Vatnsafl

Vatnsafl (eða vatnsorka) er orka unnin úr hreyfiorku eða stöðuorku vatns. Vatn er orkumiðill og vatnsorka er sú orka sem vatn býr yfir á vissum stað í náttúrulegri hringrás sinni, en mikil orka felst í vatnsföllum. Vatn sem rennur til sjávar ber orku sem fólgin er í falli þess. Vatnsafl er virkjað til þess að framleiða rafmagn. Það er gert þannig að vatnið er látið falla, og þungi þess og fallhæð nýtt til þess að knýja túrbínur. Því meira vatnsmagn og fallhæð, því meiri orka.

Gríðarleg orka leynist í vatnsföllum og er hún nýtt til að framleiða rafmagn út um víða veröld. Íslendingar hafa verið duglegir í að nýta sér þá gríðarlegu möguleika sem þeir hafa í virkjun vatnsfalla og eru með fremstu þjóðum á því sviði. 

Í kjölfar mikilla umræðna um hækkun hitastigs jarðar og vakningar í umhverfismálum, hafa kröfur um gæði orkugjafa aukist. Orka er frumskilyrði fyrir því að nútíma samfélög geti þrifist. Stanslaust er gerð krafa til meiri orku og er þróun á beislun orkunnar í sífelldri framför.

Orkugjafa má flokka sem endurnýjanlega- og óendurnýjanlega orkugjafa, Vatnsafl flokkast með endurnýjanlegum orkugjöfum. Dæmi um annars konar endurnýjanlega orkugjafa en vatnsafl má nefna jarðvarma og vindorku. Hlutfall vatnsorku af heildar orkunotkun Íslendinga hefur aukist mikið síðustu ár. Hringrás vatnsins er knúin af sólarorku og í miðri hringrásinni er vatnið látið framleiða rafmagn til ýmissa nota. Vatnsafl er í raun óbein sólarorka. Sólin veldur uppgufun og hluti af vatninu rignir niður og staldrar við ofar en við upphaf ferðar.

Vatnsafl er nýtingarmesti endurnýjanlegi orkugjafinn en úr vatnsorkunni fást 92% af allri þeirri raforkuframleiðslu sem á annað borð er framleidd með endurnýjanlegum orkugjöfum.

Vatnsafl virkjað 
Vatnsafl er virkjað og breytt í rafmagn í vatnsaflsvirkjunum. Með vatnsaflsvirkjun er vatnsfallið nýtt og er fallhæðin og þungi vatnsins notaður til þess að snúa túrbínu og framleiða rafmagn. Meiri fallhæð og meira vatnsmagn gefa meira afl. Þegar orka er unnin úr vatnsfallinu er verið að breyta stöðuorku í hreyfiorku. 

PE=m×g×y → KE=1/2×m×v²

Sú orka sem fæst úr vatnsföllum er mæld í wöttum(w) og orkumagnið ræðst að stærstum hluta af því vatnsmagni sem er á ferðinni og eins af fallhæð vatnsins. Einföld jafna fyrir orkuna sem fæst er P=kQH, þar sem P stendur fyrir aflið, k er fasti, Q er vatnsmagn í lítrum/sek og H stendur fyrir fallhæð. 

 
Vatn rennur í þrýstivatnspípunum inn í rafstöðina og fer framhjá stórum lokum sem hægt er að opna og loka snögglega. Hreyfiorkan er beisluð með því að láta vatnið snúa hverfilhjóli. Við það snýst segulmagnað hjól í rafalanum. Utan með því eru koparvafningar og við hreyfingu segulsins fer rafstraumur að renna um vafningana. Rafstraumurinn er síðan leiddur um háspennulínur út í raforkukerfið.

Uppistöðu lónin eru tilkomin vegna þess að rafmagn er ekki hægt að geyma, það verður að nota um leið og það er framleitt. Á Íslandi er notað meira rafmagn á veturna en á sumrin, en rennsli áa er mest á sumrin og minnst á veturna. Til þess að tryggja næga orku á veturna eru ár því stíflaðar og mynduð lón þar sem vatni er safnað á sumrin og það geymt til vetrarins þegar því er miðlað eftir þörfum til virkjana.

Það fer eftir veðurfari hversu mikið rafmagn er hægt að framleiða. Þegar vel árar í vatnsbúskap er hægt að framleiða rafmagn umfram það sem mannvirkjunum er ætlað að skila árlega. Þetta rafmagn er selt á lægra verði til fyrirtækja gegn því að skerða megi afhendingu þegar illa árar í vatnabúskapnum. Ótryggt rafmagn er einkum selt til þeirra sem annars nota innflutt eldsneyti til hitunar. Dæmi um slíkt eru fiskimjölsverksmiðjur en þær geta skipt yfir í olíukyndingu á bræðsluofnum ef rafmagnið þverr.

Vatnsafl er eina endurnýjanlega orkan sem nú þegar framleiðir stóran hluta af orku mannkyns á samkeppnishæfu verði. Framleiðir um 17% raforku í heiminum, en yfir 90% af endurnýjanlegri orkuframleiðslu heims. Uppsett afl er sú tala sem virkjunin getur að hámarki framleitt. Raforkuframleiðsla virkjana með sama uppsetta aflið getur verið afar mismunandi.

100 MW virkjun sem er á fullum afköstum allt árið = 8760 klukkutíma framleiðir þá 876.000 MWh. Afköstin er þó venjulega mun minni oft á bilinu 6-7000 klst. á ári.

Sem dæmi um raforkuframleiðslu virkjunar má taka sem dæmi Rjúkandavirkjun. þar er brúttófallhæð 185,3 m og um þrýstipípurnar rennur að jafnaði 0,66 m³ á hverri sekúndu. m³ er 1000 kg. Fræðilegt hámark virkjaðrar orku á hverri sekúndu er því:
Afl: 0,66 • 1000 kg • 9,82 m/s² • 185,3 m = 1.200.000 W = 1.200 kW. 
Talsvert afl tapast alltaf og uppgefið afl Rjúkandavirkjunar er 900 kW

Saga vatnsaflsvirkjana 
Maðurinn hefur nýtt sér vatnsafl í ýmsum formum frá örófi alda. Grikkir voru farnir að nota vatnshjólið fyrir 2000 árum. Vatnsorka var mikið notuð fyrr á öldum til mölunar, sögunar og vatnsmiðlunar. Saga vatnsaflsvirkjana á Norðurlöndum er yfir 700 ára gömul. Tækninni hefur fleygt fram, í byrjun var notast við vatnsmyllur og kraftur vatnsins nýttur í að mala korn.

Um aldamótin 1900 fóru menn svo að framleiða rafmagn með vatnsafli.

Á Íslandi 
Árið 1904 var fyrsta vatnsaflsvirkjunin sett upp á Íslandi. Jóhannes J. Reykdal réðst í að koma þessu stórvirki upp einn og óstuddur og Hafnarfjörður varð fyrsti raflýsti bærinn á Íslandi. Fyrsti rafallinn var 9 kW 230 volta rakstraumsrafall frá Frognerkilens Fabrik í Ósló. Hann snérist 620 snún. á mín. og vó 1,5 tonn. 

Í kjölfar virkjunarinnar í hafnarfirði fóru hjólin að snúast, og árið 1915 var uppsett afl smárafstöðva á Íslandi komið í 370 kW. Árið 1950 voru komnar 530 smávirkjanir út um allt land. Fyrsta virkjun sem náði að 10 MW var Írafossvirkjun og hún var gangsett árið 1953. Árið 1965 er Landsvirkjun stofnuð og markaðssetning raforku hefst. Fyrsta virkjun sem náði að 200 MW var Búrfellsvirkjun og hún var gangsett árið 1969. Tæplega 30 virkjanir stærri en 10 MW voru byggðar á árunum 2000 – 2006. Árið 2007 var stærsta vatnsaflsvirkjun Íslands,´ Kárahnjúkavirkjun gangsett, 650 MW.  Árið 2007 var heildaraflið komið í 1852 MW. Það gerir um 11,9 TWh á ári

Hluti vatnsafls af orkunotkun 
Tæknilega mögulegt vatnsafl í heiminum hefur verið áætlað um 15.000 TWh. Heimsframleiðslan var 2700 TWh árið 2000. Framleiðslan hefur aukist um ca 50TWh ári. Heldur þó ekki við aukningu í raforkunotkun. 1990 -2000 var framleiðsluaukning vatnsaflsvirkjana 24% en raforkunotkun jókst um 30%. Hlutur vatnsafls í raforkuframleiðslu fór niður um 1% á þessu tímabili.

Stærstu framleiðslulöndin árið 2002: Canada 345 TWh, Brasilía 288 TWh, USA 264 TWh, Kína 231 TWh, Rússland 167 TWh, Noregur 129 TWh. 

Stærsta stífla heims er í byggingu, Þriggja gljúfra stíflan í Kína, Uppsett afl 18,2 GW og mun framleiða 84.7 TWh. Uppsett afl Kárahnjúkavirkjunar er 690 MW og uppgefin orkuvinnslugeta er 4.600.000 MWh á ári, munurinn á þessum tvemur virkjunum er gríðarlega mikill.

Á Íslandi 
Íslendingar eru duglegir í nýta sér innlendar orkulindir. Tæplega 82% af allri orku sem notuð er hér á Íslandi er innlend og kemur frá endurnýjanlegum orkulindum. Hlutfall vatnsorku af hlutfallslegri notkun Íslendinga hefur aukist verulega frá árinu 1945. Af innlendu orkunni voru árið 2007 um 15% af heildarnotkun frá vatnsafli og 67% frá nýtingu jarðgufu og munar þar mestu um hitaveitu til húshitunar. Afganginn, um 18%, fáum við frá innfluttum orkugjöfum, fyrst og fremst eldsneyti, 15,6% (bensín og olía), og munar þar mestu um fiskveiði- og bílaflotana, og 2,2% frá kolum. 

Stærstu vatnsaflsvirkjanir á Íslandi eru: Kárahnjúkar 690 MW, Búrfell 270 MW, Hrauneyjafoss 210 MW, Sigalda 150 MW og Blanda 150 MW.

Virkanlegt heildarafl vatnsorku hér á landi er talið vera um 50 TWh þegar búið er að meta hvaða kostum yrði sleppt með tilliti til náttúruverndar . Árið 2007 nam raforkuvinnsla innanlands um 12.000 GWh og þar af komu um 70% vinnslunnar frá vatnorkuverum, eða 8.400 GWh.

Umhverfisáhrif vatnsaflsvirkjana 
Vatnsföll eru virkjuð annaðhvort með straumvirkjun eða stífluvirkjun en alltaf þarf þó að koma fyrir stöðvarhúsi og setja upp túrbínur sem virkja vatnsaflið. Til viðbótar þá þarf fyrir stífluvirkjun að byggja stíflu fyrir lón. Þetta skapar mikið rask í umhverfinu og fórnarkostnaður umhverfissins getur verið mjög mikill. Til þess að átta sig betur á umfangi vatnsaflsvirkjana höfum við gott dæmi á Íslandi. 

Kárahnjúkavirkjun er stærsta vatnsaflsvirkjun á Íslandi og er ein umdeildasta framkvæmd Íslands fyrr og síðar, gríðarmiklar umræður hafa verið um umhverfisáhrif Kárahnjúkavirkjunar eins og skiljanlegt er þegar um er að ræða svo umfangsmikla framkvæmd. Kárahnjúkavirkjun tekur um 66 km² lands undir lón og stíflur. Áhrifasvæði er áætlað um 3000 km². 
Áhrif Kárahnjúkavirkjunar á ósnortið víðerni við norðurjaðar Vatnajökuls er verulegt. Nærri lætur að víðernið muni skerðast um alls 925 km², einkum vegna Hálslóns og Hraunaveitu. 

Sjónræn áhrif af Kárahnjúkavirkjun eru sem dæmi: mannvirki; einkum stíflur, vegir og skurðir, haugsvæði og efnisnámur, miðlunarlón sem skapa nýtt og breytt landslag, breytilegt fjöruborð lóna, einkum Hálslóns, sem veldur fokhættu úr strandsvæðum og getur birgt sýn til landsins, minna og tærara vatn neðan stíflumannvirkja að stöðvarhúsi, sem kemur fram í skertu rennsli fossa og minni dyn í gljúfrum, dekkra vatn neðan stöðvarhúss vegna aukins magns uppleystra efna, breytingar á rennsli jökulánna í byggð, ýmist til aukins eða minna vatns, aurar Jökulsár á Dal gróa upp þar sem áin fær afmarkaðan farveg, neikvæð hughrif vegna skerðingar á víðernum.

Straumvirkjanir og fallvatnsvirkjanir 
Vatnsaflsvirkjanir á Íslandi breyta fallhæð vatnsins í þrýsting til framleiðslu raforku og flokkast því ekki sem straumvirkjanir. Fallvatnsvirkjanir nýta allt að 90% orkunnar sem er í fallhæðinni Straumvirkjanir nýta hins vegar hluta af hreyfiorku straumvatns til orkuframleiðslu þar sem nýtnin er 20 –40%.  

Straumvirkjanir henta þar sem:
 fallhæð er lítil
 Erfitt að stífla
 vatnsmagn er mikið
 straumhraði nægjanlegur, og rennsli jafnt

Skipting fallvatnsvirkjana

Vatnsaflsvirkjunum er skipt í þrennt:
 Low head: Undir 10 metra fallhæð. 
 Medium head: þar er mikið vatn með litla fallhæð, fallhæð milli 10 og 100 metra. 
 High head: Fallhæð meiri og frá náttúrunnar hendi. Flestar íslenskar eru high head.

Tilvísanir

Tenglar 
 Vefur Landsvirkjunar, stærsta aðila í virkjun vatnsfalla á Íslandi
 Vefur Saving Iceland hreyfingarinnar, sem hefur með orðum og beinum aðgerðum andæft byggingu stórtækra vatnsaflsvirkjana og leitast við að sýna fram á að stórar vatnsaflsvirkjanir séu ekki eins grænar og umhverfisvænar og sagt er. 
 Vefur International Rivers, alþjóðlegra náttúruverndar- og mannréttindasamtaka sem hafa andmælt fullyrðingum um lítil umhverfisáhrif vatnsaflsvirkjana. 

Endurnýjanleg orka
Vatnsafl