Selvom vandkraft ikke udgør nogen stor del af Danmarks samlede energiproduktion, er det den vedvarende energikilde, der udnyttes i størst grad globalt set. Samtidig er vandkraft en af de energityper, som mennesket har udnyttet i længst tid, endda helt tilbage til de gamle grækere før Kristi fødsel. De benyttede vandkraft til at drive møllesten, der malede korn til mel, og senere vanddrevne maskiner i den voksende industri allerede i 1500-tallet. Her fik vægten af strømmende vand – i f.eks. en flod – et vandhjul til at dreje rundt, og herved brugtes vandets kinetiske energi (bevægelsesenergi) til drift af maskinen. Vandkraft blev især brugt til at drive savværker, mineindustri og tekstilindustri.
Det første egentlig vandkraftværk blev bygget i 1879 ved Niagara Falls i USA, og da vandkraft var på sit højeste i starten af 1940’erne dækkede det ca. 33 % af landets samlede energiforbrug. Efterfølgende blev vandkraft især udkonkurreret af de billige kraftværker drevet af fossile brændstoffer – en af grundene til, at vi står overfor en klimakrise den dag i dag.
Vi har masser af vand på vores klode – ca. 70 % af jordens overflade er dækket af vand, og det repræsenterer en stor mængde potentiel energi, som vi kan drage nytte af. Vandet på jorden gennemgår et kredsløb, der drives af solens varme (se fig. 1).
Et typisk vandkraftværk består af tre elementære dele: Et vandreservoir (kunstig eller naturlig sø), en dæmning til kontrol af vandmasserne og et kraftværk, der producerer den strøm, vi har brug for (se fig. 2). For at producere strøm, åbnes luger i dæmningen, således at vand fra reservoiret kan strømme ind i de store rør, der fører hen til turbinerne. Turbinerne drives af det strømmende vand og er forbundet til generatorer, der producerer elektricitet. Herfra kan elektriciteten så transporteres via el-nettet til de enkelte husstande.
Mængden af elektricitet, der kan genereres på et vandkraftværk afhænger af to
faktorer: Højdeforskellen fra det opdæmmede vand til turbinerne og mængden af vand, der strømmer igennem dem. Desto større fald og større mængde vand, der passerer gennem vandkraftværket, desto større mængde elektricitet kan vandkraftværket generere. Ved hjælp af fysik kan man beregne den potentielle energi, som en given mængde opdæmmet vand ved en bestemt højde udgør, men man må samtidig regne med stort spild (se faktaboks om potentiel energi).
Potentiel energi
Hvis vi forestiller os at vi har et vandreservoir i 100 meters højde, som rummer 100.000 tons vand, kan vi beregne den potentielle energi:
Epot = m * g * h = 100.000.000 kg * 9,82 m/s2 * 100 m = 9,82 * 1010 Joule.
m = masse i kilo
g = tyngdeaccelerationen
h = højden over det valgte nulpunkt i meter
1,964 * 1012 Joule er altså den mængde energi, som bliver frigivet ved et fald. 1 kilowatt time er 1000 Joule * 60 sekunder * 60 minutter = 3600,000 Joule.
Vi kan altså omregne de 9,82* 1010 Joule frigivet til ca. 27.277 kWh. Dertil skal man dog tage højde for, at der går en masse energi til spilde i form af gnidning mod røret og varmetab i generatoren.
En af de meget store fordele ved vandenergi er, ud over den lave CO2-belastning, muligheden for at oplagre energi. Man kan nemlig opfatte vandet i reservoiret som oplagret potentiel energi, der kan frigøres når der er brug for det – f.eks. i perioder med spidsbelastning. I perioder med mindre elektricitetsforbrug, kan vandet så holdes tilbage, hvilket også gør det muligt at oplagre vand fra år med meget nedbør til strømproduktion i mere tørre år.
Visse vandkraftværker benytter sig af et oplagringssystem med oppumpning af vand. Efter vandet har passeret turbinerne oplagres det i et lavere liggende reservoir. Alt afhængig af hvor stor efterspørgslen er efter elektricitet, kan vandet pumpes op til det højtliggende reservoir og bruges igen. Processen koster naturligvis strøm i sig selv, og bruges derfor kun, hvis der er stor efterspørgsel. Pumpe-oplagring af vand er en af de mest pålidelige måder at oplagre energi, og almindelige kul eller oliefyrede kraftværker er ikke i stand til noget lignende, ligesom de heller ikke er i stand til at oplagre overflødig produceret energi.
Samtidig er elektricitet produceret ved vandkraft den billigste elektricitet man kan komme i nærheden af i dag. I USA har man således beregnet en kilowatt time produceret på vandkraft til at koste ca. 5 øre, mens prisen er henholdsvis ca. 20 øre og 10 øre for en kilowatt time produceret ved kulkraft eller atomkraft. Grunden til den lave pris er, at når en dæmning og et vandkraftværk står færdig, er selve energikilden, nemlig vandet, gratis at udnytte. Samtidig er vandkraftværker generelt robust byggede, og udstyret er forholdsvist simpelt, så vedligeholdelsesudgifterne er også til at overse. Dog er udgifterne til undersøgelser af vandkraftværkernes påvirkning af miljøet en stigende udgift, eftersom restriktioner og naturbevarelse er kommet på dagsordenen.
Selvom man fuldstændigt undgår udledning af CO2, når man producerer strøm ved hjælp af vandkraft, er der alligevel flere miljømæssige aspekter ved denne udnyttelse, der ikke må blive glemt.
Ved at opdæmme floder, kan man forårsage store forstyrrelser i det lokale økosystem, især med hensyn til flodernes dyreliv. For eksempel kan opdæmninger gå ud over fisk, som f.eks. laks og ørred, der normalt vandrer lange strækninger mod strømmen for at lægge æg ved flodens udspring. Hvis fiskebestandene daler, vil der så at sige mangle en brik i form af rovdyr i flodens økosystem, og denne skævvridning kan føre til sammenbrud af balancen i naturen. Man forsøger at minimere generne ved såkaldte ”stiger”, hvor fiskene kan vandre udenom dæmningerne. Desuden kan vådområder oversvømmes og habitater for en lang række organismer forsvinde.
Samtidig fører opdæmninger af stort omfang til store menneskelige omkostninger, når landbrugsland oversvømmes og hele byer bliver tvangsforflyttet. Under konstruktionen af verdens største dæmning, ’De Tre Slugter’ i Kina, der stod færdig i 2006, blev mere end 1,13 millioner mennesker tvangsforflyttet fordi Yangtzefloden oversvømmede deres byer. Dæmningen er over 2 kilometer lang og 100 meter høj, og mange gamle templer og unikke naturområder blev ødelagt af oversvømmelserne.
Kraftværket ved Yantzefloden forventes at kunne producere op til 22,500 megawatt om året, når det bliver fuldt operationsdygtigt omkring 2011. Ud over omkostninger for dyr og mennesker, stiller ny forskning nu spørgsmålstegn ved, om vandkraftværker egentlig har den gavnlige effekt på udledningen af drivhusgasser, som er målet. Problemet opstår når dødt plantemateriale og andet organisk stof rådner i bunden af de opdæmmede vandreservoirer. Under forrådnelse dannes nemlig metangas, der er en væsentlig mere potent drivhusgas end kuldioxid, idet gassen kan tilbageholde varme 20 gange mere effektivt. Problemet er særlig stort i tropiske områder med høje temperaturer og forholdsvis lave reservoirer. I Kina, der på nuværende tidspunkt er verdens største producent af vandkraft, ligger de fleste reservoirer imidlertid i tempererede områder, samtidig med at vanddybden er stor. Men med en nation i så kraftig vækst, bør man ikke undervurdere de nye tegn, som forskningen giver os.
Tværtimod kan man eventuelt komme metangasudviklingen i møde ved at konstruere reservoirer, hvor gassen kan opsamles og udnyttes som brændbar energikilde. Der er generelt både fordele og ulemper ved de fleste måder at producere elektricitet på, og i fremtiden vil vi være nødt til at afveje fordele og ulemper op mod hinanden, samtidig med at vi med forskning og innovation gør alt, vi kan, for at komme ulemperne i møde og vende dem til vores egen fordel.
Til trods for, at vi I Danmark har hverken bjerge eller store brusende floder, har vi alligevel et vandkraftværk, der bidrager med ca. 0,1 % af vores samlede energiforbrug. Gudenaacentralen eller Tangeværket blev bygget helt tilbage i 1921, og ligger ved Bjerringbro i Jylland. Ved at opdæmme Gudenåen er det lykkes at skabe Danmarks største kunstige sø, hvor man formår at producere 14.054.938 kWh om året. Herved forsyner man 3.000 husstande med ren strøm uden udslip af kuldioxid hvert år, hvilket sparer naturen for 5.790 tons CO2 hvert år.
Vandkraft spiller en noget større rolle i Danmark, end man umiddelbart skulle tro, idet vi køber strøm produceret ved vandkraft fra vores naboer, Sverige og Norge. Især om foråret, hvor smeltevand fylder floderne er deres vandkraft billigt, hvilket vi kan nyde godt af herhjemme.
Kilder:
need.org
Forfatter:
Cand. Scient, Christina Marie Bramow, Experimentarium
HydropowerVandkraft
Undervisningsmateriale fra National Energy Education Development Project
Danmarks eneste vandkraftværk
Metanudslip fra vandkraft
Menneskelige omkostninger ved vandkraft
»Klima i Gymnasiet - om Naturvidenskab
