Anatomy of a Small Scale Hydropower system

Werking van kleinschalige waterkrachtinstallaties Auteur: N. Packer, Staffordshire University (VK), juni 2011 . Samenvatting Zonne‐energie zorgt ervoor dat zeewater verdampt, waardoor wolken ontstaan. Wanneer de druppels voldoende massa hebben, zorgt de zwaartekracht ervoor dat het water in de vorm van regen weer aangetrokken wordt naar de oceaan. Deze regen kan ook boven hoger gelegen grond vallen, waarna het water via (snelstromende) rivieren en wateren weer terugstroomt naar de zee; wij kunnen gebruikmaken van de energie die dit stromende water oplevert, door een gedeelte van het water door turbines en generatoren te leiden, waardoor de bewegingsenergie wordt omgezet in elektriciteit. De definities lopen enigszins uiteen, maar algemeen kunnen we stellen dat kleinschalige waterkrachtinstallaties kunnen worden onderverdeeld in mini‐installaties (<1 MW) en micro‐
installaties (<300 kW). Onderdelen van waterkrachtinstallaties Om waterkracht op te wekken, moet een deel van de stroom worden afgescheiden via een stuwdam (1). Zie onderstaande afbeelding. Het inlaatkanaal (2) wordt het 'aanvoerkanaal' genoemd. Aan het einde van het aanvoerkanaal bevindt zich een soort reservoir (3), de ‘bezinkingstank'. Specifieke onderdelen van een kleinschalige waterkrachtinstallatie Verval
Bezinkingstank/aanvoerkanaal kan overlaten (4) bevatten om het teveel aan water terug te voeren naar de rivier. Vanuit het reservoir komt het water in een pijp (5), meestal de ‘drukpijp' genoemd, waarna het begint aan het laatste stuk van zijn reis omlaag naar de waterturbine. Als het een lastig terrein is, of de locatie vanuit milieuoogpunt gevoelig is, is er soms geen aanvoerkanaal, maar wordt het water via een verlengde drukpijp rechtstreeks vanuit de rivierinlaat naar het centrale huis geleid. De turbine en elektrische generator bevinden zich in het centrale huis (6). [Installaties met een stuwdam hebben geen aanvoerkanaal en drukpijp, en het centrale huis bevindt zich in het verlengde van de rivier of waterloop.] Nadat het water door de turbine is geleid, wordt het teruggevoerd naar de rivier of waterloop via een ander kanaal, (7) de ‘afvoerleiding' genaamd. Opgewekt vermogen en gegenereerde energie De twee belangrijkste parameters met betrekking tot het opgewekte vermogen van een waterkrachtinstallatie zijn debiet en verval. Het debiet is de volume‐eenheid water Q(m3/s) die door de turbine gaat en het verval H(m) is de verticale afstand die het water aflegt vanaf de inlaat (d.w.z. het begin van het aanvoerkanaal) tot de uitlaat van de turbine. Turbines zetten de bewegingsenergie van het stromende water redelijk efficiënt om in mechanische energie (draaiende as): hun rendement bedraagt 70‐90%. Het totale rendement hangt af van het rendement van de elektrische generator, maar ligt meestal zo rond 50 – 70%. Om te illustreren wat de invloed van verval en debiet is, geven we hier een voorbeeld van een elektrisch opgewekt vermogen P(kWe) van een waterkrachtinstallatie met een gemiddeld rendement van 60%. In dat geval geldt: P = 5,9 x Q x H (kWe) Uit deze formule blijkt heel duidelijk dat maximalisatie van het verval (H) en het debiet (Q) volgens het ontwerp leiden tot maximalisatie van het opgewekte vermogen en de hoeveelheid gegenereerde energie. Om ook als er minder water door de rivier stroomt de hoeveelheid opgewekte energie te kunnen maximaliseren, zijn de meeste turbines in staat om te functioneren bij debieten die lager zijn dan het ontworpen debiet. Het opgewekte vermogen zal dan lager zijn dan in het hierboven genoemde voorbeeld. Een raming van het jaarlijks opgewekte vermogen gaat in dat geval uit van een 'gelijkwaardig' opgewekt totaalvermogen over een heel jaar. Deze variatie is verwerkt in de zogenaamde capaciteitsfactor. De capaciteitsfactor voor waterkrachtinstallaties ligt meestal tussen de 40% en 70%. In het bovenstaande voorbeeld zou voor een turbine met een capaciteitsfactor van 55% de volgende hoeveelheid opgewekte elektrische energie E (kWhe/jaar) worden ingeschat: E = 5,9 x Q x H x 0,55 x 8760 = 28426 x Q x H (kWhe/jaar) Tot slot Verval is een min of meer vaststaande waarde. Het verval kan het beste worden bepaald door ter plaatse metingen uit te voeren. Voor voorlopige haalbaarheidsstudies kan voor dit doeleinde gebruik worden gemaakt van topografische kaarten, maar dit is minder nauwkeurig. Het beschikbare debiet door de turbine is daarentegen een zeer variabele grootheid, die afhangt van een groot aantal verschillende factoren. Er worden meestal hydrografen (debiet afgezet tegen tijd) en afvoercurves (debiet afgezet tegen percentages of verstreken tijd) gebruikt om de debietvariabiliteit van een rivier of waterloop te bepalen. Het feit dat er water uit de rivier wordt omgeleid om energie mee op te wekken, mag er niet toe leiden dat het riviervak ('rivierpand') in ecologisch opzicht beschadigd raakt. Daarom moet er uitgebreid hydrologisch en biologisch onderzoek ter plaatse worden verricht voordat er verdere plannen worden uitgewerkt. Eenheden & afkortingen Volume: m3 – kubieke meter Volume debiet: Q – m3/s N.B.: 1m3 = 1000 liter Verval: aantal meter (een verticale afstand) Energie kWh (kilowatt‐hour) Vermogen: W – Watt kW (kilowatt) – watt (x1000) MW (Megawatt) – watt (x1.000.000) Voor meer informatie en onderzoek Een eerste kennismaking met energie en vermogen, N Packer, Staffordshire University, VK RETS‐artikelen, februari 2011. www.esha.be www.microhydropower.net www.british‐hydro.org www.cat.org.uk www.environment‐agency.gov.uk http://www.microhydropower.net/nl/hydro_nl.php
Neil Packer is chartered engineer en senior lecturer aan de faculteit van Computing, Engineering and Technology van de Universtiteit van Staffordshire, VK. Hij is al bijna 20 jaar een autoriteit op het gebied van thermovloeistoftechniek en milieukunde. Daarnaast adviseert hij op het gebied van CO2‐reductie, met een breed scala energiediensten voor bedrijven, bedrijfstakken en overheid. Contactgegevens: Faculty of Computing, Engineering and Technology Staffordshire University Beaconside, Stafford, ST18 0AD Tel 01785 353243 e‐mail [email protected]
Deze informatie maakt deel uit van het RETS‐project (Renewable Energies Transfer System), dat mede mogelijk wordt mogelijk door INTERREG IVC in het kader van het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling. Het project loopt van januari 2010 tot en met december 2012. Zie voor meer informatie en om deel te nemen aan onze online‐community: http://www.retscommunity.eu/