Vannkraft

Teknologien for å utnytte fallende vann mekanisk er gammel. For over 2000 år siden ble vannhjul brukt av de gamle grekerne til å male korn. Med det var først i middelalderen at teknologien ble spredt til større deler Europa. Vannkraft var også viktig under den industrielle revolusjon på begynnelsen av 1800-tallet og ga mekanisk kraft til tekstil- og maskinindustri. I 1870 utnyttet man første gang vannkraft til produksjon av elektrisitet. I dag er dette noe av vannkraftens vanligste bruksområde. Og her skal vi se litt nærmere på hvordan denne energien utnyttes, ulike teknologier og termer.

Hvordan virker det?

Vannets kretsløp drives direkte av solenergi. Når solen varmer opp vannet i hav og overflatevann skjer det en fordamping og vannet stiger i form av  vanndamp. Vannet har nå fått høydeenergi. Når vanndampen når høyere luftlag og blir nedkjølt, faller vannet ned i form av regn, hagl eller snø. Vannet renner naturlig mot laveste nivå og transporteres på jordoverflaten i bekker og elver, hvor det til slutt når havet og fordamper atter en gang. Energien, i form av høydeenergi, kan vi utnytte mens vannet følger sitt naturlige kretsløp. Dette kan gjøres ved å la vannet strømme gjennom turbiner som driver en generator, som igjen produserer elektrisitet.¹

Vannmengden og fallhøyden bestemmer den potensielle energien i et vannfall. Fallhøyden er høydeforskjellen mellom vannstanden i inntaket og utløpet fra kraftverket. Vannkraftproduksjon er altså utnyttelse av den potensielle energien i vannet. Energiproduksjonen kan regnes ut slik:

E = ρ * Q * g * Hn * η / 3600 [kWh]

ρ = Vannets tetthet
Q = Samlet midlere tilløp til turbinen(e) over et år [m³/s]
g = tyngdeakselerasjonen [m/s²]
Hn = Midlere netto fallhøyde [m]
η = Gjennomsnittlig virkningsgrad for turbin, generator og transformator i løpet av året
3600 = Står for omregningen til Watt-timer fra Joule. 1 Wh = 3600 J

Tre ulike typer

Vannkraft kan hovedsaklig deles opp i tre typer. Disse er:

1. Elvekraftverk
2. Magasinkraftverk
3. Pumpekraftverk

Elvekraftverk kommer innenfor betegnelsen et lavtrykkskraftverk ettersom det utnytter store vannmengder med liten fallhøyde. I slike kraftverk er det viktig å anvende en turbin som er best egnet for store volumstrømmer med vann. Til et slikt bruk egner Kaplanturbinen seg best.

Magasinkraftverk er basert på prinsippet om vann som lagres i magasiner. Dette fører til økte fallhøyder, og har en god reguleringsgrad. Denne typen kraftverk blir brukt hvor en har store høydeforskjeller i terrenget, blant annet slik som er tilfellet i Norge.

Pumpekraftverk er basert at vann pumpes opp i et magasin når kraftprisen er billig. Når prisen så stiger igjen, brukes dette vannet til å produsere kraft og penger er tjent.

Vannturbiner

For å utnytte vannets potensielle energi, er det viktig med rett teknologi, og da er rett turbin essensiell. Ulike driftsområder er avhengig av fallhøyde og vannføring. H og Q.

Det finnes to hovedkategorier å dele vannturbiner inn i.

• Fristråleturbin
  • Har skovl/løpehjul
  • Løper i luft
  • Eksempel på turbin: Pelton
• Fallturbin
  • Løpehjul dykket i vann
  • Eksempler: Francis og kaplan

Peltonturbin benyttes i stasjoner hvor en har stor fallhøyde «fallhøyde» og liten vannføring «vannføring» . Etter at vannet har passert hovedventilen «hovedventil» kommer det inn i en ringledning «ringledning». Ringledningen fordeler vannet rundt turbinen før det løper inn igjennom regulerbare dyser «dyse» . Dysene regulerer åpningen og dermed vannmengden som slippes gjennom med en nåleservomotor XE «nåleservomotor». Vannstrålen treffer nå skovlen «skovel» på løpehjulet «løpehjul» og driver det rundt. Når vannet har gjort jobben sin faller det trykkløst ned og faller vannet ned i turbingruven, og renner ut i undervannet «undervann» som har fra overflate.

Francisturbin deles inn etter hvilken fallhøyde de er konstruert for, noe som også gjenspeiles av utformingen av løpehjulet . Fallhøyden hvor en velger franscisturbinen varierer mellom ca 30 og 700 meter. Vannet passerer hovedventilen og kommer inn i spiraltromma, eller sneglehuset. Vannet ledes via faste ledeskovler som skal styre vannet inn mot de regulerbare ledeskovlene. Ledeskovlene regulerer også vannmengden inn på løpehjulet og regulerer dermed pådraget til turbinen. Ledeskovlenes aksling går opp til en kjede med ledd som er festet til reguleringsringen. En servomotor får styresignal fra turbinregulatoren og styrer åpningen av ledeapparatet ved å dreie reguleringsringen.

Fra ledeapparatet passerer vannet gjennom løpehjulet og ut gjennom sugerørskonusen . Herfra går vannet ut gjennom sugerøret og ut avløpstunnelen. I motsetning til peltonturbinen krever francisturbinen en sammenhengende vannstreng fra innløp til utløp, og har derfor turbinsentret under vannspeilet i undervannet. Dette gjør at francisturbinen utnytter fallhøyden fullt ut. Peltonturbinen må ha fallhøyde fra løpehjulet slik at vannet har fall mot undervannet, noe som gjør at en taper noe fallhøyde.

Kaplanturbin er den turbintypen som oftest benytte i elvekraftverk. Turbinen er bygget for lave fallhøyder og store vannmengder. Turbinen er av propellertypen. Turbinen har i likhet med francisturbinen vribare ledeskovler. Men i tillegg til dette har løpehjulet vribare skovler. Dette gir kaplanturbinen en gunstig virkningsgradskurve. En propellerturbin med faste skovler har en meget spiss virkningsgradskurve, men ettersom en kan regulere både regulere både ledeapparat og skovler vil en for ”alle” vannføringer finne en gunstig kombinasjon for innstilling av turbinen.

Noen termer

Tilsig er den vannmengde som renner til ett kraftverk fra dets lokale nedbørsfelt. Et nedbørfelt er det landareal med avrenning til et bestemt utløpspunkt, for eksempel magasin eller inntak til kraftverk. Nedbøren varierer fra sted til sted og gjennom sesongen. Tilsiget er stort under snøsmeltingen om våren, og avtar normalt utpå sommeren og frem mot høsten.

Brukstid er forholdet mellom produksjon og installert effekt målt i samme periode. Brukstid er et mål på utnyttelsesgrad av det utstyret som er installert. Et kraftverk som har en kraftproduksjon på 200 GWh/år, og installert effekt på 50 MW, har en brukstid på 4000 timer. De fleste vannkraftverk i Norge har en brukstid på mellom 3500 og 5000 timer.²

1. Fornybar Energi. (2007). Hentet fra s. 98, 10. mai 2010 [↩]
2. www.energifakta.no [↩]