De eerst gebruikte propere elektriciteitsbron: Waterkracht
Waterkracht is al duizenden jaren in gebruik voor het aandrijven van mechanische systemen, zoals molens en irrigatiesystemen. Maar wanneer de industriële revolutie op gang trok, kreeg water een heel andere functie: elektriciteitsopwekking. Als elektriciteitsbron werd waterkracht voor het eerst commercieel gebruikt in de late negentiende eeuw. Het eerste hydro-elektrische systeem voor commercieel gebruik werd in 1882 gebouwd in de Verenigde Staten door de Wisconsin Electric Company. Het systeem maakte gebruik van waterkracht om verlichting te bieden aan de stad Appleton, Wisconsin.(2) In 1933, richtte de Amerikaanse regering de TVA (Tennessee Valley Authority), op waarmee in het geplaagde Tennessee River Valley beter beschermd werd door de introductie van een “Hydrodam” of stuwdam.(3) In Europa werd in 1886 de eerste hydro-elektrische centrale geopend in Kroatië. (4) Het gebruik van waterkracht als elektriciteitsbron gaf het voordeel om minder afhankelijk te zijn van steenkool, wat in die tijd gebruikelijk was om elektriciteit op te wekken. Zonnepanelen, windturbines, kerncentrales en biomassacentrales kwamen pas rond midden tot laat twintigste eeuw commercieel op de markt. Dit maakt dat waterkracht de eerst gebruikte propere elektriciteitsbron is. Sindsdien is het gebruik van waterkracht als elektriciteitsbron, sterk gegroeid. Tegenwoordig is waterkracht de grootste bron van hernieuwbare energie ter wereld en levert het ongeveer 16% van de wereldwijde elektriciteitsproductie. (5)
Verschillende types waterkrachtcentrales
Er bestaan twee soorten waterkrachtcentrales: pompcentrales en rivierwaterkrachtcentrales. Getijden- en golfslagenergiecentrales worden ook beschouwd als waterkracht maar worden niet besproken in dit artikel.
Pompcentrales of “Pumped Hydro storage systems ” zijn een duurzame en goedkope opslagmethode van elektrische energie wanneer de vraag laag is en deze weer vrij te geven wanneer de vraag hoog is. De bekendste vorm is een pompcentrale aan een stuwmeer, wat een stuwdam genoemd wordt. Tijdens het proces wordt het water van een lager gelegen reservoir naar een hoger gelegen reservoir gepompt wanneer er een overvloed aan stroom is tijdens de daluren. Tijdens de piekuren vloeit het water vervolgens door de turbines om stroom te produceren. Gedurende het hele proces wordt er geen gebruikgemaakt van schadelijke stoffen, enkel water en zwaartekracht om stroom op te slaan en weer vrij te geven. Vanwege hun flexibiliteit en hoge energieopslagcapaciteit hebben pompcentrales zich bewezen als een betrouwbare technologie en worden al tientallen jaren wereldwijd gebruikt. (8) Echter kan deze technologie enkel ingezet worden in geografische gebieden die een voldoende groot hoogteverschil tussen twee reservoirs hebben. Daarnaast neemt het tussen de vier tot zeven jaar om een waterkrachtcentrale te bouwen en was de kostprijs in 2021 voor grote projecten $2135/KW of €1980/KW. (9-10)
Een rivierwaterkrachtcentrale of River Hydro Power Plant is een type waterkrachtcentrale dat gebruikmaakt van de energie van stromend water in een rivier om elektriciteit op te wekken. Het werkt door water uit de rivier te nemen door het op te vangen met een (stuw)dam. Vervolgens wordt via leidingen of kanalen het water naar een turbine geleid, wat de bladen van de turbine doet draaien en een generator aanzet die elektriciteit produceert. “River Hydro Power Plants” kunnen op verschillende manier ingezet worden afhankelijk van de manier waarop het water uit de rivier wordt gehaald en naar de turbine wordt geleid. In sommige gevallen kan het water bijvoorbeeld worden afgetapt vanuit een kanaal of een afvoerbuis van een dam. Andere hydro-elektrische centrales halen het water van de rivier af via een innameconstructie die het water naar een tunnel of pijpleiding transporteert die naar de turbine leidt. (8) Net als pompcentrales is dit type waterkrachtcentrales voordelig doordat bij productie er geen emissies vrijkomen. Daarnaast zijn ze betrouwbaar en dienen ze in sommige gevallen als basislast, door continu elektriciteit te kunnen leveren. (8) De bekendste voorbeelden van “River Hydro Power Plants” over de hele wereld, zijn de Hooverdam in de Verenigde Staten, de Drieklovendam in China en de Aswandam in Egypte. Afhankelijk van de locatie en het ontwerp van de centrale kan het vermogen variëren van enkele tientallen tot duizenden megawatts. De allergrootste elektriciteitscentrale ter wereld, de Drieklovendam, heeft een geïnstalleerd vermogen van wel 22,500 MW. (11)
De huidige stand van zaken
Waterkracht is de grootste hernieuwbare energiebron, met 16% van de globale elektriciteitsproductie. (5) Zon en wind waren goed voor meer dan 10% van de globale elektriciteitsproductie in 2021, volgens het Global Electricity Review report 2022, dat de Britse klimaatdenktank Ember publiceerde. (13) Decennialang hebben bepaalde landen hun economieën kunnen ondersteunen dankzij de betrouwbaarheid en beschikbaarheid van waterkrachtcentrales. Sommige landen zoals Noorwegen, delen van Canada, IJsland, Roemenië … hebben zelfs waterkracht tot hun meest gebruikte bron van elektriciteit uitgebouwd. (14-15) In het licht van de Energietransitie wordt waterkracht door sommigen gezien als ondersteunende actor om overtollige stroomproductie op te slaan in gesloten reservoirs. (16) Recent opende de Nant De Drance-centrale, gelegen in Zwitserland. Ze wordt ook wel de “grootste batterij van Europa” genoemd. Het is een boogstuwdam, gelegen in de Zwitsers berggemeente Finhaut, heeft een vermogen van 900 MW (6 Francisturbines van elk 150 MW) en een opslagcapaciteit van 20 GWh. De bouw nam veertien jaar tijd in beslag en kostte 1.500.000.000 euro. (17) (20) In het Waals dorpje Coo ligt de spaarbekkenpompcentrale Engie Electrabel “Coo-Trois-Ponts” dat twee spaarbekken bevat waar tot 4,500.000 m³ water wordt opgeslagen. In 2021, maakte Engie Electrabel bekend om het vermogen van de bestaande spaarbekkens te vergroten naar 1164 MW, dit door die met twee meter te verhogen tegen 2025. Dit zal ervoor zorgen dat het opslagvolume zal toenemen tot 6450 MWh t.o.v. het huidig volume van 6000 MWh. De stijging ter grootte van 450 MWh komt overeen met de opslagcapaciteit van 31.000 thuisbatterijen. (19-22)
Niet zonder nadelen
Dat er lange bouw – en onderhoudskost is, is lang geweten. Echter is er ook de impact op de biodiversiteit en daarnaast hebben waterkrachtcentrales ook het nadeel dat dammen kunnen breken door slecht onderhoud, zoals dat gebeurde in 1975 bij de Banqiaodam, in China. Bij het breken van de dam kwam al het water uit het stuwmeer in de nabijgelegen rivier terecht waardoor meer dan 25.000 mensen overleden tijdens de overstromingen. Nadien stierven er nog 145.000 mensen door het uitbreken van ziektes, ten gevolge van het vervuild water en nog eens 220.000 mensen stierven erna door de hongersnood in de regio. (23) Het werd de grootste, dodelijkste ramp in de geschiedenis veroorzaakt door het breken van een dam. (24) Daarnaast komen er ook soms onteigeningen van de lokale bevolking aan te pas zoals gebeurde bij de bouw van de Souapitidam (545 MW) in Guinee. Dat leidde tot klachten over compensatie en gebrekkige omstandigheden voor de verplaatste gemeenschappen. (25) De bouw van een dam kan zelfs tot spanningen leiden tussen landen zoals bij de recente “Grand Ethiopian Renaissance Dam (GERD) gebeurt, waarbij de Ethiopische regering een 6450 MW rivierwaterkrachtcentrale op de Blauwe Nijl (zijrivier van de Nijl) bouwde om stroompannes op te vangen en zo 60.000.000 mensen aan elektriciteit te kunnen voorzien. De GERD ligt op 15 km ten oosten van de grens met Soedan, wat maakt dat het land bezorgdheden geuit heeft, samen met Egypte, omwille van de impact op de Nijl, wat beide landen gebruiken om hun waterbehoeften te kunnen voorzien. Gesprekken tussen de landen hebben voorlopig nog niets opgeleverd. (26-29) Door de droogte die op sommige plaatsen in de wereld het gevolg zijn van de klimaatsverandering kunnen waterkrachtcentrales minder produceren dan gewenst zoals afgelopen zomer bij de Hooverdam (VS) het geval was, waarbij van de oorspronkelijke capaciteit van 2080 MW, 1004 MW minder kon worden geproduceerd. Dat is een reductie van 48%! (30) Daarnaast blijkt dat waterreservoirs bij grote dammen, door het stilstaande water, ook veel slib herbergen op de bodem en daardoor bij warm weer, methaanlekkage ontstaat. (31) Echter claimen er twee organisaties, Open Hydro en Bluemethane dat ze door Reservoir Methane Capture, een technologie die wordt gebruikt om het methaan te verzamelen via het plaatsen van speciale apparatuur op de gasbronnen en reservoirs. Het methaan wordt dan getransporteerd naar een centrale locatie, waar het kan worden gebruikt als brandstof om elektriciteit op te wekken of als grondstof voor chemische processen. Dit is voordelig omdat de hoeveelheid methaan, een krachtiger broeikasgas dan koolstofdioxide, dan minder in de atmosfeer terechtkomt en zo dus minder bijdraagt tot de klimaatverandering.
Waterkrachtcentrales, nog de moeite waard?
Sceptici stellen zich dan ook de vraag of waterkrachtcentrales nog de moeite waard zijn om in te investeren. De vergunningstijd en bouwkosten lopen steeds op (9) en sommige waterdammen zijn dringend aan vervanging toe (5). Tegen 2030 zou 20% van de globale eenheden de leeftijd van 55 jaar en meer bereiken waardoor ze aan vervanging toe zijn. Toch heeft waterkracht enkele voordelen. Zo kan het gecombineerd worden met zonnepanelen, windturbines en kerncentrales. De Coo – Trois – Ponts -pompcentrale werd destijds gebouwd om de overtollige stroom van de Belgische kerncentrales op te slaan. (19) Zonnepanelen kunnen bv. op de site of in het reservoir worden gelegd om zo stroom te kunnen produceren. (16) Windturbines kunnen gecombineerd worden met waterkrachtcentrales om het water bij daluren naar een bovengelegen reservoir op te pompen. (32) Bijkomend is het globaal potentieel aan theoretische beschikbare waterkracht zelfs goed voor tussen 31 – 127 PWh/jaar (petawattuur). Economisch gezien zou het eerder 9 à 13 PWh/jaar zijn. Dat publiceerde IRENA in haar rapport “The changing role of hydropower” die zich vervolgens onder andere baseerde op een publicatie uit 2017 in het wetenschappelijk tijdschrift “PLOS One” van een groep Nederlandse wetenschappers. (7) (33-35) Ze zochten naar potentiële locaties door het aardoppervlak te verdeelden in vakjes waarbij ze dan de locaties waar de “vakjes” aangrenzend waar er minstens een hoogteverschil van één meter en honderd liter per seconde doorstroom aanwezig is, aanduiden. Dat gaf 11,8 miljoen potentiële locaties op. 9 PWh per jaar lijkt weinig, maar is niet te onderschatten. Een petawatt is namelijk duizend terawatt. Echter zal het niet de huidige globale elektriciteitsconsumptie volledig kunnen dekken. Die was in 2021 25.300 TWh of 25,3 PWh en wordt verwacht dat die in 2050 tot bijna 42.000 TWh of 42 PWh stijgt. (36-37) Uiteraard kan niet overal een waterkrachtcentrale van 10 MW neergezet worden, ook kleine capaciteiten (tussen 0,005 MW tot 10 MW) werden in kaart gebracht, wat voor overheden en studiebureaus zeer nuttige informatie oplevert. (33) Die kleine capaciteiten krijgen de laatste tijd meer aandacht, want in tegenstelling tot de klassieke grote pompcentrales, zijn die sneller gebouwd nabij rivieren met een verminderde impact. Zo bracht de Belgische start-up Turbulent in 2018 een kleinschalige waterkrachtturbine op de markt, dat gebouwd wordt aan de zijkant van een rivier waarbij de installatie bestaat uit een betonnen draaikolk met een turbine middenin. (38-39) In België, voornamelijk in Wallonië, worden kleine rivierwaterkrachtcentrales nog wel geïnstalleerd (bv. aan de Samber), al bieden zon en wind meer perspectieven voor het hele land. (40-42) In Europa ligt het potentieel vooral in het Zuiden en Oosten, dit door de gunstige geografie. Globaal zit het meeste potentieel in Canada, Nieuw-Zeeland en China. (7)
Conclusie
Hoewel waterkracht een duurzame – en voorlopig de grootste hernieuwbare energiebron is, zal het in de toekomst haar plaats moeten afstaan aan zon en wind om een meer ondersteunende rol spelen voor die twee opkomende bronnen. Dat kan bijvoorbeeld onder de vorm van een (kleine) rivierwaterkrachtcentrale of een pompcentrale zoals Coo-Trois-Ponts. Daarnaast zal de bestaande capaciteit globaal aan onderhoud vergen én wellicht moet er gekeken worden naar nieuwe potentiële gebieden waar men veilig en in harmonie met de gemeenschap, aan elektriciteitsproductie door waterkracht kan doen. (5-7) (33-35) Wat wel zeker is, is dat elektrificatie een dominante rol zal spelen in de energietransitie naar een klimaatneutrale samenleving. Daarbij is het cruciaal dat deze elektriciteit uit duurzame bronnen opgewekt wordt. Hiervoor is een gevarieerde energiemix nodig die voornamelijk uit niet-fossiele brandstoffen bestaat. Ook waterkracht zal hier een belangrijke rol in moeten spelen. De huidige energiecrisis gaf alvast het startschot.