Diverse systemen gebaseerd op de energie van water

Andere vormen van waterkracht

Naast de gebruikelijke waterkracht zijn er verschillende andere technieken om energie op de wekken die gebaseerd zijn op de energie van water. De technieken die hieronder worden genoemd zijn gebaseerd op:

getijdenverschillen,
energie in golven,
verschillen in zoutconcentraties, osmotische energie,
verschillen in temperatuur.

Met getijdencentrales, golfenergie, osmotische energie en verschillen in temperatuur wordt meestal elektriciteit opgewekt.

Getijdencentrales

Getijdencentrale gebaseerd op het hoogteverschil van eb en vloed

Getijden geven hoogteverschillen waarmee waterbassins worden gevuld. De werking is dan ongeveer hetzelfde als bij een waterkrachtcentrale. Een bekende getijdencentrale, La Rance, ligt in Frankrijk bij Saint-Malo in Bretagne. Het getijdenverschil is daar ongeveer 8 tot 9 meter. De La Rance-centrale is tussen 1963 en 1966 gebouwd en heeft een vermogen van 240 MW en is daarmee een van de grootste getijdencentrales ter wereld.

Getijdencentrales zijn onder andere mogelijk aan de Atlantische Oceaan in Groot-Brittannië, Frankrijk en de oostkust van Canada. Verder aan Grote Oceaan bij Rusland, Korea, China, Mexico, Chili, Argentinië en Australië en aan de Indische Oceaan aan de westkust van India. De getijdenverschillen variëren rond de 5 meter bij Korea, tussen de 5 en 8 meter bij Groot-Brittannië de Verenigde Staten, Australië, Mexico, Argentinië en India, tot 12 meter bij Canada. Op momenten dat er voldoende elektriciteit beschikbaar is kan het getijdenbassin ook gevuld worden door, rond het hoogste punt van de vloed, extra water in het bassin te pompen. Hetzelfde kan gedaan worden rond eb door water uit het bassin te pompen. In de getijdencentrales wordt meestal gebruik gemaakt van Kaplan turbines met verstelbare bladen die optimaal aan het hoogteverschil kunnen worden aangepast. Alhoewel zowel tijdens eb en vloed energie kan worden opgewekt, wordt de voorkeur gegeven aan energieopwekking tijdens eb omdat het verval dan hoger is, meer water in het bassin kan worden opgeslagen en de Kaplan turbine optimaal kan worden ingesteld op één stroomrichting.

Getijdencentrale gebaseerd op getijdenstromingen

Energie kan ook worden gewonnen uit de getijdenstromingen die ontstaan als gevolg van eb en vloed.

Het Nederlandse bedrijf Tocardo heeft turbines ontwikkeld voor energieopwekking via getijdenstromingen. Vanaf 2015 wekken vijf Tocardo-turbines elektriciteit op in een van de openingen van de Oosterscheldekering. De turbines hebben een vermogen van 1,2 MW, leveren rond 3100 MWh per jaar, genoeg voor ruim duizend huishoudens.

Golfenergie, energie opwekken uit golven

Golven ontstaan als wind over een wateroppervlak blaast. Bij golfenergie wordt gebruik gemaakt van het hoogteverschil tussen de golven. Er worden verschillende technieken gebruik om het hoogteverschil van water in golven, in energie om te zetten. Meestal is dit direct elektrische energie, maar het kan ook hydraulische energie zijn, of luchtdruk, die vervolgens in elektriciteit wordt omgezet [Wikipedia golfenergie].

Er is een groot potentieel aan waterkracht aan de kusten van de grote oceanen op de hogere zuidelijke en noordelijke breedtegraden. Onderstaande figuur geeft het potentieel [WEC].

Het grootste potentieel ligt in de landen rond de Grote Oceaan, aan de noordelijke kusten van Noord-Amerika en de zuidelijke kusten van Zuid-Amerika. In de Atlantische oceaan is er veel het potentieel rond de eilanden (Azoren, Kaap Verdische eilanden, Canarische eilanden) en voor de Spaanse, Franse en Ierse en Britse kusten. In de Indische oceaan is het potentieel groot aan de west- en zuidkust van Australië en aan de zuidkust van Nieuw Zeeland.

In totaal is het potentieel van golfenergie 30 PWh/jaar. Door geografische, technische of economische beperkingen kan van dit potentieel in praktijk maar 2 tot 6 PWh/jaar worden verwezenlijkt. Momenteel is er ongeveer 1 GW aan golfenergiecentrales in bedrijf, onder andere in Europa en Afrika. Onderstaande figuur geeft de verdeling van de energieopbrengst over de verschillende werelddelen [WEC].

Onder 'Middellandse zee' zijn ook de Azoren, de Canarische en de Kaap Verdische eilanden opgenomen.

Osmotische energie, energie uit verschil in zoutconcentratie

Energie wordt ook gewonnen uit het verschil in zoutgehalte tussen zee- en rivierwater, via het gebruik van membranen. Voor energieopwekking zijn twee typen membranen nodig. Een membraan dat positieve ionen en een membraan dat negatieve ionen doorlaat. In geval van zout water vormt natrium het positieve ion en chloor het negatieve. Wordt zout water gevoerd tussen dergelijke membranen met aan de buitenkant van de membranen zoetwater dan vormt het verschil in zoutconcentratie de drijvende kracht voor het ion-transport door de membranen. Positieve natrium ionen gaan naar het ene zoetwatercompartiment en negatieve chloor ionen naar het andere. Dit wordt geïllustreerd in onderstaande figuur.

Door de scheiding van de elektrische ladingen (Na⁺ en Cl^-) ontstaat er een spanningsverschil tussen het ene en het andere zoetwatercompartiment. Door een aantal compartimenten aan elkaar te koppelen kan een hoge spanning worden opgewekt waarmee elektrisch vermogen wordt gegenereerd. Als er stroom wordt afgenomen van de cellen, wordt het water voortdurend ververst om de spanning te handhaven. Er moeten steeds nieuwe ionen ter beschikking komen om de stroom te kunnen voeren. Een aantal testinstallaties draaien op dit moment in Nederland en Noorwegen om ervaring met de techniek op te doen.

OTEC-installatie, energie uit verschil in watertemperatuur

Het temperatuurverschil tussen het water aan het oppervlak en in de diepte van een oceaan kan worden benut in een zogenaamde OTEC-installatie (OTEC: Ocean Thermal Energy Conversion). Onderstaande figuur geeft een vereenvoudigd beeld van een OTEC-installatie.

Van het oceaanoppervlak wordt warm water opgepompt en door de verdamper gevoerd. In de verdamper wordt warmte overgedragen aan een werkvloeistof, bijvoorbeeld ammoniak of LPG. Door de verwarming verdampt de werkvloeistof. Met de damp wordt een turbine aangedreven die een elektrische generator aandrijft. Na de passage door de turbine wordt de damp naar de condensor gevoerd. In de condensor wordt met koud zeewater, opgepompt uit de diepte van de oceaan, de damp gecondenseerd tot vloeistof. De werkvloeistof wordt vervolgens in druk verhoogd en teruggevoerd naar de verdamper. Het resultaat is dat met het temperatuurverschil tussen het oppervlak en de diepte van de oceaan elektriciteit is opgewekt. Een groot voordeel van deze hernieuwbare bron dat ze in basislast kan voorzien. In tegenstelling tot bijvoorbeeld wind- en getijdenenergie is het met een OTEC-installatie altijd mogelijk om energie te produceren.