אנרגיית מים

סכמות פעולה של גלגל מים
[[סכר שלושת הערוצים על נהר היאנגצה בסין, הסכר הגדול ביותר בעולם]]
אנרגיית מים (באנגלית: Hydropower או Water power) היא אנרגיה שמקורה בתנועת מים, כגון זרימת מים במדרון או במפל, זרימת מים בנהרות, תנועת גלי הים, או זרמי גאות ושפל של האוקיינוסים. אנרגיה זו מוגדרת כאנרגיה מתחדשת. מאז ימי קדם נוצל כוח המים למטרות שימושיות. כבר הרומאים והיוונים עשו שימוש באנרגיות מים מסוגים רבים תוך הזרמת המים גם באקוודוקטים להפעלת טחנות מים מסוגים שונים. לפעמים אנרגיית המים משמשת כמקור אנרגיה מתחדשת להשקיה ולהפעלה של מכשירים מכניים שונים, כגון טחנות קמח, מנסרות, טחנות טקסטיל, טחנות לגריסת סלעים לחצץ ואו לאבקת צבע, פטישים מכניים, מנופי עגינה, מעליות ביתיות וטחנות עפרות. טרמפות , המייצרות אוויר דחוס ממים נופלים, משמשות לעיתים להפעלת מכונות אחרות במרחק.<ref></ref><ref></ref>

בשלהי המאה ה-19 הפכה אנרגיית המים למקור לייצור חשמל. כראגסייד בנורת'מברלנד היה הבית הראשון שנעשה בו שימוש בהידרואלקטריות בשנת 1878.<ref></ref> תחנת הכוח ההידרואלקטרית המסחרית הראשונה הוקמה במפלי הניאגרה בשנת 1879. בשנת 1881, מנורות הרחוב בעיר מפלי הניאגרה שבמחוז אונטריו, קנדה הופעלו באמצעות אנרגיית מים.

מאז תחילת המאה העשרים, המונח "אנרגיית מים" שימש כמעט אך ורק יחד עם הפיתוח המודרני של האנרגיה הידרואלקטרית. מוסדות בינלאומיים כמו הבנק העולמי רואים באנרגיית מים אמצעי להתפתחות כלכלית מבלי להוסיף כמויות משמעותיות של פחמן לאטמוספירה,<ref name="WP5813"></ref> אף על פי שלסכרים המשמשים ליצור כוח הידרואלקטרי קיימת השפעה שלילית חברתית וסביבתית.<ref name="per">Nikolaisen, Per-Ivar. "[http://www.tu.no/kraft/2015/01/17/12-megadammer-som-endret-verden 12 mega dams that changed the world (in Norwegian)]" [https://translate.google.dk/translate?sl=no&tl=en&js=y&prev=_t&hl=da&ie=UTF-8&u=http%3A%2F%2Fwww.tu.no%2Fkraft%2F2015%2F01%2F17%2F12-megadammer-som-endret-verden&edit-text= In English] Teknisk Ukeblad, 17 January 2015. Retrieved 22 January 2015.</ref>

== היסטוריה ==
טחנת מים של בריינה-לה-שאטו, בלגיה (המאה ה -12)
מפלי סנט אנתוני, [[ארצות הברית ; נעשה שימוש כאן באנרגיה מים להפעלת טחנת קמח.]]
מכרה עפרות ואו זהב שמונע באמצעות גלגל מים באופן ישיר, בסוף המאה התשע עשרה
העדויות המוקדמות ביותר על גלגלי מים וטחנות מים מקורן בסהר הפורה, שבמזרח הקדום, במאה הרביעית לפני הספירה,<ref>Terry S. Reynolds, Stronger than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel, JHU Press, 2002 , p. 14</ref> במיוחד באימפריה הפרסית, 350 שנה לפני הספירה, באזורי עיראק, איראן<ref></ref> ומצרים .<ref></ref>

באימפריה הרומית ויטרוביוס תיאר טחנות מונעות על ידי מים במאה הראשונה לפני הספירה.<ref name="Oleson"></ref> בטחנת ברבגל היו 16 גלגלי מים שעיבדו וטחנו עד 28 טון דגנים ליום.<ref></ref> גלגלי מים רומאיים שימשו גם לניסור שיש למשל המנסרה של הירפוליס בסוף המאה ה-3 לספירה. במנסרות אלה היה גלגל מים שהניע שני מוטות ארכובה וחיבור להפעלת שני מסורים. מתקנים שכאלה ישנם גם בשתי טחנות מסור רומיות מזרחיות מהמאה ה-6 שנחפרו באפסוס ובג'רש בהתאמה. הארכובה ומנגנון מוט החיבור של טחנות המים הרומיות הללו המירו את התנועה הסיבובית של גלגל המים לתנועה ליניארית של להבי המסור.<ref name="Ritti, Grewe, Kessener 2007, 161"></ref>

בסין, כבר משושלת האן (202 לפנה"ס - 220 לספירה) פטישים מכניים ומפוחים היו מונעים על ידי סקופי מים ,<ref>Terry Reynolds: Stronger Than a Hundred Men. A History of the Vertical Water Wheel, The Johns Hopkins University Press, 1983, pp. 26-30</ref> ישנם היסטוריונים הטוענים שהפטישים המכניים היו מונעים על ידי גלגלי מים ולא על בסיס של סקופי מים. כי לא היה להם מספיק כוח כדי להניע את מפוחי התנורים.<ref>Adam Lucas: Wind, Water, Work: Ancient And Medieval Milling Technology, Brill Academic Publishers, 2006, pg 55</ref> ניתן לראות בסין עדויות לגלגלי מים אנכיים המפעילים פטישים המונעים על ידי מים.<ref></ref> הטקסטים המוקדמים ביותר לתיאור מכשירים מסוג שכזה הם מילון ג'יג'יופיה משנת 40 לפני הספירה, הטקסט של יאנג שיונג המכונה פאנגיאן משנת 15 לפני הספירה, וכן שין שין שכתב הואן טאן בסביבות 20 לספירה.<ref name="needham volume 4 part 2 184">Needham, Volume 4, Part 2, 184.</ref> בתקופה זו גם המהנדס דו שי הפעיל כוח באמצעות גלגלי המים על בוכנת - מפוח באתר להתכה ויציקות ברזל.<ref></ref>

כוח של זרם מים המתפרץ בלחץ ממיכל, שימש במכרות פתוחים להפקת עפרות ומתכות בשיטה הנקראת הצפת המצוק באמצעות אקוודוקטים שהובילו את המים למקום ההצפה והכרייה. השיטה שימשה לראשונה במכרות הזהב של דולאוקותי בויילס משנת 75 לספירה ואילך, אך פותחה בספרד במכרות כמו לאס מדולאס. שיטת ההצפה הייתה בשימוש נרחב גם בבריטניה בתקופת ימי הביניים ובתקופות מאוחרות יותר להפקת עופרת ועפרות בדיל.<ref></ref> מאוחר יותר השיטה התפתחה לכרייה הידראולית כאשר נעשה בה שימוש במהלך הבהלה לזהב בקליפורניה.

בעולם המוסלמי בתקופת תור הזהב של האסלאם והמהפכה החקלאית הערבית (במאות 8–13 לספירה), מהנדסים איסלמיים עשו שימוש נרחב בכוח מים כמו גם בשימוש מוקדם בכוח הגאות,<ref>Ahmad Y. al-Hassan (1976). Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, pp. 34–35. Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo.</ref> במתחמי מפעלים הידראוליים גדולים.<ref>Shatzmiller, Maya. (1982). L'historiographie mérinide : Ibn Khaldūn et ses contemporains (in French). p.36</ref> בעולם האסלאמי נעשה שימוש במגוון טחנות תעשייתיות המונעות על ידי מים, כולל בבתי מבטשות, טחנות קמח ביתיות, טחנות נייר, בוכנות, מנסרות, טחנות ספינה , תעשיות הברזל והפלדה, טחנות בתעשיית זיקוק הסוכר וטחנות גאות . במאה ה-11 פעלו טחנות תעשייתיות אלו ברחבי העולם האסלאמי, מאל-אנדלוס וצפון אפריקה ועד המזרח התיכון ומרכז אסיה .<ref name="Lucas">Adam Robert Lucas (2005), "Industrial Milling in the Ancient and Medieval Worlds: A Survey of the Evidence for an Industrial Revolution in Medieval Europe", Technology and Culture 46 (1), pp. 1–30 [10].</ref> מהנדסים מוסלמים השתמשו גם בטורבינות מים, בגלגלי שינים ובטחנות מים להעלאת מים ממפלס נמוך למפלס גבוהה, היו חלוצים בשימוש בסכרים כמקור כוח מים, לשימוש בטחנות מים ובמכונות להעלאת מים.

מהנדס המכונות האסלאמי אל-ג'זארי (1136–1206) תיאר עיצובים של 50 מכשירים, רבים מהם מונעים במים, בספרו "ספר הידע של מכשירים מכניים גאוניים", הוא מתאר שעונים, מכשיר להגשת יין, וחמישה מכשירים להרמה מים ומטענים". בנוסף לאלה הוא מתאר מתקן חגורה אינסופית עם כדים מחוברים המבוססת על גלגל מים.<ref></ref> 

בשנת 1753 פרסם המהנדס הצרפתי ברנרד פורסט דה בלידור ספר בשם "אדריכלות הידראוליקה Architecture Hydraulique" שתיאר מכונות הידראוליות עם ציר אנכי ואופקי.<ref name="doehis"></ref> במהפכה התעשייתית היה ביקוש רב למכונות שכאלה דבר שגרם גם להתפתחות המכונות.<ref name="watenc"></ref>

בסוף המאה ה-18 היו באירופה בסביבות 500,000 עד 600,000 טחנות מים שהפעילו טחנות קמח ומכונות אחרות. התפוקה הממוצעת של טחנות אלה הייתה בין 3 ל־5 קילוואט, במערכות הגדולות ביותר היו מגיעות מעל 40 קילוואט.<ref>Volker Quaschning : Regenerative Energy Systems. Technology - calculation - simulation . 9th updated edition. Munich 2015, p. 327.</ref>

עם התפתחות רשתות חשמל הידראוליות נעשה שימוש בצינורות להובלת מים בלחץ ולהעברת כוח מכני מהמקור למשתמשי הקצה. מקור הכוח היה בדרך כלל גלגל מים, שהפעיל משאבה. שימוש נרחב בטכנולוגיה זו נעשה בערים ויקטוריאניות בבריטניה. רשת חשמל הידראולית פותחה גם בז'נבה, שווייץ. מזרקת סילון המים המפורסמת בעולם תוכננה במקור כשסתום הפחתת לחץ יתר ברשת הצנרת להולכת המים.<ref name="geneva"></ref>

בתחילת המהפכה התעשייתית בבריטניה, המים היו מקור הכוח העיקרי להמצאות חדשות כמו נול המים או מסגרת מים לתעשיית הבדים שהתבסס על גלגל מים של ריצ'רד ארקרייט.<ref name="kreis"></ref> אף על פי שהשימוש בכוח מים פינה את מקומו לאנרגיית קיטור בטחנות והמפעלים הגדולים, הוא עדיין שימש במהלך המאה ה-18 וה- 19 לפעולות קטנות רבות יותר, כמו להניע את המפוח בתנורי רם קטנים (למשל תנור Dyfi).<ref></ref>

בשנות ה-30 של המאה העשרים, בשיא הבניית של תעלות המים בארצות הברית. אנרגיית מים שימשה להובלת דוברות במעלה ובמורד הנהרות ולהפעלת קרוניות כבלים במעלה גבעות תלולות.

ההתקדמות הטכנולוגית העבירה את גלגל המים הפתוח לטורבינה סגורה או למנוע מים . בשנת 1848, ג'יימס ב. פרנסיס , בזמן שעבד כמהנדס ראשי בחברת "לואל תאי שיט ותעלות" - Lowell's Locks and Canals company, שיפר את הטורבינות הסגורות שהגיעו ליעילות של 90%.<ref></ref> הוא יישם עקרונות מדעיים ושיטות לבדיקת בעיות תכנון בטורבינות. שיטות החישוב המתמטיות והגרפיות שלו אפשרו תכנון טורבינות בעלות יעילות גבוהה ולהתאים אותן בדיוק לתנאי הזרימה הספציפיים של האתר בו הן הוצבו. טורבינת התגובה של פרנסיס נמצאת בשימוש נרחב. בשנות ה-70 של המאה העשרים, פיתח לסטר אלן פלטון לטובת מערכת הכרייה בקליפורניה, את טורבינת הדחפים הגלגלית של פלטון היעילה ביותר, שניצלה את אנרגיית המים.

==חישוב הספק המופק ממערכת הידרואלקטרית==

המושגים Hydropower ו-Waterpower הם שמות נרדפים ל-Hydroelectric Power שמשמעותו המרת אנרגיה שמקורה בתנועת מים לאנרגיה חשמלית. אנרגיית הכבידה של המים (אנרגיה פוטנציאלית) הנופלים מראש מפל מתורגמת לאנרגיה קינטית המניעה טורבינות בתחתיתו. בהנחה שלחץ האוויר בסביבת המפל אחיד (ושווה ללחץ האטמוספירי) נפעיל את חוק שימור האנרגיה על נפח בקרה המכיל את המים במפל ברגע נתון והמוקף במעטפת בקרה:

:::: <math>\dot{Q}-\dot{W} = \frac{d}{dt}\int_{c.v.} (e_p + e_k + u) \rho d \forall + \int_{c.s.} (e_p + e_k + u) \rho \hat{n} \cdot \vec{v}d A </math>

כאשר:

<math>\dot{Q}\left[ \mathrm w \right]</math> היא קצב כניסת אנרגיה חיצונית למערכת

<math>\dot{W}\left[ \mathrm w \right]</math> הוא קצב העבודה (הספק) הנעשית על ידי מערכת המוגדרת על ידי המפל

<math>\vec{v} = v(- \hat{k}) </math> וקטור מהירות המים הלוקלית

<math>{c.s.} </math> מעטפת הבקרה

<math>\hat{n}= \left\{ \begin{array}{lr} - \hat{k}, & z=0 \\ \hat{k}, & z= \Delta h \end{array} \right. </math> וקטור יחידה הניצב למעטפת הבקרה

<math>{c.v.} </math> נפח הבקרה

<math>e_p\left[ \frac{\rm J}{kg} \right] =gz\left[ \frac{m^2}{s^2} \right] </math> אנרגיית כבידה סגולית (אנרגיית כבידה ליחידת מסה)

<math>e_k\left[ \frac {\rm J}{kg} \right] =\frac{1}{2}v^2\left[ \frac{m^2}{s^2} \right] </math> אנרגיה קינטית סגולית (אנרגיה קינטית ליחידת מסה)

<math>u\left[ \frac {\rm J}{kg} \right] =u\left[ \frac{m^2}{s^2} \right] </math> אנרגיה פנימית סגולית (אנרגיה פנימית ליחידת מסה)

<math>\rho \left[ \frac{kg}{m^3} \right] </math> היא צפיפות המים

בהנחה שאין מקור אנרגיה חיצוני המזין את המערכת יוצא ש- <math>\dot{Q}=0 </math> ו- <math>u=0 </math>.

כאשר גובה המפל <math>\Delta h \left[ m \right] </math> אז <math>e_p + e_k= g\Delta h =constant </math>.

מכאן,

::::: <math>\frac{d}{dt}\int_{c.v.} (e_p + e_k + u) \rho d \forall =0</math>

בנוסף:

::::: <math>v= \left\{ \begin{array}{lr} 0, & z= \Delta h \\ \sqrt{2g\Delta h}, & z= 0
 \end{array} \right. </math>

ולכן:

::::: <math>-\dot{W} = \int_{c.s.} (e_p + e_k + u) \rho \hat{n} \cdot \vec{v}d A = \Delta h \times g \times\rho vA = \Delta h \times g \times \rho vA = \Delta h\times g \times\rho \dot{V} = \Delta h \times g \times\dot{M} </math>

כאשר <math>A </math> הוא שטח החתך הניצב לזרם המים במפל, <math>\dot{V}\left[ \frac{m^3}{s} \right] </math> היא הספיקה הנפחית ו- <math>\dot{M}\left[ \frac{kg}{s} \right] </math> היא הספיקה המסית שלו. בפועל נצילות המערכת אינה מושלמת והעבודה המופקת ממנה מהווה שבר מהנצילות המקסימלית. לפיכך:

::::: <math>\dot{W}_{out} =-\eta \Delta h \times g \times \rho \dot{V}A =-\eta \Delta h \times g \times\dot{M}</math>

כאשר <math> { 0 \le \eta \le 1} </math> היא נצילות המערכת ו- <math>\dot{W}_{out} </math> הוא קצב העבודה המופקת מהמפל.

לשם המחשה, הספק טורבינה בעלת נצילות של <math>85% </math> בגובה 145 <math>m </math> המוּנעת על ידי מפל מים וספיקה נפחית של <math>{m^3} / {s} </math> 80 בהנחת צפיפות מים של <math>kg/m^3 </math> 1000 ותאוצת כובד של <math>m/s^2 </math> 9.81 הוא <math>\text{M} \mathrm w </math> 97 לפי החישוב הבא:

::: <math>\dot{W}_{out} = -0.85\times 1000 \ (\text{kg}/\text{m}^3) \times 80 \ (\text{m}^3/\text{s}) \times 9.81 \ (\text{m}/\text{s}^2) \times 145 \ \text{m} = -97 \times 10^6 \mathrm w = -97 \ \text{M} \mathrm w </math> 

מפעילי תחנות הידרואלקטריות ישוו את סך האנרגיה החשמלית המיוצרת עם האנרגיה הפוטנציאלית התאורטית של המים העוברים דרך הטורבינה כדי לחשב את היעילות שלה. נהלים והגדרות לחישוב היעילות מוצגים בקודי בדיקה כגון ASME PTC 18 ו-IEC 60041. בדיקת שטח של טורבינות משמשת לאימות היעילות המובטחת של היצרן. חישוב מפורט של יעילותה של טורבינת כוח מים יביא בחשבון את העומד ההידראולי שפוחת עקב חיכוך הנוזל הזורם בתעלת הכוח או בצינור, עליית מפלס מי המפלס התחתון עקב תוספת המים המגיעים מהמפלס העליון, מיקום התחנה והשפעת כובד משתנה, הטמפרטורה והלחץ הברומטרי של האוויר, צפיפות המים בטמפרטורת הסביבה, והגבהים מעל פני הים של המאגר העליון והתחתון. לצורך חישובים מדויקים, יש לקחת בחשבון שגיאות עקב עיגול מספרים של הערכים הקבועים.

מערכות אנרגיית מים מסוימות כגון גלגלי מים יכולות לנצל כוח, מזרימת גוף מים מבלי לשנות בהכרח את גובהו. במקרה זה, הכוח הזמין הוא האנרגיה הקינטית של המים הזורמים. גלגלי מים מסוימים יכולים לנצל ביעילות את שני סוגי האנרגיה.<ref></ref> זרימת המים בנחל יכולה להשתנות מאוד מעונה לעונה. פיתוח אתר אנרגיית מים דורש ניתוח של רשומות הזרימה של הנחלים ושיטפונות באזור האתר, המתמשכות לעיתים על פני עשרות שנים, כדי להעריך את אספקת האנרגיה השנתית המהימנה. סכרים ומאגרים מספקים מקור כוח אמין יותר על ידי כך שהם מאפשרים ויסות של שינויים עונתיים בזרימת המים. עם זאת למאגרים השפעה סביבתית משמעותית, כמו שינוי בזרימת הנחלים הטבעית. תכנון הסכרים חייב לקחת בחשבון גם את המקרה הגרוע ביותר, "הצפה מקסימלית של המאגר ככל הנראה" שניתן לצפות באתר; בדרך כלל בתכנוני סכרים יש לתכן מגלשי מברץ למקרה של הצפת יתר של המאגרים כדי להוביל את עודפי המים בזמן שיטפונות סביב הסכר.

== שימוש בכוח מים ==
כוח המים הוא בעל פוטנציאל גדול לייצור חשמל, תלוי בכמות המשקעים והתנאים הטופוגרפיים או הגאוגרפיים. הפוטנציאל השמיש מבחינה טכנית בעולם נאמד בכ־26,000 TWh לשנה, מתוכם 21,000 TWh יכול לשמש גם מבחינה כלכלית. הפוטנציאל שניתן לפתח בפועל הוא בסביבות 16,000 TWh, כמות זו תואמת כמעט לביקוש החשמל העולמי בשנת 2005.<ref></ref>

בשנת 2016 הותקנו ברחבי העולם תחנות כוח מים הידרואלקטריות בקיבולת מצטברת של כ־1096 GW, שייצרו כ־4100 TWh. לפיכך, תחנות הכוח ההידרואלקטריות סיפקו רק 16.6% מדרישות האנרגיה החשמלית בעולם שהם כ־2/3 מסך החשמל שנוצר ממקורות מתחדשים, שהיוו 24.5% מביקוש החשמל בעולם.<ref>RENEWABLES 2017, GLOBAL STATUS REPORT

https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/GSR2017_Full-Report_English.pdf

</ref> ייצור זה היה יותר מפי 1.7 מהייצור של תחנות הכוח הגרעיניות, שספקו בשנת 2012 כ־2,346 TWh.<ref>Norgate et al., The impact of uranium ore grade on the greenhouse gas footprint of nuclear power . Journal of Cleaner Production 84, (2014), 360-367, p. 360,</ref> מחצית מהייצור של הכוח ההידרואלקטרי העולמי מתבצע בעיקר בחמש מדינות, סין, ברזיל, קנדה, ארצות הברית ורוסיה. בעשור הקרוב, תגדל יכולת ייצור החשמל המבוססת על אנרגיית מים בעיקר בסין, טורקיה, ברזיל והודו.<ref>Omar Ellabban, Haitham Abu-Rub, Frede Blaabjerg: Renewable energy resources: Current status, future prospects and Their enabling technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews 39, (2014), 748–764, pp. 751f,</ref>
{| class="wikitable"
|+עשרת המדינות, יצרניות החשמל מאנרגיית המים בכמות הגדולה ביותר בעולם בשנת 2009<ref></ref>
!המדינה
!ייצור החשמל
השנתי ב-TWh
!החלק מכלל ייצור החשמל

במדינה באחוזים.
|-
|
|652.1
|22.25%
|-
|
|369.5
|61.12%
|-
|
|363.5
|85.56%
|-
|
|250.6
|5.74%
|-
|
|167.0
|17.64%
|-
|
|140.5
|98.25%
|-
|
|115.6
|15.8%
|-
|
|86.0
|69.2%
|-
|
|69.2
|7.21%
|-
|
|65.5
|44.34%
|}

שישי-אודישי המופעל על ידי מים נופלים שובר את השקט של גן יפני עם צליל זרוע נדנדת במבוק פוגעת בסלע. במקום גליל במבוק משתמשים בפטישים לריקוע מתכות או לפרור סלעים]]

=== כוח מכני ===
==== טחנות מים ====
טחנת מים היא טחנה המשתמשת בכוח המים. זהו מבנה המשתמש בגלגל מים או בטורבינת מים כדי להניע תהליך מכני כמו כרסום, שחיקה (טחינה) באבני רחיים, גלגול או פטיש. יש צורך בתהליכים כאלה בייצור מוצרים וחומריים רבים, כולל קמח, לוחות עץ, נייר, טקסטיל, צבע ומוצרי מתכת רבים. טחנות מים אלה כוללות טחנות קמח, גריסה ושחיקה, מנסרות, טחנות נייר, מבטשות בתעשיות הטקסטיל, טחנות פטיש בהן מפוררים סלעים לחצץ, טחנות גלגול, טחנות תיל ליצור כבלי פלדה וברזל. אחת הדרכים העיקריות לסווג טחנות מים היא על ידי כיוון הגלגל (אנכי או אופקי), האחת מונעת על ידי גלגל מים אנכי באמצעות מנגנון של תיבת הילוכים, והשנייה מצוידת בגלגל מים אופקי ללא מנגנון כזה. ניתן לחלק את טחנות גלגל המים האנכי, על פי המקום בו המים פוגעים במשוטי הגלגלים, לטחנות גלגל מים שנגיעת המים בתחתית הגלגל, או בחלק העליון שלו בקדמת הגלגל או בצד האחורי שלו. דרך נוספת לסווג טחנות מים היא על ידי תכונה חיונית לגבי מיקומן: טחנות הגאות מנצלות את תנועת הגאות והשפל; טחנות ספינות הן טחנות מים על סיפון (ומהוות) ספינה.

==== יצור אוויר דחוס ====
במקום שיש עומד מים גדול (גבוהה) ניתן לייצר אוויר דחוס ישירות ללא חלקים נעים. בתכנונים שכאלה, מים הנופלים מגבוה רב מתערבבים עם בועות אוויר שנוצרות באמצעות מערבולת או על בסיס עקרון ונטורי שבו בנקודה צרה של צנרת המים נוצר תת-לחץ השואב אוויר לתוך הצנרת. בהמשך המים הזורמים במורד פיר או הצנרת לתא תת-קרקעי, בעל גגות גבוהים. בתא האוויר הכלוא בתוך המים נפרד מהם ונלכד מתחת לגגות. גובה עמוד המים הנופל שומר על דחיסת האוויר בחלקו העליון של החדר, ואילו בתחתית התא נמצאת היציאה, שממנה מתאפשר למים לזרום אל ערוץ הנהר/נחל הנמצא בגובה נמוך יותר מהכניסה. אל פתחים נפרדים בגגות התא מתחברת צנרת האוויר הדחוס המספקת אותו לשימושים שונים בתעשייה. בשנת 1910 נבנה מתקן על בסיס עיקרון זה על נהר מונטריאול ליד קובלט, אונטריו שסיפק 5,000 כוחות סוס למכרות סמוכים.<ref></ref>

=== אנרגיה הידרואלקטרית ===
אנרגיה הידרואלקטרית היא נגזרת של אנרגיית מים לייצור חשמל. זהו השימוש העיקרי בימינו באנרגיית מים. תחנות כוח הידרואלקטריות יכולות לכלול מאגר מים (שנוצר בדרך כלל על ידי סכר) כדי ליצור את האנרגיה של מים נופלים, או להשתמש באנרגיה הקינטית של המים. מפעלים הידרואלקטריים יכולים להיות שונים בגודלם, ממפעלים קטנים בגודל קהילתי המספקים חשמל לאוכלוסייה קטנה מקומית ועד למפעלים גדולים מאוד המספקים חשמל למדינה שלמה. נכון לשנת 2019, תחנות הכוח הגדולות בעולם הן תחנות כוח הידרואלקטריות קונבנציונליות המבוססים על סכרים.

ניתן להשתמש באנרגיה הידרואלקטרית גם לאחסון אנרגיה בצורה של אנרגיה פוטנציאלית בין שני מאגרים בגבהים שונים על בסיס אנרגיה שאובה או אגירה שאובה. מים נשאבים במעלה המאגרים בתקופות של ביקוש נמוך לחשמל שישוחררו מהמאגרים העליונים כאשר הביקוש לחשמל גבוה או שהייצור מערכת החשמל הכללית נמוך ביחס לביקוש.

צורות אחרות של ייצור חשמל מאנרגיית מים כוללות מחוללי זרם מגאות ושפל המשתמשים באנרגיה הנוצרת כתוצאה מגאות ושפל של אוקיינוסים, נהרות ומערכות תעלות לייצור חשמל.<ref></ref>

==== השפעות חברתיות וסביבתיות של סכרים ====

סכרים גדולים יכולים להרוס מערכות אקולוגיות סביב הנהרות, לכסות שטחים נרחבים של אדמה במים, לגרום לפליטת גזים מצמחייה נרקבת מתחת למים ולעקור אלפי אנשים מבתיהם ולהשפיע על פרנסתם.<ref>[https://www.bbc.com/news/science-environment-46098118 Large hydropower dams 'not sustainable' in the developing world] BBC, 2018</ref><ref>Moran, Emilio F. et al [https://www.pnas.org/content/115/47/11891 Sustainable hydropower in the 21st century] Proceedings of the National Academy of Sciences 115.47 (2018): 11891-11898. Web. 30 Oct. 2019.</ref> ועוד:
* יישובים ובתי גידול שנמצאו במעלה הנהר מוצפים. הסכר הידוע כסכר שלושת הנהרות הוקם במקום בו מצטרפים שני נהרות לנהר היאנגצה שהוא אחד הנהרות הארוכים בעולם, האזור כולו ידוע בנופו המיוחד כאשר הסתיימה בניית הסכר הוצפו שלושה קניונים, ואיתם הוצף שטח של כמיליון קמ"ר. האגם כיסה את אחד הנופים היפים בסין, אתרים ארכאולוגים חשובים, ואת מה שהיה ביתם של מיליוני תושבים שפונו.<ref name=":0"></ref> תופעות שליליות דומות נכרות גם בעקבות הקמת סכר אסואן על הנילוס. בניית סכר אסואן הפרה את האיזון האקולוגי בסביבת הים התיכון בכלל ובארץ ישראל בפרט. הפרת האיזון האקולוגי משפיעה במישורים רבים החל מהתשתית הקרקעית, דרך חקלאות הדיג וההידרולוגיה, וכלה בנושאי אוקיינוגרפיה ואקלים. חול שנסחף מהנילוס מגיע הרבה פחות לחופי מדינת ישראל דבר הגורם להתמוטטות קטעים רבים מרכס הקורקר שלאורך החוף. דבר המעמיד בתים רבים בסכנת התמוטטות באזורי הרצליה ונתניה.
*סכר גלן שהוקם על נהר הקולורדו, עצר את השיטפונות העונתיים שניקו את החול מדפנות הקניון, מה שגרם לחדירת מיני צמחים פולשים, שגורמו לפגיעה בבעלי החיים המקומיים.<ref name=":0" />
*
* נוצרים מחסומי רבייה על ידי סכרים. דגי סלמון וצלופחים אינם מצליחים להשלים את מחזור חיהם בגלל סכרים. שני המינים מחלקים את חיהם בין האוקיינוסים לנהרות, הסכרים בנהרות מונעים את עליתם במעלה הנהר והתוצאה היא כי בכל העולם יש ירידה של כשלושים אחוז באוכלוסיותיהם. בהתחשב בעובדה ששני המינים נחשבים למעדן מבוקש בעולם כולו הרי זו פגיעה קשה בכלכלת הדיגים במדינות רבות.
* סחף שמקורו בהרים אינו מגיע עוד לדלתת הנהר, והדלתה נאכלת.
* סחף אינו מדשן את אדמות החקלאים לאורך הנהר, והנהר אינו מציף אותן, כפי שהיה קורה פעם לאורך הנילוס למשל.
* המדף היבשתי של חופים סמוכים נשחק עקב אי הגעת סחף (תהליך שמשפיע בצורה חזקה על מישור החוף של ארץ ישראל)
* המאגר שנוצר מאחורי הסכר עלול להביא להתפשטות יתושי המלריה.
* התפתחות של סכסוכים בינלאומיים בין המדינות בהן עובר הנהר שנסכר. הסכסוך עשוי לנבוע כתוצאה מהשינויים במשטר המים, בתוואי הגבול (שמשתנה כתוצאה מסכירת הנהר) ובשימושי המים. לדוגמה סכסוך המים בין ישראל לסוריה בעקבות ניסיון הסורים להטות את הירדן וסכירת הירמוך. כנ"ל גם ההסכם בין ישראל לירדן המתייחס לסכר דגניה על הירדן ביציאה מהכנרת. דוגמה נוספת הסכסוך בין איתיופיה מצרים וסודאן, בעקבות כוונת אתיופיה להקמת סכר על הנילוס הכחול.
*חבלה בסכר אחרי הקמתו עלולה לגרום לשיטפונות שיציפו אזורים עירוניים, כלומר פגיעה קטלנית במיליוני אנשים.<ref name=":0" />

====תחנות הידרואלקטריות בישראל====

תחנת הכוח בנהרים
את מפעל החשמל ההידרואלקטרי בנהריים, שנקרא "ירדן א'", הקים פנחס רוטנברג. תחנת הכוח שנבנתה הייתה הראשונה מבין ארבע תחנות שתכנן רוטנברג להקים לאורך בקעת הירדן. תוכניתו המקורית של רוטנברג הייתה הקמת 13 תחנות כוח הידרואלקטריות בארץ ישראל. רוטנברג קיבל ב-21 בספטמבר 1921<ref></ref> לאחר מאמצים, זיכיון לתקופה של שבעים שנה לניצול מי הירדן ומי הירמוך להספקת חשמל בארץ ישראל ובעבר הירדן. עם ההכרזה על הקמת המדינה, ב-15 במאי קיבלו תושבי תל אור ועובדי חברת החשמל בנהריים אולטימטום מהלגיון הירדני להיכנע או לעזוב את המקום. מחלקת ההגנה עזבה עם רוב הנשק ונשארו במקום בעלי תעודות זהות ירדניות. הצבא העיראקי נכנס לנהריים ולקח בשבי 30 מאנשי המקום. עם כיבוש המקום על ידי כוחות ירדן בראשית מלחמת העצמאות, הופסקה פעילותו של המפעל. היישוב תל אור וכן המפעל נבזזו ונהרסו על ידי החיילים הירדנים והעיראקים. לקראת סוף מלחמת העצמאות בקשו בצה"ל לכבוש את נהריים, אך ההתקפה בוטלה. במסגרת הסכם שביתת הנשק בין ישראל וירדן ב-1949, חלק משטחה של נהריים (להוציא תחנת הכוח עצמה) ניתן לישראל.

מספר קבוצים הממוקמים לאורך נהר הירדן יצרו לעצמם תחנות הידרואלקטריות קטנות לצריכה עצמית ולמכירת עודף החשמל, לחברת החשמל. סך הייצור הכללי באמצעות תחנות אלו (כ־6.7 מגה-ואט) הוא זניח בהשוואה ליכולת הייצור הארצית של כ־13,000 מגה-ואט, נכון לשנת 2013.

==== אנרגיה שאובה בישראל ====

בעת התכנון הראשוני של המוביל הארצי, הוצע לשלב במוביל מערכת של אנרגיה שאובה, על ידי שימוש בהפרש הגובה בין מאגר המים בכנרת ובין מאגר אשכול בעמק בית נטופה. הצעה זו לא יושמה. בשנת 1985, הציע משרד האנרגיה להקים מתקנים לייצור חשמל בשיטת אגירה שאובה כדי להחליף את טורבינות הגז ששימשו אז לייצור חשמל בשעות שיא הביקוש. שלושה אתרים נמצאו מתאימים: מבוא חמה, רמת פוריה והר ארבל, אך הפרויקטים האלה לא יצאו לפועל.

עד שנת 2009 נתנו ארבעה רישיונות להקמת תחנות כוח הפועלות בטכנולוגיית אגירה שאובה:
# בצוק מנרה - לחברת "אגירה שאובה-אלקטרה" בהיקף של עד 200 מגה-ואט. הפרשי הגובה בין המאגרים - כ-760 מ'. הפרויקט לא יצא אל הפועל בגלל חוסר כדאיות כלכלית.
# בגלבוע - לחברת "פי.אס.פי השקעות" בהיקף של עד 300 מגה-ואט. הפרשי הגובה בין המאגרים - כ-500 מ'.
# במחצבת נשר (סמוך לחיפה) - הפרויקט בוטל בגלל התנגדות של עיריית נשר.<ref></ref>
# בכוכב הירדן, על ידי "תהל אנרגיית מים", בהיקף של 340 מגהווט.
בתחילת 2017 החליטה רשות החשמל שלא להגדיל את מכסת ייצור החשמל מאנרגיה שאובה, בגלל הצפי לכניסת מצברים אוגרי חשמל לשימוש המוני.

== ראו גם ==
* אנרגיה הידרואלקטרית
* אנרגיה מתחדשת
* הפקת אנרגיה מגלי הים
* סכר שלושת הערוצים
* אנרגיה שאובה
* מבטשה (טחנת מים)
* גל (מים)
* מכניקת הזורמים
* הידרודינמיקה

==קישורים חיצוניים==

* 
* 
* 
* פורטל [http://www.ich.no/ המרכז הבינלאומי לאנרגיית מים] אנרגיה [http://www.ich.no/ (ICH)] עם קישורים לארגונים רבים הקשורים לאנרגיית מים ברחבי העולם 
* [https://www.iec.ch/dyn/www/f?p=103:23:17117799687364::::FSP_ORG_ID,FSP_LANG_ID:1228,25 טורבינות הידראוליות] (הוועדה האלקטרוטכנית הבינלאומית 
* [http://www.eere.energy.gov/consumer/your_home/electricity/index.cfm/mytopic=11050 מערכות מיקרו-כוח], מחלקת האנרגיה האמריקאית, יעילות אנרגיה ואנרגיה מתחדשת, ארצות הברית, 2005 
* 

== ביאורים ==

== הערות שוליים ==

*
קטגוריה:מים
קטגוריה:אנרגיה מתחדשת
קטגוריה:תחנות כוח הידרואלקטריות
קטגוריה:אנרגיה
קטגוריה:ייצור חשמל
קטגוריה:טכנולוגיה סביבתית
קטגוריה:מכניקת הזורמים