Lyst til å vinne en kraftig solcellelader?

Svar på våre 7 enkle spørsmål her.

Innholdsfortegnelse
Kompetansemål

Hva er vannkraft

28. juli, 2021
Animasjon: ©iStock.com/aurielaki

Energibehovet vårt øker stadig. Det er svært viktig at utviklingen av samfunnet foregår på en bærekraftig måte. Vannkraft er en fornybar, ren, pålitelig og fleksibel måte å produsere billig energi på, i generasjon etter generasjon.

 

Vannkraft sto i 2019 ifølge rapporten REN21 for 15,9 prosent av global kraftproduksjon. I Norge kommer nå omtrent 95 prosent av all kraftproduksjon fra vannkraft.

 

Vannkraft har blant de laveste klimagassutslipp av fornybare kraftkilder, 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 klimautfordringer. Vannkraft har likevel – som alle energikilder – både fordeler og ulemper.

 

Hvordan virker vannkraft?

Kort fortalt innebærer vannkraft å utnytte den potensielle og kinetiske energien i vannet, til å drive elektrisitetsproduksjon. Formålet er å bruke vannets tyngdekraft, trykk og bevegelse på en turbin, slik at en generator kan generere elektrisk energi.

 

Ved hver kraftstasjon bygges det vanligvis et damanlegg, som samler opp vann fra en vannkilde. Vannet har høy potensiell energi, og kan lagres når det finnes et magasin eller reservoar. Luker i demningen blir brukt for å regulere tapping av vann fra magasinet. Når kraften fra vannet skal hentes ut, slippes noe av vannet ut gjennom et rør i bunnen av dammen og føres gjennom en tunnell, kanal eller rør fram til kraftstasjonen.

 

I kraftstasjonen benyttes det rennende vannet til å drive en turbin. Skovlene på turbinen omformer trykk og bevegelsesenergi fra vannet over til mekanisk energi. Mekanisk energi er her summen av vannets kinetiske energi (bevegelsesenergi) og potensielle energi (stillingsenergi). Deretter omformes den mekaniske energien til elektrisk energi ved hjelp av en generator. Energien som kan produseres er et produkt av vannmengde of høydeforskjell mellom inntaksnivå og utløpsnivå (fallhøyde).

 

Du kan lese mer om hvordan en generator fungerer her (UngEnergi.no).

 

En transformator blir brukt til å øke spenningen før elektrisiteten transporteres videre over et høyspent ledningsnett til sentrale steder i områder der energien forbrukes. Deretter fordeles elektrisiteten på ledninger eller kabler med lavere spenning og går til ulike forbrukergrupper. Vannet fortsetter ut av turbinen gjennom en avløpstunnel eller -kanal og føres ut i vassdraget nedenfor kraftverket og videre ut mot havet der det fordamper, stiger, kondenserer og faller til slutt ned som regn eller snø. Slik fortsetter vannets kretsløp, og vi får en “evigvarende” syklus. Vannkraft er egentlig solenergi, fordi det er solen som gir energi til og driver kretsløpet. Derfor er vannkraft også fornybar, på samme måte som vind- og solkraft.

 

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 tre hovedkategorier:

 

  • Elvekraftverk (Engelsk: «Run-of-River»)
  • Magasinkraftverk
  • Pumpekraftverk

Det er også mulig å dele inn kraftverk etter størrelse og fallhøyde.

 

En vanlig inndeling er i følgende kategorier, inndelt etter installert effekt i MW:

 

  • Store kraftverk (større enn 50 MW)
  • Medium store kraftverk (mellom 10 MW og 50 MW)
  • Småkraftverk (installert effekt fra 1 MW til 10 MW)
  • Minikraftverk (installert effekt fra 0,1 MW til 1 MW)
  • Mikrokraftverk (installert effekt under 0,1 MW)

 

Småkraftverk og mini-/mikrokraftverk etableres oftest uten reguleringssystemer (demninger), i små bekker og mindre elver. Vannet kan da ikke lagres. Dermed er det tilsiget av vann som regulerer kraftproduksjonen i slike kraftverk. De kan kun produsere kraft når det er nok vann i elven. Utfordringen her er å finne turbiner med god virkningsgrad ved varierende vannføring (vannmengde).

 

Det er også mulig å dele inn kraftverk etter fallhøyde, som henholdsvis lavtrykkskraftverk og høytrykkskraftverk, men det er ingen bestemt definisjon av hvor grensen går mellom lavtrykk- og høytrykkskraftverk.

 

Elvekraftverk

Kraftverk uten magasin betegnes ofte som elvekraftverk og er oftest lavtrykkskraftverk. Disse kjennetegnes med at de har høy vannføring og liten fallhøyde. Her må man bruke vannet når det kommer naturlig (tilsig), det vil si at det kan være vanskelig å regulere produksjonen. Ved flom eller høy vannføring i vassdraget vil kraftproduksjonen øke, og en vil ofte miste vann (flomtap) fordi kapasiteten i kraftverket er begrenset. Ved lav vannføring vil produksjonen også bli lav, og kan bli helt borte fordi turbinene ikke tåler å kjøres ved vsvært lave vannføringer. Dette betyr at en får en svært ujevn kraftproduksjon, og at produksjonen ikke kan styres etter forbruket, det samme problemet som en har med vind- og solkraftverk.

 

Magasinkraftverk

Magasinkraftverk kjennetegnes ved å ha muligheten for å lagre det naturlige tilsiget i et reguleringsmagasin og produsere kraft etter behov ved å tappe vann fra vagasinet i takt med forbruket. Slike kraftverk har ofte (men ikke alltid) stor fallhøyde og de kan dermed produsere kraft med relativt mindre vannmengde enn i et elvekraftverk. Disse er de store kraftverkene. Det er store fordeler med å kunne “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 vannet lagres til neste vinter. Magasinet fungerer som et fulladet batteri. I vinterhalvåret har vi et større behov for strøm og vann-tilsiget er på sitt laveste. Vi kan da la vannet renne ut og produsere strøm. Vi kobler inn batteriet. På denne måten kan vi utnytte energien etter behov og oppnå en langt høyere verdi enn kraft fra et uregulert elvekraftverk. Dersom vannet slippes direkte ut i en elv vil dette kunne gi hurtige endringer i vannføring i elva, og kunne skade fisk og dyreliv i elva.

 

Pumpekraftverk

Et pumpekraftverk har to magasiner plassert på ulik høyde i systemet. Et er plassert lavt (nedre magasin) og et er plassert høyere oppe (øvre magasin). Om natten er behovet lite, og da 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.

 

Slik “Av og på”-bruk av norsk vannkraft forsyner det europeiske energisystemet med fleksibilitet og øker nytteverdien av uregulerbare vind- og solkraftverk. På en annen side skaper dette hurtige varierende vannstand i magasinene, noe som kan være med på å skade fisk, dyr- og planteliv i magasinene.

 

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.

 

Les mer om pumpekraftverk her (UngEnergi.no)

 

Turbiner

 

Det er tre hovedtyper turbiner som brukes i norske vannkraftverk. Det finnes flere, men disse har vesentlig mindre utbredt bruksområde.

 

For å kunne forstå forskjellen på disse tre, må en kunne forstå begrepet fartstall. Et fartstall er en funksjon av fallhøyde, vannmengde og omdreiningstall for turbinen. For å få generere mye energi, må det både være nok vanntilsig og stor fallhøyde. En kan også kompensere for liten fallhøyde ved å ha ekstra mye vann.

 

Peltonturbiner

Peltonturbiner er den vanligste turbintypen ved store fallhøyder i Norge, og brukes ved fallhøyder over omtrent 700 meter. Fartstallet er lavt, vannet har altså et stort fall og dermed høyt trykk, og relativt lav vannføring.

 

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 skovlbladet. Dette skjer med en dobbel så stor hastighet som den skovlhjulet 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 sett med omtrent halvparten av hastigheten til vannet.

 

Francisturbiner

Francisturbiner er alt i alt den mest brukte turbintypen i norske vannkraftverk. Denne brukes dersom fartstallet er middels stort, i dag typisk ved fallhøyder mellom 50 og 700 meter. Turbintypen kan dermed brukes under de fleste forhold. Turbinen er plassert dykket (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. Her er det omtrent 50 prosent trykkforskjell. Det er ønskelig å få ut all trykk 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. I dag utnytter vi knapt 30prosent av verdens teoretiske (tekniske) vannkraftpotensiale på 15800 TWh. Hvor mye av det resterende potensialet som er lønnsomt å bruke er noe usikkert, men det er ingen tvil om at vi fremdeles har store ubrukte vannkraftressurser i verden. Siste (og beste) tilgjengelige statistikk i «World Atlas and Industry Guide» fra «The International Journal on Hydropower and Dams» viser at verden har et økonomisk vannkraftpotensiale på 9624 TWh mens det foreløpig er bygget ut omtrent 4400 TWh (pr 2020). Norges totale teoretiske vannkraftpotensial er over 600 TWh, hvis det hadde vært mulig å utnytte hvert eneste lille vannfall til kraftproduksjon (NVE, 2020). Det er det naturligvis ikke praktisk mulig, i tillegg til at det ville blitt møtt med reaksjoner og miljøkonsekvenser. NVE (Norges vassdrags- og energidirektorat) anslår et teknisk-økonomisk potensial for vannkraft i Norge, altså et potensial som tar både det tekniske og lønnsomhet i betraktning, på 216 TWh. Av dette er omtrent 64prosent (138 TWh) allerede bygget ut eller under utbygging og 23prosent (omtrent 50 TWh) varig vernet mot kraftutbygging. De resterende 13prosent (omtrent 28 TWh) er i prinsippet mulig å bygge ut men vil ikke nødvendigvis få tillatelse, det må avgjøres ved søknad og konsesjonsbehandling. Her vil særlig miljøvirkninger veie tungt i søknadsprosessen..

 

I tillegg til dette kan finnes et potensiale for mer kraft ved opprustning ogb utvidelse av gamle kraftverk. NVE jobber med hele tiden å ha oversikt over potensialet for opprusting og utvidelse (O/U) av vannkraftverk. Studier ved NTNU finner et mulig potensiale på 15-20 TWh, mens NVE opererer med langt lavere tall.

 

NVE’s faktaark om O/U definerer begrepene som følger.

 

«Opprusting og utvidelse av vannkraftverk dekker tiltak som modernisering, effektivisering, oppgradering, og ombygging. Opprusting er tiltak for å effektivisere kraftverket og redusere energitapet i vannveien.

 

Utvidelser er tiltak som utnytter mer vann eller utnytter fallhøyden bedre. Dette kan enten gjøres ved å overføre nye nedbørsfelt til eksisterende magasin, øke fallhøyde eller ved å redusere flomtapene».

 

Her finner du mer om potensialet til 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). Disse tallene er over 10 år gamle, og ikke helt korerekte lengre. En oppdatert versjon hentet fra en publikasjon som kommer nå i 2021 (Elsevier: Comprehensive Renewable Energy Encyclopedia) viser følgende tall for teknisk og økonomisk potensial i ulike verdensdeler per 2020:

 

  

Region
Teknisk mulig vannkraftpotensial (TWh/år)
Økonomisk mulig vannkraftpotensial (TWh/år)
Faktisk generering per 2019
(TWh/år)
andel av teknisk potensial utviklet
andel av økonomisk potensial utviklet
N.A 1891 1045 731 39% 70%
S.A 2859 1728 686 24% 40%
Europa 1195 852 653 55% 77%
Afrika 1647 1124 138 8% 12%
Asia 8000 4786 2143 27% 45%
Oseania   186 89 42 23% 47%
Verden 15778 9624 4393 28% 46%

 

 

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 omtrent 95 prosent av elektrisitetsbehovet vårt. dette tilsvarer hele 60 prosent av vårt totale energibehov. Uten vannkraft kunne vi ikke eksportert like mye petroleum som vi gjør i dag.

 

Det er omtrent 4000 vassdrag i Norge i dag, hvorav 25-30 prosent er utnyttet til kraftformål. Vi liker å si at vi er Europas fornybare batteri, fordi vi kan lagre store mengder energi som vann i magasinene. Dette kan brukes når man skulle ha behov for det, og er lett å «lade opp» igjen ved naturlig tilsig. 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 28 TWh er ikke tatt i bruk. En TWh er en milliard kWh. Det er verdt å merke seg at 90 prosent av kraftproduksjonen er statlig, fylkeskommunalt eller kommunalt eid. Kun 10 prosent 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 tidligere vedtatt at innen 2020 skal 20 prosent av det totale energiforbruket (i EU) være dekt av fornybar energi. Per 2019 ligger vi i følge Energi og Klima over 20 prosent på verdensbasis. Nå ligger de fleste land på mellom 5-10 prosent. Norge ligger på 60 prosent, 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 10 prosent av det vi har i dag (i Norge). 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 blant de laveste klimagassutslipp, 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 utbyggingen, men denne kan også føre til store naturinngrep 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 elver og reservoarer kan variere 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 for å sikre nok vann og restriksjoner på raske endringer i vannføringen for å hindre stranding.
  • Etter hvert som det blir økende folketall og større mangel på vann i verden, vil det bli viktigere å se vannkraft i forbindelse med matproduksjon, vannforsyning, 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 her (CEDREN).

 

Virkningsgrader

 

Pelton 92 prosent
Kaplan og Francis 95 prosent
Generator og transformator 99 prosent

Video om 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