Een onderzoek naar: Het potentieel voor de winning van golfslagenergie in de Noordzee bij Ameland

Kennis & Innovatie Centrum Ameland

Een onderzoek naar:

‘Het potentieel voor de winning van golfslagenergie in de Noordzee bij Ameland’

Student: Freerk Dijkstra Human Engineering

Begeleiders: Mevr: G. Porte Dhr.: K.R. Iepema

Noordelijke Hogeschool Leeuwarden

Juni 2008

KENNIS & INNOVATIE CENTRUM AMELAND

Voorwoord Voor u ligt het eindresultaat van mijn afstudeeropdracht naar golfslagenergie voor Ameland. Dit onderzoek en deze scriptie vormen de afsluiting van mijn studie Human Engineering aan de Noordelijke Hogeschool Leeuwarden. De keuze voor een afstudeeronderzoek op het gebied van duurzame energie is niet toevallig geweest. In het tweede jaar van mijn opleiding kreeg ik de kans om mee te doen aan het ‘Frisian Solar Challenge 2006’ project. Het bouwen van, en het varen in een boot die volledig op de energie afkomstig van de zon een elfstedentocht kan varen heeft mijn interesse voor duurzame energiebronnen aangewakkerd. Een scriptie schrijven over relatief nieuwe duurzame energiebronnen zoals golfslagenergie is daarom voor mij een mooie gelegenheid geweest om deze interesse verder te ontwikkelen. Ik wil hierbij graag alle personen bedanken die mij geholpen hebben bij het tot stand komen van deze scriptie. Freerk Dijkstra Leeuwarden, juni 2008

Golfslagenergie

2


Abstract Dit afstudeeronderzoek richt zich op de winning van golfslagenergie. Het gaat in het bijzonder om de vraag of er potentie is voor de winning van golfslagenergie uit de Noordzee bij Ameland. Het doel van het onderzoek is om aan te tonen of golfslagenergie al dan niet een goede alternatieve, duurzame bron van energie voor het eiland kan zijn. Daarbij zijn economische of politieke argumenten van ondergeschikt belang. Het onderzoek is uitgevoerd in opdracht van het Kennis en Innovatiecentrum Ameland. Door middel van het in kaart brengen van het golfklimaat, het berekenen van het golfvermogen en het bepalen van omgevingsfactoren is een indicatie gemaakt. De resultaten laten zien dat het gemiddelde golfklimaat bij Ameland mild is. Het vervolgens berekende golfvermogen is dan ook laag. Een gemiddeld golfvermogen van 6.18 kW per meter golfkam bij Ameland ten opzichte van 60 kW/m aan de westkust van het Verenigd Koninkrijk is een groot verschil. Het is duidelijk dat de Noordzee veel minder golfslagenergie bevat dan bijvoorbeeld de Atlantische Oceaan. Desondanks kan 6.18 kW/m nog een behoorlijke hoeveelheid energie leveren. Het probleem is de winning van de energie. Er zijn op dit moment geen geschikte WECs voor het milde golfklimaat bij Ameland beschikbaar. Dat komt omdat de markt voor de winning van golfslagenergie nog in haar kinderschoenen staat. Er zijn nagenoeg geen WECs commercieel beschikbaar. Er wordt al wel veel onderzoek gedaan en getest met prototypen. Het kan echter nog wel 10 jaar duren voordat de eerste geschikte WECs voor Ameland beschikbaar worden. Kortom, het winnen van golfslagenergie uit de Noordzee bij Ameland is op dit moment nog niet mogelijk maar waarschijnlijk in de toekomst wel.

Golfslagenergie

3


Inhoudsopgave Hoofdstuk 1: Inleiding 1.0 Inleiding ........................................................................................................................ 6 Hoofdstuk 2: Introductie 2.0 Introductie ..................................................................................................................... 7 2.1 Golfslagenergie ......................................................................................................... 7 2.2 Energiewinning ......................................................................................................... 8 2.2.1 OWC - Oscillating Water Column..................................................................... 8 2.2.2 Overtopping Reservoir....................................................................................... 8 2.2.3 Boeien en Drijvers ............................................................................................. 9 Hoofdstuk 3: Golven en Meten 3.0 Golven & Meten ......................................................................................................... 10 3.1 Golfslag:.............................................................................................................. 10 3.2 Deining:............................................................................................................... 10 3.3 Noordzee golven: ................................................................................................ 10 3.4 Golfklimaat ......................................................................................................... 11 3.5 Golfparameters:................................................................................................... 11 3.6 Meetboei: ............................................................................................................ 12 3.7 Meetlocaties: ....................................................................................................... 13 Hoofdstuk 4: Het golfklimaat 4.0 Golfklimaat ................................................................................................................. 14 4.1 Het gemiddelde golfklimaat.................................................................................... 14 Gemiddelde golfhoogte:............................................................................................ 14 Gemiddelde golfperiode: .......................................................................................... 14 Gemiddelde deining: ................................................................................................. 15 4.2 Het bereik................................................................................................................ 15 Bereik van de gemiddelde golfhoogte: ..................................................................... 16 Bereik van de gemiddelde golfperiode: .................................................................... 16 Bereik van de gemiddelde deining:........................................................................... 17 4.3 Seizoenswisselingen ............................................................................................... 17 Seizoensinvloed op golfhoogte: ................................................................................ 18 Seizoensinvloed op golfperiode:............................................................................... 19 Seizoensinvloed op deining: ..................................................................................... 20 4.4 Extremen ................................................................................................................. 21

Golfslagenergie

4


Hoofdstuk 5: Energie 5.0 Energie ........................................................................................................................ 22 5.1 De energieflux......................................................................................................... 22 5.2 Energieflux per seizoen........................................................................................... 26 Hoofdstuk 6: Locatie en omgevingsfactoren 6.0 Locatie......................................................................................................................... 27 6.1 Omgevingsfactoren ................................................................................................. 28 Vogels: ...................................................................................................................... 28 Scheepvaart: .............................................................................................................. 28 Territoriale wateren:.................................................................................................. 28 Zandwinning: ............................................................................................................ 28 Waterdiepte: .............................................................................................................. 29 Zeebodem:................................................................................................................. 29 Hoofdstuk 7: Scenarioschetsen 7.0 Scenario Schets ........................................................................................................... 30 7.1 Toepassing van de ‘OceanStar’ .............................................................................. 30 7.2 Toepassing van de ‘Surfpower’ .............................................................................. 31 7.3 Toepassing van de ‘Wet EnGen’ ............................................................................ 32 7.4 Toepassing van de ‘Aegir Dynamo’ ....................................................................... 33 7.5 Toepassing van de ‘SeaBased AB’ ......................................................................... 34 7.6 Toepassing van de ‘Pelamis’ .................................................................................. 35 Hoofdstuk 8: Conclusie en aanbevelingen 8.0 Conclusies en Aanbevelingen ..................................................................................... 36 Hoofdstuk 9: Bronnen 9.1 Internet ........................................................................................................................ 41 9.2 Literatuur..................................................................................................................... 42 Hoofdstuk 10: Bijlage 10.0 Bijlage I - 80% bereik ............................................................................................... 43 10.1 Bijlage II – Gebruikte getallen SON......................................................................... 46 10.2 Bijlage III – Inventarisatie WECs............................................................................. 49

Golfslagenergie

5


1.0 Inleiding De toenemende zorg om het klimaat en de leefomgeving hebben tot gevolg dat er steeds meer initiatieven op het gebied van duurzame energie worden getoond. Eén van die initiatieven komt van het Kennis- en Innovatiecentrum Ameland (KIA). Het KIA bestaat op dit moment in de vorm van het Amelander Natuurmuseum. Dit natuureducatieve informatiecentrum biedt bezoekers veel inzicht in de flora en fauna op en rond Ameland. Daarbij doet men ook onderzoek naar ecologie en natuur- en landschapsbeheer. Door een nieuwe bedrijfsformule en de bouw van een nieuw pand krijgt het museum nog een breder bereik. Bezoekers worden geactiveerd en gestimuleerd bij natuurbeleving. Het duurzaam omgaan met de natuur en leefomgeving is daarbij belangrijk. Het gebruiken van duurzame energie is daar een onderdeel van. Ameland heeft de ambitie om per 2020 in haar eigen energiebehoefte te kunnen voorzien met behulp van duurzame energie. Het KIA speelt hierbij een rol als educatief kenniscentrum. Het KIA heeft vooral interesse in innovatieve manieren om duurzame energie te winnen. Men heeft daarom aan de Noordelijke Hogeschool Leeuwarden de opdracht gegeven om onderzoek te doen naar de mogelijkheden van duurzame energiewinning uit de Noordzee. Omdat Ameland een eiland is kan de zee een aantrekkelijke energiebron zijn. Het gaat hier specifiek om het benutten van golfslagenergie uit de Noordzee. De hoofdvraag luidt: “Is er potentieel voor de winning van golfslagenergie bij Ameland?”. Het onderzoek heeft als doel om vast te stellen of golfslagenergie geschikt is als duurzame energiebron voor Ameland. Centraal staan de vragen ‘hoeveel energie is er beschikbaar?’ en ‘op wat voor manieren kan deze energie gewonnen worden’. Economische en politieke argumenten zijn buiten deze scriptie gelaten. Als conclusie volgt een antwoord op de hoofdvraag en er worden een aantal aanbevelingen gedaan. Nu volgt eerst een introductie op het onderwerp.

Golfslagenergie

6


2.0 Introductie 2.1 Golfslagenergie Golfslagenergie is duurzame energie die uit golfslag gewonnen wordt. Het is nog een relatief onbekende vorm van duurzame energie vergeleken met zonnepanelen en windenergie. Toch heeft golfslag veel potentie als het gaat om het opwekken van elektrische energie. Zeeën en oceanen beslaan ongeveer 70% van de aarde en dat betekent dat veel landen aan de kust golfslagenergie zouden kunnen benutten. De World Energy Council1 schat dat het potentieel voor golfslagenergie op de wereld in de buurt van de 2000 TWh per jaar ligt. De wereld energieproductie ligt op ongeveer 18000 TWh per jaar2 (2005). Golfslagenergie kan dus tot zo’n 11% van de wereld energieproductie voor haar rekening nemen. Op dit moment worden al volop technieken ontwikkeld die golfslagenergie absorberen en omzetten in elektriciteit. Men noemt deze apparaten in het engels ‘Wave Energy Converters’ en men gebruikt ook wel de afkorting ‘WEC’. Ondanks dat er, hoofdzakelijk in het buitenland, veel research en development wordt uitgevoerd op het gebied van golfslagenergie is deze vorm van duurzame energie nog niet zo ver gevorderd als bijvoorbeeld windenergie en zonne-energie. Commercieel gezien is golfslagenergie dan ook nog niet aantrekkelijk in de meeste gevallen. De projecten die tot nu toe uitgevoerd zijn worden allemaal in stand gehouden door middel van subsidies of soortgelijke ondersteunde financiële constructies. Maar de verwachting is dat golfslagenergie de komende jaren steeds rendabeler gaat worden. Enerzijds omdat de energieprijzen stijgen en anderzijds omdat de WECs efficiënter worden en ook goedkoper naarmate er meer verkocht gaan worden. Het hele proces kan nog wel tien jaren duren maar het winnen van energie uit golven is duidelijk bezig aan een opmars. 1 2

Worldenergy.org CIA – The World Fact Book

Golfslagenergie

7


2.2 Energiewinning Omdat er verschillende technieken zijn om golfslagenergie te winnen wordt hier volstaan met de benoeming van basisontwerpen waar veel WECs op gebaseerd zijn. 2.2.1 OWC - Oscillating Water Column Deze techniek maakt gebruik van een golfbeweging die lucht in een afgesloten ‘ruimte’ samendrukt. Dit wordt vooral toegepast in installaties die op de kustlijn staan. Via een tunnel, onderwater, komt de golf de ‘ruimte’ binnen. Aan de bovenkant van de ‘ruimte’ zit een opening die naar een turbine leidt. De samengedrukte lucht ontsnapt via deze opening, en dus via de turbine, naar buiten. De turbine drijft een generator aan voor elektrische energie. Figuur 1: OWC - Schematisch

2.2.2 Overtopping Reservoir Deze techniek maakt gebruik van de snelheid van golven. Door de golven via een ‘schans’, eigenlijk een soort van kunstmatige kust, omhoog te laten lopen komt het water in een hoger gelegen reservoir terecht. Via een kanaal in de bodem van het reservoir kan het water weer terug naar de zee. Hierbij passeert het water een turbine die weer een generator aandrijft. Op deze manier wordt elektrische energie opgewekt. Deze techniek komt als drijvende unit voor maar ook op de kust is het systeem toepasbaar. Figuur 2: Wave Dragon - Schematisch

Golfslagenergie

8


2.2.3 Boeien en Drijvers Deze techniek maakt gebruik van de op- en neergaande beweging van golven. Een boei/drijver drijft aan de oppervlakte en deint mee met de golven. De golfenergie kan op verschillende manieren omgezet worden naar elektriciteit. •

De golfbeweging overnemen met een zuiger die daardoor vloeistof door een circuit pompt. De onder druk staande vloeistof drijft een generator aan.

•

De golfbeweging overnemen met een lineaire generator. Een magneet beweegt op een neer in een spoel waardoor een spanning wordt opgewekt. De boeien verschillen sterk in uiterlijk. Het een en ander is afhankelijk van het type

boei. Zo zijn er boeien of drijvers die onder het wateroppervlak zweven, boeien die er net zo uitzien als een gewone navigatieboei, boeien waar het gehele technische systeem in de boei zit, boeien waar het technische systeem onder de boei hangt etc. Meestal zitten de boeien of drijvers met kabels vast aan de zeebodem. Maar het komt ook voor dat een deel van de boei op de zeebodem staat, vaak de generator, terwijl de daadwerkelijke drijver zich aan de oppervlakte bevindt. Het is duidelijk dat het concept van boeien en drijvers zeer diverse uitwerkingen kan hebben.

Figuur 3: Diverse drijvers met o.a de OPT Powerbuoy (links)

Golfslagenergie

9


3.0 Golven & Meten De volgende onderwerpen worden in het belang van de leesbaarheid van dit rapport nader toegelicht. Sommige termen en begrippen komen later in het rapport terug. 3.1 Golfslag: Als de wind over een wateroppervlakte waait, ontstaan onder invloed van wrijving en turbulentie, rimpels in het oppervlak. Er vindt een gedeeltelijke energieoverdracht plaats van de wind naar het wateroppervlak. Hoe langer de wind het wateroppervlak beïnvloedt, hoe groter de energie overdracht. Hogere windsnelheden dragen daarbij meer energie over in dezelfde tijd. De golfhoogte wordt dus bepaald door: windsnelheid en tijd. Deze windgolven bestaan alleen als de wind waait. 3.2 Deining: Windgolven kunnen overgaan in deining. Dit gebeurt als gevormde golven het windgebied verlaten of als de wind gaat liggen. Als de ruimte groot genoeg is dan blijven de golven intact. Vooral door de zeer geringe demping en de lage inwendige weerstand kunnen de golven zich over heel lange afstanden verplaatsen zonder veel energie te verliezen. Vooral op oceanen is dit goed zichtbaar. Vanwege de enorme oppervlakte van de oceanen zijn er ook golven bij geen of weinig wind. Deze deininggolven zijn vaak dagen geleden gevormd en hebben lange golfperioden (>10 seconden). Het voordeel van deining is dat het een vrij constante factor is. Dit komt omdat het plaatselijk niet uit maakt of er wind staat. Er zijn bijna altijd golven in de vorm van deining. 3.3 Noordzee golven: Op de Noordzee komen vooral windgolven voor. Bij weinig wind zijn de golven laag (<1 meter) en bij stormen hoog (>4 meter). Er is ook een zeer lichte vorm van deining aanwezig maar dit stelt niets voor t.o.v. deining op de Atlantische Oceaan. Vanwege de kleine oppervlakte van de Noordzee hebben de golven minder tijd om zich te vormen voordat ze op de kust kapot slaan. Ook de waterdieptes zijn gering. Dit verklaart o.a. de relatief lage golfhoogtes op de Noordzee. Golfslagenergie

10


3.4 Golfklimaat: De term golfklimaat beschrijft voor een bepaalde plaats wat voor golven er voor komen. Het zegt bijvoorbeeld iets over de golfhoogte, golfperiode en deining. In een mild golfklimaat komen minder hoge golfhoogten voor dan bijvoorbeeld in een stormachtig golfklimaat. 3.5 Golfparameters: Een golfklimaat is opgebouwd uit golfparameters. De belangrijkste twee parameters zijn de golfhoogte en de golfperiode. De sinusvorm in figuur 5 laat zien hoe deze twee parameters zich vertalen in een golf.

Figuur 4: Sinus

De parameters golfhoogte en golfperiode worden verdeeld in de afgeleide parameters: •

Hm0 - Significante golfhoogte in meters

•

Tm02 - Gemiddelde golfperiode in seconden Met deze parameters kan een goed beeld gecreëerd worden van het golfklimaat in

een bepaald gebied. Het golfklimaat of de toestand van het wateroppervlak van een stukje Noordzee, onder invloed van wind, kan men beschrijven als een opeenvolging van onregelmatige golven die onderling sterk verschillen qua hoogte en periode. Daarbij komen ze met een zekere spreiding uit een hoofdrichting die voortdurend verandert, zowel in tijd als in ruimte.

Golfhoogte Tijd Figuur 5: Meting op willekeurige locatie in de Noordzee

Golfslagenergie

11


Het is belangrijk te weten dat de waarden van de parameters voor golfhoogten of golfperioden niet de hoogte of periode van een enkele golf weergeven, maar een indicatie zijn voor de in een golfveld aanwezige golfhoogten of golfperioden. Naast de parameters voor golfhoogte en golfperiode is er ook nog een parameter voor deining: HTE3 - Deining in meters. De parameter HTE3 is niet meetbaar maar wordt afgeleid uit gegevens van golfhoogte en golfperiode. Er is meestal geen onderscheid tussen windgolven en deining zichtbaar. Alleen als er geen wind staat, is deining zichtbaar omdat de deining dan geen onderdeel meer van de windgolven is (zie ook 3.1.2). 3.6 Meetboei: Golfparameters komen tot stand met behulp van meetboeien. Een veel voorkomend type meetboei is de ‘Directional WaveRider’. Rijkswaterstaat gebruikt deze boeien om gegevens te verzamelen over het plaatselijke golfklimaat. Er wordt een groot scala aan gegevens gemeten waaronder golfhoogte, golfperiode en deining. Volgens gestandaardiseerde methoden worden allerlei Figuur 6: WaveRider eigenschappen van het bemeten golfveld vastgelegd in golfparameters. De waarden van de golfparameters worden steeds berekend over een tijdsduur van 20 minuten. Om de veranderingen van het golfveld goed te kunnen volgen moet deze duur zo kort mogelijk te zijn. Aan de andere kant wordt de nauwkeurigheid van de berekende golfparameters beter naarmate de meetduur langer wordt. De gekozen meetduur van 20 minuten is voor het betreffende meetgebied het optimum tussen nauwkeurigheid en veranderlijkheid. De golfparameters worden vervolgens gebruikt om allerlei berekeningen en voorspellingen mee te doen. Dit is vooral belangrijk in het kader van kustverdediging en overstromingsgevaar. De golfparameters kunnen echter ook gebruikt worden bij het maken van een indicatie over het golfvermogen van golven.

Golfslagenergie

12


3.7 Meetlocaties: De meetboeien liggen op negen verschillende meetlocaties in de Noordzee waar al sinds 1980 constant golfgegevens worden opgemeten. De meetlocaties liggen verspreid over de hele Noordzeekust van Nederland. 1

. 2

3

.

.

4

. 5

. 6

.

7

8

.

.

Tabel 1: Benamingen

Afkorting SON ELD K13

9

.

Figuur 7: Meetlocaties RWS

YM6 MPN EUR LEG SWB SCW

Naam locatie Schiermonnikoog Noord Eierlandse Gat K13a Platform IJmuiden munitie stortplaats Noordwijk meetpost Euro Platform Lichteiland Goeree Schouwenbank Scheur West Wandelaar

Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Meetlocatie Schiermonnikoog Noord (SON) is het dichtst bij Ameland in de buurt en dus het meest relevant voor het onderzoek. De meetgegevens van meetlocatie SON kunnen zondermeer gebruikt worden voor het beschrijven van het golfklimaat ten noorden van Ameland. Navraag bij Rijkswaterstaat heeft dit bevestigd. Alle golfgegevens in dit rapport zijn afkomstig van SON (zie bijlage 10.1). De betreffende boei ligt op 53º35'44" NB en op 06º10'00" OL. De gegevens gelden voor een diepte van 20 meter.

Golfslagenergie

13


4.0 Golfklimaat 4.1 Het gemiddelde golfklimaat Het golfklimaat geeft een indicatie van de omstandigheden waarin een WEC zou moeten werken. Het golfklimaat bepaalt ook direct hoeveel energie aanwezig is in de golven. Daarom volgt nu indicatie van het golfklimaat in de Noordzee bij Ameland. Gemiddelde golfhoogte: Hm0 per jaar als gemiddelde

Hm0 in meters

1,4 1,3 1,2

Hm0

1,1

Gem.

1 0,9 1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

Jaartal

Over een periode van 24 jaar is de gemiddelde golfhoogte 1,17 meter. Gemiddelde golfperiode: Tm02 per jaar als gemiddelde

Tm02 in seconden

5 4,9 4,8 Tm02

4,7

Gem.

4,6 4,5 4,4 1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

Jaartal

Over een periode van 24 jaar is de gemiddelde golfperiode 4,60 seconden.

Golfslagenergie

14


Gemiddelde deining: HTE3 per jaar als gemiddelde

HTE3 in meters

0,4 0,3 HTE3

0,2

Gem.

0,1 0 1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

Jaartal

Over een periode van 24 jaar is de gemiddelde deining 0,28 meter.

4.2 Het bereik Wave Energy Converters werken altijd in een bepaald bereik. Met bereik wordt de breedte van het golfklimaat bedoeld. Bijvoorbeeld, de WEC werkt optimaal in een golfklimaat met een Hm0 bereik tussen de 1,5 – 2,5 meter. Hetzelfde geldt ook voor de golfperiode. De WEC is dan specifiek ontworpen voor dat bereik. Als het golfklimaat buiten het bereik van de WEC valt dan presteert deze minder goed of het functioneert zelfs helemaal niet meer. Om het bereik van het golfklimaat te laten zien wordt gewerkt met de parameters q10% en q90%. Deze parameters staan voor waarden die respectievelijk 10% en 90% van de tijd worden overschreden. Binnen deze waarden valt het golfklimaat dat 80% van de tijd voorkomt, of te wel de meest voorkomende omstandigheden. De hoge en lage pieken binnen het golfklimaat zijn in het 80% bereik weg gefilterd. Dit is nodig omdat deze pieken en dalen slechts zelden voorkomen en dus minder belangrijk zijn voor het werkbereik van een WEC. Het bereik wordt voor de golfparameters Hm0, Tm02 en HTE3 weergegeven (zie ook bijlage 10.0).

Golfslagenergie

15


Bereik van de gemiddelde golfhoogte: Hm0 per jaar als q10% en q90% 3

Hm0 in meters

2,5 2

q10%

1,5

q90% Gem.

1 0,5 0 1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

Jaartal

De golfhoogte van q10% is gemiddeld 2,18 meter. Voor q90% geldt een gemiddelde golfhoogte van 0,38 meter. Dit betekent dat het gemiddelde bereik van de golfhoogten 80% van de tijd zal variëren tussen de 0,38 en 2,18 meter. Bereik van de gemiddelde golfperiode: Tm02 per jaar als q10% en q90%

Tm02 in seconden

6,5 6 5,5 q10%

5

q90%

4,5

Gem.

4 3,5 3 1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

Jaartal

De golfperiode van q10% is gemiddeld 5,90 seconden. Voor q90% geldt een gemiddelde golfperiode van 3,40 seconden. Dit betekent dat het gemiddelde bereik van de golfperioden 80% van de tijd zal variëren tussen de 3,40 en 5,90 seconden.

Golfslagenergie

16


Bereik van de gemiddelde deining: HTE3 per jaar als q10% en q90% 0,8

HTE3 in meters

0,7 0,6 0,5

q10%

0,4

q90%

0,3

Gem.

0,2 0,1 0 1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

Jaartal

De deining van q10% is gemiddeld 0,57 meter. Voor q90% geldt een gemiddelde deining van 0,05 meter. Dit betekent dat het gemiddelde bereik van de deining 80% van de tijd zal variëren tussen de 0,05 en 0,57 meter.

4.3 Seizoenswisselingen In verschillende seizoenen komen verschillende weersomstandigheden voor. Dit is het best zichtbaar tussen de winter en de zomer. De weersomstandigheden, waarbij de wind de belangrijkste factor is, beïnvloeden direct het golfklimaat. Seizoenswisselingen hebben dus invloed op de prestaties van een WEC. Het is daarom belangrijk te weten hoe seizoenswisselingen het golfklimaat beïnvloeden. Per parameter wordt een grafiek weergegeven waarin het jaarlijkse gemiddelde uitgezet is tegen het gemiddelde per maand. Dit maandelijkse gemiddelde vormt een parabool met een maximum en een minimum. Hieruit is de seizoensinvloed op de betreffende parameter af te lezen.

Golfslagenergie

17


Seizoensinvloed op golfhoogte: Seizoensinvloed Hm0 1,5

Hm0 in meters

1,4 1,3 1,2

Hm0 Gem.

1,1 1 0,9 0,8 Jan. + Feb.

Mrt. + Apr.

Mei. + Jun.

Jul. + Aug.

Sep. + Okt

Nov. + Dec.

Maand

De hoogste waarde van Hm0 komt voor in december en de laagste waarde van Hm0 komt voor in juni, respectievelijk: 1,410 meter en 0,942 meter. In de winter is Hm0 dus maximaal 1,410 meter en in de zomer minimaal 0,942 meter. De seizoensinvloed kan ook uitgedrukt worden in een percentage. Het algemene gemiddelde Hm0, 1,17 meter, wordt hierbij op 100% gesteld. Afhankelijk van het seizoen is het percentage dan hoger of lager ten opzichte van Hm0.

Hm0

= 1,17

1,17 / 100%

=

0,0117

max

= 1,410

1,410 / 0,0117

=

120,5

% t.o.v. Hm0

Hm0min

= 0,942

0,942 / 0,0117

=

80,5

% t.o.v. Hm0

Hm0

De seizoensinvloed is dus, tussen de winter en de zomer, gemiddeld max. +20% of -20% ten opzichte van Hm0.

Golfslagenergie

18


Seizoensinvloed op golfperiode: Seizoensinvloed Tm02 4,9

Tm02 in seconden

4,8 4,7 4,6

Tm02 Gem.

4,5 4,4 4,3 4,2 Jan. + Feb.

Mrt. + Apr.

Mei. + Jun.

Jul. + Aug.

Sep. + Okt

Nov. + Dec.

Maand

De hoogste waarde van Tm02 komt voor in december en de laagste waarde van Tm02 komt voor in juli, respectievelijk: 4,820 seconden en 4,228 seconden. In de winter is Tm02 dus maximaal 4,820 seconden en in de zomer minimaal 4,228 seconden. De seizoensinvloed kan ook uitgedrukt worden in een percentage. Het algemene gemiddelde Tm02 van 4,60 seconden wordt hierbij op 100% gesteld. Afhankelijk van het seizoen is het percentage dan hoger of lager ten opzichte van Tm02.

Tm02

= 4,60

4,60 / 100%

=

0,0460

Tm02

max

= 4,820

4,820 / 0,0460

=

104,8

% t.o.v. Tm02

Tm02

min

= 4,228

4,228 / 0,0460

=

91,9

% t.o.v. Tm02

De seizoensinvloed is dus, tussen de winter en de zomer, gemiddeld max. +5% of -8% ten opzichte van Tm02.

Golfslagenergie

19


Seizoensinvloed op deining: Seizoensinvloed HTE3 0,45 0,4 HTE3 in meters

0,35 0,3

HTE3

0,25

Gem.

0,2 0,15 0,1 Jan. + Feb.

Mrt. + Apr.

Mei. + Jun.

Jul. + Aug.

Sep. + Okt

Nov. + Dec.

Maand

De hoogste waarde van HTE3 komt voor in januari en de laagste waarde van HTE3 komt voor in juli, respectievelijk: 0,415 meter en 0,13 meter. In de winter is HTE3 dus maximaal 0,415 meter en in de zomer minimaal 0,13 meter. De seizoensinvloed kan ook uitgedrukt worden in een percentage. Het algemene gemiddelde HTE3 van 0,28 meter wordt hierbij op 100% gesteld. Afhankelijk van het seizoen is het percentage dan hoger of lager ten opzichte van HTE3.

HTE3 HTE3

max

HTE3

min

= 0,28

0,28 / 100%

= 0,415

0,415 / 0.0028

=

148,2

% t.o.v. HTE3

= 0,13

0,13 / 0.0028

=

46,4

% t.o.v. HTE3

=

0,0028

De seizoensinvloed is dus, tussen de zomer en de winter, gemiddeld max. +48% of -44% ten opzichte van HTE3.

Golfslagenergie

20


4.4 Extremen Tijdens zware stormen kan een Wave Energy Converter blootgesteld worden aan extreme omstandigheden. De extremen in het golfklimaat bepalen onder andere aan welke eisen een WEC moet voldoen om de storm te kunnen overleven. Het is dus belangrijk om te weten welke extremen er bij Ameland voorkomen. De gevonden extremen kunnen een selectiecriterium zijn bij het zoeken naar een geschikte WEC. De belangrijkste extreme is die van de golfhoogte. De extremen van Hm0 worden weergegeven als de kans die ‘1 keer per X jaar’ voorkomt. Voor een WEC is vooral de periode van 10 tot 100 jaar belangrijk in verband met de levensduur van het apparaat. De onderstaande grafiek geeft een indicatie van de extreme Hm0 per windrichting. Het valt op dat de extremen vooral voorkomen bij noordelijke richtingen. Dit is vanzelfsprekend omdat de golven zich vanuit die richtingen over de hele Noordzee op kunnen bouwen. Windrichtingen van 220º tot 020º zijn het gunstigst voor de vorming van hoge golven.

12 10

Hm0 (m)

8 6 4 2 1000 jaar

0 0

40

80 120 160 200 240 280 320 Windrichting (º) 10 jaar

100 jaar

1000 jaar

10 jaar

10.000 jaar

Windrichting in graden 0 10 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 4,21 3,85 3,69 4,31 4,93 5,3 5,5 5,58 5,65 5,67 5,53 5,27 4,92 4,61 Hm0 in meters eens in de 10 jaar

Golfslagenergie

21


5.0 Energie In dit hoofdstuk wordt berekend hoeveel energie in de golven bij meetlocatie SON aanwezig is. Dit gebeurt met behulp van de energieflux. De volgende parameters worden bij de berekeningen gebruikt: Tabel 2: Symbolen en waarden

Symbool

Naam

Waarde

ρ g π Hm0 Tm02 Cg λ

waterdichtheid zwaartekracht pi golfhoogte golfperiode (groep) golfsnelheid (m/s) golflengte (m)

1025 kg/m3 9.81 m/sec2 3.141 1.17 meter 4.60 seconden

5.1 De energieflux De energieflux wordt algemeen gebruikt om aan te geven hoeveel energie, in kW per meter golfkam, een bepaalde locatie aan golfslagenergie te bieden heeft.

Figuur 9: Golfvermogen indicatie

Een voorbeeld van een grote energieflux is te vinden rond de westkust van het Verenigd Koninkrijk. Het zal geen verrassing zijn dat juist daar veel onderzoek naar golfslagenergie wordt gedaan. Golfslagenergie

22


Voor Nederland ligt de energieflux indicatie ergens rond de 5.0 – 15.0 kW/m. Dit is veel lager dan de 60 kW/m die bij het Verenigd Koninkrijk te vinden is. De belangrijkste reden daarvoor is dat de Noordzee klein is. Tegen de tijd dat de golven energie hebben opgebouwd is de kust alweer in zicht. Op de oceaan is veel meer ruimte waardoor de golven zich over een veel langere afstand kunnen ontwikkelen en energie opbouwen voor ze de kust bereiken. De energieflux wordt in de volgende formule uitgedrukt:

Cg

Vergelijking 1: Energieflux

De formule bevat componenten van kinetische energie en van potentieel energie. Een golf bevat namelijk energie in de vorm massa (ρ) die zich horizontaal verplaatst met een bepaalde snelheid (Cg). Ook bevat een golf massa die zich op een bepaalde hoogte (Hm0) bevindt die door de zwaartekracht (g) weer naar beneden wil. Om de optimale energieflux te kunnen berekenen moeten zowel de ‘group velocity’ (Cg), golfsnelheid van een groep golven, als de significantie golfhoogte (Hm0) bekend zijn. Het is verder belangrijk te weten dat Hm0 en Cg beïnvloed worden door de waterdiepte. De formule voor de energieflux geldt daarom alleen voor ‘diep water’. Men spreekt over diep water op het moment dat golven niet meer beïnvloed worden door de waterdiepte. Voor de classificatie diep water geldt als vuistregel: ‘als de waterdiepte groter is dan de helft van de golflengte’. Aangezien de gemiddelde golflengte bij Ameland 33 meter is en de beoogde waterdiepte 19 meter, wordt voldaan aan de vuistregel. Uitwerking:

Wd = 0.5 x λ = 0.5 x 33 = 16.5 meter

Bij een golflengte van 33 meter geldt bij Ameland vanaf 16.5 meter diepte de classificatie ‘diep water’.

Golfslagenergie

23


Omdat Hm0 al bekend is moet alleen Cg nog bepaald worden om de energieflux voor diep water te kunnen berekenen. Cg komt voort uit Cp, de phase velocity van golven. De formule voor Cp: Vergelijking 2: Phase Velocity

Uitwerking:

Cp = (9.81 / (2 x 3.14)) x 4.6 = 7.18 m/s Om van phase velocity Cp naar Cg te komen geldt de volgende formule:

Cg = 0.5 x Cp

Vergelijking 3: Group Velocity

Uitwerking:

Cg = 0.5 x 7.18 = 3.59 m/s De energie flux wordt dan als volgt berekend:

Cg

Vergelijking 4: Energieflux

Uitwerking:

E = 0.125 x 1025 x 9.81 x 1.172 x 3.59 = 6.18 kW per meter Een energieflux, ook wel golfvermogen genoemd, van 6.18 kW/m komt enigszins overeen met de verwachte waarde tussen de 5.0 en 15.0 kW/m. Dit geldt dus voor een waterdiepte vanaf 16.5 meter. De energieflux zal lager zijn bij waterdiepten van minder dan 16.5 meter.

Golfslagenergie

24


De energieflux kan ook bepaald worden met behulp van de tijdsduur dat een specifiek golfklimaat voorkomt. De volgende tabel laat het aantal uren per jaar zien dat een specifiek golfklimaat voorkomt.

Tabel 3: Golfklimaat in uren per jaar

Uren per jaar Tm02 (s)

Hm0 (m) 0.1-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-6

6-7

1-2

0

0

0

0

0

0

0

2-3

246

0

0

0

0

0

0

3-4

2299

281

0

0

0

0

0

4-5

1441

1737

61

0

0

0

0

5-6

411

1025

586

19

0

0

0

6-7

85

107

159

159

15

0

0

7-8

15

5

6

27

46

6

0

8-9

4

0

0

0

4

9

2

Het totale aantal uren in de tabel is 8755 wat 99,94% van het totale aantal uren per jaar is. Het geel gemarkeerde gebied bestaat uit het golfklimaat dat 82% van de tijd (7183 uren) per jaar voorkomt. Het golfklimaat in elke cel in de tabel ligt tussen twee waardes, de minimale en de maximale situatie. Per situatie kan de energieflux worden berekend. Als de minimale en de maximale energieflux per cel vermenigvuldigd wordt met het aantal uren in de betreffende cel dan is de minimale en de maximale opbrengst in kWh per jaar bekend. Als dit voor het gehele geel gemarkeerde gebied wordt uitgevoerd en de waardes voor zowel de minimale situatie als de maximale situatie apart van elkaar opgeteld worden dan is de totale minimale en maximale opbrengst per jaar bekend: • •

Minimaal: Maximaal:

12760 kWh/m per jaar 80997 kWh/m per jaar

Deze getallen representeren de aangeboden energie per meter golfkam die minimaal en maximaal te verwachten is per jaar binnen het 80% bereik.

Golfslagenergie

25


Het gemiddelde tussen het minimale en het maximale resultaat gedeeld door het totale aantal uren, van het gele gebied, geeft de gemiddelde energieflux per jaar. Uitwerking:

(12760 + 80997) / 2 = 46879 kWh/m 46879 / 7183 = 6.52 kW/m De uitkomst van 6.52 kW/m komt redelijk overeen met de gemiddelde energieflux die eerder is vastgesteld (zie 5.1 vergelijking 4). De aangeboden energie is dan gemiddeld per jaar binnen het 80% bereik: •

Gemiddeld: 46833 kWh/m per jaar

5.2 Energieflux per seizoen Als gevolg van de eerder genoemde invloed van seizoenswisselingen op de golfparameters zal ook de energieflux veranderen per seizoen.

E in kW/m

Seizoensinvloed op Energieflux 10 9 8 7 6 5 4 3 Jan. + Feb.

E Gem.

Mrt. + Apr.

Mei. + Jun.

Jul. + Aug.

Sep. + Okt

Nov. + Dec.

Maand

De maximale energieflux komt voor in de winter met een waarde van 9.40 kW per meter golfkam. In de zomer komt de kleinste energieflux voor met een waarde van 3.79 kW per meter golfkam.

Golfslagenergie

26


6.0 Locatie Het kiezen van de juiste locatie voor een WEC is belangrijk. Zo zijn de prestaties van een WEC (deels) afhankelijk van de omstandigheden op de locatie. Maar ook het welzijn van flora en fauna moet gewaarborgd blijven. Een locatie moet daarom met zorg worden gekozen. Omgevingsfactoren bepalen of een locatie geschikt is voor een WEC. Voorbeelden van omgevingsfactoren zijn scheepvaartroutes, beschermde gebieden, waterdiepte, de aanwezigheid van scheepswrakken etc. Daarnaast is er ook een grens van het Nederlandse grondgebied waar rekening mee moet worden gehouden. De volgende kaart geeft een overzicht van een aantal omgevingsfactoren: .

12 mijl grens (22 km) Scheepvaart route (10 km) Vogel Habitat (5.5 km) Eilanden Scheepswrak Zandwinning (7.5 km)

Figuur 10: Omgevingsfactoren

Golfslagenergie

Mogelijke WEC locatie

27


6.1 Omgevingsfactoren Vogels: Het is niet per definitie zo dat Wave Energy Collectors problemen opleveren voor het plaatselijke vogelwelzijn. In hoeverre vogels toch last ondervinden hangt sterk af van het toegepaste type WEC. Onderwater opgestelde WECs zullen veel minder invloed op vogels hebben dan grote drijvende pontonachtige WECs. Desondanks kan, om problemen met de vogelbeschermingrichtlijnen te voorkomen, ervoor gekozen worden om buiten het vogelbeschermingsgebied te blijven. Dit betekent wel automatisch dat een toegepaste WEC zich op minimaal 3 mijl afstand van de kust bevindt. Scheepvaart: Het toepassen van een WEC is niet aan te bevelen in scheepvaartroutes i.v.m. de veiligheid van schepen. De routes liggen ongeveer 10 tot 15 kilometer uit de kust van Ameland. De route loopt niet parallel met het eiland. Territoriale wateren: De territoriale wateren bestrijken het gebied tussen de kust, gerekend vanaf de laagwaterlijn, en de 12 zeemijl (≈ 22 km) grens. Binnen dit gebied geldt de Nederlandse rechtspraak. Tot 200 zeemijl uit de kust geldt de economische zone. Dit gebied valt niet onder de Nederlandse rechtspraak maar Nederland heeft wel recht op de bodemrijkdom zoals zand en gas. Hoewel het misschien mogelijk is om een WEC in de economische zone te plaatsen is dit niet aan te bevelen omdat de afstand tot de kust te groot wordt i.v.m. de kosten van het leggen van een kabel. Het is daarom het meest voor de hand liggend om een WEC toe te passen binnen de territoriale wateren. Zandwinning: Het toepassen van een WEC is niet wenselijk in zandwinningsgebieden. Een WEC zit over het algemeen verankerd aan de bodem. Dit kan mogelijk problemen opleveren bij de veranderende bodemomstandigheden op plaatsen waar zand gewonnen wordt.

Golfslagenergie

28


Waterdiepte: Omdat waterdiepte invloed heeft op het golfklimaat is het een belangrijke factor bij het kiezen van een locatie voor een Wave Energy Converter. De overzichtkaart laat globaal een indicatie zien van verschillende waterdiepten voor de kust van Ameland. De gewenste diepte van minimaal 16.5 meter is zeker te vinden op een niet al te grote afstand van de kust.

Figuur 11: Waterdiepte

Zeebodem: De zeebodem moet geschikt zijn om een WEC aan te verankeren. Of een locatie wel of niet geschikt is hangt af van de samenstelling van de zeebodem.

Figuur 12: Bodemsamenstelling

De zeebodem voor de kust van Ameland bestaat hoofdzakelijk uit zand en zwak grindhoudend zand. Dit biedt over de hele Noordelijke lengte van Ameland prima mogelijkheden om permanente grondankers toe te passen.

Golfslagenergie

29


7.0 Scenario Schets 7.1 Toepassing van de ‘OceanStar’3 Gegevens: •

Breedte ponton: 50 meter

•

Rendement: 25%

•

Max. vermogen: 500 kW

•

Type: Overtopping (zie 2.2.2) De OceanStar is een brede overtopping WEC. De golven slaan over de schans langs

de turbines. De rotors draaien door de stroming, wat energie oplevert. De volgende indicatie laat zien hoe de OceanStar bij Ameland zou presteren. Bij een nominaal golfvermogen van 6.18 kW/m is de aangeboden energie over een breedte van 50 meter:

6.18 kW x 50 m = 309 kW Bij een rendement van 25% is het geabsorbeerde vermogen:

309 x 0.25 = 77 kW Als de OceanStar 90% van de tijd (330 dagen per jaar) operationeel is dan levert deze:

77 kW x 24 x 330 = 609840 kWh per jaar Een gemiddeld huishouden gebruikt in Nederland ongeveer 3500 kWh per jaar. Een OceanStar produceert elektrische energie voor een x aantal huishoudens:

609840 / 3500 kWh ≈ 174 huishoudens 3

Bourneenergy.com

Golfslagenergie

30


7.2 Toepassing van de ‘Surfpower’4 Gegevens: •

Breedte ponton: 25 meter

•

Rendement: 18%

•


•

Type: Drijver (zie 2.2.3) Door de golfbeweging pompt de SurfPower water onder hoge druk naar het

vasteland. Hier wordt het onder druk staande water gebruikt om elektriciteit mee op te wekken. De volgende indicatie laat zien hoe de SurfPower bij Ameland zou presteren. Bij een nominaal golfvermogen van 6.18 kW/m is de aangeboden energie over een breedte van 25 meter:


310 x 0.18 = 28 kW Als de SurfPower 90% van de tijd (330 dagen per jaar) operationeel is dan levert deze:

28 kW x 24 x 330 = 221760 kWh per jaar Een gemiddeld huishouden gebruikt in Nederland ongeveer 3500 kWh per jaar. Een SurfPower produceert elektrische energie voor een x aantal huishoudens:

221760 / 3500 kWh ≈ 63 huishoudens

4

Surfpower.ca

Golfslagenergie

31


7.3 Toepassing van de ‘Wet EnGen’5 Gegevens: •

Breedte ponton: 5 meter breed

•

Rendement 28%

•


•

Type: Drijver (zie 2.2.3) De Wet EnGen bestaat uit een ponton die vast zit aan een lans. Door het

drijfvermogen van de ponton ontstaat een op- en neergaande beweging. Deze beweging wordt omgezet in elektrische energie. De volgende indicatie laat zien hoe de Wet EnGen bij Ameland zou presteren. Bij een nominaal golfvermogen van 6.18 kW/m is de aangeboden energie over een breedte van 5 meter:


31 x 0.28 = 8.7 kW Als de Wet Engen 90% van de tijd (330 dagen per jaar) operationeel is dan levert deze:

8.7 kW x 24 x 330 = 68904 kWh per jaar Een gemiddeld huishouden gebruikt in Nederland ongeveer 3500 kWh per jaar. Een Wet Engen produceert elektrische energie voor een x aantal huishoudens:


5

Waveenergytech.com

Golfslagenergie

32


7.4 Toepassing van de ‘Aegir Dynamo’6 Gegevens: •

Diameter boei: 3 meter

•

Rendement: 93%

•


•

Type: Boei (zie 2.2.3) De Aegir Dynamo is een boei. De verticale beweging van de golven wordt

rechtstreeks omgezet in elektriciteit. Men claimt hierbij een omzettingsrendement te halen van 93%. De volgende indicatie laat zien hoe de Aegir Dynamo bij Ameland zou presteren. Bij een nominaal golfvermogen van 6.18 kW/m is de aangeboden energie over een diameter van 3 meter:

6.18 kW x 3 m = 18.5 kW Bij een rendement van 93 % is het geabsorbeerde vermogen:

18.5 x 0.93 = 17.2 kW Als de Aegir 90% van de tijd (330 dagen per jaar) operationeel is dan levert deze:

17.2 kW x 24 x 330 = 136558 kWh per jaar Een gemiddeld huishouden gebruikt in Nederland ongeveer 3500 kWh per jaar. Een Aegir Dynamo produceert elektrische energie voor een x aantal huishoudens:


6

Oceannavitas.com

Golfslagenergie

33


7.5 Toepassing van de ‘SeaBased AB’7 Gegevens: •

Doorsnede boei: 4 meter

•

Rendement: 20%

•

Max. vermogen: Onbekend

•

Type: Drijver (zie 2.2.3) De SeaBased AB bestaat uit een drijver die verbonden is aan een gefixeerde

generator die op de bodem staat. De drijver beweegt mee met de golven. Die beweging wordt via de kabel overgebracht naar de generator. De volgende indicatie laat zien hoe de SeaBased AB bij Ameland zou presteren. Bij een nominaal golfvermogen van 6.18 kW/m is de aangeboden energie over een diameter van 4 meter:

6.18 kW x 4 m = 24.7 kW Bij een rendement van 20% is het geabsorbeerde vermogen:

24.7 x 0.20 = 5 kW Als de SeaBased AB 90% van de tijd (330 dagen per jaar) operationeel is dan levert deze:

5 kW x 24 x 330 = 39600 kWh per jaar Een gemiddeld huishouden gebruikt in Nederland ongeveer 3500 kWh per jaar. Een SeaBased AB produceert elektrische energie voor een x aantal huishoudens:


7

Seabased.com

Golfslagenergie

34


7.6 Toepassing van de ‘Pelamis’8 Gegevens: •

Lengte: 140 meter

•


•

Type: Onbekend De Pelamis is ontworpen voor de oceanen. Het beoogde nominale golfvermogen

(55 kW/m) is dan ook veel hoger dan die van de Noordzee bij Ameland (6.18 kW/m). Nu volgt een indicatie hoe de Pelamis in de Noordzee bij Ameland zou presteren.

Tpow = 0.857 x Tpeak = 0.857 x 4.6 = 3.94 s Tpow staat voor de Power Period (s). Tpeak is de dominante golfperiode (s).

De Power Matrix laat de opbrengst van de Pelamis zien per Tpow en golfhoogte. Bij Ameland is de Tpow 3.94 (s) en Hsig 1.17 (m). Deze waarden vallen buiten de matrix wat betekent dat de Pelamis ‘idle’ zou zijn, of te wel geen energie opwekt.

8

Pelamiswave.com

Golfslagenergie

35


8.0 Conclusies en Aanbevelingen Het golfklimaat is in kaart gebracht, de omgevingsfactoren zijn verkend en de energiecapaciteit van de Noordzee bij Ameland is berekend. Alle gegevens zijn bekend om de hoofdvraag te kunnen beantwoorden: •

“Is er potentieel voor de winning van golfslagenergie bij Ameland?” Het golfklimaat is de belangrijkste factor bij het beantwoorden van deze vraag. Het

bepaalt hoeveel golfslagenergie er beschikbaar is. Aan de hand van de metingen op meetlocatie SON is vastgesteld dat het gemiddelde golfklimaat voor Ameland is opgebouwd uit de volgende waarden: Hm0 = 1.17 meter, Tm02 = 4.60 seconden en HTE3 = 0.28 meter. Dit resulteert in een gemiddeld golfvermogen van 6.18 kW/m. In de wereld van de golfslagenergie valt een gemiddeld golfvermogen van 6.18 kW/m onder de classificatie ‘laag’. De meerderheid van de WECs die ontwikkeld worden, werken allemaal met een nominaal golfvermogen vanaf 10 kW/m. De reden hiervoor heeft vooral een economische achtergrond. Het is commercieel (nog) niet haalbaar om WECs rendabel te krijgen in een golfklimaat met lage golfvermogens. Omdat dit onderzoek geen economische inslag heeft is het potentieel van golfslagenergie voor Ameland vooral belangrijk in de zin van golfvermogen. Een gemiddeld golfvermogen van 6.18 kW/m levert op jaarbasis (8760 uren) 54 MWh aan golfslagenergie per meter golfkam. Op elke meter golfkam wordt genoeg energie aangeboden voor 15 huishoudens (per huishouden 3500 kWh per jaar). Ondanks het lage golfvermogen is dit nog steeds een aanzienlijke hoeveelheid energie. Het

golfvermogen

kan

per

seizoen

sterk

variëren.

Dit

komt

omdat

seizoenswisselingen invloed hebben op de golfparameters. Hm0 kent een fluctuatie van max. +20% en -20% ten opzichte van het jaarlijkse gemiddelde. Tm02 kent een fluctuatie van max. +5% en -8% ten opzichte van het jaarlijkse gemiddelde. HTE3 fluctueert het sterkst met max. +48% en -44%.

Golfslagenergie

36


Het golfvermogen schommelt hierdoor mee met de verandering van de seizoenen. Dit is een logisch gevolg van de verschillende weersomstandigheden per seizoen. De fluctuaties geven een goede indicatie van het gemiddelde golfklimaat dat minimaal en maximaal te verwachten is. Door deze minima en maxima uit te drukken in golfvermogen wordt duidelijk hoezeer het golfvermogen daadwerkelijk verandert per seizoen. In verband met het toerisme op Ameland is het verschil tussen zomer en winter het interessantst. Het minimale golfvermogen in de zomer is 3.79 kW/m terwijl het maximale golfvermogen in de winter 9.40 kW/m is. Uitgaande van deze twee uitersten valt te concluderen dat de zee in de zomer veel minder energie heeft te bieden dan in de winter. De genoemde golfvermogens gelden alleen in diepwater. Ondiep water beperkt de golfsnelheid Cg waardoor het golfvermogen afneemt. De minimale diepte waarbij de golfsnelheid niet beperkt wordt is daarom gesteld op 16.5 meter. Een waterdiepte van meer dan 16.5 meter zal een gunstig effect hebben op het golfvermogen. Dit is echter pas merkbaar wanneer het water tientallen meters diep is. Omdat de golfparameters gemeten zijn bij een waterdiepte van 20 meter wordt deze diepte als ideaal beschouwd. Enkele meters diepteverschil zullen naar verwachting echter geen merkbaar effect hebben op de prestaties van een WEC. Naast de waterdiepte zijn er nog een aantal factoren die belangrijk zijn bij de locatie keuze. Het is aan te bevelen een WEC buiten scheepvaartroutes, vogelhabitatten, en zandwinningsgebieden te plaatsen, maar binnen de territoriale wateren. Een mogelijke locatie ligt daardoor op minimaal 5.5 kilometer en maximaal op 22 kilometer afstand van het eiland. Dicht bij het eiland is gunstig in verband met het leggen van een onderzeese elektriciteitskabel. Verderaf van het eiland is gunstig door het voorkomen van grotere golfvermogens.

Een

mogelijke

locatie

ligt

tussen

de

vogelhabitat

en

een

zandwinningsgebied op een afstand van minimaal 5.5 kilometer en maximaal 7.5 kilometer.

Golfslagenergie

37


Als de WECs uit de scenarioschets in het golfklimaat bij Ameland geplaatst worden op de eerder genoemde locatie, dan geeft dat een indicatie van de mogelijkheden van golfslagenergie voor Ameland. Tabel 4: Opbrengst WECs

Opbrengst in MWh per jaar

OceanStar SurfPower Aegir Dynamo Wet EnGen SeaBased AB Pelamis

Ameland 610 222 136 69 40 0

Ideaal 1796 1000 * 180 72 63 2700 *

Opbrengst in aantal huishoudens (3500 kWh) Ameland 174 63 38 19 11 0

Ideaal 513 285 51 21 18 771

Genoemde WECs zijn allen prototypen behalve de Pelamis. De gebruikte getallen in de kolom ‘ideaal’ zijn daarom schattingen. Alleen van de SurfPower en de Pelamis zijn fabrieksgegevens beschikbaar en toegepast. Aan de hand van tabel 4 kan geconcludeerd worden dat de opbrengsten van de genoemde WECs vrij laag zullen zijn in het golfklimaat bij Ameland. De WECs zijn ontworpen voor een golfklimaat die in de tabel ‘ideaal’ wordt genoemd. Het is duidelijk dat dit ideale golfklimaat niet voor elke WEC aanwezig is voor de kust van Ameland. Vooral grote WECs zoals de OceanStar, Pelamis en de SurfPower zullen naar verwachting aanzienlijk onder hun eigen kunnen presteren. De kleinere WECs zoals de Aegir Dynamo, Wet EnGen en de SeaBased AB komen beter tot hun recht. Het verschil tussen de opbrengsten in het ideale golfklimaat en het golfklimaat bij Ameland is bij deze WECs gering. Zowel economisch als technisch gezien, o.a. terugverdientijd en werkefficiëntie, is het gunstig dat een WEC zo goed mogelijk in het beoogde golfklimaat past. Ondanks dat de kleine WECs veel minder opbrengen dan de grote WECs zijn de kleintjes wel de beste optie voor Ameland. Door het toepassen van meerdere kleine WECs is de productiecapaciteit overigens vrij gemakkelijk te verhogen.

*

fabrieksopgave

Golfslagenergie

38


Een WEC die speciaal ontworpen of geconfigureerd is voor een bepaald golfklimaat, zoals dat bij Ameland, zal naar verwachting het beste presteren. Voor de ideale Amelander WEC gelden een aantal aanbevelingen.

Het is aan te bevelen om een WEC te plaatsen die geconfigureerd is voor het 80% bereik (zie 4.2). Hierdoor zal de WEC het meest efficiënt kunnen werken. Het 80% bereik is als volgt opgebouwd: 0.38 ≥ Hm0 ≤ 2.18 m, 3.4 ≥ Tm02 ≤ 5.9 s en 0.05 ≥ HTE3 ≤ 0.57 m. De WEC moet bestand zijn tegen extreme omstandigheden binnen het golfklimaat. De WEC hoeft niet werkzaam te zijn tijdens deze omstandigheden maar moet dit wel kunnen overleven. Voor de kust van Ameland geldt dat een WEC eens in de 10 jaar een Hm0 van 5.67 meter moet kunnen overleven, en eens in de 100 jaar een Hm0 van 7.41 meter. Deze waardes zijn theoretische schattingen en gelden voor de ideale waterdiepte van 20 meter. De golven binnen het 80% bereik komen uit een richting tussen de 240 – 60 graden. Sommige WECs moeten zodanig gepositioneerd worden dat ze recht in de baan van de golven liggen. In die situatie is het verstandig om een WEC zodanig te positioneren dat golven uit de richting 240 – 60 graden optimaal benut worden.

Tot slot het antwoord op de hoofdvraag. Ondanks dat het golfvermogen bij Ameland vrij laag is, vergeleken met bijvoorbeeld de westkust van het Verenigd Koninkrijk, is er een aanzienlijke hoeveelheid energie beschikbaar. Het vinden van een goede locatie zal ook weinig problemen opleveren aangezien er genoeg ruimte is binnen de gestelde voorwaarden. Er is dus zeker potentieel voor het winnen van golfslagenergie bij Ameland.

Golfslagenergie

39


Het enige obstakel daarbij is de winning zelf. Er zijn op dit moment nagenoeg geen WECs commercieel beschikbaar voor het betreffende golfklimaat. Van de genoemde WECs is alleen de Pelamis commercieel op de markt te verkrijgen. Dit komt omdat de markt voor golfslagenergie behoorlijk achter loopt vergeleken met bijvoorbeeld windenergie. De ontwikkelingen gaan weliswaar snel en er wordt veel onderzoek gedaan maar het kan nog wel 10 jaar duren voordat golfslagenergie op hetzelfde niveau is als windenergie. Op dit moment is het dus nog niet mogelijk om golfslagenergie te winnen bij Ameland. Het is echter aan te bevelen om de ontwikkelingen op gebied van golfslagenergie goed in de gaten te houden. Naar verwachting zal op de lange termijn een WEC commercieel beschikbaar komen die ontworpen is voor de omstandigheden zoals die bij Ameland. Het is wellicht ook mogelijk om Ameland als testlocatie aan te bieden aan bedrijven die WECs ontwikkelen zodat op een kortere termijn toch golfslagenergie uit de Noordzee benut kan worden (zie ook 10.2 Bijlage III - Inventarisatie WECs). Zowel in de toekomst als in de nabije toekomst, zijn er zeker mogelijkheden voor de winning van golfslagenergie uit de Noordzee bij Ameland.

Golfslagenergie

40


9.0 Bronnen 9.1 Internet: •

www.golfklimaat.nl

Database van Rijkswaterstaat

•

www.worldenergy.org

World Energy Council

•

www.cia.gov

Fact Book van de CIA

•

www.wavegen.co.uk

OWC Limpet

•

www.wavedragon.net

Wave Dragon

•

www.oceanpowertechnologies.com OPT Powerbuoy

•

www.wave-energy.centre.org

Promotie van golfslagenergie

•

www.actuelewaterdata.nl

Actuele waterdata MVW

•

peswiki.com

Pure Energy Systems

•

www.eu-oea.com

European Ocean Energy Association

•

www.carbontrust.co.uk

Organisatie t.b.v. terugbrengen CO2 uitstoot

•

www.emec.org.uk

European Marine Energy Centre

•

www.seafriends.org.nz

Informatie over zeeën, golven etc.

•

www.vlaamsehydrografie.be

Golftheorie

•

www.coastal.udel.edu

University of Delaware Coastal Research

•

www.zeeinzicht.nl

Digitale encyclopedie

•

www.hmc-noordzee.nl

Hydro Meteo Centrum RWS

•

www.watermarkt.nl

Kust en Zeebodem RWS

•

mapserver.waddenzee.nl

Digitale kaart van de Waddenzee

•

www.esru.strath.ac.uk

Beginnersguide Renewables

Golfslagenergie

41


9.2 Literatuur: •

Introduction to physical oceanography Robert H. Stewart Texas A&M University

•

A radically Modern Approach to Introductory Physics David J. Raymond New Mexico Tech.

•

Linear Wave Theory Part A Harald E. Krogstad en Øivind A. Arntsen Norwegian University of Science and Technology

•

Technology White Paper on ‘wave energy potential on the U.S Outer continental shelf’

•

Future Marine Energy Carbontrust UK 2006

•

Potentieel voor energieopwekking uit getijden in de Westerschelde Delta Energy BV 2004

•

Vogel- en Habitatrichtlijn in de Noordzee N.M.J.A. Dankers, M.F. Leopold, C.J. Smit Alterra, Wageningen 2003

•

Wave Energy Utilization in Europe Center for Renewable Energy Sources (CRES)

•

Wave Energy Coastal Waves Primer R. Budd NIWA 2004

•

Windturbineparken Rijkswaterstaat Noordzee Oktober 2007

Golfslagenergie

42


10.0 Bijlage I – 80% bereik

Overschrijdingsverdeling in %

Overschrijdingsverdeling Hm0 100 96 92 88 84 80 76 72 68 64 60 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0

≈ 90%

≈ 10%

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 Hm0 in meters

De overschrijdingsverdeling laat zien dat golfhoogtes van 4.5 meter of meer, minder dan 1% van de tijd voorkomen. Een golfhoogte van 0 meter wordt 100% van de tijd overschreden. De q10% en q90% waarden markeren de buitengrenzen van de grafiek. Tussen deze waarden zit het golfklimaat dat 80% van de tijd te verwachten is. In de volgende spreidingsgrafieken wordt precies duidelijk tussen welke waarden dit is.

Golfslagenergie

43


Overschrijdingsverdeling Tm02 100 96 92

≈ 90%

88 84 80 76 72 Overschrijdingsverdeling in %

68 64 60 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12

≈ 10%

8 4 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Tm02 in seconden

De overschrijdingsverdeling laat zien dat golfperioden van 7.5 seconden of meer, minder dan 1% van de tijd voorkomen. Een golfperiode van 2.5 seconden wordt 100% van de tijd overschreden.

Golfslagenergie

44


Overschrijdingsverdeling HTE3 100 96 ≈ 90%

92 88 84 80 76 72 Overschrijdingsverdeling in %

68 64 60 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20 16 ≈ 10%

12 8 4 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

HTE3 in meters

De overschrijdingsverdeling laat zien dat een deining van 2.4 meter of meer, minder dan 1% van de tijd voorkomen. Een deining van 0.0 meter wordt 100% van de tijd overschreden.

Golfslagenergie

45


10.1 Bijlage II – Gebruikte getallen SON •

Gebruikte getallen Hm0

Kengetal gemiddelde voor Hm0, periode jaar ;1979;1980;1981;1982;1983;1984;1985;1986;1987;1988;1989;1990;1991;1992;1 993;1994;1995;1996;1997;1998;1999;2000;2001;2002; son; 1.156; 1.182; 1.197; 1.060; 1.243; 1.149; 1.115; 1.195; 1.069; 1.289; 1.180; 1.306; 1.159; 1.194; 1.225; 1.197; 1.248; 1.096; 1.024; 1.254; 1.174; 1.159; 1.154; 1.085; Kengetal q10% voor Hm0, period jaar ;1979;1980;1981;1982;1983;1984;1985;1986;1987;1988;1989;1990;1991;1992;1 993;1994;1995;1996;1997;1998;1999;2000;2001;2002; son; 1.950; 2.230; 2.330; 2.000; 2.390; 2.090; 2.070; 2.170; 1.970; 2.310; 2.180; 2.400; 2.170; 2.180; 2.300; 2.210; 2.290; 1.990; 1.960; 2.300; 2.110; 2.150; 2.140; 1.930; Kengetal q90% voor Hm0, period jaar ;1979;1980;1981;1982;1983;1984;1985;1986;1987;1988;1989;1990;1991;1992;1 993;1994;1995;1996;1997;1998;1999;2000;2001;2002; son; 0.510; 0.390; 0.370; 0.330; 0.440; 0.400; 0.400; 0.390; 0.350; 0.450; 0.390; 0.380; 0.390; 0.400; 0.390; 0.400; 0.390; 0.330; 0.350; 0.430; 0.390; 0.440; 0.380; 0.390;

•

Gebruikte getallen Tm02

Kengetal gemiddelde voor Tm02, periode jaar ;1979;1980;1981;1982;1983;1984;1985;1986;1987;1988;1989;1990;1991;1992;1 993;1994;1995;1996;1997;1998;1999;2000;2001;2002; son; 4.915; 4.622; 4.671; 4.511; 4.698; 4.543; 4.558; 4.619; 4.562; 4.643; 4.569; 4.662; 4.638; 4.649; 4.616; 4.588; 4.650; 4.563; 4.455; 4.640; 4.546; 4.519; 4.485; 4.390; Kengetal q10% voor Tm02, period jaar ;1979;1980;1981;1982;1983;1984;1985;1986;1987;1988;1989;1990;1991;1992;1 993;1994;1995;1996;1997;1998;1999;2000;2001;2002; son; 6.000; 6.000; 6.000; 5.800; 6.100; 5.800; 5.800; 5.800; 5.700; 5.900; 5.800; 5.900; 5.900; 5.900; 5.900; 5.900; 5.900; 5.800; 5.700; 5.900; 5.800; 5.800; 5.800; 5.500; Kengetal q90% voor Tm02, period jaar ;1979;1980;1981;1982;1983;1984;1985;1986;1987;1988;1989;1990;1991;1992;1 993;1994;1995;1996;1997;1998;1999;2000;2001;2002; eld; 4.000; 3.600; 3.600; 3.500; 3.700; 3.700; 3.700; 3.700; 3.800; 3.800; 3.700; 3.600; 3.600; 3.600; 3.500; 3.600; 3.600; 3.600; 3.500; 3.700; 3.600; 3.600; 3.500; 3.500;

Golfslagenergie

46


•

Gebruikte getallen HTE3

Kengetal gemiddelde voor HTE3, periode jaar ;1979;1980;1981;1982;1983;1984;1985;1986;1987;1988;1989;1990;1991;1992;1 993;1994;1995;1996;1997;1998;1999;2000;2001;2002; son; 0.273; 0.306; 0.322; 0.268; 0.337; 0.267; 0.272; 0.253; 0.235; 0.327; 0.277; 0.346; 0.279; 0.275; 0.309; 0.276; 0.304; 0.217; 0.221; 0.289; 0.293; 0.286; 0.280; 0.230; Kengetal q10% voor HTE3, period jaar ;1979;1980;1981;1982;1983;1984;1985;1986;1987;1988;1989;1990;1991;1992;1 993;1994;1995;1996;1997;1998;1999;2000;2001;2002; son; 0.470; 0.640; 0.730; 0.500; 0.720; 0.530; 0.530; 0.540; 0.510; 0.650; 0.530; 0.660; 0.540; 0.550; 0.600; 0.560; 0.630; 0.460; 0.460; 0.620; 0.590; 0.570; 0.550; 0.450; Kengetal q90% voor HTE3, period jaar ;1979;1980;1981;1982;1983;1984;1985;1986;1987;1988;1989;1990;1991;1992;1 993;1994;1995;1996;1997;1998;1999;2000;2001;2002; son; 0.090; 0.040; 0.050; 0.050; 0.050; 0.050; 0.050; 0.050; 0.050; 0.050; 0.060; 0.040; 0.060; 0.040; 0.040; 0.040; 0.040; 0.040; 0.040; 0.040; 0.040; 0.060; 0.050; 0.040;

•

Gebruikte getallen m.b.t. seizoensinvloed Hm0 + Tm02 + HTE3

Kengetallen: gemiddelde voor alle parameters. periode januari - februari Hm0;HTE3;Tm02; SON; 1.367; 0.415; 4.812 maart - april Hm0;HTE3;Tm02; SON; 1.122; 0.308;

4.666;

mei- juni Hm0;HTE3;Tm02; SON; 0.942; 0.150;

4.357;

juli - augustus Hm0;HTE3;Tm02; SON; 0.958; 0.126;

4.288;

september - oktober Hm0;HTE3;Tm02; SON; 1.238; 0.295;

4.641;

november - december Hm0;HTE3;Tm02; SON; 1.410; 0.397;

4.824;

Golfslagenergie

47


•

Gebruikte getallen m.b.t. overschrijdingskansverdelingen

Overschrijdingskansverdeling van Hm0, periode jaar ; 0.00; 0.50; 1.00; 1.50; 2.00; 2.50; 3.00; 3.50; 4.00; 4.50; 5.00; 5.50; 6.00; 6.50; 7.00; 7.50; 8.00; 8.50; 9.00; 9.50;10.00; son;100.000; 82.579; 48.615; 25.523; 12.590; 6.226; 3.320; 1.849; 0.965; 0.469; 0.224; 0.116; 0.047; 0.030; 0.014; 0.004; 0.001; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; Overschrijdingskansverdeling van Tm02, periode jaar ; 0.00; 0.50; 1.00; 1.50; 2.00; 2.50; 3.00; 3.50; 4.00; 4.50; 5.00; 5.50; 6.00; 6.50; 7.00; 7.50; 8.00; 8.50; 9.00; 9.50;10.00;10.50;11.00;11.50;12.00; son;100.000;100.000;100.000;100.000; 99.999; 99.927; 97.197; 85.773; 67.750; 48.322; 30.781; 16.105; 7.472; 3.301; 1.480; 0.646; 0.292; 0.107; 0.058; 0.023; 0.003; 0.001; 0.001; 0.000; 0.000; Overschrijdingskansverdeling van HTE3, periode jaar ; 0.00; 0.10; 0.20; 0.30; 0.40; 0.50; 0.60; 0.70; 0.80; 0.90; 1.00; 1.10; 1.20; 1.30; 1.40; 1.50; 1.60; 1.70; 1.80; 1.90; 2.00; 2.10; 2.20; 2.30; 2.40; 2.50; 2.60; 2.70; 2.80; 2.90; 3.00; 3.10; 3.20; 3.30; 3.40; 3.50; 3.60; 3.70; 3.80; 3.90; 4.00; 4.10; 4.20; 4.30; 4.40; 4.50; 4.60; 4.70; 4.80; 4.90; 5.00; 5.10; 5.20; 5.30; 5.40; 5.50; 5.60; 5.70; 5.80; 5.90; 6.00; 6.10; 6.20; 6.30; 6.40; 6.50; 6.60; 6.70; 6.80; 6.90; 7.00; 7.10; 7.20; 7.30; 7.40; 7.50; 7.60; 7.70; 7.80; 7.90; 8.00; 8.10; 8.20; 8.30; 8.40; 8.50; 8.60; 8.70; 8.80; 8.90; 9.00; 9.10; 9.20; 9.30; 9.40; 9.50; 9.60; 9.70; 9.80; 9.90;10.00; son;100.000; 66.136; 40.187; 25.597; 16.908; 11.910; 8.937; 7.054; 5.862; 4.920; 4.245; 3.699; 3.261; 2.925; 2.627; 2.364; 2.139; 1.908; 1.747; 1.567; 1.429; 1.278; 1.156; 1.072; 0.938; 0.828; 0.730; 0.650; 0.578; 0.525; 0.478; 0.419; 0.365; 0.319; 0.287; 0.242; 0.215; 0.190; 0.165; 0.153; 0.127; 0.107; 0.101; 0.086; 0.074; 0.066; 0.056; 0.051; 0.041; 0.039; 0.037; 0.037; 0.033; 0.031; 0.029; 0.024; 0.021; 0.021; 0.019; 0.013; 0.010; 0.006; 0.006; 0.004; 0.003; 0.003; 0.001; 0.001; 0.001; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000; 0.000;

Golfslagenergie

48


10.2 Bijlage III – Inventarisatie WECs

Golfslagenergie

49

Een onderzoek naar: Het potentieel voor de winning van golfslagenergie in de Noordzee bij Ameland

Recommend Documents