ENERGIE UIT WATER
Jesper de Bruin en Maarten Brakkee Begeleider: MAJ Emmauscollege 09-03-2008
Voorwoord. Voor ons profielwerkstuk moesten wij, Jesper de Bruin en Maarten Brakkee van het Emmauscollege te Rotterdam een werkstuk maken. Het onderwerp dat wij hebben gekozen voor ons profielwerkstuk is: Energie uit water. De hoofdvraag voor ons project was: Kan energie uit water in Nederland ook, op een goedkope manier? Voordat we deze vraag konden beantwoorden moesten we eerst informatie zoeken. Hierdoor kregen we een goed beeld hoe we deze vraag moesten gaan beantwoorden.
2
Inhoudsopgave Pagina
Voorwoord...............................................................................2 Inhoudsopgave ........................................................................3 Hoofdstuk 1: Inleiding ...........................................................4 Hoofdstuk 2: Groene energie ................................................5 §2.1: Zonne-energie.....................................................5 §2.2: Wind energie ......................................................6 §2.3: Energie uit water ................................................6 Hoofdstuk 3: Energie uit water.............................................8 §3.1: Verschillende manieren......................................8 §3.2: Concept: ‘Magnets’ ............................................8 §3.3: Concept: ‘Eb-vloed’ ...........................................8 §3.4: Concept: ‘Waterkracht’ ... ..................................8 §3.5: Concept: ‘Rivier centrale’ ... ..............................9 Hoofdstuk 4: Rivier centrale ...............................................10 §4.1: Rivier centrale ..................................................10 §4.2: Turbine .............................................................10 §4.3: Plaats ................................................................10 §4.4: Vermogen .........................................................11 Hoofdstuk 5: Kosten.............................................................12 §5.1: Wat is er allemaal nodig? .................................12 §5.2: Kosten turbine ..................................................12 §5.3: Overige kosten..................................................12 §5.4: Winst maken ....................................................13 Conclusie ...............................................................................14 Nawoord ................................................................................15 Literatuurlijst .......................................................................16 Logboek .................................................................................17
3
1 Inleiding Energie kun je uit verschillende dingen halen. Veel energie wordt tegenwoordig nog steeds uit fossiele brandstoffen gehaald. Maar dit raakt natuurlijk een keer op. En is het nog wel verantwoord. De wereld is tegenwoordig veel bezig met het milieu, maar toch wordt er nog niet genoeg geïnvesteerd in “schone” energie. Wij vroegen ons af of het niet eens tijd werd voor verandering. Wij zijn onderzoek gaan doen met als hoofdvraag: Kan energie uit water in Nederland ook, op een goedkope manier? We zijn van plan om eerst grondig onderzoek te doen naar de verschillende vormen van energie uit water. Daarna zullen we de beste kiezen en er verder mee gaan, om uiteindelijk te kijken of het in ook in het echt zou kunnen.
4
2 Groene Energie Overal om ons heen is energie. Alle dieren en planten hebben energie nodig om te kunnen leven. Alle machines hebben energie nodig om te kunnen werken. Naarmate de wereldbevolking toeneemt en de mens meer gebruik maakt van machines is er meer energie nodig om deze machines allemaal aan te drijven. De vraag naar energie stijgt nog steeds. Overal om ons heen zijn veel verschillende energiebronnen aanwezig. De energie van de zon, wind en het water zijn de "schone" energie bronnen. Deze bronnen zullen in dit hoofdstuk belicht worden. §2.1 Zonne-energie De zon wordt ook wel de energiecentrale van de aarde genoemd omdat hij alle levende organismen van energie voorziet. Elk jaar geeft de zon ons 10 keer zoveel energie als over de hele wereld is opgeslagen in fossiele brandstoffen. Dus je zou zeggen: waarom gebruikt niet iedereen zonne-energie? Hellaas zijn er nog veel problemen die eerst opgelost moeten worden Fig. 1: Zonnepanelen voordat we zonne-energie op grote schaal kunnen gaan gebruikten. Voorbeeld: op het ogenblik zou een grote stad zoals Rotterdam om genoeg energie te krijgen zonnecollectoren nodig hebben die net zoveel plaats innemen als de stad zelf. Bovendien schijnt de zon niet of met minder kracht op ogenblikken wanneer we hem het hardst nodig hebben, namelijk 's nachts en in de winter. Daarom moeten we manieren zien te vinden om zonne-energie op grote schaal op te slaan. Voordelen van zonne-energie zijn: De zon raakt nooit op er zal altijd energie uit de zon te halen zijn. De apparaten om de energie in te "verzamelen" verbruiken geen brandstof en veroorzaken geen vervuiling ook zijn ze gemakkelijk te onderhouden omdat ze weinig beweegbare onderdelen hebben. Nadelen van zonne-energie zijn: Centrales nemen grote hoeveelheid land in beslag en zijn niet erg aantrekkelijk om te zien. Het afgraven van zand om silicium te maken, dat gebruikt wordt in zonnecellen kan hele gebieden verwoesten en de plaatselijke omgeving ernstig Fig. 2: Zonnepanelen aantasten. Een zonnecel bestaat uit twee afzonderlijke lagen, elk met een elektrische lading. Als er licht op de cel valt beginnen deze ladingen tussen twee lagen te bewegen. Dat levert een kleine hoeveelheid energie op. Omdat elke cel weinig elektriciteit produceert heeft men voor de meeste doeleinden een heleboel zonnecellen nodig. Op een zonnige dag kunnen zonnepanelen per vierkantenmeter ongeveer 100 Wat aan elektriciteit produceren.
5
§2.2 Windenergie Er zijn verschillende manieren waarop je de wind als energiebron kunt gebruiken. Net zoals de zon zal er altijd wind zijn en is dit ook een belangrijke "schone" energiebron. De beweging van de lucht bevat, mits je er de juiste apparaten voor gebruikt, een hoeveelheid kinetische energie. Windenergie is gratis en verbruikt geen brandstof en veroorzaakt ook geen vervuiling en is daarom schoon. Als alle wind optimaal gebruikt zou worden, dan zou dat alle mensen op de hele wereld van 10 maal zoveel energie kunnen voorzien als we nu gebruiken. Vroeger werd windenergie ook gebruikt bijvoorbeeld voor zeilboten en de ouderwetse windmolens. De moderne windmolens zijn er niet voor om zoals vroeger het graan mee te malen, maar zijn er nu voor om elektriciteit op te wekken. De wieken die ronddraaien zitten aan een grote dynamo vast. Die levert net als de dynamo op een fiets elektriciteit op. Als het hard waait levert het een hoop Fig. 3: Windmolens elektriciteit op, mits de wieken recht op de wind staan. Daarom zijn windmolens zo gemaakt dat ze kunnen draaien naar de wind. Voordelen van windenergie: De wind raakt nooit op. Verbruikt geen brandstof en het materiaal waarvan windmolens gemaakt zijn is niet duur. Nadelen van windenergie: Er moeten een hele hoop windmolens aanwezig zijn om een grote hoeveelheid elektriciteit op te wekken. De windmolens zijn erg onderhoud gevoelig er gaat snel iets kapot, omdat ze vol zitten met allerlei bewegende onderdelen hebben.
§2.3 Energie uit water Viervijfde van de wereld is bedekt met water. Het water in onze oceanen en rivieren is voortdurend in beweging. Golven, stromingen, getijden en watervallen leveren als ze goed gebruikt worden een enorme hoeveelheid kinetische energie. Projecten voor hydro elektriciteit zijn tot zover de meest geslaagde manier gebleken om waterkracht (ook wel witte steenkool) bruikbaar te maken. De beweging van het water uit rivieren of reservoirs wordt gebruikt om turbines in werking te zetten, die op hun beurt weer generatoren aandrijven om elektriciteit op te wekken. Fig. 4: Sluizen Voordelen van energie uit water: Water zal nooit opraken. Het is met de technologie van tegenwoordig goed te doen om elektriciteit uit water te halen. Het kan op verschillende manieren in verschillende landen. Het levert een gigantische hoeveelheid energie op wat al snel erg rendabel is.
6
Nadelen van energie uit water: Het bouwen van de hyrdo centrales kan soms tot gevolg hebben dat er stukken land overstromen. De centrales kunnen de natuurlijke omgeving van de zeekunst veranderen. De centrales zijn erg onderhoud gevoelig.
7
3 Energie uit water §3.1 Verschillende manieren Over de gehele wereld zijn verschillende manieren waarbij water wordt gebruikt om energie op te wekken. Meestal wordt er een stuwdam gemaakt. Door het hoogte verschil kan met behulp van een turbine energie worden opgewekt. Omdat Nederland een vlak land is kan dat hier niet. Er moesten dus andere manieren worden gevonden om hier energie uit water te halen. §3.2 Concept: ‘Magnets’ Omdat we iets geheel nieuws wilden introduceren, hebben we in het begin vooral gedacht aan sciencefictionachtige manieren. Hieruit kwam dan ook ons concept ‘Magnets’. Deze installatie bestaat uit twee lange buizen met in het midden een korte buis met daarin een turbine. Aan het uiteinde van de eerste grote buis zit een plusmagneet, aan het uiteinde van de tweede grote buis zit een minmagneet. Doordat er kleine magnetische deeltjes in het water zitten, en de magneten om en om aan gaan, zal het water in het systeem in beweging komen. Dit heeft het gevolg dat de Fig. 5: Concept: ‘Magnets’ turbine energie gaat opwekken. Uiteindelijk hebben we niet voor dit concept gekozen, omdat de magneten energie verbruiken en we willen juist energie opwekken. §3.3 Concept: ‘Eb-vloed’ Het tweede concept wat we hadden bedacht is ‘Eb-vloed’. Hierbij wordt energie opgewekt met behulp van het eb en vloed verschil. Het principe is simpel: er is een grote bak in zee die volloopt bij vloed, en leeg loopt bij eb. Omdat er in de wanden van de bak turbines zitten, zal bij het vol- en leeglopen energie worden opgewekt. Fig. 6: Concept: ‘Eb-vloed’ We hebben dit concept niet gekozen, omdat we iets nieuws wilden doen. Twee studenten van een universiteit hebben al een soort gelijk iets ontworpen¹. §3.4 Concept: ‘Waterkracht’ Ons derde concept was ‘Waterkracht’. Bij dit concept worden een soort van windmolens onder water geplaatst. Door deze ‘watermolens’ in een gebied met stroming te plaatsen, kan energie worden opgewekt met behulp van waterkracht. Hoewel het een origineel concept is hebben we ook niet voor dit concept gekozen. De redenen hiervoor waren dat het veel te duur zou worden en dat het het ecosysteem van het gebied waarin ze geplaatst zijn zou worden verstoort. Fig. 7: Concept: ‘Waterkracht’
8
§3.5 Concept: ‘Riviercentrale’ Ons laatste concept, onze definitieve keuze, is ‘Riviercentrale’. Hierbij draait het vooral om de hoeveelheid water en niet zo zeer om de stroomsnelheid. Doordat de centrale achter de dijk van de rivier ligt, en dus iets lager, Fig. 8: Concept: ‘Riviercentrale’ zal het water, voor een gedeelte, naar de centrale stromen. In de centrale wordt vervolgens met behulp van een speciale turbine energie opgewekt. We hebben voor dit concept gekozen, omdat er in Nederland weinig hoogte verschil is en je dit soort centrales op veel verschillende plekken kan plaatsen.
9
4 Riviercentrale §4.1 Riviercentrale Een riviercentrale werkt bijna hetzelfde als een stuwmeer. De enige verschillen dier er zijn: - Een riviercentrale gebruikt niet, voor het grootste deel, het hoogteverschil, maar de stroomsnelheid.
Fig. 9: Een riviercentrale
- Een riviercentrale is goedkoper. - Je kan meerdere riviercentrales op dezelfde rivier aansluiten.
Fig. 10: Een open bulbturbine
§4.2 Turbine Omdat een riviercentrale niet echt gebruik maakt van het hoogte verschil is de turbine van dit soort centrales anders dan die van een stuwmeer. Er zijn verschillende soorten turbines op de markt. Dit zijn de: bulb-, pit-, s- en francisturbine. Wij hebben gekozen voor een bulbturbine, omdat bij deze de generator in de turbine zelf zit, zodat er geen groot gebouw bij de centrale hoeft te staan, en deze turbine levert de meeste energie in verhouding met het formaat van de turbine.
§4.3 Plaats De beste plaats voor onze riviercentrale(s) hebben wij bepaald aan de hand van de volgende eigenschappen: - De plaats moet aan een rivier in Nederland liggen. - De plaats moet aan het begin van een rivier (in Nederland) liggen (dan is de stroomsnelheid, in Nederland, nog het hoogst). - De rivier, waar de centrale aanlicht, moet zo min mogelijk bochten hebben gemaakt (hierdoor neemt de stroomsnelheid zo min mogelijk af). - De plaats moet in een bocht liggen, zodat de volle Fig. 11: De juiste plek
10
stroomsnelheid wordt benut. - De plaats moet een makkelijke afwatering hebben naar de rivier. Op basis van deze eigenschappen hebben we de volgende plaats geselecteerd: 51°52'17.87"N, 6° 1'57.60"O, ofwel net het begin van de Waal. §4.4 Vermogen Het vermogen van de centrale is te berekenen met de volgende formule: hierin zijn: P = vermogen (J/s of watt) η = turbine-efficiëntie ρ = massadichtheid van water (kg/m3) g = lokale zwaartekrachtversnelling (9,81 m/s2) stromingsdebiet (m3/s) h = valhoogte (m). Deze zijn in ons geval: η = 0,90 ρ = 1,0 * 103 kg/m3 g = 9,81 m/s2 110 m3/s (5% van het gemiddelde stromingsdebiet van de Waal) h=2m Dus dan krijgen we: P = 0,90*1,0*103*9,81*110*2 = 1,94238 MW per turbine.
11
5 Kosten §5.1 Wat is er allemaal nodig? Om deze riviercentrale te latenwerken hebben we nodig: - Bulb turbine met een doorsnee van 2m - Een verstevigd stuk dijk van 5m - Een afvoer kanaal wat minimaal 110m³/s aankan en dat 0,60km lang is §5.2 Kosten turbine Jammer genoeg hebben we geen antwoord gekregen van Voith Siemens en kunnen we dus niet precies zeggen hoeveel één turbine zou gaan kosten. Om toch een schatting te kunnen maken hebben we naar een soort gelijk project gekeken van Voith Siemens in Turkije. Specifications - Karkamis Hydroelectric Power Plant, Turkey Order year
1996
Output
180MW
Plant type
Hydroelectric
Location
Euphrates valley, Northern Turkey
Estimated investiment
$175 million
Completion
2000
GAP project completion
2010 Key Players
Sponsor
GAP Project
Lead equipment suppliers
VA Tech Elin, Voith Siemens
Project co-ordination
Verbundplan
Hydro-mechanical equipment
Yuksel Insaat AS
Detailed civil engineering
Temelsu International Engineering Services
Additional project support
Austrian government Plant Details
Turbines 6 x 30MW Bulb turbines Om de prijs van één turbine te achterhalen hebben we een aantal dingen van de $175 miljoen afgetrokken: de overige kosten, aanleggen dam, bouwen etc. (±$125 miljoen) en de overige $50 miljoen gedeeld door 6 wat dan uitkomt op ongeveer $8,3 miljoen per turbine. Het volgende waar we rekening mee hebben gehouden is dat bij dit project bulb turbines van 6,4m doorsnee werden gebruikt, terwijl van 2m doorsnee gebruiken. Hierdoor schatten wij de prijs van één turbine voor ons project op ±$3,6 miljoen ($8,3 miljoen/6,4*2,0 + $1 miljoen) ofwel €2,3 miljoen euro (de $1 miljoen extra is omdat we niet zeker van de prijs zijn en er zijn altijd standaard kosten). §5.3 Overige kosten Ook hiervan kunnen we helaas geen precieze getallen geven. Wel kunnen we ongeveer een schatting maken op basis van andere projecten uit het verleden. Het bedrag voor overige
12
kosten komt dan neer op ±€6 miljoen. Verder schatten we de onderhoudskosten op €10.000,per jaar. Ook zijn er twee werknemers in dienst die maandelijks €2500,- verdienen. §5.4 Winst maken Om de winst te berekenen moeten we een paar dingen weten: hoeveel één centrale oplevert per jaar, de totale kosten en de gemiddelde kWh prijs. Dan kunnen we gaan kijken hoelang de periode moet zijn waarna we winst gaan maken. Uit hoofdstuk vier kunnen we halen dat één turbine ongeveer 1,9MW levert. Dit staat gelijk aan 1,9*106 J/s. Per uur is dat: 1,9*106*60*60 = 6.840.000.000 J/h 1 kWh = 3,6*106 J Dus per uur levert één turbine: 6.840.000.000/3,6*106 = 1900 kWh 1 kWh kost tegenwoordig ongeveer €0,07. Dan zou één turbine dus: 1900*0,07*24*365 = €1.165.080,De totale kosten zijn €8,3 miljoen plus jaarlijks: €10.000+12*2*€2.500 = €70.000,Vervolgens kijken we na hoelang we winst kunne gaan maken: Y = (€8.300.000+€70.000*t) Wanneer twee formules elkaar kruisen kun je bij t aflezen na hoeveel jaar winst wordt gemaakt. Dit kan gedaan worden door Y1 in te stellen op een grafische rekenmachine op: Y1 = (€8.300.000+€70.000*t) en Y2 in te stellen op €1.165.080*t : Y2 = €1.165.080*t Wanneer dan via de optie CALC INTERSECT wordt gerekend komt het aantal jaren eruit: t = 7,58 jaar e Dus in het 8 jaar wordt winst gemaakt.
13
Conclusie De hoofdvraag van ons project was: Kan energie uit water in Nederland ook, op een goedkope manier? Na het onderzoek dat we hebben gedaan is gebleken dat energie uit water in Nederland winstgevend, goedkoop en het belangrijkste: schoon kan zijn.
14
Nawoord. We hebben het tijdens deze opdracht erg naar onze zin gehad. We hebben er veel van geleerd en we denken dat we er in de toekomst ook nog wat aan hebben. De problemen waren haast niet aanwezig. Het enigste was dat we niet goed de kosten konden achterhalen. Dat kwam omdat het bedrijf niet reageerde op de mails die we ze stuurden en er op internet zelf weinig informatie te vinden was over eerdere projecten en de financiën daarvan. Maar al met al was het een geslaagd project waar we niet alleen wat van geleerd hebben maar ook veel plezier in hebben gehad.
15
Literatuurlijst Boeken: - Waterkracht – Graham Rickard - Schone Energie – William van den Akker - Zonne-energie – Graham Rickard Internet: - http://en.wikipedia.org/wiki/Hydro_turbine - http://www.voithsiemenshydropower.com/vs_e_prfmc_pwrful_prdcts_turbines_kaplan.htm - http://nl.wikipedia.org/wiki/Kaplanturbine - http://www.clingendael.nl/publications/2006/20061012_ciep_misc_westerwoudt_verkiezin gen_b.pdf - http://www.power-technology.com/projects/karkamis/specs.html - http://www.energieuitwater.nl/home.php
16
Logboek Jesper de Bruin: - 08-10 Ontwerpen gemaakt - 09-10 Concepten - 12-01 Informatie zoeken/verwerken - 13-01 Informatie zoeken/verwerken - 14-01 Informatie zoeken/verwerken - 20-01 Presentatie voorbereiden - 01-03 Onderwerpen voor werkstuk maken - 04-03 Onderwerpen voor werkstuk maken - 06-03 Onderwerpen voor werkstuk maken - 09-03 Werkstuk afmaken alles bij elkaar voegen
2 uur 1 uur 1 uur 1 uur 1 uur 2 uur 2 uur 1 uur 2 uur 3 uur
Maarten Brakkee: - 07-10 Website gemaakt - 08-10 Ontwerpen gemaakt - 09-10 Concepten - 10-10 Concepten - 20-11 Informatie toegevoegd - 12-01 Informatie zoeken/verwerken - 13-01 Informatie zoeken/verwerken - 14-01 Informatie zoeken/verwerken - 20-01 Presentatie voorbereiden - 29-02 Onderwerpen voor werkstuk maken - 04-03 Onderwerpen voor werkstuk maken - 05-03 Onderwerpen voor werkstuk maken - 09-03 Werkstuk afmaken alles bij elkaar voegen
1 uur 2 uur 1 uur 1 uur 1 uur 2 uur 1 uur 1 uur 2 uur 1 uur 2 uur 2 uur 3 uur
17
