|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
Weinig mensen beseffen dat ze thuis over een extra energiebron beschikken: het water dat uit de kraan stroomt. Vlak voor de komst van het elektriciteitsnetwerk op het einde van de negentiende eeuw werden vele duizenden watermotoren aangesloten op de openbare watervoorziening in Europese en Amerikaanse steden. Met behulp van deze kleine waterturbines kon eender welke machine in een huishouden of een werkplaats worden aangedreven.
——————————————————————————————————–
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js // http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
——————————————————————————————————–
Halverwege de negentiende eeuw ontstond er in veel Europese en Amerikaanse steden een distributiesysteem voor drinkwater: de openbare watervoorziening. Hoewel de introductie ervan een antwoord was op gezondheidsproblemen, werd al snel beseft dat het water dat door de leidingen stroomde ook te gebruiken was voor het opwekken van energie. Waterkracht was in die tijd nog steeds de belangrijkste bron van mechanische energie en dus was de link snel gelegd.
Het elektriciteitsnetwerk bestond nog niet, zodat er een markt was voor een compacte energiebron die in de stad kon worden gebruikt, als een alternatief voor stoommachines (die te duur, te onpraktisch en te gevaarlijk waren om op kleine schaal in te zetten) en met de hand of met de voet aangedreven machines.
Huishoudtoestellen op waterkracht
Op de kraan aansluitbare watermotoren doken op in Europa rond 1840. In de Verenigde Staten werden ze populair tijdens jaren zeventig en tachtig van de negentiende eeuw. Een watermotor bestond uit een kleine turbine die in een metalen omhulsel werd opgehangen. De diameter van het wiel varieerde van ongeveer 20 tot 90 centimeter.
De kleinsten waren bedoeld voor het aandrijven van onder meer naaimachines, figuurzagen of ventilatoren. De iets grotere diameters werden aangeprezen voor het doen werken van onder meer koffiemalers, draaibanken, verfmolens of kerkorgels. De grootste modellen werden ingezet voor liften of cirkelzagen.
Watermotoren uit de negentiende eeuw. Foto’s: Smokstack andOld Pelton.
Er werd steeds gebruik gemaakt van mechanische krachtoverbrenging, net zoals bij de waterkrachtcentrale die in in het vorige artikel aan bod kwam. De as die door de waterturbine in beweging werd gebracht, was tegelijkertijd ook de as van het apparaat dat werd aangedreven. In andere gevallen werden de as van de turbine en de as van het apparaat door een riem of een ketting met elkaar verbonden, zodat verschillende machines konden worden gebruikt.
Op het einde van de negentiende eeuw werden watermotoren ook ingezet voor het doen werken van elektrische apparaten, vooral radio’s en gloeilampen. De watermotor dreef dan een dynamo aan die ter plekke elektriciteit genereerde. Compacte versies van deze hydraulische dynamo’s werden commercieel aangeboden.
——————————————————————————————————–
Het rendement van een Peltonturbine is onafhankelijk van de grootte, wat ze extra aantrekkelijk maakt voor het aandrijven van kleine apparaten
——————————————————————————————————–
De turbines van watermotoren waren meestal van het impulstype. Die halen energie uit de impuls van water, en niet uit het gewicht ervan zoals in het geval van een klassiek waterwiel. Een belangrijke innovatie was de Peltonturbine, uitgevonden in 1878. Deze turbine bestaat uit lepelachtige schoepen die op gelijke afstand van elkaar aan de buitenkant van het wiel zijn vastgemaakt.
Water wordt via een inlaatbuis door een spuitmond geduwd en op de schoepen gericht. Door het regelen van de spuitmond kan het vermogen van de motor worden bijgesteld. Het water wordt vervolgens door een andere buis weer weggeleid, of valt door de open onderkant van het metalen omhulsel naar beneden.
Vermogen en rendement van de watermotor
Een Peltonturbine heeft een efficiëntie van 85 tot 90%, vergelijkbaar met het rendement van een (grote en efficiënte) elektrische motor en veel hoger dan het rendement van een stoommachine of een traditioneel waterwiel. In tegenstelling tot stoommachines, elektrische motoren en de meeste andere types waterturbines, die minder efficiënt worden naarmate ze kleiner worden, is het rendement van een Peltonturbine bovendien onafhankelijk van de grootte. Dat maakt ze extra aantrekkelijk voor het aandrijven van kleine apparaten.
Foto boven: Een advertentie uit 1906 voor een typische Amerikaanse watermotor. Foto onder: een hydraulische dynamo voor het aandrijven van radio en verlichting. Bron: The Museum of Retrotechnology.
Waterturbines — zoals de Peltonturbine — zijn veel compacter dan waterwielen, wat maakt dat een watermotor van beperkte omvang veel meer energie kan leveren dan je zou denken. Het maximale vermogen van een watermotor wordt bepaald door twee factoren: de waterdruk en het waterdebiet (het waterdebiet wordt bepaald door de diameter van de leiding en de snelheid van het water). De waterdruk in de openbare watervoorziening bedraagt doorgaans tussen de 40 en 70 psi (2,75 tot 4,8 bar), en bedroeg meestal 70 psi in de negentiende eeuw.
Met een waterdruk van 70 psi en een leidingdiameter van 1,25 centimeter (een typische diameter voor de buizen die tot aan de kraan lopen), loopt het maximum vermogen van een kleine watermotor zo op tot 0,33 paardekracht (of 243 watt mechanische energie). Zelfs na aftrek van het efficiëntieverlies in de motor blijft dat een aanzienlijke hoeveelheid energie: twee tot drie keer zoveel dan een mens op een stationaire fietsmachine kan volhouden.
Waterverbruik
De watermotor bood mogelijkheden die in die tijd door geen enkele andere krachtbron konden worden geleverd. Maar de technologie had ook een evident nadeel: een zeer hoge consumptie van drinkwater. Met een waterdruk van 70 psi en een leidingdiameter van 1,25 centimeter kost de productie van 243 watt mechanische energie ongeveer 30 liter water per minuut. Dat betekent dat er 7.440 liter water nodig was om 1 kilowattuur (kWh) mechanische energie te produceren. Om een idee te geven: de gemiddelde Nederlander verbruikt vandaag 130 liter drinkwater per dag, terwijl het gemiddelde elektricteitsverbruik (uitgedrukt in mechanische energie) bijna 10 kWh per persoon per dag bedraagt.
De productie van drinkwater kost veel energie. Er is ongeveer 1 kWh energie nodig om 700 liter drinkwater te produceren, wat zou betekenen dat er 10,6 kWh energie nodig is voor een watermotor die 1 kWh energie levert. Op drinkwater draaiende watermotoren waren dus geen efficiënte technologie en er is dan ook geen enkele stimulans om ze opnieuw te gebruiken. Watermotoren werden gebruikt omdat er in die tijd nog geen efficiënt alternatief voor energiedistributie bestond.
Een met water aangedreven ventilator. Foto: Smokstak.
In realiteit was het waterverbruik van een watermotor nog een stuk hoger dan hierboven is aangegeven. Als de waterdruk lager was dan 70 psi, dan daalde ook het motorvermogen van de watermotor, terwijl het waterverbruik gelijk bleef. De minimum druk in de openbare waterleiding was (en is nog steeds) 20 psi (1,4 bar). Beneden deze waarde bestaat er een risico op besmetting omdat vervuild water de leidingen zou kunnen binnendringen via lekken.
Had je pech en haalde je slechts 20 psi uit de kraan, dan was het vermogen van een watermotor beperkt tot een magere 0,09 paardenkracht (67 watt mechanische energie of ongeveer 30 watt elektrische energie). Dat vermogen kon opnieuw worden verhoogd door de leidingdiameter te vergroten, maar dan nam het waterverbruik nog verder toe.
Onregelmatige druk
De druk in de openbare watervoorziening werd tijdens de negentiende eeuw (en niet zelden ook vandaag nog) geleverd door de zwaartekracht. Water wordt in het reservoir van een watertoren gepompt en het hoogteverschil tussen het wateroppervlak in het reservoir en het water in de leidingen bepaalt de waterdruk en daarmee ook het vermogen dat door een watermotor kan worden geleverd. Voor een waterdruk van 70 psi is een watertoren van 50 meter hoog nodig.
Het interessante aan een watertoren is dat de pompen die het water in het reservoir brengen, kunnen worden afgestemd op het gemiddelde verbruik. Een hoger dan gemiddeld verbruik wordt immers opgevangen door een dalende waterspiegel in het reservoir, dat vervolgens opnieuw wordt gevuld als het verbruik onder het gemiddelde duikt (meestal ’s nachts). Voor de distributie van drinkwater is de wisselende waterdruk geen probleem, maar voor het gebruik van watermotoren wel. Als iedereen ’s morgens tegelijk gaat douchen, dan daalt de waterdruk in de leidingen en dus ook de energieopbrengst van een watermotor.
Foto boven: Een door water aangedreven eierklopper. Bron: Smokstak. Foto onder: Een door water aangedreven naaimachine. Bron: Knight’s American Dictionary (1881).
Dat betekende dat de waterleiding voor een watermotor een grotere diameter moest hebben dan strikt nodig was, zodat er tijdens een periode van lage waterdruk toch voldoende energie geleverd kon worden. Daardoor ging het waterverbruik nog verder omhoog. Bovendien haalde de wisselende waterdruk ook de efficiëntie van de motor naar beneden: een Peltonturbine haalt haar hoogste efficiëntie pas als ze optimaal is afgestemd op de heersende waterdruk.
Op zoek naar een betere oplossing
Zoals vermeld wordt het maximale vermogen van een watermotor bepaald door twee factoren: de waterdruk en het waterdebiet. Als we niet het waterdebiet maar de waterdruk opvoeren, komen we tot een veel interessanter resultaat: er kan veel meer energie worden geproduceerd met veel minder water.
Bij een waterdruk van 700 psi (48 bar), tien keer de druk in de openbare waterleiding, zou een watermotor gevoed door een leiding met een diameter van 1,25 centimeter een vermogen van 2.500 watt kunnen produceren voor 30 liter water per minuut. Dat maakt het waterverbruik van een watermotor al heel wat minder problematisch. Helaas is er voor een waterdruk van 700 psi een watertoren van 500 meter hoog nodig, wat niet realistisch is.
Een draagbare, door waterkracht aangedreven wasmachine, de Amerikaanse “Washerette”. Bron: Smokstak.
De beperkingen van de openbare waterleiding als energiedistributienetwerk werden al snel duidelijk in de negentiende eeuw. In de Verenigde Staten verdwenen de meeste watermotoren met de komst van de elektrische motor en het elektriciteitsnetwerk. Maar in Europa werd een tweevoudige oplossing gevonden voor het hoge waterverbruik van de watermotor.
Ten eerste legden de Europeanen speciale netwerken aan voor de distributie van energiewater — water onder druk dat exclusief was bedoeld voor het opwekken van energie. Daardoor was het niet langer nodig om drinkwater te gebruiken, en kon veel energie worden bespaard. Ten tweede schakelden de Europeanen over op een veel hogere en ook regelmatige waterdruk, geleverd door een nieuwe technologie: de hydraulische accumulator.
De hydraulische accumulator en de opkomst van distributienetwerken voor energiewater komen aan bod in een volgend artikel.
Kris De Decker
——————————————————————————————————–
Bronnen:
- “A History of Industrial Power in the U.S., 1780-1930: Vol 3: The Transmission of Power
“, Louis C. Hunter and Lynwood Bryant (1991)
- “Water Motors“, The Museum of Retrotechnology
- “Old Pelton“, website.
- Efficiency Improvement of Pelton Wheel and Cross Flow Turbines in Micro Hydro Power Plants: Case Study.
- Water Wheel Model: Water Motor.
Verwante artikels:
- Waterwielen uit de negentiende eeuw waren bijna twee keer zo efficiënt als moderne hydraulische centrales.
- De vergeten toekomst van de fietsmachine: landbouw, industrie en huishoudens op pedaalkracht
- Hoe milieuvriendelijk is de energiefiets?
- Mechanische appelschiller is wonder van negentiende-eeuwse techniek
- Industriële windmolens: geschiedenis – en toekomst
- Draait de industrie straks op geconcentreerd zonlicht?
- Zonne-energie maakt oliewinning goedkoper
- Open source energieproductie: de Solar Fire P32
- Verwarm je huis met een zonneboiler en een zwembad
- Hightech keuken zonder elektriciteit: koken met een vliegwiel
- De mechanische overbrenging van energie: Stangenkunst
——————————————————————————————————–
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
www.lowtechmagazine.be 
Plaats een reactie