Hva er vannkraft

28. oktober, 2016
Animasjon: ©iStock.com/aurielaki

Vi blir stadig flere mennesker her på jorda, samtidig som energibehovet vårt stadig øker. Det er derfor svært viktig at utviklingen av samfunnet foregår på en bærekraftig måte, slik at også framtidige generasjoner kan nyte velferdsstaten. Vannkraft er fornybar, ren, pålitelig, fleksibel og produserer billig energi i generasjon etter generasjon. Den har det laveste klimagassutslippet, den høyeste virkningsgraden og den lengste levetiden av alle teknikker for kraftproduksjon. Dette er noe som kommer godt med, da stabilisering av klimagasser er en av våre største miljøutfordringer.

Hvordan virker vannkraft?

Vannkraft er å utnytte den potensielle energien i vann til elektrisitetsproduksjon. Ved hver kraftstasjon bygges det vanligvis et damanlegg, som samler opp alt fra ukers til flere års nedbør i vann fra elven. (se animasjon). Vannet blir da kalt et magasin, eller et reservoar. Luker blir brukt for å regulere vannmengden i magasinet. Når kraften fra vannet skal hentes ut, slippes noe av vannet ut gjennom et rør i bunnen av dammen. Det er nemlig der trykket er størst.

 

I kraftstasjonen benyttes det rennende vannet til å drive en turbin. Skovlene på turbinen omformer trykk og bevegelsesenergi fra vannet over til mekanisk energi. Deretter omformes den mekaniske energien til elektrisk energi ved hjelp av en generator.

 

En transformator blir brukt til å øke spenningen før elektrisiteten transporteres videre over et høyspent ledningsnett til sentrale steder i forbrukerområdene. Deretter fordeles elektrisiteten på ledninger eller kabler med lavere spenning og går til ulike forbrukergrupper. Vannet fortsetter ut av turbinen videre ut mot havet der det fordamper, stiger, kondenserer og faller til slutt ned som regn. Slik fortsetter syklusen, og vi får en evigvarende kretsløpsressurs.

 

Les mer om fysiske prinsipper knyttet til vannkraft.

Under kan du se et eksempel på et vannkraftverk i Trondheim

Ulike typer kraftverk

Kraftverkene deles som regel inn i to hovedkategorier, små- og store kraftverk. Småkraftverk blir i Norge delt inn i tre underkategorier:

  • Mikrokraftverk (installert effekt under 0,1 MW)
  • Minikraftverk (installert effekt fra 0,1 MW til 1 MW)
  • Småkraftverk (installert effekt fra 1 MW til 10 MW)

Disse etableres ofte uten reguleringssystemer (demninger) i små bekker og mindre elver. Vannet kan ikke lagres dermed er det tilsiget av vann som regulerer kraftproduksjonen i slike kraftverk. De kan kun produserer kraft når det er nok vann i elven. Utfordringen her er å finne turbiner med god virkningsgrad ved varierende vannføring (vannmengde).
Virkningsgraden forteller hvor effektive kraftverkene er, altså hvor stor prosentandel av energien i vannet, som kan omdannes til elektrisk energi. Vannkraftverk har gjerne en svært god virkningsgrad (>90%).

 

Kraftverk uten magasin betegnes ofte som elvekraftverk eller lavtrykkskraftverk. Disse kjennetegnes med at de har høy vannføring og liten fallhøyde. Her må man bruke vannet når det kommer, det vil si at det kan være vanskelig å regulere vannføringen. Ved flom eller høy vannføring i vassdraget vil kraftproduksjonen øke. Det motsatte skjer ved lav vannføring.

 

Høytrykkskraftverk eller magasinkraftverk kjennetegnes ved å ha stor fallhøyde og relativt mindre vannmengde. Disse er de store kraftverkene. Der kan man “lagre” energien som er i vannet i vannmagasinet. I sommerhalvåret, da strømforbruket er på sitt laveste og vann-tilsiget på sitt høyeste, fylles vannmagasinene opp og lagres. Vi kan da se på magasinet som et fulladet batteri. Om vinterhalvåret, da vi har et større behov for strøm og vann-tilsiget er på sitt laveste, lar vi vannet renne ut. Vi kobler inn batteriet. På denne måten kan vi utnytte energien etter behov.

 

Pumpekraftverk har to magasiner plassert på ulik høyde i systemet, ett lavt (nedre magasin) og ett som er plassert høyere oppe (øvre magasin)» . Om natten, når behovet er lite, benyttes overskuddselektrisitet til å pumpe vannet fra det nedre til  det øvre magasinet.Dette kan også kombineres med vindkraftverk, som har få muligheter til å regulere energimengden. Hvis det er mye vind, og lite behov for strøm, blir energien brukt til å pumpe opp vann i magasinene, slik at vi kan bruke det på et senere tidspunkt. “Av og på”-bruk av norsk vannkraft forsyner det europeiske energisystemet med fleksibilitet. På en annen side skaper dette lokal ujevn vannføring, noe som kan være med på å skade dyr- og planteliv på elvebunnen.

 

Vannkraftverk med magasiner kan som sagt kompensere for manglende lagringskapasitet og er derfor nyttig i samarbeid med andre energikilder som vind og sol. Danmark kunne ikke bygd like mye vindkraft som det de har gjort, uten å kunne regulere den opp mot våre vannkraftverk. På verdensbasis utgjør vannkraft ca. 1/6 av total kraftproduksjon.

 

LES MER OM PUMPEKRAFT HER

 

Ulike turbiner 

Vi har tre hovedtyper turbiner. For å kunne forstå forskjellen på disse, må en kunne begrepet fartstall. Et fartstall er forholdet mellom fallhøyde og vannmengde.

 

For å få mye energi må vi både ha mye vann og stor fallhøyde. En kan også kompensere for liten fallhøyde ved å ha ekstra mye vann.

 

Pelonturbiner

Peltonturbiner brukes når fartstallet er lavt. Det vil si at en har stort fall og høyt trykk, noe som fører til lite vann. En Peltonturbin fungerer på følgende måte:

Illustrasjon: UngEnergi

 

Vannet kommer ut av et strålerør med stor hastighet, vanndråpene fordeles inn på de bevegelige skovlene og treffer den spisse eggen i midten av skovelbladet. Dette skjer med en hastighet som er ca. dobbelt så stor som den skovelhjulet beveger seg med. Deretter sprer vannet seg til hver sin side og følger bueformen i skovelbladet. Vannet fortsetter ned i et sluk. En peltonturbin drives av en impulskraft. Det ideelle ville vært om vi fikk vannet til å stå helt stille når det forlater kanten, samtidig som turbinen roterer. Dette gjelder bare for peltonturbiner. En peltonturbin spinner generelt med ca. halvparten av hastigheten til vannet.

 

Francisturbiner

Francisturbiner brukes dersom fartstallet er middels stort. Turbintypen kan likevel brukes til de fleste forhold, og er av den grunn den mest brukte turbinen i Norge. Turbinen er plassert under vann, noe som gjør at vannet kommer samlet inn på skovlene, og ikke ut gjennom et strålerør slik som i en peltonturbin. En Francisturbin drives av trykkforskjell i vannet og av impulskraft. Ca. 50 % er trykkforskjell. Her ønsker mann å få ut all trykkenergien i vannet før det forlater skovlene.

 

I et pumpekraftverk bruker man såkalte pumpeturbiner, dette er en Francisturbin som også fungerer som en pumpe, slik at man kan bruke vannet om igjen. Det som skiller disse fra vanlige Francisturbiner er at de har færre skovler. Dersom vi hadde hatt en Francisturbin med 12 skovler, ville en pumpeturbin med samme størrelse hatt mellom 3 og 4. Pumpekraftverk brukes ofte for å sikre produksjonen under kortvarige belastningstopper, og for å balansere ujevn produksjon til f.eks. vindkraftverk.

 

Kaplanturbin

Kaplanturbin brukes dersom vi har et høyt fartstall, noe vi blant annet har i elvekraftverk. Turbinen kjennetegnes ved at den ikke har skovler, men en propell som blir drevet rundt av vannføringen. Rundt en kaplanturbin har man et såkalt skall, som kan minne litt om et sneglehus.

Illustrasjon: UngEnergi

 

Arealet på de ulike kamrene minker desto lenger bak på figuren en kommer. Dette gjør at det blir fordelt nøyaktig like mye vann i hvert kammer. Vannet strømmer gjennom kammeret og inn på propellbladet. Hvert blad får altså like mye vann.

Potensialet for vannkraft

Potensialet for vannkraft er størst i Asia, Latin Amerika og Nord Amerika. Kontinentene hvor energibehovet øker mest. Modernisering og utvidelse av eksisterende anlegg er mulig i mange I-land. Anlegg kan tilpasses etter ulike behov og forhold i området, og utnyttes i prosjekter av ulik størrelse og form. Ifølge World Energy Council ( 2014), utnytter vi i dag bare en tredjedel av  verdens teoretiske vannkraftspotensiale. Hvor mye av dette som er lønnsomt å bruke er mer usikkert, men det er ingen tvil om at vi fremdeles har store ubrukte vannkraftressurser i verden. I Norge er potensialet  for ny kraftutbygging på 34 TWh eller 34 milliarder kWh.

 

Her finner du mer om potensialet for vannkraft og hvordan det har utviklet seg frem til 2009 (IPPC-Rapport). Anbefaler å ta en titt på figur 5.1 (viser til potensialet) og 5.2 (viser til hvor mye som er utbygd).

Vannkraft i Norge

Norge har det ideelle naturlandskap for vannkraft; store nedbørsmengder, store høydeforskjeller i landskapet, og mange og store innsjøer. Derfor er også vannkraft den viktigste energikilden i Norge i dag, hvor den dekker Mellom 95 og 100 % av elektrisitetsbehovet vårt. dette tilsvarer hele 60 % av vårt totale energibehov. Uten vannkraft kunne vi ikke eksportert like mye petroleum som vi gjør i dag.

 

Det er ca. 4000 vassdrag i Norge i dag, hvorav 25-30 % er utnyttet til kraftformål. Vi liker å si at vi er Europas fornybare batteri, fordi vi har store mengder vann lagret i magasin. Dette kan brukes når man skulle ha behov for det, og er lett å lade opp igjen. Det som er litt spesielt med Norge er at vi ofte bygger magasinene langt unna selve kraftstasjonen, for så å overføre vann fra magasinet fram til kraftstasjonen gjennom tunneler eller rør. Dette gjør at vi kan vi plassere magasinet der hvor det er mest gunstig og kraftverket der det er stor høydeforskjell.

 

Den Norske Kraftutbyggingen har vært mest omfattende i Sør-Norge, hvor behovet også har vært størst. Norge har til sammen 18 innsjøer med et areal større en 50 kvadratkilometer, av disse blir hele 13 brukt som reguleringsmagasiner, og av våre ti høyeste fosser er syv utbygd. 50 TWh er vernet mot kraftutbygging og 34 TWh er ikke tatt i bruk. En TWh er en milliard kWh. Det er verdt å merke seg at 85 % av kraftproduksjonen er statlig, fylkeskommunalt eller kommunalt eid. Kun 15 % er privat. Et eksempel på en privat bedrift er Hydro. Største kraftprodusent er Staten ved selskapet Statkraft SF. Dersom du ønsker å gå nærmere inn på vannkraftpotensialet i Norge bør du lese mer på NVE (Norges Vassdrags- og Energidirektorat).

 

EU har vedtatt at innen 2020 skal 20 % av det totale energiforbruket i verden være dekt av fornybar energi. Nå ligger de fleste land på mellom 5 -10 %. Norge ligger jo allerede på 60%, men som en rettferdighetstanke skal alle bidra for å nå EU-målet. Derfor må også vi øke. Som et svar på dette skal vi i samarbeid med Sverige bygge ut flere vind- og vannkraftverk. 1.januar 2012 ble vi enige om at vårt bidrag skal være å bygge ut 13,2 TWh ny kraftproduksjon i hvert av landene ( Norge og Sverige). Dette tilsvarer 20 % av det vi har i dag. Spørsmålet er: skal dette fordeles på små eller store kraftverk? Vil vi ha 100 små eller 1 stort? For øyeblikket satser vi på å bygge små kraftverk, men det diskuteres om vi kanskje burde gå tilbake til store. Mer om dette finner du her (CEDREN).

Fordeler

  • Energien som produseres er for det første helt miljøvennlig, og vil på sikt bidra til å motvirke global oppvarming og begrense uttømmingen av jordas lagerressurser.
  • Gjennom regulering av vassdrag kan også vannkraft være med på å redusere vår sårbarhet for tørke og flom.
  • Vannkraft har det laveste klimagassutslippet, den høyeste virkningsgraden og den lengste levetiden av alle teknikker for kraftproduksjon.

Ulemper

  • I hovedsak kommer det økologiske fotsporet ved vannkraft som en engangseffekt ved konstrueringen, men utbyggingen fører til store naturforandringer, som kan skade det biologiske mangfoldet og virke sjenerende. Et eksempel er fisken, som får problemer fordi dyrene den lever av sliter med forandringer i miljøet. Disse forandringene kommer av at vannmengden i reservoarene varierer kraftig. Fisken, spesielt laksen er en mye omdiskutert interessekonflikt i Norge. For å unngå mest mulig skader er det viktig at vi har en minstevannføring og restriksjoner på raske endringer i vannføringen.
  • Etter hvert som det blir større mangel på vann, vil det bli viktigere å se vannkraft i forbindelse med matproduksjon, konsum, og industriproduksjon. Vannet må disponeres slik at vi ikke bare tjener på kraftproduksjon, men også på annen produksjon som mat og annen industri.
  • Økonomi kan være en utfordring på ulike stadier. Vannkraftverk er kapitalintensive, og det følger dermed en stor økonomisk risiko ved utbygging. Problemet er størst for u-landene, med tanke på de store investeringene de må ta, og den lange tilbakebetalingstiden. Usikre kraftpriser i fremtiden er også en økonomisk faktor som kan få noen til å tale i mot vannkraft. For mer informasjon om Vannkraft og miljø les hit(CEDREN).

 

Virkningsgrader

  • Pelton:                                             92 %
  • Kaplan og Francis:                         95 %
  • Generator og Transformator:      99 %

Vannenergi fra Energisenteret på Vimeo.

Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer
Ethvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legemet etter formelen Ek = ½mv². Kalles også kinetisk energi.  
Et legemes mekaniske energi er summen av legemets bevegelses og potensielle energi.E_m = E_k + E_p = frac{1}{2}mv^2 +  m  g h   ,
Maskin som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi.
når ett stoff går fra væske til gass fordamper det.
En terrawattime er et mål på en energimengde. Tilsvarer 1 milliard kWh.