Vattenkraft i modern tid: Ångmaskinen och vattenkraftverk
Som energisystem kom genombrottet för elektriciteten på 1890-talet. Först stod koleldade kraftverk för elektriciteten, men vattenkraftverken tog snart över.
Vattenkraften blev den viktigaste energikällan
Vattenhjulet användes inte bara till kvarnar. För gruvdriften blev vattenhjulen speciellt användbara. När man gräver ett hål i marken stöter man förr eller senare på vatten. En gruva måste hela tiden pumpas torr för att inte vattenfyllas. Ju djupare gruvhål, desto större blir problemet.
Ett problem med vattenkraften var att de flesta gruvor inte låg intill lämpliga vattendrag. På 1500-talet uppfanns den första stånggången vid gruvorna i Harz i Tyskland. En stånggång är en lång rad sammansatta trästänger som rör sig fram och tillbaka. Med hjälp av stånggången kunde kraften från ett vattenhjul ledas vidare upp till två kilometer.
ANNONS
ANNONS
Det var det svenska uppfinnargeniet Christopher Polhem (1661-1751) som kom på ett sätt att överföra stånggångens fram- och tillbakagående rörelse till en cirkelrörelse. Därmed blev det möjligt att låta vattenhjul driva de hissar som förde upp malm ur gruvan.
Det intensiva utnyttjandet av vattenkraften skapade en helt ny situation i Europa. Det gick att uträtta stora mängder arbete utan att behöva betala de väldiga kostnader, inte minst för mat, som krävts om samma arbete skulle ha utförts av människor eller djur. Det var nu grunden lades till den industriella revolutionen.
Den första ångdrivna hammaren konstruerades 1842 i England. Stora ångdrivna hammare kom att spela en viktig roll i stålverken. Här hamrade man fram järnvägsräls och stålbalkar till broar och andra byggnader.
Ett exempel visar hur mycket som fanns att tjäna på vattenkraften. I gruvor som låg långt från vattendrag fick hästar göra tjänst. De drog både pumpar och hissverk. Hästarna innebar en stor kostnad för gruvan. Vid en kolgruva i Warwickshire i England fanns i slutet av 1500-talet 500 hästar. Alla dessa hästar skulle ha mat och skötsel, vilket också innebar att en mängd personer måste anställas bara för att sköta om hästarna.
Trots alla sina fördelar hade vattenkraften en stor brist som det inte gick att göra mycket åt. Vattenkraften kunde bara användas i närheten av strömmande vatten.
Ångmaskinen - ny kraft ur vattnet
Lösningen blev ångmaskinen - ett nytt sätt att få kraft ur vattnet. Vattenhjulet byggde på det strömmande vattnet. Ångmaskinen utnyttjade vattnets och vattenångans kemiska egenskaper, närmare bestämt dess förmåga att ta upp värme.
För att få vattenånga måste vatten värmas upp med hjälp av eld. Då överförs den energi som finns lagrad i ved eller kol till vattenångan. Med hjälp av ångmaskinen utvinns denna energi på nytt och förvandlas till mekaniskt arbete, som exempelvis kan användas till att driva en gruvpump.
Olika ämnen och kemiska föreningar har olika värmeupptagningsförmåga. Det innebär att man måste tillföra olika mycket värme till ett ämne innan dess temperatur stiger. Olika ämnen kan alltså ta upp olika mycket värme utan att själva bli varmare. Vatten har den största värmeupptagningsförmågan av alla substanser förutom ammoniak. Det vet alla som stått och väntat på att en kastrull med vatten skall börja koka. Vattenånga innehåller alltså mycket energi, vilket gjorde det möjligt att utveckla effektiva ångmaskiner.
ANNONS
ANNONS
Skotten James Watt brukar räknas som den man som förbättrade ångmaskinen så att den kunde användas i industrin. 1769 tog han tillsammans med kollegan Matthew Boulton patent på en ny och förbättrad ångmaskin.
VärmeupptagningsförmågaVarje ämne har en viss förmåga att ta upp värme utan att själv bli varmare. Vatten har större värmeupptagningsförmåga än varje annan substans förutom ammoniak. För att förklara hur detta fungerar tänker vi oss ett kilo guld, ett kilo vatten och ett kilo järn. Alla tre har en temperatur på -273,15 grader Celsius. Vattnet är då naturligtvis fruset till is. Om alla tre ämnena tillförs lika mycket värme kommer guldet att bli varmt snabbast. När vår guldklimp har blivit 1102 grader varm börjar den smälta. Då är vattnet fortfarande -184 grader och fruset till is. När järnklumpen börjar smälta vis 1299 grader, har vår isklump precis blivit noll grader. Att vatten kan ta upp så mycket värme utan att bli varmare har stor betydelse. Bland annat kan den värmeenergi som ryms i vatten användas för att driva maskiner. Den vattenånga som avdunstar från haven och förs in över land i det hydrologiska kretsloppet bär också på väldiga mängder värmeenergi. Denna energi frigörs när ångan kyls av, förtätas till moln och faller ner som regn. |
Eldkvarn till Stockholm
Ångmaskinen innebar ännu en teknisk revolution. Fabriker behövde inte längre byggas intill vattendrag. Gruvorna kunde tömmas effektivare och malmen hissas upp från större djup. Stånggångar blev omoderna. Ångmaskiner drev spinnmaskiner, vävstolar, sågar, stora hammare som användes i industrin och hemarbetet. Det blev möjligt att bygga lokomotiv och ångbåtar.
Även kvarnarna förändrades. Ångdrivna kvarnar kunde nu byggas varsomhelst. I Sverige byggdes den första ångdrivna kvarnen i Stockholm år 1806. Den fick namnet Eldkvarn, eftersom ångmaskinen till en början kallades eld- och luftmaskin. Eldkvarn, som brann ner 1878, låg där Stockholms stadshus nu ligger.
Ångkvarnarna förändrade än en gång svenskarnas hushållning. Tidigare hade stadsborna varit tvungna att köpa säd som de sedan låtit mala till mjöl mot betalning. Nu kunde de köpa mjöl direkt. Inte ens bönderna behövde mala mjöl längre, de kunde också köpa det direkt.
Ångmaskinen gav mänskligheten en ny kraftkälla. År 1820 tog man i England ut ungefär lika mycket kraft av ångmaskiner som av vattenkraften. Fyrtio år senare hade kraften som togs ut från ångmaskiner femfaldigats, samtidigt som vattenhjulen lämnade ungefär lika mycket kraft som förut. Ångmaskinerna tillförde alltså samhället en stor mängd kraft.
ANNONS
ANNONS
Magneter ger elström
Redan när ångmaskinerna år 1820 var på väg att bli viktigare än vattenhjulet gjordes nya upptäckter, som till sist skulle göra ångmaskinen föråldrad.
1820 upptäckte den danske fysikern Örsted att en kompassnål gjorde utslag nära en ledning där elektrisk ström passerar. Elektricitet skapade alltså ett magnetiskt fält.
Den engelske vetenskapsmannen Michael Faraday kom på tanken att det också kunde vara tvärtom: att magnetism skapade elektricitet. 1831 kunde han visa att det verkligen var så. Faraday byggde den första enkla generatorn. Det var en kopparskiva som snurrade mellan ändarna på en magnet som var formad som en hästsko. På kopparskivan var små kontakter fästade. Från dem kunde ström ledas bort så länge skivan snurrade.
Därifrån var steget inte så långt till att koppla ihop roterande maskiner med generatorer för att skapa elström. Vattenhjulen hade gett människan en viktig kraftkälla. Nu skulle det visa sig att det fanns ännu mer kraft att hämta från flodernas och forsarnas strömmande vatten.
Den kraft som en flod utvecklar är häpnadsväckande. Beräkningar visar att Columbiafloden i norra USA på en enda timme frigör dubbelt så mycket energi som den atombomb som släpptes över Hiroshima i slutet av andra världskriget.
I slutet av 1800-talet började det ena vattenkraftverket efter det andra att växa upp. Det allra första togs i bruk i Wisconsin i USA år 1879.
I Sverige byggdes det första vattenkraftverket 1882 i ån Viskan i Halland. På 1910-talet började Sverige bygga ut vattenkraften på allvar. Kraftverk anlades i älvar och forsar. En stor del av Sveriges elektricitet kommer från vattenkraften.
Mer fallhöjd ger mer kraft
Förenklat fungerar ett vattenkraftverk så att det strömmande vattnet driver en turbin, en sorts förfinat vattenhjul. Turbinen driver i sin tur en generator. I generatorn roterar magneter inne i spolar av koppartråd och bildar elektrisk ström.
Den effekt man kan få ut från ett vattenkraftverk beror dels på fallhöjden, dels på hur mycket vatten som strömmar igenom under en bestämd tidsrymd, exempelvis en minut. Fallhöjden är skillnaden mellan den punkt där vattnet börjar falla och den punkt där det stannar igen. För att det ska löna sig att bygga ett vattenkraftverk måste fallhöjden vara minst fem meter. Men ju högre fallhöjd, desto bättre blir effekten.
För att få höga fallhöjder är det vanligt att bygga dammar i floder och älvar. Bakom den höga dammens vägg däms vattnet upp, och man kan skapa ett konstgjort fall, ofta flera hundra meter högt.
Vattenkraften är på flera sätt skonsam mot miljön. Det bildas inga farliga utsläpp som när man bränner olja eller kol. Det blir inget miljöfarligt avfall som i kärnkraftverk. Men vattenkraften kan påverka miljön på andra sätt.
ANNONS
ANNONS
Fest på Forsens dagAtt floder och forsar torrläggs helt eller delvis betyder också mycket för landskapet. På flera håll i Sverige har man forsdagar då floden släpps fri i sin gamla fåra. Då samlas tusentals människor för att se hur det en gång såg ut när floder och vattenfall forsade fritt. Men även i Sverige har man insett att det är olämpligt att dämma upp älvar så mycket att vattnet periodvis försvinner. I flera fall har man låtit naturintressena gå först och låtit bli att bygga ut en del älvar, främst i Norrland. |
Assuandammen - dröm med brister
Den stora Assuandammen som byggdes i Nilen 1959-1971 ger en rad exempel på brister.
Dammen skulle användas i ett vattenkraftverk, men man hoppades också kunna kontrollera Nilens översvämningar och därmed göra det möjligt att odla upp nya landområden. Bakom dammen bildades den väldiga Nassersjön, världens största konstgjorda sjö, 34 mil lång.
Men dammen har skapat en rad problem. I tusentals år har Nilen fört med sig bördigt slam som lämnats kvar på åkrarna efter översvämningarna. Nu samlas det mesta slammet i dammen. Det betyder att bönderna måste köpa dyr konstgödsel från utlandet. Dessutom gör slammet dammen grundare och grundare, och om några hundra år kanske dammen är helt fylld av slam och obrukbar.
Att Nilen inte längre svämmar över gör att böndernas jord inte sköljs igenom ordentligt. Därför blir jorden långsamt saltare. Precis det som drabbade de bönder i Mesopotamien som vi berättat om i en tidigare artikel. Slammet har också sedan urminnes tider använts till tegelstenar, det enda som funnits att bygga av i det trädfattiga Egypten. Nu har myndigheterna tvingats förbjuda tegeltillverkning för att det lilla slam som finns ska räcka till åkrarna.
Dammen har också geografiska konsekvenser. Tidigare byggde Nilens slam upp en barriär vid Medelhavet. Den barriären nöttes tidigare ner av havet, men eftersom det hela tiden kom nytt slam gjorde det inte så mycket. Nu kan havet ostört nöta ner de landhinder som skyddar Nildeltat från översvämning. Skulle Medelhavet tränga in där, skulle stora områden översvämmas.
Assuandammen har också gjort slut på sardinfisket i sydöstra Medelhavet. I flodens slam trivdes tidigare alger som var en del i det näringssystem där sardinerna ingick. Nu är slammet och algerna borta - och med dem sardinerna. Men Assuandammen har också gjort det möjligt att odla upp mer mark och att ta flera skördar per år. Många frågar sig ändå om inte dammen har skapat mer problem än fördelar.
Problemen vid Assuandammen och flera andra stora dammar har gjort att man på många håll börjat fundera på om de jättelika dammarna verkligen är det bästa sättet att utnyttja floderna.
LÄS MER: Vattenkvarnar och vattenhjul
LÄS MER: Vetenskap, teknik och kommunikationer 1776-1914
LÄS MER: Ångmaskinen möjliggjorde den industriella revolutionen
LÄS MER: Industriella revolutionen
LÄS MER: Elektricitetens historia, del 1: En ny kraftkälla
LÄS MER: Michael Faraday - elektricitetens utforskare
LÄS MER: Elektricitetens historia, del 2: Belysningsrevolutionen
LÄS MER: Elektricitetens historia, del 3: Informationsrevolutionen
LÄS MER: James Clerk Maxwell - om de elektromagnetiska vågorna
LÄS MER: Elektricitetens genombrott
LÄS MER: Vetenskapspersoner och vetenskapshistoria
Uppgifter och frågor
Frågor till texten:
- Vad användes en s.k. stånggång till och hur fungerade den?
- Varför var ångmaskinen så viktig för den industriella revolutionen?
- Förklara kortfattat hur en ångmaskin fungerar (hur den bygger upp sin kraft/energi som kan utnyttjas).
- Nämn några fakta om Eldkvarn i Stockholm.
- Hur förändrade de ångdrivna kvarnarna svenskarnas hushållning (sätt att hantera spannmål)?
- Förklara kortfattat hur ett vattenkraftverk fungerar och producerar elektricitet.
- Varför byggs ibland stora konstgjorda dammar vid vattenkraftverk?
- Vad är Assuandammen och vilka negativa följder har bygget av den fört med sig för Egyptens invånare?
Litteratur:
Staffan Hansson, Teknikhistoria - en historia om tekniskt kunnande och dess betydelse för individ och samhälle från äldsta tid fram till 1900-talet, Studentlitteratur, 1990
Jan Hult och Bengt Nyström, Technology & industry, Science History Publ., 1992
Henry Hodges, Technology in the Ancient World, Penguin, 1971
Sten Söderberg och Bo Falk, Den snillrika människan - teknik under miljoner år, Rabén & Sjögren, 1979
Gordon Taylor m.fl., Uppfinningarnas historia, Det bästa, 1985
Lars Paulsson, Från muskelkraft till rymdfarkost. Om motorernas, fordonens och flygfarkosternas historia, Carlsson i samarbete med Tekniska museet, 1996
FÖRFATTARE
Text: Kaj Hildingson, journalist och läromedelsförfattare
