Samenvatting
| Vermogen, opbrengst, Capex, LCOE en PAY-OUT van powerdammen in de Noordzee | Vmax getijde (m/s) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 0,8 | 1,0 | 1,2 | |||
| Damlengte 50 km aan de kust met walvisstaart 20 km en waterdiepte 20 m | |||||
| Vermogen (GW) | 10,8 | 17,2 | 25 | ||
| Opbrengst (PJ) | 125,3 | 176,0 | 259,9 | ||
| Percentage van landelijke vraag in 2019 zijnde 432 PJ | 30% | 42% | 61% | ||
| Capex (€/ kWe) | 2.406 | 1.690 | 1.366 | ||
| LCOE inclusief eigen opslag voor baseload (€-cent/kWh), (annuïtaire financiering met rente 4,5%, Opex 1,4% van investering) (1) | 5,50 | 3,90 | 3,20 | ||
| Aan te sluiten vermogen op het grid; baseload( GW) | 3,97 | 5,58 | 8,24 | ||
| Gridaansluiting vanaf dam (mrd €) (3) | 0,15 | 0,24 | 0,55 | ||
| Percentage van de investering | 0,6% | 0,8% | 1,6% | ||
| PAY-OUT bij verkoop stroom in 2033 voor € 0,07/ kWh - zonder subsidie (2) & (4) | 10,7 | 8,5 | 6,8 | ||
- Dammen gaan een mensenleven mee; uit overleg met pensioenfondsen is gebleken dat een annuïtaire financiering tegen 4,5% met een looptijd van 60 jaar mogelijk is (het huidige rendement op dergelijke zekere cashflow financiering ligt op 2,2%).
- De waarde van de stroom van powerdammen in de RES categorie mogen hoger gewaardeerd worden dan de stroom van zon en wind. De vermeden maatschappelijke kosten t.o.v. zon en wind zijn:
- Tenminste 2,5 cent per kWh voor niet uit te geven grid aanpassing. Powerdammen met eigen opslag kennen geen pieken en dalen en kunnen direct kolencentrales vervangen
- Tenminste 10 - 20 cent per kWh voor vermeden opslagkosten; hetzij via waterstof, hetzij via valmeren in Noorwegen of via Chemische opslag in batterijen.
- Er is nu een ongelijkwaardig speelveld ontstaan, dat vraagt om reparatie: zie hier de analyse.
- De grid aansluiting is een onderhandelingsitem met Tennet en is nog niet in de LCOE opgenomen. Omdat de aansluitingskosten t.o.v. wind op zee een factor 10 kleiner zijn, mag verwacht worden dat daar waar voor wind een vergoeding van 1,5 cent/kWh is overeengekomen, dat deze voor powerdammen 0,15 cent/kWh zullen zijn. Voor een windpark met 14 GW zijn 37.000 km kabels nodig van 33 KV naar de verzamelhubs. Een DTP dam met hetzelfde vermogen heeft 50 km kabel nodig. En uitgevoerd met eigen opslag 1/3 van het aansluitvermogen.
- De pay-out is de zogenaamde simpel pay-out, zonder inflatiecorrecties en andere manipuleerbare effecten.
- De investeringsbedragen zijn berekend prijspeil 2019 in samenwerking met Antea, met turbines van Fishflow/ Andritz.
- Zie tabel voor andere waterdieptes en posities (berekeningen Antea) In de tabel is tevens af te lezen dat de vollasturen circa 2.900 uur bedragen.
- De maximale watersnelheden treden op wanneer zon en maan in lijn staan. Het Ierse SEI heeft hiervan een infografic uitgegeven. Dit getijde is onveranderlijk zolang de aarde draait en zon en maan hun baan in het heelal vervolgen. De getijdesnelheid kan wel door het weer tijdelijk verstoord worden.
Voor DTP geldt dat de techniek is bewezen. De validatie van de toepassing (hydraulische validatie) vraagt extra verdieping, hetgeen bijna gereed is. De technische ontwikkeling betreffen industrialisatie slagen om de kostprijzen te verlagen. De inpassing in de Noordzee vraagt het meeste onderzoek. Daar is redelijk veel onderzoek uitgevoerd, maar er is nog een traject nodig waarbij overheidssteun onontbeerlijk is.
| TRL Tidal power dams in sea | aug-20 | 2020 | 2021 | 2022 | 2023 | 2024 - 2025 | 2026 - 2028 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TRL | Technical readiness level basic technology | 9 | 9 | 9 | 9 | 9 | Government MER and tender procedures. Building consortia. Exploitation consortia. Funding consortia. Project organization. | Start building dam. Start building turbines. Start realization couple opportunities. 🌍 | ||
| TDRL | Turbine development readiness level | 6 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||||
| DDRL | Dam development readiness level | 6 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||||
| HVRL | Hydraulic validation readiness level | 7 | 9 | 9 | 9 | 9 | ||||
| MVRL | Morphological validation readiness level | 6 | 7 | 9 | 9 | 9 | ||||
| EVRL | Ecological validation readiness level | 6 | 7 | 9 | 9 | 9 | ||||
| CVRL | Coastal impact validation readiness level | 6 | 7 | 9 | 9 | 9 | ||||
| IERL | International environment readiness level | 3 | 4 | 7 | 7 | 8 | leading to ... level 9 😊 | |||
- Technisch kunnen dammen direct worden gebouwd. TRL 9 niveau. Het is een bekende technologie met diverse voorbeelden in de wereld.
- Het effect van vermogen en opbrengsten door dammen dwars op de getijdenstroom te plaatsen, moet eenduiding door de science community worden omarmd. Stichting DTP Netherlands heeft dat traject ingezet en verwacht najaar 2020 een ranking HVRL 9 te effectueren.
- Uit overleg met de industrie verwacht de Stichting DTP voor turbines en dammen de gewenste prijs/prestatie verhouding in 2023 gerealiseerd te hebben en voor TDRL/ DDRL een ranking 9 te effectueren.
- De effecten van morfologie kunnen in betrekkelijk korte tijd bekend worden. De stichting verwacht in 2021 MVRL 9 te kunnen effecturen
Voor de ecologische valuatie EVRL heeft Stichting DTP Netherlands een quickscan uit laten voeren door de WUR; die voor dammen positief werd beoordeeld. Deze studie zal verder uitgewerkt moeten worden tezamen met CVRL en IERL. Dat zal in interdepartementaal verband uitgevoerd moeten worden.
Overheidssupport voor de ontwikkeling van powerdammen in zee
Voor het gehele traject om dammen tenderrijp te maken heeft Stichting DTP Netherlands een ontwikkel budget begroot van 10 - 12 miljoen Euro.
Gegeven de grote potentiële bijdrage van powerdammen aan de energietransitie doelstellingen van de regering en de omvangrijke steun die wind, zon en biomassa van de overheid hebben ontvangen acht de stichting het volledig gerechtvaardigd om het ontwikkelproces financieel vanuit de overheid te ondersteunen.
Export potentieel
Het bouwen van een grote powerdam in zee kan leiden tot een export potentie van € 475 - 575 miljard wereldwijd.
Koppelkansen
Diverse vormen van koppelkansen met side business leiden tot een maatschappelijke extra omzet van circa € 150 - € 300 miljoen per jaar
Die koppelkansen zullen ontwikkeld worden als eenmaal de basis businesscases voor dammen zijn vastgesteld. Dammen bieden op de walvisstaarten 2 miljoen vierkante meter business development ruimte op 4 meter boven zeeniveau. 🌈
Beschrijving technologie
Bekende technieken toegepast op grote schaal
De onderdelen van getijdedamen zijn niet nieuw;- die bestaan uit betonnen dammen en turbines. De Nederlandse offshore industrie is toonaangevend in het kunnen bouwen van grote installaties in zee. Onderwaterturbines zijn wereldwijd in grote getale toegepast. Voor getijdedammen zullen in twee richting werkende turbine ontwikkeld worden. Vanwege het grote aantal turbines is industriële ontwikkeling mogelijk waardoor de prijzen per kilowatt elektrisch vermogen zullen halveren ten opzichte de huidige maatwerkturbines in de markt.
De turbines die DTP-Netherlands beoogt toe te passen zijn gebaseerd op het schoepen principe. Het Nederlandse bedrijf Fishflow Innovations heeft deze verder ontwikkeld en bouwt deze 100% visvriendelijke hoogrendement turbines (85% in het werkingsgebied) in samenwerking met een Oostenrijkse turbinebouwer Andritz.
Opbrengst, vermogens en vollasturen
- h0 = het hoogteverschil voor en achter de dam; het verval (m),
- L = damlengte (m), Vmax = de maximale getijde snelheid (m/s),
- g = de gravitas 9,81 m/s2,
- ω = 2 π/T de getijde frequentie, T in de Noordzee 12,421 x 60 x 60 s.
- C = een correctie-coëfficiënt. Bepaald door getijden amplitude in combinatie met de stroomsnelheden. Voor lage snelheden 0,01 m/s is de factor 1 oplopend tot boven de 2,5 voor hogere snelheden (1,2 m/s) a.g.v. de zogenoemde added mass factor. Voor de Hollandse kust is empirisch, middels numerieke berekeningen, bepaald dat de analytische formule gecorrigeerd moet worden.
Voor snelheden > van 0,5 m/s is de factor waarmee de theoretische formule moet worden gecorrigeerd groter zijn dan 1,7.
Er zijn verschillende varianten van dammen in zee mogelijk waarvan de twee belangrijkste zijn (A2 en B1)
- (Ao) een strekdam van 30 tot 50 km vanuit de kust.
- (A1) een strekdam van 30 tot 50 km vanuit de kust met aan het uiteinde een haaks daarop staande dam (T-profiel) van enkele tientallen kilometers.
- (A2) een strekdam van 30 tot 50 km vanuit de kust met aan het uiteinde een zogenaamde walvisstaart.
- (Bo) een strekdam van 30 tot 50 km die niet met de kust verbonden is.
- (B1) een dam van 30 tot 50 km die niet met de kust verbonden is met aan beide uiteinden een zogenaamde walvisstaart.
- (B2) een dam van 30 tot 50 km die niet met de kust verbonden is met aan beide uiteinden aan het uiteinde een haaks daarop staande dam (T-profiel) van enkele tientallen kilometers.
De secundaire dammen (walvisstaarten) aan de hoofddam zorgen voor een veel hoger verval aan de uiteinden dan zonder deze secundaire dammen. De turbines aan de uiteinde van de hoofddam krijgen daarom te maken met veel hoger verval.
Opvoerhoogte en hoek van staande dam t.o.v. hoofddam
Walvisstaart heeft grotere opvoerhoogte dan haakse uitvoering;- Zang et. al. 2014
Door het plaatsten van subdammen op de hoofddam wordt de opbrengst aanzienlijk verhoogd
De turbineopeningen hebben invloed op de opvoerhoogte. Numerieke iteraties hebben aangetoond dat een optimum te vinden is bij 8% in het natte oppervlak in de hoofddam. Dammen in zee hebben te maken met grotere waterdiepte dan dammen aan de kust. Het natte oppervlak is daardoor groter, waardoor per strekkende kilometer meer turbine oppervlak geïnstalleerd kan worden.
De Y-vleugels en T-Vleugels bevatten geen turbines en dus ook geen openingen. De verloren opvoerhoogte door de turbine-openingen in de hoofddam kan daarmee van 40 - 70% worden gecompenseerd, waardoor de opvoerhoogte grote gaat worden.
De vermogenscurve zonder vleugels gedraagt zich als ellips. (in het midden maximaal en nul naar het einden). Met kleine vleugels vlakt de ellips af. (rode lijn).Met grote vleugels zal vermogensverloop op de hoofddam met turbines vrijwel vlak zijn.
Dit inzicht zal in de fase 2 van de ontwikkeling meegenomen worden voor optimaal damontwerp en zal daardoor zeker leiden tot een significant lagere Capex per kW geïnstalleerd vermogen.
Opvoerhoogte met /zonder vleugels aan hoofddam
Grijze gebied = added mass ; Onderstaande formules voor de opvoerhoogte moeten gecorrigeerd worden met de numerieke berekeningen gevinden waarde.
Opvoerhoogte bij dammen met Y shape
Het opgewekte vermogen is een functie van de opvoerhoogte. De jaaropbrengst is berekend door voor elke afzonderlijke turbine de opbrengst te bepalen voor het astronomisch getij in de Noordzee. Voor elke turbine geldt een separaat vermogen.
Formule van Torricelli: watersnelheid door een opening in de dam als functie van de opvoerhoogte.
In onderstaande tabellen zijn de maximale vermogens van elke turbine afzonderlijk gesommeerd. De vollasturen zijn af te leiden door de jaaropbrengst te delen door het maximale gesommeerde vermogen en bedraagt circa 3100 - 2.900 vollasturen voor de stromingssnelheden die we in de Noordzee aantreffen voor 40 tot 50 km dammen.
Als vuistregel kan de jaaropbrengst worden verkregen door het gevonden vermogen bij Vmax te vermenigvuldigen met de vollasturen. Stel het vermogen van dam bedraagt 15 GW, dan wordt de jaaropbrengst ≈ 15 x 3000 gWh = 45.000 gWh.
De formele analytische afleiding voor de opbrengsten van dammen in zee (zonder vleugels) staat op de volgende link (G.Bitter Antea 2018)
Dr.ir Harmen Talstra heeft een whitepaper voorbereid voorde opbrensgsten van dammen in zee. Deze studie wordt in 2021 gefinaliseerd, waarbij aan een groep wetenschappelijke experts wordt gevraagd deze studie te onderschrijven.
https://www.dynamictidalpower.eu/resources/Documenten/DYNAMIC-TIDAL-POWER-(DTP)--A-REVIEW-OF-A-PROMISING-TECHNIQUE-FOR-HARVESTING-SUSTAINABLE-ENERGY-AT-SEA---extract-nov-2020.pdf
Ook via algebraïsche weg is eenvoudig in te zien hoe groot het aantal vollasturen is. Het ritme van het getij gedraagt zich als een sinusfunctie, die te benaderen is als een 4-de macht functie: sin4(x/(12,41/2π)), waarbij 12,421 uur de getijdeperiode is in de Noordzee. "x" in uren van 0 - 8760 uur per jaar. 12,421/2π = 1,978. Het oppervlak onder de sinus staat gelijk aan de opbrengst en is te berekenen met de integraal van de functie:
- ∫ sin4(x/1,978) dx van 0 tot 8.760 uur. Voor 1 kW maximaal vermogen (vloed: 3.285/ 2 kWh) en 0,8 kW (eb: 2629/ 2 kWh) leidt dit tot een gewogen gemiddelde opbrensgst van eb en vloed van 2.957 kWh per jaar. Dus 2.957 (kWh)/1( kW) = 2.957 vollasturen en een gemiddele baseload van 0,34 kW.
Geïdealiseerd verloop van het vermogen van een getijde dam, met 10 Gigawatt maximaal vermogen, in een etmaal met gelijke eb en vloed stroomsnelheid.
Opbrengsten en vermogens
- Geidealiseerde Noordzee (geen rekening gehouden met bodem onregelmatigheden)
- Getijde volgens het astronomisch getij
- Hantering van de analytische formules van CC Mei voor elk afzonderlijke turbine, in rechte dammen zonder vleugels is het vermogensverloop maximaal aan de kust en verdwijnt aan het uiteinde. Het verloop is ellipsvormig.
- Met korte vleugels is het verloop over de hoofddam nog enigszins elliptisch, en bij langere vliegels is het vermogensverloop vrijwel vlak. hn is de opvoerhoogte, N is het aantal turbines van, n de turbine waarvoor het vermogen wordt bepaald. η is het turbine rendement
- Correctiefactor tussen numerieke en analytische formule 1,7 (zoals hiervoor aangegeven)
- Som van turbine openingen 8% in de hoofddam
- De genoteerde uitgangspunten zijn representatief voor het gebied met stromingen van 80 cm/sec.
Vermogenscurve 60 km dam conform het astronomisch getijde in de Noordzee ter hoogte van IJmuiden
Bron Antea
Vermogen van dam aan de kust met walvisstaart 45 graden. Waterdiepte gemiddeld 20 m
Turbine diameter 8 meter. HoH 20 m. Turbine rendement 85% ,verlies coëfficiënt 1,85
Elke 5 m extra waterdiepte leidt tot circa 17% meer vermogen.
De berekeningen zijn gemaakt voor een geidealiseerde zee (bron Antea)
Numerieke berekeningen voor de feitelijke locaties zijn vereist voor een nauwkeurige voorspelling.
Opbrengst van dam aan de kust met walvisstaart 45 graden. Waterdiepte gemiddeld 20 m
Turbine diameter 8 meter. HoH 20 m. Turbine rendement 85% ,verlies coëfficiënt 1,85
Elke 5 m extra waterdiepte leidt tot circa 17% meer vermogen.
De berekeningen zijn gemaakt voor een geidealiseerde zee (bron Antea)
Numerieke berekeningen voor de feitelijke locaties zijn vereist voor een nauwkeurige voorspelling.
Stroomopslag op dammen
Elke turbine doorloopt per etmaal 4 x een op een sinus gelijkende cyclus: 2 x eb en 2 x vloed (in 24,842 uur)
Per jaar worden er 1.411 cycli doorlopen.
De opbrengst over 1/2 cyclus van 12,42 / 2 uur is 3/8 x 6,21 uur is 2,33 kWh, sin4(x) ligt van 1,777 < t <4,4363 uur boven de 3/8 en het oppervlak is 1,03kWh, het benodigde opslag percentage is dan 1.02kWh/2,33kWh = 44%
Voor accucapaciteit ronden we naar boven af en nemen 50% van een cyclus als accu-capaciteit. De opslagcapaciteit voor getijde dammen bedraagt circa 1/8 van de dagproductie = 0,034% van de jaarproductie. Bij Zon en wind is dat respectievelijk 33% en 14% van de jaarproductie. Bij het toepassen van LI-ion systemen kost de opslag € 100 per kWh in 2030 met een overcapaciteit van 50%. Door de batterijen op een optimale temperatuur te houden en niet te zwaar te belasten kunnen er volgens recente duur-studies 16.000 - 20.000 cycli uitgevoerd worden voordat de batterijen degraderen tot 80% van de capaciteit. Verwacht wordt dat de batterijen elke 12 - 14 jaar vervangen moeten worden. Waarbij de nieuwe generaties ongetwijfeld goedkoper zullen zijn.
Er mag verwacht worden dat tegen de tijd dat dammen gebouwd gaan worden (2028 - 2030) , er batterijen op de markt zijn met nog betere prijs/prestatie verhoudingen. In dammen is veel ruimte aanwezig om ook de volumineuze aqua-batterijen te kunnen herbergen. Ook als service voor windmolens op zee.
Recent heeft DTP-Netherlands een samenwerking met Suwotec. Dit bedrijf maakt Biodegradable batterijen. Zie specificaties.
Dammen komen altijd met een eigen opslagsysteem. De voordelen zijn daarvan:
- Die stroom heeft meer marktwaarde (2 cent per kWh meer) volgens een studie voor EZK door bureau AFRY.
- Veroorzaakt geen extra gridkosten, omdat er geen piekstromen afgevoerd hoeven worden (vermijdt kosten)
- Veroorzaakt niet de noodzaak van opslag en balancing in het grid (vermijd kosten)
- De eigen aansluiting van de dam wordt 70% lager. Scheelt voor dam in zee circa € 700 miljoen, daar betaal je de eigen opslag reeds grotendeels mee.
- De stroomvariatie ligt in de orde grootte -/+ 7 %, als gevolg van eb en vloed stromingsverschil.
- Eventuele productie van groene waterstof wordt per kg 50% goedkoper, omdat per € investering veel meer waterstof wordt geproduceerd. Vermogen van elektrolysers is lager en vollasturen veel groter. Geen stilstand verliezen. Voorspelbare aflevering voor de logistiek, dus lagere opslagkosten.
- Dammen worden daarmee goedkopere producenten van Flexibel CO2 vrij vermogen
- Er is een regeling in de maak om RES die geen congestie- en opslagkosten veroorzaakt (dat maatschappelijk betaald moet worden via de netwerkkosten), een permanente bonus te verschaffen. Wij achten 1,5 - 2 cent per kWh redelijk.
Capex en LCOE van powerdammen in zee
- Full functioneel dam, met turbines, living quarters voor onderhoudspersoneel, eigen opslag, onderdelen magazijnen, een highway en kranen voor onderhoud en reparatiewerk, elektrische bedrading en substations, INCLUSIEF PLAATSING in afzinkbare caissons van 160 m lang. Exclusief aansluiting op het grid. Taakstellend begroot aan de hand van schetsontwerpen door turbine en beton experts van ondermeer Antea.
- Walvisstaarten cq haakse subdammen. Afzinkbare secties van 160 m inclusief plaatsing; € 40 miljoen per km. Begroot aan de hand van schetsontwerpen door beton experts van ondermeer Antea.
De Capex
Het kengetal investering per kW elektrisch vermogen is voor dammen niet eenduidig te geven. Bijvoorbeeld voor een dam van 50 km lengte geplaatst aan een kust varieert de investering afhankelijk van de optredende stroomsnelheid. Bij hogere snelheden zijn de vermogens groter, waarop de turbines en de elektrische infrastructuur en substations zijn ontworpen.
Aansluiting op het Grid
Aansluiting voor 13 GW dam aan de kust kost € 150 miljoen een aansluiting op zee € 300 miljoen. (niet opgenomen in de LCOE). Verhoogt de LCOE voor bijvoorbeeld een 40 km dam met 0,8% aan de kust (verhoogt de LCOE van 3,9 cent met 0,06 cent) en 1,7% in open zee. Voor windturbineparken met vergelijkbare opbrengsten en duizend turbines zijn de aansluitkosten een factor 10 - 20 groter. Voor de windindustrie is daarvoor, met Vattenfall en Tennet, een prijs per kWh afgesproken van € 0,015 per kWh. Voor DTP dammen zou dat € 0,0075 per kWh aan de kust kunnen zijn. Bron informatie University of Strathclyde - Robert Bell - Windparken op doggersbank en focus op kosten wind op zee rekenkamer.
Levensduur en financiering
Uit gesprekken met pensioenfondsen is gebleken, dat deze bereid zijn in dammen te investeren voor een financieringsperiode van 60 jaar tegen een annuïtaire rentevoet van 4,5%.
Dammen gaan meer dan een mensenleven mee.
Onderhoud
Turbines vragen onderhoud. De dammen worden voorzien van faciliteiten om de turbines te kunnen onderhouden. Voor het onderhoud is 1,4% van de investering begroot.
De bovenzijde van de dam is uitgevoerd als een highway om personeel en materieel met vanzelfsprekend elektrische voertuigen te kunnen verplaatsen.
Bron: Submarine Power Cables, section 3.1.3, 2009
Kabels in zee hebben een levensduur van 25 jaar. Zijn kwetsbaar voor visserij en ankers. Windparken hebben grote vermogens. De hubs van Tennet zijn uitgerust tot 780 MW.
De kabel heeft de capaciteit om vermogen in beide richtingen te verzenden voor het balanceren van opwekking en verbruik in beide landen. In Nederland is het verbruik overdag hoger dus dan importeert Nederland goedkope stroom via de kabel uit Noorwegen. In Noorwegen wordt de stroom opgewekt door waterkrachtcentrales, wat goedkoper is dan de stroom die wordt opgewekt in de gasgestookte centrales in Nederland. 'S Nachts is er een omgekeerde stroom, omdat Noorwegen 's nachts meer elektriciteit verbruikt dan overdag. Nederland exporteert 's nachts gasgeproduceerde elektriciteit via de kabel waardoor de Noorse reservoirs kunnen worden gevuld voor gebruik overdag. Naar schatting helpt de interconnector zo'n 1,7 miljoen ton CO2 per jaar te besparen.
De NorNed-kabel is een in massa geïmpregneerde kabel, van het niet-drainerende type en met papier geïsoleerd. Voor het ondiepwaterdeel zijn twee constructieve ontwerpen gebruikt: een tweeaderige kabel en een enkeladerige kabel. De externe beschermende laag verzekert de mechanische sterkte en de ondoordringbaarheid tegen het water. Om het aantal verbindingen tot een minimum te beperken, werd de kabel geproduceerd in lengtes van 75 km voor het twin-core type en 154 km voor de single-core variant.
Het diepwatergedeelte van de kabel was gecertificeerd voor transmissie van 800 MW bij 500 kV en de mechanische test werd uitgevoerd voor een diepte van 500 m, hoewel de maximale diepte slechts 410 m bereikt.
| Damlengte | km | 50 | 50 | 50 | 50 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Enkele been van walvisstaart | km | 20 | 20 | 20 | 20 | |
| Stroomsnelheid | m/s | 0,6 | 0,8 | 1 | 1,2 | |
| Vermogen | GW | 5,7 | 10,8 | 17,2 | 25 | |
| Accucapaciteit | MWH | 5.620 | 10.649 | 16.959 | 24.650 | |
| Capex | €/Kwe | 3.888 | 2.406 | 1.690 | 1.366 | |
| Onderhoud in percentage van investering | 1,40% | 310.268.280 | 363.718.320 | 407.050.000 | 478.030.000 | |
| Vervanging accu in jaren | 12,00 | 46.835.000 | 88.740.000 | 141.326.667 | 205.416.667 | |
| Productie | kWh/ jaar | 16.530.000.000 | 31.320.000.000 | 49.880.000.000 | 72.500.000.000 | |
| Financieringsperiode bij pensioenfondsen | jaren | 60 | 60 | 60 | 60 | |
| Annuiteit | 4,50% | € 1.073.844.187 | € 1.258.835.752 | € 1.408.807.489 | € 1.654.470.566 | |
| LCOE met accusysteem voor baseload-productie | €/kWh | € 0,087 | € 0,055 | € 0,039 | € 0,032 |
Tabel Capex (€/KWe) en LCOE (€/kWh) van een 50 km dam aan de kust.
De snelheden waarmee dammen te maken hebben in de Noordzee liggen tussen de 0,8 en 1,2 m/s
Investeringsoptimalisatie
- omdat de added mass toeneemt en de opvoerhoogte op de hoofddam groter wordt
- omdat de powercurve over de gehele hoofddam vlakker wordt
Voorlopige iteraties laten zien dat de CAPEX per KWe met 30 tot 50% kan dalen.
Dammen met ongeveer gelijke opbrengst. Dam B is een stuk goedkoper dan dam A.
Ecologie
In tegenstelling tot reguliere turbines met propeller bladen in vrije stroming, zijn de turbines in dammen uitgevoerd als grote schoepen. Bij propellers is de propeller-tipsnelheid groter dan de watersnelheid; dat geldt ook voor windturbines. De tipsnelheid kan bij grote windturbines gemakkelijk 100 m/s zijn = (360 km/uur). Een aanvaring met vogels leidt dan ook zeker dodelijke ongelukken.
De turbines in dammen zijn gesitueerd in een koker constructie met venturie aan- en uitstroom openingen, waar de water kolom doorheen stroomt. De waterkolom is zo groot, bij de turbines met een diameter van 8 m, dat daar een kleine vrachtwagen min of meer recht doorheen kan spoelen. De schoepen bewegen niet sneller dan de watersnelheid.
Turbine met dubbelwerkende schoep constructie werkt evengoed bij eb als bij vloed.
Testen met kleinere versie toonden een mortaliteit van minder dan 1 promille.
De ecologische voordelen van dit type turbines zijn dat larven en visscholen door dam kunnen migreren. Grote zoogdieren als dolfijnen, bruinvis en zeehonden kunnen ongeschonden gemakkelijk met de waterkolom meegenomen worden.
In energetisch opzicht heeft de turbine ook voordelen. De cut-in speed is heel laag;- reeds bij watersnelheden van 3 - 5 cm per seconde gaat de turbine draaien en de turbine kent geen shut-down en zal niet uitgeschakeld hoeven worden bij hoge watersnelheden. Het rendement over het gehele werkgebied is groter dan 85%.
Ecologische impact
7 masterstudenten van de WUR hebben in een studie van 2 maanden in 2019 de ecologie van dammen in de Noordzee gewogen en kwamen tot de volgende slotsom:
Overall, we state that the negative ecological impacts of the DTP-dam will be minimal, whilst the potential for improving ecosystem health in the surroundings is high and could provide considerable conservation benefits. Looking towards the future and the realization of this dam, it is evident that the project impacts a wide spectrum of actors.
Bron: Dynamic Tidal Power in the North Sea
Ecologische validatie rankt op ERL 6. Er is al veel bekend en ook behoorlijk veel onderzocht. Verdieping is gewenst in interdepartementaal verband met de betrokken NGO’s, de WUR en NIOZ.
Technology readiness level
Voor het winnen van energie uit dammen met turbines zou gesteld kunnen worden dat de techniek principieel is bewezen. Er zijn vele plaatsen op de wereld waar dammen zijn gebouwd met turbines. In bijvoorbeeld St Malo-La Rance is een turbine complex gebouwd dat gebruik maakt van getijde energie met een getijde dam. Vloed stroomt via turbines een estuarium binnen van 22 km. De opstuwing leidt tot een verval van 5 m. 12 turbines van elk 10 MW geven de installatie een maximaal vermogen van 240 MW. Turbines in DTP dammen hebben een vermogen van 2,2 tot 10 MW. Dat hangt af van de stroomsnelheid op de locatie waar de dam wordt geplaatst.
Ander project:
Shiwa Lake Tidal Power Station (254 MW) 10 x 25,4 MW turbines (Andritz)
CAPEX Euro 310 mio => Euro 1,2 mio/MW wordt ook gesproken over CAPEX Euro 480 mio => Euro 1,9 mio/MW. Hydropower turbines. Project is in gebruik genomen vanaf 2012.
Dus in technische zin kan gesteld worden dat DTP op TRL 9 level geschaald moet worden.
Hydraulische validatie rankt op HVRL 6 -7 (Hydraulic-Validation readiness level)
Het bijzondere van DTP is dat er substantieel meer energie kan worden gewonnen door dammen loodrecht op het getij te plaatsen. Er kan dan gebruik gemaakt worden van de versnellingseffecten van het getij. Hetgeen bij dammen van kilometers lang leidt tot forse opvoerhoogten. Omdat er nog nergens dammen in zee op deze wijze zijn gebouwd moet de bewijsvoering van dit DTP principe worden geleverd. Dat noemen we de validatie van de hydrologische potentie in zowel vermogen als opbrengst per jaar. Er zijn door diverse experts studies gedaan naar het DTP-principe, maar in science community is er nog onvoldoende draagvlak om zowel bedrijven, banken en onze overheid ervan te kunnen overtuigen dat wij stappen moeten gaan zetten om DTP te realiseren als belangrijke producent van groene stroom in de energietransitie.
Stichting DTP Netherlands laat een White Paper produceren door in TU-Delft gepromoveerde getijde deskundigen om daar mee het DTP principe zowel analytisch als numeriek in opbrengst en vermogen te bewijzen als functie van getijde-snelheid, waterdiepte, damlengte en de vorm van de subdammen aan de hoofddam. Deze studie wordt vervolgens ter goedkeuring/ instemming aangeboden aan onder meer:
- Hoogleraren Hydrologie in Delft en De universiteit van Utrecht
- De experts van Deltares
- Experts van TNO
Nadat de wiskundig/ natuurkundige relaties in wetenschappelijk/technische zin zijn geaccepteerd, zal er uitgezocht worden waar dammen mogelijk geplaatst kunnen worden. Met de volgende randvoorwaarden:
- Geen/ weinig hinder voor de grote scheepvaart
- Geen/ weinig hinder voor de visserij
- Geen weinig hinder voor toerisme
Voor de potentiële locaties worden numerieke berekeningen gemaakt voor de de feitelijk te verwachten opbrengsten.
Als dat gereed is dan is HVRL 9 bereikt.
Partijen die betrokken zijn bij het hydraulische en morfologische validatietraject
Export potentieel
De export spin-off van een grote powerdam in de Noordzee bestaat in hoofdzaak uit twee elementen:
- Feasibilty studies, ontwerpen en bouwen van dammen op andere locaties in de wereld.
- Het aanjagen van van turbine toepassingen voor het verkrijgen van energie uit water. Omdat de prijzen van turbines fors kunnen dalen verbetert de rentabiliteit van turbine onder water projecten.
Matrix voor gewogen export potentieel van powerdammen
De stroomproductie is voorspelbaar en het realiseren van een baseload is goedkoop. Dergelijke projecten veroorzaken niet de maatschappelijke kosten van grid belasting (congestie) en opslagkosten (voor balancing).
Overheden kunnen wereldwijd voor burgers maatschappelijke kosten vermijden door energie uit water projecten een extra vergoeding per kWh te verschaffen. Dit gegeven verhoogt de rentabiliteit van dergelijke projecten. De waterwereld waaronder DMEC zou zich hiervoor hard moeten maken naar onze overheid.
Het nadeel van projecten op zee met turbines is dat de aansluitkosten op het grid erg kostbaar zijn. De markt zal zich daarom moeten ontwikkelen naar grootschalige turbine-farms, waarmee door schaal de kosten van aansluiten beperkt kunnen blijven.
Er wordt vaak geopperd dat waterstof als opslag kan worden geproduceerd met onder water turbines. Dat is echter een dure optie. De LOCE zal voorlopig circa >> 10 cent per kWh zijn. Met die energie als input wordt de waterstof productieprijs met electrolyzers tenminste € 6,50 per kg (op 200 bar) indien vollast kan worden geproduceerd. Er is dan nog geen winst gemaakt, geen BTW betaald en de waterstof is nog niet afgeleverd op een tankstation. Andere systemen zullen waterstof voor een veel betere prijs kunnen maken. Zie detailstudie kosten waterstof. Die optie lijkt daarom vooralsnog niet reëel.
Exportpotentie en het Nederlands aandeel
Powerdammen zijn mogelijk op redelijk ondiepe locaties tot 50m met getijde stroming > 60 cm/s evenwijdig aan de kust. Die locaties zijn buiten Nederland onder andere te vinden aan de kusten van Ierland, Frankrijk, Denemarken, Oman, Australië en China. De markt voor het aantal powerdammen buiten Nederland kan geschat worden 40 - 50 dammen met een investeringsvolume van circa € 800 - 1.000 miljard.
Uit de matrix is af te leiden dat Nederlandse bedrijven voor 40 - 50% van die marktomvang kunnen profiteren.
De markt voor onderwaterturbines staat nog geheel aan het begin van de groeicurve. Mits de turbinekosten tot minder dan 40% kunnen halveren kan die markt geschat worden op gemiddeld 10 GW per land voor 100 geschikte landen. Er is dan een vermogen geprojecteerd van 1000 GW. De omzet voor turbines kan dan begroot worden op € 500 miljard. Nederland kent wel turbine bouwers maar die zijn bescheiden van omvang. Penair Nijhuis heeft een omzet van 4 miljard wereldwijd, waarbij de Nederlandse poot 150 miljoen omzet. Wij schatten het Nederlands aandeel voor de wereldmarkt op 15%; zijnde 75 miljard.
Samenvattend zou het bouwen van een powerdam in onze Noordzee kunnen leiden tot een export potentieel van € 475 - 575 miljard.
Levenscyclus analyse - CO2 voetprint (LCA)
Kelly at al. (2012) hebben een uitgebreide LCA-studie uitgevoerd naar een vergelijkbaar project met DTP: een 16 km lange Severn barrage die 17 TWh per jaar opwekt. De berekende broeikasgasintensitieit van deze barrage bedraagt 8,6 CO2 eq./kWh. Kelly gaat uit van een levensduur van 120 jaar, wat technisch realistisch is.
DTP dammen in zee zijn opgebouwd als betonnen caissons (160 m lang, circa 40 m diep en 50 - 70 m breed) die kunnen drijven (soortelijk gewicht 850 kg/m3). De caissons worden afgezonken op een fundatie van - als regel- gebroken rotsen en gevuld met zand uit zee. De hoeveelheid beton t.o.v. solide barrages bedraagt 36%. In de caissons zijn ogenomen:
- Turbines en de elektrische infrastructuur uitmondend in een AC/DC station waarmee een verbinding naar het Grid op de wal wordt gemaakt.
- De inbouwconstructie is zodanig dat deze goed te bereiken is voor onderhoud, het wisselen van onderdelen en eventueel reiniging (aangroeiing van schelpdieren e.d. is niet aan de orde bij de stroomsnelheden van meer dan 2 m/s die in de turbines optreden).
- De turbine openingen beslaan circa 8% van het natte oppervlak in de hoofddam; - de totale doorlaatbaarheid van een totale dam met zijarmen bedraagt 2% tot 5,7% afhankelijk van de verhouding hoofddam en zijarmen.
- Ruimtes voor biodegradeble batterijen
- Een highway waarop personeel en onderdelen vervoerd kunnen worden (met elektrische voertuigen)
- Enkele caissons bevatten:
- Living- en catering quarters voor onderhoudspersoneel
- Partrooms voor onderdelen en gereedschap
- Eventueel opslagruimtes voor de benodigdheden voor oester- en mosselkwekers
- Eventueel partrooms voor de windmolenindustrie van nabijgelegen windparken
- Een helikopter platform
- Eventueel een waterstofproductie fabriek met opslagfaciliteiten
Voor DTP dammen in zee gaan we uit van een levensduur van tenminste 60 jaar en berekenen een broeikasgasintensitieit van circa 15 CO2 eq./kWh.
Offshore windturbines laten gemiddeld de laagste broeikasgasesemissiefactor van ca. 8 g CO2 eq./kWh (Mendecka & Lombardi, 2019). Echter om windenergie operationeel in te kunnen zetten moeten vanwege het intermitterende karakter vraag en aanbod op elkaar worden afgestemd. Opslag van pieken en het vullen van productiegaten vraagt eveneens om voorzieningen, die impliciet broeikasemissie veroorzaken. Indien de bijstook van productiegaten (10 % - 20%) van de jaarproductie bijvoorbeeld met fossiele energie gebeurt (526 g CO2 eq./kWh), dan verhoogt dat de broeikasgasemissiefactor met 52 - 104 g CO2 eq./kWh. Daarnaast is er voor windmolens en PV-installties een forse uitgave vereist voor netuitbreiding van miljarden Euro’s.
Dammen met eigen opslag leveren een constant vermogen, zonder pieken en productiegaten. Er is voor dergelijke dammen geen additionele CO2 emissie noodzakelijk. Bovendien kunnen deze dammen stroom leveren in de periode van Dunkelflaute en de noodzaak van bijstook of inkoop van stroom beperken voor zon- en windenergie.
Ook zullen dergelijke dammen in plaats van grote vermogens in de pieken en weinig of geen vermogen in de dalen, een constant vermogen hebben (circa 36 % van het piekvermogen van dammen zonder opslag). Hierdoor zijn de aansluitingskosten lager en zijn de netuitbreidingskosten in het land gering en daarmee wordt bespaard op de LCA van electriciteitsystemen.
Al deze effecten leiden ertoe dat dammen met constante stroom een grote besparing leveren op broeikasgasemissie en in maatschappelijke zin in de energietransitie miljarden Euro’s kunnen besparen.
Bronnen
- Uihlein, A., 2016. Life cycle assessment of ocean energy technologies. Int J Life Cycle Assess, Volume 21, pp. 1425-1437.
- Mendecka, B. & Lombardi, L., 2019. Life cycle environmental impacts of wind energy technologies: A review of simplified models and harmonization of the results. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 111, pp. 462-480
- Uitreken en van LCA: https://mobius.ecochain.com
- LCA van PV-Elektriciteit: https://lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/392/170/RUG01-001392170_2010_0001_AC.pdf (gemiddeld 70 g CO2 eq./kWh)
Koppelkansen
In 2019 is er een onderzoek gedaan door 7 master studenten van de WUR o.l.v. de wetenschappelijke staf naar de mogelijkheden voor de visserij in combinatie met powerdammen. Het wordt een geheel nieuwe wijze van vissen. Met betrekking tot de visserij is vastgesteld dat de volgende omzet valt te behalen:
- Oesterkweek € 25 miljoen/ jaar
- Mosselkweek € 25 miljoen/ jaar
- Krabbenkweek € 10 - 25 miljoen/ jaar
Bron: Dynamic Tidal Power in the North Sea
De wanden van de dammen worden uitgevoerd in spelonk structuren, hetgeen vrijwel zonder extra kosten kan worden gerealiseerd bij het spuiten van de wanden bij de vervaardiging ervan. Op deze wijze ontstaan er kraamkamers voor vis. Bij WUR lopen er momenteel onderzoeken (ondermeer o.l.v prof. Tinka Murk) om te evalueren hoe groot de impact kan zijn op het zeeleven. De zeedieren verwelkomen dammen op zee, zo heeft een enquete uitgewezen 😊.
Onderhoud van windmolenparken 🚁
Dammen hebben veel inwendige ruimte. Afhankelijk van de locatie kunnen dammen een uitvalsbasis worden voor onderhoudspersoneel voor de windfarms. Helicopters kunnen er landen en er is voorzien in living quarters met catering voor onderhoudspersoneel. Dammen bevatten ook magazijnruimtes waar ook onderdelen voor windturbines gehuisvest kunnen worden.
Synergie met Delta 21
In de uitvoering van dammen met walvisstaarten is binnen de ruimte van de walvisstaart een valmeer te construeren. Een belangrijk deel van de damwanden is dan reeds gefinancierd. In een optimale situatie kan binnen de walvisstaarten een valmeer geconstrueerd worden van ruim 80 km2.
Bunkeren
Diverse vormen van bunker voor de scheepvaart waaronder waterstof worden mogelijk
Productie van waterstof
Naar mate de waterstofproductie units in prijs/prestatie zullen verbeteren wordt het interssant om waterstof te produceren op dammen. Dammen kunnen dan flexibel CO2 vrij vermogen gaan leveren die qua kostprijs concurreert met die van windturbines. Electrolyzers kunnen omgerekend 2.000 vollasturen draaien met windturbines, met dammen is dat 8.000 uur. Dammen maken dan Flexibele stroom voor 10 cent per kWh, Windturbines voor 18 cent.
Bron: waterstof in 2040
Sportduiken, sportvisserij, zeehotels, Noordzee wellness 🜡
Consumenten verlangen naar nieuwe vormen van ontspanning. Op de vleugels van dammen kunnen vele soorten van belevingstoerisme worden ontwikkeld.
Research- en onderzoekcentra en werelderfgoed centrum met exclusief congrescentrum 🎓
Gepositioneerd midden op zee, met goede verblijf accomodaties vormen dammen een prima uitvalsbasis voor marine- en klimaatonderzoek.
Kustbescherming 🐋
In bepaalde gevallen kan de positie en de uitvoering van dammen leiden tot een betere bescherming van de kust tegen met name Noord-Wester stormen. Vanuit zijn vakgebied is prof. Bas Jonkman zeer geïnteresseerd in deze optie.
Zandmotor
Door dammen slim te positioneren kunnen deze een gunstig effect hebben op de zandmotor in de Noordzee. Hiervoor is grondig onderzoek vereist met numerieke morfologie berekeningen.
Vluchthaven
Voor schepen in nood zijn dammen in zee een vluchthaven.
Faciliteiten voor defensie.
Dammen bieden mogelijkheden voor defensie voor oefeningen en speciale bewaking.
Afval plastic als bouwmateriaal voor dammen ♻
In het basisontwerp is er uitgegaan van het bouwen van dammen met zeewaterbestendig beton. Het zijn holle constructies die kunnen drijven en later afgezonken worden door de daartoe bestemde ruimte te vullen met water en zand. In het program van eisen zal ook worden opgenomen na te gaan of de dammen gebouwd kunnen worden van afvalplastic.
De hoeveelheid plastic die daarvoor nodig zal zijn per dam van 50 km, komt overeen met 4 tot 5 keer de hoeveelheid gedumpt plastic in geheel Europa per jaar.
Ruimtebeslag DTP versus zon en wind
| DAM Vmax 1,2 m/s | DAM Vmax 0,8 m/s (**) | ZON | WIND OP ZEE Schaduw factor 5 (*) | WIND OP ZEE Schaduw factor 4(*) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Vermogen | GW | 25 | 15 | 0,001 | 25 | 25 |
| Draaiuren | Vollasturen/ jaar | 3000 | 3000 | 900 | 4700 | 4300 |
| Productie | TWH | 75 | 45 | 0,0009 | 117,5 | 107,5 |
| Oppervlak | km2 | 7 | 7 | 0,01 | 3000 | 2500 |
| GW/km2 | 3,6 | 2,1 | 0,100 | 0,008 | 0,010 | |
| TWH/km2 | 10,7 | 6,4 | 0,09 | 0,039 | 0,043 |
Toelichting bij tabel:
Windparken op zee hebben t.o.v. energiedammen 208 keer meer oppervlak nodig voor de dezelfde stroomproductie. Zonneparken hebben t.o.v. energiedammen 95 keer meer oppervlak nodig voor de dezelfde stroomproductie.
Als gevolg van de groeiende vraag naar elektriciteit, door inzet van warmtepompen, de productie van waterstof voor de industrie en voor transport, groei van airco, aandeel van elektrische auto’s en de groei van elektrificatie in het algemeen verwacht het PBL een groei van de vraag van 120 TWH naar 400 TWH. Het aandeel wind op zee wil men laten groeien tot 65% van de vraag. Er is dan 6.300 km2 noodzakelijk en inclusief de hubs en stroomafvoerkabels spreken we van circa 6.500 km2.
Het Nederlands continentale plat heeft een oppervlak van 57.000 km2 (10% van dat van de Noordzee). Het deel waar windmolens in geplaatst kunnen worden, “IJmuiden ver” richting Doggersbank buiten de grote scheepvaartroutes heeft een oppervlak van 25.000 km2. Een kwart van die ruimte (6500 km2) is dan noodzakelijk voor de windturbines. Zou dat met energiedammen gebeuren dan hebben we 31,5 km2 nodig.
(*) Schaduwfactor is de onderlinge afstand van windturbines als functie van de wiekdiameter. Om de beïnvloeding van windmolens onderling te beperken moet volgens wetenschappers, de onderlinge afstand in het ideale geval 6 - 7 x de wiekdiameter zijn. Turbine exploitanten hanteren een factor 5, EZK hanteert een factor 4.
Tijdens een congres in Zweden (Ben- Gurion University, Beer-Sheva Israel) is op basis van de netto contante waarde een factor 6 als optimaal bepaald. Het dichter op elkaar plaatsen leidt tot minder vollasturen, echter ook tot minder kabels en minder pacht.
(**) Vmax: de maximale getijde snelheid optredend in de periode van springtij.
Gevolgen van windparken op zee
RuimtebeslagIn de windparken mag als regel niet gevaren en niet gevist worden. Naast het ruimtebeslag van de windturbines zijn ook de kabels op zee kwetsbaar. Rijkswaterstaat schrijft voor dat een kabel in een ruimte van 100 m vrij moet liggen. Vissen met sleepnetten is dan riskant.
Elektromagnetische straling
Bij waarden groter dan 0,4 microtesla ondervinden dieren hinder en mogelijk schade. Ondergrondse kabels leveren ook schade.
Mortaliteit vogels en insecten
Er is nog veel onderzoek nodig. Maar voorlopig dit:
Onderzoekers hebben gevonden dat per turbine met een diameter van 150 - 200 m het aantal gedode vogels 50 tot 150 per jaar bedraagt. De toekomstige windparken zullen dan 1 miljoen volgels kunnen doden; dat is circa 3 % van de populaties die overvliegt.
Trieb et. al. hebben gevonden dat er in Duitsland circa 1,2 biljoen insecten gedood worden per jaar. Dat is 1/3 van de de migrerende insecten populatie van Engeland naar Europa
Geluid en trillingen
Geluid en trillingen hebben negatieve invloed op het waterleven.
Kraakbeen vissen, en ook zoogdieren als dolfijnen, walvissen, zeehonden en robben en ook diverse weekdieren hebben een uitstekend gehoor. Het gehoor heeft een functie bij lokaliseren van prooi en predators, bij paring en communicatie.
Turbines veroorzaken trillingen en laagfrequent geluid. Zie studie van Lisa van der Molen TU Delft
Stormbestendigheid dammen
Dammen in zee moeten superstormen kunnen weerstaan.
Dammen moeten golfklappen kunnen opvangen. Deze kunnen op rechte wanden een waarde bereiken van 100 KN/m2. 1 KiloNewton = 101,9 kg
Dammen zijn zo onworpen dat deze krachten ruim kunnen opvangen.
- Dynamisch gedrag van waterbouwkundinge constructies P.H. Klokman 1996