrészmalmok és a vaskohók fújtatóit és a hámorok vasverő kalapácsait működtető szerkezetek. De ilyenek az Esztergomból ismert és a közelmúltban rekonstruált 15. századi vízgép, vagy a  18. századi kártoló- és szövőgépek is.

A vízenergia hasznosítás következő “szintje” a mechanikus energia elektromos árammá alakítása, amit már különböző vízerőművek végeznek. 

Hogyan működik egy vízerőmű?

Felépítése és működési elve alapján többféle vízerőmű létezik. A közös mindegyikben az, hogy a vízfolyások, tavak, tengerek víztömegének mozgási energiáját alakítják villamos energiává. Az alap itt is az áramló víz és a mozgási energiájával megforgatott vízkerék – illetve ennek továbbfejlesztett és sokkal hatékonyabb változataként turbina. A turbina azonban már nem mechanikus szerkezetekhez, hanem elektromos feszültséget, s ilyen módon áramot fejlesztő generátorhoz kapcsolódik. 

Hagyományos esetben alapvetően kétféle vízerőmű típust különböztethetünk meg. 

Folyóvizes erőművek

A folyóvizes erőművek működési elve gyakorlatilag megegyezik a vízimalmokéval: a patakban, folyóban folyó víz hajtja meg a vízkereket/turbinát, az pedig a villamos áramot fejlesztő generátort. A kisebb és egyszerűbb típusok akár a hajómalmokhoz hasonlóan a vízen is lebeghetnek – ilyen szerkezetek készülhetnek akár “csináld magad” jelleggel is.

Az ebbe a csoportba tartozó erőművek jelentős része a hagyományos patakmalmokhoz hasonlóan működik. A patak, folyó vizének csak egy részét vezetik egy oldalcsatornán (“üzemcsatorna”), vagy akár egy föld alatti csővezetéken” a vízkerékhez/turbinához (az angol nyelvű terminológia alapján ezeket hívhatnánk “elterelős erőműveknek”). Majd, a vizet egy újabb csatornán visszavezetik az eredeti víztestbe. Magyarországon ilyen erőmű például a felsődobszai és az ikervári. 

Tározós erőművek

A másik nagy típus a tározós erőműveké: ezeknél egy víztározó vizét vezetik a turbinákra, felhasználva a nagy tömegű víz nyomási energiáját is. A legnagyobb folyami erőművek ebbe a típusba tartoznak. A folyók vizét gátakkal rekesztik el, majd rávezetik a vízturbiná(k)ra, ami meghajtja a villamos áramot fejlesztő generátort. Az így keletkező áramot megfelelő feszültségre transzformálva szállítható el a magasfeszültségű vezetékeken.

Külön csoportként szokták nyilvántartani a szivattyús tározós erőműveket – ezek azonban valójában a tározós erőművek közé tartoznak.

Árapály- és hullámerőművek

Végül, röviden szólni kell a tengerek áramlását, az ár-apály áramlást és a hullámenergiát hasznosító erőművekről is. Ezek nem tartoznak a szó szerinti vízerőművek közé, mégis megegyező elven működnek. A vízparti, mederbe telepített vagy vízen lebegő szerkezetek szintén a tengervíz mozgási energiáját hasznosítják: a víz turbinákat vagy szivattyúkat hajtanak meg, majd generátorok révén fejlesztenek villamos áramot.

Mennyi energiát termel egy vízerőmű? 

A vízerőművek energiatermelési kapacitása (teljesítménye) függ a vízhozamtól, az ún. esésmagasságtól, a víztömeg nehézségi gyorsulásától, de az alkalmazott turbinák hatásfokától is. A különböző vízhozamú és esésmagasságú vizek energiájának hasznosításához eltérő turbina típusokat fejlesztettek ki.

A vízerőművek teljesítménye alapján megkülönböztetnek nagy (>10 MW), kis (1-10 MW), mini (0,1-1 MW), mikro (10-100 kW), piko (1-10 kW) és családi méretű (<1 kW) erőműveket. Folyamatos működés mellett (ideális esetben) a négyturbinás, 28 MW teljesítményű Kiskörei vízerőmű például egy évben 245,28 GWh villamos áramot termelne. Ez 2019-ben mintegy 113 ezer átlagos magyarországi háztartás energiaigényét fedezné. De ugyanebből az átlagból és ideális esetben már egy 1 kW teljesítményű családi erőmű is fedezni tudná 3 háztartás energiaigényét. 

Ideális állapot természetesen nincs, a valóságban az erőművek termelése erősen függ a vízhozamtól és egy sor másik körülménytől is. A Kiskörei erőmű esetében például minden évben több hetes leállást okoznak a tiszai áradások. Átlagos termelése 94 GWh/év – az eddigi maximum 147,53 GWh, a minimum pedig  39,04 GWh volt.

Mennyi energiát tárol egy vízerőmű? 

A vízerőművek energiatárolásáról a tározós erőművek esetén beszélhetünk, amelyek részben vagy egészben vissza tudják tartani a tározóban felgyűlt vizet. Az általuk tárolt energia megegyezik a tárolt víztömeg helyzeti energiájával, ami a vízmélységgel arányosan nő. 

Erre az elvre épít az ún. szivattyús energiatározás (SZET). Az ilyen erőművek valójában nem termelnek energiát, hanem mindössze tárolják azt. Amikor a rendszerben túltermelés van (vagy amikor épp olcsó az áram), elektromos energiával egy magasabban fekvő tározóba szivattyúzzák a vizet (ez történhet folyóból vagy más élővízből, de akár egy ipari vizet tározó tárolóból is). Aztán pedig, amikor szükség van termelésre, a felső tározóból visszaeresztik a vizet az alsó víztestbe úgy, hogy közben a víz meghajtsa a turbinákat és a generátorok villamos áramot tudjanak fejleszteni. 

A SZET-ek jelentősége a világon nagy: az USA Energiaügyi Minisztériumának nyilvántartásában összesen mintegy 1700 energiatároló, s ebből 350 SZET létesítmény szerepel. Utóbbiak beépített teljesítménye 181 GW, ami a teljes energiatárolási kapacitás 95%-át jelenti. Magyarországon ugyanakkor mindezidáig nem épült SZET erőmű, még ha időről időre fel is merül az ötlete. 

Milyen előnyei és hátrányai vannak a vízenergiának? 

Előnyök

• A vízenergia megújuló energiaforrás: elviekben nem fogy el, utánpótlása folyamatos.
• A vízenergia “tiszta” energiaforrás: hasznosításakor alapvetően nem keletkeznek káros anyagok (pl. szén-dioxid, légszennyező anyagok), ártalmatlanítandó hulladék (pl. salak, bányatermék, még  hosszú ideig sugárzó fűtőelem), nem kell számolni egyéb veszélyes folyamatokkal (pl. háttérsugárzás).
• Ha már egyszer megépült, a vízerőmű alacsony üzemeltetési költséggel, üzemanyag költség nélkül termel villamos áramot.
• Folyamatos áramtermelést tesz lehetővé, ami azonban időben és mennyiségében is szabályozható (nagyobb igény esetén fokozható a termelés, viszont elkerülhető a túltermelés is).
• A tározók és vízlépcsők rekreációs lehetőségeket teremtenek (pl. horgászat, strand, hajózás), közreműködnek az árvizek kivédésében, a duzzasztással kedveznek a hajózásnak és vízi áruszállításnak.

Hátrányok

• Megépítésük igen költséges.
• Amennyiben messze vannak a villamosenergia felhasználási helyétől, nagyok lehetnek a szállítási veszteségek.
• A felhasználható víz mennyisége és így az áramtermelés nagymértékben függ a tényleges csapadéktól és hőmérséklettől – a klímaváltozás várhatóan a világ egyes részein különösen sérülékennyé teheti a vízerőműveket.
• A tározókban nagy mennyiségű hordalék halmozódik fel, amit folyamatosan el kell távolítani.
• A nagyobb erőművek, erőmű rendszerek gyakran drasztikus természeti, környezeti, társadalmi és gazdasági hatásokkal járnak, amelyek költsége akár meg is kérdőjelezheti az erőművek tényleges gazdaságosságát. 

Milyen a vízenergia hasznosítás helyzete hazánkban és a világban?

Magyarországon a vízenergia hasznosítás szempontjából kedvezőtlen földrajzi adottságok (kis esés, mély folyóvölgyek hiánya) miatt a villamosenergia termelés szempontjából kicsi. 2019-ben mindössze 213 GWh villamos energiát termeltek a hazai vízerőművek, ami az összes villamosenergia termelés 0,64%-át jelentette, s ami az összes fogyasztás 0,47%át fedezte.  A vízenergia szerepe itthon a megújuló energiaforrások között is kicsi: 2018-ban például a megtermelt “zöld” áram mindössze 5,9%-a származott vízenergiából.

Hivatalos adatok szerint az országban 2018-ban 56,2 MW vízerőmű-kapacitás üzemelt, aminek a hatvan százalékát a Kiskörei (28 MW), a Tiszalöki (12.9 MW), Kesznyéteni (4,4 MW) vízerőművek adták. Az erőművek többsége ennél kisebb kapacitású és egyre több kiserőművet telepítenek.

Számítások szerint ugyanakkor az ország műszakilag hasznosítható vízerő-potenciálja mintegy 1 GW 7500 GWh éves termeléssel. Azaz, a jelenlegi kapacitás akár hússzorosára is növelhető lenne, ám ennek magas beruházási költségei és környezeti hatásai is nagyok lennének, ami fenntarthatósági kérdéseket vet fel.

A világ számos országában jóval nagyobb a vízenergia jelentősége. 2019-ben a világon összesen 1308 GW beépített kapacitás 4306 TWh villamos energiát termelt. A vízenergiának kapacitás oldalról legjelentősebb szerepe Kínában, Brazíliában és az USÁ-ban van. 2015 és 2019 között átlagosan 2,1%-kal nőtt a termelési kapacitása. Jelentőségét jól mutatja, hogy a világ összes megújulós energiatermelésének 60%-át a vízenergia adja.

Európában Magyarország a beépített kapacitások terén a 37. helyen áll, míg a listavezető Norvégia 32671 MW-tal.

A világ legnagyobb vízerőműve a kínai Három-szoros erőmű. Kapacitása 22500 MW, gátja 2,335 méter széles és 185 méter magas.

Milyen hatása van a környezetre egy vízerőműnek?

Bár a vízenergia tiszta és megújuló energiaforrásnak számít, nem teljesen problémamentes, főleg, amikor nagy méretekről és nagy teljesítményekről van szó.

Néhány jellemző probléma:

• Megakadályozzák a vízi élőlények (így számos halfaj) vándorlását, nagy területen elpusztul az élővilág és sok emberi település is, a rájuk jellemző természeti és kulturális értékekkel együtt. A Vaskapu vízerőmű például nem csak a vizától fosztja meg a folyó felsőbb szakaszait, de a duzzasztás miatt több település és a történelmi Ada Kaleh szigete is víz alá került, lakosaiknak pedig el kellett költöznie, ami a társadalmi igazságosság kérdéseit is felveti. Az utóbbi évtized egyik legnagyobb vízerőmű fejlesztése, a brazíliai Belo Monte-ről készült dokumentumfilm érzékletesen mutatja be a problémát.
• A nagy tározók környezetében megváltoznak az ökológiai viszonyok: módosulnak a talajok, más lesz a mikroklíma, megemelkedik a talajvíz.
• A gátakkal felduzzasztott víztömegek nyomása földrengéseket okozhat, de legalábbis hozzájárulhat létrejöttükhöz.
• A gátak visszatartják a folyók által szállított hordalékot: a tározókban az felhalmozódik, a gát utáni alsóvízi folyószakaszokon viszont a folyó kevesebb hordalékot tud lerakni. A Duna és mellékfolyóira épített vízlépcsők miatt a folyó által szállított hordalék mennyisége például mára az eredeti mennyiség harmadára esett vissza. Ennek – egy komplex problémakör részeként – az egyik legfontosabb következménye a folyómeder folyamatos mélyülése, a talajvízszint csökkenése, a folyó menti területek kiszáradása.

És mi a helyzet a törpe erőművekkel?

A mikroerőműveket sokszor állítják be fenntartható megoldásként.  Ha kellő körültekintéssel építik meg őket, akkor lehet, hogy tényleg azok, ám sajnos egyes tapasztalatok minimum megkérdőjelezik ezt.

Az utóbbi években például sok vita övezte az erdélyi törpe vízerőművek építését és az azzal járó nagy mértékű környezetátalakítást. A legnagyobb probléma ebben az esetben sem kizárólag esztétikai és tájképvédelmi természetű. A beavatkozások ugyanis nagy károkat okoztak és az élőhelyek sérülésével jártak. Többek között: a patakmedrekbe telepített hallépcsők akadályozzák a halfajok mozgását és egész ökoszisztémákat bontottak meg; a folyóvíz nyomócsövekbe terelésével csökkent a patakok vízhozama; az erőmű műtárgyaival teljesen átalakították a természetes patakmedret; a vízminőség pedig nagymértékben romlott.

De legalább karbonsemleges! Vagy mégse?

A vízenergia hasznosításához nem kell fosszilis tüzelőanyagokat égetni, így miután megépült az erőmű, a villamos áram termelése szén-dioxid kibocsátás nélkül történik. A nagy méretű erőművek megépítéséhez azonban hatalmas mennyiségű betonra és gépi munkára van szükség. Ezért nem teljesen igaz, hogy a vízerőművekből származó villamos áram teljesen karbonsemleges lenne – legalábbis amíg a gépeket jellemzően fosszilis üzemanyagok hajtják és a cementgyártás az egyik legnagyobb szén-dioxid kibocsátó.

Egy másik kapcsolódó probléma az elöntött területek növényzetének víz alatti bomlásával keletkező metán. Ez a klímaváltozásban szintén nagy szerepet játszó, üvegházhatású gáz a turbinákon keresztül jut a légkörbe.

Gyakran Ismételt Kérdések

Horváth Gergő | Fenntarthatósági és kommunikációs szakember. Főként a kultúra, fenntarthatóság és kommunikáció elméleti és gyakorlati kérdései, összefüggései foglalkoztatják, de magánéletében is szenvedélyesen keresi a fenntartható életmód és a közösségi megoldások lehetőségeit.