Validatie van opbrengsten van dammen in zee
https://www.dynamictidalpower.eu/resources/Bescheiden/Begroting-validatie-congres-stichting-DTP-Netherands-25-nov-2019.pdf
De eerste taak van de projectorganisatie is het valideren van opbrengsten van getijde dammen in zee.
beschrijving validatie onderzoekstraject
Dynamic Tidal Power wordt veroorzaakt door versnellingseffecten van getijden golven en werkt daardoor geheel anders dan de opgewekte opstuwing bij dammen in rivieren. Op locaties waar de getijdestroming loodrecht tegen de kusten stroomt is gemeten hoe hoog de opstuwing is. Deze blijkt veel groter dan op grond van eenparige stroomsnelheid verwacht kan worden. Zo is op de Zuid-Engelse kust vastgesteld dat de opstuwing over een kustlijn van 20 km ruim 85cm bedraagt bij een stroomsnelheid van 1,2 m/s. [ref 2]. Bij eenparige stroomsnelheid zou deze opstuwing {v2/(2.g)} ruim 7,3 cm bedragen.Hoe langer een dam deste hoger de opstuwing. ho is het verschil in hoogte voor en achter de dam
Metingen in de praktijk aan kusten tonen daarmee aan dat er met dammen in zee loodrecht op de stromingsrichting een groot verval ontstaat. De verklaring hiervoor is vastgelegd in natuurkundige relaties door verschillende experts (Kolkman, Mei, Buchwald,..). Het validatie program heeft als doel om de science community hiervan onomstotelijk te overtuigen zodat deze relaties toegevoegd kunnen worden aan de wetenschappelijke standaard literatuur.
NOTE: Deze analyse moet nog worden geactualiseerd met de white paper conclusies van Harmen Talstra.
Stroom
De stroomsnelheid van het getij in m/s.
Damlengte
De hoogte van de opstuwing en dus het verval voor en achter de dam wordt mede bepaald door de damlengte.
Het verval
Het verval levert een hydrostatische druk waarmee turbines in de dam aangedreven kunnen worden.
Dam design elementen
Vorm van de in- en uitstroomopeningen, turbineontwerp, elektrische rendementen en de damconstructie bepalen het totaal rendement;- goede ontwerpen behalen 85%.
Openingsprecentage
In de dammen worden turbines geplaatst. De hoeveelheid en de diameters bepalen de hoeveelheid flow door de dam. Dit leidt tot een lager verval. Openingspercentages van rond de 10% liggen in het optimale ontwerpgebied, waarbij het vermogen maximaal wordt.
Power
Power is het vermogen dat opgewekt kan worden. Een dam van 40 km in zee levert meer vermogen dan 1000 windmolens van 5 MW.
Theoretische validatie
De eerste stap is het validaren van de claim dat getijdestroom die oploopt tegen dammen een stuwhoogte genereert. Er is reeds onderzoek gedaan door diverse wetenschappers, maar er nog geen coherent white paper opgesteld. Dat zal moeten gebeuren. Dat white paper gebruiken we als input voor een werkconferentie met de top van de Nederlandse sciencecommunity.
Betrokken bij het schrijven van het white paper zijn:
H. Talstra, MSc, PhD (Harmen) In 2004 heeft hij zijn studie aan de Technische Universiteit Delft (vloeistofmechanica) afgerond waarna hij direct zijn promotietraject in is gegaan. In 2011 heeft hij zijn PhD werk, getiteld Large-scale turbulence structures in shallow separating flows, succesvol verdedigd. Harmen is in 2007 gaan werken bij Svašek Hydraulics. Hij is gespecialiseerd in het ontwikkelen en implementeren van numerieke rekensoftware (toegepast op vloeistofmechanica) en het doorgronden van de achterliggende fysica en wiskunde. Dit is de rode draad in zowel zijn promotie- als afstudeerwerk en zijn huidige functie binnen Svašek Hydraulics. Binnen Svašek is Harmen sinds 2007 verantwoordelijk voor het verbeteren, onderhouden en helpen toepassen van de numerieke pakketten FINEL3D, FINROD en HARES. Binnen deze pakketten heeft hij zeer uiteenlopende verbeteringen geïmplementeerd, waaronder parallellisatie, domeindecompositie, de koppeling met diverse standaard-softwarebibliotheken en vele “feature requests”, zowel van gebruikers binnen het bedrijf als van klanten.
Harmen Talstra
T.S. Pak, MSc (Tom) In 2019 is hij afgestudeerd aan de Technische Universiteit Delft (river and coastal engineering) en daarna begonnen bij Svašek Hydraulics. Zijn afstudeerwerk was gericht op de interactie tussen eolisch en marien sedimenttransport bij de Hondsbossche Duinen.
Tom Pak
Bram Bliek (1955) is sinds 1984 de algemeen directeur bij Svašek Hydraulics. Hij is sinds 1977 werkzaam bij het na afronding van zijn MSc werk aan de Technische Universiteit van Delft. Bij Svašek Hydraulics was hij intensief opgeleid en getraind door Honzo Svašek. Dit resulteerde in zijn functie als adjunct-directeur in 1983 en als algemeen directeur in 1984. sinds 2003 heeft hij tevens de functie van voorzitter.
Dankzij zijn opleiding en training en een brede ervaring in vele projecten in veel landen in meer dan 40 jaar, is Bram Bliek uitgegroeid tot erkend expert in de kustwaterbouw en in de hydraulische modellering. Zijn expertise is gebaseerd op een goed en praktisch begrip van de fysieke processen in oppervlaktewateren en omvat thema's als getijden- rivierstromingen, windgolven en deining, zeebodem morfologie, waterbouwkundige constructies en hun gevolgen voor het milieu, en de interacties tussen al deze facetten.
Bram Bliek
Prof CC Mei heeft een uitgebreide analytische afleiding gemaakt, welke mede als input zal dienen voor het white paper.
Review paper 2019 - Prof. C.C. Mei MIT
Overige input
Diverse publicaties (zie einde van deze pagina)
Analytische modellen Humsterland Energie/ Antea/ Svasek
Numerieke berekeningen Svasek
Deelnemers werkconferentie validatie DTP najaar 2020
Dagvoorziter Bas Jonkman
- Prof. dr. Bas Jonkman (TU Delft)
- Prof. Dr. Ir.J.C.J. Jaap Kwadijk, wetenschappelijk directeur Deltares (an expert in the field of Hydrological modelling)
- Dr.ir. R.J. Labeur (TU Delft)
- Prof. Dr. Ir. W.S.J. Uijterwaal (TU Delft)
- Dr. Ir. J.D. Bricker (TU Delft)
- Prof. Dr. J.D. Pietrzak (TU Delft)
- Prof. Dr. Huib de Swart (Universiteit Utrecht)
- Dr. Ir. Harmen Talstra
- ....
Toehoorders en medeorganisatoren
- Ir. Kees Hulsbergen (H2ID) ?
- Ir. Bram Bliek (Svasek)
- Ir. George Bitter (Antea)
- Ir. Jeroen Adema (Arcadis) ?
- Ing. André Hoogeveen (Tidal Bridge)
- Ir. Walther Walraven (Humsterland Energie
Publiciteit (optie)
- Verslaggevers (wetenschappelijke redactie NRC/ Cobouw?)
Meten is weten
Er is daarbij gebruik gemaakt van een numerieke model en dit model werd gevalideerd met metingen van de getijde hoogte op 2 locaties. In figuur 5 zijn de uitkosten getoond. Hieruit blijkt dat het rekenmodel heel nauwkeurig de getij-hoogte kan uitrekenen. De meetpunten zijn de vierkantjes in blaauw en rood. De rechte lijn de uitkomsten van het numerieke model in een specifieke periode, waarvan de getijde metingen bekend waren (28 januari tot 5 februari 2010).
De opstuwingshoogte van het getij tegen dammen in zee, waarmee voor en achter de dam een verval instaat bepaalt het vermogen dat opgewekt kan worden.
Ondermeer voor de Nomadische kust zijn bij bestaande dichte damconstructies in zee metingen gedaan van het verval en deze zijn vergeleken met de DTP verval berekeningen. De uitkomsten van de metingen bevestigen de DTP theorie volledig. Daarom kunnen we erop vertrouwen, dat DTP gaat werken in zee. Dure schaalmodellen zijn daarmee overbodig geworden.
De metingen zijn gedaan door één onderzoeksteam. Van belang is deze metingen te herhalen met een team dat samengesteld is uit een aantal onderzoeksgroepen met autoriteit in de science community, om zo onweerlegbare acceptatie te krijgen voor het DTP principe.
Dammen in open zee of aan de kust
De opbrengst is een functie van de maximale getijde snelheid, de waterdiepte en de vorm van de dam, het totale openingspercentage waar de turbines in geplaatst zijn en natuurlijk de turbine rendementen. De vorm van de dammen kan zijn een H-model, Y-model of gewoon recht zonder staarten. Aan de kust is het minder diep dan verder op zee, waardoor er ook minder energie (circa 33%) vanuit de getijde stroom tegen de dam aanstroomt. Daarentegen is er aan de kust maar eenzijdig lekverlies;- en in open zee aan twee zijden.
De mate van kustbescherming is ook zeker een factor die meegewogen moet worden. De overheersende stormrichting is zuid west en dat leidt tot opstuwing bij dammen aan de kust die opgeteld moet worden bij de opstuwing van 120 tot 250 cm die door de dam veroorzaakt wordt.
Een belangrijke factor is de maximale stroomsnelheid die in het getij optreedt. Richting de Doggersbank zijn de stroomsnelheden lager. Voor het plaatsen van dammen in het concessiegebied van de windmolens kan dat een showstopper zijn.
Damconfiguraties
Opstuwing
Hierin is ω de getijde frequentie, Vmax de maximaal optredende getijde snelheid en L is de damlengte.
Een dam van 50 km bevat duizenden turbines. Stel dat het aantal gelijk verdeelde turbines is over de dam = N. n=1,2,3,4 ……. , N. De opstuwhoogte (verval) ter plaatse van elke afzonderlijke turbine n bedraagt:
T is de periode in seconde voor de Noordzee 3600 x 60
Watersnelheid door turbine
Humsterland Energie heeft numerieke berekeningen uitgevoerd i.s.m. Antea en Svasek voor een aantal configuraties in zee. In het validatie traject moet de theoretische modellering mede door de science community worden gevalideerd.
Daarna zal in de praktische validatie vermogen en opbrengst moeten worden vastgesteld. Waarbij en de coëfficiënten als C, de turbinerendementen e.d. op basis van praktijk metingen uit analoge situaties worden vastgesteld.
I-model aan de kust
Daar tegenover staat dat de waterdieptes minder zijn dan verder op zee. 5 meter dieper water levert circa 16,5% meer energie op op jaar basis. Het gemiddeld diepte verschil tussen dammen aan de kust van 40 km versus dammen in het concessiegebied is ruim 10 mtr. Daardoor wordt het verschil in opbrengst niet 50% maar 25%.
Door het toepassen van een H model wordt de opbrengst verbeterd t.o.v. rechte dammen zonder armen. Y profielen hebben volgens sommige onderzoekers een nog betere opbrengst.
Lengte van de main dam is 50 km. Lengte van de branche 30 km
Extra kust bescherming gaat voor een gebied van 7,5 km aan weerszijden dus 15 km totaal aan dijk/ duin verhoging circa 800 miljoen Euro kosten + het jaarlijks onderhoud.
Het toerisme aan de kust is in een bepaalde strook niet meer mogelijk. De scheepvaartroutes worden beperkt.
Daartegenover staat dat de stroom aansluiting goedkoper zal zijn en de bereikbaarheid vanaf land is veel eenvoudiger voor onderhoud.
Sedimentatie en het gevolg van zeestroming mutaties zal voor elke locatie vastgesteld moeten worden. Deltares/ RWS en Svasek zijn daartoe geëquipeerd.
Door plaatsing in de windconcessiegebieden is er veel minder maatschappelijke hinder. Het gebied is reeds industrieel met de windturbines. En de scheepvaart is er beperkt.
Het levert voordelen op om reeds nu een gezamenlijke planologische planning te maken met Vattenfall en TenneT. Hierdoor zijn er sterke synergievoordelen te behalen.
DTP werkt als gevolg van de versnellingskrachten van de voortbewegende getijden golven (F = m.a);- dat is fundamenteel anders dan dammen in de stroming van bijvoorbeeld rivieren. Het verval wat in rivieren verwacht mag worden is v2/2g. Het verval kan daardoor bij DTP dammen een factor 100 groter worden!Vergelijken we de opbrengst van dammen met Y vleugels aan de kust en in open zee dan komen we tot een verschil van 17% - 25% in opbrengst. Dit als gevolg van het verschil in waterdiepte aan de kust en op zee en 2 x de versnellingsfactor door Y benen op zee versus 1 x de versnellingsfactor aan de kust.
Tijdens het bezoek van de Nederlandse delegatie aan de Chinezen om de mogelijkheden van DTP in de Chinese zee te promoten kwam fors een verschil in interpretatie op tafel ten aanzien van de ondermeer discharge factor in de turbines.
Vollasturen
Kansrijke locaties in zee
- Stroomsnelheid > 70 cm/sec
- Ruimte voor plaatsing 30 - 50 km
- Weinig hinder voor scheepvaart
- Weinig hinder voor visserij
- Aanvaardbare gevolgen voor de zandhonger van wadden en kust
- Aanvaardbare gevolgen voor zeestromingen zowel de Nederlandse kust als een Engelse en Belgische kust
- Versterking Natura 2000
- Lage kosten voor aansluiting
- Gunstig voor kustbescherming tegen stormen
- Synergie met windindustrie
- Geen omzetderving voor toerisme
- Geen conflicten met defensie
- Sterke koppelkansen
Relevante publicaties en onderzoeken
- Buchwald, V. T., (1971), The diffraction of tides by a narrow channel. J. Fluid Mech. 46, 501-511.
- Note on tidal diffraction by a coastal barrier Chiang C. Mei 2011
- Dynamic Tidal Power for Korea
- Hulsbergen, K., de Boer, Steijn, R., van Banning, G., (2008) Dynamic tidal power for Korea,1st Asian Wave and Tidal Conference Series, 1-8
- Dai, P., Zhang, J-s., Zheng J-h., (2017) Predictions for dynamic tidal power and associated local hydrodynamics impact in the Taiwan strait China, J. Coastal research, 33(1), 149-157.
- Liu, Q., Zhang, W-l., (2014),Hydrodynamic study of phase-shift tidal power system with Y-shaped dams. J. Hydraulic Research, 52(3),356-365.
- Mei, C.C. (2012), Note on tidal diffraction by a coastal barrier, Applied Ocean Research 36, 22-25.
- Antea/ Humsterland Energie (2018), analytische uitwerking DTP, Bitter et al
- Memo (2019) analyse en tabel berekeningen DTP in de Noordzee prof. CC. Mei
- Opbrengst en vermogen dam in open zee met 40 km, 30 m diep met 20 km Y-vleugels, (2019) Bitter et al
- Opbrengst en vermogen dam tegen kust met 40 km, 20 m diep met 20 km Y-vleugel, (2019) Bitter et al