white space

Waterkrachtenergie

1 Wat is waterkracht?

Waterkracht ontstaat uit de waterkringloop. Het water in de zee wordt door de zon opgewarmd en verdampt. Boven land stijgt de vochtige lucht op en worden er wolken gevormd. Met name in heuvels en bergen komt dit als neerslag weer naar beneden. Door rivieren stroomt het water onder invloed van het hoogteverschil weer terug naar zee. Het benutten van waterkracht kent een lange geschiedenis. Waterkracht is in het verleden veelvuldig ingezet voor het mechanisch bewerken van allerlei grondstoffen, zoals graan en hout. Traditioneel werd de energie van water omgezet met waterwielen, zie Figuur 1. Deze waterwielen werden al gebruikt in de tweede of derde eeuw voor Christus.


Figuur 1: Waterwiel

Bij deze waterwielen wordt het verval van een waterstroom direct omgezet in een draaiende beweging van het wiel. Later ontstond daaruit het waterwiel van ‘Poncelot’ die de valhoogte van het water (potentiële energie) eerst omzette in snelheid van het water (kinetische energie). Dit vond plaats in een aanstroom kanaal of buizenstelsel. Het water spoot vervolgens met grote snelheid tegen een waterwiel aan. Het ‘Poncelot’-wiel kan worden beschouwd als de voorloper van de zogenaamde moderne ‘impuls’-waterturbine. Zo’n waterturbine wordt gebruikt in een moderne waterkrachtcentrale waarbij een groot verval wordt omgezet in hoge watersnelheden.

2 Hoe werkt een waterkrachtcentrale?

De kracht van stromend en vallend water kan met behulp van een waterturbine in een draaiende beweging worden omgezet. Door de as van de turbine te koppelen aan een generator wordt elektriciteit opgewekt. De werking van deze generator is te vergelijken met een fietsdynamo.

2.1 Grootschalige waterkracht

In bergachtige gebieden valt water relatief snel naar beneden door het grote verval. Waterkrachtcentrales die gebruik maken van de grote valsnelheid van het water werken met ‘impuls’-turbines. Om verzekerd te zijn van voldoende aanvoer van water, ook in tijden van weinig neerslag of weinig smeltwater, legt men stuwmeren aan. Bij de bijbehorende stuwdam ontstaat dan een groot verval. Via het aanvoerkanaal en de valbuis komt het water dan bij de turbine, zie Figuur 2 hieronder. Waterkrachtcentrales gekoppeld aan stuwmeren hebben vaak een groot elektrisch vermogen van enkele honderden MegaWatts (MW).


Figuur 2: Waterkracht m.b.v. stuwmeer

2.2 Kleinschalige waterkracht

In Nederland zijn kan waterkrachtenergie niet uit een hoogteverschil of snelheid van het water gehaald worden, maar moet gehaald worden uit de enorme watermassa die in korte tijd passeert.


Figuur 3: Kleinschalige waterkracht

Hierboven wordt een dwarsdoorsnede gegeven van de waterkrachtcentrale te Linne.

In Nederland maken de toegepaste turbines gebruik van het drukverschil voor en achter de turbine, dit zijn zogenaamde ‘reactie’-turbines. De bladen lijken op die van een grote scheepsschroef. Het toerental is niet zo hoog als bij een ‘impuls’-turbine. Om dit toerental te versnellen wordt een tandwielkast voor de generator geplaatst. Omdat de aanvoer van het water benedenstrooms (dicht bij zee) veel regelmatiger is dan bovenstrooms is de aanleg van stuwmeren niet nodig. Het vermogen dat kan worden opgewekt in onze rivieren bedraagt van enkele MW’s tot een tiental MW.

3 Energieopbrengst in Nederland

De elektriciteitsproductie van een waterkrachtcentrale is sterk afhankelijk van het hoogteverschil en van de hoeveelheid water die de centrale passeert. Nederlandse rivieren worden als regenrivieren beschouwt, omdat ze voor het grootste deel afhankelijk zijn van de hoeveelheid neerslag. De gemiddelde opbrengst van een 10 MW-waterkrachtcentrale bedraagt in Nederland ca. 27 GWh per jaar. Dit staat gelijk aan het jaarlijkse elektriciteitsverbruik van 9.000 huishoudens.

Door Nederland stroomt een grote hoeveelheid water via de Rijn en Maas naar zee. Met behulp van het hoogteverschil tussen binnenkomst van de rivieren en zeeniveau en de hoeveelheid water die per tijdseenheid wordt afgevoerd, kan een schatting gemaakt worden van de hoeveelheid aanwezige waterkracht in Nederland. Voor de Rijn (hoogteverschil 11 meter en een waterhoeveelheid van 1.200 tot 1.800 m3 per seconde) is het potentieel 1.200 MW. Voor de Maas (hoogteverschil 44 meter en een waterhoeveelheid van 250 m3 per seconde) is het potentieel dan 108 MW. Door het geringe hoogteverschil in de Rijn (die grotendeels overgaat in de Waal) kan dat potentiële vermogen niet aangewend worden. De situatie ligt anders voor de Maas en Nederrijn/Lek, die zouden zonder stuwen voor de scheepvaart te snel leeg stromen. En bij stuwen ontstaat een bruikbaar hoogteverschil over korte afstand. Het realistisch potentieel aan waterkracht in Nederland wordt geschat op 80 tot 110 MW. Dit komt ongeveer overeen met het jaarlijks elektriciteitsverbruik van 85.500 huishoudens.

3.1 Stand van zaken

Sinds 1990 zijn er geen nieuwe waterkrachtcentrales in gebruik genomen. In 1999 stond ongeveer 38 MW opgesteld, verdeeld over 5 centrales en enkele kleine installaties van particulieren.

In 1999 was het huidig opgesteld vermogen goed voor een elektriciteitsproductie van 90 GWh. Deze productie kan per jaar verschillen bij variatie in de watertoevoer (hoeveelheid neerslag per jaar). De elektriciteitsproductie in 1999 door middel van waterkracht staat gelijk aan het jaarlijkse elektriciteitsverbruik van ca. 25.000 huishoudens.

Een project waarvan de voorbereidingen het meest vergevorderd zijn, is het plan Borgharen met ongeveer een vermogen van 7 MW en een elektriciteitsproductie van 30 GWh per jaar. Dit komt overeen met het jaarlijks elektriciteitsverbruik van ongeveer 6.300 huishoudens.


Figuur 4: waterkracht in Nederland

3.2 Doelstelling

De overheid heeft als doel gesteld dat er ongeveer 100 MW in 2020 opgesteld moet zijn aan waterkracht. Dit betekent elektriciteit voor ongeveer 95.000 huishoudens. Deze doelstelling moet overigens al in 2007 gehaald zijn en komt overeen met ongeveer 1% van de totale duurzame-energie doelstelling voor het jaar 2020. Voor 2000 is het doel op ongeveer 40 MW gesteld.

3.3 Onderzoek

In het kader van een meerjarig programma heeft het Ministerie van Economische Zaken laten onderzoeken welke locaties de beste mogelijkheden bieden voor een rendabele exploitatie. Er zijn verschillende gunstige locaties voor het toepassen van waterkracht naar voren gekomen: Borgharen, Born, Maasbracht en Roermond. Omdat het merendeel van de benodigde kennis en inzichten voor toepassing van waterkracht al aanwezig is, worden binnen dit vakgebied geen onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma`s meer uitgevoerd.

3.4 Kosten

De kostprijs van elektriciteit uit waterkracht is erg afhankelijk van de locatie van de waterkrachtcentrale. Per rivier en locatie zijn de valhoogte, de stromingssnelheid en de hoeveelheid beschikbaar water verschillend. De huidige kostprijs van een kilowattuur ligt rond de 9 cent. Ter vergelijking: de kostprijs van elektriciteit uit fossiele brandstoffen zoals gas en steenkool bedraagt ca. 4 cent per kilowattuur. Hierin zijn niet de zogenaamde ecotaks en andere externe milieukosten verrekend. Deze cijfers hebben alleen betrekking op de Nederlandse situatie. Wij hebben hier betrekkelijk kleine valhoogten en daardoor kleine eenheden. Bij grote projecten met een grotere valhoogte (Scandinavië en in het Alpengebied) wordt de energiedichtheid veel groter waardoor compacte en meer kosteneffectieve installaties kunnen worden toegepast. In die gebieden is waterkracht goedkoper dan het opwekken van elektriciteit met fossiele brandstoffen voor kleine waterkrachtprojecten.

In Nederland kan, door verdere technologieontwikkeling, nog een kostprijsreductie verwacht worden. De gemiddelde investering voor een waterkrachtcentrale bedraagt € 3.200,- tot € 4.000,- per kW. Voor een middelgrote waterkrachtcentrale van 10 MW komt dit neer op een totaal van € 36 miljoen. Het onderhoud en beheer van de waterkrachtcentrale wordt jaarlijks geraamd op € 32,- per geïnstalleerde kW. Voor een middelgrote centrale komt dat jaarlijks op ongeveer € 320.000 neer.

4 Andere vormen van waterkracht

4.1 Golfenergie

Een andere vorm van waterkracht ontstaat door gebruik te maken van de golfbewegingen op zee. Verschillende gebruikte technieken zijn onder andere een caisson met een Wells luchtturbine, een TAPCHAN (tapered channel device) en een AWS (archimedes wave swing).

Wells luchtturbine


Figuur 5: Wells luchtturbine

Een caisson met een Wells luchtturbine bestaat uit een afgesloten betonnen kolom met een opening onder en boven de waterspiegel. In de caisson bevindt zich een luchtbuffer die op en neer beweegt met de golfbeweging van het water en daardoor gedeeltelijk in- en uitstroomt door de opening boven de waterspiegel. Een zogenaamde Wells luchtturbine zet de bewegingsenergie van de luchtkolom om in elektriciteit.

Tapchan

De TAPCHAN bestaat uit een taps toelopend kanaal, een reservoir en een waterturbine. De golven die het kanaal in lopen, stromen gedeeltelijk in een hoger gelegen reservoir en kunnen via een waterturbine weer terugstromen.

Archimedes wave swing

De Archimedes Wave Swing (waterschommel) maakt gebruik van het feit dat onder de top van een golf de druk hoger is dan onder het dal van de golf. Een mechaniek zet de op- en neergaande beweging van de onderdelen van een waterschommel om in een draaiende beweging. Hiermee wordt doormiddel van een generator elektriciteit opgewekt.


Figuur 6: achimedes wave swing

4.2 Getijde energie

Weer een andere vorm van waterkracht ontstaat door gebruik te maken van de stroming in het water door getijden. Enkele voorbeelden hiervan zijn watermolens onder water en het ‘Worms’-waterwiel.

Watermolens

De werking van de watermolens kan men vergelijken met windmolens, door de stroming (wrijving) van het water gaan de schoepen draaien en kan zo elektriciteit opgewekt worden.

Worms waterwiel


Figuur 7: Worms waterwiel

Het ‘Worms’-waterwiel is een wiel (zoals het rad van de ‘Missisippi Queen’) met aan de uiteinden van de spaken enkele scharnierende flappen. Het waterwiel werkt geheel onder water. Wanneer de flappen tegen de stroomrichting in bewegen flapperen ze vrij. Bewegen ze met de stroomrichting mee dan worden ze door de stroming met de kracht tegen de spaken aangedrukt en gaat het wiel draaien. Deze draaiende beweging wordt dan omgezet in elektriciteit.

5 Voor en nadelen van waterkrachtcentrale

5.1 Voordeel

We staan er niet vaak bij stil dat productie van elektriciteit uit aardgas of steenkool blijvende schade toebrengt aan ons leefmilieu. Bij de verbranding van deze brandstoffen komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is het broeikasgas CO2 dat bij doorgroeiende uitstoot zelfs tot een verandering van ons klimaat kan leiden. Vrijkomende stikstofoxiden en zwaveloxiden veroorzaken zure regen. Daarnaast zullen de brandstofvoorraden op lange termijn opraken. Afhankelijkheid van deze bronnen maakt de energievoorziening kwetsbaar.

Bij elektriciteitsopwekking met behulp van waterkracht komen geen schadelijke gassen vrij. Het is schoon en water zal altijd blijven stromen; het is dus onuitputtelijk en duurzaam.

5.2 Nadeel

Een waterkrachtcentrale heeft naast de vele voordelen ook een nadeel: niet alle vissen overleven een tocht door de waterkrachtcentrale. Om dit probleem te ondervangen kunnen visgeleidingssystemen worden toegepast die de vissen via een watertrap langs de waterkrachtcentrale leiden. Bij de waterkrachtcentrale in de Maas bij Alphen is zo’n vistrap toegepast. De moeilijkheid hiervan is dat niet alle vissen reageren op dezelfde signalen. Waar de ene vis van schrikt, daar wordt de ander juist door aangetrokken. Bijvoorbeeld reageert de zalm op geluid en de paling juist op licht.


Figuur 8: vistrap
Bron: Informatiecentrum Duurzame-energie
Welkom op Engineering-online.nl
hier ben je nu: Duurzame Energie / Waterkracht