Vattenkraft - människans trotjänare i 2 000 år

Kraft från rinnande vatten började utnyttjas för ungefär 2 000 år sedan. Först som vattenhjul i forsar, som drev kvarnar där man malde säd. På 1800-talet byttes de flesta vattenhjulen ut mot turbiner som drev generatorer som omvandlade vattnets rörelseenergi till elektrisk energi. Detta var en revolution i energiutnyttjandets historia och en av de viktigaste förutsättningarna för industrialismens genombrott.
Idag är vattenkraften fortfarande viktig, inte minst efter­som den är världens största förnybara energikälla, utan någon påverkan på klimatet.

Det krävs energi för att uträtta arbete. ­Själva ordet energi kommer från grekiskans ­ergon som betyder just arbete. Energi kan aldrig nyskapas, inte heller förstöras. Däremot kan energin omvandlas mellan olika former. När en kula ligger på en hylla har den lägesenergi (potentiell energi) i förhållande till golvet inunder. När vi puttar till kulan så att den ramlar ned får den fart och träffar golvet med samma mängd rörelse­energi (kinetisk energi) som den potentiella energi den hade innan den ramlade.
Solstrålning skapas av kärnenergi. När solen ­lyser på ett växtblad, omvandlas solens strålnings­energi till kemisk energi genom fotosyntesen. De ­kolämnen som då bildas, kan lagras i jorden som fossiler i miljontals år och bilda stenkol och olja. När vi bryter och förbränner dessa fossila bränslen omvandlas den kemiska energin till värmeenergi. Den i sin tur kan användas till att skapa rörelse­energi i ångmaskiner och förbränningsmotorer.

För att en kultur ska kunna utvecklas krävs mer energi än bara muskelkraft. Att utnyttja naturens krafter eller maskiner för att uträtta arbete är en fundamental faktor i mänsklighetens utveckling. De första hjälpmedlen som kunde liknas vid maskiner var vattenhjul. Man förstod att forsar och vattenfall innehöll mängder av kraft som borde kunna gå att utnyttja. Eftersom en av mänsklighetens största uppfinningar redan var gjord – ­hjulet – kunde vi kombinera vattnets kraft och hjulets förmåga att snurra så att vattnets forsande rörelse omvandlades till en mekaniskt roterande rörelse. Denna rotationskraft kunde sedan användas till att driva olika mekaniska anordningar.

Vattenkvarnar

De första vattenhjulen utvecklades ungefär samtidigt i Medelhavsområdet och i Kina. I romarriket började vattenhjul att användas i början av vår tideräkning för att mala säd. Det krävdes ­stora anläggningar för att förse Roms alla invånare med bröd. Det räckte inte riktigt med mänsklig muskel­kraft eller oxar till att driva sådana ­kvarnar. Så småningom började man använda vattenkraft till andra ändamål som sågar, hammare, garvning av läder, tråddragning, blåsbälgar i masugnar och mycket annat.

Ett vattenhjul vid Virå bruk i Sörmland. Det användes förr till att driva hammare vid stångjärnsframställning på bruket. Bild: L-G Nilsson/Skylight

Ett vattenhjul vid Virå bruk i Sörmland. Det användes förr till att driva hammare vid stångjärnsframställning på bruket. Bild: L-G Nilsson/Skylight

Vattenkraften kom till Sverige under 1200-talet, och med våra små och stora vattendrag hade vi goda förutsättningar för att utnyttja den. Ofta var det små bykvarnar eller bysågar vid bäckar och åar som drevs av strömmande vatten. Så småningom växte större industrier upp vid större vatten­drag. Samhällen och städer växte sedan upp kring vatten­draget och industrierna.

En begränsning i vattenkraften var att de industriella anläggningarna måste byggas i direkt anslutning till vattenfallen och forsarna. Visserligen kunde man distribuera kraften korta avstånd med hjälp av remmar eller annat, men sträckan begränsades av att en stor del av kraften gick till spillo genom friktion.

Turbinens genombrott

På 1800-talet konstruerades turbiner av flera olika uppfinnare. Ordet kommer från latinets turbo, som betyder virvel. En turbin är egentligen en specialform av vattenhjul, där ett propellerliknande skovelhjul sätts i rotation av vatten som leds in i en kapsel som omsluter hjulet.

Norrköpings industrier växte upp vid Motala ströms forsar och fall. Kraften användes bland annat till att driva textil­maskiner. Idag finns underjordiska turbiner som skapar elektricitet från det strömmande vattnet. Bild: L-G Nilsson/Skylight

Norrköpings industrier växte upp vid Motala ströms forsar och fall. Kraften användes bland annat till att driva textil­maskiner. Idag finns underjordiska turbiner som skapar elektricitet från det strömmande vattnet. Bild: L-G Nilsson/Skylight

Ungefär samtidigt som turbinen utvecklades började människan att kunna använda sig av elektrisk kraft. Den elektriska energin kunde ledas i metalltrådar till den plats där energin skulle användas på olika sätt, till exempel för att driva en elektrisk motor. De första generatorerna levererade låg spänning och det begränsade hur långa ledningarna kunde vara på grund av förlusterna som uppstår. Det var först när högspänd växelström infördes som elektriciteten kunde överföras långa sträckor utan att förlusterna blev för stora. Då kunde man förlägga industrier på helt andra platser än bara vid forsar och vattenfall.

De första vattenkraftverken som producerade elektricitet kom i slutet av 1800-talet. Sverige låg långt framme i denna utveckling och det fanns en stor potential för utbyggnad i våra många vattendrag. 1909 bildades Kungliga Vattenfallsstyrelsen som fick till uppgift att bygga ut vattenkraften i Sverige. Det första stora vattenkraftverket var ­Porjus som började byggas 1910 i Lappland. ­Under de fyra år som det byggdes var det en av Sveriges största arbetsplatser med ett par tusen arbetare.

Kraftverket invigdes den 8 februari 1915, ­genom att kung Gustaf V satt på Stockholms slott och tryckte på en knapp vilket utlöste en siren i ­Porjus. Civilminister Oscar von Sydow, som var på plats vid invigningen, höll ett högstämt tal i ­patriotismens anda där han bland annat sa: ”Vi står inför fullbordandet av ett mäktigt storverk, som mitt ute i ödemarken reser sig som ett ståtligt monument över svensk företagsamhet, svenskt ­ingenjörssnille, och svensk dådkraft.”

Fram till 1960-talet byggdes totalt närmare 2 000 större eller mindre vattenkraftverk i Sverige. Vattenkraften stod då för 95 procent av den producerade elenergin i Sverige. Därefter ­stannade utbyggnaden upp, framför allt av miljö­skäl. 1970 beslutade regering och riksdag att ­Vindelälven, Pite älv, Kalix älv och Torne älv inte fick byggas ut med vattenkraft. Istället för vattenkraft satsade man då på kärnkraft.

Idag står vattenkraften för ungefär 46 procent av Sveriges elproduktion. Kärnkraften står för 34 procent, vindkraft för elva procent och fossileldade kraftverk och annat står tillsammans för cirka nio procent. Fördelningen skiljer sig lite år från år beroende på tillgång av olika energislag och hur stor konsumtionen av el är.

Energiomvandlingar

Energi kan som sagt inte skapas, den kan bara omvandlas mellan olika former. När det gäller vatten­kraften är det en lång kedja av ­energiomvandlingar. Den börjar med solens strålningsenergi som omvandlas till värmeenergi när den träffar jordens landmassor och oceaner. ­Havets värme leder till att vatten avdunstar till vattenånga som ­stiger i ­atmosfären och sedan kondenserar till små vatten­droppar och bildar moln. Vattendroppar som svävar i luften har en lägesenergi i förhållande till jordytan.
Molnen förflyttar sig över jorden med hjälp av vindar som är rörelseenergi skapad av solens värme. När vattendropparna faller som regn eller snö får de en rörelseenergi som delvis omvandlas till värme när nederbörden träffar land eller hav. Den del av nederbörden som hamnar i bergstrakter behåller en del av den ursprungliga lägesenergin i förhållande till havsytan. När vattnet sedan rinner nerför sluttningarna mot havet omvandlas denna lägesenergi till rörelseenergi.

Dammbyggnad vid ett vattenkraftverk i Itaipu på gränsen mellan Brasilien och Paraguay. Kraftverket producerar upp till 98 TWh på ett år, mer än alla svenska vattenkraftverk tillsammans och mer än hälften av Sveriges totala energikonsumtion. Vattenmagasinet i dammen motsvarar svenska sjön Mälaren i storlek. Bild: International Hydropower Association

Dammbyggnad vid ett vattenkraftverk i Itaipu på gränsen mellan Brasilien och Paraguay. Kraftverket producerar upp till 98 TWh på ett år, mer än alla svenska vattenkraftverk tillsammans och mer än hälften av Sveriges totala energikonsumtion. Vattenmagasinet i dammen motsvarar svenska sjön Mälaren i storlek. Bild: International Hydropower Association

I våra svenska fjäll kommer vinterhalvårets nederbörd mest som snö som ligger tills det blir plusgrader och snön smälter. Vårfloden som då kommer kan vara intensiv och en stor del av vattnet som forsar ned mot havet sparas i stora vattenmagasin i form av dammar. På hösten ligger stora mängder vatten lagrade i magasinen efter vårflod och sommarregn. På vintern när vi behöver som mest elenergi kan vi öppna portarna i dammen och släppa på så mycket vatten som behövs genom en underjordisk kraftigt sluttande tunnel. Där driver det fallande vattnet en turbin som börjar snurra. Den rörelseenergi som överförs till turbinen står i direkt proportion till vattenmängden och fallhöjden.

Turbinens rotation överförs direkt via rotationsaxeln till en generator som omvandlar rörelse­energin till elektrisk energi. Därifrån leds elektriciteten till en transformator som transformerar upp den till högre spänning. Elen kan då transporteras långa sträckor utan alltför stora förluster, kanske ända från norra Lappland till södra Sverige, där den transformeras ner till spänningar som passar elkonsumenterna i industrier och hushåll.

En stabil energikälla

Vattenkraft är en förnybar energikälla med många fördelar. Elproduktionen är storskalig och stabil och det ger försörjningstrygghet. Vattenkraften fungerar också som reglerkraft – man kan snabbt starta och stoppa produktionen vid vattenkraftverken för att möta toppar och dalar i den övriga elproduktionen. Detta blir en allt viktigare faktor när vi bygger ut vindkraft och solkraft som inte producerar el i alla lägen utan är direkt beroende av det rådande vädret. Vattenkraft är billig när kraftverket väl är byggt. Produktionskostnaderna är låga och livslängden hos vattenkraftverk är lång. De kan fungera i många decennier och i många fall över ett halvt sekel.

Torne älv är en av de älvar i Sverige som är fredade från vattenkraftverk. Här fiskas sik med håv på finska sidan.  Bild: Skylight

Torne älv är en av de älvar i Sverige som är fredade från vattenkraftverk. Här fiskas sik med håv på finska sidan. Bild: Skylight

Vattenkraften är också miljövänlig genom att den i princip inte förorsakar några klimat- eller miljöpåverkande utsläpp. Däremot påverkas ekosystemen lokalt och regionalt i de berörda vattendragen. Under nybyggnationer sker också en stor miljöpåverkan lokalt. Det är delvis av denna anledning som riksdagen har bestämt att inga nya älvar får byggas ut med vattenkraft i Sverige.

Men hur ser vattenkraftens framtid ut i Sverige när vi inte får göra nya byggnationer? Vattenkraftens verkningsgrad är redan hög – omkring 98 procent av vattnets rörelseenergi omvandlas till elektrisk energi. Men det finns ändå en viss potential att förbättra verkningsgraden genom att minska friktionen i turbinernas och generatorernas rörelser. Ett forskarteam vid Ångströmlaboratoriet i Uppsala utvecklar till exempel magnetisk upphängning och lagring av hela aggregaten bestående av turbin och generator. På detta sätt kan man vinna ytterligare någon halv procent i verkningsgrad, vilket skulle motsvara ett medelstort vattenkraftverk i Sverige.

Öka driftsäkerhet och minska underhåll

Det är dock inte en ökad produktion som är det primära målet för forskning och utveckling inom vattenkraft. Det viktigaste är att göra ­vattenkraften mer robust och driftsäker med längre livstid och mindre behov av underhåll. Vattenkraften har ju fått en delvis ny roll som reglerkraft gent­emot andra förnybara energikällor som till exempel vindkraft. Vindkraften är ett bra alternativ, men har den nackdelen att den bara producerar el när det blåser. Och det är inte nödvändigtvis när det ­behövs mest el som det blåser som mest.

Doktoranderna Fredrik Evestedt och José Pérez-Loya vid Ångströmlaboratoriets avdelning för elektricitetslära vid Uppsala universitet har byggt en prototypgenerator för att testa elektromagnetism istället för olja i aggregatets lager. Detta koncept ger lägre friktion och även andra fördelar. Bild: L-G Nilsson/Skylight

Doktoranderna Fredrik Evestedt och José Pérez-Loya vid Ångströmlaboratoriets avdelning för elektricitetslära vid Uppsala universitet har byggt en prototypgenerator för att testa elektromagnetism istället för olja i aggregatets lager. Detta koncept ger lägre friktion och även andra fördelar. Bild: L-G Nilsson/Skylight

För att kunna ta tillvara så mycket energi som möjligt från vindkraften, så minskar man därför på vattenkraften när det blåser mycket. Men vattnet till vattenkraftverken måste snabbt kunna släppas på igen när det behövs.

Det blir alltså allt fler stopp och starter i vatten­kraften nu och i framtiden, och det sliter på mekaniken. Små förändringar här och där kan tillsammans ge bättre driftsäkerhet och längre livslängd. Högteknologiska kontrollrum där datorer styr driften på ett optimalt sätt ger också bättre driftsäkerhet. Manuella ingripande är fortfarande möjliga, men i slutändan är helautomatisk styrning målsättningen.

Andra förbättringar handlar om mijön. Statens vattenfallsverk arbetar till exempel med att ersätta olja med vatten i hydrauliken i kraftverken. Idag kan det krävas uppemot 50 kubikmeter hydraulolja i ledskovlar och luckor i ett vattenkraftverk.

Sveriges industriutveckling under 1900-talet har till den allra största delen byggt på energi från vatten­kraft och den är fortfarande den viktigaste elkraftkällan i Sverige. Dessutom är den en billig, säker och förnybar energikälla, som är snäll mot klimat och miljö. 

Fakta: 
Vattenkraft
I en uppdämd sjö lagras energi i form av vatten som runnit till från fjälltrakterna. När intagsluckan öppnas rinner vatten ned i en tunnel och sätter fart på en turbin som är kopplad till en generator som omvandlar rörelsen till elektricitet. En transformator transformerar strömmen till högspänd växelström som distribueras via kraftledningar till konsumenterna.

I en uppdämd sjö lagras energi i form av vatten som runnit till från fjälltrakterna. När intagsluckan öppnas rinner vatten ned i en tunnel och sätter fart på en turbin som är kopplad till en generator som omvandlar rörelsen till elektricitet. En transformator transformerar strömmen till högspänd växelström som distribueras via kraftledningar till konsumenterna.

Principen för ett vattenkraftverk är i grunden enkel – vatten i en damm får falla ner i en tunnel där en turbin sätts i rotation. Turbinen driver en generator som producerar elektricitet. På så sätt omvandlas vattnets lägesenergi till rörelseenergi som omvandlas till elektrisk energi. Ju större fallhöjden och vattenmängden är, desto mer energi går att få ut.

Spänningen från generatorn är normalt 20 kV, vilket är betydligt mer än de 220 V vi har i våra eluttag, men alldeles för lågt för långa transporter. Därför leds elektriciteten till en transformator som omvandlar spänningen till 400 kV, vilket är lämpligt för de största och längsta ledningarna i elnätet. När elen ska levereras till industrier och hushåll transformeras den ner igen i olika steg ju längre ut mot slutdestinationen den kommer.

Sprängskiss på ett ­vattenkraftsaggregat bestående av turbin och generator. ­Människan längst ned till vänster ger en uppfattning om storleken på aggregatet.

Sprängskiss på ett ­vattenkraftsaggregat bestående av turbin och generator. ­Människan längst ned till vänster ger en uppfattning om storleken på aggregatet.

Sveriges elproduktion 2015
De viktigaste elproducenterna i Sverige är vattenkraft, kärnkraft, vindkraft och kraftvärme. Det senare energislaget är kraftverk som drivs av fossila bränslen och till viss del koldioxidneutrala bränslen som biomassa. Sedan många år tar man tillvara på överskottsvärmen och använder den som fjärrvärme, vilket ökat verkningsgraden betydligt.

Totalt producerades 159 TWh el år 2015. Vattenkraften stod för nästan hälften. Därefter kom kärnkraften och sedan vindkraften som stod för mer el än de fossila bränslen som används i kraftvärmeverken.

Material från
Allt om Vetenskap nr 3 - 2017

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter