Waterkracht

Het praktisch verkregen vermogen van een windmolen bedraagt zo’n 70 ´a 80% van dit vermogen. Dat komt doordat de rotor van de windmolen niet

”^{ideaal” werkt, en er verliezen optreden in de} over-brenging van rotor naar generator. Om de molen bij verschillende windsnelheden (en dus rotatiefre-quentie) te kunnen laten werken en stroom leveren, is meestal een geregelde tandwielkast (een soort versnellingsbak) ingebouwd, zodat de generator stroom met een min-of-meer vaste frequentie aflevert. Vermogenselektronica moet in veel gevallen de frequentiekarakteristiek van deze

”^{vuile” stroom nog} verder verbeteren.

Figuur 7.3: Wet van Betz

Er is een duidelijke trend te herkennen in hogere molens, omdat de wind het hardst waait op onge-veer 90 meter hoogte. Daarnaast worden de windmolens ook groter; op land tussen 1 en 1.5 [MW] en op zee 3 [MW] met een verwachte stijging tot 6 [MW].

Niet iedereen is positief over windmolens. Op land wordt hinder ondervonden door omwonenden in de vorm van geluidsoverlast, last van schaduw en ’horizonvervuiling’. Deze effecten samen hebben er toe geleid dat het vaak lang duurt voordat een windmolen of windmolenpark kan worden geplaatst - er is een sterk Not-In-My-Back-Yard-effect, kortweg –NIMBY-effect).

Windmolens verstoren radarsignalen en grijpen in op het ecosysteem. Met name vogels zijn vaak slachtoffer van windmolens, die daarom ook wel gehaktmolens zijn genoemd.

Bij offshore exploitatie (parken in zee) is er een risico voor de scheepvaart, met name door de kans op aanvaringen.

7.5 Waterkracht

Waterkracht is energie die wordt onttrokken aan water dat van een hoog naar lager niveau stroomt. Met een waterkrachtcentrale wordt de-facto energie onttrokken aan de hydrologische kringloop (§9.2. Wa-terkrachtcentrales vinden we in gebieden waar rivieren en beken over een relatief kleine afstand een aanmerkelijk hoogteverschil overbruggen en op plaatsen waar zeer veel water stroomt zodat met een relatief klein verval toch veel stroom kan worden opgewekt.

Zoals hierboven al aangegeven wordt wereldwijd wordt het potentieel van waterkracht geschat op 2.8[TW]; het momenteel opgestelde vermogen is ± 675[GW]. De grootste waterkrachtcentrales bevinden zich in Brazili¨e (Itaipu dam, 14.000 [MW] turbinevermogen¹) respectievelijk China (Drie Kloven dam, 18.200 [MW] turbinevermogen²). Begin 2011 heeft Brazili¨e aangekondigd een nieuwe, grote dam te gaan bouwen in het Amazonegebied.

Figuur 7.4 illustreert hoe een waterkrachtcentrale werkt. Op hoogte wordt een reservoir (stuwmeer) gecre¨eerd door het bouwen van een dam (de stuwdam). Onderaan de stuwdam wordt een uitstroom voor het water gerealiseerd. Waar het water voorheen vanzelf en vrij van boven naar beneden stroomde, wordt het nu via een turbine wordt geleid. Hier wordt de potenti¨ele energie van het water omgezet in arbeid. De turbine is aangesloten op een generator, die de arbeid weer transformeert tot elektriciteit dat tegenwoordig meestal aan het net geleverd wordt.

1Zie http://enipedia.tudelft.nl/wiki/Itaipu_Powerplant 2Zie http://enipedia.tudelft.nl/wiki/Three_Gorges_Powerplant

Hoofdstuk 7. Duurzame Energie

Figuur 7.4: Waterkracht centrale

Tot aan de industri¨ele revolutie werden watermolens - in feite eenvoudige waterkrachtcentrales - veel gebruikt door lokale bedrijven. Overal in Europa waren dit bijvoorbeeld houtzagerijen; in Engeland ook veel spinnerijen waar de wol van schapen werd verwerkt. Met de opmars van de stoommachine werden veel van deze bedrijfjes weggeconcurreerd omdat veel grotere, fabrieksmatige spinnerijen mogelijk werden.

We kunnen de capaciteit van een waterkrachtcentrale uitrekenen met behulp van de Wet van Ber-nouilli, die gebaseerd is op de Wet van Behoud van Energie. Voor een stromend medium (gas, vloeistof) waarin g´e´en reactie plaatsvindt geldt dat de totale mechanische energie langs een

”^{stroomlijn” constant} moet zijn. Als we vervolgens uitgaan van een medium (bijvoorbeeld water) waarvan de dichtheid ρ min-of-meer constant is (dat geldt in het algemeen voor niet-samendrukbare media), dan geldt:

Mechanische energie = constant Ekin.+ Epot.+ P =constant

1

2 · ρ · v2+ ρ · g · h + P =constant

Dit is de Wet van Bernouilli. Waar:

• Ekin.is kinetische energie • Epot.is de potenti¨ele energie • ρ is de dichtheid [kg/m³]

• P is de druk (van de atmosfeer op hoogte h) massastroom lucht is φm[kg/s] • g is de zwaartekracht [m²/s]

• h is de hoogte [m]

• vermogen dat de windmolen levert is P [J/s]

We kunnen met de Wet van Bernouilli een energiesysteemanalyse maken van een willekeurige wa-terkrachtcentrale, zoals schematisch is weergegeven in figuur 7.5

Voor de analyse is het belangrijk een geschikte systeemgrens te kiezen. In dit geval kiezen we de systeemgrens z ´o dat de gehele centrale in het control volume zit. Omdat de Wet van Bernouilli geldt

7.5. Waterkracht

Figuur 7.5: Schema Waterkrachtcentrale voor energiesysteemanalyse

voor het stromende water, kiezen we de systeemgrens voor het instromende water zo dat ze gelijkligt aan het oppervlak van het stuwmeer. Daar kunnen we aannemen dat de stroomsnelheid van het water bijna gelijk aan nul is: vin = 0 [m/s]; ook het niveau en daarmee de hoogte zin is constant. Als de waterstroom φm door de centrale klein is ten op zichte van het volume van het stuwmeer, dan is de verandering in hoogte verwaarloosbaar. Voor het uitstromende water leggen we de systeemgrens direct achter de uitstroomopening van de turbine. Daar geldt dat het water een uitstroomsnelheid heeft gelijk aan vuit, de hoogte ter plaatse is zuit. Dus geldt: het hoogteverschil in het systeem h = zin− zuit. Het drukverschil kunnen we verwaarlozen.

Stellen we nu een energiebalans op over de waterkrachtcentrale, dan zien we dat moet gelden voor de arbeid w:

E_kin.+ E_pot.+ P =constant

(Ekin.+ Epot.+ P )_in= (Ekin.+ Epot.+ P )_uit+ w E_pot.in− E_pot.uit− E_kin.uit= w

φ_m· g · h −¹₂ · φ_m· v2 uit= w

Als het hoogteverschil in het systeem h = zin− zuit groot is kan de kinetische energie van het uitstromende water verwaarloosd worden.

Aan bovenstaande formule zien we dat we voor een waterkrachtcentrale ´of veel hoogteverschil no-dig hebben, ´of een grote waterstroom bij klein verval. Typische voorbeelden van het eerste type syste-men zijn te vinden in de Alpen, de Pyrenee¨en en andere hooggebergten. Met een kleine hoeveelheid water van bergbeken wordt door de grote hoogteverschillen een fors vermogen opgewekt. Dit zijn de zogenaamde

”^{run-of-river” systemen - ze leveren stroom als er water door de rivier of beek stroomt, er} is geen noemenswaardig reservoir op hoogte.

De bekendste waterkrachtcentrales zijn stuwdammen (engels:

”^{conventional hydroelectric dams”),} zoals bijvoorbeeld de Itaipu en Drie Kloven dam. Deze illustreren dat je ook met een beperkt hoogtever-schil (100-150 [m]) een erg groot vermogen kunt opwekken, als de volume- en daarmee de massastroom water maar groot genoeg is. Overigens, voor het vermogen van dit soort centrales maakt het niet uit of zoals in figuur 7.4 de instroom opening vlak boven de turbines ligt: het stuwmeer vormt als het ware een virtuele pijp. Het beginpunt van het systeem, de hoogte zinwordt nog steeds gevormd door het oppervlak van het stuwmeer. Je kunt dit ook begrijpen door de systeemgrens wel bij de instroomope-ning van de turbine te leggen. Dan is aan de instroom kant de druk P gelijk aan de atmosferische druk

Hoofdstuk 7. Duurzame Energie

plus de druk veroorzaakt door de waterkolom boven de instroomopening - tot aan het oppervlak van het meer.

Een derde type waterkrachtcentrale is die die ook gebruikt wordt om elektriciteit op te slaan. Dit zijn de zgn.

”^{pumped-storage” systemen, waar er zowel een waterreservoir op hoogte is, als onderaan de} dam. De turbines in de installatie zijn omkeerbaar, zodat als er stroom in het net over is, de turbines als een pomp werken en water van laag naar hoog pompen. Op het moment dat de centrale weer stroom moet leveren, worden de turbines weer omgedraaid. Omdat zowel de turbine als pompwerking met hoog rendement (> 95%) kunnen plaatsvinden is dit een heel aantrekkelijke manier om zonder veel verlies elektriciteit op te slaan. In Noorwegen, Itali¨e en het Verenigd Koninkrijk zijn een aantal van dit soort installaties gerealiseerd.

Een waterkrachtcentrale produceert geen CO₂, en vraagt geen brandstof, alleen onderhoud. Echter, projecten voor het realiseren van waterkrachtcentrales zijn vaak controversieel omdat landschap, woon-gemeenschappen en het milieu zwaar worden zwaar aangetast c.q. veranderd door de komst van een waterkrachtcentrale. Samengevat zijn slechts enkele aspecten:

• woongebieden, landbouwgebieden, bos komen onder water te staan

• er ontstaat een groot wateroppervlak; dat geeft extra verdamping en een verstoorde waterhuis-houding. Zelfs de drinkwatervoorziening en watervoorziening voor de landbouw (irrigatie) kan daardoor plaatselijk in gevaar komen

• effecten op flora en fauna door

– verstoring en verandering van de zuurstofhuishouding / beluchting van rivieren

– dat migratie van bepaalde vissoorten (o.a. zalm) wordt belemmerd of onmogelijk wordt

• potentieel groot probleem: afzetting van slib

– upstream: capaciteit stuwmeer, werking stuwdam

– downsteam: slib niet meer t.b.v. landbouwgronden

Wereldwijd zijn er een aantal stuwdammen aangelegd in rivieren die veel slib meevoeren, materiaal dat van het omringende land is ge¨erodeerd en door deze rivieren wordt meegevoerd. Hoewel een deel ongehinderd de stuwdam en turbines kan passeren, zal door het vertragen van de stroomsnelheid in het stuwmeer een deel van het slib naar de bodem zakken en zich ophopen achter de dam. In de loop van jaren kan zo een heel stuwmeer

”^{dichtslibben”, en de werking en stroomproductie van de} waterkrachtcentrale drastisch afnemen.

Waterkrachtcentrales kunnen nog een andere rol spelen in de duurzame energievoorziening: als tijdelijke opslag voor elektriciteit.

E´en belangrijk kenmerk van elektriciteit is dat het gemakkelijk is op te slaan, en zeker niet als elektri-citeit. Met batterijen of andere chemische omzettingen is het nog niet mogelijk is om grote hoeveelheden elektriciteit tegen acceptabele kosten op te slaan. Enerzijds zijn de kosten hoog, de energiedichtheid laag en de cycluseffici¨entie beperkt.

Met name windenergie is vaak beschikbaar op de verkeerde plek, op het verkeerde moment. Aan het net gekoppelde waterkracht kan hier een (deel-)oplossing in bieden. Waterkrachtcentrales zijn namelijk tegen relatief beperkte meerkosten om te bouwen zodat zij ook water omhoog kunnen pompen. Als er een overschot is aan elektriciteit (bijvoorbeeld uit windparken) dan kan water worden opgepompt dat bij toenemende elektriciteitsvraag weer de turbines kan aandrijven voor stroomproduktie. Omdat zowel pompen als turbines een hoge effici¨entie kennen, is het effici¨entieverlies over de cyclus beperkt. In Wales is een waterkrachtcentrale gebouwd die volgens dit principe werkt. Daarnaast is er een water-krachtcentrale in Itali¨e die ook water kan oppompen.

Er wordt al enige jaren gewerkt aan de verzwaring van het Europese hoogspanningsnet. Onder andere zijn windparken in de Oostzee en waterkrachtcentrales in Scandinavi¨e verbonden met Europa. Daarmee kunnen de Scandinavische waterkrachtcentrales worden gebruikt om tijdelijke tekorten aan wind op te vangen - als de wind waait leveren de centrales tijdelijk minder stroom, valt de wind weg, dan kunnen ze juist extra stroom produceren. Let op – de meeste flexibiliteit wordt geleverd door conventionele stuwdammen; maar een klein deel is pumped-storage.