Waterkracht: energie uit stromend water
Waterkracht is het opwekken van elektriciteit door de beweging van water. Denk aan een rivier die van een berg naar zee stroomt: al dat water heeft door de zwaartekracht energie in zich. Door dat stromende of vallende water langs een turbine te leiden — een soort scheprad met schoepen dat gaat draaien zodra er water tegenaan stroomt — wordt de bewegingsenergie van het water omgezet in draaiende beweging, en die beweging wordt vervolgens door een generator omgezet in elektrische stroom.
Een handige analogie is een ouderwetse watermolen: eeuwenlang gebruikten mensen de kracht van een beek of rivier al om molenstenen te laten draaien voor het malen van graan. Een moderne waterkrachtcentrale doet in essentie hetzelfde, alleen wordt de draaiende as nu niet aan een molensteen gekoppeld maar aan een generator, en gaat het niet om een handvol paardenkrachten maar soms om het vermogen van een hele stad.
Wat is het precies?
De meeste waterkrachtcentrales werken volgens hetzelfde basisprincipe: hoe hoger het water valt en hoe meer water er stroomt, hoe meer energie er vrijkomt. Dit heet het hoogteverval. Om dat verval te creëren, wordt vaak een dam gebouwd die een rivier afsluit en een stuwmeer vormt: een kunstmatig meer waarin water wordt opgeslagen op een hoger niveau dan de rivier stroomafwaarts.
Vanuit dat stuwmeer stroomt het water via grote buizen, penstocks genoemd, naar beneden naar de turbines. De druk en snelheid van het vallende water laten de turbineschoepen ronddraaien. Die draaiende as is verbonden met een generator, die met behulp van magneten en spoelen elektrische stroom opwekt — hetzelfde principe als bij windturbines, alleen is de aandrijvende kracht hier water in plaats van lucht.
Naast de klassieke stuwdam bestaan er ook andere vormen. Bij run-of-river-centrales wordt nauwelijks water opgeslagen; de centrale gebruikt simpelweg de natuurlijke stroomsnelheid van een rivier, zonder groot stuwmeer. Bij pompaccumulatie (in het Engels pumped hydro storage) wordt water juist actief omhoog gepompt naar een hoger bekken op momenten dat er elektriciteit over is, om het later weer naar beneden te laten stromen wanneer er veel vraag naar stroom is. Dit werkt in feite als een gigantische batterij.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van waterkracht is het opwekken van elektriciteit zonder daarbij CO2 uit te stoten, in tegenstelling tot centrales die kolen, olie of aardgas verbranden. Waterkracht geldt daarom als een vorm van hernieuwbare energie, net als zon en wind.
Een groot voordeel ten opzichte van zon en wind is dat waterkracht relatief voorspelbaar en stuurbaar is. De hoeveelheid stroom die de zon of wind levert, hangt sterk af van het weer op dat moment. Bij een stuwdam met een groot reservoir kan een beheerder er echter voor kiezen om op een bepaald moment meer of minder water door de turbines te laten stromen, en dus de stroomproductie aanpassen aan de vraag. Dat maakt waterkracht bijzonder geschikt om schommelingen in het elektriciteitsnet op te vangen.
Pompaccumulatiecentrales spelen daarnaast een steeds grotere rol in het opslaan van overtollige zonne- en windenergie, zodat die op een later moment alsnog gebruikt kan worden. Zo helpt waterkracht niet alleen bij het opwekken van duurzame stroom, maar ook bij het stabiel houden van het elektriciteitsnet dat steeds afhankelijker wordt van wisselvallige bronnen.
Voorbeelden uit de praktijk
De Drieklovendam (Three Gorges Dam) in China, in 2012 volledig in gebruik genomen, is met een vermogen van ruim 22.500 megawatt de grootste waterkrachtcentrale ter wereld en ook het grootste elektriciteitsopwekkende bouwwerk ooit gebouwd. De dam ligt in de rivier de Jangtsekiang en heeft destijds geleid tot de gedwongen verhuizing van meer dan een miljoen mensen, wat de sociale kant van grote waterkrachtprojecten pijnlijk illustreert.
De Itaipu-dam op de grens van Brazilië en Paraguay, operationeel sinds 1984, levert al decennia een aanzienlijk deel van de elektriciteit van beide landen en staat symbool voor internationale samenwerking rond een gedeelde rivier, de Paraná.
In Noorwegen, een land met veel bergen en neerslag, komt al sinds de twintigste eeuw meer dan 90 procent van de elektriciteit uit waterkracht. Het land gebruikt zijn talrijke stuwmeren ook steeds vaker als een soort ‘groene batterij’ voor buurlanden, door pompaccumulatie te combineren met onderzeese elektriciteitskabels naar bijvoorbeeld Duitsland en het Verenigd Koninkrijk.
Nederland heeft, met zijn platte landschap, nauwelijks natuurlijk hoogteverval en dus geen grote waterkrachtcentrales. Toch bestaan er enkele kleinschalige centrales op stuwen in de grote rivieren, zoals bij Linne, Alphen, Lith en Hagestein in de Maas en de Nederrijn/Lek. Deze centrales zijn klein in vermogen vergeleken met bijvoorbeeld de Drieklovendam, maar dragen lokaal wel bij aan duurzame stroomopwekking.
Hoe ver is de techniek?
Waterkracht is verreweg de oudste en meest volwassen vorm van hernieuwbare elektriciteitsopwekking; de eerste waterkrachtcentrales dateren al van eind negentiende eeuw. Wereldwijd is waterkracht nog altijd goed voor ongeveer 15 tot 16 procent van alle opgewekte elektriciteit, en het is daarmee veruit de grootste hernieuwbare bron, groter dan zon en wind bij elkaar.
De groei van nieuwe grote waterkrachtprojecten is de afgelopen jaren echter afgevlakt. De meest geschikte rivieren met een groot hoogteverval en veel waterafvoer zijn in veel landen al benut. Nieuwe grote dammen stuiten bovendien op groeiend verzet vanwege de ecologische en sociale gevolgen: dammen onderbreken de natuurlijke loop van rivieren, blokkeren de trekroutes van vissen zoals zalm en paling, veranderen sedimentstromen die stroomafwaartse gebieden juist nodig hebben, en leiden vaak tot gedwongen verhuizing van lokale bewoners.
Een andere groeiende zorg is droogte. Doordat klimaatverandering leidt tot onregelmatigere neerslag, kampen sommige waterkrachtlanden — zoals delen van Brazilië, China en de Amerikaanse westkust — periodiek met te lage waterstanden in hun stuwmeren, wat de stroomproductie tijdelijk kan beperken.
Wel groeit het aantal pompaccumulatiecentrales gestaag, juist omdat het elektriciteitsnet steeds meer behoefte heeft aan grootschalige opslag om zonne- en windenergie te kunnen combineren. Deze techniek zelf is niet nieuw, maar wordt door de energietransitie in een nieuwe rol geplaatst.
Wie werken eraan?
Op het gebied van geïnstalleerd vermogen loopt China ver voorop, met onder meer de Drieklovendam en talloze andere grote en kleine centrales. Ook Brazilië, Canada, de Verenigde Staten, Rusland en Noorwegen behoren tot de landen met de grootste waterkrachtcapaciteit.
Op technisch gebied zijn gespecialiseerde bedrijven als het Oostenrijkse Andritz Hydro, het Duitse Voith Hydro en het Amerikaans-Franse GE Renewable Energy wereldwijd toonaangevend in het ontwerpen en bouwen van turbines en generatoren voor waterkrachtcentrales.
Internationale kennisorganisaties zoals het Internationaal Energieagentschap (IEA) en de International Hydropower Association (IHA) volgen de ontwikkeling van de sector wereldwijd en publiceren jaarlijkse rapporten over capaciteit, trends en beleid. In Nederland beheert Rijkswaterstaat de grote rivierstuwen waarop de kleinschalige centrales zijn gebouwd, terwijl energiebedrijven de daadwerkelijke exploitatie van die centrales verzorgen.