Hoe werken waterkrachtcentrales?

Wereldwijd produceren waterkrachtcentrales ongeveer 24 procent van de elektriciteit en voorzien ze meer dan 1 miljard mensen van stroom. De waterkrachtcentrales wereldwijd produceren samen 675.000 megawatt, wat overeenkomt met de energie van 3,6 miljard vaten olie, aldus het National Renewable Energy Laboratory. In de Verenigde Staten zijn meer dan 2.000 waterkrachtcentrales in bedrijf, waardoor waterkracht de grootste hernieuwbare energiebron van het land is.
In dit artikel bekijken we hoe vallend water energie opwekt en leren we meer over de hydrologische cyclus die de waterstroom creëert die essentieel is voor waterkrachtcentrales. Je krijgt ook een kijkje in een unieke toepassing van waterkracht die mogelijk van invloed is op je dagelijks leven.
Als je een rivier voorbij ziet stromen, is het moeilijk voor te stellen hoeveel kracht erin schuilgaat. Als je ooit hebt geraft, heb je een klein deel van die kracht al ervaren. Stroomversnellingen ontstaan ​​wanneer een rivier met een grote hoeveelheid water die bergafwaarts stroomt, zich vernauwt in een smalle doorgang. Doordat het water door deze opening wordt geperst, neemt de stroomsnelheid toe. Overstromingen zijn een ander voorbeeld van de enorme kracht die een gigantische hoeveelheid water kan hebben.
Waterkrachtcentrales benutten de energie van water en zetten die energie met behulp van eenvoudige mechanica om in elektriciteit. Waterkrachtcentrales zijn eigenlijk gebaseerd op een vrij simpel concept: water dat door een dam stroomt, drijft een turbine aan, die op zijn beurt een generator aandrijft.

Hieronder vindt u 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 van de dam gaan open en door de zwaartekracht wordt het water door de persleiding, een pijpleiding die naar de turbine leidt, gezogen. De waterdruk neemt toe naarmate het water door deze pijp stroomt.
Turbine – Het water raakt en laat de grote bladen van een turbine draaien. Deze turbine is via een as verbonden met een generator erboven. Het meest voorkomende type turbine voor waterkrachtcentrales is de Francis-turbine, die eruitziet als een grote schijf met gebogen bladen. Een turbine kan wel 172 ton wegen en 90 omwentelingen per minuut (rpm) maken, aldus de Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Generatoren – Terwijl de turbinebladen draaien, draaien ook een reeks magneten in de generator. Gigantische magneten roteren langs koperen spoelen en wekken wisselstroom (AC) op door elektronen te verplaatsen. (Je leert later meer over hoe de generator werkt.)
Transformator – De transformator in de energiecentrale zet de wisselstroom om in een hogere spanning.
Stroomleidingen – Uit elke elektriciteitscentrale komen vier draden: de drie fasen van de gelijktijdig opgewekte stroom, plus een neutrale of aardingsdraad die voor alle drie gemeenschappelijk is. (Lees Hoe stroomdistributienetten werken voor meer informatie over stroomtransmissie via leidingen.)
Uitstroom – Gebruikt water wordt via pijpleidingen, zogenaamde afvoerkanalen, afgevoerd en stroomt stroomafwaarts terug in de rivier.
Het water in het reservoir wordt beschouwd als opgeslagen energie. Wanneer de schuiven opengaan, wordt het water dat door de persleiding stroomt omgezet in kinetische energie doordat het in beweging komt. De hoeveelheid opgewekte elektriciteit wordt bepaald door verschillende factoren. Twee van die factoren zijn het volume van de waterstroom en de hydraulische valhoogte. De valhoogte verwijst naar de afstand tussen het wateroppervlak en de turbines. Naarmate de valhoogte en de waterstroom toenemen, neemt ook de opgewekte elektriciteit toe. De valhoogte is meestal afhankelijk van de hoeveelheid water in het reservoir.

Er bestaat nog een ander type waterkrachtcentrale, namelijk de pompcentrale. In een conventionele waterkrachtcentrale stroomt het water uit het reservoir door de centrale, verlaat deze en wordt stroomafwaarts meegevoerd. Een pompcentrale heeft twee reservoirs:
Bovenreservoir – 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 – Het water dat de waterkrachtcentrale verlaat, stroomt naar een lager reservoir in plaats van terug te keren naar de rivier en stroomafwaarts te stromen.
Met behulp van een omkeerbare turbine kan de centrale water terugpompen naar het bovenste reservoir. Dit gebeurt tijdens daluren. In feite vult het tweede reservoir het bovenste reservoir weer aan. Door water terug te pompen naar het bovenste reservoir heeft de centrale meer water om elektriciteit op te wekken tijdens piekuren.

De generator
Het hart van een waterkrachtcentrale is de generator. De meeste waterkrachtcentrales hebben meerdere van deze generatoren.
De generator wekt, zoals je wellicht al vermoedde, elektriciteit op. Het basisproces van elektriciteitsopwekking op deze manier is het roteren van een reeks magneten in spoelen met draad. Dit proces brengt elektronen in beweging, waardoor elektrische stroom ontstaat.
De Hoover Dam heeft in totaal 17 generatoren, die elk tot 133 megawatt kunnen opwekken. De totale capaciteit van de waterkrachtcentrale van de Hoover Dam bedraagt ​​2.074 megawatt. Elke generator is opgebouwd uit bepaalde basisonderdelen:
Schacht
Opwinder
Rotor
Stator
Terwijl de turbine draait, stuurt de excitator een elektrische stroom naar de rotor. De rotor bestaat uit een reeks grote elektromagneten die ronddraaien in een strak opgewonden spoel van koperdraad, de stator. Het magnetische veld tussen de spoel en de magneten wekt een elektrische stroom op.
In de Hooverdam stroomt een stroom van 16.500 ampère van de generator naar de transformator, waar de stroomsterkte oploopt tot 230.000 ampère voordat deze wordt doorgevoerd.

Waterkrachtcentrales maken gebruik van een natuurlijk, continu proces: het proces dat regen veroorzaakt en rivieren doet stijgen. Elke dag verliest onze planeet een kleine hoeveelheid water via de atmosfeer doordat ultraviolette straling watermoleculen afbreekt. Maar tegelijkertijd wordt er nieuw water uitgestoten vanuit het binnenste van de aarde door vulkanische activiteit. De hoeveelheid water die wordt aangemaakt en de hoeveelheid water die verloren gaat, is ongeveer gelijk.
Op elk willekeurig moment bevindt de totale hoeveelheid water op aarde zich in vele verschillende vormen. Het kan vloeibaar zijn, zoals in oceanen, rivieren en regen; vast, zoals in gletsjers; of gasvormig, zoals de onzichtbare waterdamp in de lucht. Water verandert van toestand wanneer het door windstromen over de planeet wordt verplaatst. Windstromen worden gegenereerd door de opwarming van de zon. Luchtstroomcycli ontstaan ​​doordat de zon meer op de evenaar schijnt dan op andere delen van de planeet.
Luchtstromen zorgen voor de waterhuishouding op aarde via een eigen cyclus, de hydrologische cyclus. Wanneer de zon vloeibaar water verwarmt, verdampt het water tot waterdamp in de lucht. De zon verwarmt de lucht, waardoor deze stijgt in de atmosfeer. De lucht is kouder op grotere hoogte, dus de waterdamp koelt af en condenseert tot druppels. Wanneer er zich voldoende druppels in een bepaald gebied verzamelen, kunnen deze zwaar genoeg worden om als neerslag terug te vallen op de aarde.
De hydrologische cyclus is belangrijk voor waterkrachtcentrales, omdat deze afhankelijk zijn van de waterstroom. Als er in de buurt van de centrale te weinig regen valt, verzamelt zich geen water stroomopwaarts. Doordat er geen water stroomopwaarts verzamelt, stroomt er minder water door de waterkrachtcentrale en wordt er minder elektriciteit opgewekt.