HE cubeFossielvrij

Dynamic Tidal Power

getij_animatie_gr
Credit for visualization Peter Scheigrond
Zon en wind zijn onvoorspelbaar. Er bestaat een oplossing: Tidal twin-dammen met daarin turbines hebben de potentie een fors basisvermogen te leveren voor de Nederlandse stroomvoorziening.

Bij alle vormen van energieopwekking draait het altijd om de kosten per kWh. Duurzame energie moet opboksen tegen vaak spotgoedkope fossiele energie. Wereldwijd investeren bedrijven en overheden met belastinggeld in de ontwikkeling van duurzame alternatieven. Strategisch is het dan van belang om geld te steken in de meest veelbelovende alternatieven.

Getijdenenergie kan uitgevoerd worden als een voorspelbare betaalbare basislast

De oceanen bevatten geweldig veel energie. De combinatie van de draaiende aarde en de aantrekkingskrachten van zon en maan levert aan alle kusten eb en vloed en golfenergie. Uit deze getijdenwerking is energie te winnen.
"Getijden stuwen" blijken de meeste potentie te hebben. Losstaande turbines onder water kunnen niet meer energie vangen dan de hoeveelheid water die door het turbine oppervlak stroomt. Getijde dammen verzamelen de energie die naar de gehele dam stroomt en die via turbine openingen in de dam leiden tot spectaculaire energieopbrengsten. Vooral ondiepe sediment kusten met voldoende getijde stroming als de Noordzee zijn uitermate geschikt voor het plaatsen van dammen in zee.



Tidal versus Dynamic Tidal


Hieronder vergelijken we de opbrengst van een turbine met 8 m diameter in een getijstroom met 1 m/s en een turbine geplaatst in een getijde dam met 10% openingen voor de turbines. Tidal krijgt matig aandacht van de politiek. En dat is begrijpelijk. Met losse turbines is, bij de in Nederland optredende stroomsnelheden. een beperkte hoeveelheid energie te winnen. De Levelized Cost Of Electricity (LCOE) bedraagt in de meeste Tidal en Stuw projecten in ons land zonder subsidie 15 - 30 €cent per kWh. En we hebben voor de Tidal projecten dan nog geen baseload.

In principe berekenen we de LCOE door alle kosten over de levensduur te delen die door de elektriciteitsproductie in kWh over de levensduur. Geavanceerde berekeningen nemen daarbij ook de prognoses mee voor inflatie, disconto ontwikkelingen en energieprijs ontwikkelingen. Omdat dit politiek manipuleerbare grootheden zijn, beperken wij ons tot de simpel LCOE. Prijspijl van allen kosten in het nu gedeeld door de kWh productie.

Met DTP kan per turbine 175 x meer vermogen bereikt worden.

Schermafbeelding 2019-09-06 om 22.54.27

Toelichting bij tabel
Met DTP wordt spectaculair meer energie gewonnen. Doordat het water (1 m/s) dat de dam bereikt gestuwd wordt door een som van openingen die 10% bedraagt van de damoppervlakte ontstaat theoretisch een stroomsnelheid door de openingen van 10 m/s. In de praktijk zijn er lekverliezen aan de zijkanten en wrijvingsverliezen, waardoor de waarde lager is. In bovenstaand voorbeeld leveren de de turbines in de dam 175 x meer op omdat het vermogen een derde machtsfunctie is van de watersnelheid. Het betreft hier dammen in open zee. Dammen die aan de kust zijn gebouwd hebben meer vermogen, omdat er aan de kustzijde geen lekverliezen optreden.

De berekening in deze tabel is een illustratieve benadering. Het berekenen van de werkelijke opbrengsten van getijde dammen is veel complexer. De getoonde opbrengsten komen wel overeen met de complexe berekeningen.

Getijdenenergie heeft een dominant voordeel ten opzichte van wind en zon.



  • Voorspelbare energie.
  • En indien uitgevoerd in twin-dam systemen een continue vermogen.
  • De aanpassing van het elektriciteitsnetwerk wordt stukken goedkoper omdat kostbare systeem integratie t.b.v. het opvangen van productiegaten door zon en wind grotendeels achterwege kan blijven. De netwerkbedrijven begroten hiervoor in de komende jaren 40 miljard Euro. Voor dat geld zijn twin-dammen in zee te realiseren.
  • Deze dammen kunnen 30 - 70 % van de stroomvoorziening in Nederland als baseload produceren.
  • Twin-dammen kunnen een uniek exportproduct worden. Immers waterbouw is een core business van Nederland.
  • Twin-dammen hebben minder oppervlak van de Noordzee nodig dan windmolens.
  • Dammen in zee kunnen kunnen ook andere functies vervullen. Zoals: havenfunctie, sea-farming, verbetering zeeleven, plastic-soup verzamelaar, uitvalsbasis voor onderhoud windparken etc.
  • Slim ontworpen dammen kosten per KW vermogen € 2.500 tot € 2.700.
  • Dammen gaan erg lang mee: een mensenleven;- daarom is financiering mogelijk over een periode van 60 jaar.
  • Ook enkele dammen hebben een enorm voordeel. De opslag capaciteit is 1/8 van de dagproductie om voor een getijde dam een baseload te maken. Voor zon is dat 33% van de jaarproductie en voor wind 14 - 18% van de jaarproductie.

Opslagcapaciteit en kosten voor baseload van duurzame stroomproductie


Kosten voor Li-ion batterij systemen € 100/kWh (wensscenario 2030). Capex gebaseerd op 4,5% disconto en afschrijvingstermijn. Afschrijving voor windturbines, en zonneweides 29 jaar, voor DTP 60 jaar.

Schermafbeelding 2019-09-08 om 09.58.25

Zon en wind zijn onvoorspelbaar. Fossiele centrales dienen daardoor altijd voor back-up stand-by te staan. Tidal dammen hebben wel de potentie een basisvermogen te leveren, mits uitgevoerd als twin-dam systeem of met een betaalbaar opslagsysteem. De meerkosten voor een enkele dam, met Li-ion als baseload voorziening, zijn beperkt.

Positieve gevolgen voor de congestiekosten in Nederland in de energietransitie door toepassen van getijde dammen


TenneT heeft voor het aansluiten van windmolens op zee € 42 miljard begroot. De eerste hub werd begin sept 2019 opgeleverd voor 7 miljard. Omgerekend kost die aansluiting 9 cent per kWh extra. Dat hebben we nog geen baseload. Dammen met baseload voorziening produceren een continue vermogen, waardoor kolencentrales definitief afgeschakeld kunnen worden.

Het af te voeren maximale vermogen voor dammen met opslagfaciliteit bedraagt 33% van dat van windmolens. Bovendien is de afvoer geconcentreerd en de aansluitkosten zullen daardoor 70 tot 80% lager zijn.

Ook op land zullen de aanpassingskosten veel lager zijn. Het vermogensaanbod van fossiele centrales kan immers ingeruild worden voor een continue aanbod uit de getijde dammen. In het vigerende beleid is voor de aanpassing op land is € 40 miljard begroot voor zonneparken en windparken om 70% van de stroom te vergroenen. Met getijde dammen zullen die kosten lager zijn.

Wij verwachten dat Tennet en de netwerkwerk bedrijven in plaats van € 82 miljard, samen de helft van deze kosten kunnen besparen als wij in Nederland in getijde dammen investeren en de grootschalige uitrol voor stroomproductie van zon en wind gaan beperken.

Zonder opslag faciliteiten kunnen windmolens en zonneparken de kolencentrales niet vervangen. Dammen kunnen dat wel. In Europa wordt er veel geld geïnvesteerd om de congestieproblemen als gevolg van zon- en windenergie te compenseren. Dat gebeurt met Blockchain systemen, verbindingen met valmeren in Noorwegen, het verknopen van Europese netwerken om windstille gebieden te bevrijden met gebieden met meer wind. Maar al deze maatregelen leveren dan nog steeds geen betrouwbare baseload die de kolencentrales kunnen vervangen. Al deze kostbare ingrepen kunnen grotendeels achterwege blijven als we met getijde dammen gaan werken.

We kunnen concluderen dat met de besparing van de kosten van Tennet en de netwerkbedrijven, circa 50% van de kosten hebben vrijgemaakt om Nederland voor 70 miljard kWh van een baseload te voorzien met getijde dammen.
Elke windmolen en elk zonnepark introduceert congestiekosten, die de elektriciteitskosten voor het land duurder maken. Dammen doen dat niet omdat deze een baseload leveren.

Opmerking:
In bovenstaande tabel is opslag uitgevoerd met Li-ion batterijen. Daarmee worden zon en windstroom onbetaalbaar als we een baseload willen hebben. De waterstofroute is eveneens onbetaalbaar, omdat de electrolyzers uitgelegd moeten worden op het piekvermogen van de installaties. De molenprijs verhoogt daarmee met 75% tot 80%. Door van de geproduceerde waterstof weer stroom te maken verliezen we 30 - 40% van de energie in brandstofcellen. Per saldo houden we met de waterstof route 33 % - 40% over van de primaire stroom uit de windmolens. De primaire windmolen stroom wordt daarmee circa 3 x duurder en daarbij komen nog de kosten van het proces van stroom -> waterstof -> opslag waterstof -> stroom. Het is beter die waterstof aan te wenden voor de transportsector.

Vermogen van dammen in zee

Onderstaande vermogens zijn bepaald met een geavanceerd hydrologisch rekenmodel in opdracht door - en samen met Humsterland Energie.

De uitkomsten zijn conservatief. Voor het ontwerp van dammen in zee moeten nog optimalisatie-slagen worden gemaakt. Humsterland Energie verwacht daarom dat de te realiseren vermogens en opbrengsten nog een stuk gunstiger kunnen zijn.

Schermafbeelding 2019-08-09 om 19.18.57

Voor het bepalen van de opbrengst mag worden uitgegaan van 3.200 vollasturen. Dus één dam van 50 km levert bij een stroomsnelheid Vmax van 1,05 m/sec 15,5 TWh per jaar op. Een twin-dam brengt op: 31 TWh. Een TWh = 1 miljard kWh;- Nederland verbruikt per jaar 120 miljard kWh.

Bij de berekeningen is voorts uitgegaan van
Soortelijke massa van het water :     𝜌𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟=1023kg/m3
Diepte van het water bij de dam :    Z=30m
Effectieve fractie van verval :     a=2/3
Installatie rendement :     𝜂=80%
Openingspercentage :     b=14%
Verlies coëfficiënt :     ko=5,5
Golfperiode :     Tm=12,421 uur

Walvisstaarten aan het einde van de dammen


Door de dammen met walvisstaarten te optimaliseren wordt de ingevangen hoeveelheid water groter. Afhankelijk van de lengte van de staarten kan de opbrengst met 50% verhoogd worden.


walvis


Kansen voor sea-farming met walvisstaarten:
Aan de binnenzijde van de staarten bevindt zich een luwte-gebied, dat ideaal is voor sea-farming. Er kunnen speciale roosters worden aangebracht die neergelaten en gelift kunnen worden. Er ontstaan daardoor wanden van vele kilometers met rijk voedsel. Hier kunnen ondermeer mosselen en oesters geteeld en geoogst kunnen worden met een omzet van 200 - 300 miljoen Euro.

Dammen tegen de kust versus dammen in open zee



Dammen kust versus zee