Battery used Battery charging

LOW←TECH MAGAZINE

Waterwiel uit 19de eeuw bijna twee keer zo efficiënt als moderne hydraulische centrale

Ondanks de technologische vooruitgang zijn de waterkrachtcentrales van vandaag minder efficiënt dan die uit vroegere eeuwen.

image

Ontpulpingsmachine met directe aandrijving in Nicaragua. Foto: Brian W. Raichle.

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.

image

Ontpulpingsmachine met directe aandrijving. Foto: Brian W. Raichle.

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

image

Ontpulpingsmachine met directe aandrijving. Foto: Brian W. Raichle

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.

image

Ontpulpingsmachine met directe aandrijving. Foto: Brian W. Raichle

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

image

De bronzen rotor van de Campo Nuevo watermotor model 150. Foto: Campo Nuevo.

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).

image

De Campo Nuevo Watermotor model 150. Foto: Campo Nuevo.

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.

image

De Campo Nuevo Watermotor model 150. Foto: Campo Nuevo.

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.

image

Opstelling van een watermotor, cirkelzaag en elektrische generator. Foto: Campo Nuevo.

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.

image

De NGO Central for Rural Energy Nepal moderniseert watermolens door houten onderdelen te vervangen door metalen onderdelen. Foto: CRT/N.

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.

image

Dankzij de installatie van een langere as en een riemaandrijving kunnen verschillende machines worden gebruikt. Foto: CRT/N.

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.

Kris De Decker

Reacties

Als je op dit artikel wil reageren, stuur dan een mailtje naar solar (at) lowtechmagazine (dot) com. De website wordt elke 24 uur geactualiseerd.

roland

Vroeger was niet alles beter, het rendement van waterkracht kan nu oplopen tot zo’n 90% http://educypedia.karadimov.info/library/waterkracht.pdf

Kris De Decker

Roland.

Je link gaat naar een studentenopstel. Ik ga dat niet helemaal doorlezen, dus laat me tenminste weten op welke bladzijde deze onzin dan zou staan.

Vic

Kris,

Opmerkingen zoals deze laatste halen de betrouwbaarheid van je blog volledig onderuit. Agressieve reacties als iemand een tegenargument post (mét bron dan nog) wijzen op onwetendheid en ongefundeerde overtuiging van je eigen gelijk.

Ik heb je artikel met veel plezier gelezen, tot ik de reacties zag.

Kris De Decker

Vic,

Roland is niet zomaar iemand. Hij post bijna bij elk artikel dit soort reacties. Een “trol” noemen ze zo iemand in het internetjargon: http://nl.wikipedia.org/wiki/Trol_%28internet%29

Kijk eens rond op de blog en je zal tientallen ellenlange discussies met Roland terugvinden. Lees er een paar en vertel me dan wie er overtuigd is van zijn gelijk.

Een kleinschalige waterkrachtcentrale die elektriciteit produceert kan onmogelijk een rendement van 90 procent halen. Het is theoretisch en praktisch onmogelijk. Alleen grote waterkrachtcentrales kunnen dat rendement halen, en in dat geval wordt er geen rekening gehouden met de energieverliezen in de elektrische motoren die met de opgewekte energie worden aangedreven.

Koen Vandewalle

Met 3D printen zou je misschien een performante kleine turbine kunnen maken volgens het basisconcept van een Tesla-turbine. Het nadeel van de Tesla turbine is dat je veel turbulentie en dus verlies hebt. Het concept-idee is dat je de stroming begeleidt van maximale snelheid aan de instroom tot minimale snelheid aan de uitstroomopening. Bij de Tesla turbine mengen de snelheden zich te veel. Als je inwendige kanalisaties zou kunnen maken, waardoor het sneller stromende water zich niet met traagstromend water mengt, en telkens de snelheidsvermindering van het water een reactie-kracht in de arbeidsrichting op de turbine opwekt, dan kan je klein en efficiënt wel combineren.

Niet dat het alleen met een 3D printer kan gemaakt worden, maar de ontwikkeling kan zo relatief goedkoop en proefondervindelijk gedaan worden.

Het zou leuk zijn om daar tijd voor te hebben.

Rik Almekinders

Hey maar Kris,

Dit snap ik niet helemaal: als je alle reacties die je plaatst eerst modereert en pas zichtbaar maakt als ze door jou (de auteur) zijn goedgekeurd, … waarom plaats je Roland hier dan, terwijl je weet dat hij een trol is?

Haha, een trol, wat een grappig woord.

Kris De Decker

Rik

Ik wil niemand het zwijgen opleggen. Vrijheid van meningsuiting, weet je wel. Ook wie onaangename reacties verstuurt, wordt gepubliceerd. Maar die moet er dan wel tegen kunnen als er een onaangename reactie op volgt. Waar ik niet aan heb gedacht, is dat niet iedereen weet wie Roland is. En dus tot de conclusie komt dat de auteur agressief is.

Als je een oplossing kent, wil ik ze graag horen. Er zijn bloggers die er uiteindelijk voor kiezen om geen reacties meer toe te laten. Er zijn niet alleen trollen: ik moet ook dagelijks ongeveer dertig spamreacties deleten en het is geen best begin van de dag om al die onzin te lezen.

Freek Mesu

Trol vrolijk als spam behandelen, heb je meer tijd voor nog meer goede artikelen. Trouwens lang geleden dat ik commentaren bij een artikel lees, nou weet ik weer waarom… Ben heel blij met deze site, heb veel filosofische/theoretische en praktische dingen gelezen. De praktische waar je thuis wat mee zou kunnen vind ik zelf het leukst. Dat van die Tesla turbine gaat mijn kennis dan weer te boven, misschien dat ik tijd maak om na te zoeken wat het is.

Noten:


  1. Stronger than a hundred men, a history of the vertical water wheel, Terry S. Reynolds, 1983. Zie pagina’s 106, 306-307, en 342-349. 

  2. Het rendement van een turbine hangt af van het type. Er zijn veel verschillende turbines verkrijgbaar, die allemaal zijn afgestemd op en specifieke combinatie van valhoogte en waterdebiet. 

  3. Intro to Hydropower, Home Power Magazine, 2012. Een andere bron is het Fact Sheet MicroHydro van de Appalachian State University, dat een gemiddeld rendement geeft van 53% voor de hele installatie (inclusief het energieverlies in de wateraanvoerbuis). En een recente studie stelt: “It is common to assume an overall system efficiency of 50–60%. However, in practice actual power output may be as low as 30% of gross input power for very small installations and as high as 70% for larger schemes.” 

  4. Hier moet nog het energieverlies in de aandrijving worden bijgeteld. De aandrijving zorgt ervoor dat de rotatiesnelheid van de turbine kan worden afgestemd op de rotatiesnelheid van de machine of generator. Dit rendementsverlies is meegerekend in de efficiëntie van de elektrische systemen, maar niet in de resultaten van de ouderwetse installatie. Het energieverlies in de aandrijving kan erg groot zijn bij directe mechanische aandrijving, bijvoorbeeld wanneer je een traag draaiend waterwiel zou gebruiken om een elektrische generator of een cirkelzaag aan te drijven, die allebei een hoge omwentelingssnelheid vragen. Maar het energieverlies in de aandrijving is verwaarloosbaar als een turbine wordt ingezet voor de aandrijving van machines met een hoge omwentelingssnelheid, omdat turbines veel sneller draaien dan waterwielen. Ook efficiënt is een waterwiel dat een traag draaiende machine aandrijft. Het energieverlies wordt opnieuw groter als een turbine een traag draaiende machine bedient, aangezien de snelheid dan verlaagt moet worden. 

  5. Design and construction of a direct hydro powered coffee depulper, Energy for Sustainable Development 16 (2012) 401-405. Brian W. Raichle, Raymond S. Sinclair, Jeremy C. Ferrell. 

528.22KB