HetDossier
tekst drs.ing. thijs van velzen
NOORDZEENET Winning uit wind, golven, gas en wier
[
ial c e p s
o f f s h ore
Ontwikkeling onderwater stelsel van stroomkabels essentieel
]
Zilte ene rgiebron
KIVI NIRIA THEMA
www.kiviniri
a.nl/energ
ie
De Noordzee staat aan de vooravond van een energierevolutie: wind, golven en wieren kunnen in een groot deel van de energievraag van de omringende landen voorzien en daarnaast bevatten kleine gasvelden nog veel methaan om offshore elektriciteitscentrales op te laten draaien. Essentieel voor deze revolutie is een offshore elektriciteitsnet. De Noordzee veranderde in de jaren
De bouw van een windpark op het Belgische deel van de Thorntonbank, een zandbank in de Noordzee.
FOTO JAN OELKER
zestig van een marginale zee waar slechts vissers een goede boterham verdienden, in een energiebron van formaat. Hoewel er al sinds midden negentiende eeuw her en der olie langs de kusten werd gewonnen, kwam de offshore productie van fossiele brandstof pas vanaf 1964 op gang. De zee bleek rijk aan kwalitatief hoogwaardige olie en omvangrijke gasreservoirs. In ijltempo werden er putten geboord en honderden platforms geïnstalleerd. De winning van gas neemt nog steeds toe, maar de olieproductie piekte reeds in 1999, toen er dagelijks gemiddeld zes miljoen vaten olie werden gewonnen. Sindsdien daalt de totale olieproductie. Afgelopen najaar verkondigde de Schotse minister van Energie Fergus Ewing dat ongeveer de helft van alle gas- en oliereserves zijn gewonnen. Het einde van de Noordzee als leverancier van energie lijkt in zicht. Maar niets in minder waar: de randzee staat aan de vooravond van een ware energierevolutie. De twee windparken die bij helder weer voor de Noord-Hollandse kust zichtbaar zijn, vormen met een gezamenlijk maximumvermogen van 228 MW slechts een voorproefje, en hetzelfde geldt voor de 53 offshore windparken die Europa rijk is en waarvan het merendeel in de Noordzee staat. Het geïnstalleerd vermogen van 3,8 GW is slechts een schijntje vergeleken met het grote aantal geplande projecten: in het Nederlandse deel van de zee moet over acht jaar 6 GW aan windvermogen staan, Groot-Brittannië wil in 2020 ten minste 18 GW in bedrijf hebben en Duitsland mikt op 10 GW. plannen Hoewel de plannen door de economische crisis zich minder snel materialiseren dan gehoopt – met name in Nederland komen nieuwe projecten langzaam van de grond – is het waarschijnlijk dat het Noordzeepotentieel op termijn wel wordt ontwikkeld. In 2030 moet er volgens de huidige plannen 150 GW aan windvermogen op zee staan. En naast wind heeft de Noordzee nog meer te bieden. Golven in de randzee zijn weliswaar veel 24 februari 2012•de ingenieur•3
minder krachtig dan op de Atlantische Oceaan, toch zien verschillende partijen mogelijkheden om energie te oogsten. Het gematigde golfklimaat maakt het gebruik van relatief goedkope installaties mogelijk, wat de ontwikkeling van een golfenergiecentrale uit financieel oogpunt vergemakkelijkt. Zeewier vormt een andere mogelijkheid. De gematigde temperaturen en zoninstraling zijn zeer gunstig voor het telen van algen, die zich onder meer tot brandstof laten verwerken. De organismen bevatten bovendien bijzondere stoffen, die de farmaceutische en voedselindustrie goed kunnen De twee windparken gebruiken. Projectontwikvoor de Noord-Hollandse kelaars hebben vooral interesse in de ontwikkeling kust vormen slechts een van zeewiertuinen binnen voorproefje scheepvaartvrije offshore windparken. Naast de duurzame bronnen ligt er ook voor aardgas een tweede leven in het verschiet. Kleine of afgelegen gasvelden die met conventionele technologie niet rendabel zijn te produceren, laten zich met zogeheten gas-to-wire-platforms wel in bedrijf nemen. Dergelijke platforms zetten het gas direct om in elektriciteit, waarna de stroom via een kabel naar het vasteland gaat. Van groot belang voor de realisatie van de gas-to-wire-platforms en ook voor de verwezenlijking van de winddoelen en het oogsten van golfenergie is de bouw van een elektriciteitsnet in de Noordzee. Het aansluiten van individuele windparken, golfenergiecentrales of elektriciteit producerende platforms is veel te duur, waardoor het businessmodel niet uitkomt. Dat verandert door de aanleg van een Noordzeenet dat door de aangrenzende landen wordt gedeeld. De aansluitingskosten gaan daarmee fors omlaag. De komst van een Noordzeenet is zodoende bepalend voor het welslagen van de Noordzee als de energiebron van de toekomst. De Ingenieur geeft een overzicht van de mogelijkheden die de Noordzee biedt op energiegebied. 21
FOTO TENNET
De BritNed-kabel en andere internationale verbindingen vormen als het aan netbeheerder TenneT ligt de ruggengraat van het Noordzeenet.
De aanleg van een offshore hoogspanningsnet is essentieel voor de grootschalige winning van energie op de Noordzee. Met zo’n geïntegreerd net is veertien miljard euro te besparen op de aansluiting van windparken op zee. De aansluiting van een offshore wind-
park op het landnet vormt een grote kostenpost. Tot nu toe heeft elk windpark daarvoor zijn eigen onderzeese kabel – meestal een conventionele wisselstroomverbinding, maar bij afstanden groter dan 50 km wordt het in verband met de transmissieverliezen interessant om gelijkstroomtechnologie (high voltage direct current – HVDC) toe te passen. Van de totale investering komt een kwart tot eenderde voor rekening van die kabel. Omdat hier geld valt geld te besparen, tekenden tien landen in 2009 het North Seas Countries Offshore Grid Initiative. Een Noordzeenet levert met de toename van het geïnstalleerde windvermogen op zee en met het oog op de ambitieuze doelstellingen – Europa wil binnen twintig jaar offshore 150 GW hebben staan – aanzienlijke synergievoordelen. Een hoogspanningsnet op zee is zelfs bepalend voor de realiseerbaarheid van de offshore winddoelen. Bovendien kan een Noordzeenet het winnen van golfenergie en de exploitatie van kleine gasvelden met behulp van gas-to-wire-technologie faciliteren. Over nut en noodzaak van een offshore net zijn zowel energiebedrijven en netbeheerders als overheden het eens, maar over hoe zo’n Noordzeenet er uit moet zien lopen de meningen uiteen. Verschillen in regelgeving en subsidiestructuur compliceren de vormgeving nog verder. 22
24 februari 2012•de ingenieur•3
Een net in de vorm van een superring, zoals architect Rem Koolhaas in 2008 met het plan Zeekracht voorstelde, hoeft het niet noodzakelijkerwijs te worden, meent drs. Teun van Biert, senior manager bij netbeheerder TenneT en tevens direct betrokken bij het North Seas Countries Offshore Grid Initiative. ‘Op papier ziet een offshore ring er goed uit en zo’n ring is ook makkelijk te tekenen, maar de praktijk is aanzienlijk complexer. Vooral de integratie met het onshore netwerk vormt een uitdaging.’ De huidige strategie van TenneT is erop gericht landen rond de Noordzee met elkaar te verbinden. De NorNed-kabel tussen Noorwegen en Nederland en de BritNed-verbinding tussen Engeland en Nederland zijn hier voorbeelden van. ‘Met deze verbindingen ontstaat al wel een denkbeeldige ring’, vertelt Van Biert. Deze connecties zijn echter niet gericht op het aansluiten van windparken, maar zijn een exponent van de internationalisering van de elektriciteitsmarkt. NorNed en BritNed verdienen namelijk geld op basis van de prijsverschillen tussen de landen. Toch ziet TenneT een rol weggelegd voor deze kabels in relatie tot offshore windparken. ‘Ook is het mogelijk om een verbinding tussen twee landen te combineren met de aansluiting van een windpark’, aldus Van Biert. ‘Bij de planning van
Het Split Design combineert de aansluiting van windparken met de aanleg van internationale verbindingen.
de COBRA-verbinding tussen Nederland en Denemarken bijvoorbeeld wordt serieus naar deze optie gekeken. De verbinding kruist een gepland Duits windpark, dat met speciale HVDC-technologie, die momenteel in ontwikkeling is, kan worden aangesloten. Maar het voornaamste struikelblok is de regelgeving: krijgt het Duitse park nog subsidie wanneer het stroom levert aan een Nederlands-Deense kabel?’ Het door de Europese Unie gefinancierde onderzoek OffshoreGrid, dat eind vorig jaar is afgerond, pleit voor clustering van windparken. ‘Op het moment dat windturbines op relatief grote afstand van de kust komen te staan, is een hub-benadering interessant’, stelt ir. Jan De Decker van het adviesbureau voor duurzame energie 3E, dat de Europese studie leidde. Eén kabel verbindt dan het complete cluster met de wal. ‘Op die manier wordt het aantal kabels gereduceerd. Het is voor dit model wel essentieel dat nationale overheden gebieden aanwijzen voor de bouw van windparken, zodat er daadwerkelijk clusters ontstaan.’ Deze benadering levert in potentie een forse kostenbesparing op. Uitgaande van de Europese winddoelstelling voor 2030 komen de kosten voor individuele verbindingen uit op 83 miljard euro, becijferen de OffshoreGrid-onderzoekers. Met een hub-benadering, waarbij ongeveer een derde van de windparken is geclusterd, valt 14 miljard euro te besparen. Met de hubconfiguratie als uitgangspunt hebben de OffshoreGrid-onderzoekers gekeken hoe een offshore transmissienet er idealiter uitziet. Dat heeft in twee ontwerpen geresulteerd. Het Direct Design sluit het beste aan bij de huidige situatie, waarin netbeheerders landen onderling verbinden. De aanleg hiervan laat zich rechtvaardigen door de prijsverschillen tussen de landen: er valt geld te verdienen met internationale handel in elektriciteit. Probleem is echter dat de internationale verbindingen tot een verkleining van de prijsverschillen leiden en zodoende hun eigen businessmodel ondergraven. Innovatiever is het Split Design, waarmee OffshoreGrid een geïntegreerde aanpak voorstelt en de verbindingen van windparken combineert met transportkabels tussen landen.
bestaande verbindingen geplande verbindingen (tienjarenplan) Kriegers Flak-Driepoot directe verbindingen (fase 1) Split-windparkverbindingen (fase 1) hub-hub & tee-in (fase 2) gekoppelde verbindingen (fase 2)
ILLUSTRATIE OFfSHOREGRID/3E
Verbinden onder hoogspanning
HetDossier
NOORDZEENET
Waar mogelijk wordt een windparkcluster door twee verbindingen met meerdere landen verbonden. ‘Hierdoor kan de windenergie aan land worden gebracht en ontstaat tegelijkertijd tegen beperkte extra kosten een verbinding tussen twee landen’, geeft De Decker aan. ‘De beschikbare capaciteit voor internationale handel is kleiner, maar ook de investering is veel kleiner. Dit is een interes‘Het moet sante optie, omdat de kabels van de windpargroeien’ ken ook in het geval van geen of weinig wind een functie hebben.’ De vereiste investering is dus beperkt en de risico’s zijn kleiner, maar tegelijkertijd levert de kabel in zijn rol van internationale verbinding minder op dan wanneer er een speciaal hiervoor bestemde kabel wordt aangelegd.
organisch
STAPSGEWIJS Hoewel een geïntegreerd net in potentie een aanzienlijke kostenbesparing oplevert, blijft de aanleg van een Noordzee net een kapitaalintensieve onderneming. ‘Het is de vraag wie dat gaat betalen’, geeft Van Biert van TenneT aan. ‘Netbeheerders, de politiek en de energiesector zijn het allemaal eens over deze toekomstige ontwikkeling, maar financieel en beleidsmatig liggen er nog veel uitdagingen in het verschiet. Daarvoor is een langetermijnvisie voor de Noordzee en een stapsgewijze uitvoering noodzakelijk. Alleen dan valt een offshore net te realiseren.’ De Decker van 3E sluit zich hierbij aan. ‘Een masterplan voor een Noordzeenet is geen haalbare kaart. Elke kabel heeft invloed op de bedrijfsvoering en winstgevendheid van een ander. Vooraf zijn niet alle effecten te voorspellen. Daarom is een modulaire aanpak noodzakelijk. Het Noordzeenet moet organisch groeien.’ 24 februari 2012•de ingenieur•3
23
HetDossier
NOORDZEENET
Reusachtige rotoren
De downwindturbine van het Nederlandse 2-B Energy genereert met twee rotorbladen maximaal 6 MW.
De Noordzee is ideaal voor de bouw van windparken. Nog grotere turbines met vermogens tot 20 MW liggen in het verschiet. Een offshore elektriciteitsnet en consistent beleid zijn vooralsnog de ontbrekende ingrediënten voor succes.
24
24 februari 2012•de ingenieur•3
van de twee Nederlandse parken is dit wel veranderd: bij toekomstige projecten neemt TenneT de verbinding voor zijn rekening. De beperkte concessieduur voor offshore windparken vormt een ander pijnpunt. ‘Terwijl een conventionele centrale typisch een concessie voor veertig jaar krijgt, geldt voor windparken een periode van twintig jaar. Dit compliceert het maken van een businesscase en het aantrekken van kapitaal, en bemoeilijkt het ontwikkelen van een park’, aldus Van Wijk ‘Duitsland is hét voorbeeld van consistent beleid’, beaamt Van der Heijden van Typhoon Capital. ‘En consistent beleid is hard nodig om het grote aantal plannen te realiseren. Er zijn namelijk al enorm veel vergunningen verstrekt, maar de realisatie laat op zich wachten.’ ILLUSTRATIE 2-B ENERGY
‘De Noordzee heeft alles wat de ontwik-
kelaar van een offshore windpark zich kan wensen: het is er ondiep, funderingen laten zich makkelijk in de stevige zandbodem slaan, de aangrenzende landen hebben een grote energiebehoefte en het waait er vooral lekker hard’, somt Michael van der Heijden op. Als directeur van Typhoon Capital, een Nederlands investeringsbedrijf gericht op de ontwikkeling van offshore windparken, is hij betrokken bij verschillende projecten op de Noordzee. In het kantoor aan de prestigieuze Am sterdamse Apollolaan is van een recessie weinig te merken. ‘Typhoon Capital werkt momenteel aan Gemini, een park van 600 MW dat ten noorden van Nederland komt te liggen’, vertelt Van der Heijden trots. ‘Het is het enige Nederlandse project van significante omvang dat momenteel in ontwikkeling is.’ Na de oplevering het Offshore Windpark Egmond aan Zee in 2007 en de voltooiing van het Prinses Amaliawindpark in 2008 hebben de Nederlandse bouwplannen op zee hun momentum enigszins verloren. Tegelijkertijd bouwen de Britten en Duitsers gestaag voort: Groot-Brittannië installeerde verleden jaar in totaal 752 MW op zee en Duitsland plaatste er een kleine 110 MW. Nederland wil in 2020 nog steeds 6 GW aan offshore windvermogen hebben, maar gezien het huidige tempo is de haalbaarheid daarvan ‘Het waait hier twijfelachtig. vooral lekker hard’ Nederland moet een voorbeeld nemen aan Duitsland en Groot-Brittannië, vindt prof.dr. Ad van Wijk, hoogleraar Future Energy Systems aan de TU Delft en als oprichter van het bedrijf Econcern direct betrokken geweest bij de ontwikkeling van het Prinses Amaliawindpark. ‘De Britten en Duitsers wijzen gebieden aan waar ondernemingen windparken mogen ontwikkelen. Nederland daarentegen geeft aan waar het niet mag, waarmee niet is gezegd dat het in de overige gebieden wel mag. Windenergie blijft hierdoor the new kid on the block en de laatste in de rij. Andere, meer gevestigde belangen blijven voorgaan.’ Een ander probleem is de aansluiting van de windparken op het vaste net. ‘Een kwart of meer van de totale investering komt voor rekening van de aansluiting en de transformatoren’, geeft Van Wijk aan. ‘Anders dan in Duitsland en GrootBrittannië was de netbeheerder in Nederland tot voor kort niet verplicht om voor een verbinding te zorgen, terwijl een kolencentrale op het vasteland wel door TenneT gratis wordt aangesloten. Dat is dus geen gelijke marktsituatie.’ Sinds de bouw
GROEI Anticiperend op de bouw van grote offshore parken zitten ontwikkelaars van windturbines niet stil. Toekomstige parken krijgen waarschijnlijk nog grotere molens, want de groei is er nog steeds niet uit. Het geïnstalleerde vermogen stijgt al jaren gestaag: terwijl het gemiddelde generatorvermogen in 2000 nog 2 MW bedroeg, bedraagt het geïnstalleerde vermogen van de vorig jaar geplaatste turbines gemiddeld 3,6 MW. Van Wijk: ‘Verdere opschaling ligt voor de hand, omdat hiermee de kosten zijn te drukken. De eerste turbines met een generatorvermogen van 10 MW liggen al op de tekentafel.’ Waarschijnlijk blijft het daar niet bij. ‘In principe vormt de ontwikkeling van een windturbine van 20 MW op basis van het huidige concept geen probleem’, zegt prof.dr. Gerard van Bussel, hoogleraar Windenergie aan de TU Delft. De recente Europese studie UpWind naar de technische haalbaarheid van een 20 MW-installatie bevestigt deze claim. Een dergelijke reus krijgt een mast van ruim 150 m hoog en een rotordiameter van zo’n 220 m. De beperking vormt de huidige infrastructuur en hijsapparatuur: geen hijskraan kan de 880 ton wegende turbinegondel op de 150 m hoge mast plaatsen. ‘Voor de mast vormt een dergelijke massa niet zozeer een probleem’, geeft Van Bussel aan. ‘Wel heeft de grotere flexibiliteit van de enorm lange rotorbladen implicaties. Onder invloed van de windbelasting buigen rotorbladen richting de mast – dit gebeurt ook bij de huidige, kleinere systemen. Om deze reden hebben de rotoren onbelast een negatieve kegelhoek: de bla-
den staan enigszins naar voren. Een windturbine van 10 tot 20 MW zou een dusdanig grote kegelhoek nodig hebben dat het de belastingen negatief beïnvloedt. Downwind is hiervoor de oplossing: door de rotor aan lijzijde te plaatsen kunnen de buigende rotorbladen de mast nooit raken.’ De Nederlandse onderneming 2-B Energy werkt aan een dergelijke downwind-turbine met een vermogen van 6 MW. ‘Het is echt een afwijkende benadering’, zegt Mikael Jakobsson, directeur van 2-B Energy. ‘Downwind maakt een lichtere
constructie van de rotor bladen mogelijk. Bovendien kan er in plaats van een buisvormige mast een vakwerkconstructie worden gebruikt. Deze jackets zijn ook veel beter geschikt voor plaatsing in dieper water.’ Afwijkend is ook de toepassing van twee rotorbladen in plaats van de gebruikelijke drie. In het 6 MW-ontwerp van 2-B Energy zijn de bladen 70 m lang. ‘Een tweebladige rotor biedt systeemvoordelen’, stelt Jakobsson. ‘Ter reductie van de kosten per opgewekte kilowattuur zijn dit soort radicale veranderingen noodzakelijk. Met een alternatief systeem moet het uiteindelijk mogelijk zijn de kosten van windstroom met 40 tot 50 % te verlagen.’ 2-B Energy verwacht de eerste installatie in 2013 in zee te plaatsen.
Drijvende elektriciteitscentrales De Noordzee telt tientallen kleine gasvelden die op conventionele wijze niet rendabel zijn aan te boren. Door het gas offshore om te zetten in elektriciteit zijn de reservoirs mogelijk wel in productie te nemen. Maar dan moet er wel een net beschikbaar zijn voor het elektriciteitstransport. Het leeuwendeel van de grote gasvelden
in de Noordzee is anno 2012 wel ontdekt en in productie genomen. Wat rest zijn honderden kleinere reservoirs, waarvan het gas zich met de traditionele productieplatforms en pijpleidingen niet rendabel laat winnen. Kleine gasgestookte elektriciteitscentrales op zee bieden uitkomst. ‘De belangrijkste voorwaarde voor dit gas-to-wire-concept is de aanwezigheid van een elektriciteitsinfrastructuur’, stelt ir. Ruud Schulte, onderzoeker bij EBN, de organisatie die namens de staat de winning van olie en gas bevordert. ‘Gas-towire heeft als voordeel dat er geen dure pijpleiding nodig is
voor het gastransport, maar onderzeese elektriciteitskabels vragen eveneens forse investeringen. Maar wanneer een reservoir in de buurt van een kabel ligt, is het methaan met gas-towire mogelijk wel rendabel te winnen.’ ‘Het concept kan bijdragen aan de Nederlandse 30/30-doelstelling’, meent dr.ir. René Peters, directeur Gastechnologie bij onderzoeksinstituut TNO, verwijzend naar het streven in 2030 ten minste 30 miljard m³ aardgas uit kleine velden te produceren. ‘Gas-to-wire is een van de methoden waar serieus naar wordt gekeken.’ TNO onderzoekt momenteel de potentie van on- en offshore gascentrales. 24 februari 2012•de ingenieur•3
25
HetDossier
NOORDZEENET
ILLUSTRATIE SEVAN MARINE
Het Noorse concern Sevan Marine wil een gas-to-wire-platform bouwen met een vermogen van 540 MW.
Twee typen gasvelden komen voor gas-to-wire in aanmerking. In de eerste plaats zijn oude gasvelden waarvan de druk sterk is gedaald, mogelijke kandidaten. ‘Voor het transport van gas door een pijpleiding is een druk van 80 tot 100 bar vereist’, legt Peters uit. ‘Als de druk in het veld nog slechts 10 of 20 bar bedraagt, zijn compressoren nodig om het gas op transportdruk te brengen. Dat kost veel energie. Een gasmotor of -turbine daarentegen kan met 10 of 20 bar prima draaien.’ Kleine velden die niet eerder in productie zijn geweest, maar die ver
van bestaande gaspijpleidingen zijn verwijderd, vormen een twee categorie met potentie. Het Noorse concern Sevan Marine, dat is gespecialiseerd in de bouw van drijvende olieplatforms, heeft al een ontwerp voor een drijvende elektriciteitscentrale gereed. Het platform beschikt over acht gasturbines en vier stoomturbines met een gezamenlijk piekvermogen van 540 MW. De installatie vangt het vrijkomende CO2 direct af en injecteert het terug in het gasveld. Klanten hebben zich echter nog niet gemeld. Twijfelachtig is of offshore centrales met een dergelijk groot vermogen realistisch zijn. Het platform van Sevan zou namelijk zo’n 2 miljoen m³ gas per dag consumeren, een volume dat in de Noordzee de aanleg van een pijpleiding rechtvaardigt. Schulte van EBN voorziet aanzienlijk kleinere installaties. ‘Het gaat om centrales van enkele tientallen megawatts. Dat is niet heel veel, maar hiermee zijn ze in potentie wel te combineren met bijvoorbeeld een offshore windpark.’
Gematigde golvengeneratoren Het gematigde golfklimaat van de Noordzee leent zich mogelijk voor de winning van golfenergie. ‘Toch blijft golfenergie primair een aanvulling op bijvoorbeeld offshore windparken.’ Het European Marine Energy Centre
(EMEC) test al ruim vijf jaar systemen die golfenergie omzetten in elektriciteit. De locatie van het centrum aan de westzijde van de Britse Orkney Islands is een prima plek voor tests met dergelijke golfenergieconversiesystemen: krachtige Atlantische golven beuken er onafgebroken op de rotskust. Golven in de Noordzee en vooral die in het zuidelijke deel waaraan Nederland grenst, lijken slechts rimpeltjes in vergelijking met de Schotse krachtpatsers. Groot-Brittannië is de oorzaak van
het gematigde golfklimaat: het eiland fungeert als een grote golfbreker. Doordat de Noordzee relatief rustig is, hebben bedrijven op zoek naar een geschikte locatie voor de winning van golfenergie er nauwelijks oog voor. Maar daar komt verandering in, want de Universiteit Gent onderzoekt samen met een aantal bedrijven, waaronder DEME Blue Energy, Electrawinds en de haven van Oostende, de potentie van de Noordzee op dit gebied. Hiertoe werkt het consortium FlanSea (Flanders Electri24 februari 2012•de ingenieur•3
27
HetDossier
NOORDZEENET
ILLUSTRATIE FLANSEA
Kweekvijver voor wieren Met de kweek van zeewier kan elke hectare Noordzee jaarlijks het energie-equivalent van zeventig vaten olie leveren. Om de teelt van macroalgen economisch haalbaar te maken, dienen ook de voedselindustrie en de
FOTO WILLEM BRANDENBURG
chemie interesse te hebben.
Zachtjes wuiven de groene wieren heen
Het Belgische consortium FlanSea werkt aan een boei voor de winning van golfenergie op de Noordzee.
city from the Sea) aan de ontwikkeling van een conversiesysteem in de vorm van een boei. ‘Ook bij zwaar weer is de Noordzee in vergelijking met de Schotse westkust relatief gematigd’, vertelt Peter Van den Bergh, projectleider bij DEME Blue Energy. hebben typisch een vermo‘De lage investerings- ‘Noordzeegolven gen van 6 tot 20 kW/m. Voor de Atlantische kosten maken de Oceaan bedraagt het jaargemiddelde zo’n 50 kW/m.’ Het verschil in golfklimaat en enertechniek interessant’ giedichtheid resulteert in een afwijkende benadering. Sommige systemen die zich nu in de testfase bevinden, hebben kolossale afmetingen en vermogens van soms meer dan 1 MW. Het Belgische consortium mikt op relatief kleine point absorbers, systemen in de vorm van een in de zeebodem verankerde boei met een diameter van 8 tot 10 m. ‘Kostenefficiëntie vormt het centrale uitgangspunt van het project’, licht prof.dr.ir. Julien De Rouck van de Universiteit Gent toe. ‘Het gaat om de kosten per kilowattuur. Een hoge beschikbaarheid is essentieel: het systeem dient zo veel mogelijk uren per jaar operationeel te zijn. Hiertoe moet 28
24 februari 2012•de ingenieur•3
het een forse storm kunnen weerstaan. Met een point absorber, die uitgaat van beproefde boeitechnologie, is een dergelijke hoge beschikbaarheid realiseerbaar.’ De beperkte omvang van het te ontwikkelen systeem biedt nog een voordeel. ‘Het is belangrijk dat het apparaat in resonantie met de golven raakt’, geeft Van den Bergh aan. ‘De Noordzee kent typisch een hogere golffrequentie, zodat een systeem van beperkte afmetingen beter geschikt is.’ Tot slot vertaalt het bescheiden formaat zich in lagere kosten. De drempel om een golfenergiesysteem te installeren wordt hierdoor kleiner. De Belgische aanpak kan zodoende bijdragen aan spoedige implementatie van golfenergiesystemen, denkt ook EMEC-directeur Neil Kermode. ‘De lage investeringskosten maken de techniek interessant voor bepaalde niches.’ Het FlanSea-consortium hoopt in 2013 een volwaardig prototype te ontwikkelen en in 2015 een commerciële installatie in de Noordzee te installeren. Over de hoeveelheid te winnen golfenergie durven de onderzoekers geen uitspraak te doen. De Rouck: ‘Golfenergie zal toch primair een aanvulling blijven op bijvoorbeeld offshore windparken.’
en weer in de kunstmatige waterstroom. Leidingen pompen water in en uit de glazen bakken, terwijl spotjes de organismen van licht voorzien. De aquaria zijn het werkterrein van dr. Willem Brandenburg, onderzoeker Zilte Teelten aan de Universiteit Wageningen. ‘In deze bakken bestuderen we de groei van zeewieren en onderzoeken we bijvoorbeeld welke factoren de ontwikkeling van de planten positief beïnvloeden’, vertelt Brandenburg, terwijl hij met opgestroopte mouwen voorzichtig door een bak roert. De Wageningse testopstelling van 8 m³ in een kas op het universiteitsterrein bevindt zich op ruim 100 km van de zee. Een truck voert elke twee weken vers zeewater aan. Het onderzoek van Brandenburg is echter niet geheel afhankelijk van die tweewekelijks watertruck, want sinds 2010 beheert de onderzoeker een echte proeftuin in de Oosterschelde. Een paar pontons bij Schelphoek maken nog realistischer onderzoek mogelijk. Wageningen is binnenkort niet langer alleen: adviesbureau Ecofys, energieproducent Eneco en het in zeewier gespecialiseerde Hortimare nemen dit jaar een tweede proefveld in gebruik voor de kust van Texel. Als het aan Brandenburg ligt, blijft het niet bij twee proeftuintjes, maar verandert een fors deel van de Noordzee op termijn in een natte akker voor macroalgen. Zeewier is namelijk een aantrekkelijk gewas, dat als biomassa voor de productie van brandstof of als voedsel kan dienen. Brandenburg ziet vooral veel in de laatste toepassing. ‘Als de wereldbevolking en het welvaartspeil blijven groeien, dient de agrarische productie de komende veertig jaar te verdubbelen’, vertelt hij. ‘De teelt van wieren kan een ecologische ramp voorkomen en conflicten over landbouwgrond afwenden.’ Het gebruik van zeewier als voedsel is op zichzelf niet nieuw; vooral in Azië worden macroalgen al op grote schaal geconsumeerd. Maar ook in de Nederlandse keuken zijn zeewierproducten te vinden. Naast nori voor sushi zitten de algen in de vorm van de E-nummers 400 tot 407 in onder meer ijs en sauzen. De interesse in zeewier als grondstof voor de productie van biobrandstof neemt de laatste jaren eveneens toe. Een belangrijk voordeel van macroalgen in vergelijking met conventionele biobrandstofgewassen als maïs of suikerriet is dat ze geen beslag leggen op landbouwgrond of schaars zoet water. De teelt van wieren concurreert hierdoor niet direct met voedselgewassen. Bovendien zijn macroalgen relatief eenvoudig te telen: de proeftuin in de Oosterschelde bestaat uit een paar pontons met In de Oosterschelde test de Wageningen Universiteit de teelt van zeewier. daaraan een groot aantal verticale kabels. De wieren hechten 24 februari 2012•de ingenieur•3
29
FOTO INDIAN IMAGES
In Azië wordt op grote schaal zeewier voor consumptie doeleinden verbouwd.
zich aan de kabels en de stroming van het water voert de benodigde nutriënten aan. ‘In de Noordzee komen rode, bruine en groene zeewieren voor’, vertelt drs. Hans Reith, die bij onderzoeksinstituut ECN gespecialiseerd is in de raffinage van biomassa voor productie van chemicaliën en brandstoffen. ‘Vooral bruine en groene wieren kunnen in de Noordzee een hoge productiviteit bereiken. De gematigde temperatuur is goed en de hoeveelheid beschikbaar licht is voldoende. Het groeitempo is overigens niet zozeer het gevolg van de totale lichtinstraling per dag, maar van de verdeling ervan over het aantal lichturen. De lange dagen in de zomermaanden zijn zeer gunstig voor de realisatie van een hoge productie.’ LAAGJES De potentiële jaaropbrengst becijfert ECN op zo’n 20 ton droge stof per hectare. ‘De productie kan worden vergroot door extra nutriënten toe te voegen of door een gelaagd kweeksysteem toe te passen’, geeft Reith aan. Hierbij worden verschillende soorten algen boven elkaar geplaatst. Aan de oppervlakte komt bijvoorbeeld een laag groene algen, die vooral rood en blauw licht absorberen, en een onderliggende laag bruine wieren absorbeert vervolgens ook het groene licht. ‘De productie laat zich zo tot 50 ton/ha verhogen.’ Het is essentieel dat geoogste wieren op zee worden ontwaterd, maar de verdere verwerking is een eenvoudige aangelegenheid. Zeewier laat zich met conventionele anaerobe vergisting omzetten in biogas. Naast deze bewezen aanpak zijn er ook meer geavanceerde methoden om macroalgen in brandstof te converteren. Wetenschappers van het Amerikaanse Bio Architecture Lab hebben recent een bacterie ontwikkeld die wieren direct omzet in ethanol. Vooral het rendement waarmee dit gebeurt, is interessant: de micro-organismen realiseren tot 80 % van de maximaal haalbare conversie van zeewiersuikers in ethanol. Concreet maken de bacteriën van 1000 kg zeewier 281 kg ethanol. Een hectare Noordzee zou zodoende bij een opbrengst van 50 ton/ha jaarlijks ruim 14 000 kg bioethanol opleveren, wat energetisch overeenkomt met een kleine zeventig vaten olie. In de extreme situatie dat de volledige Noordzee tot zeewiertuin wordt ontwikkeld, bedraagt de dagelijks opbrengst het equivalent van 10,7 miljoen vaten olie – dit komt overeen met 12 % van de mondiale olieproductie. Dit scenario is alleen al vanwege de vele vaarroutes en intensieve visserij onrealistisch. Onderzoekers, adviesbureaus
en geïnteresseerde energiebedrijven kijken onder meer naar windparken als geschikte locaties voor wierenteelt. Schepen en vissersboten mogen er namelijk toch niet komen. Bovendien lenen de turbinemasten zich in potentie voor de bevestiging van kabels of netten waaraan wieren kunnen groeien. Op basis van de huidige offshore winddoelen – de landen rond de Noordzee willen in 2030 tezamen zo’n 150 GW aan windvermogen hebben staan – is er dan plaats voor een zeewiertuin van 22 500 km2. Een dergelijke plantage zou dagelijks het equivalent van meer dan 420 000 vaten olie aan bio-ethanol leveren, ofwel 10 % van het volume dat momenteel uit de Noordzee wordt gewonnen. Het zijn indrukwekkende cijfers en technisch zijn er weinig beperkingen. Maar aan het telen van wieren uitsluitend voor de productie van biobrandstof valt geen geld te verdienen. ‘Als het alleen om de energie is te doen, mag het telen en oogsten van zeewier niet meer dan ongeveer vijftig euro per ton kosten’, becijfert Reith van ECN. ‘In de Noordzee gaat de teelt van zeewier naar verwachting zo’n tweehonderd tot vijfhonderd euro per ton kosten.’ Het is daarom essentieel de macroalgen ook voor andere toepassingen te laten groeien. Als voedsel kan zeewier veel meer geld opleveren. ‘Misschien komt het economisch net uit wanneer er een combinatie wordt gemaakt’, geeft ook Brandenburg van de Universiteit Wageningen aan. ‘Alleen de reststof wordt dan gebruikt voor het maken van biobrandstof.’ INTERNETBRONNEN www.offshoregrid.eu Adviesbureau 3E heeft de ontwikkeling van een Noordzeenet bestudeerd. www.lr.tudelft.nl/windenergy De TU Delft verricht onderzoek naar innovatieve windturbineontwerpen. www.2-benergy.com Het Nederlandse 2-B Energy ontwikkelt een downwind-turbine van 6 MW. www.tno.nl TNO voert een studie uit naar gas-to-wire-technologie voor kleine gasvelden. www.sevanmarine.com Het Noorse Sevan Marine heeft een gas-to-wire-platform met een vermogen van 540 MW ontworpen. www.wur.nl In Nederland bestudeert onder meer de Wageningen Universiteit het telen van zeewier. www.ugent.be De Universiteit Gent onderzoekt samen met een groep bedrijven of het winnen van golfenergie op de Noordzee haalbaar is. 24 februari 2012•de ingenieur•3
HetDossier
NOORDZEENET Winning uit wind, golven, gas en wier
31
