GETIJCENTRALE IN DE BROUWERSDAM EEN VERKENNENDE STUDIE
Concept Eindrapport mei 2008
Prof. drs. ir. J. K. Vrijling Ir. J. van Duivendijk Dr. ir S. N. Jonkman Alexandre Gilles Leslie F. Mooyaart
INHOUDSOPGAVE
SAMENVATTING ........................................................................................................................................ 3 1.
INLEIDING .......................................................................................................................................... 4
2.
HET KADER VAN DE OPDRACHT ............................................................................................... 6 2.1 2.2
3.
AANPAK VAN DE STUDIE, GEGEVENS EN RAND VOORWAARDEN .............................. 10 3.1 3.2
4.
DE ONTWIKKELINGSSCHETS ‘ZICHT OP DE GREVELINGEN’ ............................................................ 6 DE VERKENNING ‘GREVELINGEN W ATER EN GETIJ’........................................................................ 7
AANPAK VAN DE STUDIE ................................................................................................................ 10 GEGEVENS EN RANDVOORWAARDEN ............................................................................................ 11
HET MODEL MET RESULTATEN VAN DE BEREKENINGEN............................................... 12 4.1 DOEL .............................................................................................................................................. 12 4.2 CONSTANTEN ................................................................................................................................. 12 4.3 TOELICHTING OP WERKING VAN HET MODEL ................................................................................. 12 4.4 GETIJDEN ....................................................................................................................................... 14 4.5 DEBIET VERSUS ENERGIE .............................................................................................................. 17 4.6 VERSCHIL IN ENERGIE-OPBRENGSTEN DOOR ANDERE EINDWATERSTAND ................................... 23 4.6.1 Eb- en vloed-centrales ...................................................................................................... 23 4.6.2 TT-centrale.......................................................................................................................... 27 4.6.3 Conclusies t.a.v. een verandering van de eind- of midden-waterwaterstand ........... 29 4.7 BEPERKINGEN MODEL .................................................................................................................... 30
5.
ONTWERP VAN DE GETIJCENTRALE...................................................................................... 31 5.1 ONTWERPPARAMETERS ................................................................................................................. 31 5.1.1 Lokaties ............................................................................................................................... 31 5.1.2 Gebruik en/of aanpassing bestaande constructies ....................................................... 32 5.1.3 De Brouwersdam als waterkering.................................................................................... 36 5.1.4 De Brouwersdam als verkeersweg.................................................................................. 36 5.1.5 Uitvoeringsaspecten .......................................................................................................... 36 5.1.6 De Centrale......................................................................................................................... 37 5.2 SCHETSONTWERPEN VAN DE TURBINE-EENHEDEN ....................................................................... 40 5.3 BOUWKOSTEN ................................................................................................................................ 44 5.3.1 Turbines............................................................................................................................... 45 5.3.2 De kosten van de civiele en electro-mechanische werken.......................................... 47
6.
ECONOMISCHE ANALYSE .......................................................................................................... 49 6.1 EEN EERSTE POGING TOT OPTIMALISATIE ..................................................................................... 49 6.2 TOEDELING VAN DE KOSTEN .......................................................................................................... 51 6.3 KOSTEN-BATEN ANALYSE .............................................................................................................. 53 6.3.1 Uitgangspunten .................................................................................................................. 53 6.3.2 Berekeningen...................................................................................................................... 54 6.3.3 Resultaten voor de verschillende Alternatieven ............................................................ 57
7.
CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN ........................................................................................ 59 7.1 7.2
CONCLUSIES .................................................................................................................................. 59 AANBEVELINGEN ............................................................................................................................ 60
1
BIJLAGE A................................................................................................................................................. 61 TOELICHTING OP HET GEBRUIKTE MODEL EN DE MOGELIJKE CONFIGURATIES BIJ GETIJCENTRALES .................................................................................................................................. 61 A.1 ENERGIEWINNING UIT HET GETIJ ................................................................................................... 61 A.1.1 Het principe......................................................................................................................... 61 A.1.2 Getij op zee......................................................................................................................... 64 A.2 HET MODEL .................................................................................................................................... 65 A.2.1 Inleiding ............................................................................................................................... 65 A.2.2 Toelichting op de werking van het model ....................................................................... 66 A.3 DE GETIJCENTRALE ........................................................................................................................ 70 A.3.1 Typen getijcentrales........................................................................................................... 70 A.3.2 Energie opbrengsten ......................................................................................................... 71
2
SAMENVATTING DELTA NV heeft in december 2007 opdracht gegeven aan de TU Delft, Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen, voor het verrichten van een verkennende studie naar de mogelijkheden van energiewinning bij introductie van een (gedempt) getij op het Grevelingenmeer. De studie past in de beleidsvoornemens van het Natuur- en Recreatieschap de Grevelingen om door een aanpassing aan de Brouwersdam, bij voorkeur in de vorm van een grotere doorstroomopening, meer dynamiek in het Grevelingenmeer te brengen. Er is gesuggereerd in dit verband om het noordelijke deel van de Brouwersdam om te bouwen, eventueel tot getijcentrale annex stormvloedkering De verkennende studie heeft middels simulatie in een model uitgewezen dat het mogelijk is om bij de Brouwersdam energie uit het getij te winnen met een jaarlijkse opbrengst van 145 to 392 GWh. De omvang van de opbrengst is afhankelijk van de totale doorsnede van de doorlaatopening en de toelaatbare peilvariatie (gedempt getij, tot een maximum van 1,50 m) op de Grevelingen. Het type centrale, werkend op de eb, de vloed of tweezijdig turbinerend (TT), speelt hierbij ook een rol. Er is ruimte aanwezig in de Brouwersdam voor het plaatsen van turbine- en sluiseenheden zowel in het noordelijk als het zuidelijk deel respectivelijk over lengten van ruim 800 en 550 m. Hierbij zullen de constructies in het damlichaam, die indertijd zijn aangebracht voor de afsluitingswerken in de zeventiger jaren van de vorige eeuw, geheel of gedeeltelijk moeten worden verwijderd. Dit betreft doorlaatcaissons, blokkendam, drempels en bodemverdedigingen. Sluiseenheden zijn vereist bij eb- en vloedcentrales. Zij kunnen separaat of boven op de turbines worden gebouwd. Ook kan men turbines in twee lagen plaatsen. Vooralsnog is er vanuigegaan dat een laagvervalturbine een maximale diameter heeft van 3,5 m. Afhankelijk van het onderzochte Alternatief zouden 70 tot 186 turbines worden geplaatst. Bij de berekening van de bouwkosten van de getijcentrale is er vanuit gegaan dat alle kosten die direkt betrekking hebben op het her-introduceren van een gedempt getij op de Grevelingen ten laste komen van derden. Op deze wijze worden bouwkosten berekend voor de getijcentrale die, afhankelijk van het betreffende Alternatief, varieren van. 170 tot 460 miljoen euro. Een economische analyse wijst uit dat, gegeven genoemde energie-opbrengsten en bouwkosten de ‘break-even’ prijs per kWh varieert van 6 tot 9 eurocent, één en ander afhankelijk van het gekozen Alternatief .
3
1.
Inleiding
In december 2007 heeft DELTA NV opdracht gegeven aan de TU Delft, Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen, voor het verrichten van een verkennende studie naar de mogelijkheden van energiewinning bij introductie van een (gedempt) getij op het Grevelingenmeer. De volgende aspecten zouden tijdens deze verkennende studie worden bestudeerd:
-
De energie-opbrengst bij een te introduceren getijverschil op de Grevelingen van maximaal 1,50 m; hierbij zou worden uitgegaan van energieopwekking tijdens vloed op de Noordzee; de berekeningen zouden worden gedaan op basis van een kombergingsmodel.
-
De mogelijkheden die er reëel bestaan om een gedeelte van de huidige Brouwersdam om te bouwen tot een getijcentrale annex spuisluis die als waterkering dezelfde veiligheid biedt als de huidige kering. Er werd gesuggereerd dat het wellicht mogelijk zou zijn om in dit stadium een zeer globale indicatie te geven van de hieraan verbonden kosten.
-
De karakteristieken en aantal van de turbines die in een dergelijke getijcentrale zouden moeten worden geplaatst.
-
De hoofdmaten van de spuisluis die, tijdens eb, mogelijkerwijs in samenwerking met de turbines van de getijcentrale in vaanstand, het Grevelingen-bassin weer op het gewenste lage aanvangspeil voor energie-opwekking moet brengen.
-
Een voorlopige economische berekening (er van uitgaande dat de benodigde gegevens ter beshikking zouden komen) om te kunnen nagaan welke waarden van ingevoerde parameters de uitkomst het meest beïnvloeden. Tevens zou een eerste indicatie worden gegeven van een (mogelijk) economisch optimale configuratie (d.w.z. een configuratie met de beste balans tussen aanlegkosten en baten aan energie opbrengst).
Bij de aanvang van de studie is een zogenamde kick-off meeting (op 11 februari 2008) gehouden in het kantoor van DELTA NV te Middelburg. Op 4 maart j.l heeft het teamlid Moyaart deelgenomen aan de brainstorm- sessie die werd georganiseerd door Rijkswaterstaat Zeeland als input voor de, door de laatst genoemde, gestarte Verkenning ‘ Grevelingen Water en Getij’.
4
Op 31 maart j.l werd een Interimrapport uitgebracht waarin een kort overzicht werd gegeven van de tot tijdstip verrichte werkzaamheden terwijl ook enige voorlopige conclusies werden getrokken.
5
2.
Het kader van de opdracht
2.1
De Ontwikkelingsschets ‘Zicht op de Grevelingen’
In de Ontwikkelingsschets ‘Zicht op de Grevelingen’ (15-06-06)1 presenteert het Natuuren Recreatieschap de Grevelingen zijn beleidsvoornemens t.a.v de toekomst van het Grevelingenmeer. In de Ontwikkelingschets wordt o.a gesteld: “Op dit moment is de Delta onvoldoende toegerust om te kunnen reageren op klimatologische veranderingen als zeespiegelstijging en verhoogde rivierwaterafvoer. De waterkwaliteit is in een aantal gebieden slecht of toont verschijnselen die op verval duiden. Ook de aan een zeecultuurlandschap verbonden ambachten gingen en gaan in aantal en belang snel achteruit. Weliswaar deed het toerisme opgang, maar de concurrentie is groot - zeker na de éénwording van Duitsland. Zowel het ecologisch als het economisch perspectief van de Delta staat onder druk. Voor de Grevelingen zal indien geen maatregelen worden genomen, de waterkwaliteit achteruitgaan en wordt flora en fauna negatief beïnvloed. Vanuit een voorzorg beginsel is nu handelen noodzaak. Daarnaast is leefbaarheid van de regio door het gebrek aan economisch perspectief een knelpunt.” ------------------------------------------------------------------------------------------------“Sinds eind 2000 is de Europese Kaderrichtlijn Water (KRW) van kracht. Die moet ervoor zorgen dat de kwaliteit van het oppervlakte- en grondwater in Europa in 2015 op orde is. De Grevelingen valt onder stroomgebieddistrict Schelde en is met deze opgave belast. De uitvoering van de KRW vraagt een grote inspanning van verschillende partijen op internationaal, nationaal en regionaal niveau. In dat kader heeft de Deltaraad in 2003 een integrale visie voor de Deltawateren opgesteld, genaamd “Delta Inzicht”. Hierin staat dat de Delta, waar de Grevelingen onderdeel van uitmaakt, dynamischer moet worden. “Van mozaiek naar aquarel”, is het nieuwe adagium. De vraag is of het mogelijk is om aan deze opgave te voldoen, met behulp van het terugbrengen van gedempt getij. De visie maakt duidelijk dat met de Grevelingen een nieuw tijdperk moet worden ingegaan. Dit betekent dat er met volledig behoud van de veiligheid meer water moet gaan stromen (dynamiek), zodat kleinschaligheid en compartimentering in het gebied worden beëindigd (creëren van robuust systeem). In dit deelrapport zal de verkenning naar herstel van dynamiek met behulp van gedempt getij nader toegelicht worden.” -------------------------------------------------------------------------------------------------1
Zie www.zichtopdegrevelingen.nl
6
“Het natuurlijke peilverloop in de Grevelingen (voordat het een meer werd) was eb en vloed, zoals overal langs de kust. Streven naar een volledige situatie van eb en vloed zou het volledig openen van de Brouwersdam betekenen en dat is geen reële optie. De Grevelingen weer onderdeel laten uitmaken van het grote watersysteem, de delta, zou in extreme vorm betekenen dat zowel een groot doorlaatmiddel in de Brouwersdam komt (richting Voordelta), als in de Grevelingendam (richting Oosterschelde en in de toekomst naar rivieren via Volkerak-Zoommeer). Dat einddoel kan in drie fasen worden gevonden. In de eerste fase stroomt alleen water heen en weer door de Brouwersdam en Grevelingendam via de hevel; in de tweede fase kan er zoet water uit het Volkerak-Zoommeer richting Grevelingen stromen; in de derde fase stroomt het beide kanten op. In de visie wordt met name gesproken over deze eerste fase, een doorlaatopening in de Brouwersdam. Om voor de energiehuishouding een bijdrage te leveren is het wenselijk dat er op den duur een getijcentrale komt, waarmee onder normale omstandigheden van getijstromen door laagvervalturbines energie kan worden opgewekt.” --------------------------------------------------------------------------------------------------“Voorlopig alleen de ingebruikname van de hevel en een aanpassing aan de Brouwersdam bij voorkeur in de vorm van een grotere doorstroomopening voor meer dynamiek. Gedacht kan worden aan het ombouwen van het noordelijke deel van de Brouwersdam eventueel tot getijcentrale annex stormvloedkering.” Zoals uit de hierboven gegeven citaten blijkt, past de ‘Verkennende Studie’, naar de mogelijkheden van opwekking van getijenergie in de Brouwersdam (en onderwerp van dit rapport), in het kader van de beleidsvoornemens van het Natuur- en Recreatieschap de Grevelingen.
2.2
de Verkenning ‘Grevelingen Water en Getij’
Er werd reeds vermeld (zie de Inleiding) dat inmiddels Rijkswaterstaat Zeeland de Verkenning ‘ Grevelingen Water en Getij’.heeft gestart. Aan een persbericht2 dienaangaande wordt het volgende ontleend: “Voor de eb- en vloedbeweging op het nu nog getijloze meer, is onder meer een doorlaatmiddel in de Brouwersdam noodzakelijk. Tegelijkertijd laat het natuur- en recreatieschap De Grevelingen uitzoeken welke gevolgen een getijdenmeer heeft voor de watersport. Uitbreiding van het aantal ligplaatsen wordt hierbij betrokken. Bedoeling is een proef te nemen met bouwen op de (zee)waterkering. Het gaat dan om aanleg van een duurzame 'jachthaven van de toekomst.' Rijkswaterstaat neemt de technische en juridische mogelijkheden mee in de getijverkenning.” De huidige situatie in het in 1971 ontstane Grevelingenmeer is allesbehalve gunstig. Zo is sprake van zuurstofloosheid en schimmelvlekken in de diepere delen. Andere ongewenste verschijnselen zijn overmatige algenbloei en 2
PZC, 21 februari 2008
7
regelmatige ophoping van stinkende zeesla. Invoering van getij zorgt voor een betere wateruitwisseling en het terugdringen van nadelen. Rijkswaterstaat combineert het onderzoek naar een doorlaatmiddel in de Brouwersdam met een studie naar de haalbaarheid van een scheepvaartverbinding met de Noordzee. Delta bekijkt samen met Rijkswaterstaat of aanleg van een getijdencentrale in het doorlaatmiddel kans heeft. De opgewekte stroom moet betaalbaar zijn en er mogen geen ongunstige milieueffecten optreden. In juni wordt een debat over de Grevelingen gehouden, waarbij de eerste resultaten van het onderzoek worden gepresenteerd. Het hele onderzoek moet dit najaar klaar zijn.”
8
Figuur 2.1
Brouwersdam
Dieptekaart
9
3. Aanpak van de Studie, Gegevens en Rand voorwaarden 3.1
Aanpak van de Studie
Om te beoordelen of het bouwen van een getijcentrale in de gegeven omstandigheden haalbaar is, wordt nagegaan of de de opbrengsten van de te genereren energie de kosten van het bouwen en onderhouden van een getijcentrale overtreffen. Maatgevend zijn in dit verband de kosten per kilowattuur (kWh). Bij een getijcentrale zijn de energieopbrengsten en kosten erg afhankelijk van de geldende randvoorwaarden . Om dit te verduidelijken wordt in de onderstaande figuur uitgelegd hoe de analyse van de haalbaarheid van dit project verloopt. Randvoorwaarden Energie
Getij op zee -
amplitude verloop
Grevelingenmeer -
wateroppervlak maximale variatie
Model
Haalbaarheid
Brouwersdam -
afmetingen ligging bouwwijze waterpeil
Kosten Getijcentrale -
aantal turbines afmetingen rendement type centrale
Het getij op zee, het waterstandsverschil in het Grevelingenmeer en het wateroppervlak van het Grevelingenmeer zijn de randvoorwaarden voor het model. Met dit model wordt berekend hoeveel energie er gewonnen kan worden. Aan de hand daarvan wordt de energieopbrengst bepaald. Het ontwerp van de getijcentrale volgt uit de model resultaten, uit de lokale situatie en uit een aantal ontwerp-parameters die voor dit soort centrales gelden.
10
Bij de bepaling (en toewijzing) van de bouwkosten speelt het multi-functionele karakter van de centrale een belangrijke rol. Het gaat er dan in feite om hoe de kosten tussen de verschillende belanghebbenden worden verdeeld. Deze verdeling heeft een grote invloed op de haalbaarheid van deze getijcentrale.
3.2
Gegevens en Randvoorwaarden
Nadat de opdracht was verkregen zijn de volgende gegevens (24 januari 2008) aan opdrachtgever gevraagd: 1.
Getijgegevens (digitaal), liefst zo volledig mogelijk, over een aantal jaren voor het meetstation Brouwershavensche Gat-08.
2.
Bathymetrie (dieptekaart van het Grevelingenmeer) met een hoogte-inhouds curve.
3.
Technische tekeningen van het Noordelijk deel van de Brouwersdam (dwarsdoorsneden, lengtedoorsnede in de as, bovenaanzicht) waaruit duidelijk blijkt welk deel eventueel gebruikt kan worden voor een getijcentrale annex spuisluizencomplex.. Uit de dwarsdoorsneden zouden ook de diepten moeten blijken op het voorland aan zee- en meerzijde.
4.
Technische tekeningen van de bestaande spui-/inlaatsluizen incl. details van de afsluitmiddelen..
5..
De eventuele beschikbaarheid van gegevens berekend met een 2-D model van het Grevelingenmeer om resultaten gevonden met het kombergingsmodel te kunnen toetsen. Zijn er in dit verband situaties gesimuleerd bij inlaat van zeewater die inzicht geven over het peilverloop op het Grvelingenmeer op diverse punten als functie van inlaatdebiet en tijd.
5.
Gegevens betreffende de mogelijke subsidie per opgewekt kWh of anderzijds geldend voor milieu-vriendelijk opgewekte energie.
Deze gegevens werden in de loop van maart – april 2008 grotendeels ontvangen en, voorzover niet beschikbaar, met eigen berekeningen aangevuld. Voorts was het rapport ’Zicht op de Grvelingen’ digitaal ter beschikkong via het internet en is gebruik gemaakt van de documentatie over de Deltawerken. Bij het laatste gaat het dan vooral om de serie Driemaandelijks Bericht Deltawerken ( DMB-DW) en de ontwerpnota’s betreffende de Stormvloedkering Oosterschelde. Tenslotte is gebruik gemaakt van de technische literatuur op het gebied van waterkracht en getijcentales. Hier naar wordt, voor zover relevant, doorgaans verwezen in voetnoten.
11
4. Het model met resultaten van de berekeningen 4.1
Doel
Er is voor gekozen om met een computermodel de energieopbrengst van de getijcentrale te berekenen. Dit, terwijl met een eenvoudige formule, waarin een gemiddeld verval tijdens het turbineren en een te verplaatsen volume water per cyclus wordt aangenomen, de energieopbrengst in een jaar te schatten is. Maar er zijn twee hoofdredenen waarom deze berekening niet zou volstaan om de energieopbrengst per jaar te berekenen. Ten eerste wijkt het verloop van het getij op zee bij de Brouwersdam te veel af van een sinusoïde. Ten tweede begrenst het debiet, dat door de Brouwersdam kan, de energieopbrengst meer dan bij andere locaties voor getij-energie. Dit komt omdat bij de Brouwersdam weinig plaats is voor het opstellen van turbines en het te verplaatsen volume water tijdens één cyclus relatief groot is. Het laatste heeft als oorzaak het grote wateroppervlak van het Grevelingenmeer. Tevens wordt door het ontwikkelen van dit model meer inzicht verkregen in de werking van getij-energie, waardoor de verschillende alternatieven voor een getij-centrale beter beoordeeld kunnen worden. De wiskundige en andere principes waarop het model is gebaseerd vindt men in Bijlage A bij dit rapport. Hierin worden ook de begrippen eb-, vloed en TT-centale verklaard.
4.2
Constanten
In het model zijn de volgende parameters constant geacht. Constanten Dichtheid van water Wateroppervlak Grevelingen meer op NAP Rendement Zwaartekrachtsversnelling
Waarde 1025 kg/m3 117 km2 85 % 9.81 m/s2
Voor het model is een minimaal stopverval nodig voor de werking. Aan de hand van gegevens van de getijcentrale van La Rance3 is dit vastgesteld op 0.2 m.
4.3
Toelichting op werking van het model
Het computermodel maakt gebruik van de waterstandsgegevens bij de peilschaal Brouwershavensche Gat 08 van de jaren 2003 tot en met 2007. Het computermodel splitst 3
J. Rabaud, “Case history La Rance Tidal Power Plant”, concept bijdrage PATO Energiewaterbouw 1987
12
deze gegevens op in cycli en vervolgens wordt per cyclus met een regime, dat elke cyclus gelijk blijft, de energieopbrengst bepaald. Dit standaard regime wordt beschreven door een in te voeren startverval, debiet en eindwaterstand op het Grevelingenmeer. In Figuur 4.1 voor een eb-centrale staan het startverval, de eindwaterstand en de waterstand tijdens het turbineren, die bepaald wordt door het debiet, met rood aangegeven. Deze drie lijnen blijven per cyclus constant en daarmee wordt de energieopbrengst per cyclus bepaald.
Figuur 4.1
Het verloop van de waterstanden bij een eb-centrale
Bij een vloedcentrale werkt het model op de zelfde mamier, met het verschil dat de waterstand op het Grevelingenmeer precies het tegenovergestelde verloop heeft van dat bij een eb-centrale.
Figuur 4.2
Het verloop van de waterstanden bij een TT-centrale
13
Het model van de TT-centrale combineert de rekenmethodes van de eb- en vloedcentrale, maar gebruikt daarvoor andere maximale en minimale waterstanden op het Grevelingenmeer, zoals te zien is in Figuur 4.2. Wederom hebben het startverval en het debiet een vaste waarde, maar de eindwaterstand verschilt bij het eb-genererende en vloed-genererende deel.
4.4
Getijden
Door het ingevoerde standaard regime en door de verscheidene verlopen van de cycli acht het model sommige getijden minder geschikt of ongeschikt voor energiewinning. In de volgende figuren staan een aantal van die getijden uitgewerkt en wordt toegelicht hoe het model omgaat met deze getijden. (a)
waterstand op zee te laag Eb-cyclus 21, 2003 1.5
1
hzee [m+NAP]
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5 t [s]
Figuur 4.3
3
3.5
4
4.5 4
x 10
Eb-cyclus 21, 2003
In de bovenstaande figuur is te zien dat de waterstand op zee te laag is om een maximale waterstand van 1 meter boven NAP op het Grevelingenmeer te creëren. Voor dit type cyclus wijzigt het model de maximale waterstand naar de maximale waterstand in de eerste helft van de cyclus. In dit geval naar een waarde van 72 cm. (b) Startverval te hoog Bij dit getij kan geen energie gewonnen worden als de waterstandsvariatie op het Grevelingenmeer 0.5 meter en het startverval 1.0 meter is. Met behulp van de rode pijl
14
Figuur 4.4
Eb-cyclus 29, 2003
wordt duidelijk gemaakt dat de afstand tussen de maximale waterstand in het Grevelingenmeer en de minimale waterstand kleiner is dan het startverval. Het model kan dus geen tijdstip vinden om te starten met turbineren en dit betekent dat er geen energieopbrengst uit deze cyclus komt. (c)
Eindwaterstand niet haalbaar
Figuur 4.5
Eb-cyclus 68, 2003
15
Dit is een voorbeeld van een getij waar bij een stopverval van 0.2 meter niet het waterstandniveau op 0 meter boven NAP kan eindigen. Dit komt relatief vaak voor bij een eb-centrale ten gevolge van windopzet tijdens stormen. Hier vindt het model geen punt om te stoppen met turbineren, dus is er geen energieopbrengst uit deze cyclus. (d)
Te weinig turbineertijd Eb-cyclus 674, 2003 2.5
2
hzee [m+NAP]
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5 t [s]
Figuur 4.6
3
3.5
4
4.5 4
x 10
Eb-cyclus 674, 2003
Het laatste type getij dat het model ongeschikt voor energiewinning verklaart, zijn getijden waarbij er te weinig tijd is om te turbineren met het gekozen debiet. De turbineertijd is namelijk gelijk aan: tturbineer =
∆h ⋅ A Q
tturbineer = turbineertijd [s] ∆h = waterstandvariatie op Grevelingenmeer [m] A = wateroppervlak van Grevelingenmeer [m2] Q = debiet [m3/s] In Figuur 4.6 staat met de rode gestreepte lijn aangegeven hoeveel tijd in dit geval nodig is en met de dikgedrukte lijn staat aangegeven hoeveel tijd er beschikbaar is met een
16
waterstandsvariatie van 1.0 meter, een eindwaterstand gelijk aan NAP en een debiet van 8000 m3/s. Conclusies t.a.v de getijden Bij al de getij-cycli die hierboven zijn afgebeeld zou met een ander regime wel degelijk energie geleverd kunnen worden. Maar een wijziging in het regime om één getij er extra bij te betrekken, kan er toe leiden dat in de andere getijden minder energie gewonnen wordt. Daarom wordt het volgende gedaan om de optimale energieopbrengst te bepalen. Allereerst wordt een constant debiet gekozen. Met dit constante debiet wordt de waterstandsvariatie gevarieerd totdat de meest geschikte is gevonden voor optimale energieopbrengst. Vervolgens wordt datzelfde gedaan met het startverval en daarmee wordt de optimale energieopbrengst berekend.
4.5
Debiet versus energie
Het debiet dat door de Brouwersdam kan stromen, heeft een grote invloed op de uiteindelijke energieopbrengst. Om hierin inzicht te krijgen, worden in de volgende alinea’s enkele ondervindingen met het model uiteengezet. Bij een laag debiet en een waterstandsvariatie van 1.0 meter, zullen er veel getijden zijn, waarin geen energie gewonnen kan worden. Dit komt omdat de tijd die nodig is om te turbineren dan te lang wordt. In Figuur 4.7 is te zien dat een maximale waterstandsvariatie op het Grevelingenmeer van 1.0 meter pas gehaald kan worden als er een debiet wordt gehandhaafd van 5000 m3/s bij een eb- en vloed-centrale. Bij tweezijdig turbineren is er een nog groter debiet nodig om het percentage energieopwekkende getijden te verhogen. Op basis van dit gegeven is geprobeerd om de optimale energie uit te zetten tegen het debiet. De resultaten hiervan zijn voor alle drie de centrales in de onderstaande grafieken weergegeven voor het jaar 20044. Hierbij zijn verschillende waarden voor de waterstandsvariatie aangenomen die in combinatie met een zeker debiet een optimale energieopbrengst per jaar geven. Daarnaast zijn voor bepaalde waterstandvariaties (50 cm, 100 cm, 150 cm). de bijbehorende startvervallen gevarieerd. Bij een maximale waterstandvariatie van 150 cm betekent dit, dat bij veel cycli een lagere waterstandvariatie dan anderhalve meter op het Grevelingenmeer zal zijn, omdat het getij op zee bij de betreffende cyclus te laag is5. Achtereenvolgens worden nu een aantal tabellen en grafieken getoond waarin deze optimalisatie is uitgewerkt
4 5
Het jaar 2004 bleek na een aantal ‘test runs’ de meest gemiddelde resultaten van de vijf jaren te hebben. Zie paragraaf 4.4 Getijden, (a) waterstand op zee te laag
17
Figuur 4.7
Eb- of vloedcentrale, ∆hmax = 1.0m
Tabel 4.1
Eb-centrale, optimalisatie van het debiet
Q [m3/s] 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000
∆hmax [m] 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 1.3 1.4 1.5
Hstart[m] 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.8 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 1.0
Q = debiet ∆H = waterstandsvariatie op Grevelingenmeer Hstart = startverval Peg = percentage energieleverende getijden E = energieopbrengst in één jaar (2004)
18
E [GWh/year] 44.0 62.7 85.1 108 132 159 190 217 250 282 313 337
Peg [%] 79 80 84 85 86 88 90 90 88 90 92 92
Tabel 4.2 Q [m3/s] 3500 4500 5500 Tabel 4.3 Q [m3/s] 6000 8000 10000 Tabel 4.4 Q [m3/s] 8000 9000 10000
Figuur 4.8
Eb-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 0.5 m Hstart[m] 0.9 0.9 1.0
E [GWh/year] 105 109 110
Peg [%] 94 95 92
Eb-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 1.0 m Hstart[m] 1.2 1.4 1.4
E [GWh/year] 248 269 275
Peg [%] 95 95 96
Eb-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 1.5 m Hstart[m] 1.4 1.5 1.5
E [GWh/year] 379 401 413
Eb-centrale, heind = NAP, (getijcycli 2004)
19
Peg [%] 94 95 94
Tabel 4.5 Q [m3/s] 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 8000 9000 10000
Vloed-centrale, optimalisatie van het debiet ∆hmax [m] 0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 0.8 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4
Hstart[m] 0.8 0.8 0.9 0.9 1.0 1.0 1.0 1.0 1.3 1.3 1.4 1.4 1.4 1.5 1.6
E [GWh/year] 44.1 63.0 83.1 104 128 152 177 200 222 237 251 262 275 285 290
Peg [%] 97 96 95 96 94 97 96 99 98 98 99 97 98 97 96
Q = debiet ∆H = waterstandvariatie op Grevelingenmeer Hstart = startverval Peg = percentage energieleverende getijden E = energieopbrengst in één jaar (2004) Tabel 4.6 Q [m3/s] 4000 5000 6000 Tabel 4.7 Q [m3/s] 5500 6500 7500
Vloed-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 0.5 m Hstart[m] 1.0 1.1 1.2
E [GWh/year] 123 131 134
Peg [%] 98 97 96
Vloed-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 1.0 m Hstart[m] 1.3 1.4 1.5
E [GWh/year] 214 235 248
20
Peg [%] 99 99 97
Figuur 4.9
Vloed-centrale, heind = NAP, (getijcycli 2004)
Er is te zien dat in dit specifieke jaar een in te voeren waarde voor maximale waterstandvariatie van 1,5 meter niets extra oplevert. Het model zal voor elke getijcyclus de waterstandsvariatie moeten aanpassen tot een waarde lager dan 1,5 meter. Dit komt dus omdat bijna geen getijcyclus lager is dan 1,5 meter beneden NAP. Tabel 4.8 Q [m3/s] 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000
TT-centrale, optimalisatie van het debiet ∆hmax [m] 0.2 0.3 0.4 0.4 0.5 0.6 0.6 0.7 0.8 0.8 1.0 1.1 1.2 1.2 1.3 1.4
Hstart[m] 0.7 0.7 0.7 0.7 0.8 0.8 0.9 0.9 0.9 0.9 1.0 1.0 1.2 1.2 1.3 1.4
Q = debiet ∆H = waterstandvariatie op Grevelingenmeer
21
E [GWh/year] 71.5 94.9 115 142 166 185 211 234 253 276 316 353 391 418 447 466
Peg [%] 91 85 79 92 88 84 90 88 85 89 85 85 84 85 82 80
Hstart = startverval Peg = percentage energieleverende getijden E = energieopbrengst in één jaar (2004) Tabel 4.9 Q [m3/s] 5000 7000 9000 Tabel 4.10 Q [m3/s] 8000 10000 12000
Figuur 4.10
TT-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 0.5 m Hstart[m] 0.9 0.9 1.0
E [GWh/year] 195 202 203
Peg [%] 91 91 87
TT-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 1.0 m Hstart[m] 1.1 1.2 1.2
E [GWh/year] 351 385 395
TT-centrale, hgem = NAP, (getijcycli 2004)
22
Peg [%] 88 90 90
Bij een TT-centrale is er een groter debiet nodig om eenzelfde waterstandvariatie op het Grevelingenmeer te krijgen dan bij een eb- en een vloedcentrale. Dit zorgt er ook voor dat een waterstandvariatie van 1.5 meter op het Grevelingenmeer bij dit type centrale niet haalbaar lijkt.
4.6
Verschil in energie-opbrengsten door andere eindwaterstand
Het huidige peil van het Grevelingenmeer is 20 cm onder NAP. Als de eindwaterstand op dit peil wordt gezet in plaats van op NAP (NAP is practisch het gemiddeld zeeniveau MSL) dan beïnvloedt dat de energieopbrengst. In de onderstaande tabellen en grafieken is te zien welke invloed dat heeft voor een eb- en een vloed-centrale.
4.6.1 Eb- en vloed-centrales Tabel 4.11 Q [m3/s] 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000
Eb-centrale met eindstand NAP – 0,20 m ∆hmax [m] 0.3 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.4 1.5
Hstart[m] 0.5 0.6 0.7 0.7 0.8 0.8 0.8 0.9 0.9 1.0 1.0 1.0
E [GWh/year] 28.0 42.4 58.6 75.2 94.5 116 143 168 195 222 255 283
Peg [%] 59 87 86 85 84 76 79 82 85 86 85 87
Q = debiet ∆H = waterstandvariatie op Grevelingenmeer Hstart = startverval Peg = percentage energieleverende getijden E = energieopbrengst in één jaar (2004) Tabel 4.12 Q [m3/s] 4000 5000 6000
Eb-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 0.5 m, eindstand NAP – 0,20 m Hstart[m] 0.8 0.8 0.8
E [GWh/year] 85.3 87.6 87.8
23
Peg [%] 91 92 92
Tabel 4.13 Eb-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 1.0 m, eindstand NAP – 0,20 m Q [m3/s] 6000 7000 8000
Hstart[m] 1.1 1.2 1.3
E [GWh/year] 204 215 223
Peg [%] 91 92 92
Tabel 4.14 Eb-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 1.5 m, eindstand NAP – 0,20 m Q [m3/s] 8000 9000 10000
Figuur 1.11
Hstart[m] 1.3 1.5 1.5
E [GWh/year] 333 360 372
Eb-centrale, heind = NAP -0.2m, (getijcycli 2004)
24
Peg [%] 92 92 91
Eb-centrale, 2004 450 heind = -0.2m 400
heind = 0.0m
350
Energie [GWh]
300
∆hmax = 1.0m
250 200 150
∆hmax = 0.5m 100 50 0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000 10000
3
Debiet [m /s]
Figuur 4.12
Eb-centrale, energie-opbrengsten bij verschillende eindwaterstanden (getijcycli 2004)
Tabel 4.12
Vloed-centrale met eindstand NAP – 0,20 m
Q [m3/s] 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 8000 9000 10000
∆hmax [m] 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.9 1.0 1.1 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.3 1.3
Hstart[m] 0.8 0.9 1.0 1.0 1.0 1.0 1.3 1.4 1.5 1.5 1.5 1.5 1.6 1.7 1.7
25
E [GWh/year] 54.8 77.3 101 125 148 171 190 204 215 224 230 235 242 245 248
Peg [%] 88 93 95 97 98 97 97 97 96 96 96 96 95 93 93
Q = debiet ∆H = waterstandvariatie op Grevelingenmeer Hstart = startverval Peg = percentage energieleverende getijden E = energieopbrengst in één jaar (2004) Tabel 4.13 Vloed-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 0.5 m, eindstand NAP – 0,20 m Q [m3/s] 3500 4500 5500
Hstart[m] 1.2 1.3 1.3
E [GWh/year] 126 135 139
Peg [%] 97 96 96
Tabel 4.14 Vloed-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 1.0 m, eindstand NAP – 0,20 m Q [m3/s] 5500 6500 7500
Figuur 2.13
Hstart[m] 1.5 1.5 1.5
E [GWh/year] 212 224 231
Vloed-centrale, heind = NAP -0.2m, (getijcycli 2004)
26
Peg [%] 96 96 95
Vloed-centrale, 2004 300 heind = -0,2m heind = 0,0m
250
Energie [GWh]
200
∆hmax = 0,5m
150
100
50
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000 10000
3
Debiet [m /s]
Figuur 4.14
Vloed-centrale, energie-opbrengsten bij verschillende eindwaterstanden (getijcycli 2004)
4.6.2 TT-centrale Voor een TT-centrale zou peil op -0.2 m houden betekenen dat niet de eindwaterstand, maar de gemiddelde waterstand verandert van NAP naar NAP.-0,20 m Het effect hiervan is weergegeven in de onderstaande grafieken. Tabel 4.15
TT-centrale met middenstand op NAP – 0,20 m
Q [m3/s]
∆hmax [m]
Hstart[m]
E [GWh/year]
Peg [%]
1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 8000 9000 10000 11000 12000
0.2 0.3 0.4 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.9 1.0 1.0 1.1 1.2 1.3 1.3 1.4
0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.4
70.8 98.3 124 142 169 193 217 243 260 281 303 319 349 376 394 415 429
88 86 82 90 88 86 85 84 82 84 82 83 80 76 72 72 69
27
Q = debiet ∆H = waterstandvariatie op Grevelingenmeer Hstart = startverval Peg = percentage energieleverende getijden E = energieopbrengst in één jaar (2004) Tabel 4.16 Q [m3/s] 5000 7000 Tabel 4.17 Q [m3/s] 8000 10000 12000
Figuur 3.15
TT-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 0,5 m, eindstand NAP – 0,20 m Hstart[m] 0.8 0.9
E [GWh/year] 191 195
Peg [%] 89 85
TT-centrale, variatie van het start verval, ∆hmax = 1.0 m, eindstand NAP – 0,20 m Hstart[m] 1.1 1.2 1.2
E [GWh/year] 343 368 376
TT-centrale, heind = NAP -0.2m, (getijcycli 2004) 28
Peg [%] 83 83 83
TT-centrale, 2003 500 hgem = -0.2m
450
hgem = 0.0m
400
Energie [GWh]
350
∆ hmax = 1.0m
300 250 200
∆ hmax = 0.5m
150 100 50 0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
3
Debiet [m /s]
Figuur 4.16
TT-centrale, energie-opbrengsten bij verschillende middenwaterstanden (getijcycli 2004)
4.6.3 Conclusies t.a.v. een verandering van de eind- of middenwaterwaterstand Het veranderen van de eindwaterstand heeft vooral invloed op een eb- en een vloedcentrale, maar weinig op een TT-centrale. Bij een eb- en vloed-centrale heeft de verandering van de eindwaterstand invloed, omdat het verval verandert. Als de eindwaterstand verlaagd wordt, dan zal bij een eb-centrale het gemiddelde verval afnemen. Dit heeft dus ook een negatieve invloed op de energieopbrengst. Bij een vloed-centrale zal de verlaging van de eindwaterstand leiden tot een toename van het gemiddelde verval. De energieopbrengst wordt door de verlaging dus groter. Maar in dit specifieke jaar 2004, waarvoor de laatste berekeningen zijn gedaan, zijn de waterstanden bij eb bij weinig getijcycli lager dan een meter. Daardoor wordt er minder volume verplaatst en is het gemiddelde verval kleiner als de eindwaterstand verlaagd wordt. Dit betekent dat de energieopbrengst ook minder is. Bij een TT-centrale verandert er erg weinig en wordt de invloed van de veranderingen van de eindwaterstand (eigenlijk: midden-waterstand) dan ook verwaarloosd voor kleine wijzigingen.
29
4.7
Beperkingen model
Bij elke cyclus wordt telkens dezelfde eenzelfde regime gekozen (Hstart, Heind, Q, Hmax, Hmin). In werkelijkheid zal de optimale energieopbrengst bij elk getij bereikt worden door de hiervoor genoemde variabelen per cyclus te variëren. Bijvoorbeeld bij een lichte storm zou de minimale waterstand hoger kunnen zijn om toch energie te winnen. Aangenomen is dat er steeds kennis aanwezig is bij personeel dat zou gaan werken op de getijcentrale over de waterstand op zee die in de volgende 5 minuten gaat optreden. In werkelijkheid zal er goede kennis beschikbaar zijn over de waterstand ten gevolge van het astronomisch getij, maar minder over de waterstand ten gevolge van windeffecten. Op het juiste moment starten met turbineren zal dus niet altijd lukken en dat betekent dat niet de optimale hoeveelheid energie zal worden gewonnen. Dit is uiteraard in dit stadium van ontwerp van de getijcentrale niet met een model te beschrijven. In dit model wordt geen rekening gehouden met de variatie van het rendement. Bij lage vervallen zou dit wel eens een stuk kleiner kunnen zijn dan bij grote vervallen. Voorlopig lijkt het een redelijke aanname om het rendement van de turbines constant te achten. Bij dit model wordt het wateroppervlak van het Grevelingenmeer tijdens het turbineren constant geacht, terwijl dit in werkelijkheid zal variëren. Het verplaatste volume water wordt wel berekend door het gemiddelde oppervlak te vermenigvuldigen met de waterstandvariatie. Maar door de verandering van het wateroppervlak verloopt de waterstand tijdens het turbineren niet lineair. Hier wordt in het model geen rekening mee gehouden. Voor dit model zijn de waterstandsgegevens van 2003 tot en met 2007 gebruikt. Mochten de getijden door toedoen van eilanden voor de kust of door zeespiegelstijging wijzigen dan wijzigen de energieopbrengsten van een getijcentrale ook. Er zijn bij dit model door middel van lineaire interpolatie extra gegevens gecreëerd. Dit zijn niet de werkelijke gegevens en ze zouden misschien beter gesimuleerd kunnen worden door een interpolatie van een hogere orde. In ieder geval zijn het niet de werkelijke gegevens, maar deze fout zal waarschijnlijk verwaarloosbaar weinig effect hebben op de uiteindelijk berekende energieopbrengst. Het tijdstip van starten en stoppen van turbineren dat in het model berekend wordt, kan 4 minuten en 59 seconden verschillen van het moment dat in de werkelijkheid wordt gestart of gestopt. Dit zou kunnen worden verholpen door meer interpolaties, maar doordat veel verschillende getijden worden gesimuleerd zal de totale turbineertijd goed beschreven worden door dit model.
30
5.
Ontwerp van de getijcentrale
5.1
Ontwerpparameters
5.1.1 Lokaties Sinds de aanleg in de zeventiger jaren zijn er in en langs de Brouwersdam werken uitgevoerd t.b.v de waterhuishouding (de doorlaatsluis) en de recreatie (jachthavens, Port Zélande). (Figuur 5.3).Dit betekent dat er alleen plaats is voor een getijcentrale ter plaatse van de oorspronkelijke getijsluitingen. In het noordelijk gedeelte gaat het hier om een tracé met een lengte van 812,5 m, waar doorlaatcaissons zijn geplaatst tussen twee landhoofdcaissons (Fig. 5.1) en in het zuidelijk gedeelte om een tracé met een lengte van 550 m ter plaatse van de z.g.n. blokkendam (Figuur 5.5). Bij het laatste tracé past wel de opmerking dat de Schouwense oever indertijd bij de afsluiting als ‘weinig stabiel’ werd beschouwd6. Bij een keuze van deze locatie voor een getijcentrale zal hier dus nader onderzoek naar moeten worden gedaan.
Figuur 5.1
6
Bovenaanzicht noordelijk tracé met bodemverdediging en drempel; verticaal aanzicht geplaatste doorlaatcaissons
DMB-DW nr 55, februari 1971, blz 227 e v.
31
5.1.2 Gebruik en/of aanpassing bestaande constructies Onder constructies wordt in dit verband verstaan het damlichaam van de Brouwersdam alsmede de waterbouwkundige werken die hierin tijdens de aanleg en daarna zijn gerealiseerd. Op de lokaties die hierboven zijn beschreven bevinden zich in dit damlichaam bodemverdedigingen, bestortingen, caissons en een blokkendam. Over genoemde constructies is een damlichaam gebouwd, bestaand uit zand, klei, talud- en oeververdedigingen en een 7 m brede verkeersweg. (Figuur 5.6). (a) noordelijk gedeelte In het noordelijke gedeelte zijn tijdens de bouw in de zeventiger jaren doorlaatcaissons geplaatst op een 35 m brede drempel (op NAP – 10 m). (Figuur 5.6). Het betreft in totaal 12 doorlaatcaissons met de afmetingen 18 m (B) x 68 m (L) x 16,2 m (H).7. (Figuur 5.2). Elke caisson heeft 12 doorlaatopeningen van 5 m dagwijdte. De doorlaatcaissons zijn geplaatst tussen zogenaamde landhoofdcaissons. Vooralsnog wordt er vanuit gegaan dat de landhoofdcaissons gehandhaafd blijven (Figuur 5.1). De eerder genoemde drempel heeft een hoogte van 2,75 m m en bestaat uit een filterconstructie opgebouwd uit verschillende lagen stortsteen. Onder en naast de drempel bevindt zich een uitgebreide bodemverdediging (NAP – 12,75 m). Gemeten vanaf de as van de drempel is de bodemverdediging 130 m breed zowel aan de meer- zijde als aan de zeezijde.Nabij de landhoofden aan de meerzijde is de breedte zelfs 160 m. De bodemverdediging bestaat uit een 24 cm dikke mastiek mat waarop een bestorting van 200 kg/m2 ligt Hij is berekend op vervallen over de drempel tot 2,5 á 3 m. 8
Figuur 5.2
7 8
Doorlaatcaisson Brouwersdam
DMB-DW nr 43, blz.129 e.v. DMB-DW nr. 52, mei 1970, blz 76 e.v.
32
Figuur 5.3
Overzichtskaart Brouwersdam
33
Er is overwogen dat bij de bouw van een getijcentrale op deze lokatie in elk geval de bestaande bodemverdediging moet worden gehandhaafd. Dit bepaalt dus de maximale funderingsdiepte van de centrale. Hierbij speelt ook een rol dat een nog dieper funderen van de centrale niet alleen betekent dat de huidige bodemverdediging moet worden opgeruimd en dieper worden aangelegd (dan wel aangepast) maar ook dat bij dieper funderen omvangrijke baggerwerken zullen zijn vereist aan beide zijden van de centrale. In dit verband wordt er op gewezen dat het huidige bodempeil aan zee- en meerzijde respectivelijk NAP –5,2 m en –13,7 m is (Figuur 2.1). Een volgende stap is om, indien mogelijk, de drempel te handhaven (eventueel samen met de bodemplaat en onderribben van de caissons). In dit geval zouden de verticale buiten- en tussenwanden van de caissons alsmede de dakplaat moeten worden verwijderd.. Tenslotte is overwogen om de caissons in zijn geheel te handhaven en op te nemen in de centrale. Dit zou echter betekenen dat de maximale turbinediameter niet groter kan zijn dan circa 2,25 m en dit beperkt de totale doorvoer aanzienlijk. Omdat dan ook de hoogte van de onderribben op de bodemplaat de funderingsdiepte van de turbineenheid bepaalt, en de bovenplaat van de caisson de hoogte verder beperkt, is plaatsing in twee lagen in dat geval niet mogelijk. Hierbij moet men ook bedenken dat de uitvoering van nieuw betonwerk in een bestaande, 40 jaar oude, caisson (waaruit eerst het zand moet worden verwijderd en die moet worden schoongemaakt) moeilijk en duur zal zijn. Zo kun je er niet met grote bouwkranen opereren en zal er veel handwerk nodig zijn en aanpassing van de nieuwe betonconstructie aan de oude. En ook zal in dat geval een deel van de dakplaat moeten worden verwijderd om de toegang tot de bulbs van de turbine te bouwen. Al met al is dit geen aanbevelenswaardig alternatief. (b) zuidelijk gedeelte Het sluitgat in dit gedeelte van de Brouwersdam is indertijd gedicht door middel van betonkubussen van 1 m3, die zijn gestort met behulp van een kabelbaan (Figuur 5.4). In het gedeelte van het tracé dat ter beschikking zou kunnen zijn voor een getijcentrale (± 550 m) reikt de blokkendam maximaal tot een diepte van NAP-23 m (Figuur 5.5). Bij een kruinbreedte van circa 10 m op NAP en taluds van 1 op 1 of steiler betekent dit dat de blokkendam op die diepte een breedte zal hebben van maximaal 56 m. Op een diepte van NAP – 10 m is dat nog 30 m. De holle ruimten tussen de blokken zijn indertijd volgewassen met grint (30 tot 100 mm)9. Technisch is het uiteraard mogelijk om de betonblokken te verwijderen tot de gewenste funderingsdiepte. Het zal echter moeilijk zijn om een bouwput te bemalen met een bodem bestaande uit een combinatie van blokken en grint. Overigens bestaat de bodem-bescherming onder de blokkendam uit een laag gietasfalt van 30 cm dik waarop een laag stortsteen van 300 kg/m2. Aan weerszijden van de asfaltmat bevindt zich een klassieke bodembescherming met zinkstukken. De bodembescherming strekt zich uit aan 9
Zie DMB-DW, nr 57, augustus 1971, blz. 370 e.v.
34
Figuur 5.4
Opbouw blokkendam in zuidelijk sluitgat Brouwersdam
Figuur 5.5
Langsdoorsnede zuidelijk sluitgat met links het gedeelte beschikbaar voor getijcentrale
35
weerszijden van de as van de drempel onder de blokkendam over 2 x 165 m verlopend tot 2 x 100 m in het ondiepe gedeelte van het lengteprofiel10.
5.1.3 De Brouwersdam als waterkering De huidige Brouwersdam, met een kruinhoogte van NAP + 11,00 m, vormt een primaire waterkering (Figuur 5.6) tegen waterstanden tijdens stormvloed op de Noordzee. Bij realisatie van een getijcentrale en/of semi-permanent geopende doorlaatsluizen is er in feite sprake van een stormvloedkering zoals die bij de Oosterschelde. Dezelfde ontwerpregels zijn dan van toepassing voor wat betreft het keren van stormvloedstanden. Bij de Oosterscheldekering ligt de kruin van de waterkering (= bovenzijde van de bovendorpel van de schuiven) op NAP + 5,80 m 11. Golfoverslag is toegestaan. De bovenzijde van de getijcentrale (al dan niet in combinatie met doorlaatsluizen) moet hetzelfde peil hebben en bestand zijn tegen golfkrachten en golfoverslag. Het moet ook mogelijk zijn om de turbinekokers tijdens een storm te sluiten door middel van de lei- en loopschoepen zonder dat er beschadigingen ontstaan..
Figuur 5.6
Dwarsdoorsnede Brouwersdam
5.1.4 De Brouwersdam als verkeersweg Na realisatie van een getijcentrale met een hoogste kerende peil van NAP 5,80 m (zie boven) zal het net zoals bij de Oosterscheldekering nodig zijn om de verkeersweg golfoverslagvrij te positioneren met het wegdek op een hoogte van NAP + 12,00 m 12
5.1.5 Uitvoeringsaspecten Een belangrijke parameter voor het ontwerp is de wijze van uitvoering: in den natte of in een bemalen bouwput. 10
Zie DMB-DW, nr 39, blz . 473 ev. Zie Rijkswaterstaat, ‘Ontwerpnota Stormvloedkering Oosterschelde’, boek 1: totaalontwerp, blz. 182 12 idem, blz. 180 11
36
In navolging van de toepassing bij de Deltawerken van ‘bouwen in den natte’ (zowel bij bij de Oosterscheldekering als bij een viertal afsluitingen met behulp van doorlaatcaissons) zijn in het buitenland ontwerpen gemaakt voor het bouwen van getijcentrales gebruikmakend van doorlaatcaissons13. Maar tot nu toe is er slechts eenmaal daadwerkelijk gebruik gemaakt van deze methode14. Het zou voor de hand liggen ook bij een getijcentrale in de Brouwersdam van deze methode gebruik te maken, ware het niet dat de voornaamste reden voor het gebruik van deze methode, namelijk het tot stand brengen van een getijsluiting, hier ontbreekt: de afsluiting is er al. Het loont in dit geval niet om (delen van) het damlichaam en van de caissons te verwijderen in den natte en hier dan (wederom in den natte) de centrale te gaan opbouwen met behulp van doorlaatcaissons. Het zou ook, ondanks hogere kosten, zeker de kwaliteit van het werk niet ten goede komen. Ook moeten in zo’n geval de doorlaatcaissons toch ook weer eerst in een droog bouwdok worden gebouwd! Dan blijft de bouw in een bemalen bouwput wat, gezien de ervaring bij het Haringvliet ( bouwput voor de spuisluizen), de Oosterschelde-kering (bouwputten voor de pijlers en liggers) en de Brouwersdam (bouwput voor de doorlaatsluis) goed mogelijk is. Deze methode geeft tevens de mogelijkheid om de verkeersweg tijdelijk om te leggen over het gedeelte van de ringdijk aan de meerzijde.
5.1.6 De Centrale Bij de layout en vormgeving van de getijcentrale spelen vier factoren een rol; -
het type centrale (een of meerdere bekkens; eb- vloed- of TT- centrale) de gekozen turbines (type, afmetingen, aantal) de schikking van de turbine – eenheden (naast en/of boven elkaar) de plaats van de sluizen (afzonderlijk van de turbine-eenheden of boven op de turbine-eenheden).
De vier factoren worden hieronder kort besproken. (a)
het type centrale
In het geval van een centrale in de Brouwersdam komt toepassing van meerdere bekkens niet in aanmerking. Het zou een compartimentering van het Grevelingenmeer betekenen terwijl ook een omvangrijk aantal extra dammen en kunstwerken zou moeten worden gebouwd. Het voordeel van meerdere bekkens is de practisch continue energieopwekking. Maar in vergelijking met een enkel bekken systeem nemen de kosten relatief veel meer toe dan de baten. Dit type is trouwens nog nergens in de wereld toegepast.
13
In het Verenigd Koninkrijk voor de getijcentrales Severn, Mersey, Conwy, Wyre; in India voor Cambay en Kutch en in de USSR voor een aantal bestudeerde getijcentrales. 14 USSR: Kislaya Guba Pilot
37
Op de begrippen eb-, vloed en TT-centrale werd reeds eerder ingegaan. Het voordeel van de laatste is het ontbreken van een apart systeem van doorlaatsluizen voor vullen (ebcentrale) of legen (vloed-centrale) van het bekken (lees: Grevelingenmeer). (b)
de gekozen turbines
Het toepassingsgebied van waterturbines die gebruik maken van het verval en gebruikt worden voor het opwekken van energie op grote schaal15 wordt getoond in Figuur 5.7 Men kan hierin zien dat voor kleine vervallen eigenlijk uitsluitend de bulb-turbine in aanmerking komt. Hierbij moet dan wel worden aangetekend dat deze turbine voor de kleine vervallen waar het bij de Brouwersdam om gaat (zeg 1 á 2 m) nog nauw’lijks is toegepast. Alleen de turbine, toegepast in de pilot-centrale Kislaya Guba16 in de voormalige USSR is geschikt voor vergelijkbare vervallen. Op grond van deze feiten is ervoor gekozen voorlopig een diameter van 3,5 m als maximum aan te houden. Dit betekent wel dat men een groot aantal turbines nodig zal hebben om het gewenste debiet door te laten. Er moet hier trouwens bij worden aangetekend dat het toepassen van grote tubinediameters ook betekent dat omvangrijke baggerwerken nodig zijn om een goede toestroming naar en afstroming van het debiet te garanderen. Daarnaast zal de wens om de bestaande bodemverdediging (op NAP –12,75 m) in het noordelijk gedeelte te handhaven betekenen dat de turbinediameter maximaal toch niet meer kan zijn dan circa 5 m. Bij turbine-eenheden van dit type geldt een hart op hart afstand van 2,2 maal de diameter, dus 7,7 meter bij de gekozen diameter.. Met dit gegeven kan bepaald worden hoeveel turbines passen in het noordelijke en het zuidelijke deel van de Brouwersdam. In het noordelijk deel kunnen 106 turbines in één laag gebouwd worden. In het zuidelijk deel is dat 71 turbines in één laag. (c)
de schikking van de turbine-eenheden
Men kan er voor kiezen om twee lagen turbines boven elkaar te plaatsen. Dit ligt echter minder voor de hand in het noordelijke gedeelte van de Brouwersdam, omdat daar dan niet alleen de caissons maar ook de drempel en de bestaande bodemverdediging moet worden verwijderd. . In het zuidelijke gedeelte is de hoogte voor twee lagen turbines wel beschikbaar. Er is dan echter geen plaats meer voor doorvoersluizen bij eb- of vloed-centrale. Het heeft daarom alleen zin om twee lagen turbines toe te passen in het zuidelijke gedeelte in het geval van een TT-centrale omdat deze kan opereren zonder doorvoersluizen.
15
Met de uitdrukking ‘op grote schaal’ wordt bedoeld dat de typen turbines die uitsluitend worden gebruikt voor energieopwekking in mini- en micro-centrales niet worden behandeld. 16 Zie L.B Bernshtein, ‘Tidal Power Plants’ , blz. 346 – 355; de bulb-turbine van Frans fabrikaat waar het hier om gaat is geschikt voor een verval van 0,5 to 2,5 m, heeft een diameter van 3,3 m en een vermogen van 400 kW
38
(d)
de plaats van de doorvoersluizen
Bij een eb- en een vloedcentrale zijn naast turbines ook sluizen nodig. Deze sluizen kunnen bovenop de turbines geplaatst worden. Het is echter ook mogelijk om de getijcentrale in het noordelijke gedeelte te plaatsen en de sluizen in het zuidelijk gedeelte. De tegengestelde oplossing (turbines in het zuidelijk gedeelte, sluizen in het noorden) ligt niet voor de hand omdat de turbine-eenheden bruto meer ruimte vergen dan de sluizen.. Mogelijke alternatieven Het gestelde in par. 5.1.6 houdt in dat de ruimte die in de Brouwersdam beschikbaar is voor het plaatsen van turbines in grote mate de maximale energie-opbrengst bepaalt. Met inachtname van de hiervoor besproken overwegingen kunnen 8 realistische alternatieven worden geformuleerd voor verdere analyse (Tabel 5.1).
Figuur 5.7
Typen turbines voor verschillend verval en debiet
39
Tabel 5.1
Mogelijke altenatieven voor een getijcentrale op basis van locatie en configuratie *twee lagen in het zuiden, één in het Noorden
alternatief
type centrale
aantal lagen
sluizen
turbineeenheden
gebruik bestaande constructies
1a 1b 2a 2b 3a 3b 4 5 6 7 8
eb vloed eb vloed eb vloed TT TT TT TT TT
1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2*
Noord Noord Zuid Zuid N. en Z. N. en Z. -
Noord Noord Noord Noord Noord en Zuid Noord en Zuid Noord Zuid Zuid Noord en Zuid Noord en Zuid
nee nee ja ja ja ja ja gedeeltelijk nee ja ja
5.2
Schetsontwerpen van de turbine-eenheden
Er zijn summiere schetsontwerpen gemaakt voor de dwarsdoorsnede van de turbineeenheid al dan niet in combinatie met sluiseenheid voor elk van de, in Tabel 5.1 gegeven alternatieven. Het doel van deze ontwerpen is allereerst om de civiele bouwkosten te kunnen ramen en om te zien wat constructief mogelijk is binnen de, in Sectie 5.1 gegeven, beperkingen en randvoorwaarden. . In dit stadium is het nog te vroeg om een doorwrocht constructief ontwerp te maken. Dit valt trouwens buiten de huidige opdracht van DELTA NV aan de TU Delft. In geen van de schetsen is de verkeersbrug getoond die, op een peil van NAP +12 m, boven over de centrale voert. Er is vanuit gegaan dat de doorvoer van de turbines kan worden gesloten door middel van de regelbare leischoepen (guide vanes). Dit zal geen waterdichte afsluiting zijn maar dat is ook niet nodig. In geval van reparatie e.d. wordt een turbineeenheid drooggezet door middel van het tijdelijk plaatsen aan meer- en zeezijde van schotbalken. De sluiseenheden hebben uiteraard wel schuiven die bij een vulling of lediging van het bekken kunnen worden gesloten of geopend. Ter verduidelijking worden bij elke schets enige opmerkingen gemaakt. Figuur 5.8 Deze schets geldt tot op zekere hoogte zowel voor Alternatief 1a als 1b. De bulb is altijd aan de boven-stroomse zijde geplaatst. Omdat de sluizen hier boven op de turbineeenheden zijn geplaatst is het niet mogelijk om de oorspronkelijke bodemverdediging (op NAP –12,75 m) te handhaven. Dit maakt dit alternatief minder aantrekkelijk.
40
Figuur 5.8 Figuur 5.9
Alternatieven 1a en 1b: eb- of vloedcentrale in het Noorden Altern. 2a en 2b eb- of vloedcentale in het Nrd, sluizen in het Zuiden
41
Figuur 5.9 Ook deze schets geldt zowel voor een eb- als een vloed- centrale (Alternatieven 2a en 2b). Omdat de sluis-eenheden in dit geval in het zuidelijk deel van de Brouwersdam worden geplaatst kan in het Noorden gebruik worden gemaakt van de bestaande bodemverdediging en een deel van de caissondrempel (ligt op NAP – 10 m).
Figuur 5.10
Alternatieven 3a en 3b:eb of vloed-centrale in Zuid en Noord
Figuur 5.10 Bij deze alternatieven zijn zowel in het zuidelijk als in het noordelijk gedeelte turbines geplaatst met steeds de sluis boven op de turbine-eenheid.. Omdat op deze wijze zowel het aantal turbine-eenheden als het aantal sluiseenheden maximaal is, kunnen de laatsten kleinere afmetingen hebben en kan in het noordelijk gedeelte volledig van de bestaande bodembescherming gebruik worden gemaakt. Figuur 5.11 Bij dit Alternatief 4 is sprake van een TT-centrale in het noordelijk gedeelte. Sluizen zijn in dit geval niet vereist. Figuur 5.12 Bij dit Alternatief 5 worden de turbines allen in één laag in het zuidelijk gedeelte geplaatst en wel op de restanten van de ten dele verwijderde blokkendam..
42
Figuur 5.11 Figuur 5.12
Alternatief 4: TT centrale in het Noorden Alternatief 5: TT centrale in het Zuiden
43
Figuur 5.13 Ook bij dit Alternatief 6 worden de turbine-eenheden uitsluitend in het Zuiden geplaatst maar nu in twee lagen. Dit betekent dat de plaatsing (wederom op de ten dele verwijderde blokkendam) een aanlegdiepte vereist van NAP –17,7 m. Dit is niet aantrekkelijk: omvangrijke bagger-werkzaamheden aan beide zijden van de centrale maar ook een diepe te bemalen bouwput. Daarnaast is er na gereedkomen de voortdurende getijstroming langs de Schouwse oever.
Figuur 5.13 Alternatief 6: TT centrale in twee lagen in het zuidelijk gedeelte van de Brouwersdam Alternatieven 7 en 8 Hiervoor zijn geen nieuwe schetsen vereist. Er is alleen sprake van een andere schikking van turbines en sluizen (par. 5.1.6 (c) en(d) en Tabel 5.1).
5.3
Bouwkosten
In deze paragraaf worden bouwkosten van een aantal onderdelen van de centrale gegeven voor de verschillende alternatieven. De hoeveelheden voor de civieltechnische werken zijn berekend op basis van de schetsontwerpen uit sectie 5.2 en de gegevens over bestaande constructies in de Brouwersdam. De toegepaste eenheidsprijzen zijn ontleend aan het rapport ‘Zicht op de Grevelingen’, Bijlage ‘Water en Getij’.. Er is een verhoging van 10 % toegepast op de eenheidsprijzen i.v.m. inflatie. 44
5.3.1 Turbines De kosten per turbine zijn bepaald door gegevens uit verschillende bronnen te combineren. Zij zijn niet meer dan indicatief17. Zie verder Tabel 5.2 en de Figuren 5.8 en 5.9 Tabel 5.2
Kosten per turbine in euro’s per kW op basis van verval en vermogen (huidig prijsniveau) voor Kaplan turbines (Alstom 2003).
Figuur 5.8
Kosten in euro/kW voor verschillende vervallen
17
Het is niet mogelijk gebleken om in dit stadium gegevens te verkrijgen van gerenommeerde fabrikanten op het gebied van bulb-turbines
45
Figuur 5.9
Kosten in euro/kW voor verschillende vermogens
Met behulp van deze grafieken is het mogelijk om de volgende formules te bepalen voor de kosten van turbines in een getijcentrale:: (a) kleine turbines voor het geval 1 ≤ H ≤ 5 (H in m) en 50 ≤ Pt ≤ 1000 (Pt in kW) kan men de volgende formule definieren voor de kosten:
K = 6906 x Nt x Pt
0,775.
x H-0.271
(b) grote turbines voor grotere vermogens ( 1000 ≤ Pt ≤ 5000 (Pt in kW) kan men de volgende formule definieren voor de kosten:
K = 10646 x Nt x Pt 0,70. x H -0.26 Waarin:
K = kosten [€] Nt = het aantal turbines [-] Pt = het vermogen [kW] H = het gemiddelde verval [m]
Overigens heeft men , na verificatie met andere bronnen, bovenstaande formules.weer enigszins gecorrigeerd.
46
De kosten per turbine kunnen vervolgens onderverdeeld worden in elementen. De kosten per element wordt bepaald aan de hand van een percentage: Element turbines mechanische apparatuur generator transformator regel apparatuur
Kostenpercentage 24,47 % 3,87 % 12,02 % 3,70 % 55,94 % 100 %
5.3.2 De kosten van de civiele en electro-mechanische werken Als voorbeeld van een kostenberekening wordt die gegeven voor Alternatief 1a. Het zal opvallen dat slechts een deel van de civiele bouwkosten in rekening wordt gebracht. De redenen hiervoor worden nader verklaard in Hoofdstuk 6. Tabel 5.3
Bouwkosten Alternatief 1a
Omschrijving Eenheid Hoeveelheid p.p.e [€] Civiele werken Verplaatsing/verwijdering van caissons m3 250.000 Uitgraving m3 2.000.000 Staal kg 5.000.000 Afwerkbeton m3 7.000 Gewapend beton m3 100.000 Totaal civiele werken Electromechanische apparatuur Turbines 106 Mechanische apparatuur Overige apparatuur - generator - transformator - transformateurgebouw - bestuur apparatuur Totaal electromechanische apparatuur Totaal (inclusief een verhoging van 20 % van de kosten civiele werken)
Totaal [€] 10 2.500.000 12 24.000.000 5 25.000.000 20 140.000 300 30.000.000 81.640.000 33.040.013 5.221.948 16.225.340 3.729.963 1.264.116 75.518.620 135.000.000 € 232.968.000
In Tabel 5.4 is een overzicht gegeven van de op deze wijze berekende bouwkosten voor de verschillende alternatieven.
47
Tabel 5.4
Bouwkosten van de verschillende alternatieven
alternatief
type centrale
aantal lagen
sluizen
turbineeenheden
Bouwkosten in miljoenen euros18
1a 1b 2a 2b 3a 3b 4 5 6 7 8
eb vloed eb vloed eb vloed TT TT TT TT TT
1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2*
Noord Noord Zuid Zuid N. en Z. N. en Z. -
Noord Noord Noord Noord Noord en Zuid Noord en Zuid Noord Zuid Zuid Noord en Zuid Noord en Zuid
233,0 233,0 223,3 223,3 366,1 366,1 182,8 134,0 150,5 316,8 333,2
18
Dit zijn de ‘netto’ bouwkosten, dwz exclusief opslagen voor onvoorzien (15%), planning en administratie (10%).
48
6.
Economische Analyse
6.1
Een eerste poging tot optimalisatie
In de voorafgaande hoofdstukken is nog geen poging gedaan om tot een optimaal ontwerp te komen, d.w.z. tot een ontwerp met de beste kosten-baten verhouding. In feite is dat in dit stadium ook niet mogelijk. Er zijn nog teveel onzekerheden vooral wat betreft de kostenzijde (zie sectie 6.2). Toch is het mogelijk nu al zekere conclusies te trekken en op grond daarvan een denkrichting voor een ontwerp aan te geven. De energie die men met een getijcentrale in de Brouwersdam kan opwekken wordt voornamelijk bepaald door de doorvoercapaciteit in m3 per jaar. Hierbij zij aangetekend dat de oppervlakte van het bekken een practisch onveranderlijk gegeven is. Afgezien van beperkingen t.a.v. de acceptabele waterstandsvariatie op het bekken (zie onder) kan men dan stellen dat, aangezien de waterstanden op zee tijdens getijcycli min of meer vaststaan, die doorvoercapaciteit op zijn beurt voornamelijk afhangt van de de diameter en het aantal turbines. De diameter van de turbines is voorlopig vastgesteld op 3,5 m.. Gegeven de diameter en de berekende vervallen over de turbine, is het mogelijk het gemiddelde turbinedebiet te berekenen, dat is 48 m3/s voor een eb- of vloed- centrale en 43 m3/s voor een TTcentrale. Aangezien standaard een bulb-turbine eenheid een breedte heeft van circa 2,2 x de diameter van de turbine en de beschikbare lengte in de twee tracées ook bekend is, kan men uitrekenen hoeveel turbines maximaal kunnen worden ge-installeerd in elk tracé. De doorvoercapaciteit (in m3/s) is nu ook bekend. Dit is immers het aantal turbines maal het turbine-debiet. De doorvoercapaciteit in m3/s tenslotte bepaalt de maximaal haalbare waterstandsvariatie op het Grevelingenmeer. Om het bovenstaande te illustreren worden enige kengetallen besproken voor Alternatieven 1a en 1b: een eb-of vloed-centrale in het noordelijk deel van de Brouwersdam. Over een lengte van 812,5 m die beschikbaar is tussen de landhoofdcaissons kunnen hier maximaal 812 / (3,5 x 2,2) = 106 turbines worden geplaatst. Het doorvoerdebiet is dan 106 x 48 = 5088, afgerond 5.100 m3/s. Bij dit debiet hoort volgens Tabel 4.1 een energieopbrengst per jaar van circa 226 GWh bij een eb-centrale en (volgens Tabel 4.5) van 203 GWh bij een vloed-centrale. Uit de Figuren 4.8 en 4.9 volgt dat bij deze debieten een maximale waterstandsvariatie op het Grevelingenmeer volgt van circa 1 m. Een en ander is nog eens vastgelegd in onderstaande Tabel 6.1
49
Tabel 6.1
Energieopbrengst bij Alternatieven 1a en 1b
Men kan op dezelfde wijze voor de andere alternatieven het verband tussen het aantal turbines, het doorvoerdebiet, de waterstandsvariatie en de energieopbrengst bepalen. Tenslotte kunnen de eerder in Tabel 5.4 gegeven kosten per alternatief (die hier op gebaseerd zijn) ook worden bijgevoegd. Tabel 6.2 Alternatief
1a 1b 2a 2b 3a 3b 4 5 6 7 8
Kengetallen voor de verschillende alternatieven type centrale
eb vloed eb vloed eb vloed TT TT TT TT TT
Doorvoer debiet turbine Qt
[m3/s] 48 48 48 48 48 48 43 43 43 43 43
aantal turbines Nt
106 106 106 106 106+52 106+52 106 70 2 x 40 106+70 106 + 2 x 40
doorvoerdebiet
waterstandsvariatie
gem. verval
Qtot
∆hmax
Hgem.
[m] 1,0 – 1,1 1,1 – 1,2 1,0 – 1,1 1.1 – 1,2 1,5 1,5 0,7 0,4 0,5 1,0 – 1,1 1,1
[m] 1,1-1,2 1,2-1,3 1,1-1,2 1,2-1,3 1,4-1,5 1,6-1,7 0,9-1,0 1,0-1,1 0,9-1,0 1,1-1,2 1,1-1,2
[m3/s] 5.100 5.100 5.100 5.100 7.600 7.600 2 x4560 2 x3010 2 x3440 2 x7570 2x 8000
bouwkosten19
energie opbrengst per jaar E
[€x106
[GWh]
291,2 291,2 279,2 279,2 457,6 457,6 228,5 167,5 188,1 395,95 416,55
226 203 226 203 392 280 213 145 162 344 353
De volgende opmerkingen dienen bij deze tabel te worden gemaakt: (1)
.Alle Alternatieven zijn berekend met een turbinediameter van 3,5 m.
(2)
Een maximale waterstandsvariatie van 1,5 m op het Grevelingenmeer wordt alleen bereikt bij de de Alternatieven 3a en 3b, d.w.z. met een maximale plaatsing van turbine-eenheden: 158 stuks
(3)
Het is verleidelijk om nu al de kengetallen ‘kosten per geinstalleerde kW’ en ‘kosten per kWh’ te berekenen en dan te kijken welk Alternatief er het beste
19
Dit zijn de bouwkosten inclusief opslagen voor onvoorzien (15%), planning en administratie (10%)..
50
uitkomt. Dit is met opzet niet gedaan omdat het een onjuist beeld van de situatie geeft. Immers, de bouwkosten zijn maar voor een deel aan de centrale toegerekend (zie sectie 6.2) en bij sommige Alternatieven zullen die, hier onzichtbare, niet meegerekende kosten (uitgedrukt in kosten per kW of kWh) veel hoger of lager zijn dan .bij andere. (4)
Wat men wel kan uitrekenen voor de verschillende Alternatieven is de capaciteitsfactor; dat is de verhouding Pgem./Pgeinstall. .Hierbij zij aangetekend dat de gebruikte turbines een vermogen Pt hebben van 568 en 384 kW voor respectivelijk een eb- of vloed-centrale en een TT-centrale. Cap. Factor = Pgem./Pgeinstall
= E x106 /365 x 24 / Nt x Pt = (E/ Nt x Pt ) x 114,155
Voor Alternatief 1a krijgt men dan: Cap. Factor
= =
226/(106 x568) x 114,155 0,43
Op dezelfde wijze vindt men:
Alternatief 3a 5 8
Cap. factor 0,50 0,63 0,56
Het ligt voor de hand dat de cap. factor bij de TT centrales hoger is dan bij de eben vloed centrales. (5)
Tenslotte zij opgemerkt dat er slechts één centrales met een maximale waterstandsvariatie van 0,50 m in Tabel 6.2 voorkomt (Alternatief 6), Alternatief 5 komt in de buurt hiervan: (0,40 m waterstandsvariatie). Maar het is duidelijk uit het voorgaande dat minder waterstandsvariatie ook minder turbines en dus minder kosten en energie-opbrengst betekent.
6.2
Toedeling van de kosten
Bij het project ‘wederinvoering van een gedempt getij op het Grevelingenmeer in combinatie met energiewinning uit getij’ gaat het in feite om een multi-functioneel project.. Dat wil zeggen dat verschillende partijen er baat bij zullen hebben. Dat betekent ook dat de totale realisatie-kosten door die
51
partijen gezamenlijk zullen moeten worden gedragen. Er moet dan een verdeelsleutel worden gevonden voor die kosten. Er zijn in dit verband een aantal mogelijkheden. De meest voor de hand liggende is dat de kosten worden verdeeld op basis van de door elke partij gegenereerde baten maar het probleem is dat tot op heden ecologische baten zich doorgaans in zulke situaties moeilijk of helemaal niet laten quantificeren. Voor deze verkennende studie wordt er vanuit gegaan dat de herinvoering van het getij er moet komen om ecologische (en misschien recreatieve) redenen en dat alle kosten om die herinvoering te bewerkstelligen in principe niet worden toegerekend aan de opwekking van getijenergie. Mocht het zo zijn dat de bouw van een getijcentrale een deel van de kosten, die normaal ten laste van de ecologie zouden zijn, afvangt, dan is dat een bijkomend voordeel voor de ecologie. Dit is bijvoorbeeld het geval bij een TT-centrale: doorvoersluizen (die normaal ten laste van de ecologie zouden zijn) zijn dan niet nodig. Daarnaast fungeert een getijcentrale ook als primaire waterkering (inplaats van het oorspronkelijke damlichaam). Ook voor wat betreft het laatste is voorlopig aangenomen dat deze kosten volledig ten laste van de getijcentrale komen. Tenslotte zijn bij de Alternatieven voor turbine-eenheden met de sluis er bovenop de kosten van gewapend beton aan sluiseenheden en afsluitmiddelen (schuiven) in de begrotingen opgenomen. De kosten van sluiseenheden die separaat worden gebouwd (bijvoorbeeld bij Alternatieven 2a/2b) zijn, behoudens de kosten van de schuiven, niet in de begrotingen opgenomen. Op basis van deze uitgangspunten zijn de volgende kosten-elementen niet aan de bouwkosten van de centrale toegerekend: -
aanleg van de bouwput bemaling van de bouwput verwijderen van de bouwput eventuele baggerwerken aan zee- en meerzijde van de centrale omleiding verkeer tijdens de bouw sluizen bij eb- of vloed-centrale indien elders gesitueerd verkeersbrug over de centrale heen bodembeschermingswerken aan zee- en meerzijde aanpassingswerken in en rond het Grevelingenmeer en mitigerende maatregelen t.a.v negatieve effecten 20
In het kader van deze verkennende studie is er geen budget om ook maar bij benadering vast te stellen wat de omvang van bovengenoemde kosten-elementen is in termen van
20
Deze volgende aanpassingswerken en negatieve effecten worden genoemd in ‘Zicht op de Grevelingen’: aanpassing vaste steigers in jachthavens, maaiveldhoogte in recreatiegebieden, mogelijkheid om af te meren bij eilanden, kwelstromen naar polders, afwateringscapaciteit van polderlgemalen en riolering Port Zélande. Men kan hier nog aan toe kunnen voegen: diepte van jachthavens en toegangsgeulen bij vloed- en TT-centrales.
52
miljoene euro’s. Het is dan ook duidelijk dat er dringend behoefte bestaat aan een totaal ontwerp waarbij alle kosten kunnen worden geraamd en toegedeeld.
6.3
Kosten-baten analyse
6.3.1 Uitgangspunten Om de verschillende alternatieven goed te kunnen vergelijken en beoordelen , wordt een kosten-baten analyse gedaan. Daarbij wordt gekeken naar de verhouding tussen de opgewekte energie en de kosten over een periode van 60 jaar. Die verhouding wordt dan weergegeven door de prijs per kWh per Alternatief. Als basis voor de bouwkosten en energieopbrengst worden de cijfers uit Tabel 6.2 gebruikt. Voor deze analyse wordt gebruik gemaakt van een aantal kengetallen. Deze zijn voor een gedeelte gebaseerd op waterkrachtprojecten in Noorwegen21 en voor een gedeelte op andere bouwprojecten in Nederland. Kengetallen bouwduur Onderhoud en exploitatie Transmissie verliezen22 Interest percentage Periode van analyse Onvoorzien Planning en Administratie Financiering
3 jaar 1,00% van de investeringskosten per jaar 3,00% 4,00% 60 jaar 15,00 % van de ‘netto’ bouwkosten 10,00 % van de ‘netto’ bouwkosten 0,00 % van de investeringskosten
Aangenomen wordt dat in elk bouwjaar een derde van de bruto bouwkosten wordt besteed. Naast de reguliere kosten voor onderhoud en exploitatie zijn er gedurende de periode van 60 jaar ook andere kosten. Eens in de zoveel jaar zal er namelijk een onderdeel vervangen moeten worden dan wel groot onderhoud moeten worden gepleegd. Dit wordt hier rehabilitatie genoemd en hiervoor wordt gebruik gemaakt van de volgende tabel. (Bron: BKK)
Civiele werken Generator Turbines Transformateur Bestuur apparatuur Overige apparatuur
21 22
Rehabilitatie 1
Rehabilitatie 2
Rehabilitatie 3
jaar 20 25 25 0 20 25
jaar 40 45 45 40 40 50
jaar 60 70 70 50 60 75
percentage 3,00% 10,00% 10,00% 0,00% 20,00% 10,00%
percentage 6,00% 40,00% 40,00% 5,00% 50,00% 50,00%
percentage 6,00% 75,00% 75,00% 100,00% 25,00% 75,00%
Gegevens van Bergenshalvøens Kommunale Kraftselskap (BKK), Noorwegen Transmissieverliezen komen niet ten laste van de kWh-prijs ‘af-centrale’
53
Bij civiele werken betekent dit bijvoorbeeld dat in het 20ste jaar een extra kostenpost van 3 % van de civiele kosten wordt verrekend.
6.3.2 Berekeningen Met behulp van de bovenstaande gegevens kunnen de kosten bepaald worden in elk jaar. De energieopbrengst wordt bepaald voor 4 verschillende energieprijzen (1 cent/kWh, 4 cent/kWh, 6 cent/kWh, 8 cent/kWh). De energieopbrengst van 1 cent/kWh wordt gebruikt om uit te rekenen hoeveel cent/kWh er nodig is om het project rendabel te maken. Dit wordt gedaan met de volgende formule: 63
( ∑ K ⋅ (1 + r )
− n −1)
t
ke =
n =1 63
( ∑ B ⋅ (1 + r )
− n −1)
t
n =1
waarin: ke [cent/kWh] = energieprijs Kt [€] = Kosten in jaar n Bt [€] = Baten in jaar n r [%] = Interest percentage n [-] = Jaar Met andere de energieprijzen (4 cent/kWh, 6 cent/kWh, 8 cent/kWh) wordt de netto contante waarde van het project na 60 jaar berekend. 63
NCW = ∑ Pt ⋅ n =1
1 (1 + r )n−1
waarin: NCW [€] = Netto contante waarde Pt [€] = Kasstroom in jaar n r [%] = Interest percentage n [-] = Jaar Als voorbeeld van de berekeningen wordt een aantal grafieken getoond betreffende de gedisconteerde kosten en baten van Alternatief 1a23. Dit is een eb-centrale met sluizen bovenop de turbines die is gesitueerd in het noordelijke gedeelte van de Brouwersdam. De verdisconteerde kosten die gedurende 60 jaren worden gemaakt staan in Figuur 6.1
23
Naderhand zijn de bouwkosten voor dit Alternatief iets gewijzigd en daarmee de grafieken en uitkomst maar dat doet voor dit voorbeeld minder ter zake.
54
Figuur 6.1
Alternatief 1a, verdisconteerde kosten gedurende 60 jaar
Behalve de kosten voor de bouw zijn ook de periodieke kosten voor rehabilitatie duidelijk zichbaar. De kosten voor onderhoud en exploitatie zijn minder goed zichtbaar. Het is bijna onmogelijk om te zien dat deze afnemen t.g.v. het interest percentage. Maar hier is uiteraard wel rekening mee gehouden. In Figuur 6.2 staan de verdisconteerde opbrengsten per jaar voor de drie verschillende energieprijzen weergegeven.
Figuur 6.2
Alternatief 1a, verdisconteerde opbrengsten gedurende 60 jaar
55
Heel duidelijk is te zien dat de inkomsten in de tijd afnemen t.g.v. het interest percentage. Met behulp van de kosten en de opbrengsten per jaar is de kasstroom te berekenen. De kasstroom is in de eerste drie jaren negatief. Daarna is de kasstroom vooral positief. De netto contante waarde neemt per jaar dus toe, zoals te zien is in de onderstaande figuur.
Figuur 6.3
Alternatief 1a, verloop netto contante waarde voor verschillende energieprijzen gedurende 60 jaar
Daarmee is de netto contante waarde na 60 jaar te bepalen voor de drie verschillende energieprijzen.(Figuur 6.4). In deze grafiek is ook de energieprijs geplot die nodig is om het project rendabel te maken. (circa 6,8 cent per kWh)
Figuur 6.4
Alternatief 1a, netto contante waarden voor verschillende energieprijzen na 60 jaar
56
6.3.3 Resultaten voor de verschillende Alternatieven In Tabel 6.3 zijn voor alle Alternatieven de NCW-waarden na 60 jaar gegeven bij verschillende waarden van de kWh-prijs. In de kolom ‘NCW van Kosten’.staat de NCW als de opbrengst nul zou zijn over de gehele periode. Tabel 6.3
NCW-waarden per Alternatief voor verschillende kWh-prijzen
Alter- bouwkosten24 NCW van natief Kosten [106 €]
1a 1b 2a 2b 3a 3b 4 5 6 7 8 Tabel 6.4
291,2 291,2 279,2 279,2 457,6 457,6 228,5 167,5 188,1 395,95 416,55
[106 €] -326,60 -326,60 -313,74 -313,74 -511,86 -511,86 -257,87 -188,14 -211,30 -446,01 -469,25
type centrale
locatie centrale
1a 1b 2a 2b 3a 3b 4 5 6 7 8
eb vloed eb vloed eb vloed TT TT TT TT TT
Noord Noord Noord Noord Noord en Zuid Noord en Zuid Noord Zuid Zuid (2lagen) Noord en Zuid Noord en Zuid
25
NCW bij 6 cent/kWh
[106 €] -144,31 -162,86 -131,45 -150.01 -195,68 -286,02 -86,07 -71,19 -80,63 -168,54 -184,53
[106 €] -53,16 -80,99 -40,31 -68,14 -37,59 -173,10 -,016 -12,71 -15,30 -29,81 -42,16
NCW bij Energieprijs 8 cent/kWh voor NCW=0 [106 €] [cent/kWh] 37,98 7,17 0,88 7,98 50,84 6,88 13,73 7,66 120,50 6,48 -60,17 9,07 85,74 6,00 45,77 6,43 50,04 6,47 108,92 6,43 100,20 6,59
Kengetallen voor de verschillende alternatieven
Alternatief
24
NCW bij 4 cent/kWh
waterstands bouwkosten25 variatie op Grevelingen [106 €] meer [m] 291,2 1,0 – 1,1 291,2 1,1 – 1,2 279,2 1,0 – 1,1 279,2 1.1 – 1,2 457,6 1,5 457,6 1,5 228,5 0,7 167,5 0,4 188,1 0,5 395,95 1,0 – 1,1 416,55 1,1
energieopbrengst per jaar [GWh] 226 203 226 203 392 280 213 145 162 344 353
energieprijs voor NCW=0 [cent/kWh] 7,17 7,98 6,88 7,66 6,48 9,07 6,00 6,43 6,47 6,43 6,59
Dit zijn de bouwkosten inclusief opslagen voor onvoorzien (15%), planning en administratie (10%).. idem
57
De energieprijzen in de laatste kolom van Tabel 6.3 zijn zo laag omdat een aanzienlijk aandeel in de totaal kosten van het project geacht wordt door anderen te worden gedragen. Men kan dan ook niet zonder meer een Alternatief selecteren op basis van de gevonden ‘break-even’ energieprijs. Het is echter nuttig om de verschillende Alternatieven met elkaar te vergelijken. Hiertoe worden de voornaamste kengetallen voor alle alternatieven uit eerder geplaatste tabellen bijeengeplaatst in Tabel 6.4 Men ziet , zoals te verwachten was, dat een hoge waterstandsvariatie (1,50 m) op het Grevelingenmeer samengaat met een hoge energieopbrengst (Alternatief 3a, Fig. 5.10) maar ook dat een dubbele laag turbines in een TT-centrale (Alternatief 6, Fig. 5.13 ) een lage energieopbrengst paart aan lage bouwkosten en dus een break-even energieprijs die practisch gelijk is aan die van Alternatief 3a.. Het laatste is echter in zoverre misleidend dat de ‘door derden te dragen kosten’ bij dit Alternatief wel eens aanzienlijk zouden kunnen zijn. Puur intuitief lijkt Alternatief 4 met het oog op de totaal-kosten het meest aantrekkelijk te zijn. Afgezien van de energieprijs (de laagste van alle Alternatieven) heeft men in het geval van deze TT centrale in het Noordelijk gedeelte geen sluizen nodig, laat men de bestaande bodemverdediging en drempel onder de caissons (Fig. 5.11) volledig intact en zit men voor de in- en uitstroming van water op bijna hetzelfde niveau als de bestaande doorlaatsluis26 (NAP – 11 m) in de Brouwersdam.. Er is dus geen uitzonderlijk diepe bouwput nodig zoals bij Alternatief 6 waar het doorstroomniveau bijna 8 m dieper ligt (NAP –17,7 m). Wenst men echter een grotere waterstandsvariatie op het Grevelingenmeer (1 m) dan lijkt Alternatief 7 meer geschikt. Men heeft dan wel twee bouwputten maar het doorstroomniveau ligt nog steeds op NAP –10 m (Fig 5.11 en Fig 5.12). en de bemaling van de bouwput alsmede baggerwerken aan zee- en meerzijde blijven binnen redelijke grenzen (Figuur 2.1).
26
zie DMB-DW nr 71, februari 1975, blz 24 e.v.
58
7.
Conclusies en Aanbevelingen
7.1
Conclusies
1.
Het is mogelijk om door middel van een getijcentrale in de Brouwersdam energie op te wekken tot een maximum van 392 GWh per jaar bij een eb-centrale en 353 GWh per jaar bij een TT-centrale. De waterstandsvariaties op het Grevelingenmeer (het zgn. gedempt getij) zijn hierbij respectivelijk 1,5 en 1,1 m.
2.
Zowel de energieopbrengst als de waterstandsvariatie zijn in hoge mate afhankelijk van de omvang van de te creëren doorvoercapaciteit. Bij eb- en vloed centrales is die doorvoercapaciteit afhankelijk van aantal en dimensies van sluisen turbine-eenheden (de laatsten energie producerend of in vaanstand). Bij TTcentrales uitsluitend afhankelijk van het aantal en de diameter van de turbineenheden.
3.
De maximale omvang van de doorvoercapaciteit wordt in grote mate bepaald door de beschikbare physieke ruimte voor het plaatsen van turbine- en sluiseenheden, al dan niet gecombineerd en/of in twee lagen (turbines) en in mindere mate door de toe te passen turbine-diameter. Voor de laatste is voorlopig 3,5 m genomen..
4.
In eerste instantie zijn de model-berekeningen gedaan met als referentie-niveau het gemiddelde zeeniveau (MSL) ter plaatse: NAP + 0,025 m .Op verzoek van Rijkswaterstaat zijn naderhand de berekeningen herhaald met een referentieniveau gelijk aan het huidige streefpeil van het Grevelingenmeer; NAP –0,20 m. Deze verandering in referentie-niveau heeft een negatieve invloed op de energieopbrengst bij een eb-centrale. Een kleine positieve invloed bij een vloedcentrale (zij het niet gedurende alle jaren) en practisch geen invloed bij een TTcentrale.
5.
Er kan ruimte geschapen worden in de Brouwersdam voor het bouwen van een getijcentrale: in het noordelijk deel over een lengte van 812 m door het verwijderen uit het damlichaam van de oorspronkelijk 12 doorlaatcaissons en in het zuidelijk deel door het (gedeeltelijk) verwijderen van de zgn. blokkendam over een lengte van 550 m.
6.
Een groot aantal Alternatieven (3 eb-centrales, 3 vloed-centrales, 5 TT- centrales) is geformuleerd waarin het aantal turbine-eenheden en sluiseenheden (indien van toepassing) werd gevarieerd alsmede de schikking (turbine- en sluiseenheden gecombineerd, turbine- en sluiseenheden apart, turbines in twee lagen).
7.
Er is bij de kosten-baten analyse van de 11 Alternatieven uitsluitend rekening gehouden met de kosten die direkt een gevolg zijn van de bouw van de centrale.
59
Met de kosten die gemaakt moeten worden om op het Grevelingenmeer een gedempt getij te (her-) introduceren is geen rekening gehouden. 8.
Op basis van dit uitgangspunt komen, afhankelijk van het betreffende Alternatief, de totale investeringskosten van de centrale op 170 tot 460 miljoen euro.
9.
Gezien deze opgevoerde investeringskosten berekende energieopbrengst voor de verschillende Alternatieven (van 145 to 392 GWh per jaar) vindt men bij een eonomische berekening een break-even prijs van 6 tot 9 eurocent per KWh..
7.2
Aanbevelingen
1.
Het wordt aanbevolen een studie te doen verrichten naar de in de centrale toe te passen laag-verval turbines met grote capaciteit.(diameter 3 tot 5 m) die bij voorkeur niet alleen als één-richting turbine dan wel pomp kunnen fungeren maar ook kunnen turbineren en pompen in tegengestelde richting (zgn. ‘reverse turbining and reverse pumping’) alsmede als spui- of inlaatmiddel met de turbineschoepen in vaanstand. (orifice-mode) kunnen fungeren..
2.
Het wordt aanbevolen om in samenwerking met Rijkswaterstaat een voorontwerp te laten maken voor een getijcentrale annex doorlaatmiddel (doorlaatsluizen) in de Brouwersdam waarbij ook de technische aspecten van de verschillende effekten die een gevolg zullen zijn van her-introductie van een (gedempt) getij op het Grevelingenmeer aan de orde komen en in termen van kosten worden gekwantificeerd.
3.
Het wordt aanbevolen een financieel-economische analyse te maken van het projekt ‘wederinvoering van een gedempt getij op het Grevelingenmeer in combinatie met energiewinning uit getij’ waarbij duidelijk wordt wat de totaal-kosten en de quantificeerbare en nietquantificeerbare baten zullen zijn en hoe de totaal-kosten van het projekt tussen balanghebbende partijen moeten worden verdeeld.
60
BIJLAGE A Toelichting op het gebruikte model en de mogelijke configuraties bij getijcentrales A.1
Energiewinning uit het getij
A.1.1 Het principe Getijenergie kan o.a27 worden opgewekt door een hoogteverschil (het verval) tussen de zee en een bassin, in dit geval het Grevelingenmeer. Dit hoogteverschil wordt gecreëerd door het waterniveau op een bepaald moment in het getij ‘vast’ te houden en vervolgens op een later moment water te laten stromen van de ene kant van de dam naar de andere kant via een turbine in de te bouwen getijcentrale.
H
Q
Figuur A.1
Schematische dwarsdoorsnede dam ter verduidelijking van het principe van de energie winning uit het verticale getij
Voor het vermogen dat hierbij gecreëerd wordt, bestaat een eenvoudige formule: P =η ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H ⋅Q
Waarin P het vermogen in watt, η het rendement van de turbine zonder dimensie, ρ de dichtheid van het water in kg/m3, g de zwaartekrachtsversnelling in m/s2, H het hoogteverschil (het verval, de energiehoogte) in m en Q het debiet in m3/s is.
27
Recent zijn er ook enkele voorbeelden van energiewinning uit het zogenaamde horizontale getij, dwz. de stroomsnelheid. Deze wijze van energiewinning is bij de Brouwersdam minder interessant.
61
Het debiet dat door de dam kan stromen, hangt, behalve van het verval (de energiehoogte), af van het aantal en de diameter van de turbines die geplaatst worden. Maar: hoe groter het debiet des te kleiner zal het verval worden. Het is dus niet mogelijk om het debiet oneindig toe te laten nemen, want de turbines produceren dan geen energie meer. Om te bepalen hoeveel energie er opgewekt kan worden, dient gemodelleerd worden welk waterniveau het Grevelingenmeer heeft op elk tijdstip. Dit is afhankelijk van het maximaal toelaatbare waterstandsverschil op het Grevelingenmeer, het tijdstip van starten met turbineren, het tijdstip van eindigen met turbineren en het type centrale (de configuratie). Voor de ebcentrale28 is uitgewerkt hoe het peil op het Grevelingenmeer varieert.
hzee
hgrev
h ∆hmax
Hstart
MSL Heind
T1 Figuur A.2 Tijdstip T1 T2 T3 T4
T2
T3
T4
t
Schema van de werking van een eb-centrale Peil op zee (hzee) ∆hmax ∆hmax -Hbegin MSL-Heinde MSL
Peil op Grevelingenmeer (hgrev) ∆hmax ∆hmax MSL29 MSL
28
Verschil
Actie
0 Hstart Heind 0
schuiven sluiten starten turbineren eindigen turbineren schuiven openen
Zie Hoofdstuk A.3 in deze bijlage voor een toelichting van het begrip ebcentrale Doorgaans is MSL (het gemiddelde zeeniveau bij de Brouwersdam) genomen als het peil in de Grevelingenmeer waarbij de energie winning stopt. 29
62
Vooralsnog wordt aangenomen dat het Grevelingenmeer een rechthoekige bak is, dit vereenvoudigt het model. Verwacht wordt dat deze aanname weinig uitmaakt voor de energieopbrengst. De aanname heeft tot gevolg dat in de berekeningen het wateroppervlak niet afhankelijk is van de waterstand. Daarom geldt de volgende formule: Q=A
dh dt
Waarin A het wateroppervlak is van het Grevelingenmeer in m2 en dh dt de verandering van de waterstand in het Grevelingenmeer per seconde. Voor het bepalen van de hoeveelheid energie wordt de al eerder genoemde formule gebruikt: E = P ⋅ t = η ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H gem ⋅ Q ⋅ t
Hierin zijn de dichtheid ρ en de zwaartekrachtsversnelling g constant. Het rendement η hangt af van de energiehoogte en het debiet. Voorlopig lijkt een gemiddeld rendement van 0,85 een redelijke aanname. Per cyclus kan de gemiddelde energiehoogte op de volgende manier berekend worden: T3
∫ ( h ( t ) − h ( t ) ) dt grev
H gem =
zee
T2
T3 − T2
Waarin hgrev de waterstand op het Grevelingenmeer, hzee de waterstand op zee, T2 het tijdstip van starten van turbineren is en T3 het tijdstip van stoppen met turbineren is. Het debiet kan daarna berekend worden met: Q=A
dh dt
En ten slotte kan de turbineertijd berekend worden met:
t = T3 − T2 Zo wordt de energie in joules berekend. Om de joules om te zetten in kilowattuur dient het aantal joules gedeeld te worden door 3,6 miljoen.
EkWh =
E joules 3.6 ⋅106 63
A.1.2 Getij op zee Het getij op zee is een van de belangrijkste factoren voor de energiewinning. Van Rijkswaterstaat zijn gegevens ontvangen over de (gemeten) getijden van de afgelopen 5 jaar. Daaruit zijn de volgende conclusies getrokken.
1) Het Mean Sea Level (MSL) ligt op 2,5 cm boven NAP 2) De gemiddelde getijslag (= getijverschil) is 2,4 meter 3) Het doodtij heeft een getijverschil van ongeveer 2 meter en het springtij van ongeveer 2,8 meter; (NB het getijverschil = 2 x amplitude) 4) Het verloop van de getijden verschilt soms erg van dat van een sinusoide. 250
200
hauteur [cm]
150
100
50
0 0:00
4:48
9:36
14:24
19:12
0:00
4:48
-50
-100 heure
Figuur A.3
In rood het werkelijke getij in paars de benadering met sinusoide
5) Tijdens een storm stijgt de waterstand door windopzet. De laagste waterstand kan dan soms boven NAP vallen.
64
2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
0
Figuur A.4:
A.2
50
100
150
Verloop van een getijcyclus tijdens een storm
Het Model
A.2.1 Inleiding Bij het maken van modellen is gebruik gemaakt van Matlab. Daarbij zijn telkens twee methoden gebruikt om dit model te construeren. Dat zijn ‘loops’ en ‘if-statements’.
Bij loops wordt een bepaalde procedure voor verschillende waarden telkens uitgevoerd om een vector te maken. Hieronder staat een voorbeeld gegeven. for i = 1:5 h (i)= 2*i-1; end
Hierbij zal de volgende vector ontstaan: h = [1
3
5
7
9]
Bij if-statements wordt aan een bepaalde waarde een voorwaarde gesteld. Wederom is een voorbeeld gegeven. if h(i)>=7; h(i)=0; end
Hierbij zal de vector h veranderen naar: h = [1 3 5 0 0]
65
In het model worden deze methoden gecompliceerder en veelvuldig gebruikt. Deze inleiding is gegeven om een voorstelling te krijgen over de manier waarop de computer de gegevens verwerkt en uiteindelijk dus de energieopbrengst berekend.
A.2.2 Toelichting op de werking van het model Invoergegevens Bij dit model kunnen de volgende gegevens ingevoerd worden: - duur van het getij in seconde (T_getij) - gemiddelde wateroppervlak van het Grevelingenmeer (A) - het rendement van de turbines (eta) - de dichtheid van het water (ro) - de zwaartekrachtsversnelling (g) - de start-energiehoogte (Hstart) - het gemiddelde debiet per cyclus (Q) - de minimale eind-energiehoogte (Heind) - de maximale waterstandvariatie op het Grevelingenmeer (Delta H) - de eindwaterstand op het Grevelingenmeer (h_eind) - het type getijcentrale (methode) - het jaar van waterstandsgegevens (jaartal) Hierbij geeft de beschrijving tussen de haakjes de naam van de variabele in Matlab aan. Waterstandsgegevens Het model maakt gebruik van waterstandsgegevens van het Brouwershavensche Gat 08 van de jaren 2003 tot en met 2007. Bij deze gegevens wordt om de tien minuten een waterstand gemeten. Omdat het getij 12 uur en 25 minuten duurt, wordt het aantal gegevens verdubbeld door lineaire interpolatie, waardoor er dus gegevens per 5 minuten zijn. Een getijcyclus bestaat nu uit exact 149 gegevens en in totaal worden er 704 van de 705 getijden gebruikt voor de berekening (dit omdat soms het eerste en het laatste stuk van de gegevens niet bruikbaar is voor een bepaald type centrale). Met als uitzondering het schrikkeljaar 2004, omdat er een extra dag en dus 2 cyclussen extra zijn. Bepaling gemiddeld wateroppervlak Voor de bepaling van de totale energie, dient bepaalt te worden welk wateroppervlak het Grevelingenmeer heeft. Aan de hand van gegevens van Rijkswaterstaat is de volgende formule ontwikkeld: A ( h ) = 117.07 ⋅106 + 20.751⋅106 ⋅ h − 5 ⋅106 ⋅ h 2 De kombergingsbenadering wordt gebruikt in dit model en dat betekent dat er vanuit gegaan wordt dat het Grevelingenmeer een rechthoekige bak is met een gemiddeld wateroppervlak tijdens het turbineren. Dit gemiddelde wateroppervlak wordt op de volgende manier bepaald.
66
1 min ( hgrev ) + max ( hgrev ) 1 1 + ⋅ A min ( hgrev ) + ⋅ A max ( hgrev ) Agem = ⋅ A 4 2 2 4
(
)
(
)
Bepaling van starten en stoppen met turbineren Als voorbeeld voor de werking van het model wordt eerst de werking bij een eb-centrale toegelicht. Als het getij niet door een van de genoemde redenen in het hoofdrapport ongeschikt is verklaart, wordt het tijdstip waarop gestart wordt met turbineren op de volgende manier bepaald. Dit gebeurt door het snijpunt van twee functies te vinden in het juiste tijdsbestek van de cyclus. Bij het vinden van het tijdstip waarop wordt gestart met turbineren, worden de volgende functies gebruikt: hstart ( t ) = hcyclus ( t ) + H start hmax ( t ) = max ( hgrev ) Waarin hcyclus de waterstand op zee is tijdens een cyclus, Hstart de start-energiehoogte en maxH de maximale waterstand op het Grevelingenmeer is. Het snijpunt van een dergelijke functie kan worden gevonden op de volgende wijze: t = n ⋅ dt f ( n ⋅ dt ) = hstart ( n ⋅ dt ) − hmax ( n ⋅ dt )
(
snijpunt = min f (n ⋅ dt ) ⋅ f
( ( n + 1) ⋅ dt ) )
n = het nummer van de waterstandsmeting [n] (in totaal zijn er 149 gegevens per cyclus) dt = tijdstap [s] t = tijd [s] Om er voor te zorgen dat in het juiste tijdsbestek het snijpunt gevonden wordt, is als eis gesteld dat de waterstand op zee afneemt ( dhcyclus dt < 0 ). De waterstandvariatie op het Grevelingenmeer voor een cyclus is bepaald en daarmee wordt de turbineertijd bepaald: ∆h ⋅ A tturbineer = Q ∆h = de waterstandvariatie op het Grevelingenmeer [m] A = het wateroppervlak van het Grevelingenmeer [m2] Q = het debiet, dat door de dam gaat [m3/s] Vervolgens wordt met de volgende formule het tijdstip van stoppen met turbineren bepaald:
67
Teind = Tbegin + tturbineer Als vervolgens de energiehoogte op het tijdstip van turbineren kleiner is dan het stopverval dan wordt deze methode omgedraaid. Nu wordt op dezelfde wijze als met het starten van turbineren het stoppen met turbineren bepaald met behulp van het minimale stopverval. Het tijdstip waarmee begonnen wordt, kan nu bepaald worden met de volgende formule. Tbegin = Teind − tturbineer Als vervolgens de energiehoogte op het tijdstip van starten met turbineren te laag is dan wordt het getij ongeschikt geacht voor energiewinning. Dit gebeurt ook als een van de twee tijdstippen buiten de cyclus valt.
Berekening waterstand op Grevelingenmeer Nu het tijdstip van starten en stoppen van turbineren bekend zijn, kan berekend worden wat de waterstand op het Grevelingenmeer wordt tijdens turbineren. max ( hgrev ) − heind hgrev ( t ) = max ( hgrev ) − ⋅t Teind − Tbegin Tbegin ≤ t ≤ Teind Teind = het tijdstip van stoppen met turbineren [s] Tbegin = het tijdstip van beginnen met turbineren [s] heind = de eindwaterstand [m + NAP] Berekening energie Met behulp van deze twee peilen wordt de energiehoogte per tijdstip berekend, om daarmee de gemiddelde energiehoogte te bepalen. Aan de hand van de helling van het verloop van het peil van het Grevelingenmeer wordt het debiet bepaald. Ten slotte kan de energie per cyclus berekend worden met de volgende formule: Ecyclus [ kWh ] = η ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H gem ⋅ Q ⋅ tturbineer 3.6 ⋅106 η = het rendement [-] ρ = de dichtheid [kg/m3] g = zwaartekrachtsversnelling [m2/s] Hgem = gemiddeld verval [m]
De energie per jaar is uiteraard de som van de energie per cyclus. 704
E jaar = ∑ Ecyclus 1
Werking bij andere centrales Voor een vloedcentrale is de procedure ongeveer hetzelfde, met als grootste verschil de minimale waterstand en maximale waterstand op het Grevelingenmeer. Voor tweezijdig turbineren wordt de cyclus opgedeeld in eb-genererend en een vloed-genererend stuk en
68
werkt dus ook op een zelfde wijze als de andere twee getijcentrales. Om het mogelijk te maken dat de drie verschillende methodes in een programma zitten, wordt bij de variabele heind geïnterpreteerd als de gemiddelde waterstand in plaats van de waterstand bij het stoppen met turbineren. De maximale en minimale waterstand op het Grevelingenmeer worden dan bepaald aan de hand van de gemiddelde waterstand en de ingevoerde waterstandsvariatie. max ( hgrev ) = heind + 0.5 ⋅ ∆h min ( hgrev ) = heind − 0.5 ⋅ ∆h
Er is een model ontwikkeld waarin een standaard regime wordt aangehouden met een constante start-energiehoogte en eind-energiehoogte. Dit heeft als gevolg dat sommige getijden geen energie opleveren. Dit zijn getijden met een te kleine getijslag en getijden waarbij het waterstandsverloop op zee niet te verenigen is met het gewenste waterstandsverloop op het Grevelingenmeer. Bij een eb-centrale is het bijvoorbeeld de bedoeling dat als laagste waterstand op het Grevelingenmeer MSL wordt bereikt . Bij een getijcyclus als hierboven is dat niet mogelijk. aantal turbines stroomt, bepaalt hoeveel de getijcentrale het peil werkelijk kan laten variëren.
69
A.3
De getijcentrale
A.3.1 Typen getijcentrales Er zijn bij toepassing van één bassin30 drie verschillende typen getijcentrales. De rode pijlen geven aan in welk tijdsbestek energie gewonnen wordt.
1) Eb-centrale; hierbij wordt energie gewonnen tijdens eb.
2) Vloed-centrale; hierbij wordt energie gewonnen tijdens vloed.
30
Getijcentrales met meer dan éen bassin worden hier niet behandeld.
70
3) TT-centrale; hierbij wordt energie gewonnen tijdens eb en vloed. TT-centrale 1.5
waterstand t.o.v. MSL(m)
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
0
1
2
3
4
5
tijd(s)
6
7 4
x 10
A.3.2 Energie opbrengsten Een eb-centrale produceert ongeveer 10 procent meer energie dan een vloed-centrale. Dit komt doordat het volume water dat verplaatst wordt ook ongeveer 10 procent groter is.
Tweezijdig turbineren levert meer energie op dan een eb-centrale of een vloed-centrale bij een zelfde waterstandsverschil op het Grevelingenmeer. Een ander voordeel van dit type centrale is dat er geen doorlaatsluizen gebouwd hoeven te worden. Dit kan een positief effect hebben op de kosten van het project.
71
