Denne teksten tar for seg hovedsaklig vannkraft i form av magasinkraftverk og elvekraftverk. Hvis du vil lese mer om pumpekraft har vi en egen tekst om dette.

Vannkraftverk har veldig spesifikke geografiske krav, noe som gjør at landene som kan utnytte vannkraft er begrenset. De geografiske kravene omhandler hovedsakelig høydeforskjeller i terrenget. De landene som hadde størst vannkraftkapasitet i 2025 var, fra størst til minst: Kina, Brasil, Canada og USA.

I 2024 utgjorde vannkraft 14.3% av verdens  totale elektrisitetsproduksjon og rundt halvparten av den totale installerte fornybare energikapasiteten. For å nå målet om netto null utslipp innen 2050 har International Hydropower Association (IHA) estimert at vannkraftkapasiteten må dobles. I tillegg må forpliktelsene til å fornye og opprettholde gamle anlegg økes. Videre vil denne teksten ta for seg hvordan vannkraft fungerer og hvilken plass vannkraft har i energiomstillingen.  

Inne i kraftverket

Vannkraft benytter seg av høydeforskjeller i terrenget. Vannet renner nedover fra innsjø til innsjø gjennom elver før det til slutt ender opp i havet. Vi produserer elektrisiteten ved å benytte oss av denne forflytningen. I tradisjonelle vannkraftverk er det  arbeidet som tyngdekraften gjør på vannet som brukes til strømproduksjon. Den neste delen av teksten vil gå mer i detalj på hvordan magasinkraftverk og elvekraftverk er oppbygd.

Både magasinkraftverk og elvekraftverk består av et damanlegg. Damanlegget er koblet til et inntak og en lukesjakt som regulerer hvor mye vann som flyter inn i kraftstasjonen. I kraftstasjonen benyttes det rennende vannet til å drive en turbin. Turbinen omformer trykk og bevegelsesenergi fra vannet over til mekanisk energi. Deretter omformes den mekaniske energien til elektrisk energi ved hjelp av en generator.

Det finnes to forskjellige typer damanlegg: demninger og avledningsdammer. Demninger er det damanlegget man normalt forbinder med vannkraft. De er bygd som en barriere for å kontrollere vannstrømmen i elver. I konteksten av vannkraft danner de reservoarer. En avledningsdam derimot er også en form for demning, forskjellen er at avledningsdammen avleder en del av elvens vannstrøm til en egen kanal. Vannkraftverk og damanlegg kommer i alle former og er veldig avhengig av de geografiske utfordringene ved kraftverkets plassering.  

En transformator blir brukt til å øke spenningen før elektrisiteten transporteres videre over et høyspent ledningsnett til sentrale steder i områder der energien forbrukes. Elektrisiteten fordeles 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.

Fysikk: Vannkraft

Potensiell energi er arbeidet tyngdekraften gjør på et legeme for å bringe det til et nullpunkt og er definert som

E_P=mghEP=mghE_P=mgh

Nullpunktet bestemmer vi ofte selv, vanligvis setter vi det til bakkenivået. Da vil den potensielle energien være det arbeidet tyngdekraften gjør for å bringe et legeme med masse m fra en høyde h til bakkenivå. Fra definisjonen av arbeid kan vi utlede uttrykket for den potensielle energien. Når kraften er i samme retning som bevegelses retningen er arbeidet gitt ved

W = F * s W=F∗sW = F * s

der FFF er kraften som gjør arbeid, og sss er strekningen arbeidet er gjort over. Tyngdekraften er definert som

G=m * gG=m∗gG=m * g

der mmm er legemets masse, og ggg er tyngdeakselerasjonen. Dersom vi erstatter FFF med GGG i uttrykket for arbeid vil det vise arbeidet som tyngdekraften gjørover en stekning.

W_G=F * s=G * s=m * g * sWG=F∗s=G∗s=m∗g∗sW_G=F * s=G * s=m * g * s

Hvis sss erstattes med hhh blir utrykket for arbeidet lik den potensielle energien. Den potensielle energien til et legeme som faller nedover i et tyngdefelt er lik som arbeidet som blir gjort på legemet av tyngdekraften.

E_P=W_G=mghEP=WG=mghE_P=W_G=mgh 

Det er denne potensielle energien som blir utnyttet tilå produsere elektrisitet i vannkraftverk. 

Dette er en forenkling av hva som skjer og betrakter ikke alle variablene som eksisterer i virkligheten

Vis mer

Hvilken plass har vannkraft i energiomstillingen?

Vannkraft utgjør den største andelen av elektrisitetsproduksjonen fra fornybare energikilder og kan levere karbonfri elektrisitet ved behov. Dette er veldig praktisk for et strømnett som består av mye variabel fornybar energi, slik som sol og vind. Solen skinner ikke alltid og det er ikke alltid vind som blåser. I dag kompenseres mye av elektrisiteten som sol og vind ikke får produsert, med gass og kull. For å nå nullutslippsmålet er det derfor nødvendig å bygge ut mer vannkraft og opprettholde vannkraftverkene som allerede er bygd. 

En av egenskapene som gjør at vannkraft er nødvendig for energiomstillingen er at vannkraft har relativt kort rampehastighet (“ramping rate” på engelsk). Dette betyr at et vannkraftverk fort kan kompensere for endringen i forespørsel. Vannkraft kan derfor også raskt justere for variabel produksjon. 

For strømnettet gir vannkraft økt fleksibilitet og energisikkerhet. Store vannmagasin fungerer som batteri for strømnettet og lagrer den potensielle energien til vannet. Siden 2020 har det også vært stor utvikling i pumpekraftverk som et alternativ for langtidsenergilagring. Dette gir vannkraft muligheten til å lagre elektrisitet i stabile tider og levere elektrisitet ved uforutsigbare hendelser som naturkatastrofer, konflikt og systemfeil.

Vannkraft i Verden

Selv om mye av dagens vannkraftskapasitet er utbygd, kan den potensielle vannkraftskapasiteten dekke 2 ganger dagens energibehov. Denne kapasiteten er hovedsakelig konsentrert i Asia og Afrika, og er hvor mesteparten av vannkraftutbyggingen har skjedd det siste tiåret. I Europa er mesteparten av vannkraftkapasiteten utbygd, og de fleste vannkraftverk i både Nord-Amerika og Europa har en alder på over 40 år, med 15% som er 80 år eller eldre. 

Historisk sett så har levetiden til vannkraftverk vært mellom 10 og 100 år. Den gjennomsnittlige alderen på dagens globalt aktive vannkraftverk er nærmere 40 til 50 år. Ettersom vannkraftinfrastrukturen som eksisterer i vesten nærmer seg pensjonistalder er det viktig at lovgivere og politikere fornyer innsats i å renovere gamle og bygge nye vannkraftverk.  

Et av hovedproblemene ved gamle vannkraftverk er hvordan de skal møte fremtidens energibehov. Vannkraft, som nevnt tidligere, er nødvendig for strømnettetes stabilitet og har ofte blitt kalt strømnettets vokter. I netto nullutslipp-scenarioet til International Energy Agency (IEA) skal 70% av elektrisitetsproduksjonen komme fra sol og vind. Når energimiksen hovedsakelig består av variabel fornybar energi vil strømnettet ha mye variabel last. For at vannkraft skal kunne fortsette å vokte strømnettet, må vannkraftverk være bygd for å tåle store endringer over kort tid under produksjon. Selv om vannkraft er fleksibelt, er mye av dagens vannkraftverk bygd for å levere grunnlast, altså en konstant uendret effekt. Hvis dagens vannkraftverk skal bli brukt for å balansere nettet, vil det føre til store utgifter på grunn av overbelastet utstyr. 

I 2024 var den totale installerte vannkraftskapasiteten i verden 1443 GW, det vil si en økning på 23 GW fra 2023. For å nå IEA sitt nullutslippsmål har IHA estimert at vi bør ha en total global vannkraftskapasitet på 3000 GW innen 2050. Dette er en dobling av den nåværende kapasiteten. Fra 2022 til 2037 er det bare 551 GW med konventionell vannkraft som er planlagt til å bli utviklet. Det er derfor nødvendig at investeringer i vannkraft øker vesentlig for å nå klimamålene og fremtidens energibehov.

Vannkraftinvesteringer har i nyere tid minket. En av grunnene til dette er at vannkraftverk krever veldig mye startkapital i forhold til solceller og vindkraft. Kostnadene for å bygge et vannkraftverk kan variere veldig basert på prosjektet. En annen grunn til at det har vært mindre investeringer er på grunn av klimaendringene. Klimaendringene som påvirker regnfall og smelting av polis har negative konsekvenser for vannkraftproduksjon. Klimaendringene gjør det vanskeligere å forutse kraftproduksjon fra vannkraft og er med på svekke energisikkerheten.  

Det har også vært utviklinger innenfor vannkraft. Rurale områder i Afrika og Sør-Øst-Asia er det en økt utbygging av mikrokraftverk. Dette er vannkraftverk som har en kapasitet på 10 MW eller mindre. Mindre kraftverk er mindre kapitalintensive, men har ofte ikke noen regulering, altså ingen demning. Det er også nye prosjekter som omhandler å kombinere vannkraft med variable fornybare energikilder i hybridsystemer. Et eksempel på dette er å bygge ut flytende solcellepanel i vannreservoaret til et vannkraftverk. Disse hybridsystemene er laget for å optimere kraftproduksjonen.  

Vannkraft i Norge

Norge har det ideelle naturlandskapet for vannkraft; store nedbørsmengder, store høydeforskjeller i landskapet, og mange og store innsjøer. Derfor er vannkraft den viktigste energikilden i Norge i dag. I 2024 ble 88% av den norske kraftproduksjonen produsert av vannkraft og det utbygde vannkraftsystemet hadde en samlet kraftverkskytelse på 33 947 MW. Vannkraft gir Norge muligheten til å produsere billig strøm og er en av hovedgrunnene til at Norge har en aluminiumsindustri.

Det er 1791 vassdrag i Norge i dag, som er utnyttet til kraftformål. Norge er Europas fornybare batteri, fordi norske vannkraftverk kan lagre store mengder energi. Norge har derfor en stor rolle i å balansere det europeiske kraftnettet. Det som er spesielt med norsk vannkraft er at det ofte bygges magasiner langt unna selve kraftstasjonen. Vannet blir så overført fra magasinet fram til kraftstasjonen gjennom tunneler eller rør. Dette gjør at magasinet kan plasseres der hvor det er mest gunstig og kraftverket kan plasseres der det er størst høydeforskjell.

I Norge blir det gjort vannkraftproduksjons planlegging. Hver dag før klokken 12:00 blir det gjort et bud for morgendagens kraftproduksjon. Budet har en oppløsning på 15 minutter, dette betyr at en kraftprodusent kan velge å produsere forskjellige mengder strøm i 15-minutt intervaller. Dette gjøres for å kunne selge mer strøm når prisene er dyre og gjør at strøm markedet kan reagere mye fortere til endring i krafttilførsel. For at budene skal være optimale er det nødvendig å vite om hvor mye energi som faktisk kommer til å bli produsert av andre energikilder. Moderne vannkraftprodusenter bruker ofte digitale kontrollsystemer for dette. Det er brukt avanserte algoritmer og ofte maskinlæring for å planlegge budene. 

Vannkraft og miljøkonsekvenser

Selv om vannkraft er en karbonfri energiressurs kan utbyggingen av et vannkraftverk gi store lokale konsekvenser. Dette kan inkludere gjenbosetting og inngrep i lokale økosystemer. I tillegg til disse konsekvensene så er det mange flere som du kan lese mer om her. Denne teksten kommer hovedsakelig til å se mer på disse to.

Gjenbosetterning er en konsekvens av at man demmer opp en vannvei. Landskapet rundt demningen endres da drastisk. Demningen oversvømmer området for å skape et reservoar. Dette medfører at befolkningen som før bodde rundt vannveien blir tvangsflyttet, noe som skaper langvarige sosiale konsekvenser. Mange av de som blir tvangsflyttet finner seg ikke til rette ved sitt nye bosted. Akosombo demningen i Ghana er et eksempel på dette, hvor demningen oversvømte 8500 km^2 og fordrev 80 000 mennesker. Myndighetene i Ghana mente at ingen skulle ende opp med verre levekår, men dessverre feilet mange av gjenbosetningsprogrammene. Mennesker fra de 740 forskjellige landsbyene ble samlet i 52 byer. Dette fører ofte til sosial stress, verre helse og vansker ved å holde på egen kultur. 

Demninger ødelegger også økosystemer. Avledningsdemninger stopper ofte den naturlige oversvømmelsen av områdene rundt. Disse oversvømmelsene er kjempeviktige for å opprettholde våtmarkøkosystemer. I tillegg vil vannkraft forhindre dyr å bevege seg oppstrøms og nedstrøms forbi kraftverket. Dette gjør at dyrebestander blir isolert fra hverandre (NVE, 2013), noe som blant annet utgjør en risiko for dyr som er utrydningstruet, og avhengig av å ha migrasjon mellom bestander for å holde bestandene oppe. Det er særlig et problem for fisk som må bevege seg oppstrøms for å gyte, som laksen. I Norge er 1030 arter tilknyttet ferskvann, og rundt en tredjedel av dem regnes som å være utrydningstruet eller nær utrydningstruet (Rødlista, 2021). Moderne vannkraftverk har også tiltak for å redusere endringen av økosystemer. Disse kan være fiske-stiger og -tunneler, i tillegg til vannstrøm regulering.

Det er viktig å nevne at selv om vannkraft produserer karbonfri elektrisitet, er ikke vannkraft i seg selv karbonfri. Alle fornybare energikilder produserer en mengde miljøgassutslipp over sin levetid,  noe som kan komme av alt fra bygging av kraftverk til produksjon av materialer. Vannkraftverk er hovedsakelig bygd med betong, et materiale som har relativt høyt utslipp. Siden vannkraftverk også er bygd for å vare en lang tid, så blir det totale utslippet over hele livstiden til et vannkraftverk lavt. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) estimerer at vannkraft produserer i gjennomsnitt 24 gram med CO2 ekvivalent per kilowatt-time og er litt mer enn hva vind og kjernekraft produserer. 

Ingen demninger varer for alltid

Et annet problem med vannkraft er at ingen demninger varer for alltid. Da er det ikke snakk om at utstyret ruster eller at vannkraftinfrastrukturen eroderes, men at reservoarene fylles med sediment. Dette er på grunn av at vannfarten oppstrøms er annerledes enn vannfarten nedstrøm. Vannet oppstrøm beveger seg med høyere fart og drar med seg sediment. Denne farten øker når vannet får bevege seg fritt nedover i elven. I en demning samles det vann opp reservoar, dette vannet er stille. Når vannet i elven møter vannet i reservoaret senkes vannfarten og sedimentet synker til bunnen. I bildene nedenfor vises det et eksempel på dette.

Fordeler

• Vannkraft gir karbonfri elektrisitet
• Vannkraftverkene kan regulere produksjon og være med på å balansere nettverket
• Et vannkraftverk kan ha veldig lang levetid
• Store vannmagasin kan fungere som batteri og lagre vann for når det trengs mer elektristet.

Ulemper

• Vannkraft har store lokale konsekvenser som gjenbosetting og ødeleggelsen av lokale økosystem 
• Å bygge et vannkraftverk er dyrt og trenger mye startkapital
• Man kan bare bygge vannkraftverk på plasser og i land som oppfyller de geografiske kravene for vannkraft