Hydraulische krachtoverbrenging als alternatief voor elektriciteit

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. 

Zoals we in een vorig artikel hebben gezien, was deze methode niet erg duurzaam. Door de lage en onregelmatige waterdruk verbruikten deze motoren erg veel kostbaar drinkwater. Maar terwijl de watermotor in de Verenigde Staten al begin twintigste eeuw weer verdween, vonden de Europeanen een oplossing voor het hoge waterverbruik.

In een twintigtal steden werden speciale netwerken opgezet voor de distributie van "krachtwater", waarbij gebruik werd gemaakt van een veel hogere waterdruk. Die werd mogelijk gemaakt door de uitvinding van de hydraulische accumulator. Bijna al deze netwerken bleven in gebruik tot de jaren 1960 en 1970.

Een hydraulische accumulator. Foto: Les Chatfield.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Dit is een verkorte versie van een artikel op de Engelstalige blog.

De Britse ingenieur William Armstrong begon in de jaren 1840 met het ontwerp en de bouw van krachtige, hydraulische havenkranen. Maar zijn inspanningen werden bemoeilijkt door de lage en onregelmatige waterdruk van de openbare watervoorziening, die de energiebron was voor deze machines. Het maximale vermogen van door water aangedreven 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 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. Voor een waterdruk van 70 psi (4,8 bar) is een watertoren van 50 meter hoog nodig.

Aangezien de praktische hoogte van een watertoren beperkt is, kan het vermogen van een watermotor alleen maar worden opgevoerd door het waterdebiet op te voeren. Maar daarmee stijgt het waterverbruik en nemen de kosten voor alle componenten toe, zoals pijpleidingen en ventielen. Bovendien daalt de waterdruk, en dus ook het geleverde vermogen van een watermotor, als andere gebruikers meer drinkwater afnemen.

De Hydraulische Accumulator

Aanvankelijk lostte Armstrong een deel van deze problemen op door de bouw van een watertoren die exclusief werd ingezet voor de distributie van "krachtwater". Omdat er geen andere consumenten waren, leverde dat een regelmatige druk op. Omdat het water alleen maar voor de opwekking van energie diende, moest er ook geen drinkwater worden gebruikt. Het water werd opgepompt uit de dokken en kwam daar na gebruik door de hydraulische kranen ook weer terecht.

In 1851 ging Armstrong nog een stap verder en introduceerde hij een effectieve technologie waarmee een veel hogere en zeer regelmatige druk kon worden gehandhaafd: de hydraulische accumulator. Dit apparaat bestond uit een grote zuiger met een diameter van ongeveer 45 centimeter, die druk uitoefende op water in een verticale cylinder. De zuiger was verzwaard met ballast, meestal in de vorm van een veel grotere metalen cylinder die de centrale cylinder omsloot en gevuld was met verbrijzelde stenen of met schroot (foto links).

Links: Hydarulische accumulator in de haven van Bristol, Wikipedia Commons. Rechts: hydraulische accumulator, Walsh Bay, Sydney. Bron: NSW HSC Online. 

De ballast kon ook gevormd worden door een bakstenen constructie die op een vierkante, metalen plaat stond (foto rechts). De centrale cylinder had een watertoevoer en een waterafvoer. Langs de ene kant werd er water ingepompt door een stoommachine, waardoor de zuiger omhoog kwam en er energie werd opgeslagen.

Langs de andere kant werd er water onder hoge druk uitgeduwd met het oog op distributie, waardoor de zuiger naar beneden zakte. De verticale beweging van de zuiger bedroeg tot zes of zeven meter. Hydraulische accumulatoren werden zowel in de buitenlucht als in speciaal ontworpen gebouwen geplaatst.

Met de hydraulische accumulator kon een heel hoge waterdruk geproduceerd worden zonder de bouw van een onrealistisch hoge constructie. Terwijl een watertoren 500 meter hoog moet zijn om een druk van 700 psi te kunnen leveren, behaalt een hydraulische accumulator hetzelfde resultaat met ongeveer 100 ton ballast en een constructie van slechts 12 tot 14 meter hoog.

Hydraulische pomp, accumulator en pers. Bron: Portefeuille économique des machines, de l'outillage et du matériel, December 1864, Bibliothèque nationale de France.

De hydraulische accumulator zorgde in tegenstellling tot een watertoren ook voor een gelijkblijvende waterdruk: de druk werd namelijk geproduceerd door het gewicht van de ballast en niet door het gewicht van het water zelf. Watermotoren konden dus optimaal worden afgesteld op de ingestelde waterdruk, waardoor ze een optimale efficiëntie bereikten. Het laden en ontladen van een hydraulische accumulator is bovendien 98% efficiënt, terwijl dat voor elektrische accumulatoren (batterijen) maar 70-90% is.

Openbare watervoorziening voor motorkracht

Dankzij de hydraulische accumulator kon tien keer meer energie geproduceerd worden zonder de waterconsumptie te verhogen. De introductie van de technologie had twee belangrijke gevolgen. Ten eerste werden de toepassingen van hydraulische machines sterk uitgebreid. Armstrong en andere ingenieurs pasten water onder hoge druk toe op een waaier van industriële toepassingen die een groot vermogen vereisten.

Sommige fabrieken bouwden private waternetwerken waarin een centrale stoommachine en hydraulische accumulator voor de verdeling van water onder hoge druk zorgde, exclusief bedoeld voor het aandrijven van machines. Dat was handiger, efficiënter en goedkoper dan het opstellen van een stoommachine bij elke machine of het verdelen van mechanische energie via schachten en riemen.

Hydraulische klinkmachine.

Ten tweede leidde de hydraulische accumulator tot het ontstaan van minstens een dozijn openbare distributienetwerken voor de verdeling van water onder hoge druk. Het idee van een openbaar verdeelnetwerk voor waterkracht -- analoog aan het elektrische netwerk dat iets later ontstond -- werd al in 1812 gedetailleerd uitgewerkt door Joseph Bramah, de uitvinder van de hydraulische pers. Armstrong bracht het idee zestig jaar later in de praktijk.

Van 1870 tot op het einde van de eeuw bouwde zijn bedrijf zes netwerken in de grootste haven- en industriesteden van Groot-Britannië: Hull, Londen, Liverpool, Birmingham, Manchester en Glasgow. De waterdruk in deze systemen bedroeg tussen de 650 en 1120 psi, minstens negen tot zestien keer hoger dan de waterdruk in de openbare waterleiding.

Het hydraulisch netwerk in Londen in 1895.

In centraal opgestelde energiecentrales pompten stoommachines water in hydraulische accumulatoren, dat vervolgens via een netwerk van pijpleidingen werd verdeeld naar hydraulische kranen voor het behandelen van goederen aan de havendokken en in de stapelplaatsen. "Krachtwater" werd ook ingezet voor het bedienen van sluisdeuren en draaibruggen.

Op spoorwegemplacementen werd hydraulische krachtoverbrenging gebruikt voor het behandelen van goederen en voor het verplaatsen van treinwagons (met hydraulische kaapstanders), alsook voor het bedienen van draaischijven en wissels. De technologie zorgde in de stad ook voor het opkrikken van podia in theaters en operahuizen, en voor de aandrijving van duizenden liften in publieke, private en commerciële gebouwen. In sommige hotels werden zelfs op waterkracht werkende stofzuigers ingezet.

Uniek systeem in Antwerpen

Het meest uitgebreide netwerk werd gebouwd in Londen. Op het toppunt van succes, in 1917, beheerde de "London Hydraulic Company" vijf hydraulische energiecentrales en bijna 300 kilometer leidingen. Het netwerk bediende 8000 door water aangedreven machines en bestreek zowat de hele stad. Zelfs de Tower Bridge werd door middel van hydraulische accumulatoren en water onder hoge druk bediend.

De Engelse systemen kenden ook navolging in andere landen. In Australië bouwden Melbourne en Sydney systemen die zeer gelijkend waren -- dat van Sydney was met 80 km leidingen het tweede grootste hydraulische krachtoverbrengingsnetwerk -- maar de systemen in Buenos Aires en in Antwerpen waren buitenbeentjes. In Argentinië werd water onder hoge druk ingezet voor het pompen van afvalwater, terwijl het netwerk in Antwerpen gericht was op de gecombineerde productie van mechanische energie en elektriciteit.

Het Zuiderpershuis in Antwerpen is een voormalig hydraulisch energiestation. De torens huisden de hydraulische accumulators.

Hydraulische kranen in Antwerpen. Foto: Lowtech Magazine.

Antwerpen had al sinds 1865 als een van de eerste havens een hydraulische netwerk voor de bediening van kranen, bruggen en sluizen. In 1893 werd begonnen met de bouw van een tweede netwerk, dat water onder hoge druk transporteerde naar kleine elektrische centrales op verschillende locaties in de stad. Daar werd door middel van peltonturnbines en dynamo's elektriciteit geproduceerd, die vervolgens verder werd verdeeld via elektrische kabels voor het aandrijven van straatverlichting.

Het systeem in Antwerpen was een oplossing voor de hoge distributieverliezen van elektrische krachtoverbrenging, wat toen nog met lage spanning gebeurde. Aangezien de elektrische spanning vergelijkbaar is met de waterdruk in een hydraulische systeem, had elektriciteit dus te kampen met precies hetzelfde probleem als energienetwerken op basis van watertorens. Door de lage spanning kon elektriciteit slechts energie-efficiënt over een halve kilometer afstand worden getransporteerd.

Water versus Elektriciteit

Het hybride Antwerpse netwerk bereikte een totale lengte van 23 kilometer en leverde een vermogen van 1.200 paardenkracht. Slechts drie van de twaalf geplande energiecentrales werden gebouwd, want de doorbraak van elektrische hoogspanningsleidingen maakte het systeem in één klap achterhaald: het werd in 1900 stilgelegd. Het hydraulische systeem in de Antwerpse haven bleef echter werken tot 1976, en ook alle andere hydraulische netwerken bleven in werking tot de jaren 1960 en 1970. Het systeem in Londen overleefde het langst, tot 1977.

De meeste netwerken bleven uitbreiden gedurende de eerste decennia van de twintigste eeuw (toen elektrische hoogspanning al helemaal was ingeburgerd) en bereikten hun hoogtepunt tijdens de jaren 1920. De ondergang kwam er pas toen fabrieken de stad begonnen te verlaten vanaf de jaren zestig. Dat roept twee vragen op. Ten eerste: waarom werd water onder hoge druk niet de universele methode voor krachtoverbrenging waar Bramah en Armstrong van hadden gedroomd? En ten tweede: als elektrische krachtoverbrenging efficiënter is dan hydraulische krachtoverbrenging, waarom bleven deze netwerken voor "krachtwater"dan nog zo lang in gebruik?

Hydraulische sluisdeur in Londen, gebouwd in de jaren 1880. Foto: Chris Allen.

In vergelijking met elektriciteit heeft water onder druk een aantal belangrijke nadelen. De lagere efficiëntie bij transport over lange afstand werd al vermeld. Hydraulische krachtoverbrenging was (en is nog steeds) minstens even efficiënt als elektrische krachtoverbrenging over een afstand tot ongeveer 15-25 kilometer, maar bij langere afstanden is elektriciteit onklopbaar.

Een tweede nadeel van hydraulische krachtoverbrenging is dat een complex distributiesysteem bijkomende verliezen introduceert. Elke bocht in een pijplijn verhoogt de wrijvingsverliezen. Met andere woorden: hoe meer machines er op het netwerk worden aangesloten, hoe groter de energieverliezen. Elektrische krachtoverbrenging kent dit probleem niet -- elektriciteit kan vrijwel eindeloos worden opgedeeld en opgesplitst, zonder dat er belangrijke verliezen ontstaan.

Het derde nadeel van water onder druk is de beperkte capaciteit van een waterleiding. Krachtwater moet met een slakkengang door een pijpleiding worden gestuurd, want het energieverlies door wrijving in de leidingen stijgt met het kwadraat van de snelheid. Dit beperkt het waterdebiet en dus ook het vermogen dat door een hydraulische leiding kan worden geleverd. Met een pijpdiameter van 10 tot 12 centimeter bedraagt het maximale vermogen ongeveer 85 tot 150 kilowatt. Een elektrische hoogspanningsleiding van die omvang kan een veel groter vermogen overbrengen.

Vermogensmultiplicatie

Geen enkele van deze nadelen speelde echter een rol in de hydraulische netwerken die we hierboven beschreven. Het waren allemaal regionale systemen, waarin de machines nooit verder dan 15-25 km van de energiebron stonden opgesteld. Omdat de hydraulische machines in havens, spoorwegemplacementen, fabrieken en gebouwen gekenmerkt werden door een trage beweging en infrequent gebruik, leverde de trage snelheid van energiewater evenmin een probleem op. Met uitzondering van het hybride systeem in Antwerpen leverde geen enkel hydraulische netwerk energie aan een groot aantal continu werkende machines. En aangezien er slechts een relatief klein aantal (zeer krachtige) machines werd gebruikt, was het energieverlies door bochten en onderverdelingen in het netwerk ook beperkt.

Tegelijkertijd levert hydraulische krachtoverbrenging een belangrijk voordeel op dat elektriciteit niet heeft: het geleverde vermogen kan vrijwel oneindig en zonder efficiëntieverlies worden verhoogd. Zowel elektrische motoren als verbrandingsmotoren hebben mechanische krachtoverbrenging nodig om een hogere kracht of een hoger koppel te bereiken. Die mechanismen -- bijvoorbeeld tandwielen -- nemen plaats in en introduceren energieverlies.

Dat een hydraulisch systeem die beperkingen niet kent, werd al in 1647 gedemonstreerd door Blaise Pascal, de theoretische grondlegger van hydraulische krachtoverbrenging. Pascal's "machine voor het vermenigvuldigen van krachten" (illustratie hierboven) bestaat uit twee rechtopstaande cylinders, verbonden met een pijpleiding. Het hele systeem wordt gevuld met water. Eén cylinder bevat een zuiger met een kleine diameter, terwijl de andere cylinder een zuiger heeft met een dwarsdoorsnede die honderd keer groter is.

Pascal demonstreerde dat als een gewicht van 1 kg bovenop de kleine zuiger wordt geplaatst, dat gewicht voldoende kracht levert om een gewicht van 100 kg bovenop de grotere zuiger op te tillen. Het systeem levert dus een mechanisch voordeel op van 100:1, zonder bijkomende mechanische krachtoverbrenging en vrijwel zonder wrijvingsverliezen. Het effect kan worden verklaard door het feit dat water vrijwel onmogelijk samen te drukken is.

Hydraulische krachtoverbrenging is dus uitermate geschikt voor het aandrijven van heel krachtige machines, zeker als die een trage, lineaire beweging vereisen. Bovendien is het vermogen van een hydraulisch netwerk altijd onmiddellijk beschikbaar, ook als de energiecentrales niet werken, want er zit altijd energie "klaar" in de pijpleidingen en de accumulators. Als er geen vraag naar energie is, dan is er ook geen enkel verlies. Dat voordeel is het grootst voor machines die infrequent worden gebruikt.

Hydraulica vandaag

Hydraulische krachtoverbrenging wordt nog steeds gebruikt, zowel voor stationaire, industriële machines, als voor mobiele toepassingen, zoals graafmachines. Maar er zijn twee belangrijke verschillen met vroeger. Ten eerste wordt er niet langer gebruik gemaakt van water, maar van olie. In tegenstelling tot water bevriest olie niet en is het niet corrosief. Maar olie maakt hydraulische krachtoverbrening duurder en laat het uiteraard niet toe om de vloeistof na gebruik in de dokken of het kanaal te laten stromen.

De hydraulische accumulator vandaag: perslucht in plaats van ballast. Foto: HYD.

Gedeeltelijk als een gevolg van het gebruik van olie, ontwikkelde hydraulische krachtoverbrenging zich weg van het idee van een energienetwerk. Elke hydraulische machine heeft vandaag een eigen krachtbron, zoals een elektrische motor of een verbrandingsmotor. De hydraulische accumulator is nog steeds deel van zo'n systeem, maar is veel kleiner en gebruikt perslucht om de vloeistof samen te drukken.

Hoewel de praktische voordelen van hydraulische krachtoverbrenging overeind blijven, elimineert de moderne aanpak een belangrijke efficiëntievoordeel van de meer gecentraliseerde netwerken uit de negentiende en de twintigste eeuw. In een stedelijk netwerk kan een verrassend kleine krachtbron -- een handvol hydraulische accumulators -- een groot aantal zeer krachtige machines bedienen. In de autonome systemen van vandaag moet de pomp van elke hydraulische machine daarentegen afgestemd zijn op het piekverbruik van die machine, wat veel minder energie-efficiënt is.

Kris De Decker

Dit artikel is opgedragen aan Charles Steele. RIP.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Verwante artikels:

• Energie uit de kraan: de watermotor
• Waterwiel uit 19de eeuw bijna 2 keer zo efficiënt als moderne hydraulische centrale
• De mechanische overbrenging van energie: Stangenkunst
• Schipmolens: drijvende fabrieken op hernieuwbare energie
• Een huishouden op gelijkstroom?

 --------------------------------------------------------------------------------------------------------

Comments

[Geplaatst door: mathias]

(1)

Zeer mooi artikel!

Het 'Zuiderpershuis' kende ik van naam maar ik had geen idee van de oorsprong.

Moet indrukwekkend geweest zijn om zoiets aan het werk te zien.

[Geplaatst door: Herman Vanmunster]

(2)

Inderdaad een zeer mooi (en vooral interessant!) artikel. Ik denk wel dat er een foutje in de tekst geslopen is. Je spreekt van 'vermogensmultiplicatie', maar je bedoelt wellicht 'krachtenmultiplicatie'. Het kleine gewicht van 1 kg aan de linker kant moet een 100x grotere afstand afleggen dan het gewicht van 100 kg aan de rechter kant: beide gewichten verplaatsen immers dezelfde hoeveelheid water (hetzelfde volume). Aangezien de oppervlakte aan de rechter kant 100x groter is dan de oppervlakte aan de linker kant, moet de afgelegde afstand links 100x groter zijn dan de afstand rechts. Arbeid (Joule) = kracht maal afstand. De geleverde arbeid is dus even groot aan beide kanten. Vermogen = Arbeid per tijdseenheid (= Joule per seconde of Watt). Vermits aan beide kanten dezelfde arbeid in dezelfde tijd geleverd wordt, is ook het geleverde vermogen aan beide kanten identiek. Het vermogen wordt dus niet vermenigvuldigd, maar verplaatst. De kracht wordt wel vermenigvuldigd. Dit is in feite hetzelfde principe als in hefbomen, katrollen en tandwielen.

[Geplaatst door: Robin Van de Berckt]

(3)

Zou deze techniek niet ingezet kunnen worden om overtollige energie (bv. bij zonnige/winderige dagen) tijdelijk op te slaan?

[Geplaatst door: Renaat]

(4)

@ Robin Van de Berckt,

er is een fundamenteel verschil tussen het opslaan van energie en de distributie (verplaatsing) van energie. Technieken die voor één uitermate geschikt is zijn dat vaak voor het andere helemaal niet.

Vloeistoffen onder hoge druk kunnen (met de hierboven beschreven beperkingen)uitstekend gebruikt worden voor energietransport maar zijn totaal ongeschikt als medium voor energie-opslag. (Gassen onder druk zijn dan weer in bepaalde mate wel geschikt voor het opslaan van energie.)

Natuurlijk kan wel wel een deel energie opslagen door het omhoog pompen van water (of andere vloeistoffen), maar het vraagt zeer grote volumes en de verliezen van zo'n systemen moeten niet onderschat worden.

[Geplaatst door: J. Pietersma]

(5)

Goed stuk! En wat een prachtige foto's van de havenkranen in Antwerpen!

[Geplaatst door: Ruben]

(6)

@ Robin Van de Berckt en Renaat

Wat je kan zeggen over deze technologie is dat de hoeveelheid energie die opgeslagen kan worden zeer beperkt is. Bvb gewicht van 100 t 14 m omhoog geduwd geeft een potentiële energie van 13 734 J ofwel 0,003815 kWh.
Een windturbine met piekvermogen van 2 MW zou dit energiereservoir in minder dan 0,007 s gevuld hebben. Weinig zinvol/haalbaar vermoed ik.

Anders wordt het natuurlijk als je grote volumes water op- en af kan verplaatsen. Helaas komen de condities hiervoor slechts beperkt voor in België (hoog en laag reservoir op beperkte afstand maar met voldoende hoogteverschil).

Ik vermoed echter dat het samendrukken van een realistische hoeveelheid gas meer energie kan opslaan dan door beweging van realistische massa's in een zwaartekrachtveld.