Vattenkraft
Vattenkraft är energi som utvinns ur strömmande vatten. Strömmarna kan finnas i vattendrag, eller skapas genom temperaturskillnader i världshaven eller som tidvattenströmmar. Även konstgjorda vattendrag kan användas. Det man vanligen avser med vattenkraft är utvinning av den lägesenergi som vattnet har fått i sitt naturliga kretslopp genom soldriven avdunstning följt av nederbörd på högre liggande markområden. Vatten från regn eller smält is/snö samlas upp i floder och sjöar. När vattnet från en damm strömmar ner till turbinen utvinns den kraft som definieras av nivåskillnaden i meter mellan vattenytan i dammen och på nedsidan av kraftverket samt vattenflödet i kubikmeter per sekund. Energin omvandlas i en vattenturbin till mekanisk energi som driver generatorer som alstrar elektrisk energi.
Fram till mitten av 1800-talet utnyttjades främst vattenkraften genom att placera vattenhjul i forsar och fall för drivning av exempelvis kvarnar som malde säd eller som drivkälla för smideshammare och andra direktdrivna maskiner. Under 1800-talet skedde en snabb utveckling av allt effektivare vattenturbiner. Under sista decenniet av 1800-talet utvecklades också den elektriska transmissionen, så att vattenkraften kom att kunna försörja fabriker och konsumenter med kraft på platser som låg långt från själva kraftverket.[1]
Vattenkraften är reglerbar och kan snabbt anpassas till de förändringar som sker i konsumtionen av el. Möjligheten att snabbt reglera vattenkraftproduktionen är en viktig del för att kunna bygga ut vindkraften i större omfattning i hela norra Europa.
Historia
De första vattenkraftverken fanns i Kina. Omkring år 1200 byggdes de första vattenkraftanläggningarna i Norden. I nästan 700 år har vattenkraften utnyttjas i Norden, länge som ett vattenregale.[2]
Skvalthjul med vertikal axel kom ungefär år 1250. Ett skvalthjul fungerar så att vatten leds fram till en pinne med skovlar som står över ett vattendrag. Det rinnande vattnet gör så att hjulet börjar rotera och via axlar och kugghjul drivs kvarnen så att man kan mala sin säd. Under senare medeltiden och nya tiden kom det horisontalaxlade vattenhjulet att utvecklas. En mängd försök att utveckla det horisontella vattenhjulet gjordes även under 1700-talet och början av 1800-talet.[3][4]
Svensken Christopher Polhem (1661-1751) gjorde en konstruktion som gjorde det möjligt att transportera vattnets rörelse någon kilometer från forsen, genom att långa rörliga stänger kopplades till ett vattenhjul. Christopher Polhem kallade sin uppfinning för stånggång.[3][5]
I Frankrike utfäste 1826 Sociéte d'Ecouragement pour l'industrie Nationale ett pris värt 6000 franc till den som kunde konstruera ett horisontellt vattenhjul med skedformade skovlar som uppfyllde vissa krav på verkningsgrad m.m. Det vinnande inslaget lämnade den unge ingenjören Benoît Fourneyron. Hans konstruktion Fourneyronturbinen räknas som den första praktiskt användbara vattenturbinen.[4]
I slutet av 1800-talet fick vattenkraften ett rejält uppsving. En turbin ersatte skovelhjulet så att energin kunde ledas till en generator så att energin omvandlades till elektrisk energi. År 1826 lade fransmannen Jean Victor Poncelet fram ett förslag om en vattenturbin där vattnet strömmar in och ut radiellt. Poncelet kom dock aldrig att förverkliga sin idé. Samuel B Howd kom att bygga det första praktiskt användbara turbinen av det här slaget. Han fick patent på det 1838. Det stora genombrottet för den här turbintypen kom med James B Francis utvecklingsarbete. Francis lyckades konstruera en turbin med mycket bättre prestanda än Howds.[6]
Staden Lowell är belägen där floderna Concorde och Merrimac förenas, var ett centrum för Amerikas textilier och vattenkraft utnyttjades i stor skala. Francis utförde under 1840-talet flera experiment där han jämförde prestandan mellan Fourneyronturbinen och sin egen konstruktion. I Fourneyronturbinen strömmar vattnet inifrån och utåt. I sin ursprungliga form kom Francisturbinen att användas i begränsad utsträckning. Efter år 1860 kom turbintypen att utvecklas och modifieras. Engelsmannen James Thomson gjorde betydelsefulla förändringar av Francis turbin. Thomson försedde turbinen med rörliga ledkolvar och ett spiralformat tryckskåp.[7]
De flesta vattenkraftverken i världen är byggda under 1950- och 1960-talen.
Produktion
Vattenkraftproduktionen byggdes ut kraftigt i Europa och Nordamerika fram till 1980-talet. Idag sker en omfattande vattenkraftsutbyggnad i Latinamerika och Asien.[8]
Stora vattenkraftverk
| Damm | Land | Öppnad | Effekt | Årsproduktion |
|---|---|---|---|---|
| Tre raviners damm | Kina | 2008/2011 | 18 300 MW (2008), 22 500 MW (vid färdigställandet) |
84,4 TWh |
| Itaipú | Brasilien/Paraguay | 1984/1991 | 14 000 MW | 93,4 TWh |
| Guri | Venezuela | 1986 | 10 200 MW | 46 TWh |
| Grand Coulee | USA | 1942/1980 | 6 809 MW | 22,6 TWh |
| Sayano Shushenskaya | Ryssland | 1983 | 6 721 MW | 23,6 TWh |
| Robert-Bourassa | Kanada | 1981 | 5 616 MW | |
| Churchill Falls | Kanada | 1971 | 5 429 MW | 35 TWh |
| Järnporten | Rumänien/Serbien | 1970 | 2 280 MW | 11,3 TWh |
Största svenska vattenkraftverken
| Damm | Vattendrag | Öppnad | Effekt | Årsproduktion |
|---|---|---|---|---|
| Harsprånget | Luleälven | 1951 | 977 MW | 2,13 TWh |
| Stornorrfors | Umeälven | 1958/1985/2010 | 599,4 MW | 2,25 TWh |
| Porjus | Luleälven | 1914 | 480,6 MW | 1,23 TWh |
Beräkning av tillgänglig effekt
En vattenkraftsresurs kan utvärderas utifrån dess tillgängliga effekt. Effekten beräknas med hjälp av en funktion som beror av flödets hastighet och det "piezometriska huvudet"[9], vilket är vattnets energiinnehåll per viktenhet. Det "stastiska huvudet" är direkt proportionellt mot vattnets fallhöjd och det "dynamiska huvudet" beror av vattnets hastighet.
Med kraftekvationen beräknas den effekt som kan utvinnas från fallande vatten:
där
- P: turbinens effekt i watt
- η: turbinens verkningsgrad
- ρ: vattnets densitet i kilogram per kubikmeter
- Q: vattnets flödeshastighet i kubikmeter per sekund
- g: gravitationskonstanten i meter per sekundkvadrat
- h: höjdskillnaden mellan inlopp och utlopp i meter
Alternativ vattenkraft
Det går att utvinna energi ur vågor, så kallad vågkraft, och ur tidvatten med hjälp av tidvattenkraftverk. Dessutom finns försök att utvinna energi ur långsamt strömmande vatten med anläggningar som liknar vindkraftverk under vatten och som inte behöver dammar. Energitätheten i långsamt strömmande vatten är låg och anläggningarna behöver bli mycket stora för att få någon egentlig betydelse. Den synliga miljöpåverkan blir mindre än med dagens vattenkraftverk, men investeringarna är i dag avsevärt mycket större, varför de i dagsläget inte är genomförbara annat än i experimentell skala. Det är troligt att de endast får en marginell betydelse.[10]
Miljöpåverkan
Kraftverksdammar utgör vandringshinder för de fiskarter som företar vandringar (vanligast lekvandring). Detta gäller till exempel asp, vimma, id, ål, lax, havsöring, färna, nejonögon, sik, harr, öring, röding och elritsa. Flera svenska lax- och havsöringstammar har slagits ut och asp, ål, vimma, flodnejonöga och havsnejonöga är upptagna på rödlistan över hotade arter.[11] Flodpärlmusslan är också starkt hotad till följd av öringens tillbakagång i och med att den lever i fiskens gälar under sitt första levnadsår. Vattenmagasin med stor regleringshöjd får genom den onaturliga nivåskillnaden mellan hög- och lågvatten ett stört ekosystem. Detta beror på att den huvudsakliga produktionen av djur och växter normalt sker vid stranden ned till cirka 6 meters djup.[12] De konstanta svängningarna i vattenstånd gör att näringsämnen transporteras bort från den produktiva strandzonen så att till exempel de norrländska vattenmagasinen drabbas av näringsbrist. Nedströms dammen kommer den gamla strömfåran att vara ömsom torr och ömsom ha högvatten - en förändring i levnadsmiljön som blir svår att anpassa sig till för samtliga arter. I uppströmsdammen får man också en kraftig förändring, där bland annat bottenförhållandena förändras genom sedimentering.
Se även
Referenser
Noter
- ^ Spade, Bengt (1993). Kraftöverföringen Hellsjön – Grängesberg: en 100-årig milstolpe i kraftteknikens historia.. Läst 10 mars 2015
- ^ Brunnström, Lasse (2001). Estetik & ingenjörskonst: den svenska vattenkraftens historia. Läst 10 mars 2015
- ^ [a b] Åberg, Alf (1962). Från skvaltkvarn till storkraftverk. Läst 10 mars 2015
- ^ [a b] Sundin, Bosse (1987). Att få vatten på sin kvarn; om kvarnar i historien. Läst 10 mars 2015
- ^ Rydberg, Sven m.fl. (1989). Svensk teknikhistoria. Läst 10 mars 2015
- ^ Smith, Norman (1975). Man and Water, A History of Hydro Technology. Läst 10 mars 2015
- ^ Hunter, Louis C.A (1780-1930). History of Industrial Power in the United States. "1: Waterpower". Läst 10 mars 2015
- ^ Back, Mats (12 december 2012). ”Hållbart Samhälle”. http://baryon.se/system/files/undervisningsfiler/e_book%20H%C3%A5llbart%20samh%C3%A4lle%20H%C3%85LMIJ0_2.pdf. Läst 10 mars 2015.[död länk]
- ^ ”Hydraulic Head Pressure | Engineers Edge | www.engineersedge.com”. www.engineersedge.com. http://www.engineersedge.com/hydraulic/hydraulic_head_pressure_10054.htm. Läst 16 november 2015.
- ^ Baddour, Emile (2004). ”ENERGY FROM WAVES AND TIDAL CURRENTS”. Institute for Ocean Technology National Research Council. http://www.marinerenewables.ca/wp-content/uploads/2012/11/Energy-from-Waves-and-Tidal-Currents.pdf. Läst 10 mars 2015.
- ^ [. http://www.wwf.se/vrt-arbete/hav-och-fiske/ww-fs-fiskguide/1243694-ww-fs-fiskguide-nr-du-ska-kpa-miljvnlig-fisk ”Fiskguiden – WWFs konsumentguide för mer miljövänliga köp av fisk och skaldjur”]. WWF. . http://www.wwf.se/vrt-arbete/hav-och-fiske/ww-fs-fiskguide/1243694-ww-fs-fiskguide-nr-du-ska-kpa-miljvnlig-fisk. Läst 10 mars 2015.
- ^ Habitatförstärkning i näringsutarmade regleringsmagasin. Avdelningen för limnologi, Institutionen för ekologi och evolution, Evolutionsbiologiskt centrum, Uppsala universitet samt Avdelningen för zooekologi, Institutionen för ekologi och evolution, Evolutionsbiologiskt centrum. 2007. Läst 10 mars 2015
Vidare läsning
- Althin, Torsten (1947). Vattenbyggnadsbyrån 1897-1947: historik. Stockholm. Libris 8214359
- Brunnström, Lasse (1995). ”Kraftverksinventeringen: ett kombinerat inventerings- och forskningsprojekt i klassisk svensk samförståndsanda”. Dædalus (Stockholm) 1995(63),: sid. 171-187 : ill.. ISSN 0070-2528. ISSN 0070-2528 ISSN 0070-2528. Libris 2003568
- Kungl. Vattenfallsstyrelsen 1909-1934.. Stockholm. Libris 1319272
- Spade, Bengt (2008). En historia om kraftmaskiner. Stockholm: Riksantikvarieämbetet. Libris 11173222. ISBN 978-91-7209-501-4 (inb.) s. 17-109.
- Stymne, Per (1992). ”Norrländsk vattenkraft”. Norrlandsälvar (1992) 1993,: sid. [42]-61 : färgill.. Libris 9467564
Externa länkar
Wikimedia Commons har media som rör Vattenkraft.- Svensk Vattenkraftförening
- Kuhlins hemsida om svensk vattenkraft
| ||||||||||||||||||||||||
