Stroom uit de wolken

Een toren van vijf kilometer hoogte gevuld met waterstof en ammoniak kan evenveel elektriciteit opwekken als twaalf kolencentrales.

Aan de onthulling van het zogenaamde Megapowerproject, dat vandaag tijdens de Novem Energieconversiedag in 's-Hertogenbosch plaatsvond, is een lange periode van speculaties vooraf gegaan. De betrokkenheid van Seatec BV, een bedrijf dat gespecialiseerd is in onderwaterapparatuur, deed vermoeden dat het om een OTEC-centrale zou gaan, een 'ocean thermal energy conversion' centrale. Dit soort centrales maakt gebruik van het temperatuurverschil tussen de bovenste laag water en het diepzeewater. Het warme oppervlaktewater van de oceaan brengt een gemakkelijk verdampende vloeistof aan de kook en deze damp drijft een turbine aan die elektriciteit opwekt. Het koude diepzeewater condenseert de damp tot vloeistof, waarna de cyclus opnieuw begint.

'Met een OTEC heeft het Megapowersysteem gemeen, dat ook wij gebruik maken van het principe dat een vloeistof op één plaats in een gesloten circuit verdampt, waarna het op een andere plaats weer condenseert tot vloeistof,' verduidelijkt ing. Ruud van Ginkel, hoofd van de afdeling Energie, Techniek en Ontwikkeling van Hoogovens. 'Bijzonderheid bij het Megapowerproject is dat dit proces plaats vindt in een toren van staal of aluminium die vijf kilometer hoog uit de Noordzee verrijst.'

'Het is een project waarbij je van verbazing bijna van je stoel valt,' beaamt Van Ginkel, 'de meeste mensen reageren erg sceptisch. Maar we zijn er na verschillende onderzoeken achter gekomen dat dit plan technisch wel degelijk uitvoerbaar lijkt.'

Te oordelen aan het gezelschap dat het plan presenteert valt op te maken dat Hoogovens in het plan gelooft. Behalve Van Ginkel zijn aanwezig drs. Lidwien Jongejan-Jansen, persvoorlichter van Hoogovens, en ir. Ronald Krom van de afdeling Corporate Research, freelance projectleider drs. ir. Peter van Summeren, ir. Ronald Rovers van Novem en Frank Hoos, directeur van Seatec BV. Naast Hoogovens zijn ook Stork Ketels uit Hengelo en de Duitse firma Linde bij het project betrokken.

'Eigenlijk werken gewone OTEC's tegen de natuur in doordat ze het koude water oppompen,' verklaart Frank Hoos, bedenker van het Megapowerproject, 'Als je een koudebron nodig hebt is het veel aantrekkelijker om juist de koude lucht op grote hoogte te gebruiken.'

Deze gedachte werkte Hoos verder uit. Zou het mogelijk zijn om een warme damp vanaf zeeniveau in een toren op te laten stijgen en die op grote hoogte te laten condenseren? Als dat zou lukken, zou de vallende vloeistof op zeeniveau turbines kunnen aandrijven en zo elektriciteit opwekken.

Met dit concept stapte Hoos ongeveer twee jaar geleden naar de Hoogovens om te bespreken of een dergelijk plan technisch uitvoerbaar zou zijn. Het idee van Hoos sprak Ruud van Ginkel direct aan. 'Ik kon niet alle aspecten direct overzien, maar de procesmatige kant van het voorstel klonk erg aantrekkelijk.' Toen thermodynamische berekeningen door Ronald Krom duidelijk maakten dat 'het niet uitgesloten was dat het systeem zou kunnen werken' besloot Van Ginkel tot de vorming van een onderzoeksteam dat een haalbaarheidsstudie ging verrichten.

Praktisch bezien waren er heel wat problemen op te lossen. Allereerst de vijf kilometer hoge toren. Hoe is het mogelijk een dergelijke constructie te bouwen, zonder dat afschuifkrachten het materiaal doen bezwijken? 'Dat is alleen te realiseren met behulp van met waterstof gevulde tanks,' zegt Hoos. De toren is daarmee zijn eigen zeppelin. Hoos: 'Het Nationaal Luchtvaart- en Ruimte-Laboratorium (NLR) heeft op ons verzoek berekend of dit haalbaar is. Zij hebben twee ontwerpen onderzocht, één waarbij de tanks regelmatig over de gehele lengte van de toren verdeeld zijn, en een ander ontwerp waarbij een viertal compartimenten met waterstof op verschillende hoogten zijn aangebracht. In principe blijken beide methoden uit constructief oogpunt mogelijk, de eerste methode lijkt de voorkeur te verdienen omdat de toren beter gestroomlijnd is.'

Het onderzoeksteam onderzocht vervolgens van welk materiaal de toren het beste gemaakt zou kunnen worden. Zowel staal als lasbaar aluminium lijken te voldoen.

De toren zou een diameter krijgen van 50 meter, een hoogte van 5000 meter en een gewicht van 406.000 ton. Naar schatting 300.000.000 m waterstof is nodig om voldoende opwaartse kracht te verkrijgen. Tuidraden van acht kilometer die met ankers aan de bodem van de zee vastzitten, moeten de constructie in evenwicht houden.

Het NLR heeft onderzocht hoe de toren zich gedraagt onder zware weersomstandigheden op 5000 meter hoogte. De uitkomst was geruststellend, de toren met losse waterstofcompartimenten zwabbert weliswaar bij zware storm wat heen en weer, maar raakt aan de top niet meer dan 344 meter uit balans. De gestroomlijnde versie zou slechts 57 meter uitwijken.

Andere vragen die tijdens het haalbaarheidsonderzoek aan de orde kwamen, waren of de weersomstandigheden op 5000 meter goed genoeg zijn om het medium te condenseren, en welke verdampingsmiddelen in aanmerking komen. Uit gegevens van het KNMI bleek dat de luchttemperatuur boven de Noordzee op 5400 meter erg variabel is, variërend van min 8,4 tot min 34 graden Celsius in het referentiejaar 1986. De oppervlaktetemperatuur van de Noordzee lag tussen 4,2 en 16,6 graad C.

Een wezenlijke eis is dat het medium op zeeniveau verdampt en op 5000 meter condenseert. Uit een onderzoek naar zeventien vloeistoffen leek butaan te voldoen aan deze eis. Bij gebruik van butaan zou de centrale een vermogen van 7000 MW kunnen krijgen, evenveel als twaalf kolencentrales. Het bleek echter dat het systeem met butaan 's zomers slecht zou werken omdat het onvoldoende zou condenseren. In een later stadium viel de keuze op ammoniakgas, dat onder de gestelde condities beter zou werken.

Toen bleek dat een toren van 5 kilometer hoogte technisch gezien haalbaar was, kreeg Hoos het idee om nog een stap verder te gaan, om te proberen de lage temperatuur van nog hogere luchtlagen te benutten. Daarvoor zou een tweede natuurkundig proces plaats moeten vinden in een aparte toren, gesitueerd bovenop de reeds bedachte toren. De totale hoogte van de constructie zou dan 7500 meter zijn. Een constant circulerend gas, bijvoorbeeld waterstof, zou warmte moeten onttrekken aan het medium in de onderste toren, die in dit geval niet hoger dan 3500 tot 4000 meter zou hoeven te zijn. Volgens Hoos zou het grote voordeel zijn dat het benodigde temperatuurverschil op deze wijze beter gewaarborgd is.

Indien deze toren van aluminium gemaakt zou worden, zou de massa 1.694.000 ton zijn, bij staal komt de massa op 2.537.000 ton. Hoewel het NLR in een tweede studie positief is omtrent de bouw van deze 7500 meter hoge toren, heerst er in het onderzoeksteam verdeeldheid over de thermodynamische aspecten van het dubbele cyclussysteem.

Zelfs wanneer het project beperkt blijft tot de constructie van 5000 meter, is het bedenken van bezwaren hiertegen niet moeilijk. Neem de horizonvervuiling. De toren zal van grote afstand zichtbaar zijn, niet iets waar de natuurbescherming of toeristenverenigingen op zitten te wachten.

Dan zijn er de effecten op het milieu. Drs. Marleen Bootsma, energiedeskundige van Stichting Natuur en Milieu, reageert weinig enthousiast op het project, vooral wegens het grootschalige karakter. Aan het gebruik van grote hoeveelheden ammoniakgas kleven volgens haar grote risico's. Ook ziet Bootsma de 5 km hoge toren niet direct geplaatst worden. 'Als je ziet dat de plaatsing van windturbines op zee al bijna niet lukt, dan is er weinig reden dat een project van een dergelijke omvang wel zou lukken,' aldus Bootsma. Ook is de centrale een aantrekkelijk doelwit voor terroristen of in geval van oorlog.

Bovendien is er de constructie zelf, die extreem hoge eisen zal stellen aan het technisch kunnen. Prof.ir. R.W.J. Kouffeld van de faculteit werktuigbouwkunde en maritieme techniek van de TU Delft toont zich erg sceptisch en stelt dat er vele technische problemen te verwachten zijn: 'Het is geen uitgemaakte zaak dat alles wat technisch te maken is ook realiseerbaar is. In Japan is aangetoond dat een OTEC-centrale inderdaad werkt. Maar de investeringen zijn zo hoog dat verdere ontwikkelingen vrijwel stil liggen.'

'Het is inderdaad absoluut niet moeilijk om nadelen van het Megapowerproject te bedenken,' zegt projectleider Peter van Summeren, 'toch moet je rekening houden met het feit dat in de volgende eeuw een enorme behoefte aan energie zal ontstaan. De pogingen om energie te besparen zouden heel goed ontoereikend kunnen blijken.

De toren geeft geen CO-belasting, Dat was voor de Novem reden om het onderzoek te financieren. Novem zal ook inventariseren welke partijen belangstelling hebben en welk vervolg er aan het project gegeven kan worden.

'Misschien moeten we hiervoor wel naar de oliemaatschappijen stappen. Ook kan ik me voorstellen dat projectontwikkelaars er brood in zien,' stelt Rovers. 'Het energiescenario van Shell voor de volgende eeuw noemt een aantal bekende energiebronnen, zoals biomassa, zonnecellen en waterkracht, die een belangrijke rol in de energievoorziening zullen spelen. Eén mogelijke bron noemt Shell 'surprise': een nog onbekende energiebron. Megapower zou die onbekende bron kunnen zijn.'