Waterkracht is de naam voor energie die wordt ontleend aan water, hetzij door gebruik te maken van een hoogteverschil hetzij door gebruik te maken van de stroomsnelheid van water. Men spreekt ook van “witte steenkool”. Met het “witte” doelde men vooral op de kleur van het schuimende water en op het schone karakter van dit type energie.
Tegenwoordig wordt vrijwel alle waterkracht omgezet in elektriciteit in waterkrachtcentrales, in het verleden werd de opgewekte mechanische energie ook wel meteen gebruikt, bijvoorbeeld om water op te pompen met een watermolen.
Achtergrond
Het gebruik van waterkracht is al eeuwen oud. Reeds in het Oude Egypte en Mesopotamië werd waterkracht gebruikt voor irrigatie. In India en het Romeinse Rijk kende men reeds systemen om molens en wielen aan te drijven met waterkracht. In China werden sinds de Handynastie watermolens op grote schaal toegepast, bijvoorbeeld voor het delven van erts.
Tegenwoordig kent men waterkracht vooral van waterkrachtcentrales, waarin stroom wordt opgewekt. Dit principe werd voor het eerst toegepast in 1886 door Westinghouse en Stanley. Een stuwdam kan smelt- en regenwater opvangen in een kunstmatig meer. Een waterkrachtcentrale met stuwdam levert vooral bij grote hoogteverschillen (Noorwegen, Zwitserland, Oostenrijk, Frankrijk) veel vermogen. Een riviercentrale heeft geen waterreserve om de schommelingen in het debiet op te vangen.
Bij een pompcentrale of spaarbekkencentrale wordt water in de daluren opgepompt naar hoger gelegen bekkens. Tijdens de piekuren stroomt het water terug en drijft de turbines aan. Op deze manier kan men elektriciteitscentrales die bij voorkeur op constant vermogen draaien (met name kolencentrales en kerncentrales) economisch beter benutten.
Berekeningen
Waterkracht kan worden berekend in de hoeveelheid beschikbare vermogen of energie per tijdseenheid. In grote reservoirs is de hoeveelheid vermogen doorgaans een functie van de stijghoogte en de stroomsnelheid.
De hoeveelheid energie, E, die vrijkomt indien een object met massa m valt vanaf een bepaalde hoogte h bij een bepaalde zwaartekracht g wordt berekend door:
Bij waterkrachtcentrales wordt water gecontroleerd losgelaten van een hooggelegen gebied naar een lager gelegen gebied. Hierbij is de hoeveelheid vermogen die wordt gegenereerd gerelateerd aan de massastroming
Bij waterkrachtsystemen die gebruik maken van de stroomsnelheid van water i.p.v. water dat van hoog naar laag valt, zoals degene die gebruik maken van een waterrad, is het vermogen in feite de kinetische energie van het stromende water.
Waterkrachtcentrales
Principe van een waterkrachtcentrale
A – reservoir, B – krachtcentrale,
C – turbine, D – generator,
E – inlaat, F – leiding,
G – hoogspanningskabels,
H – rivier
Hydraulic turbine and electrical generator.
Waterkrachtcentrales of hydraulische centrales zijn elektriciteitscentrales die stromend of neerstortend water (zie waterkracht) gebruiken om een turbine in beweging te brengen. Ze bevinden zich op stromen en rivieren, met al dan niet een kunstmatige dam. Het verval en het debiet van de stroom zijn bepalend voor de werking.
Het gebruik van waterkracht brengt geen vervuiling met zich mee en geen gevaarlijk radioactief afval. Daarom worden waterkrachtcentrales gezien als opwekker van groene energie.
Eerste wisselstroomenergienetwerk van Amerika
In 1886 installeerden Westinghouse en Stanley Amerika’s eerste wisselstroom energienetwerk in Great Barrington. Een door waterkracht aangedreven generator, die 500 volt wisselstroom produceerde, voorzag dit netwerk van energie. De spanning werd omhoog gebracht naar 3000 volt voor transport om de verliezen die evenredig zijn met het kwadraat van de stroom te beperken en lokaal weer omlaag gebracht naar 100 volt voor de voeding van elektrische verlichting.
De triomf van de draaistroom werd getoond in Europa tijdens de Internationale Elektrotechnische Tentoonstelling van 1891 in Frankfurt am Main. Doliwo-Dobrowolski gebruikte zijn wisselstroomprincipe om elektrische energie te transporteren over een afstand van 176 km, van Lauffen am Neckar naar Frankfurt, met een rendement van 75%. Om dit mogelijk te maken, creëerde en bouwde hij een driefasentransformator en ontwierp hij bij Lauffen ‘s werelds eerste driefasig, door waterkracht aangedreven, elektriciteitscentrale. Hiermee legde hij de basis van de huidige elektriciteitsnetten.
Elektriciteitscentrale op de Niagara-watervallen
De eerste effectieve elektrische centrale op wisselspanning zoals de wereld ze nu kent was op de Niagarawatervallen in de Verenigde Staten ingehuldigd op 16 november 1896. Men sprak toen van witte steenkool. Met deze wisselspanning van 25 Hz werd Buffalo van elektrische energie voorzien. Later schakelde men over op 60 Hz als standaard voor de VS.
Tegenwoordig wordt elektriciteit opgewekt door vier centrales, namelijk de Sir Adam Beck 1 en Sir Adam Beck 2 op Canadees grondgebied en de Robert Moses Niagara Power Plant en de Lewiston pump Generating Plant op Amerikaanse bodem. Samen leveren ze 4,4 GW aan vermogen, waarmee ze voorzien in een kwart van de energiebehoefte van Ontario en de staat New York.
Grootste Bezwaren
Toch bestaan er in natuur- en milieukringen ook bezwaren tegen deze vorm van stroomopwekking. Met name wanneer er een stuwmeer bij de centrale gemaakt is door middel van een dam, heeft dit allerlei ongunstige consequenties. Zo leidt de opeenhoping van organismen in het meer tot allerlei chemische reacties, die op hun beurt een aanzienlijke uitstoot van broeikasgassen tot gevolg hebben. Met name in warme streken, zoals de tropen, is deze uitstoot zelfs groter dan bij een even grote conventionele centrale.
Een en ander is dan ook onderwerp van gesprek geweest tijdens de VN klimaatconferentie op Bali in 2007.
Het genoemde milieunadeel doet zich niet voor wanneer er geen stuwmeer is, maar ook dan wordt het leefpatroon van de waterdieren danig verstoord. Zo zijn veel soorten vissen te groot om de inlaatroosters te passeren. Met name de trekkende soorten, zoals de zalmen en forellen en de paling, kunnen daardoor niet verder, zoals hun biologische gestel dat eist. Deze soorten komen dan ook vrijwel niet meer voor in rivieren waarin waterkrachtcentrales aanwezig zijn. De kleinere waterdieren die wel door de roosters kunnen, moeten daarna de draaiende turbines passeren en daarbij kunnen ze geraakt worden door de rotoren of een shock oplopen door de enorme turbulentie waarin ze nietsvermoedend plotseling terechtkomen.
Het stuwmeer kan vrij snel dichtslibben door de bezinking van materiaal dat normaal met de rivier wordt meegevoerd. Dit vermindert de oorspronkelijk berekende capaciteit en brengt extra kosten met zich mee voor bijvoorbeeld het uitbaggeren van slib.
Tijdelijke opslag van energie
Veel grote waterkrachtcentrales in bijvoorbeeld Zwitserland zijn zo gebouwd, dat ook water in het stuwmeer hooggepompt kan worden. Dat is lucratief, omdat de stroomprijs gedurende de dag sterk varieert en ondanks de rendementsverliezen in de pompen en turbines goed geld verdiend kan worden. Pieken in de elektriciteitsbehoefte kunnen zo opgevangen worden.
In de praktijk komt de stroom voor de pompen overwegend van kern- en kolencentrales en is deze vorm van waterkracht niet “schoner” dan de stroom die direct uit zulke centrales komt.
Risico’s
Het aanleggen van zeer grote stuwmeren door middel van een dam in rivieren, is niet geheel zonder gevaar. Een bekend voorbeeld van hoe het fout kan gaan, is de ramp met de Banqiao-dam in Zuid-China (1975).
Eerder in Europa ging het mis in 1959 bij Fréjus (Malpassetdam) door een breuk in een stuwdam, waarbij 423 mensen omkwamen. Hier stond overigens geen krachtcentrale. In 1963 viel een deel van een berg, de Monte Toc, in een stuwmeer bij Vajont (Vajontdam) in Italië. Het over de stuwdam stromende water werd met grote kracht door de achterliggende doorgang geperst waarbij ca. 2000 doden vielen. Deze dam was wel aangelegd voor waterkracht.
Dergelijke stuwdammen vormen potentieel kwetsbare plekken bij militaire conflicten.
Ruime toepassing
In Zuid-Amerika komt driekwart van de elektriciteit van waterkrachtcentrales. Noorwegen maakt voor zijn elektriciteitsproductie vrijwel uitsluitend gebruik van waterkrachtcentrales. 99% van de totaal geproduceerde elektriciteit wordt er verkregen door middel van waterkracht; (119,8 TWh in 2007). Deze centrales zijn vooral in het noorden gelegen. Canada, Nieuw-Zeeland, Oostenrijk en Zwitserland produceren meer dan de helft van hun elektriciteit door waterkrachtcentrales.
Het land met de grootste totale productie van waterkrachtelektriciteit is China (486 TWh in 2007). In dat land zijn bovendien nog eens vele projecten in aanbouw.
In Nederland: Sluis- en Stuwcomplex bij Hagestein in de Lek (1,8 MW, voltooid in 1958)
Sluis- en Stuwcomplex Amerongen bij Maurik in de Nederrijn (10 MW, 1988)
Sluis- en Stuwcomplex bij Linne aan de Maas (11,5 MW, 1989)
Sluis- en Stuwcomplex bij Lith aan de Maas (14 MW, 1990, verval 3,7m)
Totale bijdrage in Nederland in 2009 was 98 GWh volgens het CBS
Kleine waterkracht
Een variant op de waterkrachtcentrale is de kleine waterkracht. Hiermee wordt een installatie aangeduid waarbij potentiële energie, aanwezig in een waterloop, wordt omgezet naar mechanische energie bij een netto vermogen van minder dan 10 MW.
Het wordt verder onderverdeeld in mini waterkracht voor installaties kleiner dan 1 MW. Die grens van 1MW is vrij arbitrair. Hij is bedoeld om een onderscheid te maken met installaties die gekenmerkt worden door grote ingrepen in de waterloop, meer bepaald het plaatsen van een stuwdam met vorming van een stuwmeer. Het hoofdkenmerk van een mini waterkrachtinstallatie is dat de ingreep op de waterloop, nodig om de energie om te zetten, beperkt blijft.
Bij een typische installatie wordt een stuw in de waterloop geplaatst. Een gedeelte van het water wordt naast de stuw geleid naar een machine die aangedreven wordt door het water. Veelal staat de machine direct naast de stuw en gebeurt de omleiding van het water alleen lokaal. Essentieel is dat de waterloop weinig gewijzigd wordt, zodat er geen grote gevolgen zijn voor de natuur in de omgeving van de waterloop.
.
