Oceaan eindeloze bron van duurzame energie

Met een gecombineerd systeem van OTEC en SWAC gaat Curaçao de in de oceaan aanwezige warmte optimaal benutten. Met OTEC wordt elektriciteit opgewekt en met SWAC worden gebouwen gekoeld. Ook op Aruba is de ontwikkeling van SWAC in een vergevorderd stadium.

door

Een Caribisch-Nederlands project waarbij op grote schaal gebruik gemaakt wordt van in oceaanwater opgeslagen energie gaat dit jaar nog van start. Er ligt een uitgewerkt plan voor een Ocean Ecopark dat direct aan de kust van Curaçao zal verrijzen en waarin diverse duurzame technologieën gecombineerd gaan worden. “De ligging nabij zowel de zee als het vliegveld Curaçao is heel gunstig”, vertellen een enthousiaste Diego Acevedo en Paul Dinnissen in het gebouw van YES!Delft, waar innovatieve ondernemers verbonden aan de TU Delft hun kantoor houden. Hun bedrijf Bluerise, dat vier jaar geleden is opgericht, probeert de commerciële toepassing van oceaanenergie van de grond te krijgen.

De kern van het Ocean Ecopark in Curaçao omvat twee technologieën: Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) en Sea Water Air Conditioning (SWAC). “Op Curaçao zal dit wereldwijd gezien de eerste commerciële toepassing van OTEC worden bij deze temperatuurgradiënt”, aldus Acevedo. “Koeling met SWAC wordt al wel commercieel toegepast.”

World temp

Voor de toepassing van OTEC moet het temperatuurverschil tussen de waterlagen minimaal 20 graden bedragen. In de groen gekleurde delen is dit het geval, met een optimale situatie in de felgroene delen. Bluerise

“In Hawaï en Japan zijn al wel pilots voor OTEC gebouwd en sinds de ramp met de kerncentrale bij Fukushima is men deze technologie in Japan in rap tempo als alternatief voor kernenergie verder aan het ontwikkelen”, vertelt de technisch ingenieur, die deze maand gaat verhuizen naar het Caribisch gebied om voor Bluerise dichter in de buurt van het project te zijn.

Twintig graden temperatuurverschil

Het principe van OTEC is als volgt: met het warme oppervlaktewater van de zee wordt een gasmengsel dat ammonia (NH3) bevat verdampt en met een warmtewisselaar in stoom omgezet. De stoom drijft een turbine aan waarmee elektriciteit geproduceerd wordt. Het ammoniamengsel wordt vervolgens gekoeld met het ijskoude zeewater uit diepe waterlagen en de cyclus begint opnieuw.

Otec cycle

OTEC-cyclus Bluerise

De voorwaarde is een groot (minimaal 20 graden) temperatuurverschil tussen het warme en koude zeewater. Het opgepompte zeewater heeft een temperatuur van 4-5 graden en na de stap met OTEC is het water opgewarmd tot 7 graden, zodat het nog steeds bruikbaar is voor SWAC. Dinnissen: “Eventueel kan het nog gemengd worden met zeewater van 4 graden, om de voor SWAC gewenste temperatuur te bereiken”.

De OTEC-installatie zal continu netto 500 kilowatt leveren (per uur is dat 500 kWh, dus met aftrek van het elektriciteitsgebruik voor de pompen; grofweg is dit het elektriciteitsgebruik van 500 huishoudens). Een verdere energiebesparing wordt gerealiseerd door de inlaat van het koude zeewater op een lager niveau dan de zeespiegel te plaatsen. Op deze manier drukt de zeewaterkolom (volgens het natuurkundig principe van de communicerende vaten) het water in de buizen naar boven. Per seconde zal er voor het Oceaan Ecopark ruim een kubieke meter diep zeewater worden opgepompt.

Canvas2

Een doorsnede van de zeebodem met twee varianten van de OTEC-technologie: onshore (0,5 MW) en offshore (10 MW). Bij de offshore-variant komt de elektriciteit met een stroomkabel aan land en wordt deze aan het net gekoppeld. Bluerise

Ontlasten van elektriciteitsnet

Een constant vermogen van 500 kWh afkomstig van de onshore OTEC-installatie is bescheiden – vergelijk het met een windturbine, die al gauw enkele megawatts levert. Wat maakt onshore-OTEC dan toch interessant? “Een belangrijk verschil met zonne- en windenergie is dat OTEC 24 uur per dag stroom levert”, legt Dinnissen uit, “terwijl een windturbine afhankelijk is van het windaanbod en een zonnepaneel van de zoninstraling.” In het Caribisch gebied is er gemiddeld zo’n vijf per dag volle zon. Ook wordt bij een overaanbod aan wind de stroomproductie soms aan banden gelegd om het elektriciteitsnet niet over te belasten (curtailing).

Vanwege de continuïteit van het stroomaanbod wordt het elektriciteitsnet bovendien niet onregelmatig belast. Er zijn geen pieken en dalen in de stroomproductie omdat de zeewatertemperatuur vrijwel constant is. De stroom die OTEC levert is daarom te beschouwen als baseload, een term die energie-experts gebruiken voor het permanent geleverde elektrisch vermogen door een elektriciteitscentrale. Hierdoor kan het vermogen dat met fossiele brandstoffen wordt opgewekt naar beneden worden bijgesteld.

Otec fossiel2

Met een combinatie van een offshore OTEC-installatie, SWAC en zonne- en windenergie kan het aandeel fossiele energie voor de elektriciteitsvoorziening drastisch worden teruggebracht. De piekbelasting is minder omdat met SWAC elektriciteit wordt bespaard op de airconditioning, juist op het heetst van de dag wanneer het aandeel zonnestroom hoog is. Bluerise

Hergebruik zeewater

Bluerise wil een combinatie van OTEC en SWAC op Curaçao gaan toepassen om het zeewater, dat na toepassing in de OTEC- en SWAC-installaties nog steeds behoorlijk koud is, te kunnen hergebruiken voor andere toepassingen. Op de Caribische eilanden gaat een substantieel deel van de meestal met fossiele brandstoffen geproduceerde elektriciteit naar de airco-systemen. Dat geldt zowel voor huishoudens als voor hotels en andere bedrijven.

Met SWAC kan daarom aanzienlijk worden bespaard op het elektriciteitsgebruik, volgens Acevedo kan die besparing oplopen tot 90 procent. Op Curaçao zal de koeling worden gebruikt voor het vliegveld en de in de omgeving gevestigde datacenters, ook grootverbruikers van energie.

1zyfhtwhn5

Artist impression van het Ocean Ecopark Curaçao. Het opgepompte zeewater dient tevens als bron van meststoffen (stikstof en fosfaat). Nadat het water achtereenvolgens door de OTEC- en SWAC-installatie is gebruikt, is de temperatuur tussen 11 en 13 graden, nog steeds laag genoeg voor de toepassing voor koeling en klimaatbeheersing in kassen. In het 20 ha grote Ocean Ecopark, dat in de toekomst tot 40 ha kan uitbreiden, zijn ook plannen voor landbouwproductie met energiezuinige kassen. Bluerise

Plan voor Aruba

De ligging van het Ecopark te Curaçao direct aan zee is gunstig omdat de lengte van de buizen voor SWAC hierdoor beperkt is. Door de steile continentale helling van Curaçao kan de buis waarmee het koude water op één kilometer diepte naar boven wordt gepompt korter zijn dan bijvoorbeeld op Aruba, waar een SWAC-systeem op de tekentafel ligt van het Polytechnisch Ingenieursbureau n.v. (PIB).

Werktuigbouwkundig ingenieur León Hamers van PIB is al twaalf jaar bezig met een plan voor de toepassing van SWAC op Aruba en werkt hiervoor samen met Ecopower International, Capital Cooling uit Zweden, Deerns Nederland en Makai Ocean Enegineering, een consortium met SWAC-projecten in onder meer Kopenhagen, Stockholm, Toronto, Bora Bora en Abu Dhabi Airport. Op Aruba hebben diverse grote hotels, zoals Playa Linda en La Cabana, al getekend voor deelname aan het SWAC-project. De energiekosten die de hotels aan airco besteden in deze tropische gebieden zijn aanzienlijk en de mogelijke besparingen lopen in de miljoenen.

Pib swac

SWAC Land- en oceaantracé PIB

In het Arubaanse ontwerp wordt het zeewater opgepompt vanaf een diepte van 800 tot 1000 meter op een afstand van circa 9 km uit de kust, via een pijp met een doorsnede van ca. 1,40 meter. Door de minder steile continentale helling is de 9 km lange buis die op de zeebodem wordt gelegd iets langer dan op Curaçao. Met een warmtewisselaar wordt de koude uit het zeewater op de plek waar de buizen aan land komen overgedragen op een gesloten systeem met zoet water; zout water zou de leidingen aantasten. Door de ligging van de meeste grote hotels aan de noordwestkant van Aruba is een kilometers lang buizenstelsel over land noodzakelijk.

Bottleneck

“De bottleneck om SWAC op Aruba toe te passen is dat hotels vaak al flink geïnvesteerd hebben in een groot – maar niet energiezuinig – systeem voor airconditioning en denken dat het niet meer interessant voor hun is”, aldus Hamers. “De bedrijven hoeven zelf niet te investeren in het op 80 miljoen dollar begrote SWAC-project, maar kopen zoals je nu ook elektriciteit kunt kopen de koude in tegen een prijs die toch nog tot 30% lager is dan hun huidige systemen. Vergeleken bij grote steden zoals Stockholm, Helsinki en Amsterdam, waar district cooling (SWAC) ook al is toegepast, is de realisatie van de noodzakelijke infrastructuur vrij eenvoudig. Ik verwacht dat we het project op Aruba in 2017 operationeel kunnen hebben”, aldus een optimistische Hamers.

Hij ziet ook veel extra mogelijkheden voor gebruik van het opgepompte zeewater omdat het niet alleen voedselrijk is, maar ook arm aan kalk. “Er liggen kansen om dit water te gebruiken voor agricultuur en aquacultuur op het eiland.”

Pipe

Via kunststof pijpen wordt zeewater van ongeveer een kilometer meter diepte opgepompt. Op Hawaï is de overheid dertig jaar geleden al begonnen met een onderzoeksinstallatie voor oceaanenergie en inmiddels liggen er drie. Het experiment is in de loop van de tijd uitgegroeid tot een omvangrijk project met een veelheid van onverwachte toepassingen, zoals aquacultuur en algenproductie. Bluerise

Europese Unie

De fondsen voor duurzame energie van de Europese Unie reiken zo ver als het Caribische gebied. Bij de EU heeft Bluerise subsidie aangevraagd in het kader van HORIZON2020, een groot innovatieprogramma waarin miljarden omgaan. “De realisatie van het Ocean Ecopark is niet afhankelijk van het Europese geld,” aldus Dinnissen, “maar hiermee kunnen we meer mensen op het project zetten en meer metingen op onderdelen gaan doen. De Universiteit van Curaçao is ook een partner”.

Een ander, nog grootschaliger OTEC-project in het Caribisch gebied is deze maand gehonoreerd door de EU, met geld uit het NER300-fonds voor CO2-reductie. Het gaat om een offshore OTEC-installatie van 16 MW, dat door de Franse bedrijven DCNS en AKUO Energy zal worden gebouwd voor de kust van Martinique. Op het eiland Reunion in de Indische Oceaan werd ervaring opgedaan met een OTEC-offshore demonstratieproject; het NEMO-project bij Martinique moet een commercieel project worden.

Akuoenergy2

Het NEMO-project voor de kust van Martinique. Het drijvende platform moet het Franse eiland voorzien in een groeiende energievraag. DCNS

Van eilandschaal naar wereldschaal

Voor Dinnissen en Acevedo is het toekomstbeeld om op eilandschaal te beginnen maar de OTEC/SWAC-technologie uiteindelijk te kunnen opschalen naar grootschalige toepassingen. Dinnissen: “Oceaanenergie kan een game changer zijn. 70% van het zonlicht valt op water en wordt opgeslagen in de bovenste laag van de oceanen. In de oceanen wordt dagelijks meer energie opgeslagen dan we er ooit kunnen uithalen”.