Je leest:

Energie uit de oceaan

Energie uit de oceaan

Auteurs: en | 30 juni 1998

Golven, eb en vloed, stromingen en temperatuurverschillen – de oceanen vormen een enorm opslagvat van energie. Daarnaast versperren de oceanen de weg tot een grote hoeveelheid fossiele brandstoffen. Energie in overvloed, maar hoe haal je die eruit?

Hawaii. Uit de diepzee opgepompt water warmt op in een elektriciteitscentrale en loopt in een bassin met oesters. Binnenkort volgt weer een oogst zwarte parels. De centrale produceert schone energie uit het temperatuurverschil tussen oppervlaktewater en water van grote diepte.

Warmtewisselaar

Thermische energie: Er bestaan twee systemen waarmee warmte-energie uit zeewater kan worden omgezet in elektriciteit. In beide gevallen gebruiken de systemen koud zeewater dat van grote diepte is opgepompt en warm oppervlaktewater. In het gesloten systeem zorgt het warme water voor verdamping van ammoniak, dat onder hoge druk een turbine aandrijft. Koud zeewater laat achter de turbine ammoniak weer condenseren. In het open systeem verdampt warm zeewater in een vacuüm. De waterdamp drijft een turbine aan. Achter de turbine condenseert de waterdamp in een warmtewisselaar, dankzij het koude zeewater.

De Franse ingenieur Jacques-Arsìne d’Arsonval opperde in 1881 het basisidee van OTEC. Zijn eerste ontwerp is in de meeste moderne OTEC-installaties verwerkt: een gesloten cyclisch systeem met een koelvloeistof (ammoniak). Dit systeem kan continu draaien. De warmte van het oppervlaktewater laat in een warmtewisselaar koelvloeistof verdampen. De damp zet uit en levert aan de voorzijde van de turbines een hoge druk. Achter de turbines zorgt opgepompt koud zeewater in een tweede warmtewisselaar voor condensatie van de damp, waarbij de druk daalt. Het drukverschil drijft turbines aan die zijn gekoppeld aan een elektriciteitsgenerator.

Bij Keahole Point op Big Island, het grootste eiland van Hawaii, installeerde de Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority (NELHA) in 1979 een Mini-OTEC. Het systeem stond opgesteld op een vlot op 2,4 kilometer uit de Hawaiiaanse kust. Warm oceaanwater, van ongeveer 26°C, kwam van een diepte van 17 meter. Oceaanwater met een temperatuur van 6°C pompte men op van een diepte van ongeveer 600 meter, waarbij de diepe pijplijn als anker van het vlot fungeerde. Het was de eerste OTEC die meer energie oplevert dan verbruikt. Van de 50 kilowatt opgewekte elektriciteit bleef, na aftrek van het energieverbruik van de installatie zelf, 15 kilowatt over, voldoende voor vijf tot tien woningen. De OTEC-installatie zoog het diepe water beneden het niveau van de menglaag en de fotische zone op. In dit gebied, waar geen zonlicht komt, leven weinig organismen en dat water bevat vrijwel geen ziekteverwekkers.

Op de Pacifische Eiland Republiek van Nauru installeerde Japan in 1982 een gesloten OTEC-installatie van 35 kilowatt. Een tyfoon gooide datzelfde jaar roet in het eten en vernielde de diepe pijplijn.

Dergelijke OTEC-installaties zijn bijzonder geschikt voor de energievoorziening op kleine eilanden in warme zeeën en in ontwikkelingslanden in de tropen.

Er bestaan inmiddels ook open systemen waarbij warm zeewater wordt geïnjecteerd in een vacuüm van 0,03 atmosfeer en daarbij verdampt. Dit systeem is in de jaren dertig uitgevonden door Georges Claude, een student van d’Arsonval. Achter een grote turbine-generator zorgt een pomp voor een nog hoger vacuüm. Het drukverschil drijft de turbine aan en produceert zo elektriciteit. Koud zeewater kan tevens zorgen voor de condensatie van warme stoom in een oppervlakte-warmtewisselaar, waarbij zoet water ontstaat. In 1986 nam NELHA een open OTEC-systeem in gebruik.

Zwarte parels

De OTEC-systemen hebben geleid tot diverse nevenactiviteiten. Het koude gecondenseerde water is geschikt als koelwater voor de airconditioning. De warmtewisselaars van het gesloten OTEC-systeem waardoor koud oceaanwater stroomt, laten vocht condenseren en produceren zo drinkwater. De luchtvochtigheid bedraagt op Hawaii 80 procent. Duizend liter koud oceaanwater levert zo vijf liter drinkwater op.

De OTEC-systemen vormen een goed uitgangspunt voor tuinbouw- en aquacultuurproducten. De luchtvochtigheid die condenseert aan de koude waterleidingen zorgt voor druppelirrigatie. Belangrijker is de lage temperatuur van het opgepompte water. Aardbeien gedijen uitstekend in een koele vochtige bodem onder de Hawaiiaanse zon – alsof het eeuwig lente is. Men kweekt bij Keahole Point meer dan tachtig soorten groenten. ‘Aquacultuurboerderijen’ mengen het warme en het koude oceaanwater om water met temperaturen tussen 6 en 26°C te krijgen. Daarmee kunnen ze uiteenlopende dier- en plantensoorten kweken en de groei en de voortplanting daarvan beïnvloeden door seizoensinvloeden na te bootsen. Het diepe oceaanwater bevat veel meer opgeloste nitraten, fosfaten en silicaten dan het warmere oppervlaktewater, en is daardoor ideaal voor algengroei. De Cyanotech Corporation kweekt zeer succesvol Spirulina-algen die als voedingssupplement worden verkocht. Andere bedrijven kweken zalm, lokale vissoorten, garnalen, kreeften of oesters, waaronder pareloesters die zwarte parels maken.

Warmte-energie

Ver van de evenaar bevat zeewater ook nog voldoende nuttige warmte-energie. In de kustplaats Haugesund in Zuidwest-Noorwegen produceert het bedrijf Protan AS algine, een eiwitachtige stof uit bruinwieren. Afvalwater verwarmt zoet water tot 30 à 40°C. Sinds 1989 brengt een warmtewisselaar het water op de gewenste 50°C, waarbij het de benodigde warmte-energie haalt uit zeewater met een temperatuur van 5 tot 11°C. De wisselaar, met een maximumcapaciteit van 6400 kilowatt, levert jaarlijks 45 miljoen kilowatt warmte. Omgerekend naar elektriciteit heeft dit systeem zich in 1,3 jaar terugverdiend. Via een warmtewisselaar kan zeewater ook zorgen voor een aangename binnentemperatuur. Een hotel in Trondheim wekt 900 kilowatt warmte op met een warmtewisselaar/koelsysteem. Zelfs op de koudste dagen van het jaar levert het zeewater nog de helft van de benodigde energie.

Getijbeweging

Voor niets gaat de Maan op en onder – eb- en vloedenergie is gratis. Tweemaal per etmaal rijst en daalt het zee-oppervlak. Getijcentrales zetten die beweging om in elektrische energie. Een aangelegde dam verandert een inham in de kust of een riviermond in een bekken. Bij hoogwater stroomt dat bekken via de doorlaatsluizen vol. Bij laagwater stroomt het water via de turbines zeewaarts en drijft de waterstroom turbines aan. Het is zelfs mogelijk dat het instromende vloedwater turbines aandrijft. De oudste getijcentrale is in 1967 in het Franse St. Malo in Bretagne in bedrijf gesteld. Het verval tussen eb en vloed bedraagt daar 8,2 meter. De turbines draaien tijdens zowel de eb- als de vloedstroom. De 24 generatoren in de centrale leveren elk tien megawatt, waarbij de meer controleerbare ebstroom verantwoordelijk is voor zevenachtste van de opgewekte energie. Installaties bij de Witte Zee en de Barentszzee moeten uitwijzen of getijcentrales rendabel energie leveren voor de Russische economie. Een echte doorbraak voor getijcentrales lijkt nog ver weg. De vereiste investeringen zijn zo hoog dat getijcentrales maar moeilijk kunnen concurreren met olie-, kolen- of gascentrales. Voorts is de getijwerking onregelmatig en wisselt die met de seizoenen. Bovendien kan zo’n schone centrale voor milieuproblemen zorgen. Bij een proefinstallatie in de Noord-Amerikaanse Bay of Fundy, waar de omstandigheden ideaal lijken voor getijcentrales, zorgde de veranderde waterstroming voor extra kusterosie.

Golf- en deiningsbeweging

Met name in Groot-Brittannië, Scandinavië en Japan werken ingenieurs aan het winnen van energie uit kleinere waterhoogteverschillen. Alleen al langs de Britse kusten kan het golvende en deinende zee-oppervlak naar schatting ruim twaalf miljard watt aan energie leveren, voldoende voor 11 tot 15 % van de Britse elektriciteitsbehoefte. Wereldwijd is zelfs 400 miljard watt haalbaar. Lastig is dat de hoeveelheid opgewekte energie afhangt van de windkracht en de windrichting en dus van plaats tot plaats en per tijdstip nogal kan variëren.

In 1995 ging voor de kust van Dounreay in Noord-Schotland de Ocean Swell Powered Renewable Energy (OSPREY I, visarend) tijdens het installeren verloren. Dit systeem moest twee megawatt elektriciteit gaan leveren. De centrale kan de zwaarste stormen weerstaan, nadat hij staat verankerd op de zeebodem. Het deinende zeewater perst lucht samen of zuigt lucht weg uit een kamer die zich gedeeltelijk onder water bevindt. Deze luchtstroom drijft turbines aan die altijd in dezelfde richting draaien, onafhankelijk van de persende of zuigende beweging van de lucht. In 1999 wil men de OSPREY II in zee verankeren.

In een kunstmatig aangelegde inham op het Schotse eiland Islay werkt al acht jaar lang de LIMPET, een soort omgekeerde fles waarin het op- en neergaande zeewater een turbine aan de bovenzijde aandrijft. Dit systeem levert 150 kilowatt elektriciteit. Een nieuw Brits ontwerp is de Clam. Dit apparaat zet evenals de OSPREY de golf- of getijbeweging om in een beweging van zuigers die lucht samenpersen en zo turbines aandrijven.

Een Noorse, in een fjord gebouwde centrale, de Tapchan, betrok eveneens energie uit door zeewater samengeperste lucht. In 1986 legde men in een fjord een dam aan. De golfhoogte neemt in de toelopende fjord en het betonnen kanaal daarachter sterk toe, voordat het water lucht samenperst die een turbine aandrijft. Helaas is de Tapchan vernield toen men enkele rotsen wilde opblazen.

Het ontwerpen van nieuwe golfcentrales gaat in volle gang door. In Zweden test de firma Technocean inmiddels een drijvend boeisysteem, waarmee zij vijf kilowatt elektriciteit hoopt te winnen.

Waterschommel

Luchtkamers: De Archimedes Waterschommel bestaat uit paddestoelvormige luchtkamers, onderling verbonden via luchtleidingen. Als gevolg van overstromende golven varieert de luchtdruk in de reservoirs, die daardoor op-en-neer bewegen en lucht uitwisselen. Een generator zet de schommelbeweging van de reservoirs om in elektriciteit.

De Nederlandse firma Teamwork Technology ontwikkelt de Archimedes Wave Swing (AWS). Dit systeem is stormbestendig doordat het zich vijftien meter onder het wateroppervlak bevindt. Het bestaat uit twee of meer paddestoelvormige betonnen luchtkamers, elk met een doorsnede van twintig meter en een gewicht van honderdduizend kilogram. De luchtkamers zijn via luchtleidingen met elkaar verbonden. Als er een golf over een kamer komt, stroomt door de hogere waterdruk het zeewater daar onderin naar binnen. Terwijl de kamer zinkt, perst het water lucht naar de volgende kamer, die zich dan in de trog tussen twee opeenvolgende golven bevindt. Daardoor komt de tweede kamer omhoog. De schommel kan ongeveer vijf meter op en neer bewegen. Een generator die is aangesloten op de schommel wekt elektriciteit op. Volgens berekeningen en proeven met schaalmodellen produceert het systeem bij een golfhoogte van één meter 0,52 megawatt, bij twee meter is dit al 1,25 megawatt en bij vier meter 2,7 megawatt. Het nettovermogen van drie van dergelijke waterschommels kan ongeveer 8 megawatt bedragen. Per kilometer kustlijn is er plaats voor zes AWS-drielingen die dan samen 48 megawatt elektriciteit kunnen opwekken, aan de Noordzeekust voldoende voor 70.000 huishoudens. Een consortium van bedrijven bereidt momenteel, onder leiding van de nieuwe opgerichte AWS bv, de bouw voor van een eerste testinstallatie voor de Portugese kust. Daar lopen voortdurend deiningsgolven vanuit de Atlantische Oceaan op de kust.

Wereldwijd voldoet ongeveer 20.000 kilometer kustlijn aan de technische eisen voor de aanleg van een AWS. Uit economisch oogpunt beschouwd (aanwezigheid van infrastructuur) blijft hiervan ongeveer 2000 kilometer over. Naast de Portugese kust behoren hiertoe de oostkust van de Filippijnen (150 km) en Japan (300 km) en de zuidkust van China (300 km). Kortere geschikte kustlijnen zijn er in het westen van Ierland (25 km), Zuid-Australië (40 km), Indonesië (60 km) en Marokko (50 km).

Het is een kwestie van tijd voordat de fossiele brandstoffen schaarser en daardoor duurder worden. Daarbij zal door economische groei en ontwikkeling het wereldenergieverbruik voorlopig nog blijven toenemen, met name in Derde-Wereldlanden. De oceaanenergiecentrales bieden volop perspectieven voor kustgebieden met een geschikte deining, watertemperatuur of getij. De technieken die in de 20e eeuw zijn ontwikkeld, kunnen zich in de 21e eeuw bewijzen als een volwaardige, duurzame bron van energie.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 juni 1998

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.