Getijdenenergie: een toekomst vanuit Belgisch perspectief? Onderzoek naar de technische en economische haalbaarheid.

Een Zee van Energie

Wie tijdens de zomer van 2008 langs de haven van Oostende flaneerde, kon er niet omheen kijken: op de Halve Maan site verrezen grote kegelvormige betonnen torens. Toevallige voorbijgangers dachten misschien aan koeltorens, maar geïnteresseerden in hernieuwbare energietechnologie en waterbouwkunde, zagen hier de opbouw van de funderingen voor de eerste 6 Belgische offshore windmolens. De offshore omgeving biedt dan ook een tot nu toe weinig benutte bron van energie. Boven het zeeoppervlak houdt een strakke en regelmatige wind de windturbines draaiende. Maar ook op het zeeoppervlak ligt er een energiebron, onder de vorm van golfenergie. Deze studie dook echter onder het zeeoppervlak, op zoek naar getijdenstromingsenergie. Daarbij wordt de technische en economische haalbaarheid van deze nieuwe hernieuwbare energietechnologie onderzocht. De oceanen houden een gigantische bron van energie in zich Studies tonen aan dat 30% van de energiebehoeften van het VK met getijdenenergie kan bevredigd worden Maar zal de Noordzee onze Belgische groene energieproductie straks ook in een nieuwe stroomversnelling kunnen brengen?

Een nieuwe stroming

Getijden ontstaan door de veranderlijke krachten van de aarde en de maan op de watermassa’s van de aarde. Enerzijds vervormt zowel aantrekking door maan, zon als aarde de zeespiegel, afhankelijk van hun onderlinge stand. Anderzijds werkt ook een centrifugaalkracht op de watermassa, door rotatie van het maan-aarde en zon-aarde stelsel. Dit is het effect dat ook optreedt bij het snel ronddraaien van een emmer water.

De positie van de maan, zon en aarde t.o.v. elkaar veranderen volgens welgekende cycli. Dit zorgt ervoor dat ook de stand van de zeespiegel cyclisch varieert. Het getij is niets anders dan een golf die zich over de aarde verplaatst.

Energie halen uit de getijdenwerking op zich is geen nieuw fenomeen. In de middeleeuwen bestonden watermolens langs getijdenrivieren of afgedamde bekkens voor het malen van graan. Ook nu bestaan op grote schaal Hydro-elektrische centrales op afgedamde getijdenbekkens. Waarom dan een onderzoek naar getijdenenergie? De getijdenenergie die hier wordt geëvalueerd baseert zich niet op het verschil in waterniveau van het getij maar eerder op de stromingssnelheid van het zich verplaatsende water. Waar vroeger gefocust werd op de potentiële energie in de getijdengolf, beschouwt de huidige generatie de omzetting van de kinetische energie. Dit systeem lijkt bijzonder aantrekkelijk voor energiewinning omdat het een relatief kleine investering vergt – in tegenstelling tot de enorme investering van een stuwdam, het slechts een minieme impact heeft op de omgeving, het absoluut voorspelbaar en betrouwbaar is - in tegenstelling tot wind- en zonne-energie - en het volledig uitstootvrij gebeurt.

Vier concepten beheersen de huidige generatie getijdenstromingsturbines (TEC’s): rotor met horizontale as (type windmolen), rotor met verticale as (verticale bladen, draaiend rond verticale as), hydrofoil-systeem (walvisstaart met oscillerende beweging) en wervelingsinductie (een object in de stroming ondervindt oscillerende krachten door als hindernis in de stroom te worden gebracht). (Fig. 1) Vrij analoog aan windenergie kan het geleverd vermogen van alle 4 bepaald worden als volgt:

(1)

waarbij ρ de dichtheid van het zeewater, S de doorstroomoppervlakte van de turbine, het rendement en v de stromingssnelheid is.

Hoewel vergelijkbaar kan de technologische analogie met windenergie niet zonder meer worden getrokken: de stromingen zijn minder fluctuerend, er heerst een corrosief milieu, omgevingsimpact door bewegende onderdelen onder water, …

Avec la mer du nord …

Het onstuimige karakter van de Noordzee komt in tal van zeemansverhalen naar voor. Het staat buiten kijf voor menig zeelui dat de Noordzee enkele locaties met zeer hoge stroming herbergt. Wat dit betekent voor de energieopwekking uit getijden is echter tot op heden niet goed bekend, en al zeker niet voor het Belgisch deel ervan.

Deze studie onderzoekt het stromingspotentieel in het Belgisch Deel van de Noordzee (BDNZ). Daarvoor moet in de eerste plaats worden teruggegrepen naar de getijdenstromingen. In de Noordzee heerst een afgeleid getij: het ontstaat door het binnendringen van een getijdengolf uit de Atlantische oceaan via het Kanaal. Dagelijks wordt tweemaal hoogwater bereikt en elke 14,5 dagen heerst spring of doodtij. Numerieke data hierover komt voort uit het OPTOS Coherens[1] rekenmodel [1]. De stroomsnelheid vormt een zeer belangrijke parameter, iedere wijziging hiervan heeft gezien de derde macht een sterke invloed op het geleverde vermogen. (zie 1).

De 2 belangrijkste parameters zijn de stromingssnelheid en diepte, welke de doorstroomoppervlakte van het toestel bepaalt. In deze studie werd een waardering toegekend aan de combinatie van beide in de vorm van een kansenkaart (Fig. 2). De wetgeving voorziet in een afgebakende zone waarin energieopwekking uit water, stromen of winden mag gebeuren: de zogenaamde concessiezone. [2] Buiten deze zone moet rekening worden gehouden dat het BDNZ voorziet in zones voor tal van gebruikers die niet steeds compatibele vereisten hebben: visserij, militair, habitatgebieden, sportgebieden, … Ook dit tracht de studie in rekening te brengen.

Drie zones bleken op basis van de kansenkaart voor verder onderzoek interessant: een zone binnen het wettelijk voorziene gebied (concessiezone), gebied Wielingen en een zone voor de kust van Calais (hoewel net buiten het BDNZ). Omwille van zijn interessante locatie werd ook de haven van Zeebrugge aan verder onderzoek onderworpen.

De geldstroom

Het uiteindelijke lot van deze technologie wordt bepaald door zijn rendabiliteit. Wat is het energetisch potentieel, m.a.w. wat levert het op en wat zal het kosten?

De technisch potentiële energiewinning wordt medebepaald door de technologie. Na een diep onderzoek naar de huidige markt TEC’s bepaalden elementen als prijs, schaalbaarheid, mechanisme voor energieomzetting, rendement en maturiteit van het toestel de finale selectie. Vijf toestellen werden weerhouden (3 voor diepwater, 2 voor ondiep). De diepte van de locaties bepalen de afmetingen van het toestel.

De effectieve energieopbrengst omvat nog een aantal parameters. Zo zal de positionering van de toestellen (parkconfiguratie) een belangrijke rol gaan spelen in het rendement van een groep toestellen. Tevens kan slechts een fractie van de totale energie uit de stroming onttrokken worden opdat geen negatieve milieu-impact zou optreden. Zo wordt de grootte van een TEC-park gelimiteerd. Met het oog op het begroten van het potentieel werd steeds maximale energiewinst per toestel nagestreefd.

Een gedetailleerde kosten-baten analyse geeft een indicatie van het economisch potentieel voor Belgische perspectieven. Een kostprijsbegroting op basis van concept, materiaal en onderhoud en een raming van inkomstenbegroting vormen de kern van deze analyse. Tevens werden inkomsten van groene stroom certificaten en subsidies in de studie verwerkt.

De uiteindelijke rendabiliteit (d.m.v. Net Present Value – huidige waarde van de geldstroom, rekening houdend met inflatie en rente -  en kostprijs van elektriciteit) voor alle sites blijkt matig tot slecht te zijn. In fig. 2 zijn de beste scenario’s van iedere site uitgezet. Merk op dat de lage NPV die resulteert voor de Zeebrugge-zone te wijten is aan een zeer lage investeringskost. Enkel de zone Calais vertoont positieve resultaten.

De elektriciteitskost gepaard met de technologie varieert tussen 10 en 130 €c/kWh. Hoewel de zones Calais en Concessie verder uit de kust gelegen zijn, blijken ze opmerkelijk betere resultaten te leveren dan Zeebrugge en Wielingen. Dit omdat de toesteldiameters groter zijn door de toegenomen diepte.

Een toekomst?!

Enkel voor de kust van Calais blijkt met enige zekerheid een rendabel project op te starten. Merk op dat er werd gerekend met de huidige generatie van toestellen, die vooral ontwikkeld worden voor de grote stroomsnelheden rond het Verenigd Koninkrijk. Een verdere onzekerheid resulteert uit het gebrek aan betrouwbare kostprijzen van de toestellen (commerciële belangen van de producenten).

Misschien zullen we in de komende 20 jaar onze huizen niet verwarmen met getijdenenergie, we kunnen wel ons brein breken over hoe en wanneer het dan wel lukt. Dat onderzoek kan zich focussen op een nieuwe, goedkopere energieproductie bij lagere stromingssnelheden, gebruik van nieuwe materialen of eventuele synergie met fundering van offshore windmolens. Een en ander zal ook afhangen van hoe het spel op politiek vlak gespeeld wordt.

Figuur 1 Schematisch overzicht van de vier types convertoren (a) hydrofoil[3], (b) HATT, (c) VATT [4] en (d) Wervelstromingsgeinduceerde vibraties[5]

Figuur 2 Kansenkaart* van het BDNZ.

(*De kleurcode geeft aan hoe interessant een gebied is voor energiewinning. Code 1 zijn gebieden met een gemiddelde waterdiepte minder dan 4m of waar de snelheid minder dan 30% van de tijd groter is dan 0,5m/s. Code 2 geldt voor gebieden met een gemiddelde waterdiepte groter dan 4m en waar de stroomsnelheid minstens 30% van de tijd groter is dan 0,5 m/s doch niet groter dan 0,7m/s. De overige codes volgen ditzelfde logische patroon. Met code 8 worden de meest optimale gebieden aangeduid.)

Figuur 3 (a) Net Present Value for the best scenarios en (b) Cost Of Electricity for the best scenarios

[1] Coherens: Coupled Hydrodynamical Ecological model for REgioNal Shelf seas, beheerd door het BMM (Beheerseenheid van het Mathematisch Model van de Noordzee en het Schelde estuarium).