Energie uit de oceaan: soorten, voorbeelden en energiepotentieel

El De zee is een gigantische energiebron. Die mogelijkheden beginnen we pas net te benutten. Golven, getijden, stromingen en verschillen in temperatuur en zoutgehalte bieden de potentie om schone en constante elektriciteit op te wekken, als aanvulling op wind- en zonne-energie in de energietransitie.

Hoewel we meestal horen over de windenergie op zeeEr bestaat een hele reeks maritieme technologieën die de dynamiek van de oceaan willen omzetten in kilowattuur: golfenergie, getijdenenergie, stromingsenergie, oceanische thermische energieconversie (OTEC) en energie uit zoutgradiënten. Sommige technologieën bevinden zich in een zeer geavanceerd stadium, andere nog in de kinderschoenen, maar ze hebben allemaal hetzelfde doel: de 70% van het aardoppervlak dat bedekt is met water benutten.

Wat zijn oceanische energiebronnen en hoe worden ze geclassificeerd?

Als we het over hebben oceaanenergie We hebben het hier over hernieuwbare energiebronnen die de bewegingen en fysische eigenschappen van zeewater benutten om elektriciteit op te wekken. Dit is geen op zichzelf staande technologie, maar eerder verschillende afzonderlijke technologieën die elk gebruikmaken van verschillende oceaanverschijnselen.

De energie van de oceaan manifesteert zich in de vorm van golven, getijden, stromingen, temperatuurgradiënten en zoutgehaltegradiëntenElk van deze grondstoffen vereist specifieke verzamelapparatuur en heeft zijn eigen voor- en nadelen wat betreft kosten, technologische volwassenheid en mogelijke milieueffecten.

In algemene termen is het belangrijkste soorten maritieme energie zijn:

• Golfenergie, gebaseerd op de golfbeweging van het oppervlak.
• Getijdenenergie of getijdenkracht, die gebruikmaakt van de periodieke stijging en daling van het zeeniveau.
• Energie uit oceaanstromingen, dat de kinetische energie van waterstromen omzet in elektriciteit.
• Oceanische thermische energie of oceanische thermische energieconversie (OTEC), wat verband houdt met het temperatuurverschil tussen het oppervlaktewater en het diepere water.
• Energie uit zoutgradiënten, ook wel "blauwe energie" genoemd., waarbij gebruik wordt gemaakt van het verschil in zoutgehalte tussen zoet en zeewater.

Deze reeks alternatieven betekent dat, ondanks hun jeugd, de Oceaanenergie wordt beschouwd als een belangrijke factor. in scenario's voor decarbonisatie op middellange en lange termijn, met name in kustgebieden met goede golf-, getijden- of stromingsbronnen.

Getijdenenergie: getijdenkrachtcentrales

La Zeewater energie Het is gebaseerd op het benutten van de stijging en daling van de zeespiegel, veroorzaakt door de zwaartekracht van de maan en de zon. Op plaatsen met een aanzienlijk hoogteverschil tussen eb en vloed kan een speciale energiecentrale worden geïnstalleerd om dat hoogteverschil om te zetten in elektriciteit.

Dus dat een getijdencentrale Om ook maar enigszins winstgevend te zijn, is doorgaans een getijdenverschil van ongeveer 5 meter vereist. Naar schatting voldoen minstens honderd gebieden wereldwijd aan deze voorwaarde, en sommige studies verhogen het aantal gebieden met dit potentieel in Europa alleen al tot meer dan honderd. Op wereldschaal wordt het theoretische potentieel van deze technologie geschat op meer dan 30 GW.

Het klassieke ontwerp van een getijdenenergiecentrale is gebaseerd op de constructie van een kustdijk of dam Een dam sluit een baai, estuarium, inham of riviermonding af en creëert zo een reservoir. De dam is voorzien van sluisdeuren en turbines: bij vloed stroomt het water het reservoir in en vult het zich; bij eb wordt het opgeslagen water via de turbines afgevoerd, waardoor, afhankelijk van het ontwerp, in één of beide richtingen elektriciteit wordt opgewekt.

De meest iconische installatie van dit type is de Getijdenenergiecentrale in de monding van de rivier RanceIn Bretagne, Frankrijk, is de installatie al sinds 1967 in gebruik. Daar scheidt een barrière van ongeveer 750 meter de monding van de rivier van de open zee, een gebied van meer dan 22 km². Het complex beschikt over 24 turbines van elk 10 MW, waardoor het al decennialang een wereldwijde maatstaf is voor het gebruik van getijdenenergie.

Momenteel is er in Zuid-Korea slechts één vergelijkbare installatie; de ​​overige operationele getijdenenergiecentrales hebben veel kleinere vermogensEr zijn zeer ambitieuze projecten in onderzoek, bijvoorbeeld in de Bay of Fundy (Canada) of in het kanaal tussen Cardiff en Bristol (Verenigd Koninkrijk), maar de enorme initiële investering en het risico op aanzienlijke milieueffecten hebben de realisatie ervan vertraagd.

Een van de grootste uitdagingen bij getijdenenergie met behulp van dammen is de mogelijke verandering van kustecosystemenVeranderingen in sedimentatiepatronen en nutriëntendynamiek, evenals de gevolgen voor de visserij en recreatie, worden ook onderzocht. Daarom is er de laatste jaren ook onderzoek gedaan naar minder ingrijpende oplossingen, zoals getijdeturbines, die we later zullen bespreken.

Met de ontwikkeling van efficiëntere turbines, drijvende constructies en geoptimaliseerde ontwerpenDe kosten van getijdenenergie zullen naar verwachting dalen, waardoor het een belangrijke rol kan gaan spelen in elektriciteitssystemen langs de kust met grote moerassen en riviermondingen.

Golfenergie of golfkracht

La golfenergie Het maakt gebruik van de beweging van golven die voornamelijk door de wind worden gegenereerd wanneer ze langs het zeeoppervlak strijken. Deze golfwerking draagt ​​een aanzienlijke hoeveelheid energie met zich mee: men schat dat golven op veel kustlijnen over de hele wereld tussen de 15 en 30 kW per meter kustlijn kunnen vrijgeven, een aanzienlijk getal.

Als die energie efficiënt omgezet zou kunnen worden, zou een deel van 30 tot 60 km kustlijn Met goede golfenergiebronnen zou het net zoveel elektriciteit kunnen produceren als een grote fossiele brandstof- of kerncentrale. Het probleem is echter dat golfactiviteit een zeer variabel fenomeen is: het verandert afhankelijk van het weer, het seizoen en de oriëntatie van de kustlijn, wat het ontwerpen van robuuste, duurzame en kosteneffectieve installaties bemoeilijkt.

In de Cantabrische Zee bijvoorbeeld genereren de heersende winden Golven met een gemiddelde hoogte van ongeveer drie meterDit geeft regio's zoals Baskenland een zeer interessant potentieel voor golfenergie. Deze autonome regio is dan ook uitgegroeid tot een van 's werelds toonaangevende centra voor onderzoek naar oceaanenergie, met unieke faciliteiten en wetenschappelijke evenementen van topniveau.

Om de energie van de golven op te vangen, zijn er verschillende methoden ontwikkeld. soorten converters, waaronder:

• Oscillerende waterkolom (OWC) apparatenwaarbij de beweging van de golf een luchtkamer comprimeert en decomprimeert, die vervolgens een turbine aandrijft.
• Gelede mobiele apparaten, bestaande uit gesegmenteerde structuren die meebuigen met de golf en die beweging omzetten in mechanische energie.
• Platen of oscillerende elementendie meebewegen met de golven en lineaire of hydraulische generatoren aandrijven.
• Drijvende constructies, vaak voor de kust verankerd, die de verticale en horizontale schommelingen omzetten in elektrische energie.

Een belangrijke mijlpaal was de installatie, in Schotland, van een van de eerste commerciële energiecentrales met gelede turbines, die sinds het begin van de eeuw elektriciteit opwekt. 500 kWIn Spanje springt de golfenergiecentrale Mutriku aan de Baskische kust eruit, met 16 OWC-turbines met een totaal vermogen van ongeveer 296 kW, die sinds 2011 regelmatig golfenergie aan het net leveren.

Bij Mutriku is het werkingsprincipe eenvoudig maar zeer ingenieus: de Een golf dringt een gedeeltelijk onder water staande ruimte binnen.Het systeem comprimeert de lucht die zich bovenaan de golf bevindt en stoot deze via een turbine uit. Wanneer de golf zich terugtrekt, daalt de waterkolom en wordt de lucht door dezelfde turbine weer aangezogen. Deze turbine is zo ontworpen dat hij tijdens zowel de uitblaas- als de aanzuigfase in dezelfde richting draait. Onderzoeksgroepen zoals ITSAS REM aan de Universiteit van Baskenland (UPV/EHU) optimaliseren dit type systeem om de prestaties en betrouwbaarheid ervan te verbeteren.

Een van de grootste uitdagingen bij golfenergie is het beheersen van de intermittentie en variabiliteit van de bron. Net als bij wind- of zonne-energie is de productie afhankelijk van wisselende weersomstandigheden die niet overal ter wereld hetzelfde zijn. Dit maakt het noodzakelijk om het te combineren met andere bronnen of met opslagsystemen om de levering te garanderen.

Energie uit oceaanstromingen

In tegenstelling tot golven of wind vertonen veel stromingen een lage variabiliteit en een bijna continu karakterDit maakt ze tot een van de meest interessante hernieuwbare energiebronnen voor het leveren van niet-onderbroken stroomopwekking. In gebieden met zeestraten en natuurlijke kanalen worden deze stromingen sterker, wat resulteert in snelheden die ideaal zijn voor de installatie van onderwaterturbines.

De technologie die deze hulpbron benut, is zeer vergelijkbaar met die van de windmaar dan onder water. Generatoren worden in de stroming geplaatst, meestal voorzien van bladen of rotors die meedraaien met het water. Op basis van hun ontwerp kunnen verschillende basistypen worden onderscheiden:

• Axiale stroomrotoren, zeer vergelijkbaar met conventionele windturbines, met een as parallel aan de stroomrichting.
• Rotoren met verticale aswaarbij de bladen roteren rond een as loodrecht op de stroming, wat het mogelijk maakt om vanuit meerdere richtingen lucht op te vangen.
• Apparaten met vleugels of oscillerende profielendie de door de stroom opgewekte wisselbeweging omzetten in elektrische energie.

Een van de bekendste systemen is ZeeGenDeze generator, geïnstalleerd in de Strangford Strait (Noord-Ierland) in 2008, heeft twee tweebladige propellers met een diameter van 16 meter en kan ongeveer 1,2 MW opwekken. Het is al jaren een wereldwijde referentie op het gebied van getijdenstromen.

In Spanje is het potentieel voor deze technologie relatief beperkt omdat de huidige snelheden Langs het grootste deel van de kust bereiken de waterstanden niet de optimale waarden die nodig zijn voor een efficiënte werking van deze apparaten. Toch zijn er interessante locaties, zoals de Straat van Gibraltar of bepaalde stromingen voor de kust van Galicië, waar vooronderzoek is verricht.

Over het algemeen kunnen stroomturbines een breed scala aan vermogens leveren, van relatief kleine apparaten voor geïsoleerde toepassingen tot machines van bijna 2 MW in omgevingen met hoge stroomsnelheden. De belangrijkste uitdagingen zijn het onderhoud onder veeleisende maritieme omstandigheden, het minimaliseren van de impact op de mariene fauna en het verlagen van de kosten per geïnstalleerde kilowatt.

Oceanische thermische energie of OTEC (ocean thermal energy conversion)

La getijdenenergieOTEC (Ocean Thermal Energy Conversion), ook wel OTEC genoemd, gebruikt het temperatuurverschil tussen warm oppervlaktewater en koud diep water om via een thermodynamische cyclus elektriciteit op te wekken.

Om deze technologie levensvatbaar te maken, is een minimale temperatuurgradiënt van ongeveer 20 °C Tussen het oppervlak en een diepte van ongeveer 800-1000 meter. Deze situatie doet zich vooral voor in tropische zeeën, waar de zon de bovenste waterlaag constant verwarmt, terwijl het diepe water koud blijft.

OTEC-fabrieken gebruiken doorgaans varianten van Rankine-cyclusIn vereenvoudigde termen heeft het systeem een ​​werkmedium (dit kan water of een vloeistof met een laag kookpunt zijn, afhankelijk van het ontwerp). Het typische proces omvat:

• Un verdamperwaarbij de vloeistof verdampt dankzij de warmte van het oppervlaktewater.
• een turbine, die wordt aangedreven door hogedrukstoom en een elektrische generator aandrijft.
• Un condensor, waarbij de stoom wordt afgekoeld en gecondenseerd met behulp van koud zeewater dat vanuit grote diepte wordt opgepompt.
• pumps om de circulatie van warm en koud water door het systeem te garanderen.

In de oproep gesloten lusEr wordt een vloeistof zoals ammoniak gebruikt, die verdampt en condenseert zonder zich met zeewater te mengen. In de open cyclusHet is het zeewater zelf dat, naarmate de druk afneemt, verdampt en de turbine aandrijft, waarna het later weer condenseert met het koude diepwater. Er bestaan ​​ook hybride configuraties die beide benaderingen combineren.

Het belangrijkste voordeel van oceanische thermische energie is dat het kan voorzien in... bijna continue elektriciteitsopwekkingMits het temperatuurgradiënt behouden blijft, wat in bepaalde tropische gebieden vrij stabiel is, is het theoretische rendement laag vanwege het kleine beschikbare temperatuurverschil. Dit vereist de verwerking van grote hoeveelheden water en de aanleg van grootschalige infrastructuur, wat nog steeds hoge kosten met zich meebrengt.

Zoutgradiëntenergie of blauwe energie

De oproep blauwe energie Het maakt gebruik van het verschil in zoutgehalte tussen zeewater en zoetwater, bijvoorbeeld bij een riviermonding of in grote estuaria. Dit verschil in zoutconcentratie kan worden benut om energie op te wekken door middel van gecontroleerde osmotische processen.

In wezen maakt het gebruik van semipermeabele membranen die de doorgang van water wel, maar van zoutionen niet toelaten. Wanneer zoet water en zout water aan weerszijden van het membraan worden geplaatst, heeft het zoete water de neiging om naar de zoutzijde te bewegen om de concentraties gelijk te maken. Hierdoor ontstaat een drukverschil dat kan worden omgezet in mechanische energie en vervolgens in elektriciteit.

De voorgestelde technologieën omvatten:

• Drukvertragende directe osmose (PRO)waarbij de verhoogde druk aan de zoute kant wordt gebruikt om een ​​turbine aan te drijven.
• Omgekeerde elektrodialyse (ROOD), wat een elektrisch potentiaal opwekt door de selectieve migratie van ionen door ionenuitwisselingsmembranen.

Deze vorm van mariene energie wordt nog steeds beschouwd als een ontwikkelingsstadium. beginnende ontwikkelingDe belangrijkste uitdagingen hebben betrekking op de kosten en duurzaamheid van de membranen, de problemen met biofouling en de noodzaak om de installaties te integreren in gevoelige estuariene omgevingen zonder het ecologische evenwicht te verstoren.

Andere vormen van maritieme exploitatie en historische technologieën

Naast de grote moderne categorieën bestaat er een hele traditie van historische toepassingen van oceaanenergieEen klassiek voorbeeld is de getijdenmolen, die eeuwenlang, met name tussen de 16e en 19e eeuw, werd gebruikt voor het malen van granen in moerasgebieden.

Deze molens werkten op een vergelijkbare manier als moderne getijdenenergiecentrales, maar dan op een veel kleinere schaal: een dam met sluisdeuren waardoor een vijver tijdens vloed gevuld kon worden. Bij eb werd het opgeslagen water afgevoerd via een kanaal met een waterrad dat de machines van de molen aandreef.

In regio's als Cádiz en Huelva is een opmerkelijk erfgoed uit de oudheid te vinden. getijdenmolensDit heeft aanleiding gegeven tot specifieke studies naar de locatie, de gebruikte technologie en het wettelijke kader met betrekking tot een mogelijke restauratie of hergebruik voor educatieve of toeristische doeleinden.

Tegenwoordig zijn er nieuwe maritieme technologieën geëvolueerd in de richting van geavanceerde onderwaterapparaten, drijvende installaties en testplatforms op open zee, maar het is toch interessant om te zien hoeveel huidige ideeën voortbouwen op die traditionele toepassingen van mariene energie.

Regionale ontwikkeling: Andalusië, Baskenland en andere toonaangevende regio's

In Spanje analyseren verschillende autonome regio's de situatie in detail. potentieel van zijn mariene hulpbronnenAndalusië heeft bijvoorbeeld de langste kustlijn van het land en de unieke eigenschap dat het zowel een Atlantische als een Middellandse Zeekust heeft, wat zorgt voor een zeer interessante variatie aan golf-, getijden- en stromingsomstandigheden.

De regionale overheid van Andalusië heeft documenten zoals het onderzoek naar “Bruto potentieel aan mariene energiebronnen in Andalusië”waarin de hulpbronnen van de gehele kustlijn op een basisniveau worden geëvalueerd voor de technologieën die als meest veelbelovend worden beschouwd. Vervolgens is een meer gedetailleerde "tweede fase" gepubliceerd, gericht op de stromingen rond de Straat van Gibraltar en de golven van de strook Cádiz-Huelva en de oostkust van Almería.

Een ander noemenswaardig werk is de “Vooronderzoek naar getijdenmolens in Cádiz en Huelva”, waarin deze historische gebouwen worden geïnventariseerd, hun technologie wordt beschreven en juridische aspecten met betrekking tot hun bescherming en mogelijke restauratie worden geanalyseerd.

Daarnaast zijn er rapporten zoals “Energiecentrales en energie-infrastructuur in Andalusië”waarin de situatie van de faciliteiten op gemeentelijk, provinciaal en regionaal niveau wordt verzameld, en waarin hulpmiddelen zoals de interactieve kaart van energie-infrastructuur van Andalusië (MIEA) beschikbaar worden gesteld om de locatie van zonne-energiecentrales en andere relevante energie-infrastructuur te raadplegen.

Het Baskenland heeft zich op zijn beurt geconsolideerd als internationale leider in oceaanenergieIn de Baskische Cantabrische Zee zijn de golfomstandigheden gunstig, vooral in de winter, wat de realisatie van baanbrekende projecten zoals de eerder genoemde golfenergiecentrale in Mutriku en het BIMEP-platform (Biscay Marine Energy Platform) heeft bevorderd. Dit laatste platform is een testlocatie op open zee waar bedrijven en onderzoekscentra prototypes op ware schaal kunnen testen.

De aanwezigheid van infrastructuren zoals BIMEP en gespecialiseerde onderzoeksgroepen heeft wereldberoemde evenementen naar Baskenland getrokken, zoals het ICOE-congres, gericht op de offshore-industrie, en het EWTEC-congres, gericht op onderzoek naar oceaanenergie. Deze fora brengen honderden experts en onderzoekers samen om te discussiëren over de de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van simulatie, apparaatontwerp en resourcebeoordeling.

Een belangrijk element bij het consolideren van dit leiderschap is de gespecialiseerde trainingDe Erasmus Mundus Master in Hernieuwbare Energie in het Mariene Milieu (REM+), gecoördineerd door de UPV/EHU en andere Europese universiteiten, werkt samen met meer dan 50 bedrijven in de sector en is door de Ocean Energy Conference bekroond voor haar bijdrage aan de opleiding van professionals in dit opkomende vakgebied.

Voordelen, uitdagingen en rol in de energietransitie

De verschillende vormen van oceaanenergie hebben een aantal gemeenschappelijke kenmerken. strategische voordelenDit zijn hernieuwbare energiebronnen, die tijdens hun werking vrijwel geen impact hebben op de uitstoot van broeikasgassen en die in bepaalde gevallen (getijden en stromingen) een zeer waardevolle voorspelbaarheid en regelmaat bieden voor het elektriciteitsnet.

Energie uit de zee kan ook helpen Diversifieer de energiematrix Voor kustlanden is het belangrijk om de afhankelijkheid van geïmporteerde fossiele brandstoffen te verminderen, industriële waardeketens te creëren die verband houden met de constructie en het onderhoud van maritieme apparatuur, en de opgebouwde kennis in andere offshoresectoren, zoals olie en gas of offshore windenergie, te benutten.

De grootschalige uitrol ervan staat echter nog steeds voor uitdagingen. belangrijke uitdagingenDit omvat onder meer hoge investerings- en operationele kosten, extreme milieuomstandigheden in zee (corrosie, golven, aangroei van organismen), de noodzaak om compatibiliteit met gevoelige ecosystemen en traditionele activiteiten (visserij, scheepvaart, toerisme) te waarborgen, en concurrentie met andere gevestigde en steeds goedkopere hernieuwbare energiebronnen.

Op technologisch gebied spelen aspecten zoals de verhoogde betrouwbaarheid van het apparaatDenk bijvoorbeeld aan het ontwerpen van modulaire en gemakkelijk te onderhouden oplossingen, het verbeteren van afmeer- en ankersystemen, of de integratie van energieopslag waarmee de variabiliteit van hulpbronnen zoals golven kan worden afgevlakt.

Vooruitkijkend wordt verwacht dat de combinatie van technologische innovatie, schaalvoordelen en gunstige regelgeving ervoor zal zorgen dat maritieme energie een steeds belangrijkere plaats inneemt in de toekomst. overgang naar een koolstofarm energiesysteemvooral in landen met uitgestrekte kustlijnen en toegang tot goede mariene hulpbronnen.

De kracht van de oceaan biedt een scala aan oplossingen, van klassieke getijdenenergiecentrales tot de meest geavanceerde stroomturbines, waaronder golfenergiecentrales, oceanische thermische energiecentrales en blauwe energieprojecten. Als de huidige economische en technologische drempels worden overwonnen, kunnen deze alternatieven een stabiele en complementaire pijler vormen voor andere, meer gevestigde vormen van hernieuwbare energie.