Een paar 100 meter van de kust wiegen enorme stalen flappen op het ritme van de golven. Dat doen ze sinds de Finse firma AW-Energy ze in 2019 afzonk bij de Portugese plaats Peniche, 10 Ã 20 meter diep op de zeebodem.
De testcentrale WaveRoller produceert 1 MW elektriciteit voor Peniche via een hydraulisch systeem, dat de golfenergie omzet in stroom. Het gaat om stroom voor zo’n 500 huishoudens per jaar. In Mexico en Zuidoost-Azië zullen ook WaveRollers worden getest, en AW-Energy is lang niet het enige bedrijf dat zich momenteel op het groene-energiepotentieel van de golven stort.
Onaangetaste bron van hernieuwbare energie in zee
De golfenergie is het grootst op open zee, maar een groot deel kan dicht bij land worden benut, waar de elektriciteit makkelijker via kabels te transporteren is. De golven bewegen in twee richtingen dwars op elkaar, waardoor de watermoleculen met de klok mee rondgaan. Hoe dichter bij land, hoe meer de cirkelbewegingen worden samengeperst.
Verder de zee op zitten de golven vol energie, wel 60 kW per meter. Onder water en dichter bij land daalt de energiedichtheid met zo’n 30 procent, maar een golfenergiecentrale is hier wel minder gevoelig voor het woeden van de zee.
Een golf duwt de watermoleculen rond in cirkels, die zich neerwaarts voortplanten. Nabij de kust drukt de bodem de cirkels opeen en worden de verticale bewegingen, die 8-20 meter diep het energierijkst zijn, versterkt.
De golven worden geoogst door onderwatercentrales nabij de kust, waar ze goed bereikbaar zijn en veilig voor het onrustige water aan het oppervlak. Bij de kust is de golfenergie zo’n 13% lager dan op zee.
Nieuwe golfenergietechnologieën proberen de code voor het aanboren van dit enorme energiepotentieel te kraken door zich schuil te houden op de bodem, veilig voor het woelige water aan het oppervlak. Uiteindelijk moeten de testcentrales leiden tot definitieve centrales, die een flinke bijdrage leveren aan de energieproductie.
Als het eenmaal zover is, kunnen ’s werelds grootste golfenergieparken duurzame energie leveren aan geïsoleerde eilanden en drinkwater aan dorre streken.
Oceanen bulken van energie
Wie weleens bij storm aan de kust heeft gestaan, kent de kracht van de zee. De golven kunnen potentieel 500 GW toevoegen aan het elektriciteitsnet. Dat is evenveel als de huidige windmolens (564 GW) en zonnecellen (486 GW).
Maar op dit moment worden ze nog nauwelijks benut. In Europa dragen golfenergiecentrales slechts een klein deel van het totale energiepotentieel bij: 1,5 MW.
VIDEO: Kijk hoe de WaveRoller bij Portugal te water gaat
De golfenergiecentrale WaveRoller werd in november 2019 afgezonken voor de kust van Portugal. De plaat wipt heen en weer in de golven, en de energie van die bewegingen gaat over op een zuigerpomp.
Zeegolven zitten boordevol energie, net als de zon en wind. Nabij de kust van grote oceanen is dat gemiddeld 20 tot 50 kW per meter golf per jaar.
Een golfenergiecentrale van 15 meter kan bijvoorbeeld het hele jaar door 100 kW leveren, genoeg voor het gemiddelde gebruik van 25 huishoudens. Bovendien zijn golven betrouwbaarder: ze kunnen 90 procent van de tijd energie opwekken, terwijl dat bij wind en zon maar 20 Ã 30 procent is.
De afgelopen 20 jaar hebben diverse golfenergieconcepten veelbelovende stappen gezet om de energie uit golven om te zetten in stroom voor je stopcontact. De centrales kunnen 50 procent van de energie benutten. Dat is vijf keer effectiever dan zonnepanelen, die economisch rendabel geacht worden als ze 10 procent van de zonne-energie kunnen omzetten in elektriciteit. Maar ondanks de goede resultaten zijn er nog geen grootschalige golfenergieparken.
Het gaat echter de goede kant op. De laatste 10 jaar laat de ontwikkeling een stabiele groei zien, en zowel de VS als Azië beginnen te investeren in golfenergie. Volgens de meest recente EU-rapporten blijkt dat de capaciteit van golfenergie in 2019 met 25 procent is toegenomen ten opzichte van het jaar ervoor.
Het Internationale Energieagentschap schat dat golfenergie in 2050 kan voorzien in 10 procent van het mondiale energieverbruik. Daarom komt het onderzoek in een stroomversnelling en zijn er projecten om een van de grootste uitdagingen van golfenergie te tackelen: storm.
Vier opties voor golfenergie van de toekomst
Vliegenmeppers op de zeebodem
Het Deense Exowave heeft een golfenergiecentrale ontwikkeld die op de bodem staat en de turbulentie die de golven creëren benut. Op de bodem is de golfenergie zwakker, maar gaat een centrale langer mee. Exowave denkt in 2021 de eerste proefcentrales te kunnen demonstreren.
Robotkwal deint mee op de zee
Sinds 2015 voorzien drie onderwaterboeien, de CETO van Carnegie Clean Energy, een marinebasis in West-Australië van elektriciteit en schoon water. De boeien volgen de bewegingen van de golven en drijven een pomp aan die zeewater onder druk zet. De zesde generatie is in ontwikkeling.
Afgezonken rubbermembraan vormt luchtdruk
Het Australische Bombora ontwikkelde een afgezonken centrale. Als de golven voorbijkomen, vormt een dik rubbermembraan luchtdruk, die een turbine aandrijft. Het systeem wordt in 2021 getest in een 15 meter lange proefcentrale in Wales en later bij Lanzarote.
Flap pompt stroom uit golven
In 2019 liet het Finse bedrijf AW Energy zijn WaveRoller neer voor de kust van Portugal. De grote stalen flappen wekken 1 MW stroom uit golfenergie op voor de kustplaats Peniche. Er komen meer WaveRollers aan, in Portugal, Mexico en Zuidoost-Azië.
Horizontaal wiegen drijft centrale aan
De enorme natuurkrachten op open zee kunnen de centrales verwoesten of ervoor zorgen dat ze geregeld dicht moeten uit veiligheidsoogpunt. Onder andere om die reden zijn eerdere veelbelovende projecten afgekeurd nog voor ze het eerste kilowattuur konden leveren.
Anders dan windmolens en zonnecellen komen bij golfenergie allerlei technologieën kijken, zoals boeien en slangen op het land – elk met zijn voordelen en nadelen. Maar mogelijk komt de optimale oplossing van oscillating wave surge converters of OWSC’s.
Eerdere centrales benutten doorgaans de verticale golfbewegingen. Maar een OWSC gebruikt de energie die ontstaat door het wiegen van horizontale golven. Hierbij worden de circulalire bewegingen van de watermoleculen door de ontmoeting met de stijgende zeebodem samengeperst tot ellipsen.
De golven duwen tegen een of meer flappen. Deze bedienen een cilinderpomp, die druk creëert in olie of zeewater. De druk kan een stroom producerende generator op de zeebodem of op een platform aandrijven, of worden overgebracht naar het land.
De centrales worden nabij de kust op 1 tot 40 meter diepte aan de zeebodem verankerd, waar ze het uitzicht niet bederven en het dierenleven niet verstoren. Twee voorbeelden van OWSC’s zijn de WaveRoller bij Peniche en de Deense Exowave op de bodem van de Noordzee. De Exowave bestaat uit waaiers die doen denken aan een vliegenmepper. Ze bewegen heen en weer en benutten de enorme krachten die de zee ook diep onder het woelige oppervlak bevat.
Exowaves ‘vliegenmepper’ drijft pendule aan
De rechtopstaande flappen worden beïnvloed door de draaiende bewegingen die de golven in het water creëren.
Een draaimechanisme aan de flap zorgt ervoor dat de flap naar de golven toe gericht is.
Als de flap beweegt, drijft hij een as aan die is verbonden met een cilinder in een zuigerpomp.
Mechanische pomp gaat lang mee
Het nadeel van centrales op de zeebodem is dat ze moeilijker bereikbaar zijn dan andere typen golfenergiecentrales. En ze moeten 20 jaar meegaan om financieel rendabel te zijn.
Om die reden koos het bedrijf Exowave ervoor het concept simpel te houden. De centrale is geheel mechanisch en werkt zo, dat een kogelgewricht zeewater in en uit een pomplichaam laat, dat door de golfflap onder druk wordt gezet. Tegelijk draait de waaier, zodat de energie effectief benut wordt, waar de golven ook vandaan komen.
Exowave moet op 10 tot 40 meter diepte opereren, waar de gemiddelde energiedoorstroming circa 17 kW per meter golf is. In het water onder windmolens kunnen golfenergiecentrales de stroomproductie aanvullen met 20 MW, die via dezelfde kabels als de stroom uit windenergie naar het land gaat.
Waaiers halen stroom en water uit golven
De Deense golfenergiecentrale Exowave zet met een simpel, duurzaam mechaniek de enorme zeekrachten om in stroom. Daarnaast moeten de gele flappen schoon drinkwater leveren voor kustgebieden.
1. Drijvende bladen waaien met alle golven mee
Dicht bij de bodem bewegen de watermoleculen in ellipsen, die de grote flappen van de Exowave heen en weer duwen. Een draaimechanisme zorgt ervoor dat ze altijd naar de golven gericht zijn.
2. Pomp zet zeewater onder hoge druk
Aan de ‘waaier’ zit een hydraulische pomp met een kogelgewricht dat zeewater binnenlaat. De pomp zet het water onder een druk van 35-75 bar – 35-75 keer de luchtdruk op aarde. Een turbine of generator wordt meestal aangedreven door waterdruk van 20-40 bar.
3. Ventielen leiden water naar land
Het vermogen om energie uit golven om te zetten in hydraulische energie neemt toe met de druk. Daarom heeft het pomplichaam ventielen die voorkomen dat de druk te hoog of te laag wordt. Andere ventielen leiden water naar een turbine op zee of op het land, die stroom opwekt.
4. Waterdruk levert drinkwater
Op het land kan de druk ook zout water door een fijn filter duwen, dat de grotere zoutmoleculen tegenhoudt. Dit heet omgekeerde osmose. De kleinste Exowave-centrale, WEC10, kan circa 2000 liter drinkwater per uur leveren.
Golfenergiepark kan onzichtbaar worden
Golfenergiecentrales kunnen ook allerlei andere toepassingen krijgen, zoals zogeheten off-grid elektriciteit voor particulieren en stroomvoorziening voor kleine eilanden, die op dit moment afhankelijk zijn van geïmporteerde steenkool en olie.
Daarnaast kunnen ze schoon drinkwater leveren aan dorstige gebieden. De Exowave werkt bijvoorbeeld met druk en kan zeewater ontzilten tot drinkwater. Daarbij wordt water door een filter geperst dat alleen watermoleculen doorlaat en de grotere zoutmoleculen tegenhoudt.
Op die manier kunnen golfenergiecentrales niet alleen zorgen voor een blijvende stroom van groene energie, maar kunnen ze potentieel ook schoon water leveren aan de circa een miljard mensen die leven in kustgebieden zonder toegang tot schoon drinkwater.