Vandkraft (fra græsk ὕδωρ , "vand"), er brugen af faldende eller hurtigt strømmende vand til at generere elektricitet eller til at drive maskiner. Dette opnås ved at omdanne vandkildens gravitationspotentiale eller kinetiske energi til energi [1] . Vandkraft er en metode til bæredygtig energiproduktion .
Siden oldtiden er vandkraft fra vandmøller blevet brugt som en vedvarende energikilde til kunstvanding og drift af mekaniske anordninger såsom møller , savværker , tekstilmøller , hammerhammere , havnekraner , huselevatorer og malmmøller . En trompa , der producerer komprimeret luft fra faldende vand, bruges nogle gange til at drive andre maskiner på afstand [2] [1] .
Vandkraft bruges i dag hovedsageligt til elproduktion og bruges også som halvdelen af energilagringssystemet kendt som pumped storage .
Vandkraft er et attraktivt alternativ til fossile brændstoffer , fordi det ikke direkte producerer kuldioxid eller andre atmosfæriske forurenende stoffer og giver en relativt stabil energikilde. Det har dog økonomiske, sociale og miljømæssige ulemper og kræver en tilstrækkelig stor vandkilde, såsom en flod eller sø på højt terræn [3] . Internationale organisationer som Verdensbanken ser vandkraft som et kulstoffattigt middel til økonomisk udvikling [4] .
Tilgængelige data indikerer, at grundlaget for vandkraft går tilbage til den antikke græske civilisation [5] . Andre beviser tyder på, at vandhjulet dukkede op af sig selv i Kina omkring samme periode [5] . Beviser for eksistensen af vandhjul og vandmøller dateres tilbage til det antikke nærøsten i det 4. århundrede f.Kr. e. [6] :14 . Desuden peger beviser på brugen af vandkraft med kunstvandingsmaskiner i gamle civilisationer som Sumer og Babylonien [7] . Forskning viser, at vandhjulet var den oprindelige form for brug af vandenergi og blev drevet af mennesker eller dyr [7] .
I Romerriget blev vandmøller beskrevet af Vitruvius i det 1. århundrede f.Kr. e. [8] . Mill Barbegala , der ligger på det moderne Frankrigs territorium, havde 16 vandhjul, der behandlede op til 28 tons korn om dagen [2] . Romerske vandhjul blev også brugt til savning af marmor, såsom det sene 3. århundrede Hierapolis savværk [9] . Sådanne savværker havde et vandhjul, der drev to krumtapstænger til at drive to save. Det optræder også i to østromerske savværker fra det 6. århundrede udgravet i henholdsvis Efesos og Gerasa . Krumtapmekanismen på disse romerske vandmøller konverterede vandhjulets rotationsbevægelse til savenes lineære bevægelse [10] .
Oprindeligt mente man, at vandhammere og bælge i Kina under Han-dynastiet (202 f.Kr. - 220 e.Kr.) blev drevet af vandlejer [6] :26–30 . Nogle historikere har dog foreslået, at de blev drevet af vandhjul. Dette skyldes, at det blev antaget, at vandindtagene ikke ville have drivkraften til at betjene højovnens bælge [ 11] . Mange tekster beskriver det hunniske vandhjul; nogle af de tidligste af disse er den Jijiupianske ordbog fra 40 f.Kr. BC, tekst af Yang Xiong , kendt som Fangyan 15 BC. e. samt Xin Lun, skrevet af Huang Tang omkring år 20 [12] . Også på dette tidspunkt anvendte ingeniøren Du Shi (ca. 31 år gammel) kraften fra vandhjul til et stempel - en bælg i smedet jern [12] .
Et andet eksempel på den tidlige brug af vandkraft kan ses i arrugia , brugen af kraften fra vandbølger frigivet fra et reservoir for at udvinde metalmalme. Denne metode blev først brugt i Dolaucothy guldminerne i Wales fra 75 e.Kr. Metoden blev videreudviklet i Spanien ved miner som Las Medulas . Arrugy-metoden blev også meget brugt i Storbritannien i middelalderen og frem til at udvinde bly- og tinmalm . Det udviklede sig senere til hydraulisk minedrift under guldfeberen i Californien i det 19. århundrede [13] .
Det islamiske imperium besatte en stor region, hovedsageligt i Asien og Afrika, samt i andre tilstødende områder [14] . Under den islamiske guldalder og den arabiske landbrugsrevolution (8.-13. århundrede) blev vandkraft i vid udstrækning brugt og udviklet. Den tidlige brug af tidevandsenergi opstod sammen med store komplekser af hydrauliske fabrikker [15] . En bred vifte af industrielle vanddrevne møller blev brugt i regionen, herunder filtning , korn, papir , skrælning , savværk , skib , matrice , stål , sukker og tidevandsmøller . I det 11. århundrede opererede disse industrier i alle provinser i det islamiske imperium, fra Al-Andalus og Nordafrika til Mellemøsten og Centralasien [16] :10 . Muslimske ingeniører brugte også vandturbiner ved at bruge gear i vandmøller og vandløftemaskiner. De var også de første til at bruge dæmninger som en kilde til vandenergi, der blev brugt til at levere yderligere energi til vandmøller og vandløftemaskiner [17] .
Derudover beskrev den muslimske maskiningeniør Al-Jazari (1136-1206) i sin bog The Book of Knowledge of Genious Mechanical Devices designs af 50 enheder. Mange af disse enheder var vanddrevne, inklusive ure, en vindispenser og fem enheder til at hæve vand fra floder eller bassiner, hvoraf tre var dyredrevne og én kunne være dyre- eller vanddrevet. Derudover omfattede de et endeløst bælte med påsatte kander, en kranbrønd og en frem- og tilbagegående anordning med hængslede ventiler [18] .
I det 19. århundrede udviklede den franske ingeniør Benoît Fourneron den første hydroturbine. Denne enhed blev implementeret på den kommercielle fabrik i Niagara Falls i 1895 og er stadig i drift [7] . I begyndelsen af det 20. århundrede byggede og drev den engelske ingeniør William Armstrong det første private kraftværk, som var placeret i hans hus i Cragside i Northumberland ( England ) [7] . I 1753 udgav den franske ingeniør Bernard Forest de Belidor sin bog Hydraulic Architecture , som beskrev hydrauliske maskiner med lodret og horisontal akse [19] .
Den stigende efterspørgsel efter den industrielle revolution vil også stimulere udviklingen [20] . Ved starten af den industrielle revolution i Storbritannien var vand hovedkilden til energi til nye opfindelser såsom Richard Arkwrights vandramme [21] . Selvom vandkraft gav plads til dampkraft i mange store anlæg og fabrikker, blev den stadig brugt i 1700- og 1800-tallet til mange mindre operationer, såsom at drive bælge i små højovne (såsom Difi-ovnen ) og møller , f.eks. , bygget ved St. Anthony Falls , som bruger Mississippis 15 m lodrette fald [21] .
Teknologiske fremskridt har forvandlet et åbent vandhjul til en lukket turbine eller vandmotor . I 1848 forbedrede den britisk-amerikanske ingeniør James B. Francis , chefingeniør for Lowell's Locks and Canals, disse designs og skabte en turbine med en effektivitet på 90 % [22] . Han anvendte videnskabelige principper og testmetoder på problemet med turbinedesign. Hans matematiske og grafiske beregningsmetoder har givet ham mulighed for selvsikkert at designe højtydende turbiner, der præcist matcher stedets specifikke strømningsforhold. Francis' hydroturbine er stadig i brug. I 1870'erne, baseret på brug i den californiske mineindustri, udviklede Lester Allan Pelton den højeffektive Pelton-hjulimpulsturbine , som brugte vandkraft fra det høje løftehøjde, der findes i Sierra Nevada .
Vandkraftressourcen kan estimeres ud fra tilgængelig kapacitet . Effekten afhænger af hydraulikhøjden og volumenstrømmen . Hoved er energien pr. vægtenhed (eller masseenhed) af vand [23] . Det statiske hoved er proportionalt med den højdeforskel, som vandet falder over. Dynamisk hoved er relateret til hastigheden af vand i bevægelse. Hver enhed vand kan udføre arbejde svarende til dens vægt gange hovedet.
Styrken af faldende vand kan beregnes ud fra vandets strømningshastighed og tæthed, højden af faldet og den lokale acceleration på grund af tyngdekraften:
hvorFor eksempel er udgangseffekten af en turbine med en virkningsgrad på 85%, en strømningshastighed på 80 kubikmeter pr. sekund og en løftehøjde på 145 meter 97 megawatt [note 1] :
Vandkraftværksoperatører sammenligner den samlede producerede elektricitet med den teoretiske potentielle energi af vandet, der passerer gennem turbinen, for at beregne effektiviteten. Procedurer og definitioner til beregning af effektivitet er angivet i testkoder såsom ASME PTC 18 og IEC 60041. Turbinefelttest bruges til at verificere producentens præstationssikkerhed. En detaljeret beregning af effektiviteten af en hydroturbine tager højde for tryktabet på grund af strømningsfriktion i en hydrokanal eller ledning, stigningen i niveauet af bagvandet på grund af flowet, placeringen af stationen og indflydelsen af forskellig tyngdekraft , lufttemperatur og barometertryk, vandtæthed ved omgivelsestemperatur og relative højder af de forreste og bageste bays. For nøjagtige beregninger er det nødvendigt at tage højde for fejl på grund af afrunding og antallet af signifikante cifre af konstanter.
Nogle vandkraftsystemer, såsom vandhjul , kan trække strøm fra vandstrømmen uden nødvendigvis at ændre dens højde. I dette tilfælde er den tilgængelige effekt den kinetiske energi af det strømmende vand. Overejektionsvandhjul kan effektivt fange begge typer energi [24] . Et vandløbs forløb kan variere meget fra sæson til sæson. Udviklingen af et vandkraftværk kræver analyse af strømningsregistreringer , som nogle gange strækker sig over årtier, for at vurdere en pålidelig årlig energiforsyning. Dæmninger og reservoirer giver en mere pålidelig energikilde ved at udjævne sæsonbestemte variationer i vandstrømmen. Imidlertid har reservoirer en betydelig miljøpåvirkning , ligesom ændringen i den naturlige flodstrømning. Damdesign skal tage højde for det værste tilfælde, "sandsynlig maksimal oversvømmelse", der kan forventes på stedet; Et overløb er ofte inkluderet for at lede oversvømmelser rundt om dæmningen. En vandskelcomputermodel og nedbørs- og snefaldsregistreringer bruges til at forudsige maksimal oversvømmelse .
Nogle mangler ved vandkraft er blevet identificeret. Mennesker, der bor i nærheden af et vandkraftværk, bliver fordrevet under byggeriet, eller når reservoirets bredder bliver ustabile [7] . En anden potentiel ulempe er, at kulturelle eller religiøse steder kan blokere byggeri [7] [note 2] .
Dæmninger og reservoirer kan have alvorlige negative indvirkninger på flodøkosystemer , såsom at forhindre nogle dyr i at bevæge sig opstrøms, afkøle og deoxygenere vand, der udledes nedstrøms, og miste næringsstoffer på grund af bundfældning af faste partikler [25] . Flodsedimenter danner floddeltaer, og dæmninger tillader dem ikke at genoprette det tabte som følge af erosion [26] [27] . Store og dybe dæmninger og reservoirer dækker store landområder, hvilket forårsager drivhusgasemissioner fra vegetation, der rådner under vandet. Derudover har vandkraft, selvom det er på et lavere niveau end andre vedvarende energikilder , vist sig at producere metan , som er en drivhusgas . Dette sker, når organisk stof ophobes i bunden af en vandmasse på grund af deoxygenering af vandet, som udløser anaerob fordøjelse [28] . Derudover har undersøgelser vist, at konstruktion af dæmninger og reservoirer kan føre til tab af levesteder for nogle akvatiske arter [7] .
Damfejl kan have katastrofale konsekvenser, herunder tab af menneskeliv, tab af ejendom og jordforurening.
Er en vandmølle en mølle, der bruger vandkraft? ved hjælp af et vandhjul eller vandturbine til at styre en mekanisk proces såsom fræsning (slibning), valsning eller knusning. Sådanne processer er essentielle i produktionen af mange fysiske varer, herunder mel, tømmer, papir, tekstiler og mange metalprodukter. Disse vandmøller kan omfatte savværker, papirmøller, tekstilmøller, knuseværker, valseværker, tegneværker.
En af de vigtigste måder at klassificere vandmøller på er hjulets orientering (lodret eller vandret), den ene drives af et lodret vandhjul gennem en gearmekanisme, og den anden er udstyret med et vandret vandhjul uden en sådan mekanisme. Den første type kan yderligere opdeles, afhængigt af hvor vandet rammer hjulårene, i vandhjulsmøllerne i shootout, trefning, bryst og pitchback (bagudslag eller omvendt slag). En anden måde at klassificere vandmøller på er efter et vigtigt træk ved deres placering: tidevandsmøller bruger tidevandets bevægelse; skibsmøller er vandmøller om bord på et skib.
Vandmøller påvirker dynamikken i floder, hvor de er installeret. I den tid vandmøllerne er i drift, har kanalerne en tendens til at sætte sig, især i ørkenen. Derudover er oversvømmelser og nedsynkninger af nærliggende flodsletter tiltagende i vådområdet. Over tid ophæves disse effekter dog på grund af stigningen i flodbredderne. Hvor møllerne er blevet fjernet, øges flodskæringer, og kanalerne bliver dybere [29] .
TrykluftRigeligt vandtryk kan bruges til at producere trykluft direkte uden bevægelige dele. I disse designs er den faldende vandsøjle bevidst blandet med luftbobler skabt af turbulens eller en højt niveau indløbsventuri- trykreducer . Dette gør det muligt for ham at falde ned af skakten ind i et underjordisk kammer med højt tag, hvor den komprimerede luft nu skilles fra vandet og fanges. Højden af den faldende vandsøjle opretholder komprimeringen af luften i toppen af kammeret, mens udløbet, nedsænket under vandstanden i kammeret, tillader vand at strømme tilbage til overfladen på et lavere niveau end indløbet. Et separat udtag i kammerets tag leverer trykluft. En struktur baseret på dette princip blev bygget på Montreal -floden ved Ragged Shutes nær Cobalt, Ontario, i 1910 og forsynede nærliggende miner med 5.000 hestekræfter [30] .
Vandkraft er den største anvendelse af vandkraft. Vandkraft producerer omkring 15 % af verdens elektricitet og leverer mindst 50 % af den samlede elforsyning i mere end 35 lande [31] .
Vandkraftproduktion begynder med omdannelsen af enten den potentielle energi af det tilstedeværende vand på grund af stedets højde eller den kinetiske energi af at flytte vand til elektrisk energi [28] .
Vandkraftværker adskiller sig i den måde, de indsamler energi på. En type omfatter en dæmning og et reservoir . Vand i reservoiret er tilgængeligt efter behov til elproduktion ved at passere gennem kanaler, der forbinder dæmningen med reservoiret. Vand roterer en turbine, som er forbundet med en generator, der genererer elektricitet [28] .
En anden type kaldes en run-of-the-mill anlæg. I dette tilfælde bygges en dæmning for at regulere strømmen af vand i mangel af et reservoir . Et løb-of-flod kraftværk har brug for en konstant strøm af vand og har derfor mindre evne til at levere elektricitet efter behov. Den kinetiske energi af strømmende vand er den vigtigste energikilde [28] .
Begge designs har begrænsninger. For eksempel kan opførelsen af en dæmning forårsage ubehag for nærliggende beboere. Dæmningen og reservoirerne optager et relativt stort rum, som kan modstås af nærliggende bebyggelser [32] . Derudover har reservoirer potentiale til at have alvorlige miljøpåvirkninger, såsom skader på nedstrøms habitater [28] . På den anden side er en begrænsning af løb-of-flod-projektet faldet i effektiviteten af elproduktion, da processen afhænger af hastigheden af den sæsonbestemte flodstrøm. Det betyder, at regntiden øger elproduktionen i forhold til den tørre sæson [33] .
Størrelsen af vandkraftværker kan variere fra små anlæg, kaldet mikro-hydro anlæg , til store anlæg, der forsyner hele landet med denne energi. Fra 2019 er de fem største kraftværker i verden konventionelle vandkraftdæmninger [34] .
Vandkraft kan også bruges til at lagre energi i form af potentiel energi mellem to reservoirer i forskellige højder ved hjælp af pumpede lagertanke . Vand pumpes opad i reservoirer i perioder med lav efterspørgsel, for at blive frigivet til produktion, når efterspørgslen er høj eller systemets output er lavt [35] .
Andre former for vandkraftproduktion omfatter tidevandsstrømgeneratorer , som bruger tidevandsenergi genereret fra oceaner, floder og kunstige kanalsystemer til at generere elektricitet [28] .
Konventionelt vandkraftværk (Hydroelectric) er den mest almindelige type vandkraftproduktion.
Chief Joseph Dam nær Bridgeport, Washington , er en stor løbe-of-flod station uden et betydeligt reservoir.
Mikrovandkraftværk i det nordvestlige Vietnam
Øvre reservoir og dæmning af Ffestiniog pumpede lagersystem i Wales . Det nederste kraftværk kan generere 360 MW elektricitet.
Regn er blevet kaldt "en af naturens sidste uudnyttede energikilder". Når det regner, kan der falde milliarder af liter vand, som, hvis det bruges rigtigt, har et enormt elektrisk potentiale [36] . Der forskes i forskellige metoder til at generere energi fra regn, for eksempel ved at bruge regndråbers slagenergi. Disse undersøgelser er på et meget tidligt stadie, hvor nye og nye teknologier bliver testet, prototyperet og skabt. En sådan kraft er blevet kaldt regnens kraft [37] [38] . En metode, hvor dette er blevet forsøgt, er brugen af hybride solpaneler kaldet "all-weather solpaneler", der kan generere elektricitet fra både sol og regn [39] .
Ifølge zoolog og videnskabs- og ingeniørpædagog Luis Villazon: "En fransk undersøgelse fra 2008 viste, at du kan bruge piezoelektriske enheder, der genererer energi, mens du bevæger dig for at udvinde 12 milliwatt fra en regndråbe. I løbet af et år vil dette være mindre end 0,001 kWh pr. kvadratmeter – nok til at drive en fjernsensor." Villazon foreslog, at den bedste anvendelse ville være at opsamle regnvand og bruge det til at drive en turbine med en estimeret effekt på 3 kWh energi om året for et 185 m 2 tag [40] . Et mikroturbine-baseret system skabt af tre studerende ved Teknologisk Universitet i Mexico blev brugt til at generere elektricitet. Pluvia-systemet "bruger strømmen af regnvand fra tagrender til at spinde en mikroturbine i et cylindrisk hus. Elektriciteten, der genereres af denne turbine, bruges til at oplade 12-volts batterier [41] .
Udtrykket "regnkraft" anvendes også på vandkraftsystemer, der inkluderer en regnopsamlingsproces [36] [40] .