Wereldwijd produceren waterkrachtcentrales ongeveer 24 procent van alle elektriciteit ter wereld en voorzien ze meer dan 1 miljard mensen van stroom. Volgens het National Renewable Energy Laboratory produceren de waterkrachtcentrales wereldwijd samen 675.000 megawatt, het energie-equivalent van 3,6 miljard vaten olie. Er zijn meer dan 2.000 waterkrachtcentrales in bedrijf in de Verenigde Staten, waardoor waterkracht de grootste hernieuwbare energiebron van het land is.
In dit artikel bekijken we hoe vallend water energie opwekt en leren we over de hydrologische cyclus die de waterstroom creëert die essentieel is voor waterkracht. Je krijgt ook een glimp te zien van een unieke toepassing van waterkracht die je dagelijks leven kan beïnvloeden.
Als je een rivier voorbij ziet stromen, is het moeilijk je voor te stellen welke kracht erop rust. Als je ooit wildwaterraften hebt gedaan, heb je een klein deel van de kracht van de rivier gevoeld. Stroomversnellingen ontstaan als een rivier die een grote hoeveelheid water bergafwaarts voert en zich ophoopt in een smalle doorgang. Wanneer de rivier door deze opening wordt geperst, versnelt de stroming. Overstromingen zijn een ander voorbeeld van hoeveel kracht een enorme hoeveelheid water kan hebben.
Waterkrachtcentrales benutten de energie van water en gebruiken eenvoudige mechanica om die energie om te zetten in elektriciteit. Waterkrachtcentrales zijn eigenlijk gebaseerd op een vrij eenvoudig concept: water dat door een dam stroomt, drijft een turbine aan, die op zijn beurt een generator aandrijft.
Dit zijn de basiscomponenten van een conventionele waterkrachtcentrale:
Dam – De meeste waterkrachtcentrales zijn afhankelijk van een dam die het water tegenhoudt en zo een groot reservoir creëert. Vaak wordt dit reservoir gebruikt als recreatiemeer, zoals Lake Roosevelt bij de Grand Coulee Dam in de staat Washington.
Inlaat – De sluizen op de dam gaan open en de zwaartekracht zuigt het water door de drukleiding, een pijpleiding die naar de turbine leidt. Het water bouwt druk op terwijl het door deze pijp stroomt.
Turbine – Het water raakt de grote bladen van een turbine en brengt deze in beweging. De turbine is via een as verbonden met een generator erboven. Het meest voorkomende type turbine in waterkrachtcentrales is de Francis-turbine, die eruitziet als een grote schijf met gebogen bladen. Volgens de Foundation for Water & Energy Education (FWEE) kan een turbine wel 172 ton wegen en draaien met een snelheid van 90 omwentelingen per minuut (rpm).
Generatoren – Terwijl de turbinebladen draaien, draait een reeks magneten in de generator mee. Reusachtige magneten draaien langs koperen spoelen en produceren wisselstroom (AC) door elektronen te verplaatsen. (Je leert later meer over hoe de generator werkt.)
Transformator – De transformator in de elektriciteitscentrale neemt de wisselstroom en zet deze om in stroom met een hogere spanning.
Elektriciteitsleidingen – Elke elektriciteitscentrale heeft vier draden: de drie fasen van de stroom die gelijktijdig worden opgewekt, plus een neutrale of aardleiding die voor alle drie geldt. (Lees Hoe elektriciteitsdistributienetten werken voor meer informatie over de transmissie van elektriciteitsleidingen.)
Uitstroom – Gebruikt water wordt via pijpleidingen, zogenaamde afvoerkanalen, afgevoerd en komt stroomafwaarts weer in de rivier terecht.
Het water in het reservoir wordt beschouwd als opgeslagen energie. Wanneer de sluizen opengaan, wordt het water dat door de afsluiter stroomt omgezet in kinetische energie omdat het in beweging is. De hoeveelheid opgewekte elektriciteit wordt bepaald door verschillende factoren. Twee daarvan zijn de hoeveelheid water die stroomt en de hoogte. De hoogte verwijst naar de afstand tussen het wateroppervlak en de turbines. Naarmate de hoogte en de stroomsnelheid toenemen, neemt ook de opgewekte elektriciteit toe. De hoogte is meestal afhankelijk van de hoeveelheid water in het reservoir.
Er is nog een ander type waterkrachtcentrale, de zogenaamde pompaccumulatiecentrale. In een conventionele waterkrachtcentrale stroomt het water uit het reservoir door de centrale, verlaat het de centrale en wordt stroomafwaarts afgevoerd. Een pompaccumulatiecentrale heeft twee reservoirs:
Bovenste reservoir – Net als een conventionele waterkrachtcentrale creëert een dam een reservoir. Het water in dit reservoir stroomt door de waterkrachtcentrale om elektriciteit op te wekken.
Lager reservoir – Water dat de waterkrachtcentrale verlaat, stroomt naar een lager reservoir in plaats van terug de rivier in te stromen en stroomafwaarts te stromen.
Met behulp van een omkeerbare turbine kan de centrale water terugpompen naar het bovenste reservoir. Dit gebeurt buiten de piekuren. In feite vult het tweede reservoir het bovenste reservoir bij. Door water terug te pompen naar het bovenste reservoir, heeft de centrale meer water om elektriciteit op te wekken tijdens piekmomenten.
De Generator
Het hart van de waterkrachtcentrale is de generator. De meeste waterkrachtcentrales hebben meerdere van deze generatoren.
De generator wekt, zoals je misschien al geraden hebt, de elektriciteit op. Het basisproces voor het opwekken van elektriciteit op deze manier bestaat uit het roteren van een reeks magneten in spoelen van draad. Dit proces verplaatst elektronen, wat elektrische stroom opwekt.
De Hoover Dam heeft in totaal 17 generatoren, die elk tot 133 megawatt kunnen opwekken. De totale capaciteit van de Hoover Dam-waterkrachtcentrale is 2074 megawatt. Elke generator bestaat uit bepaalde basisonderdelen:
Schacht
Opwekker
Rotor
Stator
Terwijl de turbine draait, stuurt de excitor een elektrische stroom naar de rotor. De rotor bestaat uit een reeks grote elektromagneten die ronddraaien in een strak gewikkelde spoel van koperdraad, de stator. Het magnetische veld tussen de spoel en de magneten creëert een elektrische stroom.
In de Hooverdam stroomt een stroom van 16.500 ampère van de generator naar de transformator. Daar loopt de stroom op tot 230.000 ampère voordat deze wordt doorgegeven.
Waterkrachtcentrales maken gebruik van een natuurlijk, continu proces: het proces dat ervoor zorgt dat regen valt en rivieren stijgen. Onze planeet verliest dagelijks een kleine hoeveelheid water via de atmosfeer, doordat ultraviolette straling watermoleculen afbreekt. Maar tegelijkertijd komt er nieuw water uit het binnenste van de aarde vrij door vulkanische activiteit. De hoeveelheid water die wordt gecreëerd en de hoeveelheid die verloren gaat, is ongeveer gelijk.
Het totale watervolume ter wereld neemt op elk willekeurig moment vele verschillende vormen aan. Het kan vloeibaar zijn, zoals in oceanen, rivieren en regen; vast, zoals in gletsjers; of gasvormig, zoals in de onzichtbare waterdamp in de lucht. Water verandert van toestand wanneer het door windstromen over de planeet wordt verplaatst. Windstromen worden veroorzaakt door de verwarmende activiteit van de zon. Luchtstroomcycli ontstaan doordat de zon meer op de evenaar schijnt dan op andere delen van de planeet.
Luchtstromingen zorgen ervoor dat de watervoorraad van de aarde door een eigen cyclus gaat, de hydrologische cyclus. Terwijl de zon vloeibaar water verwarmt, verdampt het water in de lucht tot damp. De zon verwarmt de lucht, waardoor de lucht in de atmosfeer opstijgt. Hogerop is de lucht kouder, dus naarmate de waterdamp opstijgt, koelt deze af en condenseert tot druppeltjes. Wanneer er zich op één plek genoeg druppeltjes verzamelen, kunnen deze druppeltjes zwaar genoeg worden om als neerslag terug te vallen op de aarde.
De hydrologische cyclus is belangrijk voor waterkrachtcentrales omdat ze afhankelijk zijn van waterstroom. Als er in de buurt van de centrale weinig regen valt, verzamelt het water zich stroomopwaarts niet. Zonder water dat stroomopwaarts verzamelt, stroomt er minder water door de waterkrachtcentrale en wordt er minder elektriciteit opgewekt.
Plaatsingstijd: 07-07-2021
