Wedstrijd alternatieve vormen van energie voor leden en niet-leden van de K VIV

Transcriptie

1 Wedstrijd alternatieve vormen van energie voor leden en niet-leden van de K VIV Voorstel 4 : De modulaire buisturbine door Eddy Thysman Tweede document met bijkomende informatie (Een nieuw soort watermolens als valabele nieuwe energievorm voor Vlaanderen en ver daarbuiten!) Juni 2003 Inleiding : Het oppervlaktewaterrad (zie voorstel 1) en de oppervlaktewaterrotor (zie voorstel 2) en de dieptewaterrotor (zie voorstel 3) waren al toepassingen die wel degelijk gebruik maakten van de kinetische energie van onze beschikbare wateroppervlakken in Vlaanderen en ver daarbuiten. Maar het waren noodzakelijke opwarmingen voor het geen nu gaat komen! De dieptewaterrotor was al een verbetering vergeleken met het oppervlaktewaterrad en de oppervlaktewaterrotor omdat men ze onzichtbaar kan opstellen. Dit is uiterst gewenst! Maar het gegenereerde vermogen bij de dieptewaterrotor viel tegen. Ik heb op het internet gespeurd naar mogelijke systemen waarmee energie uit de zee kan gehaald worden, in een poging om uit te vissen wat bij ons in ons Belgisch stuk van de Noordzee, bruikbaar zou kunnen zijn. Zie hieronder een aantal voorbeelden maar de lijst is zeker niet volledig : Enz. Een aantal van bovenstaande apparaten lijken me op het eerste zicht niet zo praktisch te zijn, en vooral niet te passen bij ons in ons Belgische stuk van de Noordzee. Maar het is in elk geval zo dat met al 30 jaar (ongeveer) bezig is onderzoek te doen op dergelijke systemen. Het meest interessante dat ik voorlopig gevonden heb, is de Davis hydro turbine van Barry V. Davis. Zie : Maar vooral de site : 1

2 Met tekeningen van dit ontwerp : Wat opvalt is de gelijkenis met de oppervlaktewaterrotor (voorstel 2) en de dieptewaterrotor (voorstel 3) wegens de verticale as. Om die reden lijkt me dat een zeer goed ontwerp. Het ontwerp met de verticale as bestaat trouwens al heel lang : Zie een (zeldzame) afbeelding van een waterrad werkend enkel met de kinetische energie van een waterstroom en met een verticale as : Bekijk de horizontal water powered gristmill Alleen heeft Davis de keuze van de rotor laten vallen op het ontwerp van Georges Darrieus, Terwijl ik stel dat dit nog in een waterbouwkundig labo moet nagekeken worden. Het kan een Georges Darrieus rotor type zijn of een Savonius rotor type, of een molen rotor type. Ik heb dit laatste aangenomen en het lijkt me nog altijd een goede keuze. Waarom? Ik denk dat van Savonius minder opbrengst te verwachten is. Dus Savonius valt af. Best mogelijk dat het Georges Darrieus rotor type wat meer opbrengst geeft dan een molen rotor type, maar ik denk dat het ook meer plaats inneemt onder water. Ik heb het idee dat als we kijken naar de verhouding opbrengst/ingenomen plaats, het molentype toch nog beter zal scoren en daarom ben ik daarvan uitgegaan. Echt interessant wordt het op : Klik daar op Development History of the Davis Hydro Turbine. En klik daar op prototype. Men ziet daar een aantal interessante foto s maar vooral leest men een gouden zin : The preliminary trials were directed toward establishing the enhancement effect when a vertical axis turbine is mounted in various types of ducts. Results indicated that power outputs of the turbine are up to 5 times greater than when the turbine is mounted in a free stream. Men kan dus dmv vernauwingen, aanzienlijk meer vermogen genereren. Men ziet ook dat de vernauwingen die ze realiseren met hun rechthoekige en vierkante ducts (zie foto s) en die dus tot 5x meer stroom opleveren (!) echt nog niet spectaculair zijn en immers veel beter zouden kunnen met piping elementen (reducers) en pijpen. Hier kom ik dus op het idee om piping elementen te gebruiken om de snelheid van het water te verhogen. De watersnelheid in onze rivieren en in ons Belgische stuk van de Noordzee is immers een teer punt. Schommelend tussen 0 en 1 m/s ongeveer. Stel gemiddeld 0,6m. Indien we het water door reducers vernauwen zal ook de stroomsnelheid plaatselijk toenemen na de vernauwing. 2

3 Stel dat we na de reducer een buis hebben met daarin de molenrotor of meerdere na elkaar opgestelde molenrotors. De vernauwing van de doorlaat kan in theorie zodanig zijn dat we de snelheid van 0,6m in zee of in de rivier voor de reductie kunnen verhogen tot bvb 3m erna in de buis bij de waterrotors! Dat is de kern van het idee van de modulaire buisturbine. Op dezelfde site kan men een aantal foto s zien als men op library en op image library klikt. Men ziet drijvende eenheden en grote infrastructuurwerken zoals muren met Davis Hydro turbines die in zee gebouwd worden. Dat alles is natuurlijk niet gewenst bij ons in ons Belgische stuk van de Noordzee. We willen natuurlijk alles onder water bouwen, zodat niets zichtbaar is vanaf de kust, bvb vanuit Knokke! Ik heb in hun teksten één verwijzing gevonden naar een dergelijk volledig onderwater ontwerp dat gebouwd is geweest in het verleden : 4KW VEGA: In 1984 a Texas businessman was enthusiastic about using vertical axis turbines to capture the energy in the Florida Gulf Stream, to produce electrical energy for the production of hydrogen and oxygen by electrolysis to fuel the Challenger space shuttles. He called this idea VEGA (Venturi Energy Generating Apparatus) and funded Nova Energy Ltd. to produce a vertical axis turbine model to generate power at a depth of 200 ft., to avoid super tankers. The Davis Turbine Vega-I prototype was successfully employed in the first corporate venture to generate power from the Florida Gulf stream. Electric power was produced for the first time on April 15th, Aldus kunnen we beginnen met een ontwerp dat totaal verschillend is van de Davis Hydro Turbine, en dat de beste elementen van de oppervlaktewaterrotor en van de dieptewaterrotor overneemt, plus elementen uit de piping, en dat geschikt moet zijn voor onze rivieren en Noordzee, namelijk de modulaire buisturbine (modular pipeturbine). Ontwerp opbouw van de modulaire buisturbine : Is een roterende opstelling nodig? Dit kan ook gemakkelijk ontworpen worden, maar is het nodig? Niet voor onze rivieren. Daar zijn slechts 2 stroomrichtingen mogelijk, eb en vloed. En voor ons stuk van de Noordzee? We bestuderen nog eens de site : waar we lezen : Dicht bij de belgische kust is de stroming met het strand georiënteerd. Naarmate men meer naar de open zee toegaat, draait de stroming naar ZW-NO richting. Een roterende opstelling is dus niet echt nodig, want we kunnen iets ontwerpen dat werkt in 2 richtingen (in elkaars verlengde). In onze rivieren leggen we het evenwijdig met de oever in het water. Dicht bij onze Belgische kust leggen we het evenwijdig met het strand. En meer verder weg kunnen we het volgens de richting ZW-NO leggen. Wat is het? Het zijn onderwaterparken van batterijen modulaire buisturbines. Van op de oever valt er uiteraard niets van te zien.dat is de bedoeling. 3

4 Het is de bedoeling om iets te ontwerpen dat geschikt is voor de trage stroomsnelheden in onze rivieren en in het Belgische stuk van de Noordzee. Het moet een heel grote opbrengst leveren in een zeer klein watervolume zodat het mogelijk is enorme energieproductie hiermee te realiseren. Het mag niet zichtbaar zijn boven het wateroppervlak en moet zo goedkoop mogelijk zijn. Een goed idee is het ontwerp van aan elkaar te bouwen standaard modules. We gaan iets ontwerpen dat geschikt is voor wegvervoer. Dus maximum 2,5m breed. Bij nader inzien, past het ook best in standaard containers. We gaan naar een site over containers : Als we de lengte van onze standaard elementen ongeveer 1,8m kiezen, dan kunnen we de 2 reducties en 1 buisturbine in een 20 voet container krijgen. In een 40 voet container krijgen we onze 2 reducties (voor en na) en tot 4 buisturbines. Dat zou voldoende moeten zijn. We willen dus de snelheid plaatselijk opdrijven van 0,6 tot 3m/s. We houden er rekening mee dat men de watersnelheid in buisleidingen normaal minder dan 2,5 m/s ontwerpt. Maar dit is ook geen volcontinu bedrijf. Grotere snelheden dan 2,5m zullen maar telkens een beperkte tijd gehaald worden, denk ik. Alles moet uitgetest worden! Nu is het uiteraard wat koffiedik kijken, zeker met de leidingsverliezen teweeggebracht door de turbines zelf. Die zijn nog één groot vraagteken, vermits deze turbines nog niet bestaan. Op figuur 4-01 heb ik een aantal mogelijke bovenzichten in de buis gegeven plus een mogelijke doorsnede. De ideale rotorvorm voor de buisturbine moet echter in een waterbouwkundig labo bepaald worden. Ik beschik enkel over een badkuip en dit is onvoldoende gereedschap om dit tot op het bot uit te zoeken. 4

5 Vermits er in en uitstroom mogelijk is langs elke reducer en vermits de rotor zelf onafhankelijk van de stroomrichting werkt.de grote diameter van de reducer + bvb 2 x L120x120x12 als hoekprofiel moet nog net in de container passen. We kiezen een DN2000 of diameter 2032 (mm uiteraard). We willen een snelheidsverhoging van 0,6 m/s naar 3 m/s. Dus moet het oppervlak aan de andere kant van de reducer minstens 5x kleiner zijn. We kiezen bvb 6x rekening houdende met nog onbekende leidingsverliezen van reducers en rotoren. Eigenlijk moet dit uitgerekend worden maar het leidingsverlies aan de nieuwe rotor is onbekend. Oppervlak grote sectie reducer = (pi x 2,032²) / 4 = 3,243 m². Oppervlak kleine sectie reducer = 3,243 / 6 = 0,5405 m². Of een diameter = wortel ( 4 x 0,5405 / pi ) = 0,829 m. We kiezen een DN800 buis (32 ) of buitendiameter 812,8 afgerond 813 mm. De hoek van deze reducer wordt dan inv tangens van (( ) / 2 / 1800 ) = 20,78. Domein en toepassingsgebied : Energieproductie uit volumes traag stromend water, hoofdzakelijk onze Vlaamse rivieren en het Belgische stuk van de Noordzee. Snelheid ruwweg 0 tot 1 m/s. Stel 0,6 m/s gemiddeld. Beschrijving van de gebruikte waterrotor : Deze kan op zeer korte tijd bepaald worden in een waterbouwkundig labo. Moet passen in een DN800 buis maar nemen we best nog een stuk kleiner om minder leidingsverlies te geven. Stel diameter rotor = 760 mm. Moet in beide richtingen kunnen werken. Met verticale as. Maar hoe moet deze waterrotor eruit zien? Voor waterrotors kunnen we verder bouwen op het onderzoek naar windrotors. Naar windturbines met verticale as is al enig onderzoek gebeurd. In de windenergie sector worden al lang rotoren gebruikt die werken met een verticale as en die onafhankelijk zijn de stroomrichting van de wind. Ze werken dus altijd als er wind is. Er zijn zowel linksdraaiende als rechtsdraaiende uitvoeringen mogelijk. Ze worden daar al regelmatig toegepast om de kinetische energie van wind om te zetten in elektriciteit. Er zijn een aantal mogelijke uitvoeringen mogelijk : Zie bvb : waar men de vertikal Rotor Dolphin ziet of de whisper windrose zur vertikalen Montage Zie ook : 5

6 Een zelfde soortgelijk principe moet toch ook mogelijk zijn voor water eveneens met een verticale as waardoor het bijna altijd zal werken van zodra er stroming is en de stromingsrichting van het water geen belang heeft. Noodzakelijke eenvoudige testen die eerst uitgevoerd dienen te worden : Eerst bepaalt men dus de ideale rotorvorm in een buis. Op figuur 4-01 heb ik een aantal doorsneden getekend van mogelijke vormen waar ik aan denk voor water. De ideale vorm is niet aan mij om te bepalen, maar komt zeker echter aan het licht door een reeks eenvoudige testen in een waterbouwkundig labo, waar men ook bvb Savonius en Darrieus en nog andere molenrotoren zal uittesten voor water in een buis. Deze ideale vorm kan dmv diverse eenvoudige testen bepaald worden. Men bouwt een aantal veschillende types met diameter van 760mm en test deze in een DN800 buis met bvb een watersnelheid van 3 m/s. Men bepaalt het beste type met de beste verhouding opbrengst / leidingverlies. Dan pas kan men berekeningen maken of men 1, 2, 3 of zelfs 4 rotoren na elkaar kan zetten. En men berekent wat dan de te verwachten opbrengst is. Dan kiest men het beste type (1 of 2 of 3 of 4) rekening houdend met de kostprijs en het ingenomen watervolume. De uitkomst kan wel degelijk verrassend zijn. Men denkt ook na over de te gebruiken materialen, wanddiktes, enz. Men kan het ontwerp dan definitief uitwerken.eventueel komt men nog tot kleinere of grotere diameters van de buis en rotor. Dat is allemaal mogelijk. DN2000 x DN800 is om de gedachten te vestigen. 6

7 Als men de te verwachten opbrengst door deze testen en berekeningen redelijk nauwkeurig kan bepalen, en men krijgt tegelijkertijd een idee van de noodzakelijke kosten, dan zal men redelijk snel kunnen bepalen of dit economisch haalbaar is of niet. Werkingsprincipe en technische uitvoering : Op figuur 4-02 heb ik het basisidee voor de modulaire buisturbine uitgewerkt. Deze eenheid kan dus in 2 richtingen werken. Links en rechts zijn dus de reducers (A) DN2000 x DN800. Deze zijn dmv flenzen (C), dichtingen en boutenmateriaal gebout aan een DN800 buis B. D1 = DN2000 D2 = DN800 D3(rotor) = 760mm. Alle elementen hebben een lengte van 1,8m, maar kunnen ook anders gekozen worden. Liefst rekening houden met containerafmetingen. In het midden van de buis B zit de rotor H, bevestigd aan de reductiekast/stroomgenerator E. Deze reductiekast/stroomgenerator moet uiteraard waterdicht zijn. Rondom de reducties zit nog een vierkant in hoekijzer F, met plaatjes aangelast. Dit zal aanbouwen, afsteunen, stapelen mogelijk maken. Daarop kan een kader I gebout worden met een net geklemd tussen I en F. Dit net dient om de vissen buiten te houden. Met stroomsnelheden oplopend tot 3 m/s is dit wel nodig. We willen niet dat de vissen een nare evaring meemaken. Daar ze er langs de dwarse kant in kunnen zwemmen kunnen ze de buitenkanten hopelijk gebruiken als broedplaats en lopen ze geen gevaar. Hopelijk komt er hierdoor meer vis voor in de omgeving van deze onderzeese parken en zijn de vissers nog tevreden ook. Dan zijn er nog 4 hoekijzers G gespannen tussen de hoeken van de tegenoverliggende reducers. Op figuur 4-03 ziet men het best de modulaire vorm. 7

8 Alles is opgebouwd uit slechts enkele verschillende modules. Men heeft de reductie 1 waar er telkens 2 van nodig zijn. Men heeft de dichtingen en bouten 2. Men heeft de buisturbine 3 waar er 1 tot 4 van nodig zijn afhankelijk van de testresultaten en berekeningen. En men heeft de afstandhoekijzers 4 van verschillende lengte, afhankelijk van het aantal buisturbines. Telkens 4 afstandhoekijzers zijn nodig. Op figuur 4-04 ziet men de 4 mogelijkheden met 1 tot 4 achter elkaar opgestelde rotoren. 8

9 Op figuur 4-05 ziet men de werking bij eb en daarna bij vloed 9

10 Op figuur 4-06 ziet men ze aan elkaar bevestigd, naast elkaar opgesteld. Op figuur 4-07 ziet men ze ook nog boven elkaar gestapeld. 10

11 Op figuur 4-08 werd nagedacht over extra noodzakelijke voorzieningen. 11

12 De modulaire buisturbines worden in onze rivieren en voor onze kust in het water opgesteld in parken. In feite opgesteld in rijen met daartussen de elektrische kabels die voldoende lang moeten zijn. Turbines evenwijdig met kust en oever. Rijen en kabels loodrecht op kust en oever. Dit houdt de totale kabellengten kort. Boven op elk apparaat zijn 2 hijsogen ontworpen, links en rechts. En een beschermplaat boven de reductiekast/stroomgenerator De werking is als volgt : Als dit achtergelaten wordt in het water, gebeurt dit uiteraard zonder boeien want we willen dat niets zichtbaars is boven het wateroppervlak. Dmv GPS is alles perfect terug te vinden met een nauwkeurigheid van bvb 2m. Het is een kwestie van even wat vissen, en de haken vinden uiteindelijk de hijsogen. De beschermplaat is wel nodig. Men moet wel de elektrische kabel lang genoeg voorzien zodat men het geheel zonder probleem uit het water kan hijsen. Onderhoud zal waarschijnlijk eenvoudig zijn : Men haalt de defecte eenheid of blok eenheden uit het water, ontkoppelt de stroomdraad (bvb waterdichte stekkerdoos met siliconen gevuld), zet de defecte eenheid neer op dek om later in de werkplaats te onderzoeken, sluit een nieuwe eenheid elektrisch terug aan en laat deze zakken op de oude plaats. Dit alles mag niet lang duren. Echt onderhoud gebeurt aan de wal of de oever en niet op zee. Onderaan hebben we een buisframe (onderstructuur) met een plaat eronder gelast, zodat we een spreiding van het gewicht bekomen, zodat het geheel niet zo gemakkelijk kan wegzakken in ons Belgisch zeezand en rivierzand. Op een rotsbodem zouden poten wellicht beter zijn. Op figuur 4-09 ziet men de modulaire eenheden dan uitgebreid met hijsogen 5, beschermplaten 6 en onderstructuren met bodemplaat 7. 12

13 Op figuur 4-10 ziet men een 3D beeld van een dergelijke basisopstelling. Op figuur 4-11 ziet men al een klein onderwaterparkje met 2 x 4 eenheden met een mens erbij om de afmetingen te kunnen inschatten. 13

14 Op figuur 4-12 ziet men een gestapelde opstelling, die men kan toepassen als men voldoende hoogte heeft. 14

15 Op figuur 4-13 ziet men een opstelling met 2 rotoren. Op figuur 4-14 ziet men een klein onderwaterparkje met 2 x 4 dergelijke eenheden met een mens erbij om de afmetingen te kunnen inschatten. 15

16 Op figuur 4-15 ziet men een opstelling met 3 rotoren. 16

17 Op figuur 4-16 ziet men een klein onderwaterparkje met 2 x 4 dergelijke eenheden met een mens erbij om de afmetingen te kunnen inschatten. 17

18 Op figuur 4-17 ziet men een opstelling met 4 rotoren. Op figuur 4-18 ziet men een klein onderwaterparkje met 2 x 4 dergelijke eenheden met een mens erbij om de afmetingen te kunnen inschatten. 18

19 Verschillen met bestaande systemen, sterke en zwakke punten zowel van het werkingsprincipe als van de technische uitvoering : Geen infrastructuurwerken. Alles is verwijderbaar en onzichtbaar. Waarschijnlijk grote energieopbrengst. Geschikt voor onze traag stromende rivieren en het Belgische deel van de Noordzee. Zeer eenvoudige onderdelen. Becijfering of schatting van de efficiëntie en van de energetische impact : Over het rendement van de modulaire buisturbine bestaat nog zeer weinig onderzoekswerk en berekeningen, daar alles zich in een prille beginfase bevindt. Dit is duidelijk een braakliggend terrein waar nog zeer interessante berekeningen kunnen gebeuren. Hierna volgt een eerste ruwe benadering : Het is zeker niet correct, maar als benadering zouden we de verticale rotoren die gebruikt worden in de modulaire buisturbine mogelijks kunnen beschouwen als verticaal opgestelde waterraderen, waardoor we de interessante tabel met vermogen in watt per vierkante meter schoep op de volgende site zouden kunnen gebruiken : L%20DE%20L%20EAU WATTS V= 0.6 m/s V=1 m/s V=2 m/s V=3 m/s Calcul logiciel 8 aubes Calcul logiciel 16 aubes Etude 19ème siècle We gaan uit van een rotor met 8 schoepen draaiend met 3 m/s dankzij de vernauwingen. We zouden dus 3700 W/m² kunnen leveren. De oppervlakte van 1 rotor bedraagt : ½ x (pi x 0,76²) / 4 = 0,45/2 m² = 0,225 m². Vermogenopbrengst modulaire buisturbine met 1 rotor = 3,7 kw/m² x 0,225 m² = 0,8325 kw. Vermogenopbrengst modulaire buisturbine met 4 rotors = 3,7 kw/m² x 4 x 0,225 m² = 3,33 kw Stel dat we een opstelling hebben met batterijen van modulaire buisturbines met 4 rotors. Telkens 4 naast elkaar, aan elkaar gemonteerd en 2 lagen hoog gestapeld. Lengte ongeveer 11m en breedte ongeveer 2,3m. We voorzien 11m achter elke batterij als leeg oppervlak noodzakelijk voor herstel van de stroming en plaatsen van lange elektrische kabels. Ook voorzien we 2m leeg oppervlak tussen elke batterij van 4x2 eenheden. Ingenomen oppervlak door een batterij van 4x2 eenheden = 4 x 2,3m x 7(modules) x 1,8m = 116 m². Vrij te laten leeg oppervlak = 116 m² (achter de batterij) + 2x2x11m² (naast de batterij). Totaal oppervlak = 116m² + 116m² + 44m² = 276m². 19

20 Aantal batterijen per hectare = 10000/276 = 36 batterijen. Vermogen per hectare = 36 x 8 x 3,33 kw = 959 kw/hectare. Om bvb 6000MW te produceren hebben we dan 6000/0,959 = 6256 hectare nodig. Met 100 hectare per km² geeft dit : 6256/100 = 62,56 km². Dit is een rechthoek van 6,3km x 10km onzichtbaar voor onze kust. Stel dat we een opstelling hebben met batterijen van modulaire buisturbines met 1 rotor. Telkens 4 naast elkaar, aan elkaar gemonteerd en 2 lagen hoog gestapeld. Zie figuur Lengte ongeveer 6m (5,4m) en breedte ongeveer 2,3m. We voorzien 5,4m achter elke batterij als leeg oppervlak noodzakelijk voor herstel van de stroming en plaatsen van lange elektrische kabels. Ook voorzien we 2m leeg oppervlak tussen elke batterij van 4x2 eenheden. Ingenomen oppervlak door een batterij van 4x2 eenheden = 4 x 2,3m x 3(modules) x 1,8m = 50 m². Vrij te laten leeg oppervlak = 50 m² (achter de batterij) + 2x2x6m² (naast de batterij). Totaal oppervlak = 50m² + 50m² + 24m² = 124m². Aantal batterijen per hectare = 10000/276 = 80 batterijen. Vermogen per hectare = 80 x 8 x 0,8325 kw = 533 kw/hectare. Om bvb 6000MW te produceren hebben we dan 6000/0,533 = hectare nodig. Met 100 hectare per km² geeft dit : 11257/100 = 112,57 km². Dit is een rechthoek van 11,3km x 10km onzichtbaar voor onze kust. 20

21 Stel dat we een opstelling hebben met modulaire buisturbines met 1 rotor. Telkens 1, met 2m tussenafstand en zonder stapeling. Lengte ongeveer 6m (5,4m) en breedte ongeveer 2,3m. We voorzien 5,4m achter elke modulaire buisturbine als leeg oppervlak noodzakelijk voor herstel van de stroming en plaatsen van lange elektrische kabels. Ingenomen oppervlak door een modulaire buisturbine = 1 x 2,3m x 3(modules) x 1,8m = 12,5 m². Vrij te laten leeg oppervlak = 12,5 m² (achter de batterij) + 2x2x6m² (naast de batterij). Totaal oppervlak = 12,5m² + 12,5m² + 24m² = 49m². Aantal eenheden per hectare = 10000/49 = 204 eenheden. Vermogen per hectare = 204 x 1 x 0,8325 kw = 170 kw/hectare. Om bvb 6000MW te produceren hebben we dan 6000/0,170 = hectare nodig. Met 100 hectare per km² geeft dit : 35294/100 = 353 km². Dit is een rechthoek van 35,3km x 10km onzichtbaar voor onze kust. Nog een plaatje : Ook bij laag tij zal niets te zien zijn van een onderwaterpark op een rivier : 21

22 22