Project PEN41

Projectgroep: 6

Datum: Maart 2004

Project: Pen 41

Projectgroep: 6

Datum: Maart 2004

Namen groepsleden:

• Martin van der Wulp 0756784 Elektrotechniek
• Marcel Bakker 0756839 Elektrotechniek
• Menno Bergsma 0758633 Elektrotechniek
• Ruben de Groot 0758329 Werktuigbouwkunde
• Gerbrand Wolfswinkel 0758375 Werktuigbouwkunde
• Martin Tukker 0754227 Werktuigbouwkunde

Begeleider: dhr J. de Blois

In opdracht van:

Voorwoord

Voor u ligt het verslag over het onderzoek naar de energiewinning uit getijdenwisseling. Dit onderzoek is gedaan in opdracht van de Hogeschool Rotterdam opleiding Engineering. De opdracht moet gedaan worden om de module PEN41 te behalen.

De verschillende manieren om energie op te wekken zijn op een lijst samengevoegd en iedere projectgroep heeft de opdracht gekregen om een van deze items te onderzoeken. Van dit onderzoek moet een verslag gemaakt worden waarin de volgende punten opgenomen moeten worden:

- omzetting van energie

- transport van energie

- opslag van energie (indien van toepassing)

Wij hebben er als projectgroep voor gekozen om ons te verdiepen in het onderwerp “energieomzetting door middel van getijdenwisseling”. Dit omdat het een actueel onderwerp is en door uitputting van de fossiele energievoorraden in de nabije toekomst, het noodzakelijk wordt onderzoek te doen en expertise te verkrijgen op het gebied van duurzame energie.

Onze dank gaat uit naar de dhr. Bijlaard, senior engineer / consultant van Nuon, die ons informatie heeft gegeven over transport van energie en alle zaken die daar bij komen kijken. Ook heeft deze persoon ons op enige punten gewezen waar we rekening mee moeten houden bij het ontwikkelen van ons concept.

Projectgroep 6

Inhoudsopgave

Voorwoord.. 3

Inleiding.. 6

1 Onze keuze voor de Westerschelde. 7

2 Getijverschil en getijdenstromingen.. 8

Beoordelingscriteria.. 10

Het aanbod. 10

Het beleidsplan Westerschelde. 10

Financiële beoordeling. 11

Toekomst perspectieven. 11

3 Getijverschil als energiebron.. 12

Principe. 12

Voorbeelden.. 13

Financiële beoordeling. 14

Toekomst perspectieven. 15

4 Getijdenstroming als energiebron.. 16

Principe. 16

Voorbeelden.. 17

Financiële beoordeling. 21

Toekomst perspectieven. 21

5 Keuze van rotor.. 22

Axiale rotor.. 22

Helical turbine. 24

6 Het duct.. 28

Het type duct: 29

De materiaalkeuze van het duct.. 30

Eigenschappen van beton.. 30

De volumieke massa van beton.. 31

7 De keuze van de generator.. 33

Type generatoren.. 33

Vermogen van de generator.. 34

Opgewekt vermogen. 36

8 Netkoppeling.. 37

De frequentieregelaar.. 38

Flowmeting.. 38

Toerental regeling/bepaling.. 39

Stroomstoring.. 39

Effect van eilandvorming.. 39

Onderhoud.. 40

Communicatie. 40

9 Transport van energie. 41

Transport via een elektriciteitskabel. 41

Het elektriciteitsnet in Nederland. 42

Aankoppelen van generator op het net 44

Spanningsfluctuaties. 44

Eilandvorming. 45

De toepassing van waterstof. 46

Elektrolyse van (zee)water. 46

De brandstofcel 47

Conclusie. 48

10 Conclusie. 49

11 Bronvermelding.. 50

Bijlage 1. 51

Bijlage 2. 52

Bijlage 3. 53

Inleiding

In dit verslag zullen wij de noodzakelijkheid van duurzame energie toelichten en u een mogelijke oplossing voor het verkrijgen van duurzame energie voorleggen: het omzetten van stromingsenergie in elektrische energie. Hiervoor hebben wij na een brainstormsessie gezamenlijk een concept bedacht en ontwikkeld.

Dit concept moet u zich voorstellen als een (vierkante) buis met aan twee zijden een trechtervormige opening en een smal tussenstuk (zie afbeelding op voorpagina). In dit middenstuk is een turbine geplaatst die de stromingsenergie om moet zetten in elektrische energie.

Aan de hand van dit concept hebben we onderzocht wat er allemaal komt kijken bij de plaatsing van het concept.

Het verslag begint in hoofdstuk 1 met een beschrijving van onze keuze voor de plaats waar wij ons concept denken te kunnen plaatsen. Er wordt hier gekeken naar stroomsnelheden en dieptes van het water alsook naar regionale beleidsplannen.

Voor dat we een beschrijving zullen geven van ons concept zullen we in hoofdstuk 2-4 uitleg geven over energiewinning door middel van stroming. Ook zal beschreven worden wat er momenteel al bekend is en welke experimenten zijn uitgevoerd op dit gebied.

Uitgaande van de informatie die we in hoofdstuk beschrijven hebben we ons concept bedacht. In hoofdstuk 5 en 6 zal het concept verder uitgewerkt worden waarbij uitgelegd wordt waarom we kiezen voor de huidige vorm van het concept.

In hoofdstuk 7 wordt uitgelegd welk type generator we moeten gebruiken en welk vermogen dit apparaat moet kunnen leveren.

Vanzelfsprekend zal de generator niet zonder voorzieningen aan het net gekoppeld kunnen worden. In hoofdstuk 8 zal een beschrijving worden gegeven van de toe te passen voorzieningen waardoor de opgewekte spanning gesynchroniseerd worden met de spanning van het net.

In hoofdstuk 9 wordt tenslotte besproken welke manier van transport we zullen gebruiken om de energie te transporteren.

1 Onze keuze voor de Westerschelde

Na het onderzoek naar de technische specificatie’s van verschillende turbines en de benodigde stroomsnelheden van het water, hebben we ons toe moeten leggen op de vraag:

Waar zijn er mogelijkheden voor het plaatsen en in gebruik nemen van de installaties?

Veel watergebieden vielen af door de te geringe stroomsnelheden van het water (zie bijlage 3). Hierdoor blijven er naar onze mening twee potentiële gebieden over, te noemen:

- De Westerschelde (zie figuur 1.1)

- De Waddenzee

De Waddenzee biedt de mogelijkheid tot energiewinning d.m.v. stromingsenergie maar is aangewezen als natuurbeschermingsgebied. Hierdoor is de mogelijkheid tot energiewinning op de door ons gewenste manier niet realiseerbaar.

De Westerschelde biedt echter wel deze mogelijkheid om de volgende redenen:

• Het is niet aangewezen als potentieel natuurgebied
• Het door ons gewenste gebied ligt buiten de vaargeul en vormt hierdoor geen belemmering voor de scheepvaart
• De stroomsnelheden zijn hoger dan de minimaal noodzakelijke
• Er is een geringe mate van recreatie beoefening, waardoor een risico op schade of letsel aan recreanten vrijwel nihil is

Een nadeel is echter dat op lange termijn de invloed van de installaties op de dynamiek en ecologische potentie van het kustsysteem vrijwel onbekend is.

Figuur 1.1 Locatie Westerschelde

2 Getijverschil en getijdenstromingen

Getijden worden veroorzaakt door de gravitatiekrachten tussen de maan, 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. De getijkracht ontstaat doordat de aantrekkingskracht van de maan niet even groot is op alle waterdeeltjes op aarde. Alle waterdeeltjes op aarde worden namelijk aangetrokken door de maan. Aan de kant van de aarde die naar de maan is toegekeerd (en die dus het dichtst bij de maan is) worden de waterdeeltjes sterker aangetrokken dan gemiddeld. Daar ontstaat een water'berg' (zie figuur 2.1) die naar de maan toegekeerd is. Aan de andere kant van de aarde worden de waterdeeltjes minder sterk aangetrokken dan gemiddeld en daar ontstaat een water'berg' die van de maan afgekeerd is. Het lijkt dus alsof er twee waterbergen op de aarde staan: vloedbergen. Figuur 2.1

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 (zie figuur 2.2). De beweging van het water veroorzaakt getijdenstromingen met snelheden tot wel 5 m/s in kustzones en in stroomgaten tussen eilanden (zie figuur 2.3). Energiewinning uit getijden kan op twee fundamenteel verschillende manieren:

1. Door het getijverschil te benutten in afsluitbare bassins
2. Door lokale getijdenstromingen te benutten op een manier analoog aan windturbines.

Beide principes worden afzonderlijk in hoofdstukken 3 en 4 nader beschreven en geïllustreerd aan de hand van praktijkvoorbeelden. In dit hoofdstuk wordt een referentie kader geschetst waarbinnen de twee opties kunnen worden getoetst op relevantie voor de Westerschelde.

Figuur 2.2 Kaart van Europa met lijnen van gelijk springtij niveau. Het getijverschil kan aanzienlijk toenemen in de estuaria. Dit wordt veroorzaakt door het aflopen van de zeebodem en de trechtervorm van de estuaria. Het verschil kan nog extra worden versterkt door effecten zoals reflectie van de getijdengolf bij de kuststrook (mn. bij Cherbourg schiereiland en Frankrijk) en resonantie van de getijdengolf (bijv. In de Severn Estuarie in Groot Brittanie).

Figuur 2.3 Kaart uit de Stroomatlas van de Westerschelde/Oosterschelde, 1 uur voor hoog tij. De uit metingen verkregen stroomrichtingen en snelheden (in zeeknopen) zijn aangegeven met zwarte pijlen. Het zijn gemiddelden in de voor scheepvaart meer belangrijke bovenste waterlagen bij gemiddeld doodtij en gemiddeld springtij. ‘1940’ is 1.9 knopen (1.0 m/s) bij doodtij en 4.0 knopen (2.1 m/s) bij springtij.

Beoordelingscriteria

Hoe kan worden bepaald of en op welke wijze energiewinning uit de Westerschelde interessant is?

Voor het doel van deze rapportage zijn vier beoordelingscriteria gedefinieerd om een referentiekader te scheppen aan de hand waarvan toetsing kan plaatsvinden, te weten:

- het aanbod van energie

- het beleidsplan Westerschelde

- financiële beperkingen

- toekomst perspectieven

Deze beoordelingscriteria worden hieronder kort toegelicht en komen in de hoofdstukken 3 en 4 weer terug om hierover een oordeel te kunnen vellen.

Het aanbod

Zowel voor het benutten van het getijverschil (het hoogteverschil tussen eb en vloed) als getijdenstroming moet een schatting worden gemaakt van het te installeren vermogen en de opbrengsten. Het vermogen wordt uitgedrukt in kW of MW en de opbrengst in kWh per jaar.

Het is belangrijk om te weten welke parameters van invloed zijn op het vermogen en de opbrengst om een afweging te kunnen maken met andere (duurzame) energie bronnen. Het vermogen van een getijcentrale die gebruik maakt van het hoogteverschil, wordt bepaald door het hoogteverschil in meters tussen laag en hoog water en het debiet in m³/s. Een waterstromingsturbine haalt het vermogen juist uit de lokale snelheid van het water (m/s) door het beschikbare doorstromingsoppervlak A (m²).

Het beleidsplan Westerschelde

Een van de belangrijkste toetsingscriteria wordt bepaald door het beleidsplan Westerschelde. Dit beleidsplan is opgesteld in 1995 door de “Stuurgroep Westerschelde” voor de Provinciale Staten van Zeeland. In dit beleidsplan staan de hoofddoelstellingen geformuleerd met betrekking tot de veiligheid voor de bevolking, natuur, visserij, recreatie en scheepvaart.

Alle initiatieven die betrekking hebben op de Westerschelde worden getoetst aan dit beleidsplan, evenals de initiatieven op het gebied van energiewinning uit de getijden. Het plan heeft betrekking op de periode tot het jaar 2005. Daarna wordt na een uitgebreide evaluatie bekeken of het beleidsplan gehandhaafd kan blijven.

Een samenvatting van de hoofddoelstelling volgt:

· Het hanteren van deze doelstelling mag aan de primaire doelstellingen geen afbreuk doen, te weten veiligheid voor de bevolking.

· Uit het beleidsplan blijkt een hiërarchie van functies, te weten

- veiligheid voor de bevolking

- natuur

- scheepvaart/visserij

· Bij twijfel over de toelaatbaarheid van een activiteit in verband met de mogelijke effecten op het ecosysteem wordt het voorzorgprincipe toegepast. Dit houdt in dat, wanneer op basis van de best beschikbare informatie bij de afweging sprake blijkt te zijn van duidelijke twijfel van mogelijk belangrijke negatieve gevolgen voor het ecosysteem.

Financiële beoordeling

Het succes en de commerciële haalbaarheid van energiewinning uit getijden zal uiteindelijk getoetst worden aan de kosten per kWh. Er zijn geen standaard gegevens hierover bekend, evenmin is er een financiële analyse uitgevoerd binnen onze opdracht. Zover bekend uit de literatuur zullen financiële gegevens worden genoemd.

Toekomst perspectieven

Het winnen van energie uit getijden is relatief onbekend. Het ontwikkelen van een eventuele getijcentrale (op kleine of grote schaal) voor de Westerschelde vergt investeringen in kennis en materialen en het opdoen van ervaring. Er moet daarom ook gekeken worden naar toepassingen buiten het Westerschelde gebied. Naar de haalbaarheid in het Oosterschelde gebied is al gekeken. Uit dit onderzoek is gebleken dat energie opwekking met grote hoeveelheden te veel invloed zou hebben op het milieu.

3 Getijverschil als energiebron

Bij getijverschil wordt het hoogte verschil tussen verschillende waterniveaus gebruikt als energiebron. Het verschil in niveaus wordt veroorzaakt door de hoogte verschillen tussen eb en vloed. De soort energie die aanwezig is in het water is dan potentiële energie.

Principe

Turbines die werken op een hydraulisch verval (hoogteverschil van water) hebben een zeer hoog omzettingsrendement (80% en hoger). Om deze reden is waterkracht op basis van verval een hoogwaardige vorm van energieomzetting (ter vergelijking: wind≈40%, photo-voltaïsch (zonne-energie)≈10%, gas≈50%, kolen≈40%).

Om het hydraulische verval van getijden te benutten voor energieopwekking is een bassin nodig. Dit bassin kan van nature aanwezig zijn in de vorm van een estuarium, inham of een fjord of kan eventueel kunstmatig worden gecreëerd.

In het geval van de Westerschelde is het moeilijk om een grote dam aan te leggen omdat de Westerschelde een vrije waterdoorgang is, zonder grote inhammen. Om de Westerschelde als waterbassin te gebruiken moet er een hele dam aangelegd worden. Zo’n enorm project zal enorme kosten met zich mee zou brengen. Een ander punt waar je rekening mee moet houden bij afsluiting van de Westerschelde is de drukke scheepvaart. De schepen zullen geen doorgang meer kan hebben, wat niet te realiseren is omdat de Westerschelde de toegangsvaart is naar de haven van Antwerpen. Nog een punt waar rekening mee gehouden moet worden zijn de gevolgen voor het milieu. Als men inderdaad de Westerschelde af gaat sluiten zal dit een grote invloed hebben op het milieu. Dit is wel gebleken nadat de Oosterschelde is afgesloten door de Oosterschelde-kering. De Oosterschelde is echter afgesloten om het gevaar van de zee tegen te gaan en dat heeft natuurlijk een veel hogere prioriteit dan het opwekken van natuur energie.

Een ander punt, het belangrijkste, is dat we hier een Nederland maar een klein hoogteverschil van het water hebben tussen eb en vloed. Dit verschil is ongeveer 2 meter en is eigenlijk te klein om hier rendabel energie uit te winnen. De centrales die energie opwekken door gebruik te maken van het hoogteverschil tussen twee waterniveau’s, worden geplaatst op een plek waar het verschil tussen eb en vloed minimaal 7 meter is. Als dit verschil kleiner is, is het niet rendabel om hier energie uit te halen omdat de investeringskosten dan veel te hoog zijn.

Een concept dat in de Westerschelde zou kunnen werken is het volgende (figuur 3.1):

Figuur 3.1

De bassins staan in verbinding met het zeewater middels één of meer sluizen waarin laag-verval turbines zijn geplaatst. Zogenaamde “Bulb” turbines worden hiervoor het meest gebruikt. Energieopwekking kan dan plaats vinden op drie manieren:

1. Alleen bij hoogwater: het bassin vult tijdens de vloedperiode, en bij hoog water sluiten de sluizen. Bij laag water loopt het bassin leeg door laag-verval turbines. Met deze methode vindt er energieopwekking plaats gedurende 40% van de getijdencyclus.
2. Alleen bij laag water: de sluizen sluiten bij laag water. Bij hoog water vult het bassin zich met water dat door de buizen stroomt.
3. Bij hoog en laag water: combinatie van bovenstaande twee methodes.

Er zijn aanvullende methoden mogelijk om de continuïteit van energieopwekking te verbeteren. Dit kan door een extra bassin toe te passen of gebruik te maken van pompen, die het getijverschil kunstmatig vergroten.

Figuur 3.1 toont een concept van een dam die niet alleen gebruikt wordt voor het opwekken van elektriciteit, maar ook als verbindingsweg. Het is dus eigenlijk een soort afsluitdijk met turbines.

Voorbeelden

Er zijn weinig getijcentrales gebouwd. De bekendste en grootste is de 240 MW centrale bij La Rance in Frankrijk, die nu sinds 1965 operationeel is (zie figuur 3.2). In de Bay of Fundy bij Annapolis (Canada) is een 20 MW centrale gebouwd. Hier is geëxperimenteerd met een ringgenerator turbine (“Straflo” turbine) in plaats van de meer gangbare “Bulb” turbine. Verder is er een 400 kW experimentele centrale bij Kislaya Guba (Rusland). In China is er een aantal kleine centrales gebouwd waarvan de 3.2 MW centrale in Jiangxia de grootste is. In tabel 1 staan meer gegevens over de centrales.

Figuur 3.2: getijcentrale bij La Rance in Frankrijk. De eerste (1966) en enige centrale in Europa met een vermogen van 240 MW. De huidige kostprijs voor de elektriciteit bedraagt omstreeks €0,03 per kWh.

In de onderstaande tabel (tabel 3.1) staat een aantal centrales die energie opwekken uit het getijverschil. Alle genoemde centrales maken gebruik van slechts een enkel bassin. Bij La Rance en Kislaya is het mogelijk energie op te wekken bij zowel laag als hoog water.

	Gem. Getijverschil (m)	Bassin oppervlak (km^2)	Geïnstalleerd vermogen (MW)	Opbrengst (GWh/jaar)	In gebruik
La Rance (Frankrijk)	8	17	240	540	1966
Kislaya Guba (Rusland)	2,4	2	0,4	?	1968
Annapolis (Canada)	6,4	6	17,8	30	1984
Jiangxia (China)	7,1	2	3,2	11	1980

Tabel 3.1: overzicht van operationele getijverschilcentrales wereldwijd

Ook in Nederland zijn de opties voor getijcentrales bestudeerd. Er is een plan gemaakt om de Markerwaard te bestemmen als opslagbekken. De met windenergie opgepompte hoeveelheid water kon naar behoefte elektriciteit produceren, vooral tijdens pieken (piek shaving). Het opslagbekken zou gebruikt worden om een waterkrachtcentrale aan te drijven met een totaal geïnstalleerd vermogen van ongeveer 1500 MW.

Financiële beoordeling

De bestudeerde literatuur over getijdenenergie gaat uit van de constatering dat getijdenenergie slechts op enkele plekken op aarde economisch winbaar is, namelijk waar het natuurlijke getijverschil gemiddeld minimaal 7 meter bedraagt.

De investering kan worden gereduceerd wanneer er andere faciliteiten aan een systeem kan worden toegevoegd, waarvoor kosten kunnen worden afgeschreven. Een voorbeeld is de realisatie van een brug of verbinding boven de installatie. Zulke voordelen lijken zich echter niet voor te doen in het geval van de Westerschelde.

Toekomst perspectieven

Gezien de hierboven genoemde bezwaren, lijkt er weinig perspectief voor toepassing van de technologie elders in Nederland. Er bestaat wel interesse voor unieke locaties met een hoog getijverschil in onder andere Engeland, Argentinië, China, Australië, India en Korea. Er zijn voor al deze locaties verschillende plannen en voorstellen gemaakt, maar het heeft nog niet tot realisatie van de plannen geleid. Terugkerende bezwaren zijn de hoge investeringen en de onzekerheden over de gevolgen voor natuur en milieu.

4 Getijdenstroming als energiebron

Bij getijdenstroming wordt de stroming van het water gebruikt als energiebron. De stroming van het water wordt veroorzaak door de wisseling van getijde (eb en vloed). In dit hoofdstuk worden de verschillende manieren besproken waarop de kinetische energie omgezet kan worden in elektrische energie.

Principe

Energieopwekking uit getijdenstroming gebeurd op een heel andere manier dan het voorgaand besproken principe, de getijcentrale die werkt op getijverschil.

Een getijdencentrale ontrekt potentiële energie aan water dat op een hoger niveau gelegen is en naar beneden stroomt. Energieopwekking uit getijdenstroming houdt in dat kinetische energie van het water wordt benut dwz de snelheid van het water die ontstaat zodra het water stroomt. Door een rotor in de vrije stroming te plaatsen kan energie worden onttrokken. De stroomsnelheid van het water achter de rotor is lager dan voor de rotor. Dit principe is identiek aan de werking van windturbines.

De berekening van de kinetische energie die in het passerende water aanwezig is wordt als volgt berekend:

P_kin = 1/2*A*ρ*v³

P = het kinetische vermogen in (Nm/s) of (Watt)

A = de oppervlakte waarin de rotor geplaatst is (m²)

ρ = de dichtheid van het medium (kg/m³)

v = de snelheid van het passerende medium (m/s)

Het is onmogelijk om alle kinetisch energie te onttrekken aan de stroming. Het water heeft altijd een bepaalde snelheid nodig om de rotor te kunnen verlaten. De Duitse ingenieur Betz toonde in 1920 aan dat het theoretische maximum rendement uit een vrije stroom gelijk is aan 16/27 (0.593) van de totale kinetische energie.

P = 1/2*A*ρ*v³*C_p

C_p = rendement van rotor

Het rendement van de rotor wordt uitgedrukt met de vermogenscoëfficiënt C_p (Coëfficiënt of Power) die maximaal gelijk is aan Betz’ grens (C_pmax = 0.593). Samen met hydrodynamische verliezen, verliezen ten gevolge van turbulentie en mechanische verliezen in de overbrenging, heeft een waterstromingsturbine in de praktijk een omzettingsrendement tussen de 10% en 40% afhankelijk van het type rotor dat wordt gebruikt.

De uitleg van de verschillende typen rotors is in twee delen opgesplitst:

1. Rotors die hoofdzakelijk werken op de weerstandskrachten (“drag forces”) zoals een schoepenrad of een zogenaamde Savonius rotor. De weerstand ontstaat ten gevolge van de relatieve snelheid tussen de omwentelingen van de rotor (die laag is) en de snelheid van het water die altijd hoger is (omloopsnelheid kleiner dan 1). Dit zijn doorgaans simpele constructies, die eenvoudig te fabriceren zijn. Ze bevatten echter wel veel materiaal en hebben daardoor vaak een relatief laag vermogen in verhouding tot hun omvang. De vermogenscoëfficiënt is in praktijk niet hoger dan ongeveer 0.25 (= verhouding tussen maximum te leveren en werkelijk geleverde energie).

2. Rotors die hoofdzakelijk energie omzetten door gebruikt te maken van hydrodynamische draagkrachten (“lift forces”). Deze rotors maken gebruik van vleugels of bladen met hydrodynamische vorm, zoals vliegtuigvleugels of de bladen van een moderne windturbine (een vergelijkbaar principe) en halen een optimaal rendement bij omwentelingssnelheden die een aantal malen hoger liggen dan de stromingssnelheid van het medium (omloopsnelheid groter dan 1). Vermogenscoëfficiënt tot 0.50 zijn mogelijk. Deze rotors hebben doorgaans een compacte constructie met een hoog omzettingsrendement (goede verhouding tussen vermogen en omvang). De productie van de hydrodynamische bladen vereist veel hightech expertise. Binnen deze laatste categorie kan weer onderscheid gemaakt worden tussen twee typen:

· Axiale rotors, waarbij de richting van de stroming parallel is aan de as van de rotor en de bladen radiaal geplaatst zijn. De rotor moet dus altijd gericht worden op de richting van de stroming.

· Cross-flow rotors, waarbij de richting van de stroming haaks op de as van de rotor staat en de bladen parallel aan de as zijn geplaatst. Een speciale variant is de zogenaamde Voith-Schneider turbine, waarvan de rotor bladen beweegbaar zijn en optimaal worden afgesteld op de stroomsnelheid. De rotor kan zowel van een horizontale as als een verticale as zijn voorzien en kan stromingen uit alle richtingen ontvangen waardoor hij niet gericht hoeft te worden. Dit kan een voordeel zijn bij getijdenstromingen, waar de stroming uit twee tegenovergestelde richtingen komt.

Voor alle typen rotoren geldt dat bewegende delen zoveel mogelijk moeten worden vermeden. Bewegende delen leiden tot rendementsverliezen, extra kosten, onderhoud en gevoeligheid voor falen.

Voorbeelden

Weerstandsrotoren

Rotoren die werken op het principe van weerstand zijn beter bekend als eenvoudige watermolens, al dan niet met verstelbare schoepen. Het is een eeuwenoud principe waarvan de voorbeelden legio zijn. Recente voorbeelden zijn hoofdzakelijk renovatie projecten van oude watermolens of toepassingen voor ontwikkelingslanden. Gezien de slechte verhouding tussen vermogen en omvang van de constructie, lijkt dit type turbine weinig economisch rendabel voor fabricage en toepassingen. Figuur 4.1 geeft een voorbeeld van een getijdenmolen met verstelbare schoepen.

Figuur 4.1: 100 MW getijdenmolen met verstelbare schoepen ontworpen maar nooit uitgevoerd in Australië (Weber, 1976).

Axiale rotoren

De grootste praktijk experimenten hebben plaats gevonden in de East River in New York waar een 60 kW turbine met axiale rotor was geïnstalleerd (figuur 4.2). Er waren verder plannen voor een 30 kW turbine ontwikkeld door de New York University. Er is weinig bekend over de resultaten van deze experimenten.

Figuur 4.2: Schema voor een 30 kW turbine gemonteerd aan een brug over de East River in New York.

Cross flow rotoren

In Canada zijn sinds begin jaren 80 verscheidene prototypes van cross-flow of zogenaamde Darrieus turbines (figuur 4.3) ontwikkeld (max. 5 kW) en getest, zowel in laboratorium omgeving als ook op zee. The Blue Energy Company uit Vancouver is tot op heden actief bezig de Davis turbine te exploiteren in onder meer de Filippijnen. Er is geen informatie bekend van gerealiseerde projecten.

Figuur 4.3: Davis Turbine. Schematisch overzicht van hoe de turbines in een dam bij Dalupiri (Filippijnen) worden geplaatst.

In Nederland zijn er ook een aantal projecten geweest waarmee de getijdenstromingen benut werden. Een van deze ontwikkelingen is de volgende:

Tocardo Turbine (axiale rotor met venturi behuizing)

Teamwork Technology (Zijdewind, NH) is op verschillende vlakken betrokken

bij projecten op het gebied van duurzame energie. Het bedrijf neemt onder andere

deel aan het project de Archimedes Wave Swing (AWS). De AWS is een

golfenergie turbine, waarvan een prototype wordt gerealiseerd voor de kust van

Portugal. Tevens beschikt het bedrijf over de knowhow en de rechten tot exploitatie

van de Tocardo turbine (figuur 4.4).

Figuur 4.4: Tocardo Turbine (Aqua 75). De behuizing in de vorm van een venturi hangt onder een ponton.

Financiële beoordeling

Financieel gezien lijkt het goed mogelijk om energie uit getijdenstroming op te wekken, dit omdat er geen dam gebouwd hoeft te worden. De installatie kan vrij eenvoudig gehouden worden, wat als groot voordeel heeft dat het ook weinig onderhoud vraag.

Toekomst perspectieven

Energieopwekking uit getijdenstroming lijkt in Nederland een goede kans van slagen te hebben. De stroomsnelheden van het water in Nederland zijn niet zo heel hoog, maar wel vrij constant, en het is goed voorspelbaar waarneer er bepaalde stromingen zijn, dit is bij wind niet zo. Bij energieopwekking uit getijdenstroming is het mogelijk redelijk nauwkeurig uit te rekenen hoeveel energie er op gewekt kan worden.

5 Keuze van rotor

In ons project zijn er twee essentiële onderdelen waar naar gekeken moet worden. Dit zijn de rotor en de generator. In dit hoofdstuk besproken zal de rotor besproken worden.

In ons concept gaan wij gebruik maken van getijdenstromingen in de Westerschelde. Hiervoor hebben we aan de hand van de stroomatlas (HP15, bijgevoegd als bijlage 3) eerst uitgezocht waar de stromingen het hoogst zijn. De stromingen worden per uur opgegeven en zijn bepaald door jaren metingen te doen. Het zijn gemiddelde stromingen over een aantal jaren. Dit is belangrijk omdat bij verandering van klimaat de stromingen ook iets zullen veranderen. Het ziet er nu echter nog niet naar uit dat er op korte termijn drastische veranderingen zullen plaatsvinden.

De energie uit stromend water is kinetische energie en de omzetting hiervan naar mechanische energie moet worden gedaan door een rotor, die in beweging wordt gezet door de stroming van het water. Onze keuze van de rotor wordt bepaald door het rendement wat de rotor levert en het onderhoud dat wij aan de installatie verwachten te hebben.

Wij plaatsen onze rotor in een duct om een hogere stroomsnelheid van het water te bereiken. Een hoge stroomsnelheid is voor ons van groot belang omdat in de snelheid van het medium enorm veel energie aanwezig is. Deze energie wordt berekend met de formule P_kin = 1/2*A*ρ*v³ (zie bijlage 2). Uit deze formule is af te leiden dat de stromingssnelheid v een zeer grote invloed heeft op het totaal geleverde vermogen (formule is besproken in het voorgaande hoofdstuk). Wat betreft het duct waarin de turbine geplaatst zal worden, hier zal in hoofdstuk 6 nader op ingegaan worden.

Na een brainstormsessie hebben wij zelf twee concepten bedacht en uitgewerkt. Voor beide concepten zal besproken worden welke rotor we hebben gekozen.

Axiale rotor

Ons eerste concept is een duct met daarin een axiale rotor. Het is een driebladige rotor met een diameter van 2 meter (figuur 5.1).

Figuur 5.1: zijaanzicht

Om de stroming optimaal te benutten is het nodig dat de rotor 180˚ graden kan draaien, zodat de rotor altijd in de goede positie staat ten opzichte van de stroming. De stromingsrichting verandert 4 maal per dag van richting. Om te kunnen bepalen in welke richting het water op een bepaald moment stroomt wordt er boven in het duct een klein propellertje gemonteerd die altijd met de stroming meedraait. Zodra de stroming een bepaalde tijd in één richting stroomt (bijvoorbeeld 5 minuten) zal de rotor ook in deze richting gedraaid moeten worden. Deze tijdsduur is ingesteld om te voorkomen dat de turbine te vroeg omgedraaid wordt. De draaiing van het geheel levert kost heel wat energie en levert uiteraard niets op.

De rotor waarover wij spreken zal vier keer op een dag gedraaid moeten worden. Er zijn echter ook rotors met vrijwel hetzelfde model waarbij het niet uitmaakt in welke richting het water stroomt. De rotors kunnen namelijk van beide zijden in beweging gebracht worden. Nadeel van deze rotors is echter dat ze een lager rendement hebben. Aangezien het rendement van energiewinning uit getijdenstroming laag is, streven wij ernaar een zo groot mogelijk rendement te bereiken.

Het rendement dat wij verwachten te bereiken met het type rotor die iedere keer gedraaid moet worden, ligt tussen de 30% (C_p=0,3) en 40% (C_p=0,4) van de kinetische energie die aanwezig is in het stromende water.

Het concept met een axiale rotor (figuur 5.2) is niet verder uitgewerkt omdat de overbrenging van de rotor op de generator te veel verliezen veroorzaakt. De as van de rotor ligt horizontaal en de beweging hiervan wordt haaks overgebracht op een as die naar beneden gaat. Het probleem met een haakse koppeling is dat de verliezen enorm zijn en dat er veel slijtage plaatsvindt. Dit betekent uiteraard weer onderhoud aan de installatie wat niet eenvoudig is als de installatie eenmaal is geplaatst.

Een mogelijke oplossing om een overbrenging te voorkomen is een plaatsing van de generator direct achter de rotor. Echter, omdat het te verwachten toerental niet hoog ligt zal dan gekozen moeten worden voor een generator met een grote omvang. Dit heeft automatisch als gevolg dat het duct dan ook in grote moet toenemen. Bij plaatsing in de Westerschelde hebben we echter te maken met een maximale hoogte die een installatie mag hebben. We verwachten dat het betreffende concept dan ongeveer 5 tot 7 meter hoog wordt en misschien is het toch mogelijk om dit concept te plaatsen. We hebben echter na opnieuw brainstormen een ander concept bedacht waarvan we denken dat het een betere oplossing is voor het probleem: het principe van de ‘Helical turbine’ (volgende pagina).

Om deze reden hebben we ervan afgezien dit concept verder uit te werken.

Helical turbine

Ons tweede concept is een duct met daarin een cross flow rotor. Het is een Triple-Helix turbine. De diameter van de rotor is 2 meter en de inwendige hoogte is 5 meter (figuur 5.3).

Figuur 5.3: bovenaanzicht

Een groot voordeel van Triple-Helix turbine is dat deze stromingen vanuit alle richtingen om kan zetten in mechanische energie. In ons concept staat de rotor verticaal in het duct, dat wil zeggen dat de as van de rotor verticaal staat. Dit is voor ons een groot voordeel omdat eventuele overbrengingen voorkomen worden. De generator kan namelijk door dezelfde as aangedreven worden. Bijkomend voordeel is het feit dat de generator nu niet in de stroming van het water maar onder het duct geplaatst kan worden. Een derde voordeel van deze turbine is het feit dat ze zeer onderhoudsvriendelijk zijn omdat er helemaal geen bewegende deel aan zitten. Het is gewoon een vaste constructie die gaat draaien. Omdat de Triple-Helix turbine een technisch vrij eenvoudige constructie heeft, zal de fabricagekostprijs niet bijzonder hoog zijn.

Een Triple-Helix turbine is gemaakt uit drie platen die gekromd zijn. Deze platen worden aan de bovenzijde en onderzijde aan elkaar verbonden door een metalen schijf met een diameter van 2 meter. Deze schijven brengen de roterende beweging over op de as van de turbine, die de generator weer aandrijft. De hele turbine wordt van aluminium gemaakt omdat dit twee grote voordelen heeft. Het materiaal is licht en zout water heeft geen nadelige gevolgen op het materiaal. Op het oppervlak van de turbine dat in aanraking komt met het zoute water wordt een coating aangebracht tegen aangroei van zeedieren.

De constructie (figuur 5.5) waarmee de turbine in het duct geplaatst wordt is eigenlijk heel eenvoudig. In de bovenzijde en in de onderzijde van het duct worden twee rollagers gemonteerd, waarin de as van de rotor draait. Aan de onderzijde van het duct zal de as van de turbine door de wand heen gaan omdat de generator aan deze zijde van het duct opgesteld staat. De turbine moet ook van een rem voorzien worden zodat de turbine op elk moment stil gezet kan worden. Het zou bijvoorbeeld kunnen gebeuren dat de generator kapot gaan en waardoor de turbine gestopt moet kunnen worden zodat er een reparatie aan uitgevoerd te kan worden. Uiteraard moet de turbine gestopt moeten worden zodra onderhoud aan de installatie uitgevoerd wordt.

Wij hebben gekozen voor toepassing van twee schijfremmen. Één rem zou in principe al genoeg zijn om de installatie te stoppen, echter als deze om een technische reden weigert moet de andere rem het over kunnen nemen. De remmen moeten de installatie op elk tijdstip kunnen stoppen, dus ook als de turbine met een maximale snelheid draait. Om deze reden moeten de remmen dus berekend worden in het geval dat de belasting het zwaarst is. Wij zullen één rem aan de bovenzijde van het duct monteren en een rem aan de onderzijde. De remmen mogen niet vrij in het water draaien omdat dit een nadelig effect op de remmen zou kunnen hebben. Dit geldt overigens ook voor de rollagers.

Het is natuurlijk belangrijk dat de turbine ook geremd wordt en blijft zodra de spanning wegvalt. Dit betekent dat de remmen in ruststand de turbine altijd tegen moet houden en deze pas mag ‘loslaten’ zodra de remmen bekrachtigd worden. Deze bekrachtiging kan geschieden door middel van sterke veren die in ruststand de remblokken tegen de turbine klemmen. Zodra men de turbine in beweging wil krijgen dienen deze veren ontspannen te worden zodat de turbine vrij kan ronddraaien. Voor het ontspannen van de veren kan bijvoorbeeld gebruik gemaakt worden van hydraulische cylinders.

Het rendement van een Triple-Helix turbine is ongeveer 35% (C_p=0,35) wat betekent dat de turbine 35% van de hoeveelheid aanwezige kinetische energie om kan zetten naar mechanische energie. Zie ook grafiek 5.1 op volgende pagina, waar effectiviteit van de turbine is afgezet tegen de stroomsnelheid van het water.

Grafiek 5.1

Het vermogen dat de Triple-Helix turbine opwekt wordt weergegeven in onderstaande grafiek (grafiek 5.2). Hier wordt het opgewekte vermogen afgezet tegen de stroomsnelheid van het water. De volgende formule is gebruikt om het vermogen te berekenen:

P = 1/2*A*ρ*v³*C_p

Deze formule is uitgewerkt in hoofdstuk 3.

Grafiek 5.2

Het toerental van de rotor die toegepast wordt in ons concept is moeilijk te bepalen. Desondanks hebben wij toch geprobeerd de werkelijkheid zo goed mogelijk te benaderen. We hebben een grafiek gevonden met daarin het toerenverloop van een Triple-Helix turbine en aan de hand van deze grafiek hebben wij zelf geprobeerd om een grafiek af te leiden (grafiek 5.3) die voor ons concept van toepassing is. De toerentallen kunnen pas echt bepaald worden door het testen van de rotor in de praktijk. Ondanks dat het ons de tijd en de kennis ontbreekt, verwachten we een goede benadering van de werkelijkheid gecreëerd te hebben.

Grafiek 5.3

6 Het duct

Het aanbod uit de getijdenstromingen van de Westerschelde wordt bepaald door de stroomsnelheid v (m/s) en het beschikbare doorstromingsoppervlak A (m²). Het vermogen wordt in grote mate bepaald door de derdemachtsrelatie met de stroomsnelheid, zoals volgt uit de volgende formule voor het maximale kinetische vermogen P (zie ook bijlage2):

P=½.ρ.Α.v³

Het gemiddeld technisch beschikbaar vermogen Pgem wordt beperkt door het rendement η van de turbine en de gemiddelde snelheid over een getijdenperiode van 12 uur en 25 minuten. Uitgaande van een rendement η van 0,3.

Het is dus duidelijk dat het verhogen van de snelheid een veel groter effect heeft op het vermogen dan een vergroting van het doorstromingsoppervlak. Vandaar dat het toepassen van een duct interessant kan zijn. De werking van een duct is hieronder schematische weergegeven.

Figuur 6.1 Doorsnede van het duct

In het duct hebben we te maken met vier belangrijke factoren, namelijk:

1. De inkomende stromingsnelheid (V1);
2. De grootste binnendiameter van het duct (B1);
3. De verhoogde stromingsnelheid (V2);
4. De kleinste binnendiameter van het duct (B2);

De continuïteitsregel leert ons dat de inkomende stromingsnelheid (V1) maal de bijbehorende oppervlakte (kan berekend worden met B1) gedeeld door de verhoogde stromingsnelheid (V2) maal de bijbehorende oppervlakte (kan berekend worden met B2) gelijk aan elkaar is. Dit betekend dat we met behulp van een duct de verhoogde stromingssnelheid kunnen bepalen. Door in de kleinste binnendiameter van het duct (B2) een turbine te plaatsen geeft de verhoogde stroming een kinetische energie aan de rotorbladen van de turbine.

Dit geeft ons mogelijkheden om getijdenenergie met behulp van een turbine (mechanisch) om te zetten naar elektrische energie (dmv een generator) in een betrekkelijk kleine ruimte.

Het type duct:

Welke afmetingen het duct krijgt en hoe hij er uit komt te zien hangt af van de omvang van de generator en het type rotor dat voor ons het hoogste rendement bied.

Hierbij zijn we tot twee verschillende opstellingen gekomen, namelijk:

1. Duct met een rond oppervlak
2. Duct met een vierkant oppervlak

Hieronder zal worden besproken wat de verschillen zijn tussen beide oplossingen.

1. Duct met een rond oppervlak;

Figuur 6.2 Doorsnede duct voor axiale rotor

Het duct met het ronde oppervlak is gemaakt voor een axiale rotor. Bij een axiale rotor is de richting van de stroming parallel aan de as van de rotor en de bladen worden dan radiaal geplaatst. Axiale rotors moeten dus altijd gericht worden op de richting van de stroming. Om optimaal gebruik te maken van de getijdenstroming zal de rotor van zowel de voorkant als de achterkant aangedreven moeten kunnen worden of de rotor zal in zijn geheel in de richting van de stroming gedraaid moeten kunnen worden.

Om de rendementsverliezen zo laag mogelijk te houden zal de generator in dezelfde lijn als de as van de rotor staan. Als het middelpunt van de generator uit het middelpunt van de as van de rotor gezet wordt, zullen er altijd ongewenste rendementsverliezen optreden omdat men gebruik zal moeten maken van koppelingen en tandwielen.

Omdat de snelheid van de rotor laag ligt, zullen wij voor een generator moeten kiezen met een grote diameter zodat we toch aan de minimale frequentie van de op te wekken spanning voldoen. Deze frequentie wordt bepaalt door het aantal poolparen waarmee de generator wordt voorzien. Dus hoe groter de diameter van de generator wordt hoe groter het aantal poolparen dat in de generator geplaatst kan worden en hoe hoger de frequentie van de geleverde spanning wordt. Een grote diameter van de generator heeft echter als gevolg dat de generator in de hartlijn van de as ver achter het duct geplaatst moet worden om de stroming niet tegen te werken. Ook zullen er problemen ontstaan bij het keren van het tij. Er zullen ongunstige turbulente stromingen ontstaan rond om de generator.

2. Duct met een rechthoekig oppervlak;

Figuur 6.3 Doorsnede duct voor cross-flow rotor

Het duct met het rechthoekige oppervlak is gemaakt voor een radiale rotor. Het duct is zo ontworpen dat er een zogenaamde Helix rotor toegepast kan worden (zie hoofdstuk 5). Het voordeel van de Helix rotor is dat de as van de rotor verticaal in het duct staat. Dit geeft betere mogelijkheden om de generator zonder rendementsverliezen buiten het duct te plaatsen in de lijn van de rotoras.

De materiaalkeuze van het duct

Het duct wordt vervaardigd uit beton, dit omdat het naar onze mening de beste oplossing is voor een proefproject. Andere materiaalsoorten bieden niet de gewenste levensduur of bieden financieel te weinig perspectief voor een proefproject.

Beton is consistent tegen nautische invloeden, zoals de agressieve invloed van het zeewater op de installatie. Mede hierdoor is onze voorkeur uitgegaan naar een betonnen installatie.

Eigenschappen van beton

Kenmerkend voor alle materiaaleigenschappen van beton is dat het een heterogeen materiaal is. Dit wil zeggen dat het beton is opgebouwd uit materialen met verschillende eigenschappen. De toeslagmaterialen hebben volkomen andere eigenschappen dan het cementsteen, wat de korrels toeslagmateriaal tot een geheel verbindt. In het geval van gewapend beton vormt de wapening een derde element met weer andere eigenschappen. Een tweede belangrijk aspect is het feit dat de eigenschappen van beton zich in de tijd ontwikkelen / verbeteren. Zowel deze tijdsafhankelijkheid als de heterogeniteit komen tot uiting in belangrijke eigenschappen als:

- sterkte

- vervormbaarheid

- duurzaamheid

De volumieke massa van beton

Afhankelijk van de volumieke massa en het gebruikte toeslagmateriaal worden de volgende drie betonsoorten onderscheiden :

- Lichtbeton ,geheel of gedeeltelijk vervaardigd met grove, lichte toeslagmaterialen. De volumieke massa bedraagt in het algemeen ρ_s < 2000 kg/m³.

- Normaal beton, vervaardigd met harde, dichte toeslagmaterialen, met in het algemeen een volumieke massa ρ_s tussen 2000 en 2800 kg/m³. Wanneer zand en grind als toeslagmaterialen worden gebruikt zal de volumieke massa doorgaans tussen de 2300 en 2450 kg/m³ liggen

- Zwaar beton, geheel of gedeeltelijk vervaardigd met grove, zware toeslagmaterialen, in het algemeen met een ρ_s van 2800 kg/m³ of meer

Wij hebben ervoor gekozen normaal beton toe te passen in ons project omdat dit het meest gangbaar is. Bovendien is het de meest goedkope oplossing met dezelfde positieve eigenschappen als de andere betonsoorten, waardoor het de beste oplossing is voor het proefproject

Duurzaamheid

Een andere belangrijke eigenschap is duurzaamheid, dat wil zeggen het vermogen om weerstand te bieden tegen de inwerking van verscheidene fysische en chemische invloeden. Voorbeelden hiervan zijn :

- Weer en wind ( droog/nat, warm/koud ) ;

- Inwerking van vorst ;

- Hoge temperaturen ;

- Inwerking van sulfaten ;

- Inwerking van zuren ;

- Inwerking van zeewater ;

- Erosie.

Als het beton is voorzien van beton- of voorspanstaal, gaat ook de duurzaamheid van staal een rol spelen. Belangrijk is dan de eventuele indringing van koolzuurgas en chloriden. Chloriden kunnen ook al in de grondstoffen zelf aanwezig zijn. De weerstand tegen deze invloeden vormt een relatie met de sterkte. Over het algemeen zal beton met een hogere sterkte een betere duurzaamheid vertonen. Sterkte is echter geen garantie voor duurzaamheid. Voor de duurzaamheid met beton is vooral de doorlatendheid bepalend. Dit wordt ook wel permeabiliteit genoemd. Voor de duurzaamheid voor de wapening is vooral de dekking bepalend.

Overige eigenschappen

Ook enkele van de volgende betoneigenschappen kunnen in combinatie met de al genoemde eigenschappen sterkte, vervormbaarheid en duurzaamheid eveneens van belang zijn :

- waterdichtheid ;

- volumestabiliteit ;

- massa ;

- oppervlaktestructuur ;

- kleur.

Gewichtsbepaling

Voor de bepaling van het gewicht dient eerst de totale oppervlakte van het duct berekend te worden. Na de berekening hiervan zal deze oppervlakte A vermenigvuldigd moeten worden de dikte van de wand. Afbeelding 6.4 toont de afzonderlijke oppervlakken van het (vierkante duct).

A_{bovenzijde inlaat} = 16 m² x 4 = 64 m²

A_{zijkant inlaat} = 22,35 m² x 4 = 89,4 m²

A_{bovenzijde middenstuk} = 4 m² x 2 = 8 m²

A_{zijkant middenstuk} = 10 m² x 2 = 20 m²+

Totaal oppervlak = 181,4m²

Totaal volume bij een wanddikte van 150mm en een ρ_s van 2400 ^kg/_m3:

Totaal volume = 181,4 x 0,15 = 27,21 m³

Totale massa = 29,21 x 2400 ^kg/_m3 = 65.304 kg

≈ 65 ton

Figuur 6.4 Oppervlakken van het duct

Plaatsing van de generator

De plaats van de generator hangt af van zijn omvang. Doordat de omtreksnelheid van de rotor laag is, is er een generator met een grote diameter nodig om een aanvaardbaar rendement te verkrijgen. De diameter van de generator zal ± 1,5 meter zijn. Door onder het duct poten van 2,3 meter te plaatsen kan de generator onder het duct geplaatst worden. De poten bieden dan ook als bescherming voor de generator.

7 De keuze van de generator

Dit hoofdstuk gaat over de keuze van de generatoren. Er wordt behandeld welke generator wij voor ons concept hebben gekozen en hoe deze keuze tot stand is gekomen. Om de rotatie’s van de rotor om te zetten in elektrische energie moet er gebruik gemaakt worden van een generator.

Type generatoren

Generatoren kunnen globaal verdeeld worden in twee typen namelijk: gelijkstroomgenerator en de wisselstroomgenerator. Wisselstroomgeneratoren zijn weer onderverdeeld in asynchrone en synchrone generatoren.

Allereerst wat algemene informatie over de verschillende generatoren.

Gelijkstroomgenerator.

Voordeel: toepasbaar voor lage snelheden

Nadeel: Onderhoudsgevoelig

Asynchrone generator:

Voordeel: Goedkoop

Nadeel: Hoog blindvermogen bij laag toerental

Figuur 7.1 Hoogpolige generator

Synchrone generator

Voordeel: regelbare cos ø (blindvermogen)

Nadeel: De generator moet synchroon lopen met de netfrequentie

Bij ons concept hebben we te maken met wisselende rotatie snelheden. De oplossing hiervoor kan zijn dat we gebruik maken van een asynchrone machine, echter het nadeel hiervan is dat de cos ø niet regelbaar is. Hierdoor heeft de generator dus bij een lage rotatiesnelheid een hoge cos ø.

Een andere oplossing is om een gelijkstroomgenerator toe te passen en de opgewekte gelijkstroom met een regelaar om te zetten in een wisselspanning. Met deze oplossing is het mogelijk om met een laag toerental energie op te wekken. Het nadeel van een gelijkstroomgenerator is dat de generator veel onderhoud nodig heeft. En dit willen we juist voorkomen omdat de generator onder water geplaatst zal worden, wat de onderhoud aan de installatie extra bemoeilijkt.

Het probleem dat zich voordoet bij een synchrone generator is dat de frequentie van de generator synchroon moet lopen met de netfrequentie. Om dit probleem op te lossen kunnen we gebruik maken van een frequentie regelaar die de spanning eerst omzet naar een gelijkspanning en de gelijkspanning dan weer omzet naar een spanning met dezelfde frequentie als de netfrequentie. Een voordeel van dit type generator is het feit dat de cos ø hiervan geregeld kan worden door de bekrachtiging van de rotor.

Voor ons project kunnen we dus het beste een synchrone generator gebruiken in combinatie met een frequentie regelaar. In dit hoofdstuk zal dieper ingegaan worden op de technische details van de generator en in hoofdstuk 8 zal worden besproken hoe we de frequenties van de generator en van het elektriciteitsnet op elkaar af kunnen stemmen.

Vermogen van de generator

Als bekend is welk type generator we nodig hebben moet alleen nog het vermogen van de generator bepaald worden.

De generator moet geschikt zijn voor het vermogen dat door de rotor wordt aangeboden. Dit vermogen is voor het grootste deel afhankelijk van de stroomsnelheid (zie hoofdstuk 4 keuze van de rotor). Omdat we ons concept in de Westerschelde willen realiseren, moeten we de stroomsnelheden in de Westerschelde zien te achterhalen. Voor de stroomsnelheden hebben we gebruik gemaakt van de stromingsatlas (zie bijlage 3).

We hebben gekeken naar de stroomsnelheden op 10 locaties waar deze snelheden het hoogst zijn en de snelheden per uur van deze locaties in een tabel gezet.

Voor ons concept beperken wij ons tot het berekenen van de generator voor locatie 7.

In tabel 7.1 zijn de stroomsnelheden voor doodtij V(D), springtij V(S) en een gemiddelde stroomsnelheid V(G) in m/s opgenomen. Ook is de energie uit gerekend die de rotor zal leveren.

Tijdstip	V (D)	V (S)	V (G)	P(D) W	P(S) W	P(G) W
6 h voor HW	1,15	1,90	1,53	72796	328301	169754
5 h voor HW	0,60	1,70	1,15	10339	235157	72796
4 h voor HW	0,30	0,45	0,38	1292	4362	2524
3 h voor HW	0,80	0,80	0,80	24506	24506	24506
2 h voor HW	0,85	1,05	0,95	29395	55409	41038
1 h voor HW	0,95	1,10	1,03	41038	63707	51545
HW	0,80	1,35	1,08	24506	117764	59462
1 h na HW	0,40	0,85	0,63	3063	29395	11686
2 h na HW	0,10	0,15	0,13	48	162	93
3 h na HW	0,70	0,95	0,83	16417	41038	26877
4 h na HW	1,05	1,75	1,40	55409	256522	131340
5 h na HW	1,15	1,90	1,53	72796	328301	169754
6 h na HW	0,80	1,90	1,35	24506	328301	117764
	V1(D)	V1(S)	V1(G)
Gemiddelde				28932	139456	67626
Tabel 7.1 stroomsnelheden en kinetische energie

Met deze gegevens kunnen we bepalen hoe groot het vermogen van de generator moet zijn. Hiervoor zijn een aantal afwegingen nodig omdat het vermogen nogal varieert.

Een generator van 300 kW kan met springtij veel vermogen opwekken maar met doodtij zal het rendement van de generator hard achteruit gaan. Hierdoor zal deze generator gedurende de hele periode weer minder opwekken dan een kleinere generator.

Met de gegevens van tabel 7.1 kunnen we het vermogen van uit rekenen wat een generator van een bepaalde grote opwekt. In tabel 7.2 is het vermogen uitgerekend wat een 140kW generator op zal wekken.

	Generator 140 kW			Generator 140 kW			Generator 140 kW
Tijdstip	Doodtij			Springtij			Gemiddelde
		η	P(W/h)		Η	P(W/h)		η	P(W/h)
6h vr HW	72796	0,47	34067	140000	0,90	126000	140000	0,90	126000
5h vr HW	0	0,00	0	140000	0,90	126000	72796	0,47	34067
4h vr HW	0	0,00	0	0	0,00	0	0	0,00	0
3h vr HW	24506	0,16	3861	24506	0,16	3861	24506	0,16	3861
2h vr HW	29395	0,19	5555	55409	0,36	19737	41038	0,26	10826
1h vr HW	41038	0,26	10826	63707	0,41	26091	51545	0,33	17080
HW	24506	0,16	3861	117764	0,76	89154	59462	0,38	22730
1h na HW	0	0,00	0	29395	0,19	5555	0	0,00	0
2h na HW	0	0,00	0	0	0,00	0	0	0,00	0
3h na HW	16417	0,11	1733	41038	0,26	10826	26877	0,17	4644
4h na HW	55409	0,36	19737	140000	0,90	126000	131340	0,84	110894
5h na HW	72796	0,47	34067	140000	0,90	126000	140000	0,90	126000
6h na HW	24506	0,16	3861	140000	0,90	126000	117764	0,76	89154
	Gem 9044 kW/h			Gem 60402 kW/h			Gem 41943 kW/h
Tabel 7.2 Opgewekt vermogen van 140kW generator

In tabel 7.3 zijn de gemiddelde waarden van de andere generatoren uitgerekend.

Generator	P(D) W/h	P(S) W/h	P(G) W/h
50kW	16942	32078	27522
60kW	17314	36275	29933
70kW	17412	39260	33859
80kW	15919	42141	34819
100kW	12735	48654	37825
120kW	10551	55480	41289
140kW	9044	60402	41943
160kW	7913	65832	41892
180kW	6930	71595	39712
220kW	5670	83752	32491
240kW	5198	89378	29784
260kW	4318	92516	25610
280kW	4010	93918	25202
300kW	354	95489	23522
Tabel 7.3 Gemiddelde waarden div. generatoren

Uit deze tabel kunnen we opmaken dat een generator van 140kW gemiddeld 42 kW/h opwekt. Als we een grotere generator uit kiezen zal deze met springtij wel meer op wekken, echter het gemiddeld geleverde vermogen wordt dan wel lager. Dit wordt veroorzaakt door het rendement van een grotere generator, dat veel lager ligt bij een laag toerental.

In ons concept kiezen we voor een generator van 140 kW omdat uit de gegevens blijkt dat deze de meeste energie opwekt.

We hebben met ons concept te maken met lage toerentallen waar speciale generatoren voor zijn. We vinden zulke generatoren ook terug in windturbines.

Fabriekanten van deze machines zijn onder andere Lagerwey en Enercon. Deze bedrijven maken generatoren voor windturbines met een laagtoerental 20 – 80 omwentelingen per minuut. Omdat we in ons concept ook te maken hebben met lage toerentallen (35 tot 100 omwentelingen per minuut) zullen we de generator ook bij een van deze bedrijven moeten bestellen.

Voor ons project hebben we dus een synchrone generator van 140 kW nodig die geschikt is voor toerentallen lage toerentallen. De behuizing van de generator moet waterdicht worden uitgevoerd omdat de generator onder water wordt geplaatst.

Opgewekt vermogen

Als we uitgaan van een generator van 140kW kunnen we het vermogen uitrekenen wat de generator opwekt. Uit de gegevens van tabel 7.2 blijkt dat een generator van 140kW gemiddeld 42kW/h opwekt.

Per jaar levert een generator dus 42 x 24 x 365 = 368 MW/h.

Op de locatie willen we 10 van deze generatoren plaatsen. Het vermogen wat we daarmee dan op wekken komt dan op 3,7 GW/h per jaar. Een gemiddeld huishouden in Nederland gebruikt 3500kW/h per jaar. Onze installatie zal dan voldoende energie kunnen opwekken voor zo ongeveer 1050 huishoudens.

8 Netkoppeling

Nadat de kinetische energie door de generator is omgezet in elektrische energie zou deze nu aan het elektriciteitsnet gekoppeld kunnen worden. Er is echter nog één probleem; als je dit zou willen doen zou de generator met exact dezelfde frequentie moeten oscilleren als het net (ofwel deze moet in fase lopen met het net). Dit probleem is vrij complex en om dit te kunnen begrijpen moet je enige kennis hebben van generatoren (zie hoofdstuk generatoren).

Je zou bijvoorbeeld met een verstelbaar rotorblad ervoor kunnen zorgen dat de generator (‘direct drive’ aangedreven) een vast toerental heeft. Afhankelijk van het aantal polen dat in de generator is gemonteerd kun je de frequentie regelen. Het toerental van de generator kan nog verder bijgeregeld worden door in de afname naar het net toe af te knijpen of juist meer open te regelen. Nu zou de waterstroming en dus de energie echter maar heel beperkt benut kunnen worden en daarom is deze manier erg inefficiënt.

Om een constant toerental te verkrijgen zou je ook gebruik kunnen maken van een tandwielkast tussen rotor en generator. De rotor kan nu wel variabel draaien doordat deze kast ervoor zorgt dat de generator het constante toerental heeft. Een dergelijke tandwielkast is echter ten eerste onderhoudsgevoelig zijn, wat voor een onderwaterunit absoluut funest is. Ten tweede zal een tandwielkast grote wrijvingsverliezen met zich meebrengen.

De vorige mogelijkheden vallen dus af. Om toch een zo hoog mogelijk rendement uit de kinetische energie te verkrijgen hebben wij een andere oplossing bedacht met een hoog rendement en dat er tegelijkertijd voor zorgt dat de netfrequentie in de gaten wordt gehouden. Dit steekt als volgt in elkaar:

De rotor heeft een variabel toerental waardoor op verschillende tijdstippen hoge toerentallen bereikt worden en anderzijds weer lagere. De generator wordt direct aan de rotor gekoppeld zonder inefficiënte tandwielkasten. Hierdoor ontstaan helaas wel fluctuaties in de frequentie waar in het publieke net niet mee gewerkt kan worden. Deze fluctuaties worden echter gereduceerd door een frequentieregelaar.

Figuur 8.1 Generator-net koppeling

De frequentieregelaar

De frequentieregelaar zorgt ervoor dat de wisselspanning met de variabele frequentie (afkomstig van de generator) omgevormd wordt zodat deze dezelfde frequentie als het publieke net krijgt. Het omvormen in de frequentieregelaar gebeurt op de volgende manier: De spanning met de variabele frequentie wordt eerst m.b.v. thyristors of hoog vermogen transistoren gelijk gericht en van hieruit wordt een wisselspanning opgebouwd met dezelfde frequentie als die van het net. Door daarna nog gebruik te maken van AC-filter technieken, vormt het uitgangssignaal een aardig zuiver sinusvormig signaal. Nu het geheel aan het elektriciteitsnet gekoppeld kan worden.

Figuur 8.2 Omvormen van frequentie

Als frequentieregelaar kan een standaard type gebruikt worden die op dit moment op de markt zijn. Deze regelaars bestaan niet alleen uit schakelingen om frequenties te bewerken maar beschikt daarnaast doorgaans over tal van regel- en beveiligingsfuncties. Eigenlijk is dit dus, naast een frequentie omzetter, een kleine PLC met in en uitgangen waar wij een aantal van gaan gebruiken.

Flowmeting

Bij een te laag toerental zal de generator niets aan het net. Integendeel, het elektriciteitsnet zal blindvermogen aan de generator leveren zodat de generator een motor wordt. Om dit te voorkomen moet constant in de gaten worden gehouden of de generator niet omslaat van generatorbedrijf in motorbedrijf. Wij doen dit door middel van een flowmeter die de snelheid van de waterstroming meet. Bij deze manier zal van te voren aan de hand van metingen en berekeningen bekend moeten zijn wanneer een rendabel toerental bereikt wordt. Dit minimale toerental kan dan gebruikt worden als setpoint (instelpunt) voor de frequentieregelaar. Zodra de flowmeter een stroming meet lager dan de minimaal ingestelde stroming stuurt één van de uitgangen van de frequentieregelaar een relais aan waardoor het geheel wordt losgekoppeld van het elektriciteitsnet. Registreert de flowmeter weer een stroming die genoeg is om energie te leveren dan wordt weer aangekoppeld. De metingen rond het kritieke punt zullen een aantal minuten plaats moeten vinden. Rond dit kritieke punt zal de stromingssnelheid nogal wisselen zodat pas na een tijd bepaald kan worden of de stroming inderdaad afneemt dan wel toeneemt.

Toerental regeling/bepaling

Het kan gebeuren dat om de één of andere reden de rotor niet draait terwijl de flowmeter wel voldoende stroming meet en daarmee de netkoppeling in stand houd. Dit zou grote gevolgen kunnen hebben voor zowel het elektriciteitsnet als de generator zelf. Om deze reden moet er als beveiliging een extra terugkoppeling geplaatst worden die er voor zorgt dat er wordt losgekoppeld.

We kunnen bijvoorbeeld gebruik maken van een toerenteller op de as. Het probleem van een toerenteller is echter dat dit een onderhoudsgevoelig onderdeel is, Bovendien zal er een extra signaalkabel naar de onderwaterunit gelegd moeten worden, die constant informatie doorgeeft over het toerental.

Een betere techniek is om de frequentie te meten van de spanning van de generator en aan de hand hiervan het toerental te bepalen. Een voordeel van deze techniek is, dat de frequentie gemeten kan worden op de kabels van de generator. Hierdoor is het mogelijk de ‘toerentalmeting’ bovengronds (op grote afstand van de generator) te laten geschieden. Door het gebruik van een standaard frequentieregelaar is deze techniek ook eenvoudig toe te realiseren omdat de toerenregeling al in de frequentieregelaar is geïmplementeerd. Mocht het onverhoopt voorkomen dat de flowmeter netkoppeling realiseert terwijl de toerenregeling geen toeren meet, dan wordt de flowmeter ‘overruled’ (d.i. overbelast) en de koppeling met het elektriciteitsnet alsnog onderbroken.

Stroomstoring

Het belangrijk dat de frequenties van de unit en het net niet te ver uit elkaar gaan lopen. Het zou bijvoorbeeld kunnen gebeuren dat een stroomstoring plaatsvindt in het publieke elektriciteitsnet. De referentie die de frequentieregelaar van het net zou moeten hebben valt dan in één keer weg. Zou deze referentie plotsklaps terug komen dan lopen de frequenties niet synchroon en kunnen flinke pieken in het net ontstaan. Het is daarom uiterst belangrijk dat de netfrequentie constant door de frequentie regelaar in de gaten gehouden wordt. Valt deze weg, dan moet losgekoppeld worden.

Effect van eilandvorming

Nog een belangrijk aspect waar bij spanningsuitval op het publieke net rekening mee gehouden dient te worden is dat als het eilandeffect. Wat het eilandeffect is zal uitgebreider worden besproken in hoofdstuk 9.

Er zal bij de keuze van de frequentieregelaar echter ook rekening gehouden moeten worden met dit effect. Als de hoogspanning wegvalt terwijl de generatoren nog energie leveren kunnen deze aan het net gekoppeld blijven totdat ze uitgeschakeld worden door (door een te lage stroomsnelheid). Op het moment dat het opgewekte vermogen weer groot genoeg is om aan het net te leveren is de frequentie echter wel de referentie van het net kwijt (zolang het hoogspanningsnet nog afgeschakeld is). Onder deze omstandigheden mag de generator onder geen beding aan het net gekoppeld worden.

Onderhoud

Omdat onderhoudswerkzaamheden onder water moeilijk mogelijk zijn hebben wij ervoor gekozen om een gedeelte van de installatie ondergronds en de rest bovengronds te installeren. De onderwaterunits moeten in verband met de moeilijk uitvoerbare en kostbare onderhoudswerkzaamheden zo onderhoudsvrij mogelijk zijn. Hierdoor bevatten de bovenwaterunits zoveel mogelijk de onderhoudeisende onderdelen. Dit maakt het mogelijk om de onderwaterunit alleen maar uit essentiële onderdelen zoals de generator met flowmeter, beveiligingsvoorzieningen (hydraulische rem) en andere sensoren of actuatoren te laten bestaan. De besturing van de installatie wordt bovengronds geïnstalleerd.

Een groot voordeel hiervan is dat bij verschillende onderwaterunits kan worden volstaan met één enkele bovengrondse installatie. Weliswaar moet wel elke onderwaterunit zijn eigen besturingselementen krijgen in de bovenwaterunit omdat de toerentallen van de onderwaterunits sterk van elkaar kunnen verschillen. Wel zouden kosten gedrukt kunnen worden met één centralebesturingscomputer die het geheel bestuurt, statistieken bijhoudt en kan communiceren met de eigenaar/beheerder.

Communicatie

Bij een concept als dit kan je ook aan stand-alone mogelijkheden denken. Dit kan echter alleen als alles op afstand in de gaten gehouden wordt zodat bij fout- of alarmmeldingen ingegrepen kan worden. Eventueel kunnen dan ook bepaalde parameters van de besturingselektronica gewijzigd worden.

Door gebruik te maken van een radio- of telefoonverbinding tussen de centrale besturingscomputer in de bovenwaterunit en de eigenaar/beheerder van de energiecentrale kan bovenstaande besturing gerealiseerd worden. De besturingscomputer kan dan weer communiceren met de besturing van de betreffende onderwaterunit.

Omdat door deze technieken ook rekening gehouden moet worden met eventuele stroomstoringen in het publieke elektriciteitsnet, zal ook aandacht besteedt moeten worden aan noodstroomvoorzieningen.

Zoals hieronder schematisch is weergegeven kan het er in de praktijk zo uit zien.

Figuur 8.3 Schematische weergave van elektrische installatie

9 Transport van energie

In dit gedeelte van het verslag zal besproken worden hoe het elektriciteitsnet in Nederland is opgebouwd en hoe we de opgewekte energie naar dit net kunnen transporteren.

Voor het transport kunnen we gebruik maken van verschillende mediums die energie kunnen transporteren. We zullen ons beperken tot de uitwerking van twee van deze mediums, te weten:

- elektriciteitskabel

- waterstof (door een buis)

Als we de opgewekte elektriciteit transporteren via een kabel zullen we rekening moeten houden met de lengte en de dikte van de kabel, alsook de verliezen die in betreffende kabel optreedt.

Een medium waarin we elektriciteit kunnen opslaan is een batterij. Het is uiteraard zeer kostbaar om een groot aantal batterijen te installeren voor de opslag van grote vermogens. Zodoende zullen we opgewekte elektriciteit direct moeten transporteren.

We kunnen ook gebruik maken van de opgewekte elektriciteit door elektrolyse toe te passen op het water. Op deze manier kunnen we de opgewekte elektrische energie in waterstof omzetten, waarna we deze waterstof tijdelijk kunnen opslaan of direct kunnen transporteren.

In hoofdstuk 7 is al besproken waar we rekening mee moeten houden zodra we de generator op het elektriciteitsnet gaan aansluiten. We zullen in dit hoofdstuk de twee hierboven beschreven manieren van transport bespreken.

Transport via een elektriciteitskabel

Eerst zal beschreven worden hoe het elektriciteitsnet in Nederland is opgebouwd en welke verschillende spanningsniveau’s worden getransporteerd. Er zal eveneens rekening worden gehouden met beveiligingen om gevaarlijke situaties te voorkomen.

Figuur 9.1 (volgende pagina) geeft een idee hoe het elektriciteitsnet in Nederland is opgebouwd. Vanaf de elektriciteit centrale wordt de elektriciteit via hoogspanningsmasten naar grote verbruikers of hoofdverdeelstations gebracht. Vanaf deze verdeelstations zal een kabel de onderverdeelstations en middelgrote gebruikers voeden. Vanuit deze onderverdeelstations worden de transformatorhuisjes gevoed, die tussen het onderverdeelstation en de huishoudens en andere kleinverbruikers zijn geplaatst.

Het elektriciteitsnet in Nederland

Figuur 9.1 Elektriciteitsnet in Nederland

Het elektriciteitsnet in Nederland kan verdeeld worden in verschillende spanningniveau’s. Deze zijn als volgt:

- 380/220 kV hoogspanning

- 150/110 kV hoogspanning

- 50 kV tussenspanning

- 10 kV middenspanning

- 400 V laagspanning

De spanningen van 150/110 kV en hoger worden voornamelijk bovengronds getransporteerd via de hoogspanningsmasten. De andere spanningsniveau’s worden voornamelijk ondergronds naar de verbruiker gebracht. Zie figuur 9.2, waar een afbeelding is gegeven hoe de spanningsniveau’s aan elkaar gekoppeld zijn.

Figuur 9.2 Indeling elektriciteitsnet in Nederland

In figuur 9.2 is duidelijk te zien dat de stroom van een rail naar een onderliggende rail via verschillende wegen overgebracht kan worden. Dit is mogelijk gemaakt zodat bij uitval van een kabel de spanning toch nog geleverd wordt aan het onderliggende net. In het geval dat een kabel wegvalt of wordt kortgesloten zal de stroom die via deze kabel hoort te lopen, verdeeld worden over de rest van de kabels. Zodoende moeten de kabels er op berekend zijn om deze extra stroom te kunnen transporteren zonder dat er sprake is van overstroom in de kabels.

Het vermogen dat over de kabels vanaf de 10kV rail getransporteerd kan worden ligt rond de 6MVA (= Mega Volts per Ampère). In figuur 9.2 is te zien dat aan de 10kV gebruiker een totaal vermogen van (3 kabels x 6MVA = ) 18MVA geleverd kan worden. Het is goed mogelijk dat deze gebruiker voldoende heeft aan een vermogen dat wordt getransporteerd over 2 kabels (= maximaal 12MVA). Wanneer er echter een storing optreedt in een van de kabels, zal het geleverde vermogen halveren waardoor een eventuele installatie van de gebruiker stil zal vallen. Om deze reden kan er besloten worden om parallel aan beide kabels nog een derde kabel naar de betreffende gebruiker te brengen.

Het is heel belangrijk om een storing in een kabel of transformator tijdig te detecteren zodat het storende onderdeel direct losgekoppeld kan worden van het elektriciteitsnet. Iedere kabel en transformator is via schakelaars aan het net verbonden. Zodra deze schakelaars worden opengezet zal dus de kabel worden losgekoppeld van het elektriciteitsnet. Dit dient direct te gebeuren zodra er een storing optreedt in een kabel of transformator.

De transformatoren boven de 10kV rail zijn voorzien van een melding die gegeven zal worden als er inderdaad een storing optreedt in een transformator. Hierdoor is het eenvoudig na te gaan waar de storing zich bevindt.

De kabels en transformatoren beneden de 10kV rail hebben eveneens een overstroom en kortsluitbeveiliging maar zijn echter niet voorzien van een melding. Hierdoor kan het gebeuren dat we langer dan een half uur zonder stroom zitten, omdat eerst de storing gelokaliseerd en verholpen moet worden.

In figuur 9.2 is te zien dat vanaf de 10kV rail de spanning naar alle huishoudens wordt gebracht via een transformator. De voeding van iedere trafo wordt op één punt van de 10kV rail gehaald, doorgelust tussen de trafo’s en aan het einde van deze lus weer aan de rail gekoppeld. Het is echter niet de bedoeling dat er een lus wordt gevormd, wat storingen zal kunnen opleveren. Daarom zijn de transformatoren uitgerust met schakelaars die zorgen voor een verbinding met het net. Deze schakelaars worden aardig groot uitgevoerd omdat ze drie fasen tegelijk moeten kunnen schakelen. Zodoende worden ze aangedreven door een motor (figuur 9.3).

Doordat de kabels doorgelust worden heeft iedere trafo dus te maken met een ingaande en een uitgaande kabel. Tussen iedere kabel en de aansluiting op de trafo is een schakelaar (figuur 9.3) gemonteerd die ervoor zorgt dat de trafo van het net afgekoppeld kan worden zodra er een storing in de trafo optreedt. In normale positie zullen alle schakelaars op 1 na gesloten worden (zie figuur 9.2, waar alleen de openstaande schakelaar getekend ) zodat er twee takken ontstaan. Hierdoor wordt voorkomen dat er een ring wordt gevormd door de kabels.

De openstaande schakelaar zal pas gesloten worden op het moment dat er in een andere transformator een storing optreedt. De schakelaars die bij deze trafo zijn gemonteerd zullen nu geopend worden waardoor achterliggende trafo’s zonder spanning komen te staan. Om deze transformatoren toch te blijven voeden zal de nog openstaande schakelaar gesloten moeten worden. Door deze schakeling wordt de zekerheid vergroot dat er altijd spanning wordt geleverd.

Aankoppelen van generator op het net

In dit hoofdstuk zal niet diep worden ingegaan hoe de generator aan het net gekoppeld wordt (hoofdstuk 8) maar van belang is nu waar de generator aangekoppeld moet worden. Hiermee wordt bedoeld dat we moeten kijken op welke spanningsniveau we de generator aan het elektriciteitsnet zullen ‘hangen’.

De generator waarvoor we gekozen hebben zal een spanning van 660 Volt leveren met een vermogen van ongeveer 140 kW (zie hoofdstuk 7). Zodoende zullen we de generator op het spanningsniveau van 400V aan het net kunnen koppelen, zie figuur 9.4

Figuur 9.4 Aankoppeling van generator

Er zijn echter een aantal factoren waar we rekening mee moeten houden als we de generator op dit punt aan het net koppelen, te weten

- spanningsfluctuaties in de generator

- eilandvorming

Spanningsfluctuaties

Het kan goed voorkomen dat de spanning uit de generator fluctuaties (hoge pieken) in het net veroorzaakt, wat door verschillende oorzaken kan gebeuren:

- te vaak snel aan en afkoppelen van de generator, wat tot gevolg heeft dat de generator even energie aan de omliggende huishoudens levert en daarna weer stopt met de levering hiervan. De energie van de huishoudens zal dan van de energiecentrale (hoogspanning) gehaald moeten worden. Dit heeft als gevolg dat er momenten zijn dat het energieaanbod in de ‘tak’ de ene keer hoger is dan de andere keer. Het in en uitschakelen van de generator kan voorkomen worden door flowmeting in het water toe te passen die bepaalt wanneer de generator inschakelt: de stroming zal bijvoorbeeld eerst 5 minuten lang voldoende groot moeten zijn, voordat de generator aan het net gekoppeld wordt. Andersom geldt natuurlijk precies hetzelfde.

- sterke wisselingen in de stromingsnelheid van het water terwijl de snelheid boven het gemiddelde ligt. Nu is er geen sprake van in en uitschakelen van de turbine want de turbine is constant aan het net geschakeld. Een regelmatige verandering van de snelheid zal er toe leiden dat het geleverde vermogen, een onregelmatige karakteristiek zal vertonen.

Als er veel verbruikers aangesloten zijn op de tak waaraan de generator wordt gekoppeld, zullen de spanningspieken in het net weinig invloed hebben op het totale gevraagde vermogen. Anders gezegd, de verbruikers zullen weinig merken van de spanningspieken en spanningsdalen in het net.

Als het aantal gebruikers klein is, zullen er wel degelijk veranderingen merkbaar zijn. Denk bijvoorbeeld aan het knipperlicht effect: een lamp zal tijdens een spanningspiek feller gaan branden dan normaal.

Eilandvorming

Een ander aspect waar we rekening mee moeten houden is het eilandeffect, wat optreedt zodra het 400V van de 10kV rail komt los te staan. Dit kan veroorzaakt worden door een kortsluiting of overstroom, wat als gevolg heeft dat het ‘400V net’ op zichzelf komt te staan. In de praktijk kunnen nu noodgeneratoren in werking treden als deze aan het betreffende net gekoppeld zijn.

De generatoren die wij aan het net zullen koppelen zullen nu echter een veel grotere invloed hebben op het totale gevraagde vermogen waardoor de nu veroorzaakte pieken en dalen een veel grilliger karakter zullen gaan vertonen. Als er helemaal geen noodgeneratoren zijn geplaatst, zal de energielevering voor de verbruikers volledig verzorgd moeten worden door de generatoren die wij aan het net gaan koppelen. Om dit te realiseren moeten we met onze onderwaterunit een vrij constante energielevering kunnen garanderen. Echter, door de regelmatige wisseling van het water zijn we hier niet toe in staat.

Bovenstaande punten zijn beschreven om een indruk te geven van de aspecten waar we mee te maken krijgen zodra we de opgewekte energie van ons concept aan het net gaan leveren. We praten dus nog niet eens over het type, de lengte of de dikte van een kabel of over werkelijke stromen die door betreffende kabels zullen lopen.

We zullen moeten kijken naar het aantal verbruikers per tak. Vanzelfsprekend is dit niet overal gelijk. Zodra we het aantal weten kunnen we berekenen welk vermogen we gemiddeld aan deze tak kunnen leveren. Het kan voorkomen dat we op een tak zes van de tien turbines aankoppelen en op een andere tak maar twee of drie.

Laten we uitgaan van gemiddeld 500 verbruikers op een tak. Ieder huishouden verbruikt gemiddeld 3500 kW/h per jaar dus gezamenlijk wordt het 500 x 3500000 = 1750MW/h.

Per jaar levert de door ons gekozen generator ongeveer 42 x 24 x 365 = 368 MW/h (zie hoofdstuk 7, ‘opgewekt vermogen’). Als we vijf turbines aansluiten op het net kan het vermogen dat nodig is voor deze tak theoretisch geleverd worden door onze installaties. Eerder is al vermeld dat we te maken hebben met fluctuaties in het geleverde vermogen, omdat het aanbod van opgewekte energie bepaalt niet constant is (zie ook bijlage 1, grafiek van opgewekt vermogen op bepaald tijdstip). Om die reden is het dus niet verstandig om de generator aan het net te blijven koppelen als de verbinding met de 10kV rail verbroken wordt.

De toepassing van waterstof

Er is ook de mogelijkheid om gebruik te maken van de techniek om waterkrachtenergie indirect op te slaan in de vorm van waterstof. Dit kan uitkomst bieden als we de opgewekte energie willen opslaan. Eerder is al beschreven dat de opslag van elektriciteit nogal kostbaar is.

Op dit gebied is nog weinig onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van veilig transport en opslag van waterstofgas. Hierdoor weten we niet of deze techniek wel goed bruikbaar is in ons project. Wel zal deze techniek toegelicht worden omdat dit wellicht in de toekomst meer perspectief biedt.

Elektrolyse van (zee)water

Als je enige kennis van scheikunde hebt weet je misschien wel dat het mogelijk is om stoffen te ontleden, waarbij je de atomen van elkaar splitst en hergroepeert in andere stoffen. Dit is ook mogelijk met water door middel van elektrolyse. Bij elektrolyse worden er twee staafjes, de een van koolstof en de ander van zink, in een bak met water gehangen. Aan het water kan nog wat kaliumchloride (Kcl) worden toegevoegd voor een betere geleiding. Door de twee staafjes wordt vervolgens stroom geleid, waardoor het water wordt ontleed. Doordat de staafjes van koolstof en zink zijn, worden de losse atomen op een hele aparte manier aangetrokken, alle zuurstofatomen gaan namelijk naar het koolstofstaafje en alle waterstof atomen gaan naar het zinkstaafje. Als je nu zorgt dat je de atomen van het staafje opvangt in een buis, dan krijg je in de ene buis zuurstof en in de andere waterstofgas.

Figuur 9.5 Het proces van elektrolyse

Dit is dus de oplossing om uit een goedkope stof als water op een geheel milieu vriendelijke wijze het gasvormige waterstof te verkrijgen. De elektrische energietoevoer kan verzorgd worden door onze installatie waar dan de synchrone draaistroom generator vervangen moet worden door een gelijkstroom generator. Deze wordt dan aan het elektrolyse proces gekoppeld. Omdat wij met zeewater werken hoeft daarom ook geen extra zout toegevoegd te worden.

Met waterstof is het ook mogelijk om weer heel gemakkelijk het omgekeerde, dus water(damp) en elektriciteit, te krijgen. Dit gebeurt door gebruik te maken van een zogenaamde brandstofcel (zie figuur hieronder).

De brandstofcel

In een brandstofcel wordt de vorige beschreven techniek op een vergelijkbare manier gebruikt, waarbij waterstof en zuurstof worden omgezet in zogenaamde ionen, (deeltjes die geladen zijn) om precies te zijn H+ en OH- ionen. Deze ionen worden via de staafjes, ook wel elektroden genoemd, naar elkaar toe geleid waar de + en - ionen met elkaar reageren waarbij elektriciteit wordt opgewekt. De OH- en H+ ionen gaan vervolgens weer samen als een H₂O molecuul. Dit molecuul is dus geen ion, omdat de elektrische lading neutraal (plus en min is neutraal) is. De enige uitstoot van de brandstofcel is dus waterdamp.

Figuur 9.6 Principe brandstofcel

De verkregen waterstof zou je in tanks kunnen opslaan of, net als bij aardgas, door buizen kunnen transporteren naar een plaats waar deze waterstof gebruikt gaat worden. Bij een ver vooruit toekomstbeeld zou je dan kunnen denken aan een pompstation waar je met een op waterstof rijdende auto kan tanken. Je zou zelfs nog verder vooruit kunnen denken aan het voorzien van huishoudens van waterstofgas, ieder huishouden heeft dan zijn eigen energie omzetter in de vorm van een brandstofcel waarmee de waterstof weer omgezet wordt in elektrische energie.

Zoals je kunt zien zijn er tal van toepassingen te vinden voor waterstof, het lijken nu nog sciencefiction verhalen, maar theoretisch zijn de mogelijkheden er weldegelijk. Maar dan zal nog heel wat onderzoek nodig zijn.

Conclusie

Uit voorgaande tekst komt duidelijk naar voren dat bij het transport van energie heel wat komt kijken. Zoals eerder al vermeld, praten we nu nog niet eens over gedetailleerde aspecten van dit onderwerp.

Onze keus tussen beide beschreven manieren wordt natuurlijk door een aantal factoren bepaalt:

- de kosten, zowel voor de aanleg als het onderhoud van de installatie

- de veiligheid van het transport medium (en bij waterstofgas ook de opslag)

- beleidsplan van de (regionale) overheid

Kosten

Als we de kosten/baten van de ‘elektriciteitskabel’gaan afwegen met die van de waterstofvoorziening, dan kunnen we er wel vanuit gaan dat eerstgenoemde (momenteel) voordeliger zal zijn. Er is natuurlijk veel onderzoek gedaan naar ‘transport met een kabel’ en de ervaring die men met dit medium heeft is zeer groot. Hierdoor is het mogelijk de meest efficiënte kabel te bepalen en te gebruiken. Er zijn natuurlijk een aantal voorzieningen nodig om de opgewekte spanning te synchroniseren met de netspanning waardoor de installatie vrij prijzig zal worden, maar die wegen lang niet op tegen de hoge kosten die nodig zijn voor onderzoek bij het gebruik van waterstofgas.

Wel zou je meer vooruit kunnen denken, want als je eenmaal onderzoek hebt gedaan voor één installatie zullen de daaropvolgende goedkoper worden.

Ook is het helaas nog niet mogelijk duurzame energie ongesubsidieerd te laten concurreren met fossiele energie. Hierdoor neemt men een nog te afwachtende houding aan, wat zeer nadelig is voor ontwikkeling van installaties voor duurzame energieopwekking, expertise en milieu. Mede door deze oorzaken staat het gebruik van het medium waterstof daarom ook nog in de kinderschoenen. Er wordt wel geëxperimenteerd met toepassingen die waterstof verbruiken, maar er zijn weinig experimenten uitgevoerd met het ‘maken’ van waterstof door middel van natuurlijke energiebronnen. Er zal een flinke installatie gebouwd moeten worden (onder water!) waar het waterstofgas in wordt omgezet. Samen met de voorzieningen voor het transport hiervan zal ook deze techniek aardig wat kosten.

Veiligheid

Door de vele toepassingen van kabel, is er al veel onderzoek gedaan naar de veiligheid van dit transportmiddel. Er is relatief weinig bekend over de resultaten van het onderzoek naar het transport en opslag van waterstofgas. Bekend is echter wel dat waterstofgas zeer vluchtig en licht ontvlambaar is, waardoor grondig aandacht besteed moet worden aan preventieve maatregelen. De kosten van deze maatregelen zullen uiteraard het totaalbedrag van de installatie flink omhoog schroeven als wij dit voor ons concept zouden gebruiken.

Beleidsplan

Wat betreft de route van het transport zullen we rekening moeten houden met het regionale beleidsplan. Veiligheid speelt hier een belangrijke rol, zeker als we een (dicht) bewoont gebied moeten doorkruisen.

10 Conclusie

Nu het project zich in afrondende fase bevindt, zullen we toe moeten kunnen lichten of we de doelstellingen, die gesteld zijn in het startdocument, naar onze mening behaald zijn. Hieronder wordt direct beschreven of aan deze doelstellingen voldaan is.

· Er is kennis en inzicht verkregen in de werking van een bestaande

energieomzettings-installatie, en gedeeltelijke kennis gebruikt voor ons concept.

· Het selecteren, uitzoeken en documenteren van verzamelde informatie, om deze op een correcte manier te verwerken, is goed gelukt, alhoewel het zeer moeilijk was om de juiste informatie over dit onderwerp te verkrijgen.

· Het bedenken en uitwerken van nieuwe ideeën is verwerkt in ons concept.

Gedeeltelijk hebben wij hiervoor bestaande informatie gebruikt om ons concept te ontwikkelen.

· Verbetering van de commutatieve vaardigheden is verbeterd. Dit is verbeterd

door:

- hoofdzakelijk onderlinge communicatie

- vergaderingen

- en ABV

· Het analyseren van ideeën en gedachtegangen van anderen en hierop

inspelen, dit is met name door de ABV-lessen sterk verbeterd. Het blijkt nuttig iedereen aan het woord te laten, zo komen alle mogelijke opties naar voren, wat weer belangrijk is om het project met goed gevolg af te sluiten.

· Om inzicht te kunnen verkrijgen in de economische aspecten van het concept, hebben wij Nuon moeten raadplegen om informatie te verkrijgen over de rendabiliteit van de installatie.

Er is gebleken dat energieopwekking d.m.v. stromingsenergie meer rendabel is als windenergie. Milieutechnische aspecten zijn voor ons tot nu toe onbekend, omdat deze op langere termijn onderzocht zullen moeten worden.

Uit het onderzoek dat wij verricht hebben naar deze vorm van energiewinning komt duidelijk naar voren dat het niet eenvoudig is om een installatie te realiseren waarmee zuivere natuurstroom opgewekt kan worden. Om deze reden zal er diepgaand onderzoek verricht moeten worden naar alle facetten waarmee we te maken krijgen als we een concept gaan bedenken en ontwikkelen.

Uiteindelijk moeten we de voor- en nadelen van een betreffende installatie tegen elkaar afwegen. Uit ons onderzoek kunnen we concluderen dat er wel mogelijkheid is dat ons concept met overheidssubsidie geplaatst kan worden.

11 Bronvermelding

1. Polytechnisch zakboek

43^e druk; Jaar: 2003; Uitgever: Elsevier.

2. Warmte- en Stromingsleer

1^e druk; Jaar: 1992 Auteur: R.J. Flink; Uitgever: Nijgh & van Ditmar.

3. Stroomatlas HP15, Westerschelde & Oosterschelde

Jaar: 1992; Uitgegeven door: Chef der Hydrografie.

4. Betontechnologie

9^e druk; Jaar: 1995; Uitgegeven door: BetonPrisma.

5. Ronald Bijlaard

Senior engineer / Consultant Nuon.

6. Verslag Ecofys

Kansen voor energiewinning uit getijden in de Oosterschelde.

7. www.nuon.nl

Internetsite Nuon (transport van energie).

8. www.itpower.co.uk

Internetsite IT-power (informatie over axiale rotor).

9. www.zeeland.nl

Internetsite provincie Zeeland (beleidsplan).

10. www.awe-wind.com

Internetsite Lagerwey (informatie over generator).

11. www.enercon.de

Internetsite Enercon (informatie over generator).

12. Microsoft Encarta 2003

Encyclopedie (informatie over getijden).

13. www.windpower.org

Informatie over energie leveren aan het net.

14. mediatheek.thinkquest.nl

Informatie over toepassing van energieopslag mbv waterstof

Bijlage 1

Grafiek van het opgewekt vermogen uitgezet op verschillende tijdstippen (locatie 7).

Bovenstaande grafiek is bepaald met behulp van de formules uit bijlage 2.

Bijlage 2

Tabel met berekeningen van de stroomsnelheden.

Bijlage 3

Bijlage 3 is achter deze pagina gevoegd. Het is een landkaart van de Westerschelde, waarin de verschillende plaatsen die wij gekozen hebben (zie hoofdstuk 1) zijn aangegeven (binnen de cirkel).