Een waterturbine, waarvan de Kaplan-, Pelton- en Francis-turbines de meest voorkomende zijn, is een grote roterende machine die kinetische en potentiële energie omzet in waterkracht. Deze moderne equivalenten van het waterwiel worden al meer dan 135 jaar gebruikt voor industriële energieopwekking en, meer recentelijk, voor de opwekking van waterkracht.
Waar worden waterturbines tegenwoordig voor gebruikt?
Tegenwoordig is waterkracht goed voor 16% van de wereldwijde energieproductie. In de 19e eeuw werden waterturbines voornamelijk gebruikt voor industriële energieopwekking, voordat elektriciteitsnetten wijdverspreid raakten. Tegenwoordig worden ze gebruikt voor de opwekking van elektriciteit en zijn ze te vinden bij stuwdammen of in gebieden met een sterke waterstroom.
Met de snel stijgende wereldwijde energievraag en factoren zoals klimaatverandering en de uitputting van fossiele brandstoffen, heeft waterkracht de potentie om wereldwijd een grote impact te hebben als vorm van groene energie. Naarmate de zoektocht naar milieuvriendelijke en schone energiebronnen voortduurt, zouden Francis-turbines de komende jaren wel eens een zeer populaire en steeds vaker toegepaste oplossing kunnen blijken te zijn.
Hoe wekken waterturbines elektriciteit op?
De waterdruk die ontstaat door natuurlijk of kunstmatig stromend water, dient als energiebron voor waterturbines. Deze energie wordt opgevangen en omgezet in waterkracht. Een waterkrachtcentrale maakt doorgaans gebruik van een dam in een stromende rivier om water op te slaan. Het water wordt vervolgens in porties vrijgelaten, stroomt door de turbine, brengt deze in beweging en activeert een generator die vervolgens elektriciteit opwekt.
Hoe groot zijn waterturbines?
Op basis van de valhoogte waaronder ze werken, kunnen waterturbines worden ingedeeld in systemen met hoge, gemiddelde en lage valhoogte. Waterkrachtcentrales met een lage valhoogte zijn groter, omdat de turbine groot moet zijn om een hoge doorstroomsnelheid te bereiken bij een lage waterdruk op de schoepen. Waterkrachtcentrales met een hoge valhoogte daarentegen hebben geen zo grote turbine nodig, omdat ze worden gebruikt om energie te winnen uit sneller stromend water.
Diagram dat de afmetingen van de verschillende onderdelen van een waterkrachtcentrale, inclusief de waterturbine, weergeeft.
Een diagram dat de afmetingen van de verschillende onderdelen van een waterkrachtcentrale, inclusief de waterturbine, weergeeft.
Hieronder zullen we enkele voorbeelden toelichten van verschillende soorten waterturbines die voor diverse toepassingen en waterdrukken worden gebruikt.
Kaplan-turbine (drukhoogte 0-60 m)
Deze turbines staan bekend als axiale reactieturbines, omdat ze de druk van het water veranderen terwijl het erdoorheen stroomt. De Kaplan-turbine lijkt op een propeller en heeft verstelbare bladen om de efficiëntie te maximaliseren over een reeks water- en drukniveaus.
Een Kaplan-turbinediagram
Pelton-turbine (drukhoogte 300m-1600m)
De Pelton-turbine – of Pelton-wiel – staat bekend als een impulsturbine, omdat deze energie onttrekt aan stromend water. Deze turbine is geschikt voor toepassingen met een hoge valhoogte, omdat er een hoge waterdruk nodig is om kracht uit te oefenen op de lepelvormige schoepen, waardoor de schijf gaat draaien en energie opwekt.
Pelton-turbine
Francis-turbine (drukhoogte 60-300 m)
De Francis-turbine, de meest bekende en laatste waterturbine, is verantwoordelijk voor 60% van de wereldwijde waterkrachtproductie. De Francis-turbine werkt als een impact- en reactieturbine die bij een gemiddelde valhoogte werkt en combineert axiale en radiale stromingsconcepten. Daarmee vult de turbine de kloof tussen turbines voor hoge en lage valhoogtes, wat resulteert in een efficiënter ontwerp en ingenieurs uitdaagt om deze turbine verder te verbeteren.
Een Francis-turbine werkt meer specifiek door water dat door een spiraalvormige behuizing stroomt naar (statische) geleideschoepen die de waterstroom naar de (bewegende) rotorbladen regelen. Door de gecombineerde impact- en reactiekrachten dwingt het water de rotor in rotatie. Uiteindelijk verlaat het water de rotor via een afvoerbuis die de waterstroom naar de buitenlucht loost.
Hoe kies ik een ontwerp voor een waterturbine?
De keuze voor het optimale turbineontwerp komt vaak neer op één ding: de beschikbare opvoerhoogte en debiet. Zodra je hebt vastgesteld welke waterdruk je kunt benutten, kun je beslissen of een gesloten "reactieturbine" zoals de Francis-turbine of een open "impulsturbine" zoals de Pelton-turbine beter geschikt is.
Diagram van een waterturbine
Ten slotte kunt u de benodigde rotatiesnelheid van uw beoogde elektrische generator bepalen.
Geplaatst op: 15 juli 2022
