Memo
Aan
Hans Overbeek, Peter Beuse (RWS-NH), Peter-Jules van Overloop (TUD) Datum
Kenmerk
Aantal pagina's
8 september 2010
1202044-007-VEB-0003
11
Van
Doorkiesnummer
E-mail
Arnout Bijlsma
+31 (0)15 28 58 424
[email protected]
Onderwerp
Verkenning winning vrije stromingsenergie bij spuisluis IJmuiden
Verkenning winning vrije stromingsenergie bij spuisluis IJmuiden 1 Inleiding RWS dienst Noord-Holland heeft Deltares via WINN verzocht om een expert oordeel te geven over het rendement wanneer wordt geprobeerd om via turbines de vrije stromingsenergie bij de spuisluizen van IJmuiden te winnen. Bij aanvang van het onderzoek is telefonisch overlegd over o.a. verwachtingen en beschikbare informatie met Hans Overbeek, die het onderzoek begeleidde namens RWS dienst NoordHolland (RWS-NH), en met Peter Beuse (RWS-NH, adviseur/expert waterhuishouding), en Peter-Jules van Overloop (BOS spui/gemaal IJmuiden), ondermeer vanwege de relatie met het gedrag van het watersysteem van het Noordzeekanaal als geheel. Al eerder is de rendementsvraag opgeroepen. Recent komt het onderwerp aan bod in de studie Potentie duurzame energie bij kunstwerken opgesteld door Deltares in samenwerking met HKV en Royal Haskoning, zie De Jong (2009). Voor het gemak zijn de meest relevante delen van tekst uit dit rapport weergegeven in Appendix A. In de studie worden de spuisluizen van IJmuiden als technisch potentiële mogelijkheid voor waterkracht aangemerkt en voorgesteld daar (visvriendelijke) molens toe te passen. Bij realisatie door 7 Tocardo molens van het type T50 (Eén in/bij elke spuikoker) schat men het totale vermogen op ca. 0.35 MW. Tenminste een deel van het water zal door de vertragende werking van de molens niet meer normaal gespuid kunnen worden, maar door het gemaal moet worden geloosd. Door rendementsverliezen kost dit meer energie dan het eerder opleverde. Daarom merkt De Jong (2009) op dat het plaatsen van molens op deze plaats waarschijnlijk minder interessant is, maar dat hier toch preciezer naar gekeken zal moeten worden alvorens te besluiten hier geen molens te plaatsen. Ook de stroomsnelheden die gehaald worden in de spuigangen en hoe vaak de spuisluis gebruikt wordt zijn eveneens van belang. Ook bleek uit financieel-economische overwegingen (zie Appendix A) dat zonder betere subsidie regelingen een dergelijk voorstel in feite al niet haalbaar is.
Datum
Ons kenmerk
Pagina
8 september 2010
1202044-007-VEB-0003
2/11
Uitgaande van het voorstel in De Jong (2009), kan voor de plaatsing van de Tocardo molens bij de spuisluis (zie Figuur 1) op basis van stroomrichting en de plaats van de ophangconstructie ten opzichte van de rotor gedacht worden aan de uitstroomopening aan de zeezijde. Verwacht wordt dat ook plaatsing in de instroomopening aan de kanaalzijde mogelijk is, met als voordeel een volledig zoete en iets meer beschermde omgeving. Gemakshalve maken we hier in deze beoordeling daar geen verschil tussen, en denken we de molens in de keeldoorsnedes van de spuikokers. Conform de suggestie in De Jong (2009) kijken we naar de stroomsnelheden die gehaald worden in de spuigangen en hoe vaak de spuisluis wordt gebruikt. Dit komt neer op het opstellen van een nadere schatting van de vollasturen, en de gevolgen daar van voor de opbrengsten en kosten, zie Par. 2. Aanvullend analyseren we de vermindering van de spuicapaciteit. Voor de situatie dat dit zou leiden tot extra inzet van het gemaal, wordt inzicht gegeven in de verhouding tussen energieopbrengst van de molens en het extra energieverbruik van het gemaal, zie Par. 3. In Par. 4 volgt een korte discussie, en worden enkele ideeën voor verder onderzoek in overweging gegeven. Tenslotte worden de conclusies en aanbevelingen gegeven in Par. 5.
2 Schatting vollasturen De waterbalans van het Noordzeekanaal voor 2007 (bron: Peter-Jules van Overloop) geeft inzicht in welke volumes water per dag zijn geloosd via de spuisluis en via het gemaal. Alhoewel deze informatie vrij globaal is, kan zij toch worden gebruikt om een meer representatieve schatting te maken van het aantal vollasturen1, dan het maximum subsidieerbare aantal van 3800 uren aangehouden in De Jong (2009). Op basis van de productspecificatie van Tocardo voor de molen van het type T50 (zie http://www.tocardo.com) volgt dat het nominale vermogen van 50 kW bereikt wordt bij een stroomsnelheid van 3.4 m/s. Het bijbehorende debiet (het vollast debiet) voor de spuisluis is dan Qv = 7 · 28.32 · 3.4 = 674 m3/s, voor 7 spuikokers (totaal 7 molens), met keeldoorsnede Ak = 28.32 m2 (breedte · keelhoogte = 5.9 m · 4.8 m), en stroomsnelheid 3.4 m/s. Door de uit de waterbalans afgeleide daggemiddelde debieten van de spuisluis te delen door dit zogenaamde vollast debiet, wordt op dagbasis een indicatie gegeven van het percentage deellast/vollast. Dit is een overschatting, omdat de vermogenscurve een paraboolvormig verloop heeft tot 3.5 m/s (zie productspecificatie), waarvoor in deze benadering in feite een gunstiger lineair verloop is verondersteld. Uit de sommatie van de dagelijkse percentages deellast/vollast volgt voor 2007 een totaal van 27.95 vollastdagen, of 670 vollasturen. Dit is aanzienlijk minder dan het in De Jong (2009) aangehouden aantal van 3800 vollasturen (namelijk slechts 17.6 % daarvan). De jaarlijkse inkomsten uit energieverkoop gedurende 8 jaar wordt daarmee navenant minder: Voor het voorbeeld van de 0.1 MW installatie (2 molens type T50) uit Appendix A worden de inkomsten: 670 · 0.1 · 1000 · 0.125 = 8.4 k€ (Appendix A: 47.5 k€). Betrekken we dit op de beschouwde 7 molens dan volgt: 1
Onder vollasturen wordt verstaan de som van het aantal draaiuren vermenigvuldigd met het percentage deellast/vollast.
Datum
Ons kenmerk
Pagina
8 september 2010
1202044-007-VEB-0003
3/11
de jaarlijkse inkomsten uit energieverkoop zijn 7 / 2 · 8.4 k€ = 29.4 k€, jaarlijks benodigd voor afschrijving (8 jaar) en beheer en onderhoud is 7 / 2 · 64 k€ = 224 k€. Dit resulteert in een geschat jaarlijks verlies van ca. 195 k€ voor een installatie met 7 molens (afgezien van renteverliezen, inflatie, belastingen etc, maar ook afgezien van de EIAregeling2). Ook in Appendix A was al sprake van een verlies (omgerekend naar 7 molens, 58 k€ per jaar), maar door het lage aantal vollasturen wordt het financiële beeld zeer ongunstig. Mogelijk dat door een langere afschrijvingstermijn (gezien lage aantal vollasturen) en een betere subsidie regeling het beeld nog iets kan worden genuanceerd. In bovenstaande berekening is er van uitgegaan dat al het spuidebiet gebruikt kan worden voor energie opwekking. In feite gaat de energieopwekking gepaard met een verlies aan spuicapaciteit. Alleen als het gemaal niet hoeft bij te springen, en er sprake is van uitgesteld spuien, kan er netto energie worden opgewekt. De waterbalans biedt ook de mogelijkheid om globaal het effect hiervan op de vollasturen schatten. De meest eenvoudige mannier is om percentage deellast/vollast (gebaseerd op het debiet van de spuisluis) alleen mee te tellen op dagen dat het daggemiddelde debiet van het gemaal klein of nul is. Globaal zou dit resulteren in een reductie van de vollasturen met 50%. De jaarlijkse inkomsten uit energie verkoop zouden dan nog eens halveren. De conclusie is dat voor de onderzochte configuratie de inkomsten uit energieverkoop niet in verhouding staan tot de jaarlijkse kosten voor afschrijving en beheer en onderhoud. NB. Om over de volledige spuicapaciteit te kunnen beschikken in perioden met grote afvoer, zouden de molens (geautomatiseerd) uit de spuikoker gehaald moeten kunnen worden. Dit stelt hoge (kosten verhogende) eisen aan de ophangconstructie en de bediening daarvan.
3 Schatting effect op spuicapaciteit Het effect van de molens op de spuicapaciteit kan op basis van de krachtenbalans voor de molen worden vertaald in de verlaging van de verliescoëfficiënt in de afvoerformule. De krachtenbalans van een molen in de spuikoker luidt als volgt: g Ht Ak – D = 0 met de dichtheid van water, g de versnelling van de zwaartekracht, Ht het (druk) verval gerelateerd aan de molen, en keeldoorsnede Ak. D is de kracht die de molen op de stroming uitoefent: D = Cd At ½
v2
Met Cd de weerstandscoëfficiënt van de molen, gelijk aan 0.8 (geldt voor interval 0.9 – 3.5 m/s, daar buiten lager), At het oppervlak bestreken door de rotor (6.2 m 2), en v de stroomsnelheid in
2
Energie-investeringsaftrek (EIA) regeling SenterNovem; SenterNovem is sinds begin 2010 onderdeel van Agentschap NL.
Datum
Ons kenmerk
Pagina
8 september 2010
1202044-007-VEB-0003
4/11
de keeldoorsnede (3.4 m/s bij nominale werking). De weerstand van de uithouder is hierbij voor het gemak verwaarloosd. Uit het bovenstaande volgt voor de nominale condities dat: Ht = D / ( g Ak) = (0.8 · 6.2 · 0.5 · 1000 · 3.42) / (1000 · 9.8 · 28.32) = 0.10 m Dat wil zeggen dat onder nominale condities het (druk) verval ten gevolge van de molen 0.1 m is. Zonder molen, zou bij dezelfde stoomsnelheden het debiet door de spui gelijk aan 28.32 · 3.4 = 96 m3/s zijn, of 674 m3/s voor de 7 spuikokers samen. Uitgaande van een verliescoëfficiënt van 1 voor de bestaande spuikokers, levert de afvoerformule Q = Ak (2 g H) het daar bij behorende verval op: H = v2 / (2 g) = 3.42 / (2 · 9.8) = 0.59 m Door te stellen dat Q’ = ’ Ak (2 g H) = Ak (2 g ( H - Ht)), met Q’ het debiet inclusief het effect van de molen, en ’ de verliescoëfficiënt van spuikoker met molen, volgt dat: ’=
(( H - Ht) / H) = 1.0 ·
((0.59 – 0.10) / 0.59) = 0.91
Het verlies aan spuicapaciteit Q is dan: Q = Q – Q’ = (1 – 0.91) · 674 = 61 m 3/s De elektrische energie die het kost om dit debiet door het gemaal extra te laten verpompen kan m.b.v. pompkarakteristieken onder aanname van minimum opvoerhoogte worden geschat. Van Weissenbruch (2005) bevat de pompkarakteristieken voor pomp nummer 2 van het gemaal IJmuiden. Uitgaande van de Q-h curve en de P-h curve volgt dat voor een minimale opvoerhoogte van 0.1 m een debiet van ca. 45 m 3/s kan worden gerealiseerd met een vermogen van ca. 550 kW, zie ook Figure 3. Om het extra debiet van 61 m3/s met het gemaal naar buiten te pompen, zou minimaal 61 / 45 · 550 = 746 kW kosten. Dit is ruim 2 maal meer dan de 7 · 50 = 350 kW die eerder zou zijn opgewekt, uitgaande van optimale condities. Dit bevestigd nog eens duidelijk dat al het water dat door de vertragende werking van de molens niet op normale wijze gespuid kan worden maar gepompt moet worden, zeer contraproductief is in energetisch opzicht. Hieruit wordt ook duidelijk dat de aanleg van een eventuele extra spuikoker eerder gemotiveerd zal worden door het reduceren van pompuren van het gemaal, dan door energieopwekking door molens. Echter, omdat pompen op zich een vrij efficiënte methode is, zullen ook de jaarlijkse de kostenbesparingen op pompen vermoedelijk niet in verhouding staan tot de investering die nodig is voor een extra spuikoker.
Datum
Ons kenmerk
Pagina
8 september 2010
1202044-007-VEB-0003
5/11
4 Discussie In de bovenstaande schattingen zijn de molens gemakshalve in de keeldoorsnedes geplaatst. De conclusie zal echter niet veel anders zijn bij plaatsing in de in- of uitstroomopeningen. Plaatsing van de molens voor of achter de sluis, buiten de spuikokers, verandert aan het principe niets. Het zal resulteren in een geringer verlies aan spuicapaciteit, maar ook in een geringere energie opbrengst. Bovendien opereren de molens dan in een ongunstiger, lagere bereik aan stroomsnelheden. De Tocardo T50 is in De Jong (2009) genoemd als concreet voorstel voor een visvriendelijke molen die bij de spuisluis IJmuiden geplaatst zou kunnen worden. Al hoewel de bovenstaande overwegingen zijn gebaseerd op deze machine, gaan we er van uit dat overwegingen voor andere machines tot vergelijkbare conclusies zullen leiden. Hier onder besteden we nog aandacht aan enkele ideeën die bij de uitvoering van deze korte studie op kwamen.
Aanvullende ideeën Een alternatief idee zou kunnen zijn om energie op te wekken door de pompen (zie Figure 2) in te zetten als turbine, als het ware te spuien door het gemaal heen. Al hoewel het gemaal niet is geoptimaliseerd voor turbinebedrijf, is de vormgeving is redelijk gestroomlijnd. De terugslagkleppen zullen wel voor een fors energieverlies zorgen. Ook de speciale en omvangrijke elektrische installatie is niet ontworpen op turbineren. Alleen al de daarvoor benodigde investeringen zijn vermoedelijk aanzienlijk. Als energiewinning is te combineren met andere belangen, bijvoorbeeld als er in de toekomst behoefte is aan extra spuicapaciteit (ev. in combinatie met reductie van pompuren, zie Par. 3), kunnen de afwegingen gunstiger uitvallen. Dan zou behalve naar bovenstaande optie, ook gekeken kunnen worden of de bouw van nieuwe units met geleide stroomturbines zinvol en efficiënt is. Deze geleide stroomturbines zouden kunnen turbineren wanneer dat mogelijk is, en pompen wanneer dat nodig is. Voor zover deze ideeën nog niet eerder zijn onderzocht kan het, ondanks de genoemde bezwaren, mogelijk toch de moeite waard zijn ze verder te onderzoeken.
Nadere analyses Voor de spuisluis en het gemaal in IJmuiden is een BOS (Beslissing Ondersteunend Systeen) beschikbaar, zie Van Overloop & Beuse (2010), dat voor het waterbeheer adviezen geeft voor de inzet van spuisluizen en pompen over de komende 24 uur en de verwachte effecten op de waterstanden in het Noordzeekanaal. Voorstelbaar is dat met het BOS model hindcast studies zijn uit te voeren over een representatief jaar, waarin de gevolgen voor het energieverbruik van het gemaal van de aanwezigheid van molens in de spuisluis, en eventuele extra spuikoker(s), extra pompen of andere nieuwe voorzieningen zijn te kwantificeren. Voor de weergave van molens in de spuikokers zouden dan bijv. in het model de afvoercoëfficiënten van de spuisluis moeten worden aangepast. In het kader van deze expert beoordeling was dit niet mogelijk.
Datum
Ons kenmerk
Pagina
8 september 2010
1202044-007-VEB-0003
6/11
5 Conclusies en aanbevelingen In vervolg op de analyses in de studie van De Jong (2009) is in dit document de inzet van 7 Tocardo molens type T50 in de spuisluis van IJmuiden nader geanalyseerd. Uit een analyse van de dagelijkse spuidebieten van 2007 bleek dat in de praktijk het werkelijke aantal vollasturen vermoedelijk aanzienlijk lager ligt dan waar De Jong op voorhand van was uitgegaan. Als er bovendien rekening gehouden wordt met de voorwaarde dat uitgesteld spuien niet mag leiden tot extra pompen door het gemaal (door molens tijdelijk te verwijderen), dan zijn de jaarlijkse inkomsten uit energieverkoop haast verwaarloosbaar ten opzichte van de jaarlijkse kosten aan afschrijving en investering. Uit een analyse van de effecten van de molens op de spuicapaciteit blijkt dat de plaatsing van de molens in de spuikoker leidt tot een capaciteitsverlies van ca. 9%. Het verpompen van water ten gevolge van de verloren spuicapaciteit zou naar schatting meer dan 2-maal zoveel energie kosten dan aanvankelijk zou zijn opgewekt. De eindconclusie is dat het onder de huidige condities niet nuttig is om via turbines vrije stromingsenergie te winnen bij de spuisluizen van IJmuiden. Wanneer energiewinning is te combineren met andere belangen zoals extra spuicapaciteit en ev. de reductie van pompuren, is het mogelijk zinvol andere oplossingen te onderzoeken. Mogelijke ideeën hier voor zijn het op wekken van energie door de (bestaande) pompen te gebruiken als turbine, of door de bouw van geleide stroomturbines, die zijn ontworpen om te turbineren en te pompen. Hindcast studies met het BOS model voor een representatief jaar zouden dergelijke studies kunnen ondersteunen.
Literatuur De Jong, R, 2009. Potentiële duurzame energie bij kunstwerken. Deltares, Rapport 1201093000-VEB-0010. November 2010. In samenwerking met Royal Haskoning (T. Van Den Noortgaete) en HKV (N. Slootjes). In opdracht van RWS WINN Energie uit water. Jongeling, T.H.G., 1997. Renovatie spuisluis IJmuiden. Beoordeling hydraulisch ontwerp schuiven. Waterloopkundig laboratorium, Rapport Q2172. Mei 1997. Van Overloop, P.J. & P.H. Beuse, 2010. Grotere pompen voor een energiezuiniger waterbeheer. H2O. 43 (9), 7 mei 2010. Van Weissenbruch, R.D. 2005. Gemaal IJmuiden krijgt module voor slim energiegebruik. Land + Water nr. 4, april 2005.
Datum
Ons kenmerk
Pagina
8 september 2010
1202044-007-VEB-0003
8/11
Figuren
Figure 1 Langsdoorsnede spuikoker IJmuiden (Jongeling, 1997)
Figure 2 Foto van de langsdoorsnede van een pompturbine van het gemaal
Datum
Ons kenmerk
Pagina
8 september 2010
1202044-007-VEB-0003
9/11
Figure 3 Pompkarakteristiek pomp 2 gemaal IJmuiden (Van Weissenbruch, 2005)
Datum
Ons kenmerk
Pagina
8 september 2010
1202044-007-VEB-0003
10/11
Appendix A Rapportage over IJmuiden spuisluis in Potentie duurzame energie bij kunstwerken, zie De Jong (2009). Deze studie is opgesteld door Deltares in samenwerking met HKV en Royal Haskoning. In hoofdstuk 5 worden concrete voorstellen gedaan voor mogelijke geschikte nieuwe locaties en de daarbij toe te passen machines. Onderstaande tekst geeft de relevante informatie gerelateerd aan de spuisluis van IJmuiden. 5.1.1. Stuwen, spuisluizen, doorvoersluizen, stormvloedkeringen ….. ….. IJmuiden spuisluis De IJmuiden spuisluis kan voorzien worden van molens. Hierbij wordt opgemerkt dat het water van het Noordzeekanaal naar zee moet en daartoe ook het gemaal regelmatig wordt ingezet. Alles wat door vertragende werking niet op normale wijze gespuid wordt en als gevolg daarvan meer gepompt moet worden is contraproductief. Het plaatsen van molens is daardoor op deze plaats waarschijnlijk minder interessant. Toch zal hier preciezer naar gekeken moeten worden alvorens te besluiten hier geen molens te plaatsen. Ook de stroomsnelheden die gehaald worden in de spuigangen en hoe vaak de spuisluis gebruikt wordt zijn eveneens van belang. Voor deze locatie is geschat dat 7 Tocardomolens geïnstalleerd kunnen worden. Totale vermogen 0,35 MW. De SDE regeling voor lage vervallen zal van kracht zijn: gegarandeerde opbrengst 0,125 €/kWh. ….. ….. 5.3 Financiële implicaties ….. ….. Een 0.1 MW installatie Het betreft als voorbeeld een installatie van 2 Tocardo-molens (zie paragraaf 3.2 en Annex 1, in De Jong, 2009) Kosten installatie 350 k€ (inclusief montageframes). Na maximaal 8 jaar zijn de machines afgeschreven. Jaarlijks beheer en onderhoud, kosten voor netaansluiting 20 k€. Jaarlijkse inkomsten uit energieverkoop gedurende 8 jaar en met arbitraire veronderstelling dat 3800 vollasturen haalbaar is: 3800*0,1*1000*0,125 = 47,5 k€. Hiervan is de jaarlijkse SDE-subsidie 31 k€. Jaarlijks benodigd voor afschrijving (8 jaar) en beheer en onderhoud 64 k€. Als een afschrijfperiode van 8 jaar wordt gehanteerd levert dat in deze berekening (afgezien van renteverliezen, inflatie, belastingen etc, maar ook afgezien van de EIA-regeling) een verlies voor de eigenaar (van 16.5 k€/jaar). De machines moeten veel meer uren draaien waarvoor geen subsidie beschikbaar is (of een duidelijk langer afschrijftermijn hebben) wil een
Datum
Ons kenmerk
Pagina
8 september 2010
1202044-007-VEB-0003
11/11
‘brake even’ worden gehaald. Zonder betere subsidieregeling lijkt een dergelijke installatie niet zomaar haalbaar. ….. …..
