Bijna alle waterkrachtcentrales produceren elektrische energie, of het nu om grote of kleine installaties gaat. Energie omzetten in elektriciteit lijkt een vanzelfsprekende manier om waterkracht te benutten, maar dat is het niet. Bijna tweeduizend jaar lang werd waterkracht ingezet voor het produceren van mechanische energie, waarmee machines rechtstreeks werden aangedreven. Die ouderwetse aanpak, gecombineerd met het gebruik van moderne materialen, haalt een hoger rendement en is goedkoper. Een aantal kleinschalige systemen in Zuid-Amerika en in Nepal bevestigen dat.

De efficiëntie van door water aangedreven krachtbronnen is in de loop der eeuwen flink toegenomen. Houten waterwielen, die meer dan tweeduizend jaar geleden verschenen, konden slechts een kleine hoeveelheid energie uit stromend water omzetten naar mechanische energie: het rendement bedroeg 5 tot 15% voor een horizontaal waterwiel, 20 tot 30% voor een verticaal onderslagrad, en 50 tot 60% voor een verticaal bovenslagsrad. Ijzeren waterwielen, die ingang vonden in de late achttiende eeuw, haalden een efficiëntie van 65 tot 85%. ¹

Waterturbines, die werden ontwikkeld in de negentiende eeuw en ook vandaag worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit, hebben doorgaans een rendement van tenminste 80%. Daarbij zijn waterturbines ook nog eens tien tot twintig keer compacter dan waterwielen, een voordeel dat leidde tot veel goedkopere en krachtigere watercentrales. Waterturbines zijn ook breder inzetbaar dan waterwielen. Een waterwiel kon niet efficiënt werken als de valhoogte van het water groter was dan de diameter van het wiel. Een turbine kent die beperking niet. ^{1 2}

Waarom moderne waterkrachtcentrales minder efficiënt zijn

Ondanks deze technologische vooruitgang zijn de waterkrachtcentrales van vandaag minder efficiënt dan die uit vroegere eeuwen. Het probleem is dat er met de komst van de waterturbine in de negentiende eeuw nog een andere innovatie ingang vond: van toen af aan werd waterkracht ingezet voor het produceren van elektriciteit, en niet langer voor het rechtstreeks aandrijven van machines.

In een hedendaagse waterkrachtcentrale zet een generator de omwentelingsenergie van de as om in elektriciteit. Die elektriciteit wordt vervolgens opnieuw omgezet in omwentelingsenergie door de elektrische motor van de machine. Elke omzetting van energie introduceert energieverlies ten gevolge van wrijving, wat zich manifesteert als hitte, vibratie en lawaai. Er is energieverlies in de turbine, in de generator, en in de motor. Extra onderdelen zoals batterijen, aandrijfsystemen, en omvormers kunnen het rendementsverlies verder verhogen.

Een moderne waterkachtcentrale heeft een lager rendement dan een waterwiel uit de achttiende eeuw

Een kleinschalige waterkrachtcentrale die wisselstroom elektriciteit produceert, heeft een “water-to-wire efficiency” (het verschil tussen de energie die de turbine in gaat en de energie die de generator uit komt), van hoogstens 60 tot 70%. Kleinschalige waterkrachtcentrales die gelijkstroom elektriciteit produceren, vereisen omvormers en worden meestal aangesloten op een batterijsysteem, waardoor hun rendement uitkomt op slechts 40 tot 60%. Hierbij moet nog het rendementsverlies worden opgeteld in de elektrische motoren van de machines die door de waterkrachtcentrale worden aangedreven. ³

Een moderne kleinschalige waterkrachtcentrale is daarmee ongeveer even efficiënt als een houten bovenslagsrad uit de middeleeuwen (50-60%), en minder efficiënt dan een ijzeren waterwiel uit de achttiende eeuw (65-85%). In een ouderwetse waterkrachtcentrale vond slechts één omzetting van energie plaats: een waterwiel converteerde de energie uit het stromende water naar onmwentelingsenergie van de as van de turbine. Die as dreef ook de machines aan, zodat het enige betekenisvolle energieverlies opttrad in het waterwiel zelf. ⁴

Waarom de ouderwetse manier beter is

Als we een moderne waterturbine zouden gebruiken voor het rechtstreeks aandrijven van machines, dan zou het totale rendement van een kleinschalige waterkrachtcentrale oplopen tot tenminste 85 procent. Dat is bijna dubbel zo hoog als het rendement van een kleinschalige hydro-elektrische centrale. [4] Let op: er is ook nog energieverlies in de pijpleiding die het water aanvoert naar de turbine, maar omdat die gelijk is voor elektrische en niet-elektrische systemen, kunnen we die informatie verder negeren.

Een hoger rendement brengt heel wat voordelen met zich mee. Als de productie van elektriciteit als tussenstap wordt geëlimineerd, dan kan dezelfde bergstroom meer energie produceren. Andersom komen er op die manier veel meer waterbronnen in aanmerking voor energieproductie – locaties die nu niet gebruikt worden omdat de opbrengst te klein is. Omdat er door de hoge efficiëntie minder water nodig is voor de productie van evenveel energie, betekent dat ook dat alle componenten van de installatie worden gereduceerd in zowel omvang als kostprijs.

Omdat er minder water nodig is, kunnen alle onderdelen worden gereduceerd in omvang en kostprijs

Een voorbeeld: water kan naar de turbine worden gevoerd via goedkope en makkelijk te transporteren flexibele, plastic pijpen met een kleine diameter. Een waterkrachtcentrale die mechanische energie levert, is dus goedkoper. Omdat er minder water wordt gebruikt, daalt ook de ecologisch nadelige impact van een waterkrachtcentrale.

Ouderwetse aanpak, moderne materialen

Veel NGO’s houden zich bezig met de introductie van kleinschalige waterkrachtcentrales in ontwikkelingslanden. Bijna al die projecten hebben als doel de productie van elektriciteit, maar er zijn een paar uitzonderingen. In 2007 ontwikkelde, bouwde en installeerde een team van de Appalachian University in de VS een door waterkracht aangedreven machine voor het verwerken van de vruchten van de koffieplant. Volgens een recente studie in Energy for Sustainable Development heeft de machine, die in Nicaragua staat opgesteld, vijf opeenvolgende oogsten met glans doorstaan. ⁵

De installatie kan een maximum vermogen leveren van 800 watt mechanische energie, met een valhoogte van 35 meter en een waterdebiet van 300 liter per minuut. De materiaalkosten bedroegen slechts 1900 dollar. Ter vergelijking: de NGO Practical Action stelt dat, zelfs met het gebruik van lowtech onderdelen, een kleinschalige hydro-elektrische centrale tussen de 1800 en 6000 dollar per geïnstalleerde kilowatt kost. Het vraagt ongeveer twee kilowatt mechanische energie om één kilowatt elektrische energie te produceren, wat betekent dat een waterkrachtcentrale met directe mechanische aandrijving tenminste twee keer goedkoper is dan een elektrische centrale.

Precieze controle

De krachtbron van de installatie is een commercieel verkrijgbare Water Motor Model 90 van Campo Nuevo in Bolivië. Volgens de fabrikant is de compacte machine (16 x 16 x 32 cm) de “enige moderne turbine die speciaal ontwikkeld is voor het rechtstreeks aandrijven van machines met waterkracht”. De motor gebruikt een rotor van het Turgo-type met een diameter van slechts 9 centimeter. Een Turgo-turbine, die een rendement heeft van 80 tot 85%, is optimaal geschikt voor een bergstroom met een matige valhoogte en een hoog waterdebiet. Het grotere model 150 heeft een diameter van 15 centimeter en produceert ongeveer drie keer zoveel energie.

De Campo Nuevo watermotor is even makkelijk te controleren en te regelen als een elektrische motor

De Campo Nuevo watermotor is even makkelijk te controleren en te regelen als een elektrische motor. Er zit een schakelaar op waarmee de motor ogenblikkelijk kan worden aan- en uitgezet, wat het mogelijk maakt om machines aan te drijven die tijdens het gebruik dikwijls moeten worden opgestart en stilgelegd (zoals een cirkelzaag).

Ook het vermogen van de motor kan precies worden afgesteld. Net als andere turbines van het impulstype, wordt de Turgo-rotor aangedreven door waterstralen die op de schoepen gericht worden. Een verdeelstuk deelt de waterstroom vlak voor de turbine op in vier kleinere pijpleidingen, die elk naar één van de vier spuitmonden gaan. Elke spuitmond heeft een regelbare klep die het toelaat het waterdebiet te regelen, of af te sluiten, zodat het vermogen van de watermotor zeer precies geregeld kan worden. Hetzelfde mechanisme laat het toe om de motor optimaal te doen werken alnaargelang het wisselende waterdebiet. Werkplaats op waterkracht

Op het demonstratieterrein van Campo Nuevo in de Andes staat een watermotor die een groot aantal verschillende machines kan aandrijven, zoals een cirkelzaag, een slijpmachine, een freesmachine, een boormachine, een slijpsteen, een betonmolen en een graanmolen. Als geen enkele van deze machines wordt gebruikt, dan wordt er een generator op de watermotor aangesloten. De opgewekte elektriciteit wordt opgeslagen in een batterij, voor verlichting en andere toepassingen. De watermotor kan ook een luchtcompressor aandrijven, of de compressor van een koelkast.

De watermotor op het demonstratieterrein levert een vermogen dat overeenkomt met dat van een elektrische motor van 560 watt (bij een toerental van 1450 omwentelingen per minuut). Dat vermogen wordt geleverd met een valhoogte van 18 meter en een gemiddeld waterdebiet van 310 liter per minuut.

Een kleine opslagtank maakt het mogelijk om tijdelijk nog krachtiger machines te doen werken. Omdat het aandrijven van de cirkelzaag 500 liter per minuut vereist, een hoeveelheid die meestal niet voorradig is, werd een opslagtank met een inhoud van 6000 liter gebouwd (afmetingen 2 x 2 x 1.5m). Die maakt het mogelijk om de tafelzaag 15 minuten lang continu te gebruiken, of twee uur per dag tijdens een werkdag van tien uur.

Een kleine opslagtank maakt het mogelijk om tijdelijk veel krachtiger machines te doen werken

Alle machines, inclusief de generator en de luchtcompressor, worden aangedreven door dezelfde riem en worden vlak naast of op de turbine geplaatst. Er is geen distributie van energie, zodat de watermotor slechts één machine tegelijkertijd kan aandrijven. Dat hoeft geen probleem te zijn in een werkplaats, omdat de meeste machines onregelmatig worden gebruikt.

De ontpulpingsmachine in Nicaragua werkt volgens dezelfde filosofie. Koffie wordt geoogst van december tot februari, en de vruchten moeten ontpulpt worden binnen de 24 uur na de oogst. Dat betekent dat de machine maar een klein deel van het jaar wordt gebruikt. De installatie is dus ook beschikbaar voor andere toepassingen, zoals het doen werken van een zaag, een boormachine, een luchtcompressor, of een elektrische generator. Hoewel de turbine die de machine aandrijft tot 800 watt mechanische energie kan leveren, gebruikt de ontpulpingsmachine daar zelf maar 200 watt van.

Het upgraden van middeleeuwse watermolens

Staan we voor een revival van waterkracht oude stijl? Misschien, maar in feite is deze vorm van energieproductie nooit verdwenen. In sommige bergachtige gebieden werken er nog steeds houten waterwielen die in niets verschillen van de watermolens die zo intensief werden gebruikt in het middeleeuwse Europa. De roterende as drijft rechtstreeks de machines aan, meestal een graanmolen voor de productie van meel.

Bijvoorbeeld in Nepal zijn nog 25.000 tot 30.000 van deze waterwielen in gebruik. Hier is het doel niet om waterkracht met directe mechanische aandrijving te herintroduceren, maar ervoor te zorgen dat de technologie niet verdwijnt. Daarom heeft de NGO Central for Rural Energy Nepal. een programma lopen dat deze waterwielen moderniseert. De verbeterde watermolens malen graan met een hoger rendement en hebben een langere levensduur, zodat ze beter kunnen concurreren met de oprukkende dieselmotoren.

Een NGO in Nepal moderniseerde 6.000 ouderwetse watermolens zodat ze kunnen concurreren met dieselmotoren

In feite moderniseert de organisatie waterwielen van het middeleeuwse type tot waterwielen uit de negentiende eeuw, door het vervangen van houten onderdelen, met name de as en het waterrad, door metalen onderdelen. Die worden in de regio geproduceerd. Het kanaal dat water aanvoert, oorspronkelijk uit hout gemaakt, wordt vervangen door een plastic wateraanvoerbuis, waardoor lekkage wordt gereduceerd. Volgens de organisatie zorgen de upgrades voor een verdubbeling van het rendement van de watermolen, wat overeenkomt met de cijfers die we aan het begin van het artikel citeerden. Dankzij de hogere efficiëntie is er minder water nodig en kunnen de molens twee maanden langer per jaar worden gebruikt.

Central for Rural Energy Nepal heeft ongeveer 6.000 watermolens gemoderniseerd van 1990 tot 2009, en het programma loopt nog steeds. Een aantal van de upgrades (237 om precies te zijn) ging nog een stap verder: de watermolen werd zodanig aangepast dat er ook andere machines mee kunnen worden aangedreven: een oliepers, een rijstpeller, een zaagmachine of (in 14 gevallen) een elektrische generator. Om dit te bereiken wordt een langere as gemonteerd, waar verschillende machines (inclusief de graanmolen) aan kunnen worden gekoppeld door middel van een riem.

Hoewel deze verbeterde waterwielen niet hetzelfde rendement halen als de waterkrachtcentrales die gebaseerd zijn op het gebruik van een turbine, hebben ze het voordeel dat ze nog goedkoper zijn. Een upgrade van een houten watermolen kost slechts 350 dollar. Het aanpassen van een watermolen zodat er verschillende machines mee kunnen worden aangedreven, brengt de totale kost op 900 tot 1200 dollar. Het moderniseren van een traditionale watermolen is dus tenminste twee keer goedkoper dan het installeren van een nieuwe waterkrachtcentrale met turbine en directe mechanische aandrijving.

Ideaal is een waterkrachtcentrale die zowel mechanische energie als elektriciteit kan leveren

Een aantal van deze verbeterde molens heeft op diesel draaiende molens vervangen, omdat ze goedkoper zijn in gebruik en een betere kwaliteit graan opleveren. Gelijkaardige maar veel kleinere projecten worden of werden georganiseerd door IT Power India, ook in de Himalaya (70 gemoderniseerde watermolens aan een kostprijs van 200 dollar per stuk), en door SITMo in de Filipijnen (als deel van een programma dat hoofdzakeleijk is gebaseerd op de introductie van hydro-elektrische centrales).

Het beste van twee werelden

Dit pleidooi voor het gebruik van directe mechanische aandrijving impliceert niet dat we elektriciteit moeten opgeven. Er zijn nu eenmaal zaken die niet met directe mechanische energie kunnen worden aangedreven, zoals verlichting, computers, of mobiele telefoons. Veel mensen in ontwikkelingslanden beschikken niet eens over elektriciteit, en maken voor verlichting gebruik van ongezonde alternatieven. Maar de voorbeelden van directe mechanische aandrijving laten zien dat het interessant kan zijn om beide benaderingen te combineren.

Een waterkrachtcentrale die mechanische energie levert voor het bedienen van machines, en elektriciteit opslaat in batterijen als er geen mechanische energie nodig is, zou de meeste voordelen opleveren. In tegenstelling tot een puur mechanische installatie wordt er in dit geval ook elektriciteit geproduceerd, essentieel voor verlichting. En in vergelijking met een puur elektrisch systeem zou zo’n hybride installatie een veel hoger rendement opleveren en veel goedkoper zijn.

Watermotoren kunnen ook worden gebruikt als er geen bergrivier langs je huis stroomt. Dat is het onderwerp van het volgende artikel: Energie uit de kraan: de watermotor.