Waterkracht

Waterkracht is de potentiële energie van water die we omzetten in een andere vorm van energie en dan meestal nuttig gebruiken. Waterkracht is een van de oudste energiebronnen en werd honderden jaren geleden al toegepast in de vorm van waterwielen die in de verschillende rivieren werden gebouwd om de energie te leveren voor bijvoorbeeld het malen van graan. Waterkracht was ook een van de eerste bronnen van grootschalige elektrische energie ("witte steenkool") en wordt heden ten dage nog steeds op grote schaal toegepast voor de opwekking van elektriciteit. Waterkracht kent een zeer brede schaal van toepassing, van 100Watt voor micro-waterkracht centrales tot 22,5GW (22.500.000.000 Watt) voor de Drie Kloven Dam in China.

Berekenen potentiële waterkracht

Een overzicht van verschillende turbine types voor verschillende vermogensbereiken als functie van de stroming en het verval.

Alvorens te investeren in de bouw van een waterkrachtcentrale is het belangrijk om te weten hoeveel energie er beschikbaar is. Om in te schatten hoeveel waterkracht er in een rivier of beek beschikbaar is, moeten er eerst een paar metingen gedaan worden:

• Wat is het verval?
  Dat is het hoogte verschil tussen de turbine en het waterniveau. In het geval van een stuwmeer zal dit het niveau van het meer zijn boven de turbine en in het geval dat het water direct een buis in stroomt de hoogte waarop het water de buis in stroomt boven de turbine.
• Hoeveel water is er beschikbaar?
  Voor de berekening van het vermogen is het aantal liter per seconde van belang. Voor de energie echter de inhoud van een mogelijk stuwmeer, maar als er geen stuwmeer is, dan is de beschikbare energie gelijk aan de gemiddelde doorstroom maal de tijd.
• Wat is de variatie in stroomsnelheid tussen de seizoenen?
  Als de meting plaatsvindt wanneer het zojuist heel hard heeft geregend, dan zal deze niet representatie zijn voor het gemiddeld beschikbare vermogen. Het is daarom van belang te weten wat de variatie in de stroming is door de seizoenen.

Het vermogen in watt wat beschikbaar is, is dan gelijk aan de energie die er per seconde beschikbaar is van het water, want watt is Joule/seconde. Als we dus de potentiële energie van het water berekenen en dit delen door het aantal seconden, dan weten we het beschikbare vermogen.

De potentiële energie is gelijk aan:

• E_potentieel = M × g × h
  (potentiële energie = massa × aantrekkingskracht van de aarde × hoogte)

Omdat een liter ongeveer 1kg weegt op aarde kunnen we de massa echter vervangen door de doorstroom van water in Liter/seconde en dan zal de formule energie per seconde opleveren, wat een vermogen is. Door nu de aantrekkingskracht van de aarde eveneens te vereenvoudigen van 9,81m/s² naar 10m/s² levert het de eenvoudige vuistregel op:

• Vermogen (in watt) = doorstroom (in liter / seconde) × hoogteverval (in meters) × 10

Een waterkracht centrale zal echter nooit 100% efficiënt zijn en dus nooit de volledige theoretisch beschikbare energie kunnen winnen. In de praktijk zal ongeveer 80%-95% om te zetten zijn in elektriciteit.

Rekenvoorbeeld

Voor een gemiddeld Nederlands huishouden is jaarlijks zo'n 3500kWh stroom nodig. 3500kWh/(365*24)=400watt gemiddelde het hele jaar lang. Als er nu een beekje beschikbaar is met een hoogte verval van 10 meter, dan zal er dus 400 watt / 10 meter / 10 m/s² = 4 L/s moeten stromen het hele jaar lang om dit te kunnen produceren. Omdat het hele systeem maar 80% efficiënt is zal dit echter nog stijgen tot 5 L/s.

Andersom; onder een brug boven een rivier stroomt 1m diep water tussen twee pijlers door die 7m uit elkaar staan. De gemiddelde snelheid van het water is 3m/s, dus er stroomt ongeveer 3m/s × 7m * 1m = 21m³/s door de rivier. Verderop is een stroomversnelling waar de rivier over een relatief korte afstand 13m vervalt. Een waterkrachtcentrale zou hier dus 21.000L/s × 13m × 10 × 85% = 2.320.500 Watt (2,3MW) kunnen opwekken. Ongeveer net zo veel als een gemiddelde grote windmolen op volle capaciteit.

Voordelen & Nadelen

Voordelen

• Geen CO2
  Is de installatie en het eventuele stuwmeer eenmaal aangelegd dan kost deze vorm van energieopwekking nagenoeg absoluut geen fossiele energie en is dan ook nagenoeg absoluut vrij van CO2-uitstoot.
• Snel en goed regelbaar
  Waterkrachtcentrales zijn uitermate goed regelbaar. In Engeland staat bijvoorbeeld een speciale waterkracht centrale die kan helpen het elektriciteitsnet op te starten na een complete uitval. Deze centrale kan in 16 seconden zijn volle vermogen van 1800MW bereiken. Dit is ook de reden waarom waterkracht centrales vaak ingezet worden op de balansmarkt. Ook draaien in Noorwegen bijvoorbeeld overdag de waterkrachtcentrales maximaal om via de NorNed-kabel electriciteit te leveren naar Nederland terwijl 's nachts Noorwegen kan profiteren van de overcapaciteit van Nederlandse electriciteitscentrales.
• Irrigatie en bufferen
  De stuwmeren kunnen ook gebruikt worden voor het bufferen van drink- en irrigatiewater, zoals in de Colorado-rivier (Californië).
• Verminderen overstromingen
  Extra water bufferen en irrigatie in de bovenloop van een rivier kan overstromingen in de benedenloop voorkomen.

Nadelen

• Veel landgebruik
  Als er een stuwmeer aangelegd moet worden gaat veel ruimte voor natuur, landbouw en bewoning verloren als ook cultureel erfgoed. Dit nadeel wordt nog versterkt doordat stuwmeren vaak in dalen liggen, waar bewoning zich juist rond de rivier concentreert, of omdat meren hoog in de bergen liggen, waar het ecosysteem sowieso al minder veerkrachtig is.
• Verstoring van de seizoensinvloeden
  Door het aanleggen van een dam wordt de natuurlijke cyclus van overstromingen vaak verstoord, waardoor ook de met deze overstromingen gepaard gaande toevoer van vruchtbare grond op de overstroomde akkers verstoord wordt. Sinds de aanleg van de stuwdam in de Nijl vinden er geen overstromingen meer plaats waardoor veel landbouwgrond geen vruchtbaar kleilaagje meer krijgt en er dus kunstmest gebruikt moet worden.
• Ecologisch schade
  Vissen kunnen niet door een dam zwemmen. Met speciale visladders kan die deels opgelost worden, maar niet helemaal. Vaak worden echter complete beken en riviertjes omgeleid naar een groot stuwmeer, waardoor deze compleet droog komen te staan.
• Grote schade bij dambreuk
  Een dambreuk kan enorm veel schade veroorzaken en veel mensenlevens kosten.

Zie ook

• Getijdenenergie
• Golfenergie