W E R K D O C U M E N T
ENERGIE-PRODUKTIE IN DE MARKERWAARD door
ir. W. Boxsem
1981
1 45
->
- 255 Abo
oktober
'1
.
,
M I N I S T E R I E V A N V E R K E E R E N W A T E R S T A A T ) I E N S T V O O R D E I J S S E L M E E R P O L D E R S S M E D I N G H U I S - L E L Y S T A D
7111
INHOUD 1.
INLEIDING
2. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.
ZONNE-ENERGIE Algemeen Energieproduktie via landbouw Energieproduktie via bosbouw Opslag van zonne-energie Omzetting processen
3. 3.1. 3.2. 3.3.
WINDENERGIE Algemeen ~nergieproduktievia windmolens Opslag van windenergie
4.
SAMENVATTING
Bijlagen I t/m 3
1.
INLEIDING
In het Markewaardgebied komen een aantal energiebronnen voor die stromingsenergie leveren. De belangrijkste bronnen zijn zonne-energie - indirect via de vemaming van de atmosfeer en oceanen door de uitgestraalde zonne-energie - de windenergie. Daarnaast kan als mogelijke energiebron nog de geothemische energie worden genoemd (figuur I).
en
lithium
kernfurie
.
.
Figuur I . Overzicht van belangrijke energie-bronnen en hun samenhang
..
~ i b u u 2. r Markerwaard volgens "Verkenningen" variant
..
-
.
..
mrrdiik M a t k m u r d
30D
.
.
I
. . ' .
h t a a n d e oev.ruarbinding
mogslqks urbnlding Alrnara
mop.liik* twkornstigm o*ven.rbinding
stsdaliik p?bisd
.
.
. ..,.
9
. ,
.
,
.
.
c
In de hierna volgende paragrafen zal nader worden ingegaan op de mogelijkheden van zonne-energie en windenergie in een ingepolderde Markerwaard (f iguur 2). De Markerwaard met een oppervlakte van ca. 40.000 ha kan worden ingericht als landbouwpolder met als doelstelling maximale energieproduktie, maar ook als bosbouwpolder met dezelfde doelstelling. ~nafhankelijkvan de inrichting levert de wind altijd windenergie op, die met windmolens kan worden opgevangen. Voor alle drie de varianten - zonne-energie via landbouw, zonne-energie via bosbouw en windenergie via windmolens - zal voor een ingepolderde Markerwaard worden onderzocht hoeveel energie jaarlijks wordt geproduceerd in ha ha en hoeveel energie uiteindelijk wordt benut in voor de mens bruikbare energievormen zoals brandstoffen (ook in de vorm van voedsel), elektriciteit en warmte. In deze studie wordt niet ingegaan op kosten en batenvande energieproduktie in economische zin.
2. ZONNE-ENERGIE 2.1. Algemeen De gemiddelde zonne-instraling in Nederland bed5aag 108 W/ g2 (Ruiterl Schurink, 1979). Dit komt overeen met ca. 34x10 G J / ~ ~ /(Frantzea, J 1981). Deze jaarlijks invallende hoeveelheid zonne-energie is echter niet gelijkmatig over het jaar verdeeld (tabel l). Tabel 1. Maandsomen van gemiddeld uitgestraalde hoeveelheid zonne-energie in Nederland in GJ/ha voor De Bilt (periode 1930-1960) Haand
energie in GJ/ha januari 71 1 februari 1.307 maar t 2.557 april 3.918 5.097 me i juni 5.329 juli 4.906 augustus 4.265 september 3.032 oktober 1.804 november 830 december 542 totaal 34.298
..
,
.
Van deze jaarlijks invallende hoeveelheid zonne-energie is alleen zonlicht met een golflengte van 0,4-0,7 pm bruikbaar voor het fotosyntheseproces, d.w.2. ca. 50% of we117149 GJ/ha/J.Bij h e t f o t o s y n t h e s e p r o c e s w o r d t met behulp van zonne-energie koolzuur en water door de planten omgezet in koolhydraten en zuurstof en wordt biomassa (chemische energie) gevormd. Op het fotosynthese proces zijn van invloed de plantesoort, het plantbestand, de voorziening van voedingsstoffen, de energie, het koolzuur, het water en de temperatuur (Moens, 1980). Groege planten kunnen alleen groeien bij een gemiddelde temperatuur van > 10 C. Dit betekent dat alleen de zonne-energie in de zogenaamde vegetatieperiode (gemiddeld lopend van 1 april tot 1 oktober) bruikbaar is. Dit is'77% van de jaarlijks invallende zonne-energie. Van de in de vegetatieperiode invallende zonne-energie wordt nog eens 10% gereflecteerd en 20% geabsorbeerd, zodat uiteindelijk voor het fotosynthese proces in een ingpolderde Markerwaard bruikbaar is: 9291 GJ/ha/J. De buiten de vegetatieperiode invallende zonne-energie is op te vangen via zonne-energie winningsprocessen, die afgeleid zijn van biologische principes. Hierbij moet vooral gedacht worden aan omzettingssystemen van fotochemische aard, d.w.2. fotovoltaisch of f~tokatal~tisch (N.RIL.O., studierapport 6, 1980). Dat is voor de Markerwaard echter . . niet nader uitgewerkt. '
2.2. Energieproduktie via landbouw Door de landbouw worden onder inzet van de produktie factoren arbeid, machines en verbruiksmiddelen landbouwprodukten voortgebracht zoals granen, aardappelen en suikerbieten. Uit berekeningen voor de Markerwaard, ingericht als landbouwpolder (Boxsem,l981) kan worden afgeleid dat het energieverbruik van de ingezette produktiefactoren globaal ge-
.
nomen 10% yitmaakt van de bruto-energie opbrengst van de geteelde landbouwgewassen dit houdt in dat 0,65 + 2,502 van de bruikbare ingestraalde zonne-energie in de netto-energie opbrengst van landbouwgewassen wordt vastgelegd ((tabel 2). Wordt gekeken naar totaal invallende jaarlijkse hoeveelheid zonne-energie dan varieert dit percentage van 0,20 + 0,68%. Tabel 2. Fysieke cpbrengsc en n e t r e energie o p b r e n ~ r rvan enkele ?andbouv~euassen in een i n e e p a l d e r d e Harkervzard Fyrieke O r u p srof o p b r e n ~ s topbrengrc in tlha in t l h a
Ccvns
gra5 rict rarve (kocrel) (5tr0)
aardappelen ruikerbieren
" oos
-
7.0 1.5 52.0 60,O
12.0 12.0 6,O 4.0 13,O 14.0
Energetische vaarde i p) CJ/t ODS
18.5 18.5 18,2 16.7 18.5 18.5
Bruto-energie Netro-energie-opbrengsr opbrcngsr in GJlha in GJ/ha in Z van bruikbare ingesrraalde ranne-enerxie
222 222 109 67 240 259
200 200 98 60 216 233
2.15 2.95 I ,05 0,65 2,32 2.50
oven nroge stof
Het hoogste rendement wordt behaald door de teelt van suikerbieten met 2,50% en aardappelen met 2,322. Beide landbouwprodukten zijn (naast hun gebruik als voedingsmiddelen) met behulp van omzettingsprocessen om te vomen tot een vloeibare brandstof nl. ethanol (zie 2.5). Wanneer de Markerwaard wordt ontgonnen en ingericht zoals is aangegeven in het rapport "Markerwaard, 10 jaar droog", dan bedraagt de energeti- .. 6 sche waarde van de geproduceerde landbouwgewassen ca. 6 x 10 GJ/J. De energetigche waarde van de vrijkomende hoeveelheid stro bedraagt ca. 0,s x 10 GJ/J (Boxsem, 1981). De berekeningen zijn gebaseerd op een normaal bouwplan en een normale vruchtopvolging van de landbouwgewassen zoals die thans ook voorkomen in de Flevopolders. Wordt de Markerwaard alleen voor energie produktie ingericht, dan lijkt de verbouw van riet of tarwe het beste, suikerbieten en aardappelen hebben weliswaar een hogere netto energie opbrengst per ha, maar het daaropvolgende omzettingsproces naar ethanol vergt meer energie dan de uiteindelijke energie opbrengst van ethanol (zie 2.5). Een Markerwaard volledi8 ingericht voor energie produktie via tarwe levert per jaar 6,32 x 10 GJ aan netto-energie op. Energieproduktie via riet levert per jaar 8 x lo6 GJ op. 2.3. ~nergieproduktievia bosbouw De fysieke opbrengst van de bosbouw in de van hout hangt af van de omlooptijd, het plantverband en het produktiedoel. Voor enkele rnogelijkheden is aan de hand van onderzoekingen elders (v.d. ~eiden/l
Trbel 3. Pysieke opbreogst en netto energie opbrengst van enkclc houtsoorren in narkerwaard Ilouts~~rt
Pap. Rap Pop. norstamp Pop. Dorskamp Pop. Dorskamp Salix alba Salix alba
Omloap in jaren
6 6 10 I5 2
3
Produktie doe1
energishout energiehout verelhour verelhout rijrhovr rijshour
Fysieke opbrengst in tlhalJ
26.3 31.6 14.0 11.3 15.6 17.7
Dro6e stof opbrengot in t/ha/J
10.8 13.9 5.6 '4,5 7.8 5.9
Enereetische vrarde in GJIr
.
17.5 17.5 17,5 17,5 18,7 18,7
ecn
ingepolderde
Bruro
tletra energie apbrengrt energic opbrcngsr in in Z van bruikbrrc CJlha CJIhr ingesrraalde ronncenereie .. I89 229 98 79 lb6 I10
,
.
'
170 206 88 7I 131 99
'
1,83 2.21 0,95 0,76 1.41 1,07
Het fotosynthese rendement in de bosbouw loop uiteen van 0,763 -+ 2,21%. Wordt de totale jaarlijkse invallende hoeveelheid zonne energie als basis genomen, dan loopt dit fotosynthese rendement uiteen van 0,21 . + 0,60%. De cijfers voor het energiehout zijn afkomstig van speciaal voor dit doe1 aangelegde proefvelden in Nederland (v.d. MeidenlKolster, 1980). De cijfers voor het rijshout zijn afkomstig van griendbedrijf Y66 (Boxsem, 1981). Het is echter de vraag of het daar gehanteerde oogsten beheerssysteem, als mede de daar gebruikt wilgesoort het meest geschikt zijn bij de doelstelling energie produktie. De totale jaarlijkse netto-energie opbren st via Populus Rap bedraagt in een ingepolderde Markerwaard 8,24 x 10 GJ.
%
2.4. Opslag van zonne-energie Zonne-energie kan op verschillende manieren worden opgeslagen.
- Als chemische energie in de vorm van biomassa in landbouwgewassen en bosbouw produkten, het fotosynthese..rendementbedraagt ca. 2%.
- Als warmte met behulp van zonne collectorenin een zogenaamde werkstof, meestal water. Het rendement bedraagt ca. 50%. - In de vorm van elektriciteit met behulp van zonne-cellen. Deze zijn -
meestal alleen geschikt voor kleinschalige en lokale toepassingen. Het rendement loopt uiteen van 10-15%. Als chemische energie in de vorm van waterstof met behulp van fotochemische reacties (elektrolyse). Naast waterstof wordt ook zuurstof geproduceerd. Waterstof is als brandstof voor motoren rechtstreeks bruikbaar
''
.
2.5. Gmzettingsprocessen De in de landbouwgewassen opgeslagen chemische energie is in de eerste plaats direct bruikbaar in de v o m van Joedsel. De jaarlijkseenergiebehoefte van de mens bedraagt ca. 4,2 GJ. De jaarlijks in de Markerwaard voortgebrachte landbouwgewassen hebben een gezamenlijke energetische waarde van ca. 6 x lo6 GJ. Dit betekent dat jaarlijks ca. 1,4 miljoen mensen van voedsel kunnen worden voorzien met de in de ~arkerwaardgeproduceerde granen, aardappelen en suikerbieten. Daarnaast komt jaarlijks ca. 55.000 ton stro vrij met een energetische . waarde van ca. 0,8 x 106 GJ. Dit stro kan worden opgestookt in verbrandingsinstallaties (rendement ca. 50%). Een goed geisoleerde woning heeft. ca. 40 GJ/J nodig voor ruimte verwanning (Den Boon, 1980). Dit betekent dat ca. 10.000 woningen in hun jaarlijkse warmtebehoefte kunnen voorzien door het opstoken van stro. De chemische energie die is opgeslagen in de biomassa van de landbouwgewassen en de bosbouwprodukten is ook direct bruikbaar door a1 deze
produkten - vnl. granen, gras, riet en hout - te verbranden in stookinstallaties: het rendement van deze stookinstallaties loopt uiteen van 30% tot 75% enigszins afhankelijk van de soort stookinstallaties en de 1980). gebruikte brandstof (De ~oningl~oermans, De chemische energie in de geproduceerde biomassa is ook indirect bruikbaar door de biomassa m.b.v. omzettingsprocessen om te vormen tot vloeibare en gasvormige brandstoffen. De realisatie van dergelijke processen hangt sterk af van: - de kostprijzen vergeleken met de huidige prijzen van de fossiele energiedragers zoals steenkool, aardgas en stookolie. - de te behalen rendementeen (tabel 4). Tabel 4. De netto thermische rendementen in % van enkele omzettingsprocessen voor verschillende gewassen Gewas
suikerbieten aardappelen tame tame3) hout riet4) gras
Verbranden Vergisten Vergassen stoomL' elektri- biogass ethanol stookgas warm citeit 95% water 1) 55 55 -45 35 50 60 60
80 85 85
30 35 35
10 15 -55 25
60 50 60
35
bron: N.R.L.O., De teelt van energiegewassen in Nederland 1) betreft kleine installaties 2) betreft grootschalige installaties 3) stro benut bij ondervuring in destillatieproces 4) verbranding van hooi. Onder bepaalde omstandigheden is de omzetting van suikerriet cq suikerbieten in ethanol economisch realiseerbeer. Het grote voorbeeld in dit verband is Brazilig, waar een uitgebreid alcohol programma (proalcohol) wordt uitgevoerd met steun van de overheid (Zijl,1980/ Schornagel,1981/ Autokampioen,1981). Aan de andere kant vergt het omzettingsproces vaak meer energie dan de energetische waarde van de geproduceerde brandstof (Rabbinge, 19801 Bruin, 1980/NRLO,' 1981) (bijlage I) .
3 . 1 . Algemeen De i n de a t m o s f e e r aanwezige k i n e t i s c h e e n e r g i e i n d i v o m van wind i s e e n o p g e s l a g e n vorm v a n zonne-energie ( f i g u u r 1 ) . 93 t o t a a l i n wind omg e z e t t e zonne-energie b e d r a a g t o v e r d e g e h e l e v e r e l d genoren c a . 2 2 . On w i n d e n e r g i e om t e z e t t e n i n a n d e r e e n e r g i e i 7 0 m e n v o r d t g e b r u i k gemaakt van windmolens (windturbines/windgeneratoren). Bepalend voor h e t vermogen van d e wind i s d e o,eniddelde w i n d s n e l h e i d V en h e t doorstroomde o p p e r v l a k A . I n Xederland l o o p t d e gemiddelde winds n e l h e i d u i t e e n van 7 m/s op I0 n h o o g t e a a n d e k u s t c o t c a ; 3 m f s op 10 m h o o g t e i n h e t o o s t e n van h e t l a n d ( f i g u u r 3 ) . Op iO e h o o g t e l o o p t d e z e gemiddelde w i n d s n e l h e i d u i t e e n v a n 8 3 1 s t o t s a . 5 3 1 s ( f i g u u r 5).
3.2.
\
E n e r g i e p r o d u k t i e v i a vind=!olens
De j a a r l i j k s e e n e r g i e o p b r e n g s t v a z is2 v i n d a o l e n h a c g t af van: 3. De h e r r s e n d e v i n d f r e q u e n t i e . I n S s d e r l a n d i s a l l e z n c a n n e t v e e r s t a t i o n S c h i p h o l o v e r e e n l a n g e r e i k s van j a r e n bekend v a t d e gemiddelde w i n d s n e l h e d e n z i j n , h o e vaak d i e o v e r h e t j a a r v e r s p r e i d voorkonen en u i t w e l k e r i c h t i n g e n d i e komen (Oenraw/i;ieringa,1981). De gegevens van S c h i p h o l kunnen r e s p r e s e n t a t i e f *.orden g e a c h t v o o r d e !Larken-aard. Een b e e l d v a n d e v i n d f r e q u m t i e v e r d e l i n g i s t e vinden i n b i j lage 2 . b. d e vindnolenkarakteristiek. 3 e p a l s c d h i e r b i j z i j n : -1: d e w i n d s n e l h e i d , v a a r j i j de windnolen s t r o o m b e e i n t t e begin l-e v e- r e n -V nax d e w i n d s n e l h e i d , v a a r b i j d e v i n d n o l e n z i j n na:cimum v e r mogen ( h e t zogenaande ontwerpvernogen) l e v e r t -T: de v i n d s n e l h e i d , w a a r b i j d e windmolen s t i l w o r d t g e z e t i n stop verband n e t n o g e l i j k e b e s c h a d i g i n g e n .
-
I n h e t e ~ a l u a t i e r a ~ p o van r t h e t Nationaal Onderzoeksprogramma Windenerg i e 1976-1931 (BEOP, 1981) wordt devermogens k a r a k t e r i s t i e k g e g e v e n v a n e e n s t a n d a a r d w i n d m o l e n m e t e e n d i a m e t e r v a n 5 0 m e n eennominaal vermogenvan 1 Mw. Een reeds i n de p r a k t i j k beproefde windmolen met een r o t o r d i a m e t e r van ca. 50 m i s de beroemde TVIND molen u i t Denemarken. De ashoogte i s 50 m en de r o t o r d i a m e t e r 54 m. De maximale windsnelheid w a a r b i j de molen z i j n ontwerpvermogen (1.724 KW) l e v e r t bedraagt 14 m/sec. Met deze s t a n daard windmolen a l s b a s i s z i j n d e v e r d e r e b e r e k e n i n g e n u i t g e v o e r d ( f i g u u r 5 ) .
rA.
ti-.-.; x T ;
W"
p
rjrlrullril
-
&
V --CV
.
V
119
-
w
h
-
d
Figuur 5. Windfrequentie-verdeling vermenigvuldigd met windmolenkarakt e r i s t i e k l e v e r t de energie-opbrengstverdeling a f h a n k e l i j k van de gemiddelde windsnelheid
,
De t o t a l e j a a r l i j k s e n e t t o - e n e r g i e opbrengst van een s t a n d a a r d windmolen bedraagt 2,2 GIdH of we1 7,9x103 GJ/J ( b i j l a g e 2 ) . Een w i n d e n e r g i e c e n t r a l e b e s t a a t u i t een groot a a n t a l windmolens d i e b i j e e n gegroepeerd z i j n . Worden de windmolens i n een vierkantsverband opgesteld n e t een o n d e r l i n g e a f s t a n d van 6,5 D (D = diameter r o t o r ) dan i s de energie-opbrengst maximaal ( W e s t r a t ~ o s s i j n , 1980). U i t onderzoekingen ( B u i l t j e s , 1981 envenneulen, 1981) b l i j k t d a t b i j h e t o p s t e l l e n van windmolens i n zogenaamde windparken rekening moet worden gehouden met de z o g e f f e c t e n (onderlinge beinvloeding van d e moZen). Het parkrendement d a a l t vergeleken met wat maximaal h a a l b a a r is. U i t de berekeningen ( b i j l a g e 2) b l i j k t dan met o p s t e l l e n van 3200windmolens ( h e t maximum a a n t a l ) i n de Markerwaard n i e t z i n v o l i s . Het parkrendement i s dan c a . 30%. Een groepering i n een groot a a n t a l parken op o n d e r l i n g g r o t e a f s t a n d e n i s z i n v o l l e r . Het park rendement kan dan oplopen t o t 80 2 90% per park. De j a a r l i j k s e n e t t o e n e r g i e opbrengst z a l dan ook toenemen. Wanneer 32 parken met i e d e r 50 windmolens worden o p g e r i c h t z a l d e j a a r l i j k s e n e t t o e n e r g i e opbrengst ca. 2500 GWH, overeenkomend met ca. 225 GJ/ha bedragen. 3.3.
Opslag van windenergie
De i n de wind aanwezige k i n e t i s c h e e n e r g i e kan door windmolens (windt u r b i n e s , windgeneratoren) worden opgevangen, waarbij d e windenergie wordtomgezet i n e l e k t r i s c h e energie.Deze e n e r g i e k a n r e c h t s t r e e k s a a n h e t o p e n b a r e e l e k t r i c i t e i t s n e t w o r d e n g e l e v e r d , ( t r a n s p o r t v e r l i e s c a . 5 % ) . maar kanookwordenopgeslagen.Voorde opslagvandegeproduceerde elektrische e n e r g i e s t a a n v e r s c h i l l e n d e m o g e l i j k h e d e n o p e n ( ~ e s t r a / T o s s i j n , 1980): a . i n de vonn van chemische e n e r g i e i n a c c u ' s ; rendement ca. 70%; b. i n de vorm van warmte i n water (Energiespaarbekken:plan Lievense): rendement ca. 70%; c. i n de vorm van warmte i n s t e n e n ; rendement ca. 70%; d. i n de vorm van samengeperste l u c h t i n zoutlagen; rendement ca. 26Z; e. i n v l i e g w i e l e n (verkeerd nog i n experimenteel stadium); f . i n de vorm van w a t e r s t o f ( e l e k t r o l y s e van water i n w a t e r s t o f e n zuurs t o f . De w a t e r s t o f wordt dan opgeslagen i n tanks en kan worden ben u t a l s motorbrandstof, dan we1 voor verwarmingsdoeleinden).
'
4. SAMENVATTING EN CONCLUSIES Vodr een ingepolderde Markewaard is globaal berekend wat de jaarlijkse energie-opbrengst is van de ingestraalde zonne-energie en de aanwezige. windenergie. Voor de zonne-energie is nog onderscheid gemaakt in: een Markewaard ingericht als landbouwpolder of ingericht als bosbouwpolder. Van de 34.298 GJ/ha aan invallende zonne-energie kan 9.291 GJ/ha daadwerkelijk worden benut door de landbouw- en bosbouwgewassen door mid-' del van het fotosynthese-proces. In de landbouw wordt 0,65 -t 2,50% van, de invallende en bruikbare zonne-energie in de landbouwgewassen vastgelegd (tabel 2). Dit komt neer op ca. 150 GJ/ha/jaar aan netto-energieopbrengst, die in de vorm van chemische energie in de gewassen is opgeslagen. In de bosbouw wordt 0,76 -t 2.21% van de invallende en bruikbare zonneenergie in hout vastgelegd (tabel 3). Dit komt neer op ca. 170 GJ/ ha/jaar
,
.
De in de biomassa van de landbouwgewassen aanwezige chemische energie is direct bruikbaar voor de mens in de vorm van voedsel. Bij een landbouwkundige inrichting van de Markewaard, zoa s die ook'in de Flevopolders plaats vindt wordt per jaar ca. 6 x 10 GJ aan energie in de vorm van voedsel geproduceerd. Hiermee kunnen jaarlijks ca. 1,4 miljoen mensen van hun dagelijkse voeding worden voorzien. .
k
,
,
De in de biomassa aanwezige chemische energie kan daarnaast direct worden verbrand in stookinstallatie, waarbij het rendement ca. 50% bedraagt, maar kan ook worden omgezet in andere energie dragers zoals ethanol en biogas. Dergelijke omzettinesprocessen zijn energetisch gezien vaak onvoordelig en economisch gezien vaak nog erg kostbaar. Van de in wind de aanwezige energie kan door een windmolen ca. 10% daadwerkelijk worden geoogst. Een standaard windmolen van ca. 50 p hoog met een rotordiameter van ca., 50 m, heeft een maximum vermogen van.ca. 1 . Deze molen is in staat in een ingepolderde Markewaard ca. 2,2 GHW (= 7,9 x 103 GJ) per jaar aan elektrische energie uit de windenergie te halen. Een windenergiecentrale in een ingepolderdeMarkewaard, bestaande uit 32 windparken van ieder 50 molens, kan per jaar ca. 2.500 GWH . (= g x lo6 GJ) aan netto-energie opleveren. Dit komt neer op ca. 225 GJ/ha/jaar. De opgewekte elektrische energie kan rechtstreeks aan het-openbarenet worden geleverd. Hierbij treden alleen transport verliezen op (maximaal5%). Daarnaast is het mogelijk de opgewekte elektrische energie op te slaan in de vorm van warmte in water (spaarbekkens), steen.en samen geperste lucht maar ook in de vorm van chemische energie in accu's of in de vorm van door middel van elektrolyse geproduceerde waterstof. De jaarlijkse energieproduktie van de Markewaard (40.000 ha) kan derhalve als volgt worden samengevat: al. Markewaard landbouwpolder (voedsel). 6 In het geproduceerde voedsel zit ca. 6x10 GJ aan energie hiennee kunnen jaarlijks 1.4 m'1joen:mensen van voedsel worden voorzien. Daarnaast komt 0,8x10 GJ aan energie vrij in de vorm van stro, dat met een re'ndement van 50% kan worden verbrand.
k
a2. Markerwaard landbouwpolder (energie) De energetischg waarde van de produceerde tarwe (korrel + stro) bedraagt 6,32x10 GJ. Bij verbranding in stookinstallatie me& een rendement van 50% bedraagt de netto energie opbrengst 3,16x10 GJ. b.
Markerwaard bosbouwpolder (energie) 6 Met Populus Rap kan in totaal 6,80x10 GJ aan energie worden geproduceerd. Bij verbranding in stookinstallaties t een rendement van 50% bedraagt de netto energie opbrengst
c. Markerwaard windmolenpolder (energie) Een windenergiecentrale bestaande6uit 32 windmolenparken met 50 windmolens levert netto per jaar 9x10 GJ (of we1 ca. 2500 GWH) aan elektrische energie op. d.
Markerwaard landbouw/bosbouwpolder + windmolenpolder (voedsel + energielenergie) In de Markerwaard is een combinatie mogelijk van voedselproduktie via landbouw en energieproduktie via windmolens. In het voedsel 6 zit ca. 6x10 GJ aan energie, waarmee ca. 1,4 miljoen mensen van voedsel kunnen worden voorzien. Het vrijkomende stro6levert samen met 1600 windmolens in 32 windmolenparken ca. 9,4x10 GJ aan netto energie op in de vorm van warmte (stro verbranding) en elektrische energie.
1.
Anonymus, 1981
Brazilie gaat over op alcdhol ~ u t o kampioen nr. 5.6 en 7.
2.
Aardema, J.W., 1978
Energieproduktie en energieconsumptie in het huidige Nederlandse opgaande produktiebos L.H. Vakgroep ~osbouwtechniekrapport nr. 1
3.
Begl. Cie Voorstudie Wind en energiespaarbekken,$: ) d l
Wind en waterkracht
4.
Bureau Energie Onderzoek Projecten (BEOP) , 1981
Perspectieven voor windenergie in Nederland. Nationaal Onderzoek programma Windenergie 1976-1981 Resultaten en aanbevelineen
5.
Bontius, G.H., 1979
De implicaties van eventuele groocschalige toepassing van windenergie voor de openbare elektriciteitsvoorzienine Energiespectrum 3(4); 98-104
6.
Boon, J . H . den, 1980
Woningverwarming met windmolen en elektrische warmtepomp vrijwel rendabe1;Verwarming en Ventilatig december 1980
7.
Boxsem, W. 1931
Energieproduktie op Griendbedrijf Y 66. Werkdocument R.1J.P. 1981-22 Ab 0
8.
Boxsem, W., 1981
Markerwaard, energieproducent of voedselproducent? Werkdocument R.1J.P.-1981 - 256 A50
9.
Builtjes, P.J.H., 1981
Windaanbod in Nederland Energiespectrum 5 (718): 177-181
10. Diesenforf, M., 1981
Zo lang de wind waait BZta 129, september 1981
11.
Doorn, J.Y., 1979
Iqindenergie, Alle mogelijkheden en beperkingen van windmolens DL4 Brochure nr. 12
12.
Essen, A.A. van/ Smeelen, J.A.J., I979
~uimtelijkeaspecten van grootschalige toepassing van windenergie in Nederland Energiespectrum 3(9); 210-216
13.
Essen, A.A. van, 1981
Windenergie in Nederland; planologische aspecten ~nergiespectrum5(718) ; 189-192
14.
Frantzen, A.J., 1981
K.N.M.I. Maandsommen zonnestraling. Pers. mededeling
15. Gabriel, A., 1981
Energy balance of biomass fuels Span 23(3): 107-108
16. Koning, K. de/ Voermans, J.A.M., 17.
1980
Stro als energiebron. Landbouwmechanisatie 31(6); 583-586.
Krochta, J.M., 1980
Energy analysis for ethanol California Agriculture: 9-11
~eiden,, H.A. v.d./ 'Kolster; H.W., 1979
Houtproduktie bij zeer korte omlopen Populier 16(1) : 3-7.
Meiden, H.A. v.d.1 Kolster, H.W., 1980
Biomass production with poplar. Proceedings International Conference on Biomass "Energy from Biomass", Brighton November, 1980.
Moens, A., 1980
Energiebalans in de landbouw. Bedrijfsontwikkeling 1 l(3) ; 237-241
NRLO, 1980
Basis voor onderzoeksvoorstellen betreffende (industrizle) zonneenergie winningsprocessen afgeleid van biologische principes Studierapport nr. 6
NRLO, 1981
IndustriEle toepassingen van landbouwgrondstoffen Studierapport nr. I 1
NRLO, ?
De teelt van energiegewassen in Neder land Studierapport (in voorbereiding)
Oemraw, B./Wieringa J., 1981
Windgegevens Schiphol 1951-1975 Bijlage techn. rapport nr. 5 K.N.M.I.
Rabbinge, R., 1980
Energiewinning door innovatie-landbouwproduktie. Spil 20; 15-8
Ruiter, J.P./Schurink, F., 1979
Energiebronnen van de toekomst. Een overzicht van alternatieven voor fossiele en nucleaire energiebronnen Kema Arnhem
Schornagel, D., 1981
Alternatieve brandstoffen Auto + motortechniek 41(4):
60-63
Vermeulen, P.E.J., 1981
Invloed van zogeffecten op de plaatskeuze van windturbine. Voordracht op Nationale Windenergie Conferentie 1981, juni 1981 Veldhoven
Versloot, J., 1901
Alternatieve brandstoffen uit biomassa PT Ilerktuip,bouw (36)2: 81-84 Hederlandse ~oedinesmiddelentabel Aanbevolen hoeveelheden energie en voedingsstoffen
Westra, Chr./ Tossijn, H., 1980
Windwerkboek windenergie?
wat is mogelijk met
32.
w i t , C.T.
d e , 1977
33.
1J.P.
34.
Z i j l , P. van, 1981
E n c y c l o p e d i e , 1981
Voedselproduktie I n : 1 . . Technische Encyclo'pedie d e e l 3 pg 394-400 E n e r g i e pg 261-265 Alcohol i n h e t v e r k e e r v o o r e n e r g i e u i t biomassa een g r o t e markt I n t e r m e d i a i r 17(26) : 2-1 1
Bijlage I --Blad I
Omzetting van biomassa in andere energiedragers Biomassa kan op vele maniere worden omgezet in andere energiedragers ( f iguur 1 )
Energie + raffinage
brandstoffen IBiomassa
I Vergassing
Stroom /1 1_1
/-+
Stoom
I
Figuur 1. Systemen voor omzetting van biomassa in andere energiedragers (Bron: NRLO 1981) Lang niet alle omzettingssystemen komen voor alle soorten biomassa in aanmerking. Globaal kan worden gesteld dat droge produkten (tarwe, hout, riet) het meest geschikt zijn voor verbranding, vergassing, pyrolyse en liquefactie (vervloeistoffen). Natte produkten (mest, aardappelen, suikerbieten) zijn het meest geschikt voor vergisting. De rendementen voor de omzettingsprocessen varisren nogal. Met name de omzetting van landbouwgewassen in ethanol vergt vaak meer energie dan het uiteindelijke proces aan energie oplevert (tabel 2).
Bijlage I Blad 2
Tabel 2. Energiebalans voor produktie van ethanol door middel van biomassa Energie in ~J/tonethanol Input -
Mais
Tarwe
Tee1t ~oorbereidingfopslag Destillatie Terugwinning bijprodukten Diversen Eleketriciteit
11-23 3 10 I0
10-21 3 10 12
5 3
Totaal
42-54
AardSuikerappelen bieten
Suikerriet
6-23 3 10 4
7-14 3 10 13
5
5
5
5
3
3
3
3
42-54
31-48
41-48
25-3 1
4-10 3 10
Output E than01 Bijprodokten Totaal Output Input Deze tabel is er.igszins gewij~igden antleend aan een artikel van Krochta uit California Agricillture, juni 1980. Wanneer landbouwkundige afvalprodukten in het destillatieproces worden gebruikt om stoom te produceren blijken de ootputfinput verhoudingen gunstiger te worden: mais 1,8-3,l suikerriet 2,O-4,O
Bijlage 2 Blad 1 Energieproduktie van windenergiecentrale in de llarkerwaard 1 . Bepalend voor vermogen P van de wind is de
emiddelde windsnelheid V in m/s en het doorstroomde oppervlak A in m :
P =
4
2
$ . A . v ~ in Watt ( = J/S)
Hierin is
p
(1) de dichtheid van de lucht ( 1 , 2 5 kg/m3 )
2. Het effectief vermogen Peff dat een windmolen uit de wind kan halen
is afhankelijk van:
- De aerodynamische verliezen, welke worden gekarakteriseerd door de
-
vermogenscosfficisnt Cp, welke op zijn beurt afhangt van de rotorvorm. De gemiddelde waarde van C ligt tussen de 0 , 2 en 0 , 6 . Voor P de berekeningen is gewerkt met 0 , 4 5 . De overbrengingsverliezen, gekarakteriseerd door de coEfficiSnt no. De gemiddelde waarde van no voor een goede overbrenging bedraagt 0,90.
Het rendement van de dynamo (cq generator). De gemiddelde waarde ligt tussen de 0,45 en 0 , 6 5 . Voor de berekeningen is gewerkt met 0,55.
- Het rotoroppervlak van de wieken, gekarakteriseerd door de diamen 2 ter D: A = D L 2
Formule ( I ) wordt nu: Peff = 0 , 1 .D .V
3
Tabel 1 . P,ff voor een windmolen in Watt en GJ/j afhankelijk van windsnelheid V en rotordiameter D V in mls
Diameter D in M 20
Watt 595 630 695 7 ,O 795
6640 8640 11000 13720 16880
80
50
GJ/j 209 272 347 433 532
Watt
GJ/j
Watt
GJ/j
4 1000 54000 68750 85750 105500
1309 1704 2169 2705 3328
I06240 138240 176000 219520 270000
3351 4361 5552 6925 8520
3. De jaarlijkse netto-energie-opbrengst van een windmolen in de Mar-
kerwaard hangt af van: - De heersende windfrequentieverdeling..Een indicatie geeft figuur 1 . - De windmolenkarakteristiek gekenmerkt door: (zie ook figuur 2 ) V - voor Markerwaard 5 m/s beg - voor 14arkerwaard 12,7 m/s 'max - voor 14arkerwaard 20 m/s VstoD - De standaard windmolen voor de berekening heeft de volgende kenmerken : - ashoogte 50 m - 0 rotor 5 0 m - vmax 20 m/s - ontwerpvermogen 1000 kW
70URENFERJeAP
,4 I3
-
7
I I
I
-
Bijlage 2 Blad 2
1
HE ID < !IpX+Y;r,l~w
I
MM
I
I
I I
I
-1
I
I I
I
-
I
'-1 I I
I
-
I
I L-l I I I I
3-
4
2
-
1
I------. I
0
5
15
10
20
25WI-LUWO
Figuur 1 . Windfrequentieverdeling Schiphol periode 1951-1975 Bron: Oemraw 1981, Bijlage KNMI Techn. Rapport 5 Windsnelheid in m/s ~ = 1 0 mH=50m 0,O- 0 , 9 1 , O - 1,9 2,O- 2 , 9 3,O- 3 , 9 4,O- 4 , 9 5,O- 5 , 9 6,0- 6 , 9 7,O- 7 , 9 8,O- 8 , 9 9,O- 9 , 9 10,O-10,9 11,O-11,9 12,O-I2,9 13,O-13,9 14,O-14,9 15,O-15,9 16.0-16,9 17,O-17,9 18,O-18,9 19,O-19,9 20,O-20,9 > 21,O
0,O- 1 , 2 1,3- 2 , s 2,6- 3 , 7 3,8- 5,O 5,l- 6 , 3 6,4- 7 , 6 7,7- 8 , 9 9,O-lo,] 10,2-1 1 , 4 11,5-12,7 12,8-14,O 14-,I-15,3 15,4-16,5 16,6-17,8 17,9-19,l 19,2-20,4 20,5-21,7 21,s-22,9 23,O-24,2 24,3-25,5 25,6-26,8 > 26,9
Uren/ j aar
X
425 525 903 1142 1143 1001 914 7 39 564 416 316 215 144 107 66 37 25 17 13
498 693 10,3 13,O 13,O 11,5 10,4 894 694 498 3,6 2 ~ 4 1,6 192 098 0,4 0,3 O,2 0 ~ 1 091 091 091 100,O
II
5 8 8766
in
"'/s
Bijlage 2 Blad 3
'-
VERMCGEN
9m
-
&w-
4m-
Zoo
I
5
0
w
15
I0
25
WINDSUEWEID V In % Figuur 2. Windmolenkarakteristiek voor een standaard windmolen. ontwerpvermogen 1000 kW rotor 0 50 m, hoogte as 50 m, V 5 m/s, beg 12,7 m/s, Vstop 20 m/s 'ma,
4. De bruto-energie-opbrengst aan elektrische energie voor 6611standaard figuur 2) bedraagt 7885 GJ/J windmolen in de Plarkewaaed (figuur 1 ( 5 2,2 GWH) (tabel 2).
*
Tabel 2. Gemiddelde jaaropbrengst aan bruto (elektrische) energie van 66n standaard windmolen in de Markewaard in kNh resp. GJ Windsnelheid V in m/s op H=50m
Aantal uren per jaar
5,l- 6.3 6,4- 7.6 7,7- 8,9 9,0-10,l 10,2-11.4 11,5-12,7 12,8-14,O 14.1-15,3 15,4-16,5 16,6-17,8 17,9-19,l 19,l-20,4
1143 1001 914 739 564 416 316 215 144 107 66 37
Totaal
Gemiddeld vermogen in kW
25 120 220 385 570 840 1000 1000 1000 1000 1000 1000
Bruto-energie-opbrengst
. in kWh
in GJ
28575 120120 201080 284515 321480 349440 316000 215000 144000 107000 66000 37000 2190210
103 432 724 1024 1157 1258 1138 774 518 385 238 133 7885
Bijlage 2 Blad 4 5 . De netto-energie-opbrengst bedraagt ca. 90' van de bruto energieopbrengst. Ca. I O Z moet worden gerekend vaor de bouw en het onder-
houd van de windmolen. 6 . Een windenergiecentrale bestaat uit een groot aantal windmolens bij
elkaar. De uiteindelijke energie-opbrengst hangt o.a. a£ van:
- de geometrie van het windmolenpark - het aantal parken - de plaatsing t.0.v. de heersende windrichting. Een en ander wordt gekarakteriseerd door het parkrendement P ( a ) : 7. In de blarkerwaard kunnen bij een onderlinge afstand tussen de windmolens van 6.5 D maximaal 3245 windmolens worden geplaatst
Gerekend wordt verder met 3200 windmolens.
8. Wordt de gehele Markerwaard volgezet met windmolens, d.w.2. er wordt I groot windmolenpark opgericht, dan bedraagt het parkrendement P ( a ) max. 30%. Worden meerdere parken opgericht met in totaal dus minder dan 3200 windmolens dan zal het parkrendement per park stijgen (tabe1 3 ) . Tabel 3. Netto-energie-opbrengst van een windenergircentrale in de Narkerwaard afhankelijk van aantal parken en windmolens Aantal parken I 32 64
Aantal molens Pot. opbrengst
Bruto-opbrengst Netto-opbrengst
per park
totaal
GL'H
3200 50 25
3200 1600 1600
GWH 7040 3520 3520
P(s) in Z 10~~Jl.l 25,3 12,6 12,6
30 G5 75
2112 2932 2650
lob~.J/.J 7,6 10.7 9,5
'
GWH 1900 2693 2376
6 I 0 GJ/J ~ J / h a 6,8 11,9 0,6
De gemiddelde netto-energie-opbrengst voor een windenergie centrale bedraagt dus ca. 225 GJ/ha ( E ca. a500 ~~,'H/iaar).
171 297 213
Bijlage 3 Rekenen met k i l o w a t t u r e n en g i g a j o u l e s De eenheid van e n e r g i e i n h e t o f f i c i z l e S I - s t e l s e l 'is d e ' j o u l e ' , afgekort 3 . Een hoeveelheid e n e r g i e per t i j d s e e n h e i d heet vermogen vaak aangeduid met de l e t t e r P. De o f f i c i G l e dimensie i s ' j o u l e per seconde', afgek o r t J / s ; de dimensie J / s wordt vaak aangeduid met de eenheid 'Watt' a f g e k o r t W. H i e r u i t v o l g t d a t per d e f i n i t i e g e l d t 1J = 1 Ws. Omdat de eenheid van e n e r g i e e r g k l e i n i s wordt vaak gebruik gemaakt van s c h a a l f a c t o r e n , hetgeen l e i d t t o t grootheden a l s :
-
k J ( k i l o j o u l e ) : IO'J 6 MJ (Megajoule) : I0 J 9 G J (Gigajoule) : 10 J 12 T J (Terajoule) : 10 J I n de p r a k t i j k wordt voor e l e k t r i s c h e e n e r g i e meestal een u i t z o n d e r i n g gemaakt. Deze wordt dan u i t g e d r u k t i n de eenheid Wh (Wattuur), hetgeen n i e t s angers betekent dan 3600 J . Zo g e l d t ook 1 kWh = 3600 kJ= 3 , 6 x 10 J = 3,6 M J , enz.). I n v e e l p u b l i k a t i e s komt ook nog de eenheid ' c a l o r i e ' voor, voor de eenheid van energie: I c a l . = 4 , 2 J. Zo i s dan 1 kcal = 4 , 2 k J of omgekeerd I J = 0,24 c a l .
Bron: Klein Vademecum voor
de Energie, 1980. AlgemeneEnergieraad.
