HYDRAULISCH VERMOGEN: KENMERKEN, HOE HET WERKT, VOORDELEN, TOEPASSINGEN - MILIEU - 2026

Het hydraulische vermogen is het vermogen van water om werk te produceren in de vorm van beweging, licht en warmte op basis van hun potentieel en kinetische energie. Het wordt ook beschouwd als een schone, hoogwaardige hernieuwbare energie.

Deze energie wordt bepaald door de stroming, de oneffenheden tussen punten op de grond waar het water doorheen beweegt en de zwaartekracht. Het wordt al sinds de oudheid door mensen gebruikt om verschillende taken uit te voeren.

Itaipú-dam (Brazilië en Paraguay). Bron: Angelo Leithold

Een van de eerste toepassingen van hydraulische energie was om watermolens aan te drijven die gebruik maakten van de kracht van de stroom. Op deze manier konden molenstenen door middel van tandwielen worden verplaatst om tarwe te dorsen.

Momenteel is de meest relevante toepassing de opwekking van elektrische energie door middel van hydraulische krachtcentrales of waterkrachtcentrales. Deze installaties bestaan ​​in wezen uit een dam en een systeem van turbines en alternatoren.

Het water hoopt zich op in de dam tussen twee niveaus van het kanaal (geodetische oneffenheid) en genereert potentiële zwaartekrachtenergie. Vervolgens activeert de waterstroom (kinetische energie) turbines die de energie naar alternatoren sturen om elektrische energie te produceren.

Een van de voordelen van hydraulische energie is dat het in tegenstelling tot andere energiebronnen hernieuwbaar en niet-vervuilend is. Aan de andere kant is het zeer efficiënt met een opbrengst van 90 - 95%.

De milieu-impact van waterkrachtcentrales hangt samen met de variatie in temperatuur en fysieke verandering van de waterloop. Evenzo worden afgewerkte oliën en vetten geproduceerd die uit de machine worden gefilterd.

Het grootste nadeel is de fysieke verandering die het veroorzaakt als gevolg van de overstroming van grote stukken land en de natuurlijke stroming en loop van rivieren.

De grootste waterkrachtcentrale ter wereld is The Three Gorges, gelegen in China, aan de Yangtze-rivier. De andere twee die belangrijk zijn, zijn die van Itaipú op de grens tussen Brazilië en Paraguay en de waterkrachtcentrale Simón Bolívar of Guri in Venezuela.

kenmerken

De bron van hydraulische energie is water en het wordt als hernieuwbare energie beschouwd zolang de waterkringloop niet verandert. Evenzo kan het werk produceren zonder vast afval of vervuilende gassen te produceren en wordt het daarom als schone energie beschouwd.

prestatie

Energie-efficiëntie verwijst naar de relatie tussen de hoeveelheid energie die in een proces wordt verkregen en de energie die nodig was om erin te investeren. Bij hydraulische energie wordt een prestatie tussen 90 en 95% behaald, afhankelijk van de snelheid van het water en het gebruikte turbinesysteem.

Hoe werkt waterkracht?

Regeling van een waterkrachtcentrale. Bron: Gebruiker: Tomia

Omzetting van zonne-energie in kinetische energie

De basis van hydraulische energie ligt in zonne-energie, de topografie van het land en de zwaartekracht van de aarde. In de waterkringloop zorgt zonne-energie voor verdamping, waarna het water condenseert en neerslaat op de aarde.

Als gevolg van oneffenheden in de grond en de zwaartekracht treden er oppervlaktewaterstromen op het aardoppervlak op. Op deze manier wordt zonne-energie omgezet in kinetische energie door de beweging van water door de gecombineerde werking van oneffenheden en zwaartekracht.

Later kan de kinetische energie van water worden omgezet in mechanische energie die in staat is om te werken. Zo kunnen er messen worden bewogen die de beweging overbrengen naar een versnellingssysteem dat verschillende apparaten kan bedienen.

De grootte van de hydraulische energie wordt gegeven door de oneffenheid tussen twee gegeven punten van de rivierbedding en zijn stroming. Hoe groter de oneffenheid van het land, des te groter het potentieel en de kinetische energie van het water en het vermogen om werk te genereren.

In die zin is potentiële energie die welke zich ophoopt in een watermassa en gerelateerd is aan de hoogte ervan ten opzichte van de grond. Aan de andere kant is kinetische energie die welke water vrijgeeft in zijn vallende beweging als een functie van topografie en zwaartekracht.

Productie van elektriciteit uit waterkracht (waterkracht)

De kinetische energie die wordt opgewekt door vallend water kan worden gebruikt om elektrische energie op te wekken. Dit wordt bereikt door dammen te bouwen waar water zich ophoopt en op verschillende hoogten wordt gehouden.

De potentiële energie van water is dus recht evenredig met het niveauverschil tussen het ene punt en het andere en wanneer het water valt, wordt het omgezet in kinetische energie. Vervolgens passeert het water een systeem van roterende bladen en wekt het roterende kinetische energie op.

De roterende beweging maakt bewegende tandwielsystemen mogelijk die mechanische systemen zoals molens, wielen of alternatoren kunnen activeren. In het specifieke geval van hydro-elektrische energieopwekking heeft het systeem een ​​turbinesysteem en een alternator nodig om elektriciteit op te wekken.

Turbines

De turbine bestaat uit een horizontale of verticale as met een systeem van bladen die de as draaien door de kracht van het water.

Er zijn drie basistypen hydraulische turbines:

Pelton-turbine

Pelton-turbine. Bron: Robertk9410

Het is een hogedrukimpulsturbine met een horizontale as die werkt zonder volledig onder te duiken. De waaier heeft een reeks concave bladen (bladen of tanden) die worden aangedreven door waterstralen.

Hoe meer waterstralen de turbine raken, hoe meer vermogen deze zal genereren. Dit type turbine wordt gebruikt voor watervallen van 25 tot 200 meter hoog en haalt een rendement tot 90%.

Francis turbine

Francis turbine. Bron: de oorspronkelijke uploader was Stahlkocher op de Duitse Wikipedia.

Het is een middendruk reactieturbine met een verticale as en werkt volledig ondergedompeld in water. De waaier is opgebouwd uit bladen die worden aangedreven door het water dat door een verdeler wordt geleid.

Het kan worden gebruikt in watervallen van 20 tot 200 meter hoog en bereikt een rendement van 90%. Dit is het type turbine dat het meest wordt gebruikt in grote waterkrachtcentrales ter wereld.

Kaplan-turbine

Kaplan-turbine. Bron: TheRunnerUp

Het is een variant van de Francis-turbine en heeft net als deze een verticale as, maar de waaier bestaat uit een reeks bestuurbare bladen. Het reageert onder hoge druk en werkt volledig ondergedompeld in water.

De Kaplan-turbine wordt gebruikt in watervallen van 5 tot 20 meter hoog en het rendement kan oplopen tot 95%.

Dynamo

De dynamo is een apparaat dat de mogelijkheid heeft om mechanische energie om te zetten in elektrische energie door middel van elektromagnetische inductie. Zo worden magnetische polen (inductor) geroteerd binnen een spoel met afwisselende polen van geleidend materiaal (bijvoorbeeld koper gewikkeld in weekijzer).

De werking is gebaseerd op het feit dat een geleider die gedurende een bepaalde tijd aan een variabel magnetisch veld wordt blootgesteld, een elektrische spanning opwekt.

Voordeel

Hydraulische kracht wordt veel gebruikt omdat het veel positieve aspecten heeft. Onder deze kunnen we benadrukken:

Het is zuinig

Hoewel in het geval van waterkrachtcentrales de initiële investering hoog is, is het in het algemeen op lange termijn goedkope energie. Dit komt door zijn stabiliteit en lage onderhoudskosten.

Daarnaast moet de economische compensatie die wordt geboden door stuwmeren met mogelijkheden voor aquacultuur, watersport en toerisme worden toegevoegd.

Het is hernieuwbaar

Omdat het gebaseerd is op de waterkringloop, is het een hernieuwbare en continue energiebron. Dit houdt in dat het niet op tijd opraakt in tegenstelling tot de energie uit fossiele brandstoffen.

De continuïteit ervan hangt echter af van het feit of de watercyclus in een bepaalde regio of wereldwijd niet wordt gewijzigd.

Hoge performantie

Hydraulische energie wordt als zeer efficiënt beschouwd en met een hoog rendement dat tussen de 90 en 95% ligt.

Het is niet vervuilend

Dit soort energie gebruikt een natuurlijke bron zoals water en produceert ook geen afval of vervuilende gassen. Daarom is de impact op het milieu laag en wordt het beschouwd als een vorm van schone energie.

Aanwezigheid van reservoirs

In de gevallen waarin reservoirs worden gebouwd voor het gebruik van hydro-elektrische energie, bieden deze een aantal extra voordelen:

- Ze laten toe om de stroming van de rivier te reguleren en overstromingen te voorkomen.
- Ze vertegenwoordigen een reservoir met water voor menselijke consumptie, irrigatie en industrieel gebruik.
- Ze kunnen worden gebruikt als recreatiegebieden en voor het beoefenen van watersporten.

Nadelen

Afhankelijkheid van regenval

Een beperking van de opwekking van waterkracht is de afhankelijkheid van het regenregime. Daarom kan in bijzonder droge jaren de watertoevoer drastisch afnemen en wordt het reservoirniveau verlaagd.

Wanneer de waterstroom wordt verminderd, wordt de opwekking van elektrische energie lager. Zodanig dat in regio's die sterk afhankelijk zijn van waterkracht, problemen kunnen ontstaan.

Wijziging van de natuurlijke loop van de rivier

De constructie van een dam in een rivier verandert zijn natuurlijke loop, zijn overstromingsregime, afname (afname van de stroming) en het sleepproces van sediment. Daarom treden er veranderingen op in de biologie van planten en dieren die in het water leven of zich in de buurt van het water bevinden.

Aan de andere kant verandert het vasthouden van sedimenten in de dam de vorming van delta's aan de monding van de rivieren en verandert de bodemgesteldheid.

Gevaar voor het breken van de dam

Vanwege het grote volume water dat in sommige hydro-elektrische dammen is opgeslagen, kan een doorbraak van de keermuur of nabijgelegen hellingen ernstige ongelukken veroorzaken. Zo vond in 1963 bijvoorbeeld de helling van de Vajont-dam (nu niet meer in gebruik) in Italië plaats, waarbij 2.000 doden vielen.

Toepassingen

Reuzenraden en waterpompen

Door de rotatie van een wiel, aangedreven door de kinetische energie van het water, kan water uit een ondiepe put of kanaal in een verhoogd kanaal of reservoir worden gezogen. Evenzo kan de mechanische energie die door het wiel wordt gegenereerd, een hydraulische pomp aandrijven.

Het eenvoudigste model bestaat uit een wiel met bladen met kommen die het water opvangen terwijl ze worden aangedreven door de stroming. Vervolgens laten ze het water in hun rotatie in een tank of kanaal vallen.

Molens

Al meer dan 2000 jaar gebruikten de Grieken en Romeinen hydraulische energie om molens te verplaatsen om granen te malen. Het draaien van het wiel, aangedreven door de waterstroom, activeert tandwielen die de molensteen laten draaien.

Smeedt

Een andere oude toepassing van op hydraulische kracht gebaseerde werkbaarheid is het gebruik ervan om de smeedbalg te activeren bij smeden en metallurgie.

Hydraulische breuk

Bij mijnbouw en olie wordt de kinetische energie van water gebruikt om gesteente te eroderen, te breken en de winning van verschillende mineralen te vergemakkelijken. Hiervoor worden gigantische waterkanonnen onder druk gebruikt die het substraat raken totdat het erodeert.

Dit is een destructieve techniek voor de bodem en sterk vervuilend voor de waterwegen.

Fracking

Een zeer controversiële techniek die in de olie-industrie aan kracht wint, is fracking. Het bestaat uit het vergroten van de poreusheid van het gesteente dat olie en gas bevat om de verwijdering ervan te vergemakkelijken.

Dit wordt bereikt door grote hoeveelheden water en zand onder hoge druk te injecteren samen met een reeks chemische toevoegingen. De techniek is in twijfel getrokken vanwege het hoge waterverbruik, de vervuilende bodem en het water en het veroorzaken van geologische veranderingen.

Waterkrachtcentrales

Het meest gebruikelijke moderne gebruik is het laten draaien van elektriciteitscentrales, zogenaamde waterkrachtcentrales of waterkrachtcentrales.

Voorbeelden van waterkrachtcentrales

De Three Gorges

Three Gorges Dam (China). Bron: Le Grand Portage Afgeleide werk: Rehman

De waterkrachtcentrale van de Three Gorges bevindt zich in de Chinese provincie Hubei in de loop van de Yangtze-rivier. De bouw van deze dam begon in 1994 en werd voltooid in 2010, met een overstroomd gebied van 1.045 km² en een geïnstalleerd vermogen van 22.500 MW (megawatt).

De fabriek omvat 34 Francis-turbines (32 van 700 MW en twee van 50 MW) met een jaarlijkse elektrische energieproductie van 80,8 GWh. Het is de grootste waterkrachtcentrale ter wereld qua structuur en geïnstalleerd vermogen.

De Three Gorges Dam is erin geslaagd om de periodieke overstromingen van de rivier te beheersen die ernstige schade aan de bevolking veroorzaakten. Het garandeert ook de elektriciteitsvoorziening van de regio.

De constructie had echter enkele negatieve gevolgen, zoals de ontheemding van ongeveer 2 miljoen mensen. Bovendien heeft het bijgedragen aan het uitsterven van de ernstig bedreigde Chinese rivierdolfijn (Lipotes vexillifer).

Itaipu

Itaipu-dam. Bron: Herr stahlhoefer

De waterkrachtcentrale Itaipú bevindt zich op de grens tussen Brazilië en Paraguay in de loop van de rivier de Paraná. De bouw begon in 1970 en eindigde in drie fasen in 1984, 1991 en 2003.

Het overstroomde gebied van de dam is 1.350 km² en heeft een geïnstalleerd vermogen van 14.000 MW. De fabriek omvat 20 Francis-turbines van elk 700 MW en heeft een jaarlijkse elektrische energieproductie van 94,7 GWh.

Itaipu wordt beschouwd als de grootste waterkrachtcentrale ter wereld op het gebied van energieproductie. Het draagt ​​16% bij aan de elektrische energie die wordt verbruikt in Brazilië en 76% in Paraguay.

Wat betreft de negatieve effecten: deze dam heeft de ecologie van de eilanden en de delta van de Paraná-rivier beïnvloed.

Simon Bolivar (Guri)

Waterkrachtcentrale Simón Bolívar (Gurí, Venezuela). Bron: Warairarepano & Guaicaipuro

De waterkrachtcentrale Simón Bolívar, ook wel bekend als de Guri-dam, bevindt zich in Venezuela in de loop van de rivier de Caroní. De bouw van de dam begon in 1957, een eerste fase werd voltooid in 1978 en werd voltooid in 1986.

De Guri-dam heeft een overstroomd gebied van 4.250 km² en een geïnstalleerd vermogen van 10.200 MW. De fabriek omvat 21 Francis-turbines (10 van 730 MW, 4 van 180 MW, 3 van 400 MW, 3 van 225 MW en één van 340 MW)

De jaarlijkse productie is 46 GWh en wordt beschouwd als de derde grootste waterkrachtcentrale ter wereld in termen van structuur en geïnstalleerd vermogen. De waterkrachtcentrale levert 80% van de elektrische energie die Venezuela verbruikt en een deel ervan wordt verkocht aan Brazilië.

Tijdens de bouw van deze waterkrachtcentrale kwamen grote delen van ecosystemen in Venezolaans Guyana onder water te staan, een regio met een hoge biodiversiteit.

Door de diepe economische crisis in Venezuela is de productiecapaciteit van deze plant vandaag aanzienlijk verminderd.

Referenties

1. - Hadzich M (2013). Hydraulische energie, Hoofdstuk 7. Technische training van de PUCP Group. Technologieën voor ecologische huizen en hotels. Pauselijke Katholieke Universiteit van Peru.
2. - Raabe J (1985). Waterkracht. Het ontwerp, het gebruik en de functie van hydromechanische, hydraulische en elektrische apparatuur. Duitsland: N. p.
3. - Sandoval Erazo, Washington. (2018). Hoofdstuk 6: Basisconcepten van waterkrachtcentrales. Https://www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas
4. - Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, McGrath-DG, Dias HO en Rodrigues BS-So (2013). Afhankelijkheid van de opwekking van energie uit waterkracht van bossen in het Amazonegebied op lokale en regionale schaal. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110 (23), 9601-9606.
5. - Soria E (s / f). Hydraulica. Hernieuwbare energie voor iedereen. IBERDROLA. 19 p.