Waterkracht

Waterkracht is energie die wordt ontleend aan water, hetzij door gebruik te maken van een hoogteverschil, hetzij door gebruik te maken van de stroomsnelheid van water. Men spreekt ook van "witte steenkool". Met het "witte" doelde men vooral op de kleur van het schuimende water en op het schone karakter van dit type energie.

Tegenwoordig wordt vrijwel alle waterkracht omgezet in elektriciteit in waterkrachtcentrales, in het verleden werd de opgewekte mechanische energie ook wel meteen gebruikt, bijvoorbeeld om water op te pompen met een watermolen.

Achtergrond

Het gebruik van waterkracht is al eeuwen oud. Reeds in het Oude Egypte en Mesopotamië werd waterkracht gebruikt voor irrigatie. In India en het Romeinse Rijk kende men reeds systemen om molens en wielen aan te drijven met waterkracht. In China werden sinds de Han-dynastie watermolens op grote schaal toegepast, bijvoorbeeld voor het delven van erts.

Tegenwoordig kent men waterkracht vooral van waterkrachtcentrales, waarin stroom wordt opgewekt. Dit principe werd voor het eerst toegepast in 1886 door Westinghouse en Stanley. Een stuwdam kan smelt- en regenwater opvangen in een kunstmatig meer. Een waterkrachtcentrale met stuwdam levert vooral bij grote hoogteverschillen (Noorwegen, Zwitserland, Oostenrijk, Frankrijk) veel vermogen. Een riviercentrale heeft geen waterreserve om de schommelingen in het debiet op te vangen.

Bij een pompcentrale of spaarbekkencentrale wordt water in de daluren opgepompt naar bekkens die hoger liggen. Tijdens de piekuren stroomt het water terug en drijft de turbines aan. Op deze manier kan men elektriciteitscentrales die bij voorkeur op constant vermogen draaien (met name kolencentrales en kerncentrales) economisch beter benutten.

Berekeningen

Waterkracht kan worden uitgedrukt als het beschikbare vermogen, ofwel energie per tijdseenheid. In grote reservoirs is het vermogen doorgaans een functie van de stijghoogte en de stroomsnelheid.

De zwaarte-energie E die vrijkomt wanneer een object met massa m vanaf een hoogte h valt bij een zwaartekrachtsversnelling g, wordt gegeven door:

\,E=mgh

Bij waterkrachtcentrales stroomt water van een hooggelegen gebied naar een lager gelegen gebied. Hierbij geldt voor het vermogen P van de massastroom:

P={\frac {E}{t}}={\frac {m}{t}}gh

De term m/t is de massa water die per tijdseenheid wordt verplaatst, en is gelijk aan de dichtheid ρ van het water keer de volumestroom φ. Hiermee kan de formule als volgt geschreven worden:

P=\rho \,\varphi \,g\,h

Bij waterkrachtsystemen die niet van de zwaarte-energie, maar van de kinetische energie van het water gebruikmaken, zoals een onderslaand waterrad, geldt voor het vermogen van het water: