microhydropower.net, your internet portal on (micro)hydropower
menu powered by Milonic
Google
  Web microhydropower.net   
log in
You are here: Comments and remarks to Wim Jonker Klunne
Waterkracht - theorie
auteur: Wim Jonker Klunne




Waterkracht droeg in 1986 voor 14% bij aan het op de wereld opgewekte vermogen aan elektriciteit.
Elektriciteit kan in een waterkrachtinstallatie opgewekt worden door water (opgeslagen in een stuwmeer) door een turbine te laten stromen die aan een elektriciteitsgenerator gekoppeld is. Dammen voor stuwmeren hebben gewoonlijk twee functies:
verhogen van het waterniveau en dus van het beschikbare verval,
het creëren van een watervoorraad om fluctuaties in de aanvoer op te vangen.
Het belang van beide functies verschilt van lokatie tot lokatie. Naast dammen zijn allerlei hulpconstructies nodig zoals overlopen, afsluiters, inlaat voor het water naar de turbines, voorzieningen voor schepen en vissen om de dam te passeren, etcetera.
De meeste dammen in de wereld zijn in wezen gebouwd zonder een elektriciteitsopwek-functie, de meeste hiervan kunnen echter zeer eenvoudig wel hiervoor geschikt gemaakt worden.

Hydro-potentieel 

Waterkracht bestaat bij gratie van de hydraulogische kringloop: verdamping, neerslag, afstroming en oceanen. Het energie-potentieel aan waterkracht wordt bepaald door het volume van de afstroming van water door rivieren en de afstand die het water naar beneden valt voor het de oceaan weer bereikt.
Schattingen voor het totale potentieel aan waterkracht in de wereld lopen uiteen van 36.000 tot 44.000 terawatt-uur per jaar (TWh/jaar).
Dit potentieel is natuurlijk lang niet allemaal technisch bruikbaar (theoretisch exploiteerbaar) en dat is op zijn beurt weer hoger dan het economisch haalbare potentieel. Realistisch gesproken kan worden aangehouden dat 40 tot 60 % van het technische potentieel economisch te exploiteren is. Hieruit volgt dat het lange termijn hydro elektrische potentieel in de orde grootte van 6.000 tot 9.000 TWh per jaar ligt. Hiervan is ongeveer 2.000 TWh momenteel in exploitatie.

Voor- en nadelen 

Waterkracht is een zeer schone vorm van energie. Ze gebruikt het water slechts, nadien is het water beschikbaar voor andere doeleinden, zij het op een lager niveau. Het omzetten van de potentiële energie van water in mechanische energie is een technologie met een zeer hoge efficiëntie (in de meeste gevallen het dubbele van conventionele thermische energiecentrales). Het gebruik van waterkracht kan een bijdrage leveren aan besparingen op het verbruik van uitputbare energiebronnen. Elke 600 kWh elektriciteit die met een waterkrachtcentrale wordt gegenereerd komt overeen met het equivalent van 1 vat olie (bij een omzetting van olie in elektriciteit met een efficiëntie van 38%).

De belangrijkste voordelen van waterkracht zijn:

  • het vermogen is meestal continu aanwezig,
  • gegeven een redelijk verval is het een zeer geconcentreerde vorm van energie,
  • de hoeveelheid beschikbare energie is (redelijk) voorspelbaar,
  • geen verbruik van brandstoffen en weinig onderhoud waardoor de bedrijfskosten erg laag zijn en er geen substituten (zoals diesel) ingevoerd hoeven te worden,
  • het is een robuuste technologie met een lange levensduur (zonder veel extra investeringen kan een installatie tot 50 jaar meegaan).
Hier tegenover staan de volgende nadelen:
  • de technologie is lokatie-specifiek,
  • de plaats waar waterkracht aanwezig is is vaak niet de plaats waar de opgewekte energie nodig is,
  • er zit een maximum aan het op te wekken vermogen. (Dit stelt grenzen aan de vraag naar energie )
  • rivierdebieten variëren vaak veel in de verschillende seizoenen, speciaal in tropische klimaten. Hierdoor kan vaak slechts een percentage van het potentieel benut worden (namelijk het aanwezige vermogen bij het minimale debiet),
  • voor kleinschalige waterkrachtcentrales geldt dat de technologie nog niet algemeen bekend is. Dit vertraagt de benutting ervan.
Van water naar Watt 

Om het vermogenspotentieel van een rivier te bepalen, is het noodzakelijk het verval en het debiet te weten.
Het debiet van een rivier is de hoeveelheid water (in m3 of liter) dat gedurende een bepaalde tijdsperiode door een dwarsdoorsnede van de rivier stroomt. Debieten worden uitgedrukt in kubieke meter per seconde (m3/s) of in liters per seconde (l/s).
Het verval is het verticale hoogteverschil (in meters) waarover het water valt. 
Het theoretische vermogen (P) dat aanwezig is bij een gegeven verval van het water is recht evenredig met het verval H en het debiet Q.

P=Q.H.c
c=constant

De constante is gelijk aan het produkt van de dichtheid van water en de gravitatiekracht (g).
Als P in Watt, Q in m3/s en H in meters gemeten wordt geldt:

P=1000 . 9,8 Q.H

Dit aanwezige vermogen wordt door de waterkrachtcentrale omgezet in mechanische energie en elektriciteit. Omdat een turbine een efficiëntie heeft van minder dan 1, zal het uiteindelijk opgewekte vermogen een gedeelte zijn van het aanwezige vermogen.

De techniek 

Waterkrachtinstallaties hebben hun specifieke elementen die aangepast dienen te worden aan de situatie van de lokatie. In de figuur zijn de belangrijkste elementen van z'n installatie aangegeven. De dam blokkeert de rivier benedenstrooms met als doel het opslaan van water. De overloop reguleert de maximale hoeveelheid water en zorgt ervoor dat vloedgolven de dam kunnen passeren. De inlaat zorgt voor de toevoer van water naar de turbines en dient beschermd te worden met en vuilrooster. De tunnel en de drukpijp vervoeren het water naar het centralehuis met de turbines. Een zgn `surge-tank' bevindt zich tussen de inlaat en de turbine(s) om fluctuaties in druk en waterniveau te dempen. Na het verlaten van het centralehuis bevindt het water zich weer op het niveau van de rivier.

Moderne hydraulische waterkracht turbines zijn te rangschikken in twee groepen, namelijk reactie en impuls turbines. Bij reactie turbines bevindt de rotor van de turbine zich geheel onder water. De aandrijvende kracht is hier het drukverschil tussen het water voor en na de turbine. De belangrijkste types reactie turbines zijn bekend onder de namen Francis- en Kaplan-turbines.
Bij impuls turbines wordt de drijvende kracht ontleend aan de kinetische energie van het (vallende) water. Dit soort turbines werkt onder atmosferische druk. Het belangrijkste type impuls turbine is de Pelton-turbine.

De techniek van waterkracht bestaat al erg lang en ogenschijnlijk is deze techniek ook uitontwikkeld. Toch zijn er de laatste jaren wel degelijk ontwikkelingen geweest en nog steeds gaande. Het betreft hier:

  • een nieuw soort beton om de dam mee te bouwen dat door middel van graafmachines (draglines en shovels) verdicht kan worden en daarbij 40 % minder water en 30 % minder cement nodig heeft. Op deze wijze kan tot 66 % kosten besparing gerealiseerd worden.
  • geosynthetische materialen als afsluiting en als filtermateriaal,
  • opblaasbare rubber dammen die bovenop bestaande dammen geplaatst kunnen worden om het verval en de opslagcapaciteit te vergroten en
  • verbeteringen in transportmogelijkheden van de opgewekte energie.


Pumped storage plants 

Pumped storage plants zijn speciale versies van waterkracht installaties waarbij in de uren met verminderde vraag elektriciteit gebruikt wordt om water van een laag niveau naar een hoger niveau te pompen. Gedurende de piekvraag naar elektriciteit kan dit water weer worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. In plaats van conventionele turbines worden hiervoor reversibele pompen gebruikt die zowel het omhoog pompen als het energie opwekken voor hun rekening nemen.
In 1990 waren er wereldwijd 283 van dit soort installaties gebouwd met 74 GW geïnstalleerd vermogen. Veertig procent hiervan staat in Europa, 25 % in de Verenigde Staten en 25 % in Japan.

Variaties in watertoevoer 

Ondanks de bouw van een stuwdam is het zeer goed mogelijk dat de fluctuaties in de watertoevoer zodanig zijn dat er niet gedurende het gehele jaar een continue energieopwekking mogelijk is. Een goed voorbeeld van zo'n sterk fluctuerende rivier is de Limpopo op grens tussen Zimbabwe en Zuid Afrika: gedurende de drie droogste maanden van het jaar stroomt er 1 % van de jaarlijkse afvoer door deze rivier, terwijl de natste drie maanden 85 % voor hun rekening nemen!V Dit soort fluctuaties zouden natuurlijk op te vangen zijn door het bouwen van een hogere, grotere dam. maar dit leidt vaak tot enorm hoge kosten en milieu-schade. Twee betere oplossingen zijn het koppelen van de dam met een ander reservoir met andere watertoevoer-karakteristieke (door middel van het koppelen van de waterlopen dan wel door het koppelen van de elektriciteitsnetten) en thermische aanvullend vermogen voor periodes van onvoldoende hydraulisch vermogen.

De impact 

De constructie van waterkracht installaties heeft vaak grote impact op sociale aspecten en de omgeving. Hierbij kan gedacht worden aan het biologische zuurstof gebruik van de biomassa in het door een stuwmeer ondergelopen gebied, de huisvesting van de arbeiders die aan de dam moeten werken, de herhuisvesting van mensen en dieren die in het gebied woonden dat onder water komt te staan en dergelijke. Deze impact kan onderverdeeld worden in gevolgen van de bouwactiviteiten van een dam en de gevolgen van de aanwezigheid van de dam zelf.

Bouwactiviteiten 

De bouw van een grote dam ten behoeve van een waterkrachtcentrale is een gigantische operatie die vaak meerdere jaren duurt. Gedurende de bouw zullen grote aantallen arbeiders in de buurt gehuisvest moeten worden. Om een idee te geven van de aantallen waar we hier over spreken: het maximale aantal arbeiders dat gelijktijdig aan het werk was aan de Tucaral dam in Brazilië was 35.000!
Bouwmaterialen dienen aangevoerd te worden waarvoor vaak wegen aangelegd moeten worden. Ook de infrastructuur voor de arbeiders dient uitgebreid/aangelegd te worden met wegen, winkels, eventueel een luchthaven,mogelijkheden voor vrije tijdsbesteding, etcetera. Vaak is deze uitbreiding van de infrastructuur een economische stimulans voor de regio.
Voor de werkzaamheden zelf moet de rivier tijdelijk omgeleid worden en zal er ontbossing plaats vinden van de hellingen die later de bodem van het meer zullen gaan vormen.

Het vullen van het reservoir 

Door de bouw van een dam en het vullen van het reservoir erachter verdwijnen grote stukken land onder water. Dit land is meestal een van de meest vruchtbare gebieden uit de omgeving omdat het langs de oorspronkelijke oevers van de rivier lag. Vervangend land zal meestal moeilijk te vinden en van een mindere kwaliteit zijn.
Het land dat onder water verdwijnt is meestal ook een vestigingsplaats van mensen en dieren. Voor hen zal een ander leefgebied gevonden moeten worden. Bij het `Three Gorges'-project in China gaat het hierbij om maar liefst 1,4 miljoen mensen!

Klimaat en seismische activiteit 

De aanwezigheid van een grote massa water kan invloed hebben op het lokale klimaat. Niet alleen neemt de luchtvochtigheid toe, ook grootschaligere effecten komen voor.
Het grote gewicht van het water in het stuwmeer drukt op de ondergrond en kan allerlei zettingen tot gevolg hebben. Het staat vast dat stuwmeren seismische activiteit kunnen oproepen, de precieze relatie tussen deze twee is echter nog niet bekend.

Impact op de rivier.

Rivieren spelen een belangrijke rol in lokale ecosystemen, een dam kan deze systemen danig verstoren: het belemmerd het transport van sediment, veranderd de hoeveelheid zuurstof in het water en verstoord de vismigratie.
De waterkwaliteit benedenstrooms van een dam zal erg veranderen. Doordat er in een stuwmeer niet veel menging plaats vindt tussen de verschillende lagen water en het gebruikte water onder uit het meer komt, zullen de temperatuur en het zuurstof gehalte van het water flink dalen, met alle gevolgen van dien voor het aquatische leven.
Dammen houden niet alleen het water tegen, maar natuurlijk ook het door het water meegevoerde sediment. Dit geeft twee effecten: enerzijds kan dit sediment niet meer benedenstrooms afgezet worden en zo zorgen voor vruchtbare akkers, maar anderzijds hoopt dit sediment zich ook op in het stuwmeer dat daardoor minder water kan herbergen. Dit laatste probleem deed zich in ernstige vorm voor bij de Sanmen Gorge dam in de Yellow river: na vier jaar had het meer 41 % van z'n opslagcapaciteit verloren en kon er 75 % minder energie opgewekt worden. Een remedie hiertegen zou het regelmatig doorspoelen van het meer kunnen zijn (maar dan wel met maatregelen om vloedgolven benedenstrooms tegen te gaan) of het uitbaggeren van het meer.
Naast de hier genoemde effecten zijn nog een drie gevolgen die een stuwmeer kan hebben die hier zeker niet onvermeld dienen te blijven, te weten het aan stilstaand water inherente gevaar van malaria en bilharzia, het vrijkomen van kwik uit de bodem van het meer door reducerende omstandigheden en het gevaar van het vol groeien van het meer met waterhyacinthen.

Economische gevoeligheid 

Grootschalige waterkrachtinstallaties vragen een enorme kapitaalinvestering die alleen op lange termijn terug verdiend kan worden. De lange bouwtijd van een dam met de bijbehorende installaties legt kapitaal lang vast zonder dat er inkomsten tegenover staan. Een bouwtijd van tussen de 3« en 7« jaar (voor respectievelijk 20 en 2000 MW vermogen) is niet ongebruikelijk. Daarnaast is een overschr ding van de oplevertermijn met zo'n 25 % ook niet uitzonderlijk. Dit alles maakt een waterkrachtinstallatie erg gevoelig in schommelingen in rentestanden en wijzigingen in de economische situatie. Hier tegenover staat wel een lange levensduur van het geheel. Geconcludeerd kan dan ook worden dat de bouw van een waterkrachtinstallatie veel kapitaal vraagt, hoge sociale lasten met zich mee brengt (onder andere in verband met grondverlies met bijbehorende verplichte verhuizingen en gevolgen van een stuwmeer) en een zeer lange terug-verdien termijn kent. Dit heeft ervoor gezorgd dat het bouwen van waterkrachtinstallaties uit de gratie is geraakt.

Is er geen toekomst voor waterkracht?

Uit het voorgaande blijkt dat het opzetten van waterkrachtcentrales veel negatieve gevolgen en grote onzekerheden met zich mee brengt. Dit houdt echter geenszins in dat waterkracht geen toekomst heeft.
In het voorafgaande is namelijk slechts gesproken over waterkrachtinstallaties die bestaan uit een dam met een stuwmeer, maar waterkracht kent ook kleinschaligere toepassingen welke wel degelijk vele voordelen leveren. Deze kleinschalige toepassingen van waterkracht buiten de voordelen van waterkracht opzich uit zonder daarbij gehinderd te worden door de aan grootschalige installaties inherente negatieve effecten.

Op grond van het gegenereerde vermogen kunnen waterkrachtcentrales onderverdeeld worden in de volgende groepen:

Groot: alle centrales met een vermogen van meer dan 1000 kW (volgens sommige definities meer dan 10.000 kW).
Klein: een algemene term voor centrales met een vermogen kleiner dan 1000 kW (soms < 10.000 kW). Deze term wordt ook gebruikt voor centrales in de range van 500 tot 1000 kW.
Mini: vermogen tussen de 100 en de 500 kW.
Micro: waterkrachtcentrales met een vermogen van minder dan 100 kW (soms kleiner dan 1000 kW).

In dit artikel worden met de term kleinschalige waterkrachtcentrales installaties bedoeld tot een vermogen van ongeveer 300 kW. Hierdoor vallen zowel kleine centrales voor mechanische aandrijving, als centrales voor de opwekking van elektriciteit in eilandbedrijf (zonder koppeling met het elektriciteitsnet). Centrales onder de 300 Kw vermogen zijn normaal gesproken van het `run-of-the-river'-type, ze beschikken niet over een reservoir voor de opslag van water (ze hebben dus geen stuwmeren of grote dammen nodig).

Kleinschalige waterkracht combineert de voordelen van grootschalige waterkracht met de die van gedecentraliseerde energieopwekking (zoals bijvoorbeeld bij het gebruik van diesel). Het gebruik van kleinschalige waterkracht kent nauwelijks nadelen: geen kostbare energietransporten, geen milieunadelen zoals bij grootschalige waterkracht, geen afhankelijkheid van geïmporteerde brandstoffen en geen noodzaak tot technisch complex onderhoud. Kleinschalige waterkracht kan gedecentraliseerd gebruikt worden, lokaal geïmplementeerd en geleid worden. Het maakt rurale ontwikkeling mogelijk op basis van zelfvoorziening en met gebruik van lokale natuurlijke hulpbronnen.

De door een kleinschalige waterkrachtcentrale opgewekte energie kan gebruikt worden voor de aandrijving van machines voor de verwerking van landbouwprodukten (malen, rijstpellen, olieëxtractie en dergelijke), lokale verlichting, aandrijving van water- pompen en allerhande huisnijverheid.

Ter vergelijking wordt hierna de context voor grootschalige waterkrachtinstallaties vergeleken met die van kleinschalige toepassingen.

De context voor grootschalige waterkracht projecten

  • grote gecentraliseerde vraag naar energie (grootschalige industrieën, steden en stedelijke gebieden),
  • internationale, nationale en regionale elektriciteitsnetwerken,
  • grote ondernemingen of staatsbedrijven met hoog opgeleid en goed betaald personeel,
  • lange termijn planning en grote constructies met moderne, complexe technologieën,
  • afhankelijk van het aanwezige potentieel kan het een belangrijke bijdrage leveren aan de energiebehoefte van een land,
  • van het aanwezige potentiële vermogen wordt tot 90% benut.


De context voor kleinschalige waterkrachtcentrales

  • gedecentraliseerde, kleine vraag naar energie (kleine industrie, boerderijen, huishoudens en rurale gemeenschappen),
  • distributienetwerk met lage spanningen (eventueel sub-regionaal netwerk),
  • eigendom van een individu, corporatie of gemeenschap met het gebruik van redelijk geschoold personeel,
  • korte planningstermijnen en constructie periode met gebruikmaking van lokale materialen en vaardigheden,
  • afhankelijk van het gegenereerde vermogen kan het een zeer grote invloed hebben op de lokale leefgemeenschappen (groter dan puur de geleverde hoeveelheid energie),
  • het gedeelte van het aanwezige potentiële vermogen dat benut wordt ligt rond de 10% omdat weinig gegevens over de afvoer van de rivier bekend zijn.


Layout kleinschalige waterkrachtinstallaties

Om het verschil tussen grootschalige toepassingen van waterkracht zoals in het eerste deel van dit artikel beschreven is en kleinschalige waterkracht duidelijk te maken is figuur # opgenomen. Dit figuur geeft de onderdelen van een kleinschalige installatie aan.

Het dammetje leidt water van de rivier door een opening aan de zijkant van de rivier, de zogenaamde inlaat, in het kanaal. Een bezinktank verwijdert zwevende deeltjes uit het water. Het kanaal volgt zoveel mogelijk de hoogtelijnen om verlies aan verval te vermijden. Het water komt via het reservoir in een pijp (de drukpijp) die het water naar de turbine geleidt. In de turbine wordt de energie van het water omgezet in mechanische energie die gebruikt kan worden om allerlei machines (inclusief eventueel een elektriciteitsgenerator) aan te drijven. 
Het duidelijkste verschil met grootschalige installaties is het ontbreken van een grote dam met daar achter een stuwmeer.

 

Comments and remarks to Wim Jonker Klunne