WATER ALS BRON VAN DUURZAME ENERGIE

Ecofys the Netherlands BV P.O. Box 8408 NL-3503 RK Utrecht Kanaalweg 16-G NL-3526 KL Utrecht The Netherlands www.ecofys.nl T F E

WATER ALS BRON VAN DUURZAME ENERGIE Energiebalans en Omgevingseffecten van energietechnologieën met water

-Vertrouwelijk-

Maarten van den Berg Yvonne de Bie Fieke Geurts Sjors van Iersel Anna Ritzen Nico Stolk

Maart 2009 PWNDNL083200 Copyright Ecofys 2009

in opdracht van: Deltares

+31 (0)30 280 83 00 +31 (0)30 280 83 01 [email protected]

Samenvatting

In navolging van de onder het innovatieprogramma WINN (Waterinnovatie Rijkswaterstaat) opgestelde inspiratieatlas ‘Water als bron van duurzame energie’ heeft Deltares een aantal zaken nader laten onderzoeken door Ecofys. Enerzijds is er behoefte aan inzicht in de energie terugverdientijd (ETVT) van installaties waarmee energie met behulp van water geproduceerd wordt. Anderzijds wil Deltares inzicht in de mogelijke effecten op natuur, milieu en overige gebruiksfuncties op locaties waar duurzame energiewinning plaatsvindt. In dit rapport – Water als bron van duurzame energie – worden de levenscyclus energieprestaties en de omgevingseffecten van vijf duurzame, water gerelateerde energietechnologieën gepresenteerd. Te weten, golfenergie, getijdenenergie, osmose energie, warmte koude energie en energie uit aquatische biomassa. Ecofys concludeert dat de energieterugverdientijden voor water gerelateerde energietechnologieën uiteenlopen en sterk afhankelijk zijn van de fase van ontwikkeling van de techniek. Het onderzoek laat zien dat: • Van de bestudeerde technologieën is warmte koude opslag het verst ontwikkeld. Deze techniek heeft ook de kortste ETVT (2,8 jaar). Dit betekent een ETVT die langer is dan wind (ongeveer een half jaar), maar korter dan zonne-energie (rond de 3,5 jaar). • De spreiding in resultaten voor golf- en getijdenenergie is groot. Als de technologieën optimaal gebruik maken van lokale omstandigheden is bij deze technologie een ETVT te verwachten van 2 à 4 jaar in Nederland. Voor Nederland moet gekeken worden naar installaties die ontworpen zijn voor minder intensieve golfslag, goed geïntegreerd kunnen worden met bestaande structuren (bijvoorbeeld met windparken op zee) en naast golfenergie ook gebruik maken van stroming. • Op dit moment verdienen aquatische biomassa (in een gesloten systeem) en osmose energie (RED) zich energetisch nog niet of nauwelijks terug. Zowel aquatische biomassa als osmose energie bevinden zich nog in een vroeg stadium van ontwikkeling. Technologische verbeteringen zijn nodig om tot (aanzienlijk) lagere energieterugverdientijden te komen. In beide technieken zijn er ontwikkelingen te verwachten die zullen leiden tot een lagere ETVT: • Bij aquatische biomassa biedt gecombineerde algen- (of wieren)kweek voor energieopwekking en de productie van hoogwaardige grondstoffen (zoals omega 3 vetzuren, vitaminen, mineralen en natuurlijke pigmenten) economisch en energetisch voordelen. Wanneer deze hoogwaarde grondstoffen geproduceerd

Water als bron van Duurzame Energie - 030609

II

worden, zal de ETVT van de energetische toepassing van acquatische biomassa aanzienlijk dalen. Voor de toepassing van osmose energie zijn de omstandigheden in Nederland gunstig. Om de ETVT van RED aanzienlijk te verlagen moet technologische ontwikkeling geboekt worden op het gebied van membraantechnologie (hogere energie dichtheid, langere levensduur en lagere productiekosten), voorzuivering (energieverliezen door biofouling moeten worden gereduceerd), elektroden productie (de energiekosten moeten omlaag) en energieverbruik voor de pompsystemen.

•

De resultaten van de studie zijn in figuur A weergegeven. De resultaten voor de aan water gerelateerde technologieën worden hier vergeleken met zonne- en windenergie. In de figuur is onderscheid gemaakt tussen resultaten die haalbaar zijn in Nederlandse omstandigheden en resultaten die alleen haalbaar zijn onder ideale omstandigheden die niet in Nederland voorkomen. Hoe verder de techniek in de kolom naar rechts staat, hoe verder de techniek is ontwikkeld.

Legenda:

Energie terugverdientijd (jaren)

Van toepassing voor Nederland Van toepassing bij omstandigheden buiten Nederland Fase van ontwikkeling techniek (rechts = volwassen)

29,5 23 bij gesloten systeem en energieneutraal O&M

15

Pelamis

10

5 thinfilm CdTe

Waverotor

Poly-Si Wave dragon

Seagen thinfilm CIS

Zon

Wind

Golf

Getijde

Aquatische biomassa

WKO

Osmose

Figuur A Resultaten ETVT’s voor diverse technologieën (zon en wind op basis van literatuur)


III

Leeswijzer In het eerste hoofdstuk zijn het doel van de studie en de onderzoeksaanpak uitgewerkt. De levenscyclusanalyse (LCA) methodologie staat hierin centraal. In hoofdstuk 2 worden de resultaten uitgebreid beschreven. Er wordt een vergelijking gemaakt van de ETVT van de vijf water gerelateerde energieconversietechnologieën, gevolgd door een vergelijking met de meer ontwikkelde duurzame energie technologieën voor wind en zonne-energie. Ook worden hier de belangrijkste uitkomsten van de omgevingseffectenstudie samengevat. In de hoofdstukken 3 tot en met 12 worden per techniek de energieprestaties en de omgevingseffecten in detail besproken. In Bijlage 2 worden op verzoek van Deltares de omgevingseffecten voor kleinschalige waterkracht nog uitgelicht.


IV

Inhoudsopgave

1

Inleiding 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3

2

Doel Onderzoeksaanpak Onderzoeksaanpak Levenscyclus analyse Vertaling van de levenscyclus analyse resultaten Vergelijking resultaten

1 2 2 3 4

Resultaten en vergelijking systemen

5

2.1 2.2 2.3

3

Resultaten energiebalans per technologie Vergelijking van technologieën Resultaten omgevingseffecten per technologie

Golfenergie 3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4

4

1

Korte beschrijving technologie Energiebalans Energiebalans uitgediept: Pelamis Energie-input Opbrengsten Resultaten en gevoeligheid Conclusies en aanbevelingen golfenergie

Omgevingseffecten Golfenergie 4.1 4.2 4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3 4.2.1.4 4.2.1.5 4.2.1.6 4.2.1.7

Te verwachten effecten Uitwerking effecten Biologische effecten Zeezoogdieren Vissen Zeebodem en fauna Hydrografie en kustprocessen Vogels Visuele effecten Geluid


5 8 8

13 13 14 16 16 16 17 18

19 19 19 19 19 20 21 22 23 23 24

V

4.2.1.8 4.2.1.9 4.3 4.4

5

Getijdenenergie 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4

6

Te verwachten effecten Uitwerking effecten Verstoring macro getijdenenergiebalans Verandering in getijdenhoogte,-snelheid en -tijd Ontwerp- en bouwfase Scheepvaart en beroeps- en sportvisserij Verstoring leefgebied vissen en waterzoogdieren (lokaal) Waterverontreiniging Mitigerende maatregelen Conclusies en aanbevelingen

Osmose Energie 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.3

8

Korte beschrijving technologie Energiebalans Energiebalans uitgediept: Wave Rotor Energie input Opbrengsten Resultaten Gevoeligheid Conclusies en aanbevelingen getijdenenergie

Omgevingseffecten Getijdenenergie 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.3 6.4

7

Effecten als gevolg van incidenten Effecten als gevolg van ontmanteling Mitigerende maatregelen Conclusies en aanbevelingen

Korte beschrijving technologie Energiebalans Energie input Opbrengsten Resultaten Gevoeligheid Conclusies en aanbevelingen

Omgevingseffecten Osmose Energie 8.1 8.2

Te verwachten effecten Uitwerking effecten


26 27 27 28

29 29 30 31 31 32 32 33 33

34 34 34 34 34 35 36 36 37 37 37

38 38 39 40 44 44 44 45

46 46 46

VI

8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8.2.6 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.3.6 8.4

9

Waterverontreiniging Landschappelijke inpassing Bodembeschadiging Afsluiting voor aquatisch milieu en scheepvaart Verandering van zoet en zoutwaterconcentraties Verandering van nutriëntenhuishouding Mitigerende maatregelen Waterverontreiniging Landschappelijke inpassing Bodembeschadiging Afsluiting voor aquatisch milieu en scheepvaart Verandering van zoet en zoutwaterconcentraties Verandering van nutriëntenhuishouding Conclusies en aanbevelingen

Warmte Koude Opslag 9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.3

Korte beschrijving technologie Energiebalans Energie input Opbrengsten Resultaten Gevoeligheid Conclusies en aanbevelingen

10 Omgevingseffecten Warmte Koude Opslag 10.1 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.2.5 10.2.6 10.2.7 10.2.8 10.2.9 10.2.10 10.3 10.4

Te verwachten effecten Uitwerking effecten Warmte koude opslag met open bronnen Verplaatsing/verspreiding van verontreinigingen in een aquifer Beïnvloeding van bestaande functies in het grondwater Menging van grondwater binnen een aquifer Lekkage van grondwater tussen aquifers Verandering van de temperatuur in het grondwater Regeneratie d.m.v. oppervlaktewater Verbetering van de kwaliteit van het oppervlaktewater Schade aan het leven in het water Beïnvloeding van het paargedrag Mitigerende maatregelen Conclusies en aanbevelingen


46 47 47 47 48 48 48 48 49 49 49 49 49 50

51 51 53 54 55 55 56 57

58 58 59 59 59 60 60 60 60 60 61 61 61 62 62

VII

11 Aquatische Biomassa 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.3 11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4 11.3

Korte beschrijving technologie Kweeksystemen voor microalgen Kweeksystemen voor zeewier Conversie in energie Energiebalans Energie input Opbrengsten Resultaten Gevoeligheid Conclusies en aanbevelingen

12 Omgevingseffecten Aquatische Biomassa 12.1 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.4 12.2.5 12.2.6 12.2.7 12.3

Te verwachten effecten Uitwerking effecten Macroalgen kweek op zee: ruimte Macroalgen kweek op zee: nutriënten Macroalgen kweek op zee: Ecologische effecten Microalgen kweek op land: ruimte Microalgen kweek op land: Broeikasgassen Microalgen kweek op land: Nutriënten Microalgen kweek op land: Waterverbruik Conclusies en aanbevelingen

63 63 63 66 66 68 68 71 71 72 73

75 75 76 76 77 77 78 78 78 78 78

13 Bijlage 1

80

14 Bijlage 2 Kleinschalige waterkracht

81

14.1 14.2 14.3 14.4 14.4.1 14.4.2 14.4.3 14.5 14.5.1 14.5.2 14.5.3 14.6

Korte beschrijving technologie Omgevingseffecten Kleinschalige Waterkracht Te verwachten effecten Uitwerking effecten Vissterfte Barrière voor scheepvaart en recreatievaart Schade voor beroeps- en sportvisserij Mitigerende maatregelen Vissterfte Barrière voor scheepvaart en recreatie Schade voor beroeps- en sportvisserij Conclusies en aanbevelingen


81 82 82 82 83 84 84 84 84 85 86 86

VIII

15 Referenties


87

IX

1

Inleiding

Het thema duurzaamheid wordt steeds belangrijker in onze maatschappij. Steeds meer mensen, bedrijven en overheden raken doordrongen van de noodzaak (en het nut) om op een verantwoorde wijze om te gaan met hulpbronnen en zo het milieu te sparen. De Nederlandse regering heeft als doelstelling in 2020 20% van de energievraag op te wekken met duurzame energie. De bestaande technologieën die daaraan kunnen bijdragen zijn onder andere zonne-energie, windenergie, biomassa en aardwarmte. Om echt verder te komen zijn er werkende, betaalbare en in het milieu inpasbare innovaties nodig. Nederland is een waterland bij uitstek – en energie uit waterkracht van rivieren, getijden en golfbewegingen, fysisch-chemische energie in zoet-zoutgradiënten in de kuststreken en biomassaproductie in aquaculturen zijn innovaties die kunnen bijdragen aan de doelstelling van de regering. 1.1

Doel

Voor een duurzame energievoorziening is het zaak dat we die opties kiezen die een netto positieve energiebalans hebben, dat wil zeggen opties die meer energie opleveren gedurende hun levensduur dan dat ze hebben gekost. Daarnaast is het van belang dat nieuwe energietechnologieën zo min mogelijk omgevingsschade aanrichten. Onder omgevingseffecten worden milieueffecten verstaan maar ook bijvoorbeeld het effect dat bepaalde technologieën hebben op andere gebruikersfuncties. De vraag die we in dit rapport proberen te beantwoorden is tweedelig: Hoe lang moet de technologie, waarmee energie uit water wordt opgewekt, energie leveren om hun eigen productie terug te verdienen in de Nederlandse situatie? Welke omgevingseffecten kunnen deze nieuwe technologieën hebben? Deze vragen zullen we beantwoorden door inzicht te geven in energieterugverdientijden van verschillende duurzame technologieën voor het opwekken van energie uit water. De energieterugverdientijd geeft aan hoe lang het duurt voordat de energieoptie de energie die het gekost heeft voor het winnen van de grondstoffen, produceren, vervoer, installeren, onderhoud, afbraak en recycling, weer heeft terugverdiend. Daarnaast worden omgevingseffecten, zoals effect op milieu of mens, per technologie beschreven.


1

1.2

Onderzoeksaanpak

De analyse van de energiebalans en energieterugverdientijd doen we op basis van een levenscyclusanalyse. De resultaten van de energieterugverdientijden voor energieopwekkers uit water vergelijken we vervolgens met energieterugverdientijden van andere duurzame energieopties. De onderzoeksaanpak van de levenscyclusanalyse staat hieronder in meer detail beschreven. De omgevingseffecten hebben we op basis van literatuurstudie en kennis van experts opgesteld.

1.2.1

Onderzoeksaanpak Levenscyclus analyse

Levenscyclusanalyse (LCA) is een methode waarmee de milieueffecten van een product, proces of dienst inzichtelijk kunnen worden gemaakt die, zoals de naam al zegt, optreden gedurende de gehele levensfase. Voor ontwerpers en beleidsmakers is het een handige methode om de milieueffecten van producten of processen te reduceren, respectievelijk te vergelijken. Ook energieconversietechnologieën kunnen aan de hand van levenscyclusanalysestudies met elkaar vergeleken worden, waarbij vooral het energieverbruik en de CO2-emissies belangrijke indicatoren zijn. Bij het doen van levenscyclusanalysestudies, is het belangrijk te realiseren dat verschillen in aanpak tot significant andere uitkomsten kunnen leiden. Door te variëren met systeemgrenzen, allocatiemethoden en productieprocessen kan bijna elke uitkomst gegenereerd worden. Selectieve keuze van impactcategorieën kan eveneens leiden tot een vertekend beeld van de werkelijke milieuprestaties. Om onjuiste levenscyclusanalyseberekeningen te vermijden heeft de International Standardization Organization (ISO) een aantal regels opgesteld waaraan een levenscyclusanalyse moet voldoen. Bij de levenscyclusanalyseberekeningen in dit rapport zijn deze regels in acht genomen. Binnen de ISO levenscyclusanalyseregels, die staan beschreven in de ISO 14044 standaard, is echter nog steeds ruimte voor arbitraire keuzes. Hieronder staan de keuzes die wij in dit onderzoek gemaakt hebben. Systeemgrenzen en allocatie Alle processen van cradle to grave (wieg tot graf), die een significante bijdrage leveren aan het energieverbruik en de CO2-emissies van de betreffende energieconversietechnologieën, worden meegenomen in de berekening. Grofweg kunnen de levenscyclusimpacts van energiesystemen verdeeld worden in 4 ketenonderdelen: Het delven van de grondstoffen en het produceren van de verschillende componenten, Assemblage en installatie, Operatie en onderhoud, Ontmanteling en afval verwerking.


2

Een van de meest bediscussieerde aspecten van het levenscyclusanalysedebat is het gebruik van allocatie (toekenning) methoden. Bij energieopwekkers uit water kan met name de manier waarop gerekend wordt met de recycling van de gebruikte materialen een groot effect hebben. Voor de methodologische aanpak van allocatie van het effect van recycling kan grofweg gekozen worden tussen een output en een input methode: (1) De output methode. Hierbij wordt gerekend met een bonus voor de (eventuele) toekomstige recycling van de gebruikte grondstoffen. Bij deze aanpak is het verschil tussen het gebruik van ‘nieuwe’ en hergebruikte grondstoffen slechts beperkt zichtbaar in de uitkomst. Het effect van het ontwerp op de mogelijkheden tot recycling, komt wel goed tot uiting. (2) De input methode. Hierbij zijn de gebruikte grondstoffen het uitgangspunt. De milieubesparing wordt alleen toegekend aan de grondstof die gebruikt wordt. Voor eventuele toekomstige recycling wordt geen bonus toegekend. Het gebruik van gerecycled materiaal heeft dan een voordeel ten opzichte van ‘nieuwe’ grondstoffen. Het effect van het ontwerp op de mogelijkheden tot recycling wordt bij deze aanpak niet in beschouwing genomen. In deze studie is voor de input methode gekozen. Deze is in dit onderzoek overgenomen. Tevens is aangegeven wat het effect op de energieterugverdientijd is als je deze credit voor recycling na ontmanteling niet meeneemt in de berekening. Impact categorieën In deze vergelijkende levenscyclusanalysestudie naar energieconversietechnologieën wordt uitsluitend gekeken naar de energieen CO2-prestaties. Onder energieverbruik wordt het primaire energieverbruik verstaan en onder CO2-emissies, CO2-equivalenten. Emissies van andere broeikasgassen worden met de betreffende ‘global warming potentials’ omgerekend naar CO2 equivalenten. Dataverzameling Bij de dataverzameling is gebruikt gemaakt van verschillende bronnen. Waar mogelijk is voorgronddata gebruikt (specifieke data voor de betreffende levenscyclusanalyse zoals productie- en operatieprocessen) van de installaties in kwestie. Deze informatie is verkregen uit bestaande levenscyclusanalyses en via de netwerken van Ecofys en Deltares (leveranciers en onderzoeksinstituten). Achtergronddata is gebruikt voor niet-specifieke processen zoals transport- en afvalverwerking. Deze gegevens zijn verkregen uit verschillende levenscyclusanalysedatabases en berekend met de SimaPro 7.1 software. Ook wanneer specifieke informatie ontbrak, is teruggevallen op gegevens van vergelijkbare processen uit bestaande levenscyclusanalysedatabases. Waar geen representatieve processen werden gevonden, is door experts een inschatting gemaakt.


3

1.2.2 Vertaling resultaten

van

de

levenscyclus

analyse

Voor de bestudeerde energiesystemen wordt allereerst de levenscyclus CO2-emissie en het energieverbruik gepresenteerd. Aansluitend wordt met behulp van de CO2-besparing en de energieproductie een vertaling gemaakt naar de CO2-terugverdientijd en de energieterugverdientijd (afgekort met CO2TVT en ETVT).

CO2 _ terugverdientijd =

Totaal _ CO2 _ Geëmitteerd CO2 _ Jaarlijks _ Bespaard

Energie _ terugverdientijd =

Totaal _ Energie _ Benodigd Energie _ Jaarlijks _ Opgewekt

De CO2-terugverdientijd moet niet letterlijk worden opgevat: de CO2-wordt niet afgevangen en wordt dus ook niet terugverdiend. Met de eenheid wordt uitgedrukt hoe de CO2 die tijdens de productie van de installatie wordt geëmiteerd zich verhoudt tot de hoeveelheid CO2 die wordt vermeden doordat er geen fossiele brandstoffen worden gebruikt voor de opwekking van elektriciteit. De CO2- en energieterugverdientijden geven een goede indicatie van de energieefficiëntie van de systemen. Echter, het maakt een groot verschil of een systeem, met hoge energieinvesteringskosten, dat zich na 1 jaar terugverdient een levensduur heeft van 2 jaar of van 20 jaar. Door de (verwachte) levensduur van het systeem in de berekening mee te nemen kan de energieproductieratio (afgekort met EPR) berekend worden. Samen met de energieterugverdientijd geeft dit een volledig beeld van de energieprestaties.

Energie _ Pr oductie _ Ratio =

1.2.3

Totaal _ Energie _ Opgewekt Totaal _ Energie _ Benodigd

Vergelijking resultaten

De bestudeerde innovatieve energieconversietechnologieën zijn met elkaar vergeleken èn met de meer volwassen duurzame energiesystemen ‘wind’ en ‘PV’. Voor alle systemen geldt dat de Nederlandse omstandigheden waar mogelijk als uitgangspunt zijn genomen.


4

2

Resultaten en vergelijking systemen

2.1

Resultaten energiebalans per technologie

In deze studie is gekeken naar de energieprestaties over de gehele levenscyclus van vijf duurzame energietechnologieën: golfenergie, getijdenenergie, aquatische biomassa, warmte koude opslag en osmose. De resultaten van energieterugverdientijd (ETVT) van de onderzochte energieconversietechnologieën zijn samengevat in Tabel 1. In de afzonderlijke hoofdstukken is bij een aantal technologieën ook een berekening van de CO2-terugverdientijd gemaakt. Tabel 1 Vergelijking van de bestudeerde energie conversie technologieën

Energie Toelichting en bron terugverdientijd

Systeem en locatie Golf energie

Pelamis, Portugal

Pelamis, Nederland zonder recycling bonus

Anonieme installatie

Wave Dragon

1,7 -2,8 jaar

Gedetailleerde levenscyclus-analyse door Parker et al1 uit 2007 specifiek gericht op de Pelamis. Bij de ondergrens van de schatting wordt recycling als bonus meegenomen. Bij de bovengrens wordt voor recycling geen bonus toegekend.

15 jaar

Berekening door Ecofys voor de suboptimale situatie in Nederland, op basis van studie Parker et al.

1,2-1,8 jaar

Eerste orde schatting op basis van hoeveelheid staal (665 ton) door de Carbon Trust2.

2,4 jaar

Volledige levenscyclus analyse door Soerensen et al (2006), waar energie en CO2 twee van de vijftien impact categorieën zijn.

3,4 jaar

Berekening door Ecofys op basis van proefinstallatie in de Westerschelde.

Getijdenenergie Wave Rotor, Nederland


5

Seagen, Noord-Ierland

1,5 jaar

Gedetailleerde levenscyclusanalyse door Douglas et al3 uit 2008 op basis van commerciële installatie.

Opbrengst over levensduur lager dan energie input

Berekening door Ecofys van een Spaanse proefinstallatie (30 m3) voor de Nederlandse situatie.

2,8 jaar

Berekening door Ecofys voor WKO in nieuwbouw in plaats van verwarming op gas. Berekening gebaseerd op collectief systeem (circa 239 woningen).

29,5 jaar

Berekening door Ecofys voor opschaling van huidige stand van de techniek naar een 10 MW installatie.

Aquatische biomassa Gesloten algen kweeksysteem, Nederland Warmte Koude opslag

Open bron systeem, Nederland

Osmose Reverse Electrodyalise (RED), Nederland

Golfenergie wordt in Portugal en Groot-Brittannië commerciëel toegepast. In Nederland zijn er geen commerciële installaties. Vanwege minder intensieve golfslag op de Noordzee zal de opbrengst voor eenzelfde type systeem in Nederland altijd lager liggen. De golven op de Noordzee leveren ver uit de kust (meer dan dertig kilometer) een gemiddelde energie van 10 kW per meter golf, ongeveer vijf keer minder energie dan golven voor de kust van bijvoorbeeld Portugal of Schotland. De Pelamis, die in Portugal een ETVT van 2,8 jaar heeft, verdient zich in Nederland pas na 15 jaar terug. Andere golfenergiesystemen waarvan een LCA in de literatuur staat beschreven komen onder ideale omstandigheden uit op een ETVT van één tot drie jaar. Voor Nederland moet gekeken worden naar installaties die ontworpen zijn voor minder intensieve golfslag, beter geïntegreerd kunnen worden met bestaande structuren (bijvoorbeeld met windparken op zee) en naast golfenergie ook gebruik maken van stroming. Getijdenenergie wordt in Noord-Ierland commerciëel toegepast in de Seagen. Deze installatie heeft een ETVT van ongeveer 1,5 jaar. Voor deze energieterugverdientijd zijn stroomsnelheden van 2,25 tot 2,5 m/s nodig. Kleine verschillen in stroomsnelheid hebben een groot effect op de opbrengst - een verdubbeling in stroomsnelheid, een achtvoud in opbrengst. Stroomsnelheden in Nederland vallen veelal lager uit. De proefinstallatie van de Wave Rotor in de Westerschelde gaat uit van stroomsnelheden van gemiddeld 2 m/s. De energieterugverdientijd van deze installatie is ongeveer 3,4 jaar, waarbij niet gerekend is het met effect van golfenergie.


6

Teelt van aquatische biomassa in de vorm van een gesloten algenkweeksysteem is in Nederland (nog) niet zinvol. Los van de nog prille fase van ontwikkeling is de temperatuur en de lichtintensiteit in Nederland niet optimaal. De jaarlijkse energiekosten zijn hoger dan de opbrengst, dus het terugverdienen van de installatiekosten is niet mogelijk. Gecombineerde algen- (of wieren)kweek voor energieopwekking en de productie van hoogwaardige grondstoffen zal zowel economisch als energetisch eerder haalbaar zijn dan kweek uitsluitend voor energiedoeleinden. Voor warmte koude opslag in een open bron heeft Nederland een gunstig klimaat en geografie. Er zijn veel aquifers (en belangrijker, geen gesteenten) en in veel gevallen zal met het verschil in temperatuur tussen de bron en het afgiftesysteem een gunstige prestatiecoëfficiënt (COP) bereikt kunnen worden. Met de besparing die een nieuw WKO systeem in combinatie met een warmtepomp oplevert (ten opzichte van een referentiesysteem op gas) zal de energie investering binnen 2,8 jaar terugverdiend zijn. Het plaatsen van een WKO systeem in bestaande bouw zal in veel gevallen ook een korte ETVT kunnen. De hogere energiekosten voor de plaatsing zullen snel teniet worden gedaan wanneer het om oude inefficiënte installaties in gebouwen gaat. Voor osmose kent Nederland gunstige omstandigheden. De technologie is echter nog volop in ontwikkelingen. Opschaling naar een 10 MW RED-centrale van de in 2008 behaalde resultaten met proefinstallaties zou nu gepaard gaan met een ETVT van 29,5 jaar. Een verlaging van de ETVT naar 3 jaar is niet ondenkbaar als de benodigde materialen speciaal worden ontworpen voor optimalisatie van de energieprestaties over de hele levensduur (in plaats van optimalisatie van het vermogen).


7

2.2

Vergelijking van technologieën

Tabel 2 ETVT wind e n zonne-energie

EnergieToelichting en bron terugverdientijd Zonne-energie

Poly-Si

Thin film CdTe

Thin film CIS

2,5 – 3,5

Studie van ECN door Alsema uit 2005 uit M. Raugei4 op basis van 20 jaar levensduur. Ondergrens is voor optimale omstandigheden in Zuid-Europa, bovengrens voor Nederlandse sitautie.

2,8 – 3,9

Thin film techniek op basis van Cadmium telluride (CdTe), resultaten uit bovengenoemde bron. Ondergrens is voor optimale omstandigheden in Zuid-Europa, bovengrens voor Nederlandse situatie.

1,5 – 2,1

Thin film op basis van Copper Indium diselenide (CIS), resultaten uit bovengenoemde bron Ondergrens is voor optimale omstandigheden in Zuid-Europa, bovengrens voor Nederlandse sitautie.

0,6 jaar

Volledige LCA van Martínez et al (2008)5 en een jaarlijkse energieproductie van 4000 MWh

Windenergie 2 MW turbine Spanje

2.3

Resultaten omgevingseffecten per technologie

Golfenergie Om een beeld te krijgen van de omgevingseffecten van golfenergie, is veelal uitgegaan van effecten die bekend zijn van offshore windenergie. Er is gekeken naar de volgende effecten: biologische-, visuele-, geluideffecten en trillingen, effecten als gevolg van incidenten, effecten als gevolg van ontmanteling en emissies. Visuele effecten en geluid zorgen waarschijnlijk voor de grootste potentiële omgevingseffecten. Andere potentiële effecten zijn over het algemeen technisch op te lossen. Of deze conclusies gelden voor alle typen van golfenergie is moeilijk te zeggen. Het aantal beschikbare operationele installaties van golfenergie is te klein om op dit moment een goede beoordeling hiervan te geven. Hiervoor is meer onderzoek nodig.


8

Met geluidhinder moet zorgvuldig worden omgegaan voor prototypes, omdat de publieke opinie ten aanzien van geluidseffecten niet gemakkelijk verandert zodra nieuwe technieken met lagere geluidsemissies beschikbaar worden. Aantonen dat geluid van golfenergiecentrales niet relevant is, is belangrijk voor de toekomst van golfenergie. De meest belangrijke biologische impact van golfenergie is waarschijnlijk de impact op vissen, zeezoogdieren en verontreiniging die kan optreden bij aanvaring met schepen. Getijdenenergie De omgevingseffecten van getijdenenergie kunnen onderverdeeld worden in effecten op globale schaal, effecten op regionale schaal en effecten op lokale schaal. De omgevingseffecten van getijdenenergie spelen vooral op lokale schaal. Het gaat hierbij met name om effecten die optreden tijdens de ontwerpen bouwfase, effecten op scheepvaart en beroeps- en sportvisserij, effecten op vissen en waterzoogdieren en waterverontreiniging. De verwachting is dat grootschalige energiecentrales invloed hebben op de getijdenhoogte en de getijdentijd. Deze centrales kunnen het eb- en vloedregime beïnvloeden, waardoor de omvang van platen en schorren kleiner wordt en zodoende het voedselaanbod voor met name vogels afneemt. Benedenstrooms van de energiecentrale zal een afname van de getijdensnelheid kunnen optreden. Grootschalige energiecentrales kunnen hierdoor effect hebben op de fysische processen zoals sedimentvorming en -afzetting. Een van de belangrijkste effecten van getijdenenergiecentrales is het effect op vissen en waterzoogdieren. Osmose energie De te verwachten effecten van osmose energie zijn: waterverontreiniging vanwege schadelijke reststromen; landschappelijk inpassing (lange inlaatpijp en het grote bouwwerk van de centrale); bodembeschadiging (van tijdelijke aard i.v.m. aanleggen inlaatpijp); afsluiting voor aquatisch milieu en scheepvaart en verandering van zoet- en zoutwaterconcentraties (het ‘afval’ product van osmose energie is brak water). De oorzaak van waterverontreiniging is het voorreinigen van zout en zoet water en het reinigen van de membranen met chemicaliën. Er zal voor zowel PRO als RED (de twee verschillende osmose technieken) naar een innovatieve en milieuvriendelijke manier gezocht moeten worden om te reinigen. De mate van vervuiling is ook sterk afhankelijk van het membraan-module ontwerp. Het kunstmatig veranderen van de zoet-zout water overgang zal nader onderzocht moeten worden met behulp van simulatiemodellen. Hiermee kan de verspreiding van het brakke water bepaald worden en de invloed van een verhoging of verlaging van de nutriëntenhuishoudingen in het zoete en zoute water. Opgeloste nutriënten, zoals ammonium, nitraat en orthofosfaat, worden door het membraan in het geval van PRO tegengehouden. Dit kan leiden tot overmatige algengroei aan de inputzijde. Het verwachte effect van de brakke uitstroom met een lagere nutriëntenconcentratie aan de outputzijde is minimaal. In het geval van RED worden de


9

nutriënten gewoon door het membraan heen gelaten en is dit omgevingseffect niet van toepassing. Warmte koude opslag (WKO) Er wordt onderscheid gemaakt tussen het open WKO systeem en de regeneratievoorziening op basis van oppervlaktewater. Deze twee systemen kunnen los van elkaar gezien worden en hebben zeer verschillende effecten. Te verwachten effecten van open WKO zijn: • doorboring van slecht doorlatende bodemlagen • verplaatsing en menging van grondwater (en mogelijk verontreinigingen) binnen een aquifer • beïnvloeding van de hydrologie (grondwaterstromingen) binnen een aquifer • (beperkte) verandering van de temperatuur in het grondwater • levering van duurzame warmte en duurzame koude aan woningen en gebouwen Te verwachten effecten van regeneratievoorziening op basis van oppervlaktewater zijn: • verbetering van de kwaliteit van het oppervlaktewater • minder algengroei door circulatie van het water. • schade aan het leven in het water, doordat het water door de pomp wordt gestuwd. • risico op beïnvloeding van het paargedrag, wanneer de temperatuur van het water in de zomer lager is Het duurzame energieconcept open WKO wordt al op vele plaatsen in Nederland toegepast. Het risico op negatieve effecten door verplaatsing of verspreiding van grondwater-verontreinigingen of het beïnvloeden van bestaande grondwatersystemen wordt beperkt door de strenge eisen die worden gesteld in de vergunningprocedure. De combinatie van WKO met regeneratie via oppervlaktewater is nog niet (op grote schaal) toegepast, maar in inpasbaar overal waar voldoende oppervlaktewater beschikbaar is. Beschadiging van levende organismen door circulatiepompen kan worden voorkomen door niet het oppervlaktewater zelf rond te pompen, maar kunststof slangen door het oppervlaktewater te leiden en hier doorheen water te pompen. Aquatische biomassa De milieueffecten van aquatische biomassa zijn vaak tweezijdig: er zijn belangrijke milieuvoordelen, maar ook nadelen. De milieueffecten van energie uit algen (microalgen), zowel positief als negatief, treden hoofdzakelijk tijdens de algenkweek op. Algen gebruiken CO2 als koolstof bron, en helpen dus dit broeikasgas voor een periode vast te leggen. Vele algen kunnen direct groeien op verbrandingsgas van bijvoorbeeld een energie centrale, de groei wordt zelfs gestimuleerd door de hogere CO2 concentratie. Algen hebben ook nutriënten nodig, maar in plaats van kunstmest kan ook afvalwater of mest als bron dienen, of nutriënten kunnen worden gerecycled. Ook zeewier (macroalgen) neem CO2 op. Overdag wordt zuurstof geproduceerd. Een hogere zuurstof concentratie helpt de microbiologische uitstoot van de broeikasgassen methaan (CH4) en lachgas (N2O) verminderen. In het donker daarentegen, nemen zeewier


10

en alle andere aerobe organismen zuurstof op, wat de uitstoot van genoemde broeikasgassen kan stimuleren en in extreme gevallen een negatieve impact op vissen hebben. Door de opname van stikstof door zeewier kan de natuurlijke uitstoot van lachgas verminderen. Afgebroken en afgestorven biomassa kan deels microbiologisch omgezet worden in methaan. Het netto broeikas effect is nog onduidelijk. Ook zeewier neemt nutriënten op uit het water. Het nutriënt fosfaat wordt vooral gewonnen in mijnen, en is dus in feite een fossiele grondstof, waarvoor uitputting dreigt. Na inzet als (kunst)mest zal een deel via het oppervlaktewater de zee bereiken, en kan via zeewierkweek terug gewonnen worden. Door gebrek aan praktijkonderzoek zijn mogelijke effecten van zeewierteeltsystemen op de migratie van zeezoogdieren zoals bruinvissen nog onduidelijk. Zeewierteelt kan mogelijk bijdragen aan versterking van de biodiversiteit. De zeewieren en de kweekconstructies zullen een aanhechtingsplaats bieden voor andere sessiele organismen. Daarnaast kunnen de zeewieren voedsel en beschutting bieden voor diersoorten zoals vissen. Door het uitzetten van pootvis in het teeltsysteem kan potentieel een “broedkamer” worden gerealiseerd voor jonge vis zodat het systeem een bijdrage levert aan herstel van de visstanden in de Noordzee. Algenconcepten hebben uiteenlopende positieve milieueffecten, vaak uniek voor dit organisme. Ook bestaan er mogelijke nadelige milieueffecten, maar geen enkele van deze effecten lijkt onoverkoombaar. Kweeksystemen op zee dienen verder te worden ontwikkeld, en ook de milieueffecten zijn minder goed bekend. Kleinschalige waterkracht De te verwachten effecten van kleinschalige toepassingen van waterkracht zijn: - Ecologische schade door vissterfte - Barrière voor scheepvaart en recreatievaart - Schade voor beroeps- en sportvisserij Waterkrachtcentrales vormen een gevaarlijke barrière. De turbines van de centrales liggen namelijk in de hoofdstroom, die vissen instinctief gebruiken. Derhalve komen zij zonder visgeleiding in de turbine terecht. Bij trekvissen, maar ook bij rivierstandvissen die grotere afstanden in de rivier afleggen, moet rekening gehouden worden met het cumulatieve effect van meerdere waterkrachtcentrales in de loop van een rivier. Als een vis per waterkrachtcentrale een overlevingspercentage van 80% heeft, heeft hij na het passeren van vijf waterkrachtcentrales nog maar een overlevingskans van 32%. Door het aanleggen van stuwen en dammen voor kleinschalige waterkracht zou de situatie zich voor kunnen doen dat de doorgang voor commerciële scheepvaart en recreatievaart geheel geblokkeerd wordt. De schade voor beroeps- en sportvisserij hangt nauw samen met het eerst genoemde effect: vissterfte. De vissterfte bij waterkrachtcentrales kan teruggebracht worden door: - Visgeleidingssystemen - Ecologisch turbinebeheer


11

Een visgeleidingssysteem moet de vissen die met de stroom mee naar beneden zwemmen naar een bypass of vistrap leiden en voorkomen dat de vissen in aanraking komen met de turbine van een waterkrachtcentrale. Bij de huidige waterkrachtcentrales in Nederland zijn (nog) geen visgeleidingssystemen aangelegd. Bij ecologisch turbinebeheer worden de turbines van een waterkrachtcentrale tijdens de massale trek van bijvoorbeeld de paling tijdelijk stopgezet.


12

3

Golfenergie

In dit hoofdstuk geven we een korte technische omschrijving van de installaties voor het opwekken van golfenergie. Vervolgens gaan we in op de energiebalans van energieopwekkers uit golfenergie. 3.1

Korte beschrijving technologie

Golfenergie is een geconcentreerde vorm van zonne-energie. Windvelden boven de oceaan ontstaan doordat de zon de aarde niet gelijkmatig opwarmt. Als een wind waait over een wateroppervlakte, ontstaan golven. Op die manier wordt een deel van de windenergie omgezet in golfenergie. Naar schatting is het totaal beschikbaar golfvermogen van alle kustlijnen in de hele wereld vergelijkbaar met het huidige elektriciteitsverbruik. Tot nu toe werden tal van technieken bedacht om energie uit zeegolven te winnen. Deze systemen zijn gebaseerd op totaal verschillende werkingsprincipes. Een aantal voorbeelden wordt hieronder genoemd. Archimedes Waveswing De Archimedes Waveswing bestaat uit twee cilinders, met een diameter van 10 meter, ontwikkeld door het Nederlandse bedrijf Teamwork Technology. De bovenste cilinder gaat op en neer onder invloed van de golfbewegingen doordat er lucht binnenin zit. Hij schuift over de tweede cilinder heen, die op de bodem staat. Magneten zetten de beweging om in elektriciteit. In totaal is het apparaat ongeveer 35 meter hoog en kan 2 megawatt produceren.

Figuur 1: Archimedes Waveswing


13

Wave Rotor De Wave Rotor is een soort omgekeerde mixer. De zeestroming zorgt ervoor dat de drie bladen ronddraaien, onafhankelijk van de richting van de stroming, terwijl de golven een verticale beweging genereren. Het apparaat is ontwikkeld door het Utrechtse adviesbureau Ecofys.

Figuur 2: W ave R otor

Pelamis De Pelamis is een scharnierende slang van 120 meter, die op de golven drijft. De bewegingen tussen de scharnieren worden omgezet in elektriciteit waardoor 0,75 megawatt geproduceerd wordt.

Figuur 3: Pelamis

3.2

Energiebalans

Er zijn een aantal bestaande studies die gekeken hebben naar de levenscyclusemissies van energieopwekkers uit golfenergie. In het algemeen valt te zeggen dat de energieterugverdientijd voor energieopwekkers uit golfenergie wordt geschat tussen de 1 en 2 ½ jaar. De CO2-intensiteit van de installaties ligt grofweg tussen de 14-50 gr CO2/kWh. De onderzoeken zijn veelal uitgevoerd voor proefinstallaties. In Tabel 3 is een overzicht te vinden van de resultaten van het literatuuronderzoek naar de levenscyclusanalyses van energieopwekkers uit golfenergie. De belangrijkste bijdrage in de energiebalans van de energieopwekkers uit golfenergie is de energie die nodig is voor het vervaardigen van de materialen die nodig zijn voor de installaties. Voor golfenergieopwekkers is het belangrijkste materiaal staal. Het energieverbruik van het vervoer van de grondstoffen is meestal te verwaarlozen en het


14

energieverbruik in de winning van grondstoffen is doorgaans een orde van grootte lager dan het energieverbruik in hun primaire verwerking. Het energiegebruik in de assemblage, de ontmanteling en afvalverwerking is vaak ook een orde van grootte lager dan voor de productie van de materialen. Tabel 3 Overzicht van levenscyclusanalyses golfenergie uit de literatuur

Systeem

Golfenergie algemeen

Pelamis

Pelamis

Anonieme installatie

Wave Dragon

Type parameter

Toelichting en bron

14-22 gCO2/kWh

CO2intensiteit

Studie door Soerensen et al uit 20036. Uitgangspunt is dat de productie van het materiaal de belangrijkse energieen emisiebron is. Emissies van transport en constructie worden als minder significant beschouwd.

40 gCO2/kWh

CO2intensiteit

Eerste orde schatting op basis van hoeveelheid staal door Banerjee et al uit 2005.

293 kJ/kWh

Energieintensiteit

23 gCO2/kWh

CO2intensiteit

1,7 jaar

energieTVT

1,1 jaar

CO2-TVT

24-50 gCO2/kWh

CO2intensiteit

1,2-1,8 jaar

CO2-TVT

Kengetal

2,4 jaar

energieTVT

Gedetailleerde levenscyclusanalyse door Parker et al7 uit 2007 specifiek gericht op de Pelamis. Deze studie is verder bestudeerd in de volgende paragraaf.

Eerste orde schatting op basis van hoeveelheid staal (665 ton) door de Carbon Trust8. Volledige levenscyclusanalyse door Soerensen et al (2006), waar energie en CO2, twee van de vijftien impactcategoriëen zijn.


15

3.3

Energiebalans uitgediept: Pelamis

Voor de levenscyclusanalyse van de Pelamis zijn we uitgegaan van de uitgebreide studie die hierover is uitgevoerd aan de universiteit van Edinburgh door Parker et al. Deze studie gaat uit van ideale omstandigheden voor de kust van Portugal. De onderzoeksaanpak is bekeken en er is een vertaling gemaakt naar de Nederlandse situatie. 3.3.1

Energie-input

De studie naar de Pelamis is een uitgebreide studie die kijkt naar alle stappen in de keten: de energie-intensiteit van de materialen, de assemblage & installatie, operatie & onderhoud en ontmanteling en afvalverwerking. De totale energie-input wordt berekend op 17.298 GJ. De verdeling over de vier stadia is gegeven in de onderstaande tabel. Tabel 4 Overzicht van de energie en emissies per ketenstap van de Pel amis

Ketenstap

energie

emissies

(GJ)

(ton CO2)

Materialen

22.000

1791

Assemblage en installatie

2.249

174

Operatie en onderhoud

4.712

366

Ontmanteling en afvalverwerking

-11.663

-987

Totaal

17.298

1.356

Opmerkingen Van de materialen bestaat ongeveer 80% uit staal. Dit geeft dus ook de grootste bijdrage. De ankermechanismes, en de elektrische systemen zijn meegenomen. Meegenomen zijn zeeschepen die nodig zijn voor de assemblage en het transport van de materialen naar de locatie en de overslagactiviteiten op de kade en de schepen. Meegenomen is jaarlijks onderhoud met zeeschepen, halfjaarlijkse aanen afkoppelingsactiviteiten en tweemaandelijkse inspectie met op afstand bestuurbare voertuigen. In deze studie worden de milieuwinsten van de mogelijke recycling aan de Pelamis toegeschreven. Uitgangspunt is recycling van 90% van het staal.

Voor de Pelamis-studie geldt dat de assemblage- en installatieactiviteiten 10% van de energie-inhoud van de materialen vertegenwoordigen. Voor de operatie en het onderhoud geldt dat dit 20% van de waarde van de materialen is. Deze waarden zijn relatief hoog. Dit komt doordat veel van deze activiteiten op zee plaatsvinden. 3.3.2

Opbrengsten

Voor de Pelamis is er van uitgegaan dat de golven bij de kust van Portugal een energie leveren van 55 kW per meter golf. De Pelamis is geschikt voor een diepte van 50-100 m. Bij drie eenheden van 120 meter heeft de Pelamis een vermogen van ongeveer 2,25 MW.


16

De verwachte productie is 2,97 GWh/jaar. Er is gerekend met een levensduur van 20 jaar. Hiermee zou de totale energieproductie op bijna 60 GWh uit moeten komen. 3.3.3

Resultaten en gevoeligheid

De studie van Parker et al laat zien dat onder ideale omstandigheden de energieterugverdientijd ongeveer 1,7 jaar is, als recycling van staal wordt meegerekend, en 2,8 jaar is, als recycling van staal niet wordt meegerekend. De Pelamis is qua ontwerp niet de meest geschikte energieopwekker voor golfenergie in de Nederlandse situatie. Met een opbrengst van ongeveer 0,5 GWh per jaar zal de energieterugverdientijd uitkomen op ongeveer 15 jaar. De energieproductieratio is in dat geval 1,3. De volgende factoren hebben de grootste impact op de resultaten van de energiebalans: – de jaarlijkse opbrengst; – de mogelijkheden tot recycling van het gebruikte materiaal en de manier waarop hiermee wordt gerekend in de levenscyclus analyse; – de energie-intensiteit van het gebruikte staal; – de levensduur van de installatie. Hieronder zijn deze vier factoren beschreven. De effecten van de variatie van deze factoren op de energieterugverdientijd en de energieproductieratio zijn samengevat in Tabel 5. Tabel 5 Gevoeligheidsan alyse energiebalans Pelamis

Parameter

Range

Referentiestudie Parker et al Opbrengst Recyclingratio staal Energieintensiteit staal Levensduur

0,5 – 2,97 GWh 0 % - 100% 10 – 45 MJ/kg 10 – 50 jaar

Waarde in studie

2,97 GWh 90% ~ 27 MJ/kg 20 jaar

ETVT (jaren)

EPR

1,7

12

1,7 – 8,3 1,5 – 2,8 0,8 – 2,8 nvt

2-12 7-28 7-13 6-31

De jaarlijkse opbrengst van de Pelamis is in Nederland aanzienlijk minder dan in de optimale omstandigheden. De golven op de Noordzee leveren ver uit de kust (meer dan dertig kilometer) een gemiddelde energie van 10 kW per meter golf, ongeveer vijf keer minder energie dan golven voor de kust van bijvoorbeeld Portugal of Schotland. De opbrengst van een Pelamis zou in Nederland dan ook aanzienlijk lager zijn met ongeveer 0,5 GWh per jaar. Dit heeft een direct effect op de energieterugverdientijd, die daarmee uitkomt op 8,3 jaar voor de suboptimale omstandigheden in Nederland. In de levenscyclus analyse van de Pelamis wordt gerekend met de output methode voor recycling. Het uitgangspunt is dat 90% van het gebruikte staal kan worden hergebruikt. De energiebaten van het hergebruik worden toegekend aan de Pelamis. Als er gekozen wordt voor de input methode, worden de baten van recycling toegekend aan de nieuwe


17

toepassing voor het hergebruikte staal en niet aan de Pelamis. Bij deze benadering zal de energieterugverdientijd ongeveer 2,8 jaar zijn voor de optimale situatie. De energie-input van de Pelamis wordt voor een groot deel bepaald door de energieintensiteit van het gebruikte staal. In de huidige studie is gerekend met een waarde van ongeveer 27 MJ per kg staal. Dit komt overeen met de waarde voor de algemene Europese productiemix voor de productie van laag gelegeerd primair staal. Hiermee zijn de processen voor staalproductie, gieten, walsen en afwerken meegenomen. De energieintensiteit van het gebruikte staal kan variëren tussen de 10 en 45 MJ, waarbij de onderwaarden gelden voor secundair staal en de bovenwaarden voor erg energieinefficiënte processen. Door variatie in energie-intensiteit van staal varieert de energieterugverdientijd tussen de 0,8 en 2,8 jaar. De levensduur van de Pelamis is geschat op 20 jaar. Aangezien het om een proefinstallatie gaat kan de levensduur aanzienlijk lager en hoger uitvallen, bijvoorbeeld tussen de 10 en 50 jaar. De levensduur heeft geen invloed op de energieterugverdientijd, maar wel op de energieproductieratio. De energieproductieratio varieert hierdoor tussen de 6 en de 31.

3.4

Conclusies en aanbevelingen golfenergie

De energieterugverdientijd voor opwekkers uit golfenergie ligt tussen de één en drie jaar, gebaseerd op proefinstallaties in gunstige omstandigheden. De CO2-intensiteit van de installaties ligt grofweg tussen de 14-50 g CO2/kWh. Zover bekend is er één uitgebreide levenscyclus analyse gedaan naar een commerciële installatie, de Pelamis voor de kust van Portugal. Deze studie laat zien dat onder ideale omstandigheden de energieterugverdientijd ongeveer 2,8 jaar is (als de recycling van het staal niet wordt meegerekend). De belangrijkste bijdrage in de energiebalans van de energieopwekkers uit golfenergie is de energie die nodig is voor het vervaardigen van de materialen die nodig zijn voor de installaties. Voor golfenergieopwekkers is het belangrijkste materiaal staal. In Nederland zijn geen ideale omstandigheden voor het opwekken van energie uit golfslag. De golven op de Noordzee leveren ver uit de kust (meer dan dertig kilometer) een gemiddelde energie van 10 kW per meter golf, ongeveer vijf keer minder energie dan golven voor de kust van bijvoorbeeld Portugal of Schotland. Ecofys schat in dat voor de Nederlandse situatie de energieterugverdientijd van de Pelamis uitkomt op ongeveer 15 jaar. Voor Nederland moet daarom gekeken worden naar installaties die ontworpen zijn voor minder intensieve golfslag, beter geïntegreerd kunnen worden met bestaande structuren ( bijvoorbeeld met windparken op zee) en naast golfenergie ook gebruik maken van stroming. Het concept van de Wave Rotor (zie getijdenenergie) is een van de concepten die rekening houdt met deze factoren.


18

4

Omgevingseffecten Golfenergie

In dit hoofdstuk geven we de te verwachten omgevingseffecten voor golfenergie weer. De omgevingseffecten zijn mogelijk te voorkomen of te minimaliseren. De mogelijkheden om dit te realiseren geven we aan in het deel ‘mitigerende maatregelen’. 4.1

Te verwachten effecten

De te verwachten omgevingseffecten van golfenergie9 zijn: • Biologische effecten • Visuele effecten • Geluid en trillingen • Effecten als gevolg van incidenten • Effecten als gevolg van ontmanteling • Emissies Deze effecten zullen in de volgende paragraaf worden uitgewerkt. 4.2 4.2.1

Uitwerking effecten Biologische effecten

De omgevingseffecten van golfenergie zijn in grote mate te vergelijken met de effecten van offshore windenergie. In “The Concerted Action on Offshore Wind Energy in Europe”10 worden de volgende biologische effecten aangeduid als potentieel problematisch voor offshore wind: • Vogels die tegen windturbines aanvliegen; • Verstoring van broed- en rustgebieden van vogels; • Effecten op vissen en vislarven; • Verstoring van de zeebodem en de fauna gedurende bouwen exploitatiefase. De meest belangrijke biologische impact van windenergie is ongetwijfeld de impact op vogels. Voor golfenergie zijn dit waarschijnlijk de vissen, de zeezoogdieren en verontreiniging die kan optreden bij aanvaring met schepen. Tot nog toe zijn slechts enkele case-studies uitgevoerd naar de impact van offshore windenergie op vissen, vogels, zeezoogdieren en flora. De hierin opgedane kennis is nog niet systematisch verwerkt, waardoor er nog veel onzekerheden bestaan met betrekking tot de biologische effecten.


19

4.2.1.1

Zeezoogdieren

Van het effect van golfenergie op zeezoogdieren wordt verwacht dat deze relevant is maar niet belemmerend. Een onderzoek naar de lokale populatie van zoogdieren, zoals zeehonden, walvissen en dolfijnen is daarvoor nodig. Als de centrale gepland is in de nabijheid van kolonies zal de goedkeuring voor een belangrijk gedeelte hiervan afhangen. Uit een studie naar de effecten van offshore windenergie op zeezoogdieren11 komt naar voren dat zeehonden erg mobiel zijn en zich over grote afstanden bewegen. Dit zou betekenen dat verstoring tijdens de bouwfase slechts tijdelijk is, omdat zeehonden zullen terugkeren naar hun leefgebied als de normale condities zijn hersteld. Twee aspecten die relevant zijn voor offshore windenergie en daarmee waarschijnlijk ook voor golfenergie, zijn de lage geluidfrequentie onder water en het effect van de elektromagnetische velden op walvisachtige en zeehonden. De verwachte effecten hiervan zijn: - Verlies van habitat als gevolg van verstoring door geluid van golfenergie en geluid van onderhoudsboten en -helikopters. De verstoring tijdens de bouwfase zal tijdelijk zijn, de verstoring echter van de energiecentrale en de onderhoudsboten en -helikopters zullen ook op lange termijn effect hebben. Voor een windpark in Denemarken is ingeschat, gebaseerd op metingen, dat het onderwatergeluid hoorbaar zal zijn voor zeezoogdieren op een afstand van minder dan 2000 meter van de centrale12. - Trillingen die het sonarsysteem van zoogdieren kunnen aantasten waardoor de dieren moeilijker voedsel kunnen vinden. Daar staat tegenover dat door een verbod op vissen met netten, in de nabijheid van golfenergiecentrales, het voedselaanbod mogelijk zal toenemen. - Invloed van laagfrequent geluid en elektromagnetische velden in kabels. Berekeningen van magnetische velden van onderwaterkabels die 1 meter zijn ingegraven in de zeebodem laten echter zien dat het magnetische veld op de zeebodem boven de kabel kleiner is dan het geomagnetische veld. Mits de kabels goed ingegraven zijn, wordt hiervan geen effect verwacht; - Risico’s voor zeezoogdieren als gevolg van in werking zijnde onderdelen van de centrale (verhitting van de bladen van een turbine). Deze risico’s zullen heel klein zijn omdat de meeste zeezoogdieren gevaarlijke objecten onder water (zoals scheepsrompen) mijden13. 4.2.1.2

Vissen

Er zijn slechts enkele studies uitgevoerd naar de impact van offshore windenergie op vissen, omdat de meeste windparken in gebieden staan waar geen of weinig vis aanwezig is. Er zijn geen studies bekend naar de effecten van golfenergie op vissen.


20

Een Zweedse studie naar het eerste offshore windpark in de wereld14 laat zien dat er geen negatieve effecten op vissen zijn van de 220 kW turbines. Hoewel de vispopulatie binnen de 400 m contour van de turbine toenam, vingen de vissers minder vis op het moment dat de turbines in werking waren, wat leidt tot een belangenconflict. De verwachte effecten van golfenergiecentrales op vissen zijn: - Er kunnen positieve effecten op de visstand verwacht worden, omdat de aanwezigheid van golfenergiecentrales leidt tot een visverbod met netten. Hierdoor kunnen de leefgebieden als broed- en verblijfplaatsen voor verschillende vissoorten verbeteren. Het visverbod zal in sommige gevallen kunnen leiden tot belangenconflicten met de visindustrie; - Negatieve effecten op de visstand kunnen ontstaan door geluid en trillingen tijdens zowel de bouw- als exploitatiefase, wat mogelijk kan leiden tot verlies van habitat. Onderhoudsboten kunnen ook een negatief effect hebben maar in vergelijking met de ‘gewone’ impact van vissersboten en andere vaartuigen zal dit effect klein zijn; - Veranderingen in de sedimentatie en turbulentie van water kan effect hebben op de vissen en vislarven. Dit zal voornamelijk een tijdelijk effect zijn wat optreedt tijdens de bouwfase. Onderzoek naar het aantal vissoorten voor- en na de bouwfase van een Deens offshore windpark laat geen vermindering van de soorten zien15. Deze effecten kunnen echter een grote rol spelen in broedgebieden of ondiepe gebieden waar jonge vissen vaak verblijven. Beschermende maatregelen zoals het mijden van broedseizoenen kunnen nodig zijn; - Het potentiële effect van kabels kan afgeleid worden van het effect dat ontstaat bij de aanleg van aardgaspijpleidingen. De aanleg van pijpleidingen leidt tot een verstoring van de corridor van ongeveer 5 m met als effect dat het zwevend sediment organismen tot op een afstand van 50 m kan beïnvloeden16. Dit wordt als een tijdelijk effect gezien omdat het gebied na afronding van de werkzaamheden weer snel zal herstellen. Ter indicatie moet worden bedacht dat een natuurlijke storm een groter effect kan hebben dan deze tijdelijke effecten; - Elektrische en magnetische velden rondom de kabels kunnen van invloed zijn op de vissen en de visteelt. Hoewel het gebruik van kabels in de zeebodem al decennialang wordt toegepast, zijn hierover geen onderzoeksresultaten gevonden. Hieruit kan geconcludeerd worden dat het effect op het waterleven waarschijnlijk heel klein zal zijn. De kabels die gebruikt worden voor golfenergiecentrales worden ingegraven om mogelijke schade van ankers of vissersactiviteiten te voorkomen17.


21

4.2.1.3

Zeebodem en fauna

In het algemeen zal de verstoring van de zeebodem en van benthos1 vooral plaatsvinden tijdens de bouwen ontmantelingfase, bijvoorbeeld als gevolg van de aanleg van kabels en het afzinken van de centrale. Alle offshore activiteiten zullen de transparantie van water en het sediment op de zeebodem beïnvloeden. Het boren, graven en/of baggeren zal leiden tot meer zwevende deeltjes in het water. Hoewel benthische organismen kwetsbaar zijn, zal de impact klein zijn18. De verwachte effecten van golfenergie op benthos zijn: - Verlies van habitat en soorten als gevolg van bouwwerkzaamheden. Dit effect zal echter tijdelijk zijn omdat het alleen plaatsvindt tijdens de bouwfase; - De aanwezigheid van kabels, onderhoudsboten, elektromagnetische velden en geluid zal leiden tot een geringe vermindering van aantal en soorten organismen op de zeebodem; - Constructies die op de zeebodem zijn geplaatst kunnen fungeren als natuurlijke riffen en de aantrekking van nieuwe organismen. Het is onduidelijk wat deze wijziging in biotopen voor een effect heeft op de bethos en de voedselketen; - De afwezigheid van vissers en boten (met uitzondering van onderhoudsboten) zal een positief effect hebben op de benthos. 4.2.1.4

Hydrografie2 en kustprocessen

Golfenergie kan verschillende effecten hebben op de golfstromen. Zo kan bijvoorbeeld een afname van de golfenergie invloed hebben op de oevers en de ondiepe getijdenstromingen en daarmee op de aanwezige biotopen19. Effecten op zeestromingen doen zich alleen voor bij grootschalige projecten waar een aanzienlijk gedeelte van de golfenergie wordt benut. Dit effect is afhankelijk van de grootte en diepgang van de converters en de afstand tot de wal. Vaste systemen zullen daarbij een groter effect hebben dan zwevende of drijvende systemen. Afhankelijk van de techniek kunnen de effecten zowel positief (minder kusterosie) als negatief zijn. De verwachte effecten zijn: - Permanente wijzigingen van de sedimentstructuur kunnen optreden als gevolg van een wijziging van de waterstroom achter de converter; - Verandering van de golfstromen langs de kust kan leiden tot een andere samenstelling van de kustlijn. Gedetailleerde modellering kan inzicht geven in de effecten die afhankelijk zijn van de omvang van het project, de afstand tot de kust, de waterdiepte en de gevoeligheid van de lokale hydrografie.

1

Benthos zijn alle organismen die leven op de zeebodem van zoete en zoute wateren. Hydrografie is de wetenschap die zich bezighoudt met het beschrijven van de waterbodem. Belangrijk zijn de diepte en de samenstelling van het water en de zeebodem, het getij, de golven en de stroming.

2


22

4.2.1.5

Vogels

Hoewel vogels een van de belangrijkste issues zijn voor windenergie, is dit minder waarschijnlijk voor golfenergie. Omdat golfenergieinstallaties meestal niet boven het wateroppervlak uitkomen, zullen de effecten op vogels daarom klein zijn. Bovendien zijn belangrijke vogelgebieden meestal in ondiepe wateren gelegen met lage golven. Dit zijn gebieden die voor golfenergie minder interessant zijn. De verwachte effecten zijn: - Het wegjagen van vogels van hun broed- en rustgebieden als gevolg van fysieke veranderingen van het habitat. De effecten zijn afhankelijk van de volgende parameters: o De effecten tijdens de bouwfase zullen waarschijnlijk tijdelijk zijn en beperkt qua omvang. De periode waarin de werkzaamheden plaatsvinden kunnen van belang zijn omdat hoge geluidniveaus broedvogels kunnen verstoren; o Omdat het oppervlak van de converter een goede omgeving kan bieden voor kleine vissen en mosselen, zou het vogels kunnen aantrekken. Als er een visverbod geldt in de nabijheid van de installaties, zal het gebied rondom de installaties dienen als voedselgebied voor vogels. De voedselcondities zullen hierdoor verbeteren en er zullen minder vogels weggejaagd worden. Het is daarom van belang dat de techniek zo ontworpen is dat vogels en andere dieren geen fysieke schade kunnen oplopen. Het is ook waarschijnlijk dat vogels de converters gebruiken om uit te rusten; o Geluid kan vogels in de nabijheid van de installatie wegjagen. 4.2.1.6

Visuele effecten

De visuele effecten van golfenergiecentrales worden onder andere bepaald door: - De afstand van de installatie tot de kust; - De hoogte van de installatie boven zeeniveau; - De weersomstandigheden; - De hoogte boven zeeniveau van het gezichtspunt. De verwachte visuele effecten van golfenergiecentrales zijn vanwege hun beperkte hoogte niet te vergelijken met windturbines. Kustgebieden worden echter vaak gezien als belangrijke gebieden voor recreatieve doeleinden wat visuele vervuiling een politiek beladen onderwerp maakt. Gezien het beperkt aantal golfenergiecentrales die momenteel operationeel zijn, is het moeilijk te kwantificeren wat de visuele impact is van deze centrales. Verwacht wordt dat het heel erg locatiegebonden is en alleen een issue wordt wanneer installaties in grote aantallen geplaatst zullen worden.


23

De zichtbaarheid wordt mede bepaald door de eisen die gesteld worden aan markeringslichten en schilderingen. Markeringslichten zijn verplicht om te voorkomen dat schepen in aanvaring komen met de installaties. Daarom is het belangrijk de visuele effecten van markeringslichten zo vroeg mogelijk in de planningsfase mee te nemen. Omdat de visuele impact door iedereen anders ervaren wordt, zal er altijd publieke weerstand zijn, zeker voor projecten dichtbij de kust. Zelfs onzichtbare offshore projecten kunnen rekenen op publieke weerstand wanneer ze zichtbaar zijn vanaf schepen en veerboten. Een open en zorgvuldig planproces met gedetailleerde visualisaties en intensieve dialogen met de burgers kan resulteren in een lagere publieke weerstand. Ervaring met visualisaties In het geval van windenergie laat een Zweeds onderzoek zien dat visualisaties kunnen leiden tot acceptatieproblemen, omdat tekeningen niet de werkelijke visuele impact laten zien van windturbines in het landschap20. Ook laten ze niet hun functionele bijdrage zien. Mensen zien de windturbines niet als een bron van duurzame energie maar als een nieuw element in het landschap dat de belevingswaarde aantast. Van de andere kant zijn visualisaties van waarde om sociale acceptatie te krijgen voor hoe geplande ontwikkelingen er uit zullen zien. Onvermijdelijk maar deze plaatjes kunnen nooit een actieve windturbine verbeelden, wel kunnen ze behulpzaam zijn. Als mensen in staat zijn de rationaliteit achter dergelijke plaatjes te begrijpen, kunnen visualisaties een positieve bijdrage leveren aan een dialoog. In deze context is het belangrijk te begrijpen dat een plaatje zowel de voordelen van golfenergie kan onderdrukken als visuele effecten kan camoufleren. Dus moeten visualisaties altijd vergezeld gaan van een gedetailleerde uitleg. Bovendien worden golfenergiecentrales niet alleen ervaren omdat ze zichtbaar zijn maar ook omdat ze hoorbaar zijn. Het gebruik van virtual reality kan nuttig zijn in dit geval. De algemene conclusie is dat visuele impact van energiecentrales erg gevoelig ligt in de publieke beleving en deze gevoeligheid zou ook van toepassing kunnen zijn op golfenergieprojecten, zeker bij projecten aan of in de nabijheid van de kust. De visuele impact van golfenergiecentrales lijkt voor wat betreft de effecten op de economie niet voor een aanzienlijke belemmering te zorgen maar kan wel voor specifieke locaties een belemmering vormen, in het bijzonder wanneer het gaat om grootschalige toekomstige golfenergiecentrales. De ervaring met offshore windprojecten laat duidelijk zien dat er een sterke publieke zorg is voor dit onderwerp, ook als het gaat om offshore windparken die vanaf de kust met het blote oog nauwelijks te zien zijn. 4.2.1.7

Geluid

Geluid van golfenergiecentrales ontstaat door de beweging van mechanische delen en de overdracht van kracht in het conversiesysteem. Ook kan geluid ontstaan door controleapparatuur. De mate waarin geluidseffecten optreden is afhankelijk van: - Het geluidsniveau en de aard van het geluid - De afstand van de centrale tot de potentieel gevoelige ontvangers - De windrichting en het achtergrondgeluidsniveau


24

Voor golfenergie wordt verwacht dat het geluidsniveau over het algemeen evenredig zal toenemen met het achtergrondgeluidsniveau dat veroorzaakt wordt door het breken van de golven. Hoe dan ook zal geluid een belangrijk effect zijn, in het bijzonder van walapparaten. Geluid door bewegende delen Verwacht wordt dat geluid door bewegende delen de volgende effecten heeft: - Het afschrikken van vogels - Het verlies van habitat van waterzoogdieren - Afname van publieke acceptatie als het geluid van golfenergie hoorbaar is voor mensen aan de wal Windenergie heeft de reputatie dat het veel geluid maakt. Daar komt bij dat geluid gemakkelijker wordt gedragen over zee dan over land. Dit beïnvloedt de publieke opinie over windenergie. De reputatie is enigszins onrechtvaardig omdat de huidige windturbines veel minder geluid maken. Deze reputatie wordt gevormd door ervaringen met windenergie in het verleden. De les die geleerd moet worden voor golfenergie is dat met geluidseffecten zorgvuldig moet worden omgegaan voor prototypes, omdat de publieke opinie ten aanzien van geluidseffecten niet gemakkelijk verandert zodra nieuwe technieken met lagere geluidsemissies beschikbaar komen. Tijdens de bouw wordt verwacht dat geluid als gevolg van de werkzaamheden (vaartuigen, explosieven, etc.) vogels en waterzoogdieren zal afschrikken maar omdat de effecten van tijdelijke aard zijn, zullen de invloeden slechts tijdelijk zijn. Hoe dan ook zullen kwetsbare perioden vermeden moeten worden als de centrale in de buurt van waardevolle natuurgebieden geplaatst wordt. Onderwater geluid Gedurende de bouw kan onderwater geluid een nadelig effect hebben op waterzoogdieren, vissen en benthos (organismen die leven op de bodem van zoete en zoute wateren). Hoewel het effect tijdelijk is, zullen bepaalde periodes gemeden moeten worden, bijvoorbeeld wanneer de vissen larven werpen. Werkzaamheden in deze periode kunnen leiden tot hoge vissterfte. Tijdens de exploitatie kan geluid in het water op 2 manieren overgedragen worden: 1. Het geluid bereikt het water vanuit de lucht 2. Het geluid wordt in het water overgedragen als structureel geluid De geluidsfrequentie en het geluidsniveau onder water wordt in zekere mate bepaald door de constructie van de centrale. Onderwatergeluid van golfenergie zal het achtergrondgeluid (omgevingsgeluid van bijvoorbeeld schepen) moeten overschrijden om enige invloed te hebben op de waterfauna. Geluidsfrequenties en golven variëren per technologie. Echter geluidsmetingen van golfenergie zijn op dit moment nog niet openbaar. Een impactstudie, die uitgevoerd wordt nadat de centrale is geplaatst, zal inzicht geven of de centrale het waterleven zal beïnvloeden.


25

4.2.1.8

Effecten als gevolg van incidenten

De milieueffecten als gevolg van incidenten moeten serieus genomen worden omdat bijvoorbeeld een aanvaring met een olietanker in het ergste geval kan leiden tot ernstige schade met betrekking tot de flora en fauna, de waterkwaliteit, kustlijn, etc. Ook moet opgemerkt worden dat in sommige gevallen golfenergiecentrales kunnen voorkomen dat er incidenten plaatsvinden. Dit is het geval als de offshore installaties in wateren staan waar het risico op vastlopen van schepen hoog is door de aanwezigheid van rifbanken. Goed gemarkeerde golfenergiecentrales zullen in dat geval schepen waarschuwen tegen dit risico. Onderzoek naar het risico van aanvaring is vrij moeilijk omdat het ontwikkelen van betrouwbare risicomodellen door gebrek aan ervaring ontbreken. Effecten door incidenten kunnen in theorie optreden door een botsing tussen een schip (bijvoorbeeld een onderhoudsvaartuig) of een laagvliegend vliegtuig (bijvoorbeeld een onderhoudshelikopter) en de installatie of een substation. Ook kunnen effecten optreden bij schade aan een onderzeese kabel veroorzaakt door verankering, een zinkend schip, door sleepnetten die gebruikt worden door de visserij of tijdens de bouw. De effecten bij zulke incidenten kunnen leiden tot milieuverontreiniging door stoffen die ofwel afkomstig zijn van de offshore installatie ofwel van het schip of de helikopter. De daadwerkelijke effecten zijn afhankelijk van veel parameters, zoals het type schip of helikopter, de botsingshoek, de snelheid van het botsende voorwerp, het type golfenergiecentrale, de weersomstandigheden en de aard van de verontreinigende stof. Als grote schepen, zoals olietankers in aanvaring komen met een golfenergiecentrale, zal in de meeste gevallen alleen de golfenergiecentrale beschadigd zijn. Met andere woorden, een aanvaring met een schip hoeft niet altijd te leiden tot het weglekken van grote hoeveelheden schadelijke stoffen. Hoewel het risico op aanvaring relatief laag is en een aanvaring niet noodzakelijk hoeft te leiden tot milieuschade, kunnen de effecten als gevolg van incidenten zeer ernstig. De meest waarschijnlijke schadelijke stof in deze situaties is olie. - De kans op een olielekkage uit de energiecentrale is klein omdat deze centrales slechts kleine hoeveelheden of zelfs geen olie bevatten; - De kans op een diesellekkage bij een substation is ook klein omdat de hoeveelheid aanwezige diesel beperkt is en diesel langzaam verdampt. Om het risico van lekkage te minimaliseren moeten substations uitgevoerd worden met een dubbele wand; - Schade aan onderzeese kabels kan leiden tot het weglekken van minerale olie dat in sommige type kabels zorgt voor de isolatie van de kabel. Hoewel het hier om kleine hoeveelheden gaat en het risico op zulke incidenten klein is, worden mitigerende maatregelen zoals het beschermen van de kabels (bijvoorbeeld door het ingraven ervan) en een verbod op visserij in de nabijheid van de centrale en de kabels aanbevolen. Daarnaast kan de druk


26

-

4.2.1.9

binnenin de kabel continue gemonitord worden om in geval van lekkage direct maatregelen te kunnen nemen; Het meest kritische milieueffect met betrekking tot olie is de olie afkomstig van schepen na een aanvaring. Dieselolie van vissersboten en onderhoudsvaartuigen is niet zo ernstig als olie afkomstig van grote schepen, omdat dieselolie gemakkelijker verdampt in vergelijking met olie van olietankers. Deze effecten vragen om de ontwikkeling van speciale procedures voor noodgevallen met een korte reactietijd. Effecten als gevolg van ontmanteling

Het aspect van ontmanteling is een potentieel groot probleem voor offshore ontwikkelingen. Nationale en internationale regelgeving vereisen gehele verwijdering van offshore installaties die geïnstalleerd zijn na 1999 en het einde van hun technische levensduur bereiken. Gedeeltelijke verwijdering is niet toegestaan. De verwijdering van offshore installaties leidt niet alleen tot hogere kosten maar ook tot verstoring van het waterleven. Ontmantelingwerkzaamheden dienen daarom consequent niet in kwetsbare seizoenen plaats te vinden om zo de invloed op het milieu als gevolg van geluid, trillingen en verstoring van het sediment te minimaliseren. De effecten zullen echter tijdelijk zijn omdat het milieu zich naar verloop van tijd zal herstellen. 4.3

Mitigerende maatregelen

Effecten op zeezoogdieren kunnen beperkt worden door bij de planning van projecten beschermde gebieden voor zeezoogdieren te mijden, de duur en de hoeveelheid geluid tijdens de bouwen exploitatiefase zoveel mogelijk te verminderen en onderwaterkabels zorgvuldig in te graven. Effecten op vissen kunnen beperkt worden door werkzaamheden tijdens het broedseizoen zoveel mogelijk te mijden en onderwater kabels zorgvuldig in te graven. Effecten op vogels kunnen beperkt worden door werkzaamheden buiten het broedseizoen plaats te laten vinden. Effecten op zeezoogdieren, vissen en vogels kunnen zoveel mogelijk beperkt worden door de installaties zodanig te ontwerpen dat dieren geen fysieke schade kunnen oplopen. Visuele effecten kunnen beperkt worden door: - Het planproces moet open zijn en zorgvuldig plaatsvinden en als de locatie zichtbaar is vanaf het land moeten de effecten voor de omgeving en de economie (toerisme) van het kustgebied onderzocht worden; - De ontwikkeling van de centrale, het aantal en de omvang van de installaties en de cumulatieve effecten moeten grondig en transparant geanalyseerd en bediscussieerd worden voordat keuzes gemaakt worden;


27

-

-

Lokale betrokkenheid in een vroeg stadium van het planproces is essentieel en participatiemogelijkheden van burgers en bedrijven zullen in het voordeel werken zodra een technologie zich bewezen heeft; De visuele effecten van markeringslichten dienen in een zo vroeg mogelijk stadium in de planningsfase meegenomen te worden.

Met geluidhinder moet zorgvuldig worden omgegaan voor prototypes, omdat de publieke opinie ten aanzien van geluidseffecten niet gemakkelijk verandert zodra nieuwe technieken met lagere geluids beschikbaar worden. Aantonen dat geluid van golfenergiecentrales niet relevant is, is belangrijk voor de toekomst van golfenergie. Hoe dan ook zullen kwetsbare perioden vermeden moeten worden als de centrale in de buurt van waardevolle natuurgebieden geplaatst wordt. Effecten als gevolg van incidenten kunnen beperkt worden door het duidelijk markeren van de golfenergiecentrale, het beschermen van de kabels (bijvoorbeeld door het ingraven ervan), een verbod op visserij in de nabijheid van de centrale en het ontwikkelen van procedures voor noodgevallen. Daarnaast kan de druk binnen in de kabel continue gemonitord worden om in geval van lekkage direct maatregelen te kunnen nemen.

Ontmantelingwerkzaamheden dienen consequent niet in kwetsbare seizoenen plaats te vinden om zo de invloed op het milieu als gevolg van geluid, trillingen en verstoring van het sediment te minimaliseren.

4.4

Conclusies en aanbevelingen

Visuele effecten en geluid zorgen waarschijnlijk voor de grootste potentiële omgevingseffecten. Er zijn ook andere potentiële effecten geïdentificeerd maar die zijn over het algemeen technisch op te lossen. Of deze conclusies gelden voor alle typen van golfenergie is moeilijk te zeggen. Het aantal beschikbare operationele installaties van golfenergie is te klein om op dit moment een goede beoordeling hiervan te geven. Hiervoor is meer onderzoek nodig naar: - De effecten van geluid, elektromagnetische velden en de visuele effecten op zeezoogdieren; - De effecten van geluid, trillingen en elektromagnetische velden op vissen; - De effecten van de transparantie van water en het sediment op benthos; - De effecten van wijziging in golfstromen en de sedimentstructuur voor de hydrografie; - De effecten van onderwatergeluid op waterzoogdieren, vissen en benthos.


28

5

Getijdenenergie

In dit hoofdstuk geven we een korte technische omschrijving van de installaties voor het opwekken van getijdenenergie. Vervolgens gaan we in op de energiebalans van energie opwekkers uit getijdenenergie. 5.1


Getijden worden veroorzaakt door de gravitatiekrachten tussen de maan, de zon en de aarde. De combinatie van deze aantrekkingskrachten en de rotatie van de aarde zorgt voor een voorspelbare afwisseling tussen hoog en laag water. Om de 12 uur en 25 minuten herhaalt het patroon zich, waardoor er zich in een etmaal twee keer hoog en twee keer laag water voordoet. Het verschil in hoogte varieert van 0,5 m op de meeste locaties tot 10 m op specifieke locaties nabij continentale landmassa’s. De beweging van het water veroorzaakt getijdenstromingen met snelheden tot wel 5 m/s in kustzones en in stroomgaten tussen eilanden. Energiewinning uit getijden kan op twee fundamenteel verschillende manieren21: 1. Door het getijdenverschil te benutten in afsluitbare bassins (zie Figuur 6). F i g u u r 6 : G e t i j d e n e n e r g i e m e t a f s l u i t b a r e b a s s i n s 22

2. Door lokale getijdenstromingen te benutten op een manier analoog aan windturbines. Voorbeelden hiervan zijn het Wave Rotor project in de Westerschelde (zie Figuur 7) en de Seagen in Noord Ierland (zie Figuur 8). In de Westerschelde bij Borssele zal een proef worden gehouden met deze manier van energiewinning uit getijden. De stroomsnelheden zijn hier hoog (tot 2 m/s), de locatie is buiten scheepvaartroutes en toch voldoende diep. De meteorologische boei ligt vlakbij, deze levert nauwkeurige data over stromingen en golven. Uit deze data is gebleken dat, naast hoge getijdenstromingen, er ook een gunstig golfklimaat heerst.


29

Bij de juiste windrichting komen de golven uit de Noordzee tot wel 1,5 meter hoog, ook bij de steiger. F i g u u r 7 : G e t i j d e n e n e r g i e d o o r b e n u t t i n g v a n g e t i j d e n s t r o m i n g e n 23

Marine Current Turbines heeft met Seagen een concept ontwikkeld analoog aan de windturbines. De Seagen heeft twee rotorbladen met een diameter van 16 meter, waarmee een vermogen van 1,2 MW wordt opgewekt. De Seagen is geinstalleerd bij de kust van Noord-Ierland bij Strangford Narrows en zal naar verwachting 5 GWh per jaar opleveren. F i g u u r 8 : G e t i j d e n e n e r g i e d o o r S e a g e n M a r i n e C u r r e n t T u r b i n e 24

5.2

Energiebalans

Er is een beperkt aantal studies gedaan naar de energieterugverdientijd van getijdenenergie installaties. Een studie door Soerensen et al uit 200325 schat de CO2 intensiteit van getijdenenergie op 12 gram CO2 / kWh, tegenover 14-22 gram CO2 /kWh voor golfenergie. Zover bekend is er één uitgebreide studie gedaan naar de energieterugverdientijd van getijdenenergie. Aan de universiteit van Edinburg is in 2008 een studie uitgevoerd door Douglas et al26 naar de Seagen. Rekening houdende met gebruikte materialen, assemblage en installatie, operatie en onderhoud en ontmanteling, is er 25.903 GJ nodig voor de productie. Bij een verwachte opbrengst van 4.736 MWh per jaar geeft dit een energieterugverdientijd van 1,5 jaar en een CO2 intensiteit van 20 gram CO2/kWh.


30

5.3

Energiebalans uitgediept: Wave Rotor

Van het Wave Rotor concept hebben we een levenscyclusanalyse gemaakt op basis van beschikbare gegevens van de gebruikte materialen. We zijn voor zowel de energieinput als de opbrengsten uitgegaan van de bestaande proefinstallatie in de Westerschelde. 5.3.1

Energie input

In de levenscyclusanalyse zijn we uitgegaan van de beschikbare gegevens voor de materialen. Voor assemblage & installatie en operatie & onderhoud hebben we schattingen gemaakt. Ontmanteling en afvalverwerking hebben we buiten beschouwing gelaten. De resultaten van de energie-input zijn gegeven in Tabel 9 en worden hieronder verder toegelicht. Tabel 9: Overzicht van de energie en emissies per ketenstap voor de Wave Rotor

Ketenstap Materialen Assemblage en installatie Operatie en onderhoud Ontmanteling en afvalverwerking Totaal

energie

emissies

(GJ)

(ton CO2)

1.122

57

56

3

112

6

-

-

1.290

66

Opmerkingen Op basis van de hoeveelheden staal, purschuim, composiet en verf Geschat op 5% van de energie-inhoud van de materialen Geschat op 10 % van de energie-inhoud van de materialen Niet meegenomen, uitgangspunt is een input benadering.

Materialen We hebben gekeken naar de materialen die gebruikt zijn voor de rotor, de hijsinstallatie en het supportframe. Op een totaal gewicht van ongeveer 39 ton is staal met 98% het voornaamste materiaal. Naast staal zijn composiet, pur-schuim en verf meegenomen in de berekening. De kengetallen die gehanteerd zijn voor de berekening zijn weergegeven in tabel 10. Tabel 10: O verzicht energie en emissie kengetallen uit SimaPro

Materiaal

energie

CO2

(MJ / kg)

(kg CO2/kg)

Staal

28

1,5

Pur schuim,

102

5,2

Opmerkingen Dit geldt als kengetal voor de algemene Europese productiemix voor de productie van laag gelegeerd primair staal. Inclusief processen: vervoer van hete metaal en andere grondstoffen naar omzetter, staalproductie, gieten, walsen en afwerken Kengetal gebruikt voor pur schuim.


31

lijm, plamuur Composiet Verf (in liter)

138 80

6,2 2,7

Kengetal voor Epoxihars Kengetal voor Alkyd verf

De bijdrage van staal is 92% van de totale energie-input voor de grondstoffen. Composiet draagt 6% bij en verf en pur-schuim elk 1%. Bij de productie van de installatie is gerekend met vlamsnijden, verspanen (bewerkingstechniek), lassen, zandstralen en schilderen. De gebruikte kengetallen komen overeen met de kengetallen gebruikt in de studie van Parker et al naar de Pelamis. De energie die deze technieken nodig hebben vormen in totaal 3% van de totale energie input voor de productie van de installatie. Assemblage en installatie & Operatie en onderhoud De energie en emissies gerelateerd aan deze twee stappen hebben we in onze eerste orde beschouwing niet in detail bekeken. Uit de studie naar de Pelamis blijkt dat de energie voor deze twee stappen ongeveer 30% is van de energie-inhoud van de materialen. In het geval van het Wave Rotor concept zullen deze stappen echter aanzienlijk minder energie vergen, omdat de proefopstelling niet op zee geplaatst is. Daarnaast is het ontwerp van de Wave Rotor zo gemaakt dat deze geplaatst wordt bij bestaande installaties op zee, bijvoorbeeld bij windmolenparken op zee. We hebben verondersteld dat assemblage en installatie 5% en operatie en onderhoud 10% van de energie-inhoud van de materialen vergen. 5.3.2

Opbrengsten

Er is gerekend met een vermogen van 30 kW. Er zijn nog geen meetgegevens bekend van de gerealiseerde opbrengst. Verwacht wordt dat het prototype ongeveer 100 MWh per jaar zal opleveren, uitgaande van een stroomsnelheid van 2 meter per seconde. De jaarlijkse energieopbrengst is hiermee 360 GJ. Met de opbrengsten kan ongeveer 900 GJ primaire energie worden vermeden, uitgaande dat een gemiddelde centrale in Nederland een rendement heeft van 40%. Hierdoor wordt jaarlijks ongeveer 45,6 ton CO2 vermeden. Bij een levensduur van 20 jaar zal de totale energieopbrengst 7200 GJ zijn. 5.3.3

Resultaten

De resultaten van deze eerste orde berekening zijn dat de Wave Rotor een energieterugverdientijd heeft van 3,4 jaar. De CO2-terugverdientijd is 1,1 jaar. Aangezien de testopstelling, waar wij ons op hebben gebaseerd, gepland is voor de duur van een jaar, zal de testopstelling zichzelf nog niet terugverdienen. Deze is wel bijna CO2 neutraal. Bij een verwachte levensduur van 20 jaar is de energieproductieratio 5,9.


32

5.3.4

Gevoeligheid

De gevoeligheid van de cijfers van deze eerste orde berekening is groot. De belangrijkste factoren die de energieterugverdientijd positief dan wel negatief beïnvloeden zijn weergegeven in tabel 11.

Tabel 11 E ffect op ener gie terugver dientijd van berekening voor de Wave Rot or

Positieve effecten op de ETVT Negatieve effecten op de ETVT • Minder gebruik van staal in supportframe • Lagere opbrengst dan voorzien en hijsinstallatie in uiteindelijke ontwerp • Hogere energie-input door factoren zijn meegenomen als schatting: (mogelijke synergie met bestaande installaties) – Transport • Gebruik van staal met lagere energie– Assemblage (op zee) intensiteit (secundair en/of efficiënt – Operatie en onderhoud (op zee) geproduceerd) – Gebruik van additionele materialen • Hogere opbrengst in omgeving met (elektrische systemen, bekabeling, zowel golfslag als getijdenstroming. Bij overige materialen) energie uit getijdenstroming levert een verdubbeling in stroomsnelheid, een achtvoud in opbrengst. • Hogere opbrengst door betere afstelling installatie en verbetering van het rendement.

5.4

Conclusies en aanbevelingen getijdenenergie

Getijdenenergie wordt in Noord-Ierland commercieel toegepast in de Seagen. Deze installatie heeft een ETVT van ongeveer 1,5 jaar. Voor deze energieterugverdientijd zijn stroomsnelheden van 2,25 tot 2,5 m/s nodig. De proefinstallatie van Wave Rotor in de Westerschelde gaat uit van stroomsnelheden van gemiddeld 2 m/s. De energieterugverdientijd van deze installatie is ongeveer 3,4 jaar, waarbij niet gerekend is het met effect van golfenergie. De stroomsnelheden in Nederland vallen veelal lager uit dan de ‘optimale’ snelheden boven de 2,25 m/s. Kleine verschillen in stroomsnelheid hebben een groot effect op de opbrengst - een verdubbeling in stroomsnelheid, een achtvoud in opbrengst. Voor getijdenenergieinstallaties in Nederland moet daarom gekeken worden naar installaties die naast getijdenenergie ook gebruik maken van golfenergie en geïntegreerd kunnen worden in bestaande structuren (bijvoorbeeld windparken op zee).


33

6

Omgevingseffecten Getijdenenergie

6.1


De omgevingseffecten van getijdenenergie kunnen onderverdeeld worden in effecten op globale schaal, effecten op regionale schaal en effecten op lokale schaal27. De belangrijkste effecten zijn: - Verstoring macro getijdenenergiebalans (globaal) - Verandering in getijdenhoogte, -snelheid en -tijd (regionaal) - Ontwerp- en bouwfase (lokaal) - Scheepvaart en beroeps- en sportvisserij (lokaal) - Verstoring leefgebied vissen en waterzoogdieren (lokaal) - Waterverontreiniging (lokaal) Deze effecten zullen in de volgende paragraaf worden uitgewerkt.

6.2 6.2.1

Uitwerking effecten Verstoring macro getijdenenergiebalans

Bij de elektriciteitopwekking met behulp van getijdenenergie wordt een heel kleine fractie van de energie in de oceanen gebruikt door het samenspel van gravitatie tussen de aarde en de maan. Zonder een poging te doen om deze hoeveelheid energie uit te drukken in termen van de totale hoeveelheid energie in de oceanen, is het evident dat de installatie van een kleine, in termen van getijdenenergie, energievoorziening een te verwaarlozen effect zal hebben op de macro-getijdenenergiebalans28. 6.2.2

Verandering in getijdenhoogte,-snelheid en tijd

De regionale effecten hebben betrekking op de kustgebieden en de wadden. Om te beoordelen welke veranderingen het gevolg zijn van een getijdenenergiecentrale, zullen schattingen gemaakt moeten worden van de veranderingen in getijdensnelheid, getijdenhoogte en getijdentijd. De verwachting is dat grootschalige energiecentrales invloed hebben op de getijdenhoogte en de getijdentijd. Deze centrales kunnen het eb- en vloedregime beïnvloeden, waardoor de omvang van platen en schorren kleiner wordt en zodoende het voedselaanbod voor met name vogels afneemt. Benedenstrooms van de energiecentrale zal een afname van de getijdensnelheid kunnen optreden. Grootschalige energiecentrales kunnen hierdoor effect hebben op de fysische processen zoals sedimentvorming en -afzetting. Kleinschalige toepassingen hebben deze negatieve effecten niet. Getijde zorgt van nature en continu voor verandering. De verandering door


34

kleinschalige centrales zal naar verwachting binnen de range van normale variatie vallen, daarom worden hiervan geen nadelige effecten verwacht. 6.2.3

Ontwerp- en bouwfase

Bij de directe effecten van getijdenenergie kan onderscheid gemaakt worden in de effecten in de ontwerpen productiefase en de effecten in de exploitatiefase. Het kennen van de effecten van de getijdenenergiecentrale in de exploitatiefase kan nuttig zijn voor de ontwerpen productiefase om zo negatieve effecten eruit te halen. Een goed gedefinieerd en uitgebreide monitoring van de milieueffecten van zelfs de meest bescheiden initiële installatie zou potentieel aanzienlijke milieuvoordelen kunnen opleveren. In het bijzonder zal aandacht moeten worden besteed aan onderstaande effecten. Locatiekeuze Bij elke industriële ontwikkeling dient de vraag, wat de beste locatie zal zijn, goed afgewogen te worden. In een natuurlijke omgeving zullen de natuurlijke waarden de beperkende factor zijn. Echter binnen het grotere gebied waar getijdenstromingen voldoende aanwezig zijn om er gebruik van te kunnen maken, kan een locatie gezocht worden die optimaal rekening houdt met deze waarden en belangen. Voorbeelden van andere waarden en belangen zijn: - Scheepvaartverkeer en beroeps- en sportvisserij; - Opschalingmogelijkheden centrale; - Biologische waarden. Ontwerpkeuze Twee belangrijke keuzes die gemaakt moeten worden met betrekking tot de omgeving van de turbine en de hoogte van de turbine in de waterkolom, waarop de turbine de omgevingseffecten positief kan beïnvloeden, zijn: 1. Met betrekking tot de omgeving van de turbine: maatregelen die voorkomen dat vissen en waterzoogdieren in aanraking komen met de turbinebladen. Hierbij kan gedacht worden aan schermen of andere gedragsmaatregelen die ervoor zorgen dat vissen en waterzoogdieren de centrale ongehavend kunnen passeren. 2. Met betrekking tot de positie in de waterkolom: een voorziening die ervoor zorgt dat de installatie zich voldoende onder het wateroppervlakte bevindt zover dat het buiten bereik van zelfs grote schepen valt. Bouwfase Voor alle voorzieningen is het vereist dat ze verankerd zijn om de turbines op hun plaats te houden en de transmissiekabels vast te houden. Het verankeren van de turbines zorgt voor een tijdelijk effect als gevolg van het opgraven, het gebruik van explosieven en verstoring van de sedimentstructuur. Soorten die het meeste gevaar lopen zijn die soorten die zich het minst snel kunnen verplaatsen, dit geldt voor de meeste benthische flora en fauna. Vissen in de buurt van de explosievenzone zijn kwetsbaar voor de gevolgen van de schokgolven die door de explosieven ontstaan. Het is


35

noodzakelijk deze effecten te beoordelen en indien mogelijk gebieden te selecteren waar deze effecten kunnen worden vermeden en procedures vast te stellen waarbij de negatieve effecten van deze activiteiten kunnen worden geminimaliseerd. Met een zorgvuldige planning en uitvoering van de werkzaamheden zijn deze effecten slechts van tijdelijke aard. Olie- en brandstofopslag en gebruik van aken in getijdenzones zullen goed beheerd moeten worden. Standaardtoepassingen die al elders ontwikkeld en in gebruik zijn kunnen ook hier toegepast worden. 6.2.4

Scheepvaart en beroeps- en sportvisserij

De aanwezigheid van getijdenenergiecentrales in smalle en intensief gebruikte vaarwegen kan effect hebben op het waterverkeer, zoals vrachtschepen, cruiseschepen, recreatievaart en vissersboten. Dit effect wordt geminimaliseerd als de gehele centrale zover onder water wordt geplaatst dat het niet in aanraking komt met de grootste schepen die de vaarweg gebruiken. Voor gebieden met centrales, waarvan onderdelen boven het wateroppervlak uitkomen, zal een algeheel toegangsverbod moeten gelden. Een installatie die zich geheel onder water bevindt heeft de voorkeur, zeker als rekening wordt gehouden met de kwetsbaarheid van vaartuigen tijdens storm. Zowel beroeps- als sportvisserij zullen onmogelijk zijn in het gebied van de getijdenenergiecentrale. Deze factoren dienen meegewogen te worden bij de selectie van de technologie en het ontwerp van de centrale. 6.2.5

Verstoring leefgebied waterzoogdieren (lokaal)

vissen

en

Een van de belangrijkste effecten van getijdenenergiecentrales is het effect op vissen en waterzoogdieren. Omdat getijdenenergie een relatief nieuwe technologie is met nog maar weinig toepassingen in de wereld, is er nog weinig ervaring opgedaan met het beoordelen van deze effecten. Zo is nog onzeker of vissen, die in het algemeen zoeken naar de voordeligste stromingen, de bladen van de turbines zien, erop reageren en ze mijden. De turbinebladen draaien relatief langzaam in vergelijking tot waterkrachtcentrales en windturbines, waardoor de schade aan de waterorganismen waarschijnlijk beperkt zal zijn. De snelheid is minimaal 7 m/s, wat overeenkomt met een aantal omwentelingen per minuut. De exacte snelheid is afhankelijk van de aanwezige stroming, de bladcurve en de bladgrootte. Van belang voor de specifieke locatie is om te weten of het een migratieroute of verblijfplaats voor bepaalde vissoorten is. Er is geen hoogte in de waterkolom waaraan vissen de voorkeur geven en die vermeden kunnen worden als locatie voor de getijdenenergiecentrale om aanvaringen te voorkomen. Getijdencentrales, die kunnen worden uitgerust met een scherm om vissen en zeezoogdieren te hinderen de centrales in te zwemmen, genieten de voorkeur. Ook kunnen


36

andere gedragsmaatregelen uitgeprobeerd worden om vissen en zeezoogdieren weg te houden van de centrales, zoals een elektrisch schokje of verlichting. Een proefinstallatie kan het probleem waarschijnlijk niet oplossen maar biedt wel een kans om te beoordelen wat de effecten zijn met name die met betrekking tot vis en zeezoogdieren. 6.2.6

Waterverontreiniging

Bij getijdencentrales komen geen emissies vrij. Waterverontreiniging blijft daardoor beperkt tot lekkages met smeermiddelen en verf of coating die worden gebruikt voor oppervlaktebehandeling om excessieve groei van waterorganismen te voorkomen. Sommige van deze stoffen zijn zeer toxisch. Deze stoffen dienen dan ook zorgvuldig geselecteerd te worden. 6.3

Mitigerende maatregelen

De effecten van getijdencentrales op de omgeving kunnen beperkt worden door: 1. Een proefinstallatie te plaatsen om te beoordelen wat de effecten zijn op met name vissen en zeezoogdieren; 2. Maatregelen te nemen die voorkomen dat vissen en waterzoogdieren in aanraking komen met de turbinebladen. Getijdencentrales, die kunnen worden uitgerust met een scherm om vissen en zeezoogdieren te hinderen de centrales in te zwemmen, genieten de voorkeur. Ook kunnen andere gedragsmaatregelen uitgeprobeerd worden om vissen en zeezoogdieren weg te houden van de centrales, zoals een elektrisch schokje of verlichting. 3. Bij de uitvoering van de werkzaamheden zoveel mogelijk rekening te houden met het seizoen, bijvoorbeeld vanwege de migratie van zalm. Van juni tot september dient het werken onder water zoveel mogelijk voorkomen te worden; 4. Installaties zover onder de wateroppervlakte te plaatsen dat ze buiten het bereik van schepen vallen of een algeheel toegangsverbod voor schepen in te stellen; 5. Bij oppervlaktebehandeling ter voorkoming van excessieve groei van waterorganismen bij voorkeur biologische stoffen te gebruiken.

6.4


De omgevingseffecten van getijdenenergie spelen vooral op lokale schaal. Het gaat hierbij met name om effecten die optreden tijdens de ontwerpen bouwfase, effecten op scheepvaart en beroeps- en sportvisserij, effecten op vissen en waterzoogdieren en waterverontreiniging. Op het moment dat een bedrijf met een voorstel komt voor getijdenenergie op een specifieke locatie, zal rekening moeten worden gehouden met de indirecte effecten op veranderingen in de snelheid, de hoogte en de tijden van grootschalige installaties en zullen de directe effecten op vissen, zoogdieren en scheepvaart zoveel mogelijk geminimaliseerd moeten worden door mitigerende maatregelen.


37

7

Osmose Energie

7.1


Het opwekken van energie met behulp van osmose is een vorm van duurzame energie die gebaseerd is op het verschil in zoutconcentratie van (zout) zeewater en (zoet) rivierwater. Het concentratieverschil tussen zoet en zoutwater kan op twee manieren gebruikt worden: door PRO (Pressure Retarded Osmosis) en door RED (Reverse ElectroDialysis). F i g u u r 1 2 : O s m o s e - e n e r g i e m e t b e h u l p v a n R E D 29

Door het plaatsen van een semipermiabel membraan tussen een reservoir met zoet en zoutwater zal een netto stroom van water naar de zoutwaterkant op gang komen. Om een evenwicht in het reservoir te bereiken zal de druk aan de zoutwaterkant toenemen. Door de druk op ongeveer de helft van de maximale druk te handhaven en zoet en zout water constant aan te voeren kan aan de zoutwaterkant met de druktoename een turbine aangedreven worden. Dit proces wordt Pressure Retarded Osmosis genoemd (PRO).


38

F i g u u r 1 3 : O s m o s e - e n e r i e m e t b e h u l p v a n P R O 30

Bij Reverse ElectroDialysis (RED) stromen juist de ionen door het membraan in plaats van het water zoals bij PRO. Het water aan de ene kant van het filter is positief geladen, dat aan de andere kant negatief. Ionen diffunderen door het membraan met als drijvende kracht het concentratieverschil tussen zoet en zout water. Door stapeling van deze membranen kan voldoende spanning worden verkregen en werkt het systeem als een accu. Er is geen andere energiebron nodig dan zoet en zout water.

7.2

Energiebalans

Met osmose energie wordt zowel Reverse Electrodialyses (RED) als Pressure Retarded Osmosis (PRO) aangeduid. Vanwege de grotere beschikbaarheid van data is in dit rapport gekozen om de ETVT van RED te onderzoeken. Een berekening van de CO2-balans is niet gemaakt voor osmose energie. Dit op basis van de inschatting dat het resultaat (met alle bijbehorende onzekerheden) niet de benodigde tijd om dit te berekenen waard is. In Nederland (en de rest van de wereld) is er alleen nog op laboratorium schaal geëxperimenteerd. De joint venture REDstack heeft een demonstratieproject lopen in Harlingen waarbij op kW schaal wordt getest. In de komende jaren wordt er gewerkt aan een 10-50 kW proefproject, als tussenstap naar een beoogde opschaling naar uiteindelijk 200 MW op de Afsluitdijk31. Voor de berekening van de ETVT is een installatie met een vermogen van 10 MW onderzocht, gebaseerd op de huidige stand van de technologie. Omdat Osmose Energy nog volop in ontwikkeling is, geeft extrapolatie van laboratorium resultaten niet meer dan een eerste indicatie voor de ETVT. Opschaling zal niet plaatsvinden alvorens bepaalde energie efficiëntie standaarden bereikt zijn. De resultaten zouden wel gebruikt kunnen worden als basis voor een voorwaardelijke benadering van de energie prestaties. Zo kan bijvoorbeeld gekeken worden welke energiekosten maximaal aan een onderdeel (bijvoorbeeld de membranen) verbonden kunnen worden om een bepaalde ETVT te halen.


39

7.2.1

Energie input

Een belangrijke parameter is de energie opbrengst van het membraan. Hierbij is uitgegaan van de op laboratorium schaal behaalde netto vermogensdichtheid van 0,6 Watt/m2 membraan32. De hypothetische RED-centrale met een vermogen van 10 MW (zonder verliezen) is opgebouwd uit ruim 16 miljoen stacks. Elke stack is opgebouwd uit 50 cellen (bestaande uit een kation membraan, een anion membraan en 2 spacers elk) die liggen ingesloten tussen 2 titanium elektroden en polyethyleen tereftalaat endplates (zie figuur 14).

F i g u u r 2 4 S c h e m a t i s c h e w e e r g a v e v a n e e n R E D s t a c k 33

Membranen De onderdelen waar het uiteindelijk om draait zijn de membranen. Voor RED gaat het om cation exchange membranes (CEM) en anion exchange membranes (AEM). Materiaalspecificaties van deze membranen zijn niet achterhaald maar uit de literatuur wordt duidelijk dat meerdere alternatieven onderzocht worden34. In de meest recente osmose energie-publicatie (Veerman 200935), wordt gebruik gemaakt van CEM en AEM membranen van het Duitse Fumatech. De afmetingen zijn gegeven en verder is bekend dat ze deels zijn gemaakt van polyetherketone, een materiaal waarvan geen levenscyclus gegevens bekend zijn. Andere materialen die genoemd worden als basis voor RED membranen zijn polyethyleen, nylon en polyamide36. De waarde die gehanteerd is als indicatie voor het energieverbruik voor de productie van de membranen is het gemiddelde van polyethyleen, nylon en polyamide (115 MJ/kg). De verwachting is dat de nu beschikbare membranen een hoger energieverbruik hebben (zeker als het om


40

geassembleerde materialen gaat) maar dat door opschaling en technologisch ontwikkeling een lagere waarde te verwachten is. Een nadeel van membranen is de beperkte levensduur. In de berekening is uitgegaan van de verwachting dat, onder andere door (Bio)fouling, de membranen na 5 jaar vervangen moeten worden. Voor de overige onderdelen van de RED installatie is een levensduur van 30 jaar in ogenschouw genomen. Spacers Spacers worden gebruikt om de zoet- en zoutwater compartimenten te scheiden. Het materiaal is poreus waardoor uiteindelijk brak water de stacks verlaat. Er is gerekend met spacers van PET (PA zou ook kunnen maar scheelt vanuit energetisch oogpunt weinig). De frames (gasket) waar deze spacers inzitten zijn niet meegenomen in de berekening. In plaats daarvan is aangenomen dat de hele breedte van de stacks (spacer + gasket) bestaat uit PET met een dikte van 500 µm. Ook stacks met polyamide spacers van 200 µm zijn in proefopstellingen toegepast maar zijn hier buiten beschouwing gelaten37. Anode en Kathode Aan de hand van Veerman 200938 is voor de anode en kathode uitgegaan van een 10 cm x 10 cm titanium plaatjes. De ruthenium - iridium coating en benodigde chemische oplossing zijn buiten beschouwing gelaten. De dikte is geschat op 0,5 mm, de laagste gerapporteerde waarde die is gevonden voor commercieel beschikbaar titanium elektroden39. Endplates De 50 cellen liggen ingebed tussen 2 plaatjes van versterkt phenol formaldehyde met een geschatte dikte van 5 mm. Voor de benodigde energieinput voor de endplates is gebruik gemaakt van de waarde van alleen formaldelhyde, het meest overeenkomstige product uit de beschikbare LCA databases. De vier hier boven beschreven onderdelen worden gezien als de belangrijkste onderdelen van de RED stacks. Andere onderdelen waaronder de behuizing van de stacks en de bekabeling om de opgewekte elektriciteit naar de AC/DC schakelaar te leiden zijn buiten beschouwing gelaten. Een overzicht van de kenmerken van de membranen, spacers, elektroden en endplates is te vinden in tabel 15. Wat het meest opvalt, is de verdeling van de 57 MJ per stack over de 4 onderdelen. Niet de membranen maar de elektroden en de spacers nemen het grootste deel voor hun rekening. Ondanks dat er maar 2 elektroden in een stack zitten (in vergelijking met 100 membranen en spacers), is vanwege de hoge energie input voor titanium en de relatief dikke elektroden, bijna 50% van de stackenergiekosten nodig voor de productie van de elektroden.


41

Tabel 15 Materiaal kenm erken RED stacks en bijbehorende ener gie i nput.

Overzicht 1 stack Membranen (100) Spacers (100) Elektroden (2) Endplates (2) Totaal

Oppervlak (m2/stack) 1,00 1,00 0,01 0,01

Dikte (mm) 0,082 0,485 0,500 5,000

Materiaal PE/PA PET Titanium Formaldehyde

Energie input Dichtheid (kg/m3) kg/m2 (MJ/kg) 900 0,049 115,1 1400 0,14 108,7 4500 2,25 593,8 1300 6,5 47,4

MJ per stack 8 15 27 6 57

Los van de stacks zal nog een groot aantal andere materialen nodig zijn voor een 10 MW RED centrale. In deze studie is rekening gehouden met: • Polyethyleen pijpen voor de transport van het zoete, zoute en brakke water. De berekening is gebaseerd op een eerdere studie van Ecofys naar energie uit zoet en zout water met osmose. In totaal is uitgegaan van 460 meter pijp met een gewicht van 809 ton HDPE. • De gebouwen om de stacks en de voorzuivering onder te brengen. Een 200 kW centrale is ontworpen voor een container met een inhoud van 48 m3. Voor de voorzuivering is een ruimte met ongeveer dezelfde afmetingen nodig40. Een 10 MW centrale zou daarmee een ruimte van 48000 m3 in beslag nemen. • Trommelzeven voor de voorzuivering van het zoete en zoute water. De menging van de verschillende concentraties vindt plaats op een 1:1 basis. Hierdoor moet evenveel zoet als zout water gefilterd worden. Omdat er geen specifieke informatie voor de trommelzeven is achterhaald, is het energieverbruik benodigd voor de productie van het filtersysteem geschat op 20% van de energie productiekosten van de stacks. • De pompen om het zoete en zoute water door de centrale te pompen en de druk optimaal te houden en een omvormer om de gelijkstroom om te zetten in wisselstroom. Ook hier is geen specifieke informatie over beschikbaar en is uitgegaan van een (gezamenlijk) productie energieverbruik dat gelijk staat aan 10% van de energie productiekosten van de stacks. Naast de energie voor de productie van de basismaterialen zijn er ook nog energiekosten verbonden aan de assemblage van onder andere de stacks en de installatie van de gehele centrale. Over het energieverbruik ten tijde van de installatie van de centrale is geen informatie gevonden. Omdat het hier toch om een aanzienlijke operatie gaat is voor de assemblage en installatie een energieverbruik van 20% van het materiaalproductieenergieverbruik gerekend.


42

In Tabel 15 is een overzicht te vinden van alle berekende energie-input voor de productie en installatie van een 10 MW RED centrale. In Figuur 16 is het energieverbruik over de hele levensduur van de centrale (30 jaar) uitgesplitst naar elk onderdeel. In deze berekening worden de stacks na 5 jaar in hun geheel vervangen, dus niet alleen de membranen.

Tabel 15 Overzicht energie kosten per on derdeel van 10 MW RED centrale

Productiekosten Aantal stacks (levensduur 5 jaar) Stacks Gebouwen Pijpen (HDPE) Pompen en omvormer (10% van stacks) Trommelzeven (20% van stacks, levensduur 5 jaar) Assemblage en installatie (20% van productiekosten) Operatie en Onderhoud (10% van productiekosten) Totaal

Waarde

4860 4800 809

Unit Waarde

ton m3 ton

146 1509 84

Unit

Per 30 jr

GJ/ton MJ/m3 GJ/ton

75.000.000 4.244.784 GJ 7.245 GJ 68.191 GJ 70.746

GJ

848.957

GJ

199.028

GJ

523.992 5.962.945

GJ GJ

Figuur 16 Ver deling van energieverbruik op basis van 30 jarige levensduur

Energieverbruik 10 MW centrale bij een levensduur van 30 jaar Stacks (levensduur 5 jaar)

9% 3%

Gebouw en Pijpen (HDPE)

14%

1% 1% 0%

72%

Pompen en omvormer (10% van stacks) Trommelzeven (20% van stacks, levensduur 5 jaar) Assemblage en installatie (20% van productiekosten) Operatie en Onderhoud (10% van productiekosten)


Unit

43

7.2.2

Opbrengsten

Bij het 1 op 1 mengen van zoet met zout water is het theoretisch maximum van potentiële energie 176 MJ/m3 en bij 1 op oneindig 2,55 MJ/m3 zoet water (onder de aanname dat zeewater 30 kg NaCl per m3 bevat en zoetwater 0 kg NaCl)41. Een meer concrete manier om de opbrengst van osmose energie inzichtelijk te maken is het vermogen per vierkante meter membraan. De in het laboratorium behaalde maximum energie opbrengst voor een stack met 50 cellen, is 0,8 W/m2 effectief membraan bij een stroomsnelheid van 700ml/min42. Deze hoge stroomsnelheid levert een relatief hoge energie-output (het verschil tussen de zoete en zoute concentratie blijft immers hoog), maar het kost ook veel energie om deze druk met pompen te genereren. Bij een lagere stroomsnelheid treden minder pomp verliezen op maar is de energie-output lager (het concentratie verschil loopt terug). Het optimum ligt bij een stroomsnelheid van 400 ml/min wat resulteert in een netto vermogensdichtheid van 0.6 Watt/m2 membraan (met een pompverlies van 25%). Voor een 10 MW RED centrale is bij 90% vollast de jaarlijkse elektriciteitsproductie (inclusief 5% conversieverlies) 6066738 GJ. Genoeg voor ongeveer 16000 huishoudens.

7.2.3

Resultaten

Als de energie-input voor de gehele levensduur van 30 jaar (productie & installatie en operatie & onderhoud) wordt afgetrokken van de energieproductie over 30 jaar, dan blijft er een netto levenscyclusenergieproductie van 103.793 GJ over. De ETVT voor de in deze studie beschreven 10 MW RED centrale komt daarmee op 29,5 jaar (zie Tabel 16). Tabel 16 Energiebalans 10 MW RED centrale

Energie input gedurende 30 jaar Energie output gedurende 30 jaar ETVT

7.2.4

5.962.945 6.066.738 29,5

GJ GJ Jaar

Gevoeligheid

De lijst van gevoeligheden behorend bij de berekening van de ETVT van RED is groot. Er zijn aannames gemaakt voor opschaling op basis van de huidige stand van de techniek (zoals die in de literatuur wordt beschreven). Wanneer de gevoeligheid van de ETVT wordt gekwantificeerd aan de hand van variaties met enkele onderdelen (bijvoorbeeld de voorzuivering of de stacks) blijven teveel aspecten van de opgeschaalde RED installatie onzeker om hier conclusies uit te trekken. Een voorwaardelijke benadering, waarbij gekeken wordt naar de maximale energie input die geoorloofd is om op basis van de energie output een bepaalde ETVT te halen, is in deze interessanter. Zoals vermeld in 7.2.2 levert een 10 MW centrale 6.066.738 GJ per jaar, oftewel 182 PJ gedurende 30 jaar. Onder de voorwaarde dat de ETVT maximaal 3 jaar mag bedragen, moeten de energie input van productie & installatie en operatie & onderhoud onder de 18,2 PJ blijven (een verlaging van 90% ten opzichte van de hier berekend energie input).


44

Gezien de nog vroege fase van technologische ontwikkeling zal opschaling naar centrales met een vermogen van 10 MW of hoger pas gerealiseerd worden als de prestaties van kleinere proefprojecten toereikend zijn. Een hoopvol resultaat is dat de energie input voor de productie van de membranen niet groot is (slechts 14% van de stacks). De spacers en elektroden hebben een veel groter aandeel in het productie energieverbruik van de stacks. Beide onderdelen worden ontworpen voor optimale operationele eigenschappen, waarbij ook winst geboekt zal worden op de materiaal efficiëntie. Voor de spacers zouden dunnere exemplaren (150 µm in plaats van de 500 µm waarmee gerekend is) zelfs tot een hogere vermogensdichtheid van de membranen leiden. Te dunne spacers leiden echter weer tot een hoger pomp energieverbruik vanwege drukverlies en stellen hogere eisen aan de eigenschappen van de membranen43. Voor de elektroden zijn er wellicht alternatieven voor titanium, dat een hoog productie energieverbruik kent. Een grote besparing zou ook bereikt kunnen worden wanneer niet al het materiaal van de stacks na 5 jaar vervangen moet worden maar alleen de membranen. Hier tegenover staat dan weer een hoger energieverbruik voor onderhoud. Het spreekt voor zich dat een toename in de behaalde vermogensdichtheid van de membranen (bij een gelijkblijvende energie input voor de productie van de membranen) tot een snelle afname van de energiekosten voor een 10 MW centrale zullen leiden, er zijn immers minder membranen nodig voor dezelfde elektriciteitsproductie. De nu behaalde 0,8 W/m2 membraan ligt nog ver onder het theoretisch maximum dat voor sommige membranen rond de 5 W/m2 ligt44. De voorzuivering, die in deze studie onderbelicht is gebleven, zal ook een belangrijke rol vervullen als het gaat om de energetische haalbaarheid van grootschalige opwekking met RED. Wanneer het water niet schoon genoeg, is zal de efficiëntie van de membranen om laag gaan en zullen ze sneller aan vervanging toe zijn.

7.3


Osmose energie in de vorm van RED is een unieke en veelbelovende energieconversietechnologie. Op dit moment is de technologie volop in ontwikkeling en energetisch gezien nog niet rendabel. Door extrapolatie van materialen en resultaten van laboratorium experimenten naar een 10 MW RED centrale is in deze studie een ETVT van 29,5 jaar gevonden. Voor een meer acceptabele ETVT van 3 jaar moet de energie input in het systeem met 90 procent verlaagd worden. Doordat er nog veel winst geboekt kan worden op het gebied van materiaal efficiëntie maar ook op het gebied van vermogensdichtheid van de membranen, is een energie efficiënte RED centrale in de toekomst zeer goed mogelijk.


45

8

Omgevingseffecten Osmose Energie

8.1


De te verwachten effecten van osmose energie zijn: - Waterverontreiniging vanwege schadelijke reststromen - Landschappelijk inpassing - Bodembeschadiging - Afsluiting voor aquatisch milieu en scheepvaart - Verandering van zoet- en zoutwaterconcentraties Deze effecten zullen in de volgende paragraaf worden uitgewerkt. 8.2 8.2.1

Uitwerking effecten Waterverontreiniging

Zowel bij PRO als bij RED vormen de membranen de kern van de installatie. Om vervuiling en verstopping van de membraanmodule tegen te gaan zal zowel het zoet als het zout water voorgezuiverd moeten worden voor het de module ingaat. Vanwege het gebrek aan waterdebiet in Nederland worden de membranen ontworpen om zoveel mogelijk oppervlakte in een zo klein mogelijk volume te realiseren. Dit maakt de membranen extra gevoelig voor vervuiling45. Bij PRO zal een klein gedeelte van het water dat door het membraan hoort te gaan langs het membraan spoelen hetgeen een natuurlijke spoeling veroorzaakt. Echter voorafgaand zal extra zuivering van het water (zowel zout als zoet) plaats moeten vinden. Ten behoeve van zuivering van membranen voor PRO kunnen verschillende stappen ondernomen worden waar verschillende filosofieën over zijn. Volgens Waternet zou als voorzuivering minimaal coagulatie + sedimentatie en snelfiltratie nodig zijn. Echter bij coagulatie + sedimentatie zijn grote hoeveelheden chemicaliën nodig en zouden de membranen met een frequentie van een maal per week gereinigd moeten worden. Dit is niet acceptabel gevonden en hier is verder geen vervolg aan gegegeven45. Statkraft heeft aangegeven dat een grove filtering in combinatie met een reiniging met behulp van chloor kan volstaan. Echter ook dan zal er chloor in een reststroom voor waterverontreiniging zorgen.


46

Op het gebied van RED is er gekozen voor zuivering met behulp van microzeven. Dit is gebaseerd op het principe vloeistof en vaste stoffen van elkaar te scheiden door middel van een fijnmazig gaas. In het geval van RED wordt dit gedaan door middel van een trommel gedaan waar water in wordt gepompt en gezuiverd water aan de buitenkant uitkomt. De deeltjes blijven in de trommel achter. Echter ook bij de trommel kunnen problemen ontstaan door verstopping door biologisch materiaal. Ook dit zal gezuiverd moeten worden46. 8.2.2

Landschappelijke inpassing

Aangezien de zoutconcentratie bij voorkeur zo hoog mogelijk moet zijn voor een zo efficiënt mogelijke werking van osmose energie zal het zoutwater in het geval van de afsluitdijk met een lange pijp vanuit de diepe getijdengeul de Doove Balg gehaald moeten worden. Dit zal overigens voor andere locaties ook op een redelijke afstand zijn aangezien het brakke water in de buurt van de installatie geloosd wordt en zo de zoutconcentratie ter plekke verlaagd. Naast de inlaatpijp zal ook de installatie met de membranenmodules in het landschap geplaatst moeten worden. Dit kan zowel onder water als boven water. In het geval van het plaatsen van een centrale bij de Afsluitdijk wordt voor een installatie van 10 MW een ruimte van 210 m bij 16 m bij 3,5 m nodig zijn in het geval van PRO. Voor RED zou zit een ruimte zijn van 176 m bij 18 m bij 2,7 m21. 8.2.3

Bodembeschadiging

De installatie van leidingen en modules zal de flora en fauna in de omgeving in bepaalde mate aantasten. Het zoute water wordt op ongeveer 600 meter afstand uit de Waddenzee gehaald. Deze pijpleiding zal een doorsnede hebben van tussen de 3,8 en 4,5 meter. Het aanleggen van leidingen in zee is echter niets nieuws voor Nederland. Bekend is dat de aanleg van pijpleidingen tot een verstoring leidt van de corridor van ongeveer 5. Dit heeft mede als effect dat het zwevend sediment organismen tot op een afstand van 50 meter kan beïnvloeden16. Dit is echter een tijdelijk effect aangezien de installatieperiode eindig is. Hierna zal de natuur zich weer snel herstellen. 8.2.4 Afsluiting scheepvaart

voor

aquatisch

milieu

en

Het is niet mogelijk voor vissen en ander onderwaterorganismen om de membranen te passeren. Bij bestaande sluizen verandert de situatie echter niet. De waterwegen waren al afgesloten door de sluis en de barrière zal nu vervangen worden door een membraan in plaats van de sluis. Bij aanleg van een nieuwe afsluiting van waterweging zal hier wel rekening mee gehouden moeten worden. Het is mogelijk om een vispassage aan te leggen zoals in het voorstel voor de spuisluis in de Afsluitdijk. Deze biedt de mogelijkheid voor vissen om tegen de stroom in en met de stroom mee het IJsselmeer in te zwemmen47. In overleg met visbiologen is een ontwerp gemaakt van een U-vormige bak waarbij een bodemklep het mogelijk maakt de inlaat van water en de hoeveelheid water te regelen.


47

8.2.5 Verandering van zoutwaterconcentraties

zoet

en

Het ‘afval’ product van osmose energie is brak water en zal geloosd worden in de Waddenzee. Dit product zou zonder installatie van een centrale ook op dat punt ontstaan aangezien daar de rivier in de zee uitmondt. Hierdoor kan verwacht worden dat dit geen negatieve gevolgen zal hebben voor het ecosysteem van de Waddenzee48. Het brakke zeewater zal zich snel mengen met het zoute zeewater. Na een aantal getijden verspreidt dit water zich over de hele westelijke Waddenzee om zo via de geulen tussen de eilanden de Noordzee in te mengen49.

8.2.6

Verandering van nutriëntenhuishouding

Opgeloste nutriënten, zoals ammonium, nitraat en orthofosfaat, worden door het membraan in het geval van PRO tegengehouden. Hierdoor blijven de nutriënten aan de IJsselmeerzijde over. Deze hogere nutriëntenconcentratie kan vervolgens leiden tot overmatige algengroei. Aan de andere zijde van de centrale wordt water geloosd met een lagere nutriëntenconcentratie dan ‘gewoonlijk’. Dit leidt tot een verandering van algensamenstelling en een verminderde productie van bijvoorbeeld mosselen. Het verwachte effect van een brakke stroom met een lagere nutriëntenconcentratie is minimaal48. Mogelijk zou met simulatie bepaald kunnen worden hoe de brakke stroom zich in het zoute water verspreid en wat de concentratie hiervan is op de locaties waar momenteel mosselpercelen zijn. In het geval van RED worden de nutriënten gewoon door het membraan heen gelaten en is dit omgevingseffect niet van toepassing. 8.3 8.3.1

Mitigerende maatregelen Waterverontreiniging

De oorzaak van waterverontreiniging is het voorreinigen van zout en zoet water en het reinigen van de membranen met chemicaliën. Voordat het water geloosd wordt zal het gezuiverd moeten worden naar de standaard van Rijkswaterstaat. Er bestaat dus voldoende regelgeving om dit niet te laten mengen met de Waddenzee of het IJsselmeer. Echter het proces van voorzuiveren, reinigen en scheiden kost additionele energie. Hetgeen het liefst voorkomen wordt. Er zal voor zowel PRO als RED naar een innovatieve en milieuvriendelijke manier gezocht moeten worden om de reiniging toe te passen. De mate van vervuiling is ook sterk afhankelijk van het membraanmodule ontwerp. Hier kan ook naar een verbetering gezocht worden waardoor de gevoeligheid van de membraanmodules verlaagd wordt. Verwacht wordt dat dit niet een onoverkomelijke uitdaging zal zijn. Een voorbeeld kan genomen worden aan de manier waarop KIWA haar filters zuivert; door van onder lucht in de filter te laten reinigt de filter tot een effectiviteit van 10 g deeltje per liter21.


48

8.3.2

Landschappelijke inpassing

Er kan per gebied gekeken worden wat de landschappelijke waarde is van het gebied en in hoeverre het gebied uniek is. Op basis daarvan kan bepaald worden in hoeverre leidingen en installaties dan wel bovengronds of ondergronds geplaatst kunnen worden. Plaatsing boven de grond is makkelijker betreft onderhoud en lager in kosten. Een plaatsing ondergronds tast echter het landschap en de unieke waarde daarvan niet aan. 8.3.3

Bodembeschadiging

De installatie van leidingen en modules zal de flora en fauna in de omgeving in bepaalde mate aantasten. Dit is echter van tijdelijke aard aangezien het slechts tijdens de installatieperiode geldt. Dit is een eindige periode waarna de flora en fauna zich weer kan herstellen. Dat neemt echter niet weg dat bij de locatiekeuze ook rekening gehouden moet worden met het minimaliseren van de impact op flora en fauna. Bij de keuze van de installatieperiode zal rekening gehouden moeten worden met broedseizoenen van aanwezige fauna. Minimale verstoring heeft hierbij de voorkeur. 8.3.4 Afsluiting scheepvaart

voor

aquatisch

milieu

en

Bij bestaande sluizen treedt weinig verandering op voor het aquatisch milieu en scheepvaart. Waterwegen zijn hier al afgesloten door de sluis en de barrière zal nu vervangen worden door een membraan in plaats van de sluis. Bij aanleg van een nieuwe afsluiting van waterweging is het mogelijk om een vispassage, U-vormige bak waarbij een bodemklep, aan te leggen waardoor het aquatisch milieu minimaal gehinderd wordt. 8.3.5 Verandering van zoutwaterconcentraties

zoet

en

De verwachting is dat de verandering van zoet en zoutwaterconcentraties minimaal is. Na een aantal getijden verspreidt het brakke water zich over de hele westelijke Waddenzee om zo via de geulen tussen de eilanden de Noordzee in te mengen. Aanbevolen wordt om de stromen met computermodellen te simuleren waardoor uitsluitsel gegeven kan worden over het te verwachten effect. 8.3.6

Verandering van nutriëntenhuishouding

De gevolgen voor het respectievelijk verhogen of verlagen van de nutriëntenconcentratie in IJsselmeer- en aan Waddenzeezijde kan inzichtelijk gemaakt worden met behulp van een wateren stoffenbalans48. De gevolgen hiervan op de onderwater flora en fauna kan bepaald worden met behulp van eutrofiëringmodellen. In het geval van RED worden de nutriënten gewoon door het membraan heen gelaten en is dit omgevingseffect niet van toepassing.


49

8.4


De omgevingseffecten van osmose energie zijn op te delen in landschappelijke effecten en het kunstmatig veranderen van de zoet-zout waterovergang. Het eerste effect kan geminimaliseerd worden door bij het aanwijzen van een locatie voor de centrale ook rekening te houden met schade die bij de installatie aangericht zal worden. Daarnaast kan er gekozen worden tussen een bovengrondse of ondergrondse installatie afhankelijk van de landschappelijke waarde van de omgeving. Het tweede effect zal nader onderzocht moeten worden met behulp van simulatiemodellen. Hiermee kan de verspreiding van het brakke water bepaald worden en de invloed van een verhoging of verlaging van de nutriëntenhuishouding in het IJsselmeer en de Waddenzee.


50

9

Warmte Koude Opslag

9.1


De techniek van een warmte-/koudeopslag (WKO) is relatief eenvoudig. In een WKOsysteem worden warmte en koude opgeslagen in grondwater en gebruikt voor zowel verwarming (in de winter) als koeling (in de zomer), zie Figuur 17. Het grondwater bevindt zich in zandlagen (aquifers) op een diepte tot ca. 150 meter en heeft normaliter een constante temperatuur van ongeveer ca. 11 ºC. In de winter, wanneer er behoefte is aan verwarming, wordt de lage temperatuur energie onttrokken aan het grondwater. Het afgekoelde grondwater wordt vervolgens weer in de grond geïnjecteerd. Om deze energie voor ruimteverwarming en tapwater te gebruiken maakt men gebruik van een warmtepomp. Een warmtepomp “pompt” energie van een lagere temperatuur naar de gewenste temperatuur. De warmtepomp is wel omschreven als “ een koelkast waarvan het koelvak buitenshuis staat”. Hiervoor is slecht een klein deel elektrische energie nodig. Hoe kleiner de temperatuursstijging, des te minder elektrische energie dit kost. Daarom worden warmtepompsystemen altijd uitgevoerd in combinatie met lage temperatuur verwarming zoals vloerverwarming.


51

F i g u u r 1 7 : W e r k i n g v a n e e n W K O s y s t e e m m e t o p e n b r on i n d e w i n t e r ( l i n k s ) en de zomer (rechts)

In de zomer, wanneer er juist behoefte is aan koeling, wordt het proces omgekeerd en wordt het overschot aan warmte gekoeld met koud water uit de koude bron (rechter helft van figuur 17). Voor deze koeling is in principe geen elektrische energie meer nodig, waardoor het een zeer duurzame vorm van koelen is. Na verloop van enkele jaren wordt het grondwater rond de warme bron enigszins warmer (13-16 ºC) en rondom de koude bron enigszins kouder (7-10 ºC). Door ervoor te zorgen dat er over het jaar heen netto geen warmte aan de ondergrond wordt onttrokken of afgestaan, zijn de milieugevolgen voor de ondergrond minimaal en kan een dergelijk systeem in principe eindeloos mee. In de woningbouw is de behoefte aan warmte (ruimteverwarming en warm tapwater) doorgaans groter dan de behoefte aan koeling. Hierdoor is er puur op basis van de energiebehoeften géén thermisch evenwicht in de ondergrond. Om toch aan deze voorwaarde te voldoen moet extra warmte geladen worden in de ondergrond. Dit wordt het regenereren van de ondergrond genoemd. Het regenereren van de ondergrond gebeurt doorgaans door middel van (droge) koeltorens. Een goed alternatief is echter om hiervoor warmte aan oppervlaktewater te onttrekken. Oppervlaktewater wordt op een bepaalde plek ingenomen en door een warmtewisselaar geleid. Hier wordt warmte aan het water onttrokken en met een lagere temperatuur wordt het elders weer in het meer geretourneerd. Aandachtspunt voor een optimaal functionerend systeem is uiteraard dat het inname- en retourpunt zich op voldoende afstand van elkaar bevinden, zodat het afgekoelde water niet direct weer naar het inname-punt wordt gezogen. Het grondwater en het oppervlaktewater bevinden zich dus in gescheiden circuits. Enkel de energie (warmte) wordt uitgewisseld. Deze combinatie van WKO en oppervlakte water kan in principe in ieder WKO project met een thermische onbalans waar ook


52

oppervlaktewater aanwezig is worden toegepast. Tot op heden is het echter nog niet (op grote schaal) toegepast. Note: Wanneer er op een projectlocatie veel oppervlaktewater aanwezig is, maar de ondergrond niet geschikt is voor WKO, wordt soms overwogen om het oppervlaktewater als basis bron voor warmte en koude te gebruiken. Belangrijk nadeel is hierbij echter dat geen sprake is van seizoensopslag zoals WKO. In de winter, wanneer er behoefte is aan warmte, is ook de brontemperatuur laag waardoor de efficiëntie van warmtelevering sterk daalt. In de zomer is de temperatuur van de bron juist hoog, waardoor hiermee niet of beperkt gekoeld kan worden.

9.2

Energiebalans

De analyse van de WKO installatie wijkt enigszins af van de analyse van de andere energieconversiesystemen behandeld in deze studie. Dit heeft te maken met het feit dat een WKO systeem geen energie produceert maar alleen primaire energie bespaart. Toch is het mogelijk om tot een energieterugverdientijd te komen door gebruik te maken van het vermeden energieverbruik ten opzichte van de referentie situatie. Als referentie is de traditionele ruimteverwarming met gas gebruikt. Voor de berekening van de energieterugverdientijd van WKO is een Utrechts project als referentie genomen. Het project bestaat uit een standaard open bronsysteem voor ruimteverwarming, warm tapwater en koeling van 173 appartementen (met 88 m2 vloeroppervlak) en 5.826 m2 utiliteitsruimten als uitgangspunt genomen. Om de berekening van de energieterugverdientijd overzichtelijk te houden is het vloeroppervlak van de utiliteitsruimten omgerekend naar aantal appartementen. In het totaal gaan we daarom voor dit WKO systeem uit van 239 ‘woning equivalenten’. De verschillende onderdelen van het systeem staan vermeld in Tabel 18 (een overzicht van de materiaalspecificaties is te vinden in bijlage 1). Tabel 18: O verzicht van verschillende onder delen WKO systeem

Onderdelen WKO systeem Brondoublet Bron pomp Circulatie pomp Vlinderklep Klepafsluiter Collectieve warmtepomp (500 kW) Warmtewisselaar (500 kW) Collectieve gasketel (750 kW) Droge koeler (200 kW) Warmwaterboiler (430 kW) Leidingen naar technische ruimte Distributienet Totaal

Gewicht (kg) 1.312 13 240 25 25 4.607 750 1.720 2.300 205 4.830 49.961 66.351 kg

Aantal 1 2 4 8 8 1 1 1 1 1


53

9.2.1

Energie input

De energie input voor het systeem is te verdelen in twee fases: productie & installatie van het systeem en het energieverbruik voor operatie & onderhoud van de installatie. Productie en installatie Voor alle WKO onderdelen uit Tabel 18 zijn de gewichten opgesplitst naar materiaaltype (zie bijlage 1 voor details). De materiaalspecificaties van de warmtepomp zijn verkregen uit een LCA studie van Heikkila (2006)50. Ook de gewichten van de gasketel, droge koeler en warm water boiler zijn verdeeld volgens de percentages van de hoofcompenten uit deze studie. Met behulp van Simapro is het energieverbruik voor de productie van alle benodigde materialen berekend. Het energieverbruik voor de assemblage van de verschillende componenten van het WKO systeem alsmede de energiekosten voor het installeren zijn niet achterhaald. Hiervoor is aangenomen dat de energiekosten voor assemblage en installatie 20% van de materiaalproductie energiekosten zijn. In totaal is voor deze fase 4.001 GJ nodig en wordt 168 ton CO2 uitgestoten. Een verdeling van energieverbruik naar de componenten is te vinden in Figuur 19. De verdeling van de CO2-emissies naar de verschillende componenten is nagenoeg hetzelfde en wordt derhalve niet gepresenteerd. Figuur 19: Energieverbruik per component WKO

Energieverbruik per component 3% 5%

17%

1%

Brondoublet Bron pomp (2)

2%

Circulatie pomp (4)

2%

Vlinderklep (8)

11%

Klepafsluiter (8) Collectieve warmtepomp Warmtewisselaar Collectieve gasketel Droge koeler Warmwaterboiler Leidingen naar technische ruimte Distributienet

59%

Installatie

Operatie en onderhoud Voor de berekening van het jaarlijkse energieverbruik voor de operatie van het WKO systeem is de warmtevraag van een moderne woning met warmtepomp als uitgangspunt genomen. Een goed geïsoleerde moderne woning met een energie prestatie coëfficiënt (EPC) rond de 0.8 heeft een warmtevraag van ongeveer 13 GJ/jaar, gebaseerd op de volgende kenmerken: - Een standaard warmtepomp voor ruimte verwarming van 4 kW


54

- Een COP3 van 4,5 - 900 vollasturen Vanwege de gunstige COP kan een warmtepomp deze 13 GJ warmte leveren met 2,88 GJ elektriciteit. De energiekosten voor onderhoud aan de installatie zijn geschat op 10% van het operationele energieverbruik. De totale primaire energiekosten voor operatie en onderhoud komen daarmee op 1.830 GJ/jaar.

9.2.2

Opbrengsten

Opbrengsten moeten bij deze energieconversietechnologie gezien worden als besparing ten opzichte van een referentiesituatie met gasgestookte warmteproductie. Alleen de besparing voor de warmtevoorziening is meegenomen, koeling is in deze studie achterwege gelaten. Wanneer tegelijkertijd ook traditionele airconditioning zou worden vervangen door een WKO systeem wordt de energie en CO2-terugverdientijd verkort. De mate van additionele besparing hangt af van de vraag naar koude, die sterk afhankelijk is van het type bebouwing waarin de installatie is geïntegreerd. Aangezien de gemiddelde jaarlijkse koudevraag veel lager ligt dan de warmtevraag zal de extra besparing niet meer dan 50% bedragen en waarschijnlijk veel lager zijn. De hoeveelheid vermeden energie is berekend aan de hand van de primaire energie benodigd om de 13 GJ/jaar warmte voor een goed geïsoleerde woning met aardgas te produceren (bij een efficiëntie van 95%). Voor 239 woningen met een conventionele gasketel zou de warmtevraag 3263 GJ/jaar bedragen. Vergeleken met het jaarlijkse energieverbruik van het WKO systeem wordt hiermee per jaar 1.433 GJ primaire energie vermeden.

9.2.3

Resultaten

Wanneer de energie-input en de energiebesparing met elkaar vergeleken worden, wordt voor WKO een energie TVT van 2.79 jaar gevonden. De TVT van de CO2-emissies ligt met 3,14 jaar iets hoger tabel 20. Dit wordt veroorzaakt door de hogere emissiefactor van het elektriciteitsverbruik voor het WKO systeem (79,1 kg CO2/GJ primair) ten opzichte van de emissiefactor voor verwarming met gas (56,1 kg CO2/GJ primair). Indien de installatie 30 jaar mee gaat wordt een EPR van ruim 10 behaald.

3

De Coëfficiënt of Performance (COP) geeft de verhouding aan tussen de hoeveelheid warmte die de warmtepomp afgeeft (verplaatst) en de hoeveelheid elektriciteit (arbeid) die hiervoor nodig is. Afhankelijk van het verschil in temperatuur tussen de bron en het afgiftesysteem kan de hoeveelheid afgegeven warmte 3-5 keer zo hoog zijn als de benodigde elektriciteit, wat aangeduid wordt met de COP. Het is in geen geval het thermodynamische rendement. Aangezien de opwekking van elektriciteit met een gemiddelde efficiëntie van 40% verloopt, is een COP van 2,5 qua primair energieverbruik vergelijkbaar met een HR-ketel met een efficiëntie van 100%.


55

Tabel 20: O verzicht energie input, bes paring, TVT en EPR voor WKO

Productie & installatie Energieverbruik operatie & onderhoud Warmtevraag gas referentiesyteem Besparing Terugverdientijd Productie ratio (levensduur 30 jaar)

9.2.4

Energie 4.001 1.830 3.263 1.433 2.79 10.7

Unit GJ GJ/jaar GJ/jaar GJ/jaar Jaar

Emissies 168 130 183 53 3.14 9.5

Unit Ton CO2 Ton CO2/jaar Ton CO2/jaar Ton CO2/jaar Jaar

Gevoeligheid

Voor de factoren met de grootste invloed op het resultaat is een gevoeligheidsanalyse uitgevoerd (zie tabel 21). De coëfficiënt of performance (COP) bepaalt in grote mate de efficiëntie van de warmteproductie. Een warmtepomp -zonder WKO- die energie haalt uit de buitenlucht heeft bijvoorbeeld een COP van 2. Bij deze COP zou een WKO systeem zelfs meer energie verbruiken dan het referentie systeem met gas en zich daardoor nooit terugverdienen. Dit is echter niet het geval bij een goed afgesteld WKO systeem dat gebruik maakt van opslag in een aquifer. Een range van 3,5 – 5,5 is realistisch. Variaties in de warmtevraag van de woningen laten zien dat naarmate de woning een hogere energievraag heeft, de besparing toeneemt. Een twee keer zo hoge warmtevraag levert een twee keer zo korte energie TVT op. De 13 GJ per jaar staat voor goed geïsoleerde nieuwbouw en het is niet waarschijnlijk dat dit nog veel verder omlaag zal gaan. Een 50% hogere productie- en installatie impact doet de energie TVT oplopen tot ruim 4 jaar maar met een levensduur van 30 jaar verdient de installatie zich nog steeds meer dan 7 keer terug. In de berekening zijn extra impacts verbonden aan het vervangen van een CV installatie in bestaande bouw niet meegenomen. Bij zogenaamde retorfitting van oude gebouwen met warmtepompen en WKO zullen de impacts hoger komen te liggen dan wanneer de installatie wordt ingepast in een nieuwbouw. Aan de andere kant is geen rekening gehouden met de impacts verbonden aan de productie, constructie en installatie van het gasgestookte referentiesysteem. In nieuwbouwprojecten zal een warmtepompsysteem met WKO in het licht van een gasgestookt alternatief zich daarom nog sneller terugverdienen dan de 2,79 jaar die berekend is in deze studie. Wanneer ook separate koeling wordt vervangen valt de berekening nog gunstiger uit. Tabel 21: Gevoeligheidsanalyse WKO

Gevoeligheid COP Warmtevraag (GJ/jr) Productie impact (GJ) Installatie, % van productie

Range 3,5 – 5,5 10 - 20 + 50%/ - 50% 100% - 10%

Gebruikt 4,5 13 4000 20%

ETVT 4,4 - 2,3 3,6 - 1,8 4,2 - 1,4 4,7 - 2,6


CO2TVT 10,3 – 2,2 4,1 – 2 6,3 – 1,6 5,2 – 2,9

EPR 6,8 - 13,2 8,3 - 16,6 7,2 - 21,5 6,4 - 11,7

56

CO2PR 2,9 – 13,8 7,4 – 14,8 4,8 – 19,1 5,7 – 10,4

9.3


Een warmtepompsysteem met WKO is energetisch en ‘klimatologisch’ gezien een goed alternatief voor ruimteverwarming met gas. Het systeem dat in deze studie is onderzocht (een collectieve warmtepomp met WKO in een aquifer voor 239 woningen) verdient zich met de besparingen in het verbruik ten opzichte van een gasgestookte referentiesituatie terug in 2,79 jaar. Een onderzoek naar de extra impacts voor de plaatsing in bestaande bouw zou een interessante inkijk geven in de energetische potentie van een warmtepomp systeem met WKO voor retrofitting.


57

10

Omgevingseffecten Warmte Koude Opslag

10.1 Te verwachten effecten In het benoemen van de effecten op natuur, milieu en overige relevante gebruiksfuncties van de omgeving wordt onderscheid gemaakt tussen het open WKO systeem, die de basis vormt in dit concept, en de regeneratievoorziening op basis van oppervlaktewater. Het zijn namelijk twee systemen die in principe los van elkaar gezien kunnen worden en zeer verschillende effecten hebben. De te verwachten effecten van warmte koude opslag zijn: Warmte koude opslag (WKO) met open bronnen Doorboring van slecht doorlatende bodemlagen Verplaatsing en mening van grondwater (en mogelijk verontreinigingen) binnen een aquifer Beïnvloeding van de hydrologie (grondwaterstromingen) binnen een aquifer (beperkte) Verandering van de temperatuur in het grondwater Levering van duurzame warmte en duurzame koude aan woningen en gebouwen Regeneratie met oppervlaktewater Verbetering van de kwaliteit van het oppervlaktewater Minder algengroei door circulatie van het water. Schade aan het leven in het water, doordat het water door de pomp wordt gestuwd. Risico op beïnvloeding van het paargedrag, wanneer de temperatuur van het water in de zomer


58

Fi guur 22: Principeschema combi natie WKO met opper vlaktew ater

10.2 Uitwerking effecten 10.2.1 Warmte koude opslag met open bronnen Een WKO systeem met open bronnen mag geen negatieve invloed hebben op de bestaande (natuurlijke) situatie in de ondergrond. De grondwaterkwaliteit mag niet worden veranderd, maar ook mogen andere aanwezige grondwaterfuncties niet nadelig worden beïnvloed. Om dit te waarborgen dient voor een WKO systeem met open bronnen een vergunning in het kader van de Grondwaterwet te worden aangevraagd. Bij de vergunningaanvraag dient uitvoerig te worden aangetoond dat aan bovengenoemde voorwaarden wordt voldaan. Dit wordt aangetoond in de vorm van een effectenstudie. De eerste twee effecten die hieronder nader zijn beschreven, worden in de vergunningprocedure ondervangen. 10.2.2 Verplaatsing/ verspreiding verontreinigingen in een aquifer

van

Wanneer verontreinigingen in het grondwater aanwezig zijn, bestaat er een kans dat deze verplaatst worden door het heen en weer pompen van het grondwater. Verplaatsing van verontreinigingen door de WKO is niet toegestaan. In de vergunningaanvraag moet


59

worden aangetoond dat een nieuw WKO systeem bestaande verontreinigingen niet beïnvloedt. 10.2.3 Beïnvloeding grondwater

van

bestaande

functies

in

het

Door het infiltreren en onttrekken van grondwater met een WKO wordt de grondwaterstroming beïnvloed. Dit kan een nadelig effect hebben op andere grondwateronttrekkingen of WKO systemen in de nabije omgeving. In de vergunningaanvraag moet worden aangetoond dat een nieuw WKO systeem bestaande onttrekkingen niet nadelig beïnvloedt. 10.2.4 Menging van grondwater binnen een aquifer Met een WKO systeem wordt grondwater van de ene plek naar de andere plek in dezelfde aquifer verplaatst. Voordat een WKO systeem wordt gerealiseerd moet goed in kaart worden gebracht of hiermee geen grondwater van verschillende kwaliteit wordt gemengd. Dit kan chemische reacties (bijvoorbeeld redox reacties4) veroorzaken, waardoor de totale kwaliteit (samenstelling) van het grondwater permanent verandert. Bovendien veroorzaakt dit putverstoppingen, waardoor het WKO systeem onbruikbaar kan worden. 10.2.5 Lekkage van grondwater tussen aquifers De ondergrond van Nederland is in hoofdlijnen opgebouwd uit aquifers (grondwaterhoudende zandlagen) en kleiige, slecht doorlatende lagen. Deze slecht doorlatende lagen scheiden het grondwater in de verschillende aquifers. Het is verboden om grondwater uit verschillende aquifers te mengen. Door menging verandert de kwaliteit van het grondwater immers permanent. Wanneer een WKO bron wordt geslagen moeten vaak slecht doorlatende lagen worden doorboord. Het is van groot belang dat de door de boringen ontstane gaten weer goed worden afgedicht, omdat anders lekkage van grondwater tussen de aquifers ontstaat. Om deze lekkage te voorkomen zijn er duidelijke richtlijnen in het ontwerp en realisatie van WKO systemen opgesteld door de NVOE (Nederlandse Vereniging voor Ondergrondse Energieopslag). 10.2.6 Verandering grondwater

van

de

temperatuur

in

het

Een WKO systeem bestaat uit koude en warme grondwater ”bellen”. Hierin wijkt de temperatuur enkele graden af van de natuurlijke grondwatertemperatuur. Omdat het verschil zo klein is, heeft dit geen effect op de biologie en/of chemie in de ondergrond. 10.2.7 Regeneratie d.m.v. oppervlaktewater De effecten van regeneratie met oppervlaktewater zijn uiteraard sterk afhankelijk van de omvang (oppervlak en diepte) van het oppervlaktewater in relatie tot de hoeveelheid warmte die hieraan wordt onttrokken.

4

Dit is de menging van ijzerhoudend en zuurstofrijk grondwater. Dit reageert tot roestvlokken.


60

Voor de grote nieuwbouwwijk De Draai in Heerhugowaard, waar de komende jaren ca. 3.000 woningen zullen verrijzen, is de technische en financiële haalbaarheid van dit concept onderzocht. Onderstaande effecten zijn gebaseerd op de uitgebreide studie naar de technische haalbaarheid van dit concept die is uitgevoerd voor De Draai. Hier zal naar schatting 85.000GJ warmte worden onttrokken aan het oppervlaktewater voor regeneratie van de WKO bronnen. Het betreft hier dan ook een grootschalige regeneratievoorziening. 10.2.8 Verbetering oppervlaktewater

van

de

kwaliteit

van

het

Het onttrekken van warmte aan het oppervlaktewater systeem leidt tot een lagere temperatuur van het oppervlaktewater in de zomer. Voor De Draai wordt uitgegaan van een temperatuurdaling van gemiddeld ca. 1,6 ºC. Hierdoor neemt zowel de fysische zuurstofstroom als de netto biologische zuurstofproductie in het oppervlaktewater toe. Fysische aëratie is de opname van zuurstof via het wateroppervlak. Deze uitwisseling wordt gedreven door het verschil in het verzadigingszuurstofgehalte enerzijds en het actuele zuurstof gehalte anderzijds. Bij een lagere temperatuur ligt het verzadiging zuurstofgehalte hoger en zal er dus meer zuurstof worden opgenomen via het wateroppervlak. Dit positieve effect kan eventueel nog verder versterkt worden door bij de pomp te beluchten. Deze toename van het zuurstofgehalte zal een positief effect hebben op de kwaliteit van het oppervlaktewater. Hierdoor zullen de levensomstandigheden van vooral vissen verbeteren. 10.2.9 Schade aan het leven in het water Een punt waar aandacht aan besteed moet worden in een definitief ontwerp voor dit concept is de milieuvriendelijkheid van de pomp. De waterpomp die het water langs de warmtewisselaar leidt, verplaatst ook allerlei levende organismen door deze pomp. Er moet dus worden gekozen voor een pomp met minimale schade voor vislarven en dergelijke. Daarnaast kunnen mosselen en algen zich afzetten in de pomp, ook in dit geval zal een pomp gekozen moeten worden die tegen deze zaken bestand is en waarvoor de mate van onderhoud beperkt is. 10.2.10

Beïnvloeding van het paargedrag

Een ander aandachtspunt is het seizoen waarin warmte onttrokken wordt aan het oppervlaktewatersysteem. Hoewel er positieve effecten zijn in de zomer en herfst, is het effect in het voorjaar minder positief. Aangezien een lagere watertemperatuur in het voorjaar het paargedrag en ontkiemingmoment van primaire plantensoorten kan vertragen. In een strenge winter heeft onttrekken ook negatieve gevolgen op de ecologie. Aanbevolen wordt dus warmte te onttrekken in de zomer en eventueel de herfst, maar niet in de andere jaargetijden.


61

10.3 Mitigerende maatregelen De combinatie van WKO en met regeneratie via oppervlaktewater is nog niet (op grote schaal) toegepast. Het zou echter in principe overal waar voldoende oppervlaktewater beschikbaar is mogelijk moeten zijn. Het duurzame energieconcept WKO met open bronnen wordt al op vele plaatsen in Nederland toegepast. Het vormt een waardevol concept doordat hiermee niet alleen duurzame warmte, maar ook duurzame koeling geleverd kan worden. Hierdoor levert het naast een goede energieprestatie, ook een comfortabel binnenklimaat op. Het risico op negatieve effecten door verplaatsing of verspreiding van grondwaterverontreinigingen of het beïnvloeden van bestaande grondwatersystemen wordt beperkt door de strenge eisen die aan nieuwe WKO systemen worden gesteld in de vergunningprocedure. Wanneer niet aan de randvoorwaarden wordt voldaan, wordt geen vergunning afgegeven en kan het nieuwe WKO systeem dus niet worden gerealiseerd. Belangrijk voordeel aan deze combinatie is dat geen in het oog springende installaties voor regeneratie (droge of natte koeltorens) in het bouwproject hoeven worden ingepast. Bovendien heeft een (beperkte) temperatuurdaling positieve effecten op de kwaliteit van het oppervlaktewater. 10.4 Conclusies en aanbevelingen De combinatie van WKO en regeneratie middels oppervlaktewater vormt een interessante variant op de reeds sterk in opkomst zijn de WKO systemen. Het kan in principe in ieder WKO project worden toegepast waar voldoende oppervlaktewater aanwezig is. Op dit moment is dit gecombineerde concept nog niet (op grote schaal) gerealiseerd. Wel is voor een grote nieuwbouwwijk in Heerhugowaard (De Draai) in een uitgebreide haalbaarheidsstudie de financiële en technische haalbaarheid aangetoond. Uiteraard dient in het definitieve ontwerp rekening te worden gehouden met de aandachtspunten zoals beschadiging van levende organismen door de circulatiepompen. Een mogelijk alternatief zou zijn om niet het oppervlaktewater zelf rond te pompen, maar kunststof slangen door het oppervlaktewater te leiden en hier doorheen water te pompen. Op die manier wordt toch warmte onttrokken, maar wordt geen water met van levende organismen door de circulatiepompen gestuwd.


62

11

Aquatische Biomassa

11.1 Korte beschrijving technologie Met aquatische biomassa worden in dit rapport algen en fotosynthetiserende cyanobacteriën bedoeld (strikt genomen behoren alle in het water levende algen, planten, vissen, zoodieren, amfibieën, schelpdieren, micro-organismen etc. tot aquatische biomassa). Algen hebben recentelijk veel aandacht als nieuwe biomassabron voor de productie van hernieuwbare energie ontvangen. De belangrijkste redenen hiervoor zijn dat algen: - een hoge biomassaopbrengst per eenheid van licht en gebied kunnen hebben - een (zeer) hoog olie of een zetmeelgehalte kunnen hebben - de kweek vereist geen landbouwgrond - zoet water is niet essentieel - afvalwater en mest kunnen als nutriëntenbron dienen - verbrandingsgassen kunnen als CO2 = koolstofbron dienen - de zee kan ingezet worden als biomassa productie ruimte Het eerste onderscheid dat gemaakt moet worden is tussen macroalgen (of zeewier) en microalgen. Er bestaan vele verschillende soorten microalgen, met sterk verschillende samenstellingen. Ze leven als losse cellen of kolonies zonder enige specialisatie. Hoewel dit de kweek gemakkelijker en beter controleerbaar maakt, is het oogsten door het kleine formaat (enkele micrometers) ingewikkelder. Macroalgen zijn wat minder veelzijdig, en minder soorten zijn geschikt voor massale kweek, maar kunnen direct in zee gekweekt worden, terwijl microalgen door dispersie verloren zouden gaan. Dit betekent dat de kweeksystemen voor microalgen compleet anders zijn dan die voor macroalgen, en ook andere karakteristieken verschillen. Beide soorten worden in dit hoofdstuk behandeld. Indien dit van toepassing is, wordt het verschil tussen micro- en macroalgen aangegeven.

11.1.1 Kweeksystemen voor microalgen Algen hebben relatief simpele behoeften: licht, koolstofbron, nutriënten, water en een milde temperatuur. Er bestaan vele verschillende kweeksystemen die hieraan voldoen. Het belangrijkste onderscheid is tussen open systemen die direct blootgesteld worden aan de lucht, en gesloten systemen waarbij de algen door middel van transparant kunststof of glas van de omgeving gescheiden zijn. Open kweeksystemen kunnen variëren van ondiepe, ongemixte bassins, variërend van een paar m2 tot 250 ha (figuur 23 a and b). CO2, de koolstofbron van algen, lost relatief


63

langzaam op, nutriënten diffusie is langzaam en drijvende of zinkende (dode of levende) algen limiteren de hoeveelheid ontvangen licht. Hierdoor heeft een ongemengd systeem een suboptimale opbrengst. Mengen wordt in de praktijk gedaan met een roterende arm (Centre-Pivot pond, figuur 23 c), of in meer gebruikelijke, zogenaamde raceway pond, (vanwege het zigzag patroon) (figuur 23 d), met een schoepenrad (Figuur 23 e). Het bubbelen van gas door het water levert menging en ook CO2. Lucht, CO2 uit drukcilinders of CO2-rijk gas zoals verbrandingsgas kan ingezet worden. De belangrijkste problemen met open systemen zijn een relatief lage biomassa concentratie, de gevoeligheid van organismen die zich voeden met algen, invasie/competitie met andere algen uit de omgeving, hoge verdamping van water en geen temperatuurcontrole. Hierdoor is het aantal soorten dat als monocultuur gekweekt kan worden zeer beperkt, en bijna altijd onder extreme condities zoals hoge pH, hoge nutriëntengehalte of hoog zoutgehalte51,52,53, 54 . Figuur 23 V oor beel den van open kweeks ystemen a. b. c. d. e.

Klein bassin voor Spirulina kweek, Asie55 Dunaliella salina bassins van Cognis, Western Australia56 Centre-Pivot pond voor de kweek van Chlorella in Taiwan Open raceway-type bassins van Earthrise in Californie, US57 Schoepenrad in een raceway pond58


64

Al deze problemen kunnen verminderd worden door gesloten kweeksystemen te gebruiken. Simpele opties als polyethyleen zakken (Figuur 24a) voor batchcultuur gaan tot 1000 liter maar zijn kwetsbaar. Verschillende systemen hebben een langere levensduur en zijn geschikt voor continue kweek. Deze systemen hebben een hogere biomassaconcentratie, wat resulteert in minder benodigde oppervlakte en lagere oogstkosten. Een voorbeeld is de bubbelkolom (Figuur 24b), een verticale buisreactor. Opschalingmogelijkheden zijn beperkt, omdat de kolomen een schaduw op elkaar werpen (Figuur 24). Een reactor met horizontale buizen (Figuur 24b d-f) voorkomt dit probleem, maar heeft ook schaalproblemen: gedurende de groei consumeren algen CO2 en nutriënten, terwijl zuurstof geproduceerd wordt, dus de groeiomstandigheden nemen af naar mate de algen dieper de buis doorgaan. Losse units met een optimale buislengte zijn nodig. Om optimaal gebruik te maken van invallend licht, kunnen platte systemen ingezet worden (Figuur 24 g en h). Het nadeel van deze systemen is het gecompliceerde flow regime in grotere systemen. Er bestaan vele variaties op de hier beschreven systemen. Figuur 24 V oor beel den van gesloten kweeksystemen a. b. c. d. e. f.

'Big Bag' kweek (BEAM) Bubbel kolom reactor (Tredici in Wijffels, 2007) Bubbel koloms met schaduw (Wijffels, 2007) Buisreactor systeem (Bioprodukte-steinberg.de) Platte reactor (Wijffels, 2007) Experimentele alveolar-panel fotobioreactor (Tredici and Materassi, 1992)

a

d

f

c

b

e

g

h


65

11.1.2 Kweeksystemen voor zeewier Zoals eerder aangegeven, is de kweek van zeewier compleet anders dan die van microalgen. Zeewier kweek vindt al op grote schaal plaats in Azië, voor voedsel productie. Ook worden natuurlijke populaties geoogst, maar dit is niet geschikt voor grootschalige energieproductie. Ook voor zeewierkweek bestaan verschillende systemen, maar allen zijn gebaseerd op de aanhechting van zeewier op (horizontale of verticale) touwen, gespannen tussen frames die verankerd zijn aan de bodem of aan boeien. Enkele experimenten met systemen bedoeld voor bio-energie zijn uitgevoerd in de jaren 80 en 90, maar zijn door de lage olieprijs geen navolging gegeven59. De problemen aangetroffen gedurende deze experimenten waren het afspoelen van biomassa en schade aan het kweeksysteem door zwaar weer. Buck en Buchholz60 gebruikten een steviger ringsysteem tijdens hun experimenten in de Noordzee. Een grootschalig (1000 ha orde), goedkoop, onderhoudsvriendelijk, stevig en gemakkelijk te oogsten systeem moet nog ontwikkeld worden. Het plaatsen van het kweeksysteem in offshore windturbine parken, boorplatforms of getijdenenergiesystemen geeft voordelen als veranderingspunten en bestaande aansluitingen op het elektriciteit/gas/olie net, de ruimte tussen windmolens is verboden gebied voor scheepvaart en de ruimte achter golfenergiesystemen heeft minder zeewerking. Geoogst zeewier bevat nog 80%-90% water, heeft dus hoge transport kosten, dus afhankelijk van de afstand tot de kust kan gekozen worden om zeewier op zee te verwerken61. 11.1.3 Conversie in energie Er bestaan vele routes van algen-biomassa naar energie. Zo kunnen algen gedroogd worden, om ze te verbranden of te verwerken met technologieën als Hydro-Thermal Upgrading (HTU) of vergassing. Het drogen van algen kost veel energie, dus zal in bijna alle gevallen leiden tot een negatieve energie opbrengst. Algen kunnen ook nat verwerkt worden tot energie, door “thermochemical liquefaction”, een hoge druk, hoge temperatuur proces dat een ruwe olieachtige opbrengst heeft. Verschillende onderzoekers hebben deze technologie succesvol op algen toegepast62,63,64, maar ook hier is de energie input hoog, en de technologie is nog in ontwikkeling. Vergisting is een andere optie om natte algen te verwerken, hierbij wordt biogas geproduceerd, dat 50% tot 70% methaan bevat65. Voor zeewier in de Noordzee is dit de best financieel haalbare optie. Voor het gebruik van microalgen kan ook gekozen worden uit soorten die bepaalde producten in hoge hoeveelheden produceren. Zo produceren verschillende algen onder bepaalde omstandigheden hoge concentraties lipiden (tot 86% van het droge stof gehalte). Deze lipiden kunnen als brandstof ingezet worden in aangepaste motoren, vergelijkbaar met Puur Plantaardige Olie (PPO). Een belangrijk deel van de lipiden is aanwezig als trigliceriden en vrije vetzuren, deze kunnen omgezet worden in biodiesel66. Ook bestaan er soorten die hoge percentages zetmeel produceren, wat omgezet kan worden in bioethanol. Algen hebben celwanden van polysacchariden, met weinig


66

cellulose en geen lignine. Dit maakt algen een interessante grondstof voor ethanol productie via de zogenaamde lignocellulose ethanol technologie. De microalgensoort Botryococcus braunii produceert een petroleumachtige olie die omgezet kan worden in benzine, diesel en kerosine67. Deze interessante soort kan groeien bij hoge zout concentraties, maar groeit zo’n 20 keer langzamer dan snelgroeiende algen soorten. Er bestaan ook algen soorten, die onder zeer specifieke omstandigheden waterstof gas produceren, een interessante energie drager. Deze specifieke omstandigheden zijn zeer moeilijk te handhaven op grote schaal, en er moet regelmatig geschakeld worden naar andere omstandigheden, omdat er anders geen groei plaats vindt68,69,70. Daarnaast bestaan er uiteenlopende algenspecifieke non-energieproducten met een veel hogere marktwaarde dan energie. De coproductie van energie en een high-value product vergroot de financiële haalbaarheid. Verschillende conversieopties zijn alleen mogelijk voor bepaalde kweeksystemen. De meest haalbaar geachte combinaties zijn weergegeven in Figuur 25 Figuur 25 O verzicht van al gen-naar-producten opties

System Open

Algal product Alkanes

Biomass Offshore

Fatty acids “Unique prods”

Treatment

Product

Hydrocracking

Trad. Fuels

HTU

Oil

Gasification

Fuel Gas

Fermentation

Ethanol

Digestion

Methane

Burning

Heat

Esterification

Biodiesel SVO

Closed

Purification

Hydrogen Starch

High $$ products Hydrogen

Starch fermentation


Ethanol

67

11.2 Energiebalans Voor de levenscyclusberekening van aquatische biomassa is uitgegaan van een gesloten algen systeem met horizontale buizen. Realisatie van aquatische biomassa in Nederland is momenteel het meest haalbaar met gesloten systemen omdat open systemen onder andere kampen met oogstproblematiek, nutriëntenbeheersing en temperatuurschommelingen. Het gesloten kweeksysteem waarvoor de ETVT is berekend is een in het Spaanse Alméria gerealiseerde proefopstelling van 6 units horizontale buizen van plexiglas met een lengte van 400 meter elk (analoog aan het systeem afgebeeld in Figuur 24d-f). Het totale volume van de plexiglas buizen is 30 m3, wat in Alméria goed is voor een jaarlijkse biomassaproductie van 6.5 ton. De installatie wordt in balans gehouden door een metalen frame en is geplaatst in een kas (het totale oppervlakte dat de biomassacentrale beslaat is 600 m2, het materiaal voor de kas zelf is buiten beschouwing gelaten). Om de groeiomstandigheden voor de algen optimaal te houden en om de biomassa te oogsten en te verwerken zijn een aantal apparaten onmisbaar, waaronder een centrifuge en een droogunit. In de centrifuge worden de algen van het groeimedium gescheiden. Om het vochtgehalte verder te verlagen worden de algen gedroogd, met als resultaat een groene droge stof die als basis kan dienen voor onder andere biodiesel. Overigens is het beschreven systeem geoptimaliseerd voor productie van algen grondstoffen met een (veel) hogere waarde dan energie, en is dus niet uitsluitend ontworpen voor energie doeleinden. Bij de berekening van de opgewekte energie uit dit gesloten algensysteem is uitgegaan van de onderste verbrandingswaarde van de algen. De conversie van droge stof naar biodiesel is niet meegenomen. Een overzicht van de benodigde materialen en apparaten voor het gesloten algenkweeksysteem zoals opgesteld in Alméria is te vinden in Tabel 671.

11.2.1 Energie input De energie input van het kweeksysteem is onder te verdelen in twee fasen: productie & installatie van de centrale en het energieverbruik voor operatie & onderhoud. Productie en installatie Details over de benodigde materialen voor het gesloten algenkweeksysteem zijn er in de vorm van materiaalspecificaties voor het buizensysteem (de photobioreactors) en de ondersteunende constructie enerzijds en de prijs van de apparaten voor de operatie van het kweeksysteem anderzijds. Voor het energieverbruik en de broeikasgasemissies voortkomend uit de productie van de materialen is gebruik gemaakt van de Ecoinvent 2 database5. Om de emissies gerelateerd aan de productie van de apparaten te achterhalen is de USA input-output database geraadpleegd. In deze database zijn goederen gegroepeerd per type; bijvoorbeeld ‘pompen en compressors’ of ‘plastics’. Al deze productgroepen 5

Frischknecht R. et al. (2007) The Ecoinvent 2 database. ESU-services, environmental consul-

tancy for business and authorities. Uster, Switzerland


68

staan in een matrix die de monetaire stromen tussen de groepen weergeeft (de kosten die gemaakt worden om een bepaald product te produceren). Door de input-output matrix te koppelen aan een milieu-interventiematrix6 kan op basis van de kostprijs iets gezegd worden over de milieu-impact. Het gebruik van deze input-output data voor de berekening van de energieterugverdientijd van een gesloten algenkweeksyteem op basis van de prijzen van de verschillende onderdelen gaat wel ten koste van de nauwkeurigheid. Zo zijn de gebruikte getallen gebaseerd op de Amerikaanse industrie van 1998 (en de historische valutakoers), kan de kostprijs afwijken van de marktprijs en zijn ze veralgemeniseerd voor een productgroep en niet specifiek voor een product. Toch geeft deze aanpak een goede indicatie van het bijbehorende energieverbruik en CO2-emissies voor de apparaten waarvan geen materiaalspecificaties en gewichten bekend zijn maar wel kosten. Het energieverbruik en de CO2-emissies gerelateerd aan de productie van de materialen en apparaten is te vinden in Tabel 66. Tabel 66 Onderdelen, energieverbruik en emissies proefinstallatie Almeria. Materialen (kg) Plexiglas (polymethyl methacrylate), photobioreactors Metalen frame (staal) voor photobioreactors Ontgasser (PVC) Overige onderdelen (€) Centrifuge Filter unit Mediumpomp Oogstpomp Luchtventilatiesysteem Droog unit Weeg unit

kg 2.256 1.507 14 € 39.520 703 703 703 10.539 131.148 4.684

MJ/kg 140,5 28,2 59,2 MJ/€ 14,3 64,5 11,7 11,7 14,3 10,9 10,9

Kg CO2/kg 7,1 1,5 2,0 kg CO2/€ 1,39 1,71 0,90 0,90 1,39 0,88 0,88

De impacts voor het plaatsen van de installatie zijn geschat op 10% van de productieimpacts. Hiermee komt het totale energieverbruik voor de productie- en installatiefase op 2.516 GJ en wordt 200 ton CO2 uitgestoten. In figuur 27 is het totale energieverbruik voor productie en installatie opgesplitst naar de verschillende onderdelen.

6 De milieu interventie matrix is opgesteld aan de hand van de toxic releases inventory 98 (TRI), de Air Quality Planning and Standard (AIRS) data van de US EPA, de Energy information administration (EIA) data van de US dep. of energy, de Bureau of economic analysis (BEA) data van de US Department of Commerce (DOC), het National Center for Food and Agricultural Policy (NCFAP) en het World Resource Institute (WRI).


69

Figuur

27

Verdeling

energieverbruik

Pr oductie

&

I n st a l l a t i e

gesloten

algenkweeksysteem

Energieverbruik per onderdeel 9% 2%

13%

Plexiglas Metalen frame

2%

Ontgasser

0%

Centrifuge Filter unit 19%

Medium pomp Oogst pump

2% 0%

48%

0% 5%

Lucht ventilatie systeem Droog unit Weeg unit Installatie

Operatie en onderhoud Om de biomassacentrale draaiende te houden is veel elektriciteit nodig. Zowel voor het centrifugeren, pompen, filteren, ventileren als het drogen wordt stroom gebruikt. Per jaar komt dit voor de 6 photobioreactor units neer op 134 MWh, of wel 1.163 GJ primaire energie per jaar. De bijbehorende emissie voor dit elektriciteitsverbruik in Nederland is 76 ton CO27. Voor onderhoud, wat zich vooral vertaalt in het schoonmaken van de photobioreactors, is 10% extra energieverbruik ingeraamd. Op laboratoriumschaal en in proefinstallaties wordt nog gewerkt met kunstmatig vervaardigde meststoffen. Hiervoor zouden voor een volledige LCA extra energiekosten en emissies berekend kunnen worden. In een grote algenenergiecentrale zal de nutriënten input echter uit afvalwater komen of door middel van recycling terug worden gebracht in het systeem. Met deze wetenschap is het in rekening brengen van een extra energie input voor meststofproductie voor de bespoediging van de groei achterwege gelaten. Hetzelfde geldt voor het toedienen van extra CO2. Om de fotosynthese te bevorderen kan CO2 het buizensysteem ingepompt worden. Zolang de algencentrale niet is aangesloten op een netwerk dat afvalgassen vanuit de industrie transporteert, zal er extra energie nodig zijn om deze CO2 te produceren. Extra CO2 zal de groei van de algen bespoedigen en daarmee de opbrengst vergroten maar het gebruik van biomassa voor energie doeleinden betekent niet dat er netto CO2 wordt onttrokken aan de atmosfeer. Zodra de biomassa wordt verbrand komt de CO2 weer terug in de lucht. De milieuwinst zit dus in de productie van alternatieve brandstoffen, waardoor het gebruik van fossiele energie deels vermeden wordt.

7

CO2 emissie gebaseerd op de Nederlandse emissiefactor voor elektriciteit van 0.566 kg CO2/kWh (SenterNovem, cijfers en tabellen 2007).


70

11.2.2 Opbrengsten De 6 photobioreactors met een gezamenlijk volume van 30 m3 zijn in Alméria goed voor een jaarlijkse biomassa opbrengst van 6.5 ton droge stof. Voor open algenteeltsystemen is door professor R. Wijffels (WUR) berekend dat de opbrengst in Nederland 50% lager ligt dan in Spanje vanwege klimatologische verschillen en een lagere lichtintensiteit. Voor gesloten algenkweeksystemen is niet de lichtintensiteit maar de optimale verdeling van het beschikbare licht de meest beperkende factor, individuele algen overschaduwen elkaar, terwijl de algen met een hoge lichtontvangst meer licht absorberen dan gebruikt kan worden voor fotosynthese. Desalniettemin zal de lagere instraling een effect hebben op de groei van de algen en is uitgegaan van 20% minder opbrengst in Nederland ten opzichte van Spanje, wat resulteert in 5,2 ton droge stof per jaar. Omgerekend naar energie (met behulp van de lagere verbrandingswaarde) is dit een opbrengst van 109 GJ per jaar. 11.2.3 Resultaten Bij het vergelijken van de opgewekte energie met de energie input valt direct op dat de opbrengst (109 GJ/jaar) ruim tien keer lager ligt dan de benodigde energie voor operatie en onderhoud (1163 GJ/jaar). De energie input voor productie en installatie (2516 GJ) komt daar nog eens bovenop. Het mag duidelijk zijn dat hier geen sprake is van een ETVT maar van een energie verlies. Met deze waarden is ook een EPR niet aan de orde. Indien operatie en onderhoud energie neutraal plaats zou kunnen vinden dan kan deze installatie van 6 photobioreactors de energie benodigd voor productie en installatie in 23 jaar terug verdienen. Een overzicht van het energie verbruik, de opwekking en de ETVT is te vinden in tabel 28. Gezien de vele processen waar energie voor nodig is (zoals pompen, lucht laten circuleren, filteren, centrifugeren en drogen is energie neutraal operatie en onderhoud echter onmogelijk. De berekening van de CO2-TVT (of in dit geval de extra uitstoot) is vanwege de irrelevantie achterwege gelaten. Bovendien zouden er extra aannames gemaakt moeten worden over de uitstoot die vermeden wordt met de inzet van de algen biomassa (fossiele diesel, gas of elektriciteit).

Tabel 28 Overzicht energie input, opwekking en ETVT

Productie & Installatie Energieverbruik Operatie & Onderhoud Opbrengst Energie-input per jaar / energieopbrengst per jaar ETVT zonder Operatie & Onderhoud

Energie 2.516 1.163 109 11,7 23


Unit GJ GJ/jaar GJ/jaar Jaar

71

11.2.4 Gevoeligheid Vanwege de beperkte hoeveelheid data is de berekening van de energiebalans van aquatische biomassa, in de vorm van een gesloten algen kweeksysteem, relatief onzeker. Van de totale benodigde energie voor de productie en installatie komt 67% op rekening van de droog unit en de centrifuge (zie figuur 27). Deze apparaten in dit voorbeeld zijn nodig voor de productie van zeer droge biomassa, maar voor de productie van biobrandstoffen is veel minder droging vereist. De stap van algen naar biobrandstof zou wellicht met veel minder materieel kunnen plaatsvinden, maar nog belangrijker, wellicht met minder energie input. Aangezien de impact van de droog unit berekend is met behulp van de Amerikaanse input/output database van 1998 en de eerder in 11.2.1 genoemde bijbehorende onzekerheden over de koppeling tussen prijs en energieverbruik in een sector alsmede kostprijs-marktprijs verschillen, wordt bij de gevoeligheidsanalyse het effect van efficiëntere alternatieven bekeken. Voor de droog unit is een innovatief alternatief berekend dat met 90 % minder energie is geproduceerd en voor de centrifuge een alternatief dat met 20 % minder energie is geproduceerd. Twee andere factoren die relatief onzeker zijn en een grote impact hebben op de uitkomst zijn de energie benodigd voor de productie van de plexiglas buizen en de biomassa opbrengst van de installatie. Materialen die een lager productie energieverbruik hebben zouden plexiglas kunnen vervangen, maar ook dunnere buizen zouden het productie energieverbruik van de photobioreactors kunnen verlagen (zie figuur 30). Het risico van beide alternatieven is dat de levensduur hierdoor significant verkort kan worden. Als alternatief voor het photobioreactors productie energieverbruik is desondanks een besparing van 50% op de productie kosten doorgerekend. Als alternatief voor de jaarlijkse biomassa opbrengst is een verdubbeling verondersteld. De effecten van de alternatieve waarden op de ETVT zijn te vinden in tabel 29. Indien alle alternatieven uitvoerbaar zouden kunnen zijn dan kan de ETVT van de installatie (zonder operatie en onderhoud) worden teruggebracht tot 3,3 jaar.

Tabel

29

Gevoeligheid

ETVT

aquatische

biomassa

voor

innovatie ve

alternatieven

Gevoeligheid Droog unit (GJ) Centrifuge (GJ) Plexiglas photobioreactors (GJ) Opbrengst (Ton/jaar) Innovatief alternatief alle 4 onderdelen

Gebruikt 1.218 484 317 5,2

Innovatief alternatief Factor 10 lager Factor 5 lager Factor 2 lager Factor 2 hoger

ETVT zonder O & O 12 jaar 19 jaar 21 jaar 12 jaar 3,3 jaar

Verder zou een grote installatie naar het evenbeeld van de proefinstallatie in Alméria schaalvoordelen hebben. De hoge energie input voor productie en operatie van de apparaten die nodig zijn voor het kweek- en oogstproces zal relatief kleiner worden als er


72

meer photobioreactors worden opgesteld. Om dit effect te analyseren is een berekening gemaakt op basis van 120 photobioreactors. Alleen de extra benodigde hoeveelheden plexiglas voor de photobioreactors en metaal voor het frame zijn toegevoegd aan de energie input. Aangenomen wordt dat operatie en onderhoud van de 120 photobioreactors met dezelfde apparaten en zonder hoger energieverbruik kan worden uitgevoerd als voor 6 photobioreactors. Onder de hierboven gestelde condities zal de netto jaaropbrengst van 120 photobioreactors 905 GJ zijn. De ETVT van dit opgeschaalde algen kweeksysteem bedraagt 11,1 jaar. De EPR, bij een levensduur van 25 jaar, is 2,25.

Fi guur 30 Innovatieve phot obi oreactoren van Valcent Products Inc en Global G r e e n S o l u t i o n s 72

11.3 Conclusies en aanbevelingen Een gesloten algen kweeksysteem van 6 photobioreactors met een totaal volume van 30 m3 is energetisch gezien anno 2009 in Nederland verre van rendabel. Op jaarbasis is de energie input een factor 10 hoger dan de hoeveelheid energie die wordt opgewekt. Als naar de hele levenscyclus wordt gekeken komt daar het energieverbruik voor productie en installatie nog bovenop. Een opschaling naar 120 photobioreactors op basis van gelijkblijvend energieverbruik voor operatie & onderhoud zou een ETVT van 11 jaar op kunnen leveren, maar dit zal nog de nodige ontwikkeling vereisen. Een zeer belangrijke stap voorwaarts die momenteel onder ontwikkeling is bij vele bedrijven en onderzoeksinstellingen wereldwijd, is de sterke reductie van materiaal benodigdheden, ten opzichte van de hier beschreven traditionele photobioreactor. Ontwikkelingen zoals te zien in figuur 30 zijn veelbelovend Als het operationele energieverbruik gelijktijdig aanzienlijk verlaagd kan worden, bijvoorbeeld door gebruikmaking van restwarmte uit de industrie, dan is een positieve ETVT op termijn niet ondenkbaar.


73

De productie van algen (of wieren) voor high value producten zoals nutriceuticals (waaronder omega 3 vetzuren), cosmetica, voedsel voor mens, vee, vis en schelpdier, natuurlijke pigmenten (zoals voor zalmkweek), hernieuwbare platform chemicaliën, natuurlijke verdikkingsmiddelen, organische meststoffen, etc. is al een miljarden markt. Algenkweek gecombineerd voor energie opwekking en de hierboven beschreven doeleinden is zowel economisch als energetisch eerder haalbaar dan kweek uitsluitend voor energieopwekking. De ETVT van een gecombineerd systeem zal moeten worden berekend aan de hand van allocatie tussen de opgewekte energie en de andere producten alsmede de vermeden energie input van de traditionele productieprocessen. Om de haalbaarheid van commerciële aquatische biomassa teelt te onderzoeken zou vervolgonderzoek naar de energetische (en economische) balans van een gecombineerd algen en/of wieren kweeksysteem gedaan kunnen worden. Gezien de stand van de techniek en suboptimale omstandigheden in Nederland lijkt een algen kweeksysteem uitsluitend voor bio-energie doeleinden niet als kansrijk gezien. De kans van slagen wordt vooral groot geacht in de hierboven beschreven combinatie met de productie van hoogwaardige grondstoffen.


74

12

Omgevingseffecten Aquatische Biomassa

12.1 Te verwachten effecten De milieueffecten van aquatische biomassa zijn vaak tweezijdig: er zijn enkele belangrijke milieuvoordelen, maar ook enkele nadelen die zoveel mogelijk vermeden moeten worden. Algen gebruiken CO2 als koolstof bron, en helpen dus dit broeikasgas voor een periode vast te leggen. De hoeveelheid varieert, 1 ton algen biomassa legt typisch 1,8 ton CO2 vast. Vele algen kunnen direct groeien of verbrandingsgas van bijvoorbeeld een energie centrale, de groei wordt zelfs gestimuleerd door de hogere CO2 concentratie. CO2 toevoer op open zee is onpraktisch. Algen hebben ook nutriënten nodig, maar in plaats van kunstmest kan ook afvalwater of mest als bron dienen, of nutriënten kunnen worden gerecycled. Het is zelfs mogelijk om een deel van de algen biomassa in te zetten als organische bemesting, waardoor kunstmest verbruik wordt vermeden73,74. Door de kweek van algen in geëutrofieerd (zee of zoet) water kan dit milieuprobleem verlicht worden. Door algenkweek te combineren met viskweek, kan de nutriënten uitstoot van viskweek verminderd worden. Als op zee bemesting wordt toegepast, zal een deel van de nutriënten weglekken naar de omgeving, en ook afspoeling en afsterving van zeewier kan onnatuurlijke locale nutriënten concentraties tot gevolg hebben. Qua ruimtegebruik hoeft algenkweek niet in competitie te gaan met landbouw, zoals vele andere bio-energie bronnen. In Nederland kan bijvoorbeeld verzilte grond ingezet worden, wereldwijd wordt de hoeveelheid onderontwikkeld land in droge gebieden, met toegang tot zeewater op 130 miljoen hectare geschat75, maar ook woestijnachtige gebieden met zilt grondwater komen in aanmerking. Naast land kan ook zeeoppervlak ingezet worden. In Nederland heeft ECN hier in 2005 onderzoek naar gedaan en plannen voor een praktijkproef in Zeeland zijn in een vergevorderd stadium. Zowel op land als op zee is productie op grote schaal vereist voor economische haalbaarheid (orde van 1000 ha,76).In Nederland is deze schaalgrote zeer lastig door het intensieve ruimtegebruik op land en op zee77. Ook kan deze schaalgrootte een significante ecologische impact hebben. Om kweek op kleinere schaal rendabel te maken, is coproductie van een duurder product nodig. Plaagvorming van de alg buiten het kweeksysteem zal ook voorkomen moeten worden. Op zee genereert een zeewier kweeksysteem een kraamkamer voor jonge vis, dit kan bijvoorbeeld de kabeljauw stand helpen.


75

12.2 Uitwerking effecten De milieueffecten van energie uit algen, zowel positief als negatief, treden hoofdzakelijk tijdens de algenkweek op. Algenkweek wordt op verschillende plaatsen in Nederland commercieel toegepast, maar niet voor energieproductie. Er zijn wereldwijd nog geen voorbeelden van commerciële productie van bio-energie uit algen. In Nederland bestaat al een grote onderzoekscapaciteit, met verschillende universiteiten, hogescholen, instituten en bedrijven betrokken in onderzoek naar energie uit algen. 12.2.1 Macroalgen kweek op zee: ruimte Het totale areaal beschikbaar voor biomassa kweek op zee is enorm. Figuur 31 laat de gebieden op de wereld zien met een hoge natuurlijke biomassa productie. Als alleen kustgebieden beschouwd worden, tot 25 km uit de kust, is er een areaal van 370 miljoen ha beschikbaar77. Een ander voorbeeld is algen kweek in windparken, het wereldwijde areaal voor windparken is 550 ha78. Veel van de ruimte op zee heeft bestaande functies, voor Nederland is dit zeker zo. Functies als natuurgebied, recreatie, zeevaart routes, visserij, militair oefenterrein en offshore infrastructuur. F i g u u r 3 1 : S a t e l l i e t d a t a , m e t d e w e r e l d w i j d e f o t o s y n t h e s e , e e n i n d i c at o r v o o r vruchtbaarheid. Het gebied t ot 25 km uit de kust met minimaal 5 mg/m3 chlorofyl a zijn gemarkeerd in wit (totaal 370 h a)77

Broeikasgassen


76

Er wordt ongeveer 1,8 ton CO2 opgenomen door iedere ton zeewier. Door dit zeewier om te zetten in biobrandstof, wordt het gebruik van fossiele brandstof vermeden. Ook wordt er tijdens daglicht zuurstof geproduceerd. Een hogere zuurstof concentratie helpt de microbiologische uitstoot van de broeikasgassen methaan (CH4) en lachgas (N2O) verminderen. In het donker daarentegen, nemen zeewier en alle andere aerobe organismen zuurstof op, wat de uitstoot van genoemde broeikasgassen kan stimuleren en in extreme gevallen een negatieve impact op vissen hebben. Door de opname van stikstof door zeewier kan de natuurlijke uitstoot van lachgas verminderen. Afgebroken en afgestorven biomassa kan deels microbiologisch omgezet worden in methaan. Het netto broeikas effect is nog onduidelijk.

12.2.2 Macroalgen kweek op zee: nutriënten Zeewier neemt nutriënten op uit het water. De Noordzee ontvangt nutriënten vanuit rivieren etc. wat door zeewierkweek gecompenseerd kan worden, en afhankelijk van de behandeling, is dit de enige realistische manier om deze nutriënten terug te winnen. Nutriënten kunnen de limiterende groei factor zijn. Bemesting is mogelijk, maar niet alle nutriënten zullen door de macroalgen opgenomen worden. Bemesting wordt dus bij voorkeur vermeden (ook om financiële redenen), of tenminste in lagere mate dan wordt afgevoerd in het geproduceerde zeewier. Zelfs in dat scenario kunnen de verhoogde nutriënten concentraties direct na het bemesten negatieve gevolgen hebben, zoals algenbloei. In dit kader is het interessant om specifiek het nutriënt fosfaat te noemen. Dit wordt vooral geproduceerd in mijnen, en is dus in feite een fossiele grondstof, waarvoor uitputting dreigt. Na inzet als (kunst)mest zal een deel via het oppervlakte de zee bereiken, en kan via zeewierkweek terug gewonnen worden.

12.2.3 Macroalgen effecten

kweek

op

zee:

Ecologische

Door gebrek aan praktijkonderzoek zijn mogelijke effecten van zeewierteeltsystemen op de migratie van zeezoogdieren zoals bruinvissen nog onduidelijk. Het mag niet mogelijk zijn dat zeezoogdieren in de kweekconstructie verstrikt kunnen raken. Daarnaast moeten voor zeer grootschalige systemen ook de mogelijke effecten worden onderzocht op golfpatronen en kustvorming, locale klimaateffecten en de effecten op visserij en recreatie. Zeewierenteelt kan mogelijk bijdragen aan versterking van de biodiversiteit. De zeewieren en de kweekconstructies zullen een aanhechtingsplaats bieden voor andere sessiele organismen. Daarnaast kunnen de zeewieren voedsel en beschutting bieden voor diersoorten zoals vissen. Door het uitzetten van pootvis in het teeltsysteem kan potentieel een “broedkamer” worden gerealiseerd voor jonge vis zodat het systeem een bijdrage levert aan herstel van de visstanden in de Noordzee79.


77

12.2.4 Microalgen kweek op land: ruimte Een groot voordeel van algenkweek is dat land met een lage economische waarde ingezet kan worden. Zo wordt competitie met landbouw vermeden, terwijl veel laagwaardige locaties als woestijnen een hoge licht ontvangst hebben. Een lage economische waarde wil allerminst zeggen dat het areaal ook een lage ecologische waarde heeft. Zeker grote schaal systemen kunnen significante effecten op de ecologie hebben. In Nederland is ook ruimte met een lage economische waarde schaars. 12.2.5 Microalgen kweek op land: Broeikasgassen De meeste broeikasgas effecten benoemd in 12.2.1 gelden ook voor microalgen. Systemen op land hebben als extra voordeel dat verbrandingsgassen ingezet kunnen worden voor algenkweek. Behalve 1.8 ton CO2 opname door iedere ton algen, kunnen algen ook de schadelijke gassen NOx en SO2 verwijderen80. 12.2.6 Microalgen kweek op land: Nutriënten Het gebruik van kunstmest is in veel gevallen de gemakkelijkste oplossing, maar niet de goedkoopste, noch de duurzaamste. Alternatieve bronnen zijn mest, afvalwater, industrieel nutriëntrijk afval of gerecyclede nutriënten. Deze bronnen kunnen desalniettemin zware metalen, medicijnresten en andere vervuilingen bevatten, en daarnaast ook micro-organismen die een negatief effect of de gewenste alg kunnen hebben. Het is belangrijk dat wanneer nutriënten niet (compleet) gerecycled worden, deze geen milieuschade aanrichten. Zoals in alle industrieën, moet voldoende aandacht worden besteedt aan de verwerking van afvalstromen. 12.2.7 Microalgen kweek op land: Waterverbruik Het feit dat veel algen gekweekt kunnen worden in zout water is één van de belangrijkste voordelen. In het geval van open systemen zal verdamping optreden, wat met zoet water aangevuld moet worden, om ophoping van zouten en afvalstoffen te voorkomen. Ook een deel van het kweekmedium regelmatig vervangen met water met een lagere zoutconcentratie is een optie81. In gesloten systemen kan water niet eindeloos gerecycled worden, vanwege ophoping van afvalstoffen. Afvalwater van zoutwaterkweek kan niet op het riool geloosd worden. 12.3 Conclusies en aanbevelingen Energie uit algen biedt, zowel in Nederland als wereldwijd, een enorm potentieel aan duurzame energie productie. Verschillende van de negatieve eigenschappen van biobrandstoffen uit planten ontbreken. Er zijn vele verschillende energie-uit-algen concepten mogelijk, zowel op land als in zee. Het is nog onduidelijk welk concept het beste is. De economische haalbaarheid is nog niet aangetoond, op de korte termijn wordt coproductie van energie en een duurder product als meest kanshebbend geacht. Algenconcepten hebben uiteenlopende positieve milieueffecten, vaak uniek voor dit organisme. Ook bestaan er mogelijke nadelige milieueffecten, maar geen enkele van deze


78

effecten lijkt onoverkoombaar. Kweeksystemen op land zijn reeds geoptimaliseerd voor hoge productiviteit, maar ontwikkelingen voor verlaging van de kostprijs is nog nodig. Kweeksystemen op zee dienen verder te worden ontwikkeld, en ook de milieueffecten zijn minder goed bekend. Gezien de enorme potentie van aquatische biomassa als energiebron verdient dit onderwerp uitgebreid onderzoek en stimulans voor toepassing op de korte termijn. Behalve op financiële rendabiliteit, moet ook op vermijding van negatieve milieueffecten de nadruk liggen. Nederland heeft met zowel praktische ervaring als zeer uitgebreide onderzoekscapaciteit een zeer goede positie voor de uitontwikkeling van energie uit algen. (Zelfs al is de temperatuur en lichtinval relatief laag. Ter illustratie: algenkweker LGem uit Made moet zelfs in Nederland zijn gesloten algensysteem 9 maanden per jaar koelen (!))


79

Brondoublet

1.312

Bron pomp (2)

Totaal

koelingvloeistof

Polybuteen

Pur schuim

Polyethyleen

Aluminium

Gietijzer

Koper

RVS

Materiaal (aantal)

RVS 316

Staal (non alloyed)

Staal (low alloyed)

13 Bijlage 1

1.312

26

26

Circulatie pomp (4)

240

240

Vlinderklep (8)

200

200

Klepafsluiter (8)

200

200

Collectieve warmtepomp

2.978

38

314

1132

38

1.138

15

120

433

15

1.522

19

160

579

19

Warmtewisselaar

750

Collectieve gasketel Droge koeler Warmwaterboiler

107

4.607 750 1.720 2.300

205

205

Leidingen naar technische ruimte Distributienet

3.592 30379

3100

15.745

1.238

4.830

738

49.961

Installatie Totaal (kg)

20% 30.984

5.638

750

98

3.694

2.384

72

20.649

738

1.238

107

22,6

29,9

53,4

76,6

91,6

45,6

134,9

84,2

101,5

106,7

127,5

66.351

Productie Data: MJ/kg GJ

701

169

40

8

338

109

10

1740

75

132

14

kg CO2/kg

1.17

1.60

4.05

4.57

7.51

2.66

11.99

2.14

4.20

3.40

42.34

kg CO2

36.145

9.036

3.035

448

27.753

6.333

864

44.202

3.101

4.208

4.530


80

4.001

167.585

14 Bijlage 2 Kleinschalige waterkracht

14.1 Korte beschrijving technologie Door gebrek aan hoogteverschillen in Nederland kan alleen gebruik gemaakt worden van kleinschalige waterkracht. De energie wordt hierbij gehaald uit de enorme watermassa die in korte tijd passeert. Dit is in Nederland, met de vele stromende rivieren, voldoende aanwezig. Waterkrachtcentrales worden hier alleen aangelegd bij bestaande stuwen. Bij de stuwen ontstaat een krachtige waterstroming die in een waterturbine in een draaiende beweging omgezet kan worden. Door de as van de waterturbine te koppelen aan een generator, die net zo werkt als de dynamo van een fiets, kan elektriciteit worden opgewekt.

Figuur 42: Principe van waterkracht

Reser Reservoir

StuwStuw-

Verval (m)

dam en

Krachtcentra Krachtcentrale

spil spilsluis Vuilroos Vuilrooster

Druk Drukpijp

Elektri Elektrische

Verbinding met

Regeling

elektrici elektriciteitsnet Verdeel Verdeelstation

Genera Generator

uit uitlaat

Debiet (m3/s)

Turbi Turbine Waterin Waterinlaat laat

In Nederland zijn er een tiental kleinere waterkrachtcentrales in beken in Gelderland, Noord-Brabant en Limburg, waarvan Hagestein (1,8 MW) in de Nederrijn/Lek, Haandrik (0,1 MW) in de Overijsselse Vecht en Roermond (0,2 MW) in de Roer de belangrijkste zijn. Het realistisch potentieel aan waterkracht in Nederland is ongeveer 1% van de totale duurzame energiedoelstelling voor het jaar 2020. Kleinschalige toepassingen van waterkracht zijn onder te verdelen in historische en moderne varianten. Een voorbeeld van een historische toepassing is een waterrad nabij een graanmolen (figuur 33).


81

Figuur 33: Waterrad

In 1998 werd in Sittard de Ophovener Molen met de bijbehorende sluiswerken volledig gerestaureerd. Sindsdien draait de molen weer en wordt er graan gemalen. Sinds 2002 wekt de molen ook elektriciteit op.

Een voorbeeld van een moderne toepassing is de hydroring. Stuwen en sluizen verbruiken stroom om het waterniveau in rivieren en kanalen op peil te houden. Met een hydroring kan energie worden opgewekt (figuur 34). Figuur 34: Hydroring

De hydroring is gebaseerd op een asloze ring en kan bijvoorbeeld in een dijk geplaatst worden waar een verval is. Deze draait en genereert energie doordat het water er doorheen stroomt. De ring is in het midden open (waar normaal de as zou zitten) en draait op een relatief lage snelheid. Hierdoor kunnen vissen zonder risico migreren. Vanwege de simpele technologie is de hydroring goedkoop in aanschaf en onderhoudarm.

14.2 Omgevingseffecten Kleinschalige Waterkracht 14.3 Te verwachten effecten De te verachten effecten van kleinschalige toepassingen van waterkracht zijn: - Ecologische schade door vissterfte - Barrière voor scheepvaart en recreatievaart - Schade voor beroeps- en sportvisserij Deze effecten zullen in de volgende paragraaf worden uitgewerkt.


82

14.4 Uitwerking effecten 14.4.1 Vissterfte Door de verschillende voorschriften en wetten, komen alleen al in het stroomgebied van de Maas 26 beschermde soorten voor. Zowel de trekvissen, zoals zalm en paling, als rivierstandvissen, zoals barbeel en baars vallen onder de groep beschermde zoetwatervissen. Van trekvissen is bekend dat zij zich over een grote afstand, van de rivier naar de zee en weer terug verplaatsen, om zich voort te planten en op te groeien. Maar ook rivierstandvissen, waarvan over het algemeen wordt aangenomen dat ze binnen een bepaald gebied blijven, verplaatsen zich over kleinere of grotere afstanden om hun overlevingskansen te vergroten. Uit onderzoek van het Rivo is gebleken dat rivierstandvissen soms enorme afstanden afleggen. Zo zwommen een aantal vissen vanuit de Waal naar het IJsselmeer en weer terug. Bij de stroomafwaartse migratie zijn waterkrachtcentrales een gevaarlijke barrière. De turbines van de centrales liggen namelijk in de hoofdstroom, die vissen instinctief eveneens gebruiken. Derhalve komen zij zonder visgeleiding in de turbine terecht. Vissen die door de turbine inlaat zwemmen kunnen: - gewond raken of zelfs dodelijk getroffen worden door de schoepen van de turbine; - beschadigingen oplopen aan hun zwemblaas door het drukverschil over de turbine, waaraan ze later alsnog kunnen sterven; - breken of verwondingen oplopen als gevolg van de hoge turbulentie; - sterven door gasbelvorming als gevolg van zuurstofoververzadiging. De mate waarin visschade optreedt is afhankelijk van: - vissoort (gedrag, kwetsbaarheid); - lengte van de vis (leeftijd); - type, rotatiesnelheid en diameter van de turbine; - lokale omstandigheden (aanstroming). Uit onderzoeken naar visschade bij trekvissen is gebleken dat 22,8% van de schieraal van ongeveer 50 cm en minimaal 7% van de jonge zalm de passage van een waterkrachtcentrale niet overleeft. Omdat altijd werd aangenomen dat rivierstandvissen geen grote afstanden aflegden, is er tot nu toe nog geen onderzoek gedaan naar de visschade van rivierstandvissen bij waterkrachtcentrales. Ook is er weinig onderzoek naar uitgestelde sterfte door inwendig letsel gedaan. Met deze factor wordt nauwelijks rekening gehouden bij de berekeningen van vissterfte door waterkrachtcentrales. Ervaringscijfers laten zien dat het uitgestelde sterftecijfer voor palingen op kan lopen tot 20%. Bij trekvissen, maar ook bij rivierstandvissen die grotere afstanden in de rivier afleggen, moet rekening gehouden worden met het cumulatieve effect van meerdere


83

waterkrachtcentrales in de loop van een rivier. Als een vis per waterkrachtcentrale een overlevingspercentage van 80% heeft, heeft hij na het passeren van vijf waterkrachtcentrales nog maar een overlevingskans van 32%. 14.4.2 Barrière voor scheepvaart en recreatievaart Door het aanleggen van stuwen en dammen voor kleinschalige waterkracht zou de situatie zich voor kunnen doen dat de doorgang voor commerciële scheepvaart en recreatievaart geheel geblokkeerd wordt. Hierdoor zal de scheepvaart vanwege het nemen van alternatieve routes financiële schade oplopen en zal het desbetreffende gebied niet meer aantrekkelijk zijn voor de recreatievaart. 14.4.3 Schade voor beroeps- en sportvisserij De schade voor beroeps- en sportvisserij hangt nauw samen met het eerst genoemde effect: vissterfte. In het geval van grootschalige vissterfte zullen beroepsvissers schade oplopen door het niet kunnen benutten van de aanwezige vis en zal het gebied haar aantrekkelijkheid verliezen voor de sportvisserij.

14.5 Mitigerende maatregelen 14.5.1 Vissterfte De vissterfte bij waterkrachtcentrales kan teruggebracht worden door: - Visgeleidingssystemen - Ecologisch turbinebeheer Visgeleidingssysteem Een visgeleidingssysteem moet de vissen die met de stroom mee naar beneden zwemmen naar een bypass of vistrap leiden en voorkomen dat de vissen in aanraking komen met de turbine van een waterkrachtcentrale. Bij de huidige waterkrachtcentrales in Nederland zijn (nog) geen visgeleidingssystemen aangelegd. Er zijn twee soorten visgeleidingssystemen: 1. de mechanische systemen 2. de gedragssystemen Bij mechanische systemen moet gedacht worden aan een fysieke barrière, een verzamelsysteem of een geleidingssysteem. Voorbeelden zijn de vistrap en de hevelvispassage. Een vistrap zorgt ervoor dat vis een dijk, stuw of sluis kan passeren. Dit kan door een deel van het water via een omleiding te laten lopen, waarin het hoogteverschil is opgedeeld in kleine stapjes die wel passeerbaar zijn voor vissen. De passeerbaarheid van de vistrap is afhankelijk van de hoogte van de traptreden en het zwemvermogen van vissoorten. Ook een hevelvispassage is een voorziening om dijken, stuwen en andere kunstwerken te passeren. Bij een hevelvispassage wordt het water met behulp van pompen over de dijk heen gepompt, waardoor ook vissen kunnen passeren.


84

Figuur 35: Hevelvispassage

Hevelvispassage op een stuw in de Hertogswetering in het Brabantse Berghem Bij gedragssystemen wordt geprobeerd om het natuurlijke gedrag van de vissen te beïnvloeden door prikkels van buitenaf, zoals licht, geluid, hydromechanische prikkels en elektriciteit. Uit literatuuronderzoek van Stichting Reinwater is gebleken dat mechanische visgeleidingssystemen het beste werken, omdat deze geen soortenspecifieke werking hebben. Gedragssystemen hebben wel soortenspecifieke werking. Niet alle vissen reageren namelijk op dezelfde manier op een gedragbeïnvloedende prikkel. Omdat gedragssystemen een stuk goedkoper zijn dan mechanische barrières, wordt er toch veel aandacht aan dit systeem besteed. Aan de hand van (buitenlands) onderzoek is redelijk in te schatten wat de visschade bij de verschillende visgeleidingssystemen zal zijn. Maar omdat de werking van een visgeleidingssysteem afhankelijk is van vele omgevingsfactoren zal monitoring toch nodig zijn. Met behulp van de monitoring kan gecontroleerd worden of het systeem aan de gestelde voorwaarden, bijvoorbeeld de maximaal aanvaardbare vissterfte, voldoet. Ook zal er aandacht besteed moeten worden aan de onbeweeglijke levensstadia van vissen, de viseitjes en vislarven. Het is nog niet duidelijk hoeveel schade vissen tijdens deze levensstadia ondervinden aan de doorgang door een waterkrachtcentrale en of zij ook hiervoor beschermd moeten worden. Om de rivier weer leefbaar te maken voor vissen en andere organismen kunnen nevengeulen gegraven worden die direct in verbinding staan met de rivier, of die gevoed worden door grondwater en alleen met hoog water gevoed worden door de rivier. Er lopen al een aantal projecten die, onder andere met het aanleggen van nevengeulen, de rivier zijn natuurlijke karakter proberen terug te geven. In deze nevengeulen kunnen de verschillende waterorganismen (waaronder de vogels, vissen en amfibieën) een plek vinden om te schuilen, rusten, eten of zich voort te planten. Ecologisch turbinebeheer Een andere manier om de vissterfte te beperken is het gebruik van ecologisch turbinebeheer. Hierbij worden de turbines van een waterkrachtcentrale tijdens de massale trek van bijvoorbeeld de paling tijdelijk stopgezet, indien monitoring aangeeft dat de trek een bepaald niveau (binnenkort) bereikt. De effectiviteit is sterk afhankelijk van de nauwkeurigheid van de monitoring en de ervaringsdeskundigheid. Niet alle vis van een soort trekt namelijk op hetzelfde moment op dezelfde plaatsen in de rivier. Ook bestaat een grote kans op storingen van de centrales bij toepassing van deze methodes. 14.5.2 Barrière voor scheepvaart en recreatie In Nederland worden alleen bestaande dammen en civiele infrastructuur gebruikt waardoor het aantal obstakels voor scheepvaart en recreatie niet toeneemt.


85

14.5.3 Schade voor beroeps- en sportvisserij De mitigerende maatregelen die bij het effect vissterfte genoemd worden zullen als gevolg hebben dat de schade voor de beroeps- en sportvisserij beperkt blijft tot een minimum.

14.6 Conclusies en aanbevelingen Concluderend kan gesteld worden dat vissen die door de turbine inlaat van waterkrachtcentrales zwemmen gewond kunnen raken en zelfs dodelijk getroffen kunnen worden. Stichting Reinwater82 doet de volgende aanbevelingen om schade te voorkomen: 1. Visgeleidingssystemen moeten verplicht worden bij elke bestaande en bij elke nieuw te bouwen waterkrachtcentrale. 2. Deze centrales mogen alleen bij bestaande stuwen worden gebouwd om te voorkomen dat er extra obstakels voor vissen in de rivier komen. 3. Om te voorkomen dat (beschermde) vissen door de waterkrachtcentrales sterven en vispopulaties in hun voortbestaan worden bedreigd, moeten er voorwaarden gesteld worden aan de maximale visschade van een waterkrachtcentrale en de cumulatieve visschade van de waterkrachtcentrales in een stroomgebied. Naar aanleiding van onderzoek, lijkt de geschikte norm 3,4% maximale schade per vissoort per waterkrachtcentrale en maximaal 10% cumulatieve visschade per vissoort in het Nederlandse stroomgebied. Nader onderzoek naar de handhaafbaarheid van deze norm zal uitgevoerd moeten worden. 4. Omdat er in Nederland nog geen praktijkervaring is opgedaan met visgeleidingssystemen, zal zodra een systeem is aangelegd, de werking van het systeem goed gecontroleerd moeten worden met behulp van monitoring.


86

15

Referenties

1

R P M Parker, G P Harrison, J P Chick, Energy and carbon audit of an offshore wave energy

converter, School of Engineering and Electronics, University of Edinburgh, Edinburgh, UK. Proc. IMechE Vol. 221 Part A: J. Power and Energy, 2007. 2

Carbon Trust, Future marine energy, London, UK, 2006. Beschikbaar via http://www.carbontrust.co.uk. Geraadpleegd februari 2009. 3

CA Douglas, GP Harrison and JP Chick, Life cycle assessment of the Seagen Marine Current Turbine, Department of Engineering and Elextronics, University of Edinburgh, UK. Proc. IMechE Vol. 222 Part M: J. Engineering for the Martime Environment, 2007. 4 M. Raugei, S. Bargigli, S. Ulgiati (2006) Life cycle assessment and energy pay-back time of advanced photovoltaic modules: CdTe and CIS compared to poly-Si. Energy 32 (2007) 1310–1318 5 E. Martínez, F. Sanz, S. Pellegrini, E. Jiménez en J.Blanco (2008). Life-cycle assessment of a 2MW rated power wind turbine: CML method. Int J Life Cycle Assess (2009) 14:52–63 6

HC Soerensen, LK Hansen & R Hansen Environmental Impact, WP 3.3 Final Report, 2003, Eu-

ropean Thematic Network on Wave Energy, NNE5-1999-00438 (p 26), 2003 7 R P M Parker, G P Harrison, J P Chick, Energy and carbon audit of an offshore wave energy converter, School of Engineering and Electronics, University of Edinburgh, Edinburgh, UK. Proc. IMechE Vol. 221 Part A: J. Power and Energy, 2007. 8

Carbon Trust, Future marine energy, London, UK, 2006. Bechikbaar via http://www.carbontrust.co.uk. Geraadpleegd feburari 2009. 9

European Thematic Network on Wave Energy, Environmental Impact, NNE5-1999-00438, WP 3.3, Final Report, January 2003 10

Soerensen, H.C. et al.: Offshore Wind – Ready to Power a Sustainable Europe. EU Concerted Action on Offshore Wind Energy in Europe, Delft 2001

11

SEAS Rødsand Offshore Wind Farm, Environmental Impact Assessment, EIA Summary Report, 2000

12

Niklasson, G, “Bockstigen-Valar 2.5 MW Offshore Wind Farm”, in. Offshore Wind Energy in Mediterranean and Other European Seas, OWEMES 97, Sardinia, 10-11 April 1997

13

Thorpe, T. W., Social & Environmental Implications of Marine Renewables. AEA Technology Report, 2001

14 15

Larsson, A-K, Trials of the construction of the offshore windpowerpark in Nogersund, 2000 Schleisner, L. and Nielsen, P, Environmental External Effects from Wind Power Based on the

EU ExternE Methodology, European Wind Energy Conference and Exhibition, Dublin, 6-9 October 1997 16

European Commission, DGXII, Science, Research and Development, JOULE, Externalities of Energy, ‘ExternE’ Project, Volume 4. Oil and Gas. (EUR 16523 EN). Part II. The Natural Gas Fuel Cycle”, 1995 Thorpe, T. W., Social & Environmental Implications of Marine Renewables. AEA Technology

17

Report, 2001


87

18

Thorpe, T. W., Social & Environmental Implications of Marine Renewables. AEA Technology Report, 2001

19

Thorpe, T. W., Economic Aspects of Wave Energy. A report produced for the DGXII of the European Commission. Draft version November 2001

20

Hammarlund, K., Wind Power in View: Energy Landscapes in a Crowded World, University Press, U.S.A., 2002

21 22

Ecofys, Energiewinning uit getijdenenergie in de Oosterschelde, E 45074.1, 2004 www.natuurinformatie.nl, website van 21 kennisinstellingen in Nederland over biologische en

geologische informatie Ecofys, Energiewinning uit getijdenenergie in de Oosterschelde, E 45074.1, 2004

23 24 25

Marine Current Turbines Ltd, Impressie van Seagen, http://www.seageneration.co.uk HC Soerensen, LK Hansen & R Hansen Environmental Impact, WP 3.3 Final Report, 2003, Eu-

ropean Thematic Network on Wave Energy, NNE5-1999-00438 (p 26), 2003 26 CA Douglas, GP Harrison and JP Chick, Life cycle assessment of the Seagen Marine Current Turbine, Department of Engineering and Elextronics, University of Edinburgh, UK. Proc. IMechE Vol. 222 Part M: J. Engineering fot the Martime Environment, 2007. 27

Triton Consultants Ltd., Green Energy Study for British Columbia, Phase 2: Mainland, Tidal Current Energy, Vancouver, 24 oktober 2004

28

Triton Consultants Ltd., Green Energy Study for British Columbia, Phase 2: Mainland, Tidal Current Energy, Vancouver, 24 oktober 2004

29 30 31 32

Redstack, www.redstack.nl Statkraft Osmotic Power, www.statkraft.com Persoonlijke communicatie met Jan Post (Wetsus), 11 februari 2009 J. Veerman, M. Saakes, S.J. Metz, G.J. Harmsen (2009). Reverse electrodialysis: Performance of

a stack with 50 cells on the mixing of sea and river water. Journal of Membrane Science 327 (2009) 136–144 33

J. Veerman, M. Saakes, S.J. Metz, G.J. Harmsen (2009). Reverse electrodialysis: Performance of a stack with 50 cells on the mixing of sea and river water. Journal of Membrane Science 327 (2009) 136–144 N.P. Berezina , N.A. Kononenko, O.A. Dyomina, N.P. Gnusin (2008). Characterization of ion-

34

exchange membrane materials. Advances in Colloid and Interface Science 139 (2008) 3–28 J. Veerman, M. Saakes, S.J. Metz, G.J. Harmsen (2009). Reverse electrodialysis: Performance of

35


N.P. Berezina , N.A. Kononenko, O.A. Dyomina, N.P. Gnusin (2008). Characterization of ionexchange membrane materials. Advances in Colloid and Interface Science 139 (2008) 3–28

37

J. Post, H. Hamelers and C. Buisman (2008). Energy recovery from controlled mixing salt and fresh water with a reverse electrodialysis system. Environmental Science & Technology, 2008, 42 (15), 5785-5790 J. Veerman, M. Saakes, S.J. Metz, G.J. Harmsen (2009). Reverse electrodialysis: Performance of

38


http://www.biztrademarket.com/transfersell_titanium%20anode_1115412.htm


88

40 41

Persoonlijke communicatie met Jan Post (Wetsus), 11 februari 2009 J. Veerman, M. Saakes, S.J. Metz, G.J. Harmsen (2009). Reverse electrodialysis: Performance of


J. Veerman, M. Saakes, S.J. Metz, G.J. Harmsen (2009). Reverse electrodialysis: Performance of a stack with 50 cells on the mixing of sea and river water. Journal of Membrane Science 327 (2009) 136–144 P. Długoł˛ecki, K. Nymeijer, S. Metz, M. Wessling (2008). Current status of ion exchange

43

membranes for power generation from salinity gradients. Journal of Membrane Science 319 (2008) 214–222 44

P. Długoł˛ecki, K. Nymeijer, S. Metz, M. Wessling (2008). Current status of ion exchange membranes for power generation from salinity gradients. Journal of Membrane Science 319 (2008) 214–222 45 Ecofys, Energie uit zout en zoet water met osmose, 17 oktober 2007 in opdracht van het EnergieNul programma van Rijkswaterstaat TU Delft, Alternatieve aangroeibestrijding bij transport van Biesbosch-water, oktober 1995

46 47 48

Land + Water, Rijkswaterstaat schetst voorontwerp spuisluis Afsluitdijk, nr 5. mei 2004 Deltares; Interview met Luca van Duren

49

Land + Water, Nieuwe spuisluis Aflsuitdijk spaart Waddenzee en voert voldoende af (2), nr 6/7 juni 2004

50

Heikkila K. 2006 Environmental evaluation of an air-conditioning system supplied by cooling energy from a bore-hole based heat pump system. Building and Environment 43 (2008) 51–61

51

Carlsson, A., Beilen van, J., Möller, R., Clayton, D. and Bowles, D. e. (2007). Micro and macroalgae - utility for industrial applications Bioproducts, E. R. t. E. P. o. S. R.-. and Crops, f. N.-f.,

CNAP, University of York: 86 Chisti, Y. (2007). "Biodiesel from microalgae." Biotechnol. Adv. 25(3): 294-306.

52 53

Pulz, O. (2001). "Photobioreactors: production systems for phototrophic microorganisms." Appl. Microbiol. Biotechnol. 57(3): 287-293

54

Rodolfi, L., Zittelli, G. C., Bassi, N., Padovani, G., Biondi, N., Bonini, G. and Tredici, M. R. (2009). "Microalgae for Oil: Strain Selection, Induction of Lipid Synthesis and Outdoor Mass Cultivation in a Low-Cost Photobioreactor." Biotechnol. Bioeng. 102(1): 100-112 Wikipedia. (2007). "Algaculture." Retrieved 1 April 2007, from

55

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Algaculture&oldid=119402781 56 BEAM. "Biotechnological and Environmental Applications of Microalgae." Retrieved 17-052007, from http://wwwscieng.murdoch.edu.au/centres/algae/BEAM-Net/BEAM-Net.htm Spirulina.org.uk. Retrieved 17-05-2007, from http://spirulina.org.uk/images/spirulinaponds.jpg

57 58

NMSU. "Scientists research best ways algae can fuel biodiesel production." Retrieved 17-052007, from http://www.nmsu.edu/~ucomm/Releases/2007/january/algae_biodiesel.htm

59

Chynoweth, D. P. (2002). Review of biomethane from marine biomass Gainesville, Florida, USA, Department of Agricultural and Biological Engineering, University of Florida

60

Buck, B. H. and Buchholz, C. M. (2004). "The offshore-ring: A new system design for the open ocean aquaculture of macroalgae." Journal of Applied Phycology 16(5): 355-368


89

61

Reith, J. H., Deurwaarder, E. P., Hemmes, K., Curvers, A. P. W. M., Kamermans, P., Brandenburg, W. and Zeeman, G. (2005). Bio-offshore : grootschalige teelt van zeewieren in combinatie met offshore windparken in de Noordzee. Petten, Energieonderzoek Centrum Nederland 62 Banerjee, A., Sharma, R., Chisti, Y. and Banerjee, U. C. (2002). "Botryococcus braunii: A renewable source of hydrocarbons and other chemicals." Crit. Rev. Biotechnol. 22(3): 245-279 Dote, Y., Sawayama, S., Inoue, S., Minowa, T. and Yokoyama, S. (1994). "Recovery Of Liquid

63

Fuel From Hydrocarbon-Rich Microalgae By Thermochemical Liquefaction." Fuel 73(12): 18551857 64

Tsukahara, K. and Sawayama, S. (2005). "Liquid fuel production using microalgae." J. Jpn. Pet. Inst 48(5): 251-259

65

Mes, T. Z. D. d., Stams, A. J. M., Reith, J. H. and Zeeman, G. (2003). Methane production by anaerobic digestion of wastewater and solid wastes. Bio-methane & bio-hydrogen : status and perspectives of biological methane and hydrogen production. Reith, J. H., Wijffels, R. H. and Barten, H. Petten, Dutch Biological Hydrogen Foundation: 58 - 102

66

Sheehan, J., Dunahay, T., Benemann, J. and Roessler, P. (1998). Look Back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program: Biodiesel from Algae; Close-Out Report: Size: 325 pages 67 Hillen, L. W., Pollard, G., Wake, L. V. and White, N. (1982). "Hydrocracking Of The Oils Of Botryococcus-Braunii To Transport Fuels." Biotechnol. Bioeng. 24(1): 193-205 Kapdan, I. K. and Kargi, F. (2006). "Bio-hydrogen production from waste materials." Enzyme

68

Microb. Technol. 38(5): 569-582 Melis, A. and Happe, T. (2001). "Hydrogen production. Green algae as a source of energy."

69

Plant Physiol. 127(3): 740-748 70 Rupprecht, J., Hankamer, B., Mussgnug, J. H., Ananyev, G., Dismukes, C. and Kruse, O. (2006). "Perspectives and advances of biological H2 production in microorganisms." Appl. Microbiol. Biotechnol. 72(3): 442-449 71

Persoonlijke communicatie, F. Gabriel Acién Fernández Dpto. Ingeniería Química, Universidad de Almería, Spanje

72

El Paso Times (innovatieve algen bioreactors van Valcent Products Inc en Global Green Solutions)

73

Mulbry, W., Kondrad, S. and Buyer, J. (2008). "Treatment of dairy and swine manure effluents using freshwater algae: fatty acid content and composition of algal biomass at different manure loading rates." Journal of Applied Phycology 20(6): 1079-1085 Yun, Y. S., Lee, S. B., Park, J. M., Lee, C. I. and Yang, J. W. (1997). "Carbon dioxide fixation

74

by algal cultivation using wastewater nutrients." J. Chem. Technol. Biotechnol. 69(4): 451-455 75 Glenn, E. P., Brown, J. J. and O'Leary, J. W. (1998). "Irrigating crops with seawater." Scientific American 279(2): 76-81 76 Wijffels, R. H. (2008). "Potential of sponges and microalgae for marine biotechnology." Trends Biotechnol. 26(1): 26-31 Florentinus, A., Hamelinck, C., Lint, S. d. and Iersel, S. v. (2008). Worldwide Potential Of

77

Aquatic Biomass. Utrecht, Ecofys 78 Hoogwijk, M. (2004). On the global and regional potential of renewable energy sources. Faculteit Scheikunde. Utrecht, Universiteit Utrecht. PhD Thesis


90

79 80

Grondstoffen, P. G. (2007). Groenboek energietransitie. Sittard, Platform Groene Grondstoffen Danielo, O. (2005). "A fuel based on algae oil" Biofutur(255): 33-36

81

Neenan, B., Feinberg, D., Hill, A., McIntosh, R. and Terry, K. (1986). Fuels from microalgae: Technology status, potential, and research requirements: Size: Pages: 171 Waterinnovatieprogramma Rijkswaterstaat (WINN), 2007 Stichting Reinwater, Position Paper Visgeleidingssystemen bij waterkrachtcentrales, januari 2004 Stichting Reinwater, Vissen op reis, over de problemen van migrerende vissen Waterinnovatieprogramma Rijkswaterstaat (WINN), 2007 Stichting Reinwater, Position Paper Visgeleidingssystemen bij waterkrachtcentrales, januari 2004 Stichting Reinwater, Vissen op reis, over de problemen van migrerende vissen 82

Universiteit Utrecht, Vissen laten lijden of geleiden, september 2003


91

WATER ALS BRON VAN DUURZAME ENERGIE

Recommend Documents