UZALISHAJI UMEME UTOKANAO NA NGUVU YA MAJI (HYDROPOWER)

Utangulizi

Ukiacha matumizi mengine ya maji kama kunywa na kumwagilia mashamba, maji pia yamekuwa yakitumika kuendesha mitambo ya kusagia nafaka (hydro mills) na mitambo ya kuzalishia umeme (hydroelectric power). Matumizi ya maji kwa kuendeshea mitambo ya kusagia nafaka bado yanaendelea kwa baadhi ya maeneo (nimeona Tanga na Kilimanjaro), ingawa kwa uchache, lakini uzalishaji wa umeme kwa kutumia nguvu ya maji bado unaendelea kwa kasi. Kwa mada hii nitazungumzia matumizi ya maji kwenye kuzalisha umeme, hasa kwa mazingira ya Tanzania. Kwa muktadha huu mifano yangu mingi pamoja na picha zitakazotumika kwenye makala hii zitakuwa ni za mitambo iliyopo ndani ya nchi, ambako ni rahisi kwa msomaji wa makala hii kuitembelea na kujifunza. Sitajadili kwa undani sana masuala ya kiufundi ya mitambo hii, sio lengo la makala hii, lengo nataka nijenge uelewa wa kawaida tu wa msomaji namna umeme unavyozalishwa kwa nguvu ya maji.

Namna uzalishaji unavyofanywa

Ili kukokotoa kiasi cha umeme utakaozalishwa kwa kiasi fulani cha maji, kuna masuala kadhaa ya kisayansi ya kuzingatiwa, ili kupata matokeo yanayotarajiwa. Kanuni inayotumiwa katika kukokotoa kiasi cha umeme utakaozalishwa ni  P=Q*H*g, ambapo P  ni ufupisho wa  Power (nguvu ya umeme unaozalishwa, katika kilowati ), H ni ufupisho wa Head (utofauti wa kimo kutoka maji yalipochotewa kwenye banio, mpaka mtambo wa uzalishaji ulipo) na ‘g’ ni ufupisho wa acceleration due to gravity (mgandamizo utokanao na nguvu za asili). Ili umeme uzalishwe, maji hutekwa kwenye banio (intake) na kuingizwa katika bomba lenye kipenyo maalum (penstock) kulingana na wingi wa maji. Kisha maji hayo kusafiri kwenye bomba kwa shinikizo la nguvu ya uvutano hadi kwenye turbine, ambayo huzunguka na kuzungusha jenereta ambao ndio hasa hufua umeme. Kuna turbines ambazo zimeunganishwa na jenereta moja kwa moja na nyingine zimeungwanishwa kwa kutumia mikanda maalum au giaboksi. Mambo mengine muhimu yanayozingatiwa kwenye kuzalisha umeme huu ni ufanisi wa mfumo mzima (water-to-wire efficiency). 

Wingi wa maji (Q)

Wingi wa maji (Q) yatakayopita mtamboni na kuzalisha umeme hupimwa kwa kiwango cha lita kwa sekunde (l/s) au meta za ujazo kwa sekunde (m³/s). Kupima ujazo wa maji kunasaidia katika kukokotoa kiasi cha umeme utakaozalishwa. Mitambo inayotumika kubadili nguvu ya maji (potential energy) kuwa nishati mwendo (kinetic energy) ina nafasi yake kwenye kukokotoa wingi wa umeme unaozalishwa pia. 

Kimo (H)

Kwa muktadha wa makala hii, kimo ni tofauti ya mwinuko kutoka usawa wa bahari, kutoka kwenye banio (intake) maji yanapochotwa kuelekezwa mitamboni na sehemu ulipo mtambo wa kubadili nguvu ya maji kuwa nishati mwendo. Hio utofauti hupimwa kwa meta ama futi. Aina mbalimbali za mitambo huhitaji kimo tofauti tofauti, kama itakavyofafanuliwa kwa ufupi hapo chini.

Nguvu ya uvutano, acceleration due to gravity (g)

Hii ni ile nguvu ya uvutano kati ya anga na ardhi, ndiyo inayofanya jiwe lirudi chini ukilirusha kwenda angani. Katika mifumo mifumo ya uzalishaji umeme ninayoongelea hapa, maji yakishachotwa katika banio (intake), huelekezwa katika bomba lenye kubwa maalum, kulingana na wingi wa maji, hadi kwenye mtambo wa kufua umeme (turbine), kwa nguvu hii ya asili (gravitational force), hivyo maji hayahitaji kusukumwa na nguvu nyingine yoyote. Nguvu hii ndio inayosababisha uwepo wa  shinikizo la maji kwenye bomba, kuelekea kwenye turbine. Ni nguvu ya muhimu sana kwenye uzalishaji umeme kwa njia ya maji.

Aina za Turbines

Turbine (wengine huita mifuo) ni mitambo ya kuzalishia umeme ambayo huzungushwa kwa nguvu ya maji. Mitambo hii imegawanyika katika aina mbali mbali. Mgawanyiko huu unatoka na tofauti za wingi wa maji yanahitajika kuzungusha mtambo husika, kimo na eneo mahalia. Mitambo hii haifanani kwa ukubwa kutoka na tofauti nilizoelezea hapo juu (wingi wa maji na kimo). Kwa mantiki hii basi, kila mtambo husanifiwa kutokana na mahali unapoenda kufungwa na pia kutokana na wingi wa maji na tofauti ya kimo. Ni mara chache mno kukuta mitambo inayofanana ukubwa.

Francis turbines 

Ni aina maarufu ya mitambo kwa hapa kwetu, kutokana na ufanisi wake mkubwa unaofikia hadi asilimia 96. Mitambo hii imekaa katika muundo wa mzunguko (spiral) na huweza kufungwa wima (vertical) ama kwa ulalo (horizontal). Mitambo hii haihitaji maji mengi sana, ila inahitaji kimo kikubwa ili kuongeza ufanisi na kuzalisha umeme mwingi. Kwa hapa Tanzania mitambo hii imefungwa na shirika la Tanesco Lower Pangani, eneo la Hale wilayani Muheza mkoani Tanga (megawati 68), Mbalizi mkoani Mbeya (kilowati 340) na Uwemba mkoani Njombe (kilowati 843). Mtambo mwingine wa aina hii upo kijiji cha Mawengi, wilaya ya Ludewa mkoani Njombe. Huu unamilikwa na taasisi ya LUMAMA na una uwezo wa kuzalisha kilowati 300 kwa turbine mbili.

Vertical Francis Turbine - Uwemba Njombe (3x281 kw)

Horizontal Francis Turbine - Mawengi, Ludewa (2x150 kw)

Pelton turbine

Aina hii ya mitambo pia ni maarufu kwa hapa kwetu na imekuwa ikitumika kwa mitambo mikubwa na midogo. Mitambo hii inahitaji kimo kikubwa sana na maji kiasi kidogo. Aghalabu pelton inakuwa na bomba  (jet) kati ya mbili na tano za kupeleka maji kwenye pangaboi zake. Lengo la bomba hizi ni kupunguza ama kuongeza matumizi ya maji kadri ya mahitaji. Pia, turbine hizi huhitaji mwendokasi mkubwa sana ili iweze kuzalisha umeme. Kwa Tanzania, mitambo hii imefungwa na Tanesco eneo la Kihansi (megawati 180), imefungwa na Parokia ya Kabanga, wilaya ya Kasulu mkoani Kigoma (kilowati 100).

                                          Pelton turbine - Kabanga/Kasulu- Kigoma (100 Kw)

Cross flow turbine

Kiujumla hii ni mitambo midogo na hutumika kuzalisha umeme wa kiasi kidogo, mpaka kilowati 200. Hutumia maji mengi sana, kwa sababu mingi huwa na kimo kifupi (low head). Kwa hapa Tanzania mitambo hii imefungwa maeneo yafuatayo: Uwemba mkoani Njombe, (kilowati 100), Heri Mission Kasulu, mkoani Kigoma (Kilowati 100) na Lugarawa, wilayani Ludewa mkoani Njombe (kilowati 140).

Cross-Flow turbine - Lugarawa-Ludewa (140 kw)

Cross-flow turbine - Uwemba-Njombe (100 Kw)

                                  Cross-flow turbine - Heri Mission, Kasulu-Kigoma (100 Kw)

Turgo turbine

Utendaji wa mitambo hii hauna tofauti sana na pelton, ila mara nyingi mitambo ya aina hii huwa na jeti moja  tu ya maji yanayoelekea katika pangaboi zake. Katika pita pita zangu za kujifunza nimekutana na mtambo moja tu wa aina hii, uliopo eneo la Dindira, wilaya ya Korogwe mkoani Tanga. Ni mtambo wa zamani sana, ulifungwa mwaka 1959 na Wakoloni wa Kiingereza, kwa ajili ya kiwanda cha chai cha Dindira.Kwa sasa mradi huu umesimama kufanya kazi kutokana na uchakavu wa mitambo.

Turgo turbines Dindira, Korogwe- Tanga (2x206 kw)

Pump turbine

Hizi aghalabu ni pampu za kusukumia maji, ambazo zimegeuzwa kinyume na kufanya kazi kama turbine zingine. Zina ufanisi wa chini sana, ndio sababu hazitumiki mara nyingi. Katika maeneo ambayo nimepita na kujifunza, nimekuta zinatumika sana kusagia nafaka, kwamba, badala ya wahusika kufunga jenereta ya kuzalisha umeme, wao wanafunga kinu cha kusagia nafaka. Mfano mmojawapo wa pampu inayofanya kazi ya kuzalisha umeme ni ile iliyopo kijiji cha Kinko, wilaya ya Lushoto mkoani Tanga (kilowati 9). Pampu nyingine imefungwa kijiji cha Mavanga, wilaya ya Njombe mkoani Njombe (kilowati 100).

Pump turbine, Mavanga-Njombe (100 kw)

Pump Turbine, Kinko, Lushoto-Tanga (9 kw)

Kaplan Turbine

Mfumo wa turbine hii unafanana kiasi fulani na ule wa Francis, ingawa utendaji kazi wake uko tofauti. Turbine za Kaplan zinatumia maji mengi sana na kimo kifupi, tofauti na aina nyingine za turbine, hivyo huhitaji kimo kifupi tu (wakati mwingine hata meta 2 tu), ili kuzalisha umeme. Mojawapo ya turbine za aina hii kwa hapa Tanzania imefungwa katika mradi wa umeme wa Bulongwa, wilayanai Makete, mkoani Njombe, kwa ajili ya kutoa huduma ya umeme kwenye hospitali ya Misheni ya Bulongwa (kilowati 180). Turbine nyingine ya aina hii imefungwa katika mradi wa umeme wa Udeka, katika kijiji cha Matembwe wilaya ya Njombe mkaoni Njombe (Kilowati 150).

Kaplan turbine, Udeka Matembwe - Njombe (150 kw)

Ulinzi katika mifumo ya uzalishaji umeme kwa njia ya maji

Kama ilivyo katika mitambo mingine, mitambo ya kuzalishia umeme inakuwa na ulinzi anuwai ili kuepukana na majanga mbalimbali kama vile mmomonyoko wa udongo (erosion), maporomoko ya ardhi (landslides), mafuriko (floods), mpasuko wa mabomba ya kusafirishia maji (penstock rupture) na ongezeko la mwendokasi katika mitambo.  Kwa hiyo basi, ulinzi katika mitambo hii huanzia katika mabwawa ambako maji yanachepushwa kuingia katika mabomba hadi yanaposafirishwa na kufika mitamboni.

Ulinzi wa mabwawa na mabanio dhidi ya mafuriko na maji ya ziada

Kwenye usanifu wa mabwawa na mabanio, huwa kuna mbinu kadhaa za kupitisha maji yanayozidi kimo cha bwawa ama banio. Juu ya ukuta wa bwawa kuna pengo linaloachwa makusudi ili kupitisha maji yanayozidi, na kubakiza maji yanayohitajika tu. Pengo hili kwa Kiingereza kujulikana kama ‘spillway’. Pia, spillway husaidia kupitisha maji ya ziada kunapokuwa na mafuriko. Lakini mafuriko yakizidi, kuna mageti maalum ambayo hufunguliwa ili kupitisha maji ya mafuriko, ili kulinda kingo za bwawa zisimomonyoke. Katika mitaro ya kusafirishia maji, kunakuwa na sehemu maalum (spillway) za kupunguzia maji yanayozidi uwezo wa mtaro husika. Hii pia husaidia kulinda mtaro dhidi ya mmomonyoko wa udongo wakati wa mafuriko.

Hilo pengo linaloonekana katikati ya kingo mbili ndio spillway

Spillway ya kwenye mtaro wa kusafirishia maji

Ulinzi wa mabwawa na mabanio dhidi ya magogo , wanyama na mawe

Kwenye mabanio ama mabwawa kuna uwezekano wa kusafirishwa mawe, magogo, takataka za aina anuwai na wanyama, kutokana na kusombwa na maji kutoka kwenye vyanzo ama njiani. Kusipokuwa na udhibiti madhubuti kwa vitu hivi, kuna uwezekano mkubwa vikaingia katika mabomba ya kusafirishia maji (penstock) na kuziba mtirirko wa maji, ama kufika hadi katika ‘turbine’ na kuziharibu. Kuna hatua kadhaa zinazochukuliwa ili kudhibiti takataka hizi. Katika sehemu ya banio, hutengenezewa mfumo wa chujio ama chekeche (grate/mesh) kwa ajili ya kuchuja taka na kuzuia mawe na magogo kupita. Huu mfumo husaidia kulinda mabomba na mitambo mingine katika mfumo mzima wa uzalishaji umeme kwa njia ya maji.

                                          Chujio ya takataka

Ulinzi wa bomba la kusafirishia maji dhidi ya mpasuko (rupture)

Bomba la kusafirishia maji kutoka katika banio hadi mtamboni huwa linakua na mgandamizo mkubwa, kutoka na kimo na wingi wa maji. Lina namna mbali mbali za ulinzi. Kwanza, huwa maji yanayopitishwa katika bomba huwa yamepimwa uwingi wake, na kunakua na valvu ya kudhibiti wingi huo (gate valves). Pili, mabomba mengi hufukiwa ardhini pale inapobidi, ili kudhibiti mgandamizo huo. Tatu, mabomba huwa na kifaa cha kupumulia (ventilator) ili kukabiliana na shinikizo kubwa la maji pale valvu za kwenye turbine zinapokuwa zinafungwa kwa matengenezo ya turbine au kama kuna uharibifu unaotokana na kukwama kwa kitu ndani ya turbine. Haya yote kusaidia kudhibiti bomba lisipasuke. Ukiachilia mbali hio vent, mabomba hasa ambayo yako juu ya ardhi huwekewa valvu za usalama, ili kupunguza mgandamizo utokanao na nguvu ya maji. Nne, vizuizi dhidi ya mbinuko wa mabomba(anchors) huwekwa pia ili kuzuia bomba lisipinde pale linapozidiwa na shinikizo kubwa la maji.

Hizo nguzo zilizoshikilia bomba ndio 'anchors' nilizongeelea hapo juu

Hilo bomba jeusi lilipindia kulia ndio 'vent'

Ulinzi wa mfumo mzima dhidi ya kujaa matope na mchanga

Katika baadhi ya maeneo, hasa yale yenye shughuli nyingi za kilimo karibu na bwawa ama banio, kunakuwa na kiwango kikubwa sana cha udongo kinachosombwa na maji na kuingizwa bwawani ama katika banio. Kwa mifumo midogo ya uzalishaji umeme, kunakuwa na dimbwi dogo la kutuamisha tope (desilting basin)na kuacha maji yakiendelea na mtirirko kuelekea mtamboni. Pia katika bwawa lingiine dogo (forebay) huwa valvu maalum ya kutolea mchanga na matope pale yanapokuwa yamejaa. Lakini katika mfumo wa mabwawa makubwa kunakua na kifaa kijulikanacho kama ‘dredger’ kwa ajili ya kupunguza mrundikano wa tope na mchanga kwenye bwawa.

Desilting basin

Forebay - Kinko, Lushoto-Tanga

Ulinzi dhidi ya kuzidi/kupungua sana kwa mwendokasi wa turbine (over speeding/under speeding)

Kidhibiti mwendo(governor)

Kunapokuwa na matumizi madogo sana ya umeme kule unakotumika, husababisha turbine kwenda kasi kuliko kawaida. Iwapo kasi hii haitadhibitiwa basi kuna uwezekano wa kuharibu mitambo. Hali kadhalika iwapo umeme unatumika kupita kiwango husababisha turbine kuzunguka polepole sana, hivyo kupunguza mwendokasi na ufanisi. Ili kudhibiti hali hizi mbili, kifaa kiitwacho gavana (governor) kufungwa sambamba na turbine ili kudhibiti mwendokasi wake kulingana na mahitaji. Kifaa hiki hupokea mawasiliano ya mwendokasi kutoka kwenye turbine na kurekebisha mwendokasi huo kutokana na mahitaji ya umeme wakati husika. Kazi kubwa ya kifaa hiki ni kudhibiti mtiririko wa maji kuingia katika turbine kadri ya mahitaji. Mahitaji yakiwa makubwa, gavana kufungua zaidi valvu, hali kadhalika matumizi ya umeme yakipungua gavana kupunguza maji. Hali kadhalika, iwapo mtambo utasimama ghafla, kifaa hiki hufunga kabisa mtirirko wa maji ili kulinda turbine.

Kidhibiti mwendo (governor), Uwemba - Njombe

Kidhibiti mwendo (governor), Heri Mission Kasulu-Kigoma

Electronic Load Controller

Kwa mitambo ya kisasa sana, kuna kifaa kingine kijulikanacho kama “Electronic Load Controller”, ambacho hufanya tofauti na gavana, na ni cha kisasa zaidi. Kifaa hiki hakidhibiti mtiririko wa maji kama gavana, ila kinadhibiti frequency na umeme unaotumika. Kunapokuwa na matumizi makubwa ya umeme, frequency hupungua, hivyo kifaa hiki hupeleka mawasiliano katika jenereta na jenereta huongeza mwendokasi ili kuendana na matumizi. Kunapokua na matumizi madogo sana ya umeme, kifaa hiki huelekeza umeme wa ziada katika vifaa maalum (ballast load/dump load), ili frequency ibakie ile ile iliyopangwa. Hii ballast load mara nyingi zinatumika heater hizi tulizozizoea kutumia majumbani kuchemshia maji, ila hizi huwa na uwezo mkubwa sana.

                                          Electronic Load controller, Kinko, Lushoto-Tanga

Hitimisho

Umeme uzalishwao kwa nguvu ya maji umekuwa msaada mkubwa sana kwa maendeleo ya taifa, tangu enzi za mkoloni. Ingawa enzi za mkoloni mitambo ilikuwa midogo sana kwa ajili ya kukidhi matumizi ya taasisi za kidini na chache za umma, serikali ya Tanzania ilijikita na kujenga mitambo mkubwa zaidi na kusafirisha umeme kwenye gridi ya taifa ili kusambaza nchi nzima. Bado kuna vyanzo vingi sana vya umeme huu mbayo havijaendelezwa, kunahitajika juhudi za kuviendeleza ili kuleta maendeleo karibu zaidi na wananchi.