Wind 4 Water

Wind4Water Inzending Delta Water Award 2012

Februari 2012 Koen Kooper MSc Jeroen Toet MSc Gerson van Luijk MSc

Contact:

info@wind4water.net

1

Voorwoord Geachte juryleden, Met groot genoegen presenteren wij onze uitwerking van het plan Wind4Water in het kader van de Delta Water Award 2012. We hebben het afgelopen jaar de kans gehad ons te verdiepen in alle aspecten die het ontwikkelen van het concept-systeem Wind4Water voor de Zeeuwse markt met zich meebrengt. Dit reikte van het helder krijgen van de urgentie van de water- en verziltingsproblematiek tot de technische uitwerking van het systeem, alsook van de verkenning van de marktbehoefte tot het economisch en maatschappelijk draagvlak.

We zijn dank verschuldigd aan alle partijen waar wij op bezoek mochten komen en die enthousiast hebben meegedacht. Voor de technische uitwerking is dit de TU Delft en een partnerbedrijf in waterontziltingsinstallaties. Voor het in kaart brengen van de problematiek zijn dit ZLTO en Evides. Voor hun openheid over de marktbehoefte en marktpotentie bedanken wij een vijftal glastuinbouwondernemers. Voor de uiteenzetting over de maatschappelijke aspecten van implementatie danken wij Zeeuwind en Evides. Tevens danken we de organisatie en coach gelieerd aan NewVenture, waarvan we waardevolle informatie over het opzetten van een onderneming hebben verkregen. Het Agentschap NL danken we voor het oriĂŤnterend onderzoek naar de patentmogelijkheden van het systeem.

Ten zeerste bedanken we uiteraard tevens de organisatie van de Delta Water Award, Ruben, Joost en Jeroen voor het bieden van deze mooie kans en de toegang tot contactpersonen bij verschillende partners. Tenslotte bedanken wij u als juryleden voor het getoonde vertrouwen en de interesse en adviezen tijdens de tussentijdse presentatie.

Het rapport is opgebouwd uit drie delen. In het eerste deel beschrijven we de ecologische en technische achtergronden die hebben geleid tot het systeemontwerp. In het tweede deel beschrijven we de marktpotentie en de focus op Zeeland. In het derde deel behandelen we de economische haalbaarheid en de te nemen vervolgstappen voor realisatie. Het geheel wordt vooraf gegaan door een korte samenvatting. Tevens zijn bijlagen beschikbaar, die dieper ingaan op de behandelde stof en bijvoorbeeld rekenschema’s voor de verschillende case studies en de uitgewerkte interviews behelzen. Een digitale versie van de bijlagen wordt aangeleverd. Wij wensen u veel plezier met het lezen van dit rapport. Mocht u vragen hebben of aanvullende informatie wensen kunt u altijd contact opnemen op onderstaand emailadres. Wij kijken uit naar de volgende ontmoeting op 18 april.

Met vriendelijke groet, Jeroen, Gerson en Koen koen@wind4water.net

2

Inhoud

Samenvatting

4

Deel I:

Wind4Water – Achtergrond en werking van het systeem

5

Deel II:

Winnen met wind – Verkenning van een groeimarkt

34

Deel III:

Economische haalbaarheid en realisatie

55

Bijlagen

3

Samenvatting Het Wind4Watersysteem is een innovatief systeem dat water kan zuiveren met behulp van windenergie. Het systeem biedt een volledig duurzame, kleinschalige en autonome oplossing voor het produceren van zoet water uit zout of vervuild water. Het W4W-systeem koppelt de marktleidende waterzuiveringstoepassing reverse osmosis direct aan een hydraulische windturbine. De integratie van de hydraulische windturbine met reverse osmosis omzeilt de omzettingsstappen naar elektriciteit, waardoor het energieverlies beperkt wordt. De theoretische efficiĂŤntieverbetering is circa 10% ten opzichte van elektrische windenergiesystemen. De vraag wordt beantwoord of het W4W-systeem naast technologische innovatie ook economische voordelen biedt ten opzichte van bestaande waterzuiveringssystemen. Oftewel, wie wint er met wind? Hiertoe is een theoretisch kader geschetst waarbinnen het W4W-systeem effectief kan worden geĂŻmplementeerd. Er wordt getoond dat Zeeland de meest gunstige locaties biedt voor introductie van het W4Wsysteem. Hierbij spelen omgevingsfactoren als het windaanbod en de hoge verzilting van de bodem een grote rol, maar ook andere factoren versterken deze keuze. Zo is er in Zeeland de technische know-how, er is interesse tot investering in innovatie bij agrarische bedrijven en daarbij heeft de provincie internationaal een goede reputatie op het gebied van watermanagement. Voor toepassing van het systeem worden de sectoren waar de reverse osmosis techniek zich al heeft bewezen in eerste instantie als meest kansrijk aangewezen. Uit analyse blijkt dat het systeem met name voordeel kan bieden in de glastuinbouw, waar het gebruik van grote wateropvangbassins goed samengaat met de korte termijn variaties in waterproductie van het W4W-systeem. Het uitzicht op een brede adoptie van het W4Wsysteem in de glastuinbouw is van belang voor de ontwikkeling van het systeem. Op termijn hoeft toepassing zich echter niet te beperken tot de glastuinbouwsector. De oplossing die het W4W-systeem biedt voor het watervraagstuk in Zeeland kan een kleine schakel vormen in het grote geheel. Een ontwikkeling naar ofwel meer glastuinbouw ofwel de inpassing van technieken uit de glastuinbouw, zoals waterbassins, in de landbouw, kan leiden tot een breder toepassingsbereik van het W4W-systeem, waarmee de bijdrage aan het watervraagstuk wel degelijk een significante rol kan gaan spelen. Een economische haalbaarheidsanalyse toont aan dat bij gebruik van grote bassins van 4.500 m3 per hectare, het W4W-systeem aanzienlijke economische voordelen biedt ten opzichte van zowel elektrische reverse osmosis systemen als het gebruik van leidingwater. Bij gebruik van middelgrote bassins van 1.000 m3 per hectare biedt het hybride W4W-systeem mogelijk een kosteneffectieve oplossing.

4

Deel I: Wind4Water – Achtergrond en werking van het systeem Dit deel dient om de achtergrond en de technische werking van het Wind4Watersysteem inzichtelijk te maken en het innovatieve karakter alsook de meerwaarde van het concept te onderbouwen. In het eerste hoofdstuk wordt de achtergrond van de verziltingsproblematiek beschreven. Het tweede hoofdstuk behandelt de ontziltingstechniek reverse osmosis.

Hoofdstuk drie belicht de achtergronden van windenergie. In hoofdstuk vier wordt het Wind4Water-systeem uiteengezet.

5

Inhoudsopgave Deel I 1:

Verzilting van landschappen

1.1

Introductie

1.2

Verzilting van polders

1.3

De Zeeuwse verzilting: klimaat

1.4

De Zeeuwse verzilting: geohydrologie

1.5

De Zeeuwse verzilting: oppervlakte water

1.6

De Zeeuwse verzilting: conclusie

2:

Ontziltingstechniek Reverse Osmosis

2.1

Ontziltingstechnieken

2.2

Waterkwaliteit

2.3

Toepassing Reverse Osmosis

3:

Windenergie

3.1

Energie in de wind

3.2

Windturbine rotor

3.3

Energie-overdracht

4:

Wind4Water systeem

4.1

Principe Wind4Water-systeem

4.2

Vergelijking met elektrisch systeem

4.3

Hybride W4W-systeem

Referenties

7

13

18

24

33 6

1

Verzilting van landschappen

In grote delen van de wereld is verzilting een toenemend probleem. We denken hierbij al snel aan droge gebieden, zoals Australië en de Sahel-regio. Hier wordt door een combinatie van hoge verdamping en weinig neerslag het water langzaam verrijkt in concentraten, waarvan zout de belangrijkste is. Echter, ook in het Nederland dat soms een overdaad aan neerslag lijkt te hebben, komt de verziltingsproblematiek steeds vaker in het nieuws.

Waardoor wordt deze problematiek veroorzaakt en waarom manifesteert deze zich met name in Zeeland?

1.1 Eenheid van zoutgehalte Het zoutgehalte (saliniteit) van water wordt in verschillende eenheden gemeten. De meest gebruikte eenheid in het veld is EC (1000 µSiemens/cm), terwijl in literatuur vaak in milligram per liter wordt gesproken of over ppm (parts per million). In onderstaande tabel staan de meest gebruikte omreken factoren vermeld: EC

µS/cm

mS/m

Ppm

Mg zout/liter

Mg Cl /liter

1,0

1.000

100

500*

640**

388**

* In de tuinbouw wordt tevens gemeten voor nutrient concentraties, zoals fosfor, natrium en stikstof, waardoor 1 EC ongeveer neerkomt op 700 ppm (Metresys,2011) ** Hier nemen wij de meest voorkomende omrekenfactor. In principe staat mg/L gelijk aan ppm wanneer deze in een 1:1 oplossing zit. De omreken factor kan variëren tussen 500 en 800 mg/L (NRW, 2007)

Water wordt zoet genoemd wanneer het zoutgehalte minder is dan 300 mg/L. Tussen 300 mg/L en 10.000 mg/L noemen we het water brak en bij waardes boven de 10.000 mg/L spreken we van zout water.

1.2 Verzilting van polders Ook in Nederland hebben wij problemen met zout water. Hoewel in ons land gemiddeld over een jaar voldoende neerslag valt om in evenwicht te blijven met de benodigde evapotranspiratie, vormt zich in de zomermaanden een neerslagtekort. Planten gebruiken in deze periode intensief water, dat door transpiratie weer terug de atmosfeer wordt ingebracht en de bodem wordt onthouden. Neerslag zal in deze maanden dus niet het zoetwater eservoir in de freatische laag (ondiepe bodem) opvullen, zodat een watertekort ontstaat. Hoewel dit tekort relatief beperkt is, betekent het een verdroging van het landschap. Er ontstaat zo een opwaartse flux van dieper grondwater, welke de freatische laag wil bijvullen. Langs de kust is het water in deze diepere lagen vaak zout, vanwege de zoet/zout-wig vanuit de zee of de aanwezigheid van historisch zout. Het opkomende water (kwel) neemt de zouten in oplossing mee en hierdoor ontstaat het risico dat de bodem verzilt. In Australië noemen ze verzilting 7

niet voor niets 'the monster from the deep' [CSIRO, persoonlijke communicatie]. Figuur 1.1 toont dit proces op lokale (polder-)schaal [Oude Essink, 2009].

Figuur 1.1 Schematische weergave verziltingsproces, waarbij inzichtelijk wordt gemaakt hoe de dynamische grondwaterlens wordt gevoed in de winter, wanneer er een neerslagoverschot is en tijdens de zomerperiode deze lens weer krimpt en zout grondwater zich naar het oppervlakte dwingt.

Dit proces kan op locaties nabij de kust doorschieten en de zoetwaterlens doorbreken, waardoor het freatische grondwater brak of zelfs zout wordt. Dit heeft ernstige gevolgen voor de landbouw, die gebruik maakt van juist dit hangwater. Gewassen hebben een verschillende mate van verdraagzaamheid voor zout water. Voor enkele landbouwgewassen is een indicatie aangegeven van de verschillende grenswaardes voor maximaal zoutgehalte in figuur 1.2 [van Baaren en Harezlak, 2011]. Hieruit blijkt dat met name sierteelt en glastuinbouw erg gevoelig zijn voor een te hoog zoutgehalte. Ook fruitbomen, bloembollen en aardappelen zijn relatief gevoelig. Gras en granen verdragen beter de hogere zoutgehaltes in het grondwater.

Figuur 1.2

Zoutgehalte grondwater en schade aan gewassen

8

1.3 De Zeeuwse verzilting: klimaat In Zeeland vinden we een relatief hoge waarde voor het neerslagtekort. Op onderstaande kaart van Nederland is duidelijk te zien dat in deze provincie extreme droogtes eerder en vaker te verwachten zijn dan in andere delen van Nederland (figuur 1.3). Dit is een gevolg van de maximale zoninstraling en temperatuur (circa 0,5 graden hoger) in zuidwest Nederland, in combinatie met de relatief lage hoeveelheid neerslag. Daarnaast wordt in Vlissingen een meer dan gemiddeld aantal zonuren gemeten, zo'n 100 uur per jaar meer dan in de rest van Nederland.

Figuur 1.3

Links het potentiële neerslagtekort (zomermaanden), rechts het neerslagoverschot (wintermaanden) (Bron: KNMI)

1.4 De Zeeuwse verzilting: geohydrologie Naast bovengenoemde klimatologische factoren speelt ook de hydrogeologische opbouw van Zeeland een grote rol in het vergrote risico op verzilting in deze regio. In het Pleistoceen werd een dik pakket eolisch zand van de toendra vlaktes in het huidige Zeeland afgezet. Dit landschap onderging langzaam een verandering naar een getijde gebied, waarbij de opkomende zee een landschap vormde van zoute slikken en schorren. Hierbij werden venen en zeeklei lagen gevormd welke met het zoute water waren verzadigd aan zout. Dit proces liep door tot ongeveer 5.000 jaar geleden. Na een zeespiegeldaling en antropogene invloed zijn de huidige eilanden ontstaan met een nieuwe veenlaag en “zoete” klei (Oude Essink, 2009). Door de langdurige invloed van de zee is het oude grondwater, dat zich in het Pleistocene zand bevindt, brak tot zeer zout geworden. Dit is het water dat nu omhoog kwelt en de freatische zoetwaterlens “vervuilt”. Een goede indicatie van deze kwel is weergegeven in figuur 1.4, die de zoutflux naar het oppervlak aangeeft.

9

Figuur 1.4

Links: Hoeveelheid zout die door kwel naar het oppervlak wordt getransporteerd en veelal in het freatische grondwater terechtkomt. Rechts: Diepte tot het zoet-zout grensvlak.

Op de kaart is duidelijk te herkennen dat Zeeland, maar ook de overige kustprovincies een relatief hoog transport van zouten naar het oppervlak kent. Dit is nog duidelijker te zien in de diepte waarop zich het zoutoppervlak bevindt. Deze is in de provincie Zeeland uitzonderlijk ondiep. Vooral de polders van Schouwen, Duivenland, Tholen en Walcheren springen er uit [Oude Essink, 2009]. Duidelijk zichtbaar in een meer gedetailleerde weergave (figuur 1.5) zijn tevens de zoetwaterruggen van de oude kreken. Hier heeft een inversie van het landschap plaatsgevonden. Waar vroeger geulen liepen, heeft zich zanderige materie opgehoopt. Deze materie klinkt bijna niet in, terwijl de omliggende klei- en veenpakketten juist snel inklinken.

De ontstane zandlenzen vormen relatief hoge ruggen in het landschap, waar water zich in ophoopt. Dit is een langdurig natuurlijk proces geweest.

Figuur 1.5

Diepte tot het zoet-zout grensvlak in Zeeland

10

1.5 De Zeeuwse verzilting: oppervlakte water Naast het grondwater is tevens het oppervlakte water in Zeeland in de meeste gevallen brak tot zout. De Noordzee heeft voor de kust een gemiddeld zoutgehalte van 17.000 à 18.000 mg/L. Hoewel de grote zee-armen vroeger allemaal estuaria waren en dus een gradiënt in het zoutgehalte vertoonden is dit natuurlijke verloop vandaag de dag alleen nog in de Westerschelde zichtbaar. Hierin fluctueert het zoutgehalte van circa 13.000 mg/L bij de monding tot 8.000 mg/L halverwege en 1.300 mg/L nabij de Belgische grens. Tot halverwege de Westerschelde is nog de typisch getijdegolf te zien in de metingen van het zoutgehalte, waardoor deze ook in tijd sterk variëren. De overige Zeeuwse zee-armen zijn geheel zout; de Oosterschelde heeft een zoutgehalte van circa 17.000 mg/L, terwijl de Grevelingen en het Veerse Meer iets minder zout zijn met waardes rond de 15.000 à 17.000 mg/L. Het Hollands Diep ten noorden van het Zuid Hollandse eiland Goeree-Overflakkee, dat dezelfde verziltingproblematiek kent, is overigens wel zoet.

Ook op het land geldt dat de meeste wateren tot de klasse brak of zout behoren (figuur 1.6).

Wederom zijn de gebieden Schouwen-Duivenland, Tholen en delen van Walcheren en Noord en Zuid Beveland het sterkst verzilt. Het gaat hier veelal om oude polders. Zeeuws Vlaanderen wordt door een bekkensysteem vanuit België gevoed, waardoor hier de verzilting in eerste instantie lijkt mee te vallen. Echter, in de lage delen is het ook hier duidelijk dat zout water aan het oppervlak komt.

Figuur 1.6

Zoutgehalte in oppervlakte water in november 2002 (Oude Essink, 2009).

11

1.6 De Zeeuwse verzilting: conclusie Zeeland kampt met de effecten van verzilting. Er is sprake van zout freatisch grondwater, dat gewassen gebruiken voor wateronttrekking. Dit water wordt gevoed door een veelal nog zouter diep watervoerend pakket. Vanwege geologische processen, die door antropogene invloeden versneld worden, zien we een groter risico op ernstige verzilting ontstaan, daar het zoute grondwater uit diepere delen sneller kwelt door ons intensieve gebruik van land en water. De land- en tuinbouw voelen deze effecten met hun grote (seizoensgebonden) watervraag als eerste en dienen zich zo goed en snel mogelijk voor te bereiden. De eeuwigdurende strijd van de mens met zijn natuurlijke omgeving vereist ook in het geval van verzilting nieuwe adaptieve technieken om de problematiek in een tijdig stadium aan te pakken.

12

2

Ontziltingstechniek Reverse Osmosis

2.1 Ontziltingstechnieken 2.1.1 Beschikbare technologieën De markt kent diverse technologieën die gebruikt worden voor de ontzilting van water. De belangrijkste technologieën zijn onder te verdelen in twee hoofdgroepen: 1) destillatietechnieken. Dit is de van oudsher meest gebruikte techniek voor de ontzilting van water. Er wordt gebruik gemaakt van meerfasen verwarming van het water, waarbij telkens een deel van het water verdampt en daarna weer condenseert, ontdaan van het zout. Op dit moment wordt, afgemeten naar totaal geproduceerd volume, de meerderheid van waterontzilting nog met behulp van destillatietechnieken (Multi-Stage Flash, Vapor Compression, Multiple Effect) uitgevoerd (figuur 2.1).

2) Membraantechnologie. Deze technologie is jonger dan de destillatietechnieken en is de laatste jaren sterk in opmars. Er wordt gebruik gemaakt van membranen die zoutdeeltjes kunnen tegenhouden, terwijl ze het zoete water doorlaten. Voorbeelden van membraantechnologieën zijn nanofiltratie en reverse osmosis. Het wereldwijde marktaandeel van reverse osmosis is op dit moment ongeveer 44% afgemeten naar totaal geproduceerd volume (figuur 2.1) en van de nieuwgebouwde installaties is het aandeel van reverse osmosis zo'n 59%.

Figuur 2.1

Marktaandeel van de verschillende waterontziltingstechnieken [Pumps & Systems, 2009]

13

2.1.2 Reverse Osmosis Reverse osmosis (RO) is het omgekeerde van osmose. Bij osmose worden zout water en zoet water bij elkaar gevoegd. Bij dit proces komt energie vrij en blijft een restproduct van brak water over. Bij reverse osmosis wordt brak of zout water aan ĂŠĂŠn kant van een membraan onder hoge druk gebracht. Door het grote drukverschil met de andere kant van het membraan stroomt het water door het membraan en blijven zoutionen en andere deeltjes aan de ene kant van het membraan achter. Aan de andere kant van het membraan komt alleen gezuiverd water terecht (figuur 2.2). Het proces functioneert onder hoge druk (10 tot 80 bar, zie paragraaf 2.2), aangezien de natuurlijke neiging van het water om te mengen onder invloed van osmotische druk, overwonnen moet worden.

Figuur 2.2

Schematische weergave werking Reverse Osmosis

De vereiste hoge druk maakt RO een energie-intensief proces, waarbij de energiekosten meer dan 50% van de totale kosten over de levensduur van het systeem uitmaken. De energie-efficiĂŤntie heeft de laatste decennia een sterke ontwikkeling doorgemaakt door verbeterde technieken in de energieterugwinning uit restwaterstromen. Waar de energieconsumptie van zeewater RO in de jaren 80 zo'n 7 kWh/m3 betrof, is deze in moderne systemen teruggebracht tot onder de 4 kWh/m3. Voorbeelden van energieterugwinningstechnieken zijn druk-uitwisselaars, pelton turbines en hydraulische motors [Fritzmann et al., 2007]. Voor kleinschalige RO-systemen bieden hydraulische motors het grootste potentieel voor energieterugwinning.

Ontwikkelingen in de gebruikte materialen en structuur van de membranen hebben geleid tot verbeterde prestaties. Waar in de jaren 80 99.4% van het zout tegengehouden werd door het membraan, is dat tegenwoordig 99.7%. Ook de hoeveelheid water die een membraan per dag kan verwerken is met zo'n 50% toegenomen [Fritzmann et al., 2007].

14

2.2 Waterkwaliteit 2.2.1 Voorbehandeling aanvoerwater Om verstopping van het RO-membraan te voorkomen is een voorbehandeling noodzakelijk.

Door de voorbehandeling wordt het neerslaan van grote opgeloste deeltjes voorkomen, en worden deeltjes in suspensie en biologisch materiaal uit het aanvoerwater gefilterd.

De processen die kunnen leiden tot verstopping zijn scaling en fouling [Fritzmann et al., 2007, MWH, 2005].

Bij scaling wordt de concentratie van bepaalde opgeloste deeltjes, zoals kalk, calciumsulfaat en bariumsulfaat, aan de aanvoerzijde van het membraan te hoog, waardoor deeltjes neerslaan en het watertransport blokkeren. Scaling kan worden tegengegaan door de membranen regelmatig (dagelijks) te spoelen met een zure oplossing of door een antiscalant, een neerslagvertragende stof, toe te voegen aan het invoerwater. Verhoging van de doorloopsnelheid kan ook helpen om scaling te voorkomen, maar vraagt wel meer energie van het systeem.

Fouling van het membraan wordt veroorzaakt door opeenhoping van materiaal in suspensie of door het aangroeien van biologisch materiaal (biofouling). Voorfiltratie van het aanvoerwater door middel van ultrafiltratie is een veel toegepaste techniek om het schadelijke materiaal dat kan leiden tot fouling te weren uit het RO-membraan. Naast de ultrafiltratie is dagelijkse chemische reiniging nodig om biofouling te voorkomen.

2.2.2 Zoutgehalte en osmotische druk Zoals beschreven in paragraaf 2.1.2 dient de osmotische druk overwonnen te worden om zoet water door het RO-membraan te laten stromen. De druk aan ĂŠĂŠn kant van het membraan moet daarom worden opgevoerd. De hoogte van de benodigde druk is afhankelijk van het zoutgehalte van het te zuiveren water aan de aanvoerzijde en de vereiste ratio van gefiltreerd zoet water ten opzichte van het aanvoerwater (recovery ratio). In figuur 2.3 is een globaal overzicht gegeven van de te verwachten ratio als functie van druk voor verschillende soorten aanvoerwater. Uiteraard is de benodigde druk ook afhankelijk van de vereiste concentratie van het geproduceerde zoete water. Hoe hoger de kwaliteitseisen, hoe fijner het membraan en hoe hoger de benodigde druk.

2.2.3 Waterkwaliteit en conservering De waterkwaliteit van het productiewater is afhankelijk van het membraan. Moderne membranen kunnen productiewater met een chloridegehalte onder de 20 mg/liter bereiken [Ben Gal, 2009]. Vanwege de zeer lage hoeveelheid opgeloste mineralen in het productiewater, is het water niet direct geschikt voor drinkwatergebruik of beregening. Het water is om dezelfde reden ook zeer corrosief en dient verhard te worden om de kwaliteit van de buizen en opslagtanks te waarborgen. Hiervoor kan een oplossing van calcium en koolstofdioxide gebruikt worden. In bepaalde gevallen is de concentratie borium in het 15

productiewater nog te hoog. Een oplossing hiervoor kan zijn om het productiewater na te behandelen met een membraan voor borium ionenuitwisseling.

Zoet water winningsratio 1 0,9 0,8

Winnigsratio

0,7 0,6

Brak (2 g/l chloride)

0,5

Brak (10 g/l chloride)

0,4

Zeew ater (19 g/l chloride)

0,3 0,2 0,1 0 0

10

20

30

40

50

60

70

Druk (bar)

Figuur 2.3

Winningsratio zoet water ten opzichte van aanvoerwater als functie van druk voor verschillende zoutgehaltes (licht brak, brak en zeewater)

2.3 Toepassing Reverse Osmosis 2.3.1 Toepassing internationaal Reverse osmosis wordt wereldwijd op grote schaal commercieel toegepast. De meest grootschalige RO installaties voor drinkwaterproductie zijn te vinden in het Midden-Oosten (Saudi-Arabië, Israël), Zuid Europa (o.a. Barcelona) en de Verenigde Staten.

In landen als de Verenigde Staten, Spanje en Israël wordt gebruik gemaakt van RO in de landbouw om brak grondwater of oppervlaktewater te zuiveren. Opbrengsten van landbouw gaan hard achteruit wanneer de zoutconcentratie maar licht toeneemt. Bovendien kan irrigatie met verzilt water resulteren in opbouw van zoutconcentratie in de ondergrond, wat verdere achteruitgang van landbouwopbrengsten tot gevolg heeft. RO-water met toevoeging van nutriënten als Ca en Mg biedt in dit geval een goede oplossing [Yermiyahu et al., 2007].

16

2.3.2 Toepassing nationaal Ook in Nederland verschijnt de reverse osmosis in verschillende sectoren op de markt.

Watermaatschappijen als Evides, Brabant Water en Oasen gebruiken reverse osmosis op experimentele schaal voor drinkwaterproductie (Bijlage D2: Gesprek Evides)..

Gespecialiseerde reverse osmosis bedrijven richten zich met name op lokale toepassingen, zoals de glastuinbouw, waar de kwaliteitseisen aan het water hoog zijn. Resultaten wijzen uit dat het gebruik van RO gezuiverd water beter geschikt is voor de land- en tuinbouw dan leidingwater, aangezien dat laatste in veel gevallen nog steeds schadelijke concentraties chloor bevat.

Naast de glastuinbouw vormen ook diverse industriĂŤle sectoren een afzetmarkt voor ROgezuiverd water. Voorbeelden hiervan zijn betonfabrikanten, brouwerijen, toepassingen met zuurbaden en algenkwekers. Ook zwembaden en Carwash installaties behoren tot de gebruikers van RO dat zich in deze gevallen toespitst op recycling van het water (Bijlage D4: Gesprek waterontziltingsbedrijf).

17

3:

Windenergie

Windenergie is op dit moment één van de meest kosteneffectieve bronnen van duurzame energie en heeft de laagste milieu-impact van alle energievormen. In dit hoofdstuk wordt ingegaan op de wijze waarop windenergie gewonnen wordt en welke rol de verschillende componenten van een windturbine hierin spelen.

3.1

Energie in de wind

Windenergie kan worden gezien als kinetische energie van lucht. De lucht heeft massa (dichtheid) en verplaatst zich met een bepaalde snelheid en heeft een daaraan gerelateerde hoeveelheid kinetische energie. Deze energie dient te worden opgevangen en omgezet in een andere energievorm om hem te kunnen benutten.

3.1.1 Rotoroppervlak Bij een windturbine wordt de translerende beweging van de wind omgezet in een roterende beweging van de rotor. Het is fysisch bepaald dat het theoretisch maximale percentage energie uit wind dat omgezet kan worden in rotatie-energie 59 % bedraagt. Dit wordt ook de Betz-limiet genoemd. Hoe beter de rotatiesnelheid afgestemd wordt op de windsnelheid, hoe dichter de Betz-limiet benaderd kan worden. De moderne windturbines kunnen een efficiëntie van zo'n 50% in de omzetting van wind in rotatie-energie bereiken. De efficiëntie van de overige componenten, zoals de tandwielkast en elektrische omzetting, zijn hierbij nog niet meegenomen.

De absolute hoeveelheid energie die gewonnen kan worden uit wind is lineair afhankelijk van het oppervlak van de rotor. Een twee maal zo groot rotoroppervlak geeft twee maal zoveel energie. Dit is één reden waarom windturbines zo groot mogelijk worden gebouwd.

Energie ~ Rotoroppervlak 3.1.2 Windsnelheid Een andere, zo niet nog belangrijkere reden waarom de grootte van windturbines zo van belang is, heeft te maken met de hoogte. Naast het rotoroppervlak is ook de windsnelheid bepalend voor de hoeveelheid energie die een windturbine produceert. De energieproductie neemt zelfs toe met de derde macht van de windsnelheid.

Energie ~ Windsnelheid

3

18

Aangezien de windsnelheid in de eerste honderden meters van de atmosfeer toeneemt met de hoogte (figuur 3.1), is de hoogte van de windturbine van groot belang voor de energieproductie.

Figuur 3.1

Toename windsnelheid met hoogte

3.1.3 Energieopbrengst Aangezien het niet altijd even hard waait, is de energieopbrengst van een windturbine variabel. Zo is er de korte termijn variatie, alsook de seizoensgebonden variatie: in de winter waait het gemiddeld harder dan in de zomer. De korte termijn variatie kan in kaart worden gebracht door regelmatig (elke minuut) de windsnelheid te meten. Omdat deze gegevens niet voor iedere locatie aanwezig zijn, is een veelgebruikte methode om het verloop van de windsnelheid te schatten gebaseerd op de Weibull-verdeling. De Weibull-verdeling (figuur 2.2) gaat uit van een vaste verdeling in windaanbod rond een gemiddelde snelheid.

Figuur 3.2

Typische Weibull verdeling van windsnelheden

19

Voor de seizoensgebonden variatie kunnen lokale meetgegevens over de gemiddelde windsnelheid per maand worden gebruikt. Op basis van gemiddelde windsnelheden per maand kan zo voor elke maand afzonderlijk een Weibull verdeling opgesteld worden.

3.2

Windturbinerotor

De windturbinerotor is de schakel tussen wind en energieomzetting. De aerodynamica van de windturbinewieken speelt hierbij een cruciale rol. De laatste decennia heeft de technologie op dit gebied een enorme ontwikkeling doorgemaakt, waaruit het 3-wieksmodel met horizontale as als meest efficiĂŤnt naar voren is gekomen. Hedendaagse ontwikkelingen richten zich met name op optimalisatie van de wiekvorm, minimalisatie van eigentrillingen en optimalisatie van de rotatiesnelheid.

3.2.1 Constante of variabele snelheid Voor de rotors van moderne windturbines kunnen twee typen worden onderscheiden.

1. De constante-snelheid-rotor. Dit model draait met constante snelheid rond, ongeacht de windsnelheid. Dit type domineerde tot in de jaren 90 de markt en heeft als voordeel dat het gebruik maakt van eenvoudige techniek met weinig bewegende onderdelen, wat het onderhoudsvriendelijk maakt. De constante snelheid rotor heeft als nadeel dat bij lagere windsnelheden niet optimaal gebruik gemaakt wordt van de energie in de wind.

2. De variabele-snelheid-rotor. Dit type heeft een rotatiesnelheid die proportioneel toeneemt met de windsnelheid. Hierdoor maakt deze rotor ook bij lagere windsnelheden optimaal gebruik van de windenergie, wat de efficiĂŤntie ten goede komt. Nadeel is de complexere technologie die vereist is om het aandrijfkoppel te controleren. De hedendaagse windturbines zijn voor het grootste gedeelte variabelesnelheid windturbines.

3.2.2 Controlesysteem De windturbinerotor wordt gecontroleerd door een elektrisch controle systeem. Grotere variabele-snelheid-windturbines maken doorgaans gebruik van bladhoekverstelling.

Bladhoekverstelling betekent het roteren van de rotorbladen om de eigen as om zodoende de verhouding en richting van de werkzame krachten en daarmee de rotatiesnelheid te bepalen. Het geleverde aandrijfkoppel van de rotor dient afgestemd te worden om zo het benodigde bladhoekverstelling te realiseren voor een efficiĂŤnte energieopwekking. Naast de bladhoekverstelling wordt ook het kruien, het meedraaien van de rotorkop met de wind, actief gecontroleerd. Dit gebeurt door middel van registratie van windvaangegevens. De derde functie van het controlesysteem is om de rotor stop te zetten bij te een te hoge windsnelheid (cut-out windsnelheid), om beschadiging te voorkomen.

20

3.3

Energie-overdracht

Om de rotatie-energie in de rotor om te zetten in bruikbare energie is energie-overdracht nodig. Bij de traditionele windmolen werd de roterende beweging via een roterende verticale as overgebracht naar de basis van de molen, waar de rotatie gebruikt werd voor bijvoorbeeld het malen van koren of verpompen van water (bemaling). In de hedendaagse windturbine wordt de rotatie omgezet in elektriciteit via een generator.

3.3.1 Generator Om de rotatie-energie in de rotor om te zetten in elektriciteit wordt bij de moderne windturbines gebruik gemaakt van een elektrische generator in de top van de turbine.

Windturbines maken gebruik van verschillende typen generators [Polinder et al., 2006], die basaal onder te verdelen zijn in: 1. Generators die via een tandwielkast verbonden zijn met de windturbinerotor. De zogenaamde doubly-fed induction generators.

2. Generators die direct verbonden zijn met de windturbinerotor, de zogenaamde direct-drive generators.

De verschillende modellen hebben elk hun voor- en nadelen. De voordelen van de generators uit de eerste groep zijn dat de kosten van dit model beperkt zijn en minder zeldzame elementen bevat. Het nadeel is dat de tandwielkast bij een storing langdurig onderhoud vergt. De generators uit groep 2 hebben als voordeel dat de tandwielkast ontbreekt. Nadeel van deze generators is echter dat ze duur en zwaar zijn.

3.3.2 Hydraulische windturbine Een recente ontwikkeling in de windturbine technologie vormt de hydraulische windturbine.

Het concept is gebaseerd op een directe koppeling van de windturbinerotor met een hogedrukpomp, al dan niet via een tandwielkast. De energie wordt door middel van hogedrukpijpleidingen naar de basis van de turbine getransporteerd en wordt daar gebruikt om een generator aan te drijven. Hierdoor hoeft de generator niet meer in de top van de turbine geplaatst te worden, zodat de onderhoudskosten lager liggen en, in geval van een windmolenpark, de elektriciteitsproductie gecentraliseerd kan worden. Het Noorse bedrijf ChapDrive速 heeft een prototype van een hydraulische windturbine gebouwd (figuur 3.3) en is bezig met opschaling naar groter vermogen.

21

Figuur 3.3

ChapDrive 225 kW hydraulic wind turbine

Ook de TU Delft ontwikkelt een hydraulische windturbine, de Delft Offshore Turbine (DOT), speciaal gericht op de offshore windenergiemarkt (figuur 3.4). Minimalisering van onderhoud speelt vanwege de vaak moeilijke omstandigheden voor de offshore industrie namelijk een grotere rol dan voor de onshore windinstallaties. Een gecentraliseerde elektriciteitsopwekking biedt voor de offshore industrie eveneens een aanzienlijke verbetering in de bereikbaarheid van de installatie.

Naast de voordelen voor onderhoud, wordt de hydraulische windturbine geacht een kostenreductie in de investering van zo'n 20% ten opzichte van conventionele windturbines te kunnen realiseren [Thomson and Chang, 2011].

Zowel ChapDrive als DOT maken gebruik van olie als hydraulische vloeistof in een gesloten circuit tussen de pomp in de top en de motor aan de basis van de windturbine. De DOT windturbine maakt daarnaast gebruik van een open circuit met zeewater als hydraulische vloeistof om de energie naar het generator platform te transporteren.

22

Figuur 3.4

Schematische weergave van Delft Offshore Turbine (DOT) [Jarquin Laguna, 2010]

23

4:

Wind4Water systeem

Het innovatieve karakter van het Wind4Water-systeem bestaat uit de directe koppeling van de hydraulische windturbine met de reverse osmosis ontziltingstechniek. Hierdoor wordt efficiĂŤnter gebruik gemaakt van de windenergie en worden kosten gereduceerd. Een ander belangrijk aspect is de mogelijkheid van het systeem om volledig autonoom, onafhankelijk van het elektriciteitsnetwerk, te functioneren. In dit hoofdstuk wordt de werking van het systeem gepresenteerd.

4.1

Principe Wind4Water-systeem

4.1.1 Systeemoverzicht Het Wind4Water-systeemontwerp bestaat uit een hydraulische windturbine die direct gekoppeld is aan een reverse osmosis-systeem. Anders dan bij de DOT hydraulische windturbine beschreven in paragraaf 3.3, zal de hydraulische vloeistof geen olie maar zout water zijn, aangezien het een open systeem betreft en het zoute water direct naar het ROsysteem wordt geleid. Figuur 4.1 geeft het overzicht van het systeem met alle componenten.

Het water wordt middels een elektrisch aangedreven lagedruk pomp via een keramisch voorfilter omhoog gepompt naar de top van de windturbine, als aanvoerwater voor de hogedruk pomp. De hogedruk pomp wordt via een tandwielkast door de rotor aangedreven en brengt het water onder een voor RO geschikte hoge druk (boven de 60 bar voor zeewater). Temperatuur en druksensoren controleren het functioneren van het systeem. Het zoute water wordt direct door de RO-membranen geleid. Een deel van het water (bij zeewater rond de 50%) wordt door de membranen geleid en beland gezuiverd in een bassin.

Het resterende water zal extra geconcentreerd het membraan verlaten. Deze restwaterstroom staat nog altijd onder de hoge druk, aangezien het drukverval voor dit water in het RO-proces slechts enkele bars betreft. Deze hogedrukwaterstroom wordt gebruikt om een hydraulische motor aan te drijven die vervolgens via een generator elektrische stroom genereert die gebruikt wordt om een accu op te laden. Stroom uit de accu wordt gebruikt voor het aandrijven van de lagedrukpomp en voor de controlesystemen in de windturbine.

24

Figuur 4.1

Schematisch overzicht van Wind4Water-systeem

4.1.2 Windturbinerotor en controlesysteem Voor het W4W-systeem is gekozen voor een variabele-snelheid-windturbine, aangezien hiermee optimaal gebruik gemaakt wordt van de waterverplaatsing door de pomp bij variĂŤrende rotatiesnelheid. De rotatiesnelheid van de pomp wordt immers bepaald door de rotatiesnelheid van de windturbine, omdat deze via de tandwielkast aan elkaar gekoppeld zijn.

De windturbinerotor van het W4W-systeem wordt gecontroleerd door een elektrisch controlesysteem dat werkt op een accu. De controle zal bestaan uit een bladhoekverstelling die afhankelijk is van het aandrijfkoppel. Het geleverde aandrijfkoppel van de rotor dient overeen te komen met het vereiste koppel van de pomp bij een specifieke rotatiesnelheid.

Naast de bladhoekverstelling wordt ook het kruien actief gecontroleerd door registratie van windvaangegevens. De cut-out windsnelheid voor het W4W-systeem zal liggen op 25 m/s, zoals bij de meeste windturbines .

25

4.1.3 Hogedruk pomp Als hogedruk pomp voor het W4W-systeem wordt gekozen voor een axiale zuigerpomp die geschikt is voor het verpompen van hoog corrosieve vloeistoffen, zoals zeewater. Axiale zuigerpompen hebben als voordeel dat ze, voor kleine tot middelgrote schaal toepassingen, energie-efficiĂŤnter zijn dan centrifugaalpompen. Een ander voordeel is dat ze een constante druk leveren en een debiet leveren dat lineair toeneemt met de rotatiesnelheid en het vermogen (Bijlage A1). Limiterend bij axiale zuigerpompen is dat er een maximale grootte is waarbij ze optimaal presteren. De benodigde druk voor het RO-proces bij zeewater ligt tussen de 50 en 80 bar. Voor drukken in dit bereik is het grootst beschikbare model op dit moment een pomp van Danfoss met een vermogen van 80 kW (figuur 4.2).

Figuur 4.2

80 bar Axiale zuigerpomp voor zeewater Danfoss [Danfoss, 2011]

4.1.4 Energie uit concentraat De geconcentreerde zoutwaterstroom (het concentraat) die, naast het gezuiverde productwater, voortkomt uit het RO-proces staat nog onder hoge druk. De hoeveelheid energie in het concentraat hangt af van de product-concentraat ratio. Uitgaande van een ratio van 55%, is de energie in het concentraat nog zo'n 40% van de totale energie. Het W4W-systeem zal worden uitgerust met een kleine elektromotor die de energie opslaat in een accu. Met deze elektriciteit wordt de aanvoerpomp aangedreven middels een controlesysteem dat reageert op de activiteit van de windturbinerotor. De aanvoerpomp moet ervoor zorgen dat water onder constante druk wordt aangeleverd aan de hogedrukpomp. De benodigde drukopbouw door de aanvoerpomp is afhankelijk van de ashoogte van de windturbine. Voor een ashoogte van 40 m is het drukverval 4 bar. Aangezien de hogedrukpomp aanvoerwater onder een druk van 5-10 bar vraagt, ligt de vereiste druk van de lagedrukpomp tussen de 9-14 bar.

4.1.5 Waterproductie bij lage windsnelheid Om waterproductie al bij lage windsnelheden op gang te laten komen is gekozen om een windturbinerotor te gebruiken met een groter nominaal vermogen dan het maximale pompvermogen. Hierdoor wordt al bij lage windsnelheden voldoende vermogen gegenereerd om de pomp te laten produceren. Bij gebruik van de grootste pomp (80 kW) is 26

berekend dat er, gebruikmakend van een 150 kW windturbinerotor, al bij een windsnelheid van 4 m/s productie plaatsvindt (Bijlage C: Matlabcode Water en elektriciteitsproductie). Het maximale pompvermogen van 80 kW wordt in dit geval bereikt bij 10 m/s windsnelheid. De nominale windsnelheid komt hiermee op 10 m/s in plaats van de originele 13 m/s. Bij hogere windsnelheden zal het vermogen van de windturbine door middel van pitching constant op 80 kW gehouden worden. Een voorbeeld van een productiecurve is gegeven in figuur 4.3.

Figuur 4.3

Waterproductie en rotatiesnelheid als functie van windsnelheid voor 80 kW pomp aangedreven door windturbine met nominaal vermogen van 150 kW.

Nadelig effect van de keuze voor een lager maximaal pompvermogen is het verlies van vermogen bij hogere windsnelheden, zoals verder beschreven in paragraaf 4.2.

4.1.6 Autonome werking EĂŠn van de belangrijkste eigenschappen van het W4W-systeem is de mogelijkheid om compleet autonoom schoon water te produceren. Er bestaat geen afhankelijkheid van het elektriciteitsnetwerk en fossiele brandstoffen meer. Behalve kostenbesparing op lange termijn levert dit ook vrijheid, zekerheid en autonomie op voor de gebruiker.

4.2

Vergelijking met elektrisch systeem

4.2.1 Energie-efficiĂŤntie Om de efficiĂŤntie van het direct gekoppelde Wind4Watersysteem in perspectief te plaatsen, is een vergelijking gemaakt met een elektrisch systeem waarbij een elektrische windturbine gebruikt wordt om energie te leveren aan het elektriciteitsnetwerk en vervolgens energie aan het netwerk wordt onttrokken om een elektrisch RO systeem aan te drijven. In tabel 4.1 27

zijn de efficiëntiewaardes van de verschillende onderdelen van beide systemen weergegeven. Energieopbrengst door terugwinning uit het concentraatwater is niet meegenomen in de vergelijking, aangezien hierin voor beide gevallen dezelfde mogelijkheden zijn. Uit de berekening volgt een geschatte energie efficiëntiewinst van het W4W-systeem van ongeveer 10% ten opzichte van een elektrisch systeem.

Efficiëntie W4W-systeem Zoals benoemd in het vorige hoofdstuk maakt het Wind4Watersysteem gebruik van een pompvermogen dat lager ligt dan het nominale vermogen van de windturbine. Hiervoor is gekozen opdat bij lagere windsnelheden al voldoende vermogen geleverd wordt om de pomp te laten werken. Dit komt de continuïteit van de waterproductie ten goede. Negatief bijeffect hiervan is dat een deel van het potentiële vermogen bij hoge windsnelheden niet benut wordt, omdat de pomp al op maximaal vermogen functioneert. Figuur 4.4 geeft dit effect weer voor verschillende gemiddelde windsnelheden.

Figuur 4.4

Energieproductie van 150 kW rotor gekoppeld aan een 80 kW generator (blauw) of een 150 kW generator (groen) voor windsnelheden van 4,5 m/s (links) en 5,5 m/s (rechts)

Aan figuur 4.4 is te zien dat het vermogensverlies groter is bij hogere gemiddelde windsnelheid. Bij gemiddelde windsnelheden van 4 m/s of lager levert de 80 kW generator zelfs meer vermogen dan de 150 kW generator, vanwege de lagere cut-in windsnelheid. Voor een gemiddelde windsnelheid van 5 m/s is de benuttingfactor van het totale potentiële vermogen met de 80 kW pomp berekend op 90 %.

Naast dit energieverlies is er ook energieverlies dat gepaard gaat met wrijving bij hydraulisch transport in de turbine. De efficiëntie voor dit deel van het hydraulisch transport, uitgaande van een maximum druk van 80 bar, is op basis van een hydraulische calculatie berekend op 98% (Bijlage A2). Hierbij moet aangetekend worden dat het verlies tijdens het transport sterk verminderd bij een grotere diameter van de pijpleiding. De diameter dient wel binnen bepaalde marges te blijven om turbulentie in het water te beperken, wat met de gebruikte diameter van 7,5 cm haar intrede doet.

28

Efficiëntie elektrisch windturbine-RO-systeem De omzettingsstap naar elektriciteit via de generator gaat gepaard met energieverlies. De maximale efficiëntie van de hedendaagse generators is ongeveer 96% bij nominale windsnelheid. De efficiëntie van de generator is echter een functie van het gegenereerde vermogen door de rotor en daarmee van de windsnelheid. Bij lagere windsnelheid ligt de efficiëntie aanmerkelijk lager. Gemiddeld over alle windsnelheden zal de efficiëntie van de generator uitkomen rond de 95% [Polinder et al., 2006]. De efficiëntie van de elektromotor die zorgt voor aandrijving van de pomp van het elektrische RO-systeem is net als de generator aangenomen op 95%. De transformator die nodig is om de door de windturbine geproduceerde elektriciteit geschikt te maken voor levering aan het elektriciteitsnetwerk, zorgt eveneens voor energieverlies. Daarnaast gaat er door weerstand tijdens het transport in de elektriciteitskabels en bij de uiteindelijke omvorming voor consumptie, energie verloren. De efficiëntie van deze processen samen wordt geschat op 90% [US Energy Information Administration, 2011].

Uit de gegevens in de tabel kan de relatieve efficiëntie van het W4W-systeem ten opzichte van een elektrisch systeem bepaald worden: ReffW4W = ηW4W / ηELEK * 100% = 0.88 / 0.81 *100 = 109% De efficiëntiewinst van het W4W-systeem komt daarmee uit op 9% ten opzichte van het elektrische systeem.

Een bijkomend effect van energie-efficiëntie dat niet meegenomen is in de berekening van tabel 4.1 heeft te maken met de capaciteitswaarde van de windenergie geleverd aan het elektriciteitsnetwerk. Om de onvoorspelbare aard van de elektriciteit uit een windturbine in het netwerk op te vangen, is overproductie van andere energiebronnen nodig. De benodigde overproductie is een functie van het totale aandeel van windenergie in het netwerk. Hoe hoger het aandeel windenergie, hoe hoger de benodigde overproductie. De overproductie kan uitgedrukt worden in een capaciteitswaarde van windenergie in het netwerk [Strbac et al., 2007]. In de praktijk zal de energie-efficiëntie van de elektrische windturbine dus lager uitvallen dan is berekend in tabel 4.1.

Tabel 4.1

Efficienties per systeemonderdeel

Factor

W4W-systeem

Referentiecase (elektrisch)

Benuttingsfactor rotorvermogen door lager pompvermogen

0.90

-

Efficientie hydraulisch transport in turbinemast

0.98

-

Efficientie generator

-

0.95

Efficientie elektromotor

-

0.95

Efficientie frequentieconversie en elektriciteitstransport

-

0.90

Totale efficientie

0.88

0.81

29

4.2.2 Onderhoud De elektrische componenten in een windturbine, het elektrisch systeem (transformator/bedrading), de converter en de generator zijn onderhoudsgevoelig (figuur 4.5) en zorgen gezamenlijk voor 0.7 storingen per jaar. Het ontbreken van deze componenten in het W4W-systeem resulteert daarom in een vermindering van onderhoudswerkzaamheden.

Een belangrijk niet-elektrisch onderhoudsgevoelig onderdeel in een windturbine is de tandwielkast (gearbox). Bijkomend nadeel hierbij is dat de onderhoudstijd hiervoor vaak ook nog eens lang duurt. De tandwielkast is ook aanwezig in het W4W-systeem, dus hierin bestaat geen verschil met een elektrische windturbine.

De hogedruk pomp voor Reverse Osmosis vergt eveneens regelmatig (jaarlijks) onderhoud.

Het verschil tussen het W4W-systeem en het elektrische systeem is dat de pomp bij het W4W-systeem in de top van de turbine zit, wat het onderhoud iets duurder maakt. Over het geheel genomen wordt op het onderhoud van de W4W-windturbine een investeringsevenredige besparing verwacht ten opzichte van een elektrische windturbine.

Figuur 4.5

4.3

Aantal storingen per jaar per windturbine-systeemonderdeel gebaseerd op verschillende windturbinepopulaties in Denemarken (WS DK) en Duitsland (WS D en LWK D) [Spinato et al., 2009]

Hybride W4W-systeem

Omdat in de Nederlandse situatie de watervraag voor irrigatiedoeleinden in de zomer groter is dan in de winter, is ook een hybride W4W-systeem uitgewerkt. Het hybride systeem is uitgerust om in de zomer de hogedrukpomp aan te drijven voor waterproductie, terwijl in de 30

winter een generator wordt aangedreven voor elektriciteitsproductie. In de winter wordt op deze manier voldaan aan de grotere elektriciteitsvraag voor bijvoorbeeld verlichting. Met het hybride systeem wordt de levering zodoende optimaal afgestemd op de vraag.

4.3.1 Technische achtergrond Het hybride systeem is gebaseerd op het bestaande type windturbine dat gebruik maakt van twee elektrische generators. Dit systeem bevat één kleine generator, waarvoor de windturbinerotor al bij lage windsnelheden genoeg aandrijfkoppel levert om elektriciteit te produceren. Bij hogere windsnelheden schakelt het systeem over op de grotere generator, die een hoger maximaal vermogen kan bereiken. Zodoende wordt optimaal gebruik gemaakt van de windenergie bij zowel lage als hoge windsnelheden [Martander, O., 2002].

Bij het hybride W4W-systeem wordt één van de generatoren vervangen door de hogedrukpomp. Aangezien de windsnelheden gedurende de zomer, wanneer de watervraag bestaat, lager zijn, komt de hogedrukpomp in plaats van de kleinere generator. Om maximaal gebruik te maken van de wind tijdens de zomer is een zo laag mogelijke cut-in windsnelheid gewenst. Figuur 3.6 geeft het geleverde vermogen van de pomp en de generator in het hybride W4W-systeem weer. Het is zichtbaar dat de pomp bij lage windsnelheden een hoger vermogen levert, wat komt door het gecombineerde effect van de hogere intrinsieke omzettingsefficiëntie van de pomp en de lagere efficiëntie van de generator bij lagere windsnelheden. De pomp bereikt zijn maximale vermogen echter al bij 80 kW, zodat bij windsnelheden boven de 7,5 m/s de generator meer vermogen levert.

Figuur 3.6

Geleverd vermogen door 80 kW pomp en 450 kW generator als functie van de windsnelheid

De stelregel voor optimale efficiëntie bij een twee-generator windturbine is dat het vermogen van de grote generator 5 tot 6 maal zo hoog is als dat van de kleine generator.

31

Uitgaande van een 80 kW pomp is daarom gekozen voor een 450 kW vermogen voor het hybride W4W-systeem.

Gekoppeld aan een accu kan het hybride systeem geheel op zichzelf staand opereren.

Hiermee biedt het systeem een autonome oplossing voor zowel water- als elektriciteitsvraag.

Voor de Nederlandse markt, waar het elektriciteitsnet in de meeste gevallen al aanwezig is, is het ook mogelijk de elektriciteitsproductie terug te leveren aan het net en de leveringsprijs te salderen op de energierekening.

32

Referenties •

NRW website, State of Queensland, 2007, http://www.derw.qld.gov.au/factsheets/pdf/land/137.pdf

•

Metresys meet en regelsystemen, 2011, http://www.metresys.nl/pdf/ga/geleidbaarheid_algemene_informatie.pdf

•

Oude Essink, G. et al., 2009, Voorkomen en dynamiek van regenwaterlenzen in de Provincie Zeeland – resultaten van een verkennende en provinciedekkende meetcampagne; TNO rapport: 2007-U-R0925/A.

•

Van Baaren, E. en Harezlak, V. ,2011, Zoetwatervoorziening Schouwen-Duiveland; Deltares.

•

Pumps & Systems, 2009, http://www.pump-zone.com/pumps/centrifugalpumps/pumps-for-the-desalination-market.html]

•

Fritzmann et al., 2007, 'State-of-the-art of reverse osmosis desalination', Desalination 216, 1-76

•

MWH, 2005, Water treatment: Principles and Design, 2nd edition, ISBN: 978-0-47111018-7

•

Yermiyahu et al., 2007, 'Rethinking desalinated water quality and agriculture', Science 318, 920-921

•

Polinder et al., 2006, 'Comparison of direct-drive and geared generator concepts for wind turbines', IEEE Transactions on energy conversion 21 Issue 3, 725-733

•

Thomson and Chang, 2011, 'ChapDrive hydraulic transmission for lightweight multimegawatt wind turbines', IPQC conference Bremen Ocotber 2011

•

Jarquin Laguna, 2010, 'Steady-state performance of the Delft Offshore Turbine', Msc thesis TU Delft

•

Danfoss, 2011, http://www.bigbrandwater.com/danfoss22.html

•

US Energy Information Administration, 2011, 'How much electricity is lost in transmission and distribution in the United States?', http://www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=105&t=3

•

Strbac et al., 2007, 'Impact of wind generation on the operation and development of the UK electricity systems', Electric power systems research 77, 1214-1227

•

Spinato et al., 2009, 'Reliability of wind turbine subassemblies', IET Renewable Power Generation 3 -issue 4, 387-401

•

Martander, O., 2002, 'DC Grids for wind farms', Licentiate thesis Chalmers University of Technology

33

DEEL II:

Winnen met wind – verkenning van een groeimarkt

Het eerste deel van deze rapportage diende om de technische werking van het Wind4Watersysteem inzichtelijk te maken en de theoretische haalbaarheid van het innovatieve concept te onderbouwen. Uit het technische onderzoek blijkt dat het W4Wsysteem kan bijdragen aan een duurzame en autonome waterzuivering van hoge kwaliteit.

De vraag is echter of de technische W4W-toepassing ook economische voordelen biedt voor de waterzuivering ten opzichte van alternatieve systemen. Oftewel, wie wint er met wind?

Het tweede deel van deze rapportage zal gericht zijn op het beantwoorden van deze vraag.

Allereerst wordt het theoretisch kader geschetst waarbinnen het W4W-systeem effectief kan worden geĂŻmplementeerd (hoofdstuk 1). Vervolgens wordt getoond dat Zeeland de meest gunstige locaties biedt om het W4W-system te introduceren (hoofdstuk 2). Tenslotte wordt de internationale potentie van het W4W-systeem besproken en de mogelijke pioniersrol van Zeeland voor de lancering en verdere ontwikkeling van het W4W-concept (hoofdstuk 3).

34

Inhoudsopgave Deel II 1:

De randvoorwaarden voor een rendabel W4W-systeem

36

1.1

De fysieke omgeving: wind, onzuiver water & ruimte

1.2

De sociale omgeving: politiek draagvlak voor windturbines & brijnlozing

1.3

De commerciële omgeving: behoefte aan (autonoom) gezuiverd water

1.4

Overzicht van de randvoorwaarden voor een rendabel W4W-systeem

2:

W4W in Nederland – Zeeuwse glastuinbouw & industrie

2.1

Waar wint men met wind? De focus op Zeeland

2.2

Hoe winnen met wind? De dimensies van ‘klantwaarde’

2.3

Wie winnen met wind? De focus op glastuinbouw

2.4

De omvang van de focusmarkt: Zeeuwse glastuinbouw

3:

Zeeland als proeftuin voor een wereldmarkt?

3.1

Zeeland als proeftuin: de voor- en nadelen

3.2

De groeipotentie van de markt: van zwembad tot drinkwater, van boer tot carwash

3.3

De ontwikkelingsprognose van de productie

40

51

35

1: Randvoorwaarden systeem

voor

rendabel

W4W-

De theoretische verbetering van de technische werking van het waterzuiveringssysteem is slechts een eerste stap richting een werkelijke innovatie. De innovatie is pas een succes als de verbeterde technologie in de praktijk effectief bijdraagt aan het oplossen van de specifieke problemen van de beoogde (eind)gebruiker(s) – de markt. Voor het toetsen van de economische haalbaarheid van het W4W-systeem is het dus allereerst noodzakelijk om af te bakenen binnen welke kaders de technologie in de praktijk werkelijk een verbetering zou kunnen betekenen. In dit hoofdstuk wordt besproken dat de markt voor een succesvolle implementatie van het W4W-systeem wordt begrensd door een aantal randvoorwaarden met betrekking tot de fysieke omgeving (1.1), de sociale omgeving (1.2) en de commerciële omgeving (1.3).

1.1 Fysieke omgeving: wind, onzuiver water & ruimte Het W4W-systeem stelt een drietal eisen aan de fysieke omgeving: er moet voldoende windaanbod zijn (1.1.1), er moet sprake zijn van vervuild of verzilt grondwater (1.1.2), en er moet fysieke ruimte zijn voor het plaatsen van het W4W-systeem, inclusief de toe- en afvoer van water (1.1.3).

1.1.1. Fysieke omgeving: voldoende windaanbod Het windaanbod speelt een limiterende factor voor de werking van het RO-systeem: Het gemiddelde windaanbod moet boven een bepaalde grens liggen om het W4W-systeem rendabel te kunnen exploiteren. Het gebruik van een hoger rotorvermogen dan het maximale pompvermogen zorgt ervoor dat het W4W-systeem al bij lage windsnelheden water produceert. Het systeem kan daarom ook bij lagere windopbrengsten nog rendabel zijn.

Om inzicht te krijgen in de effecten op de RO-opbrengsten is in figuur 1.1 voor verschillende windsnelheden de opbrengst weergegeven. Het gemiddelde windaanbod wordt sterk beïnvloed door bebouwing in de omgeving. Om deze reden is gekozen voor een turbinemast van minimaal 30 m hoog.

36

W4W Waterproductie versus gemiddelde windsnelheid 70000

Waterproductie (m3/jaar)

60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 3,5

4

4,5

5

5,5

6

Windsnelheid (m/s)

Figuur 1.1

Waterproductie als functie van gemiddelde windsnelheid

1.1.2. Fysieke omgeving: aanwezigheid van vervuild, brak of zout oppervlakte- of grondwater Het W4W-systeem is een duurzame techniek voor waterzuivering: de techniek is dus enkel te exploiteren in gebieden waar sprake is van ‘onzuiver’ water. Hoewel de gehanteerde techniek vooral wordt geassocieerd met het ontzilten van water, worden met het systeem ook zware metalen gefilterd. Vanuit dat perspectief kan het W4W-systeem in potentie dan ook ingezet worden in alle gebieden met vervuild, brak of zout oppervlakte- of grondwater.

1.1.3. Fysieke omgeving: fysieke ruimte voor de turbine & water toe- en afvoer Het W4W-systeem koppelt twee verschillende methoden aan elkaar (windturbine en ROsysteem) die beide specifieke eisen stellen aan de fysieke omgeving. Allereerst moet de fysieke ruimte beschikbaar zijn om de windturbine te plaatsen. Hierbij speelt bebouwing een rol met betrekking tot het windaanbod. Ten tweede is het voor het RO-systeem van belang dat het W4W-systeem wordt neergezet op een locatie waar het onzuivere water opgepompt kan worden, het zuivere water kan worden opgeslagen (bijvoorbeeld in een bassin) en het restproduct kan worden afgevoerd naar diepere bodemlagen of geloosd kan worden op zout oppervlaktewater.

1.2 Sociale omgeving: Draagvlak voor windturbines & brijnlozing De sociale omgeving moet ook voldoen aan een tweetal randvoorwaarden voordat de implementatie van een W4W-systeem tot de mogelijkheden behoort: er moet (politiek) 37

draagvlak zijn voor de plaatsing van windturbines (1.2.1) en er moeten mogelijkheden zijn om het brijnwater te lozen (1.2.2).

1.2.1. De sociale omgeving: draagvlak voor windturbines De installatie van een W4W-systeem betekent automatisch ook de plaatsing van een windturbine. Ondernemers die gebruik willen maken van windenergie stuiten echter vaak op weerstand bij omwonenden in verband met potentiële landschapvervuiling en de nadelige effecten van slagschaduw. Oftewel, het nimby-effect.

Vanuit dit perspectief zijn overheidsorganen (gemeentes) terughoudend in het verstrekken van vergunningen voor de plaatsing van windturbines, vooral met betrekking tot de grote varianten.

Het voordeel van het W4W-systeem is dat het rendement behaald kan worden met behulp van relatief kleine windmolens (tiphoogte tussen 35 en 45 meter). Voor kleinere windmolens gelden vaak soepelere en snellere vergunningsprocedures dan voor grotere windturbines.

Bovendien groeit het gevoel van urgentie dat duurzame energieopwekking noodzakelijk is voor het realiseren van een bestendige toekomst, hetgeen bijdraagt aan het ontstaan van sociaal en politiek draagvlak en de versoepeling van vergunningsprocedures. Zo wordt in Zeeland bijvoorbeeld verwacht dat de toegestane tiphoogte met een ‘eenvoudige’ vergunning wordt opgetrokken van een tiphoogte van 15 meter tot 20 meter (Bijlage D5: Gesprek Zeeuwind). Voor hogere windturbines geldt nog een strengere vergunningsprocedure.

1.2.2. De sociale omgeving: mogelijkheden voor brijnlozing Het restproduct van het W4W-systeem is, net als bij de reguliere RO-systemen, een waterstroom met een geconcentreerde hoeveelheid zware metalen en zouten (‘brijn’). In principe zijn er drie mogelijkheden om het brijn na het zuiveringsproces te lozen: (1) het afvoeren in de grond op een diepte (100 meter of dieper) waar het de grondwaterkwaliteit niet aantast, (2) het laten afvloeien in zout oppervlaktewater en (3) het lozen op het riool.

Alle drie de methoden worden momenteel toegepast, maar vanwege de sterke concentratie van het ‘brijn’ wordt het als afvalproduct beschouwd en kan sprake zijn van beperkende regelgeving en/of vergunningen. Het maximale debiet dat geloosd mag worden op riool bedraagt 3 m3/uur.

Er wordt veel onderzoek gedaan naar de mogelijkheden om brijn op een andere manier te verwerken, maar voorlopig is er nog geen betere oplossing.

1.3 Commerciële omgeving: behoefte aan gezuiverd water De voorgaande paragrafen hebben de randvoorwaarden geschetst waarbinnen het W4Wsysteem vanuit technisch perspectief rendement kan behalen. Voor het succes van het W4Wsysteem is het echter ook van belang dat het voorziet in een (markt)behoefte: biedt het systeem een effectieve oplossing voor problemen die niet via een ander kanaal op een betere en/of goedkopere wijze kunnen worden opgelost?

38

De marktpotentie van het W4W-systeem zal in het volgende hoofdstuk meer in detail worden besproken, maar het is van belang om eerst op abstract niveau de potentiële meerwaarde van het W4W-systeem vast te stellen. Het W4W-systeem voorziet in essentie in de structurele behoefte aan zuiver water (i.e. vrij van zware metalen en/of zouten): zonder deze behoefte geen W4W-systeem.

Vervolgens is het van belang te constateren dat potentieel geïnteresseerde partijen op verschillende manieren aan hun behoefte aan zuiver water kunnen voorzien. De ‘klanten’ op de markt voor zuiver water zullen het alternatief kiezen dat de hoogste ‘waarde’ vertegenwoordigt: de keuze tussen de verschillende alternatieven zal worden bepaald door een afweging tussen de verschillende dimensies van prijs en kwaliteit (‘klantwaarde’). Op deze dimensies zal in het volgende hoofdstuk dieper worden ingegaan. Randvoorwaarde voor een succesvolle implementatie van het W4W-systeem is echter dat het vanuit het perspectief van de klant een interessantere oplossing moet bieden voor de waterzuiveringsproblematiek dan concurrerende oplossingen, zoals leidingwater of elektrische reverse osmosis.

1.4 Overzicht systeem

randvoorwaarden

voor

rendabel

W4W-

Dimensie

Randvoorwaarde

Limiterende factor

Grenzen voor W4W-systeem

De fysieke omgeving

Voldoende windaanbod

Het gemiddelde windaanbod moet voldoende zijn om het W4W-systeem rendabel te exploiteren

Gemiddelde windaanbod boven de 4 ,5 m/s.

Vervuild of verzilt grondwater

Het W4W-systeem is een puur waterzuiveringssysteem, dus heeft alleen meerwaarde als dat in de directe omgeving (een probleem) is.

Aanwezigheid vervuild/verzilt grondwater.

Voldoende ruimte

De omgeving moet de mogelijkheid bieden om windmolens neer te zetten op een plaats waar het oppervlakte- en of grondwater kan worden opgepompt, het zuivere water opgeslagen en het brijnwater afgevoerd.

Geen hoge bebouwing in nabijheid.

Geen woonomgeving.

Geschikte ondergrond.

(Politiek) draagvlak voor windturbines

Windturbines leiden vaak tot het nimby-effect en daarmee samenhangend ook lange vergunningsprocedures.

Vergunningsmogelijkheden.

Wettelijke mogelijkheid voor brijnlozing

Het restproduct 'brijn' wordt gezien als een afvalproduct, waarvan de lozing aan wettelijke regelgeving gebonden kan zijn.

(wettelijke) mogelijkheid voor brijnlozing.

Behoefte aan (autonoom) gezuiverd water

Het W4W-systeem heeft alleen meerwaarde als er een structurele behoefte is aan gezuiverd water.

Behoefte aan zuiverder water dan in de omgeving aanwezig is of via andere kanalen naar grotere tevredenheid beschikbaar is.

De sociale omgeving

De commerciele omgeving

39

2: W4W in Nederland: Zeeuwse tuinbouw & industrie Om de potentie van het W4W-systeem in kaart te brengen, moet de volgende vraag beantwoord worden: wie wint met wind? Dit hoofdstuk zal een antwoord formuleren aan de hand van de kan de onderstaande deelvragen: • Waar wint men met wind? (de technische randvoorwaarden) • Wie winnen met wind? (de commerciële randvoorwaarden) • Waarom winnen zij met wind? (de dimensies van ‘klantwaarde’) Dit hoofdstuk richt zich in eerste instantie op het beantwoorden van deze vragen voor de toepassing van W4W in Nederland (in hoofdstuk 4 wordt ingegaan op de internationale potentie). Eerst zal inzichtelijk worden gemaakt dat het W4W-systeem binnen Nederland vanwege de geografische randvoorwaarden vooral in Zeeland geode perspectieven biedt (2.1). Vervolgens wordt besproken hoe het W4W-systeem zich tot alternatieve waterzuiveringssystemen verhoudt op de zes onderscheiden dimensies van ‘klantwaarde’ (2.2). Daarna wordt besproken dat vanwege de commerciële randvoorwaarden voornamelijk de glastuinbouw en industrie interessante sectoren zijn (2.3). Vanuit dit perspectief wordt de omvang van de initiële focusmarkt geschetst: de Zeeuwse glastuinbouw en industrie (2.4).

2.1 Waar wint men met wind? De focus op Zeeland Het kader dat in hoofdstuk 1 is geschetst heeft duidelijk gemaakt dat er voor succesvolle toepassing een aantal geografische randvoorwaarden zijn met betrekking tot de fysieke en sociale omgeving. In deze paragraaf wordt aan de hand van deze verschillende geografische randvoorwaarden beargumenteerd waarom Wind4Water voor de implementatie zich in eerste instantie zal richten op de provincie Zeeland.

De gehanteerde methode beoogt enkel om de meest gunstige geografische locaties te selecteren in brede zin: het is een globale selectie om een focusgebied af te bakenen waarbinnen de mogelijkheden voor een succesvolle implementatie van het W4W-systeem het grootst zijn – en daarmee ook richting te geven aan het vinden van geschikte pilotlocatie. Daarmee is echter niet gezegd dat het W4W-systeem op andere locaties geen voordelen kan behalen. Allereerst zullen de voorwaarden van de fysieke omgeving worden besproken (2.1.1), daarna de voorwaarden van de sociale omgeving (2.1.2). De bevindingen zijn tenslotte in een tabel samengevat (2.1.3).

2.1.1 Zeeland: windaanbod, verzilting & ruimte De analyse van de technische randvoorwaarden in hoofdstuk 1 maakten duidelijk dat het windaanbod een van de essentiële factoren is voor de effectiviteit van het W4W-systeem.

Vanuit die gedachte is er voor de selectie van een focusregio ook allereerst gekeken op welke locaties het windaanbod (ruimschoots) aan de gestelde grenzen voldoet.

40

Het KNMI verzamelt gegevens over de gemiddelde windsnelheden in Nederland. Deze gegevens zijn door het KNMI gecorrigeerd naar een normaallijn op 10 meter hoogte. De grotere hoogte van de gebruikte windturbines vereist een correctie volgens windprofielen waarin de ruwheid van het oppervlak een belangrijke rol speelt. Uit de visuele weergave in figuur 1.2 blijkt dat de gemiddelde windsnelheid in de Nederlandse provincies Zeeland, Zuid Holland Noord Holland, Friesland, Groningen en Flevoland aan de minimumdrempel van 4,5 m/s voldoet.

Figuur 1.2:

Gemiddelde windsnelheid op 10 m hoogte. (KNMI)

De kustgebieden zijn bij uitstek ook locaties die voldoen aan de tweede randvoorwaarde met betrekking tot de fysieke omgeving: er is (in toenemende mate) sprake van brak en zout oppervlakte- en grondwater. Bovendien wordt verwacht dat deze verzilting in de toekomst in toenemende mate een probleem zal worden [zoet-zout courant nummer 1, 2011].

De laatste eis met betrekking tot de fysieke omgeving is dat er voldoende ruimte beschikbaar (te maken) moet zijn om het W4W-systeem operationeel te maken. Vanuit dat perspectief lijkt Zeeland van de bovengenoemde provincies het meest gunstig: in deze provincie is er relatief veel verzilt land aanwezig en zijn er bovendien veel wateroppervlakten beschikbaar om de water toe- en afvoer in goede banen te leiden.

2.1.2 Zeeland: groeiend draagvlak voor windturbines Het succes van het W4W-systeem hangt, afgezien van de geografische kenmerken van de omgeving, bovendien af van de ‘sociale omgeving’: de politieke en maatschappelijke mogelijkheden voor de plaatsing van een windturbine.

In dit opzicht kent Zeeland een aantal gunstige voorwaarden. De landindeling in de provincie is ruimtelijk ten opzichte van de Hollandse provincies, waarmee de beperkende effecten van het nimby-probleem hier waarschijnlijk het kleinst zullen zijn. Deze stelling wordt onderbouwd door de activiteiten die in Zeeland zijn ontplooid op het gebied van windenergie: het in 2009 opgeleverde grote windmolenpark bij Terneuzen, het proefproject 41

kleine windturbines bij Schoondijke en de windorganisatie Zeeuwind die zich de grootste windcoöperatie van Zeeland mag noemen [Visser, F., 2007]. Ook in gesprekken met lokale organisaties (Bijlagen D2,D3,D6: Gesprek ZLTO, Evides, projectontwikkelaar Terneuzen) wordt een toenemende behoefte aan duurzame oplossingen onderschreven, waaronder de mogelijkheid om gebruik te maken van windenergie.

RO-systemen worden in de Nederlandse tuinbouw al op grote schaal toegepast. De Zeeuwse regelgeving met betrekking tot onttrekking van grondwater voor dit doeleinde is op dit moment strenger dan in bijvoorbeeld Zuid Holland, maar een RO-toepassing op duurzame energie kan hierin verandering brengen (Bijlage D11: Gesprek tuinder nabij Goes). Onlangs werd bekend dat brijnlozing in Nederland in elk geval nog tot 2018 via de huidige methoden mag gebeuren, hangende het onderzoek naar betere oplossingen (Bijlage D7: Bezoek Evides RO-installatie).

2.1.3 Focusprovincie Zeeland: een overzicht van geografische randvoorwaarden Dimensie Randvoorwaarde Grenzen voor W4W-systeem

Norm?

De fysieke omgeving

Voldoende windaanbod Gemiddelde windaanbod boven de 4,5m/s.

Ja.

Vervuild of verzilt grondwater

vervuild/verzilt grondwater

Ja.

Voldoende ruimte

Geen hoge bebouwing in nabijheid.

Geen woonomgeving.

Geschikte ondergrond.

Ja.

(Politiek) draagvlak voor windturbines

Vergunningsmogelijkheden

Ja.

De sociale omgeving

Wettelijke mogelijkheid (wettelijke) mogelijkheid voor brijnlozing voor brijnlozing

Tot 2018 (hoewel niet onbeperkt)

2.2 Hoe winnen met wind? De dimensies van ‘klantwaarde’ De essentie van een succesvolle innovatie schuilt in de mate waarin de markt overtuigd is van de voordelen van het nieuwe product ten opzichte van bestaande oplossingen voor hetzelfde probleem. Het W4W-systeem zal, om succesvol te zijn, op een betere en/of goedkopere wijze moeten kunnen voorzien in de behoefte aan (zuiver) water dan de alternatieve mogelijkheden.

Randvoorwaarde voor een succesvolle implementatie van het W4W-systeem is echter dat het vanuit het perspectief van de klant een interessantere oplossing moet bieden voor de waterzuiveringsprobematiek dan concurrerende oplossingen, zoals leidingwater of elektrische reverse osmosis.

Partijen die behoefte hebben aan gezuiverd water kunnen immers op verschillende manieren in deze behoefte voorzien. De ‘klanten’ op de markt voor zuiver water zullen het alternatief kiezen dat de hoogste ‘waarde’ vertegenwoordigd: de keuze tussen de verschillende alternatieven zal worden bepaald door een afweging tussen de verschillende dimensies van 42

prijs en kwaliteit (‘klantwaarde’). Voor potentiële kopers van het W4W-systeem kunnen de volgende dimensies van belang zijn voor het kiezen voor een waterproductiemethode: 1.

2.

3.

4.

5.

6.

Kosteneffectiviteit (2.2.1) Investeringsmogelijkheden (2.2.2) Autonomie (2.2.3) Duurzaamheid (2.2.4) Imago & merkopbouw (2.2.5) Waterkwaliteit en behoefte (2.2.6)

Aan de hand van deze zes dimensies is een inschatting te maken van de gepercipieerde meerwaarde van het W4W-systeem voor de spelers uit de verschillende sectoren (samenvattende tabel in 2.2.7). Hoewel er misschien in specifieke sectoren andere oplossingen mogelijk zijn, zal in deze rapportage de vergelijking worden gemaakt tussen het W4W-systeem en de twee meest concrete concurrerende oplossingen voor de watervoorziening: leidingwater & elektrische RO-systemen.

2.2.1 Kosteneffectiviteit: welk systeem biedt de klant de meest efficiënte oplossing?

De klant kan grofweg kiezen uit twee alternatieven voor het stillen van de waterbehoefte: (1) de klant kan ‘water op bestelling’ kopen op het moment dat daar behoefte aan is (bijvoorbeeld door middel van leidingwater), of (2) een uitrusting aanschaffen om op structurele wijze in de waterbehoefte te voorzien.

Het W4W-systeem en het elektrisch RO-systeem vallen in de tweede categorie. Aanvullend op deze systemen dient echter wel wateropslagcapaciteit aanwezig te zijn, omdat de piekvraag zich met name in agrarische toepassingen doorgaans concentreert in een korte periode, die niet altijd te voorspellen is. De glastuinbouwsector maakt al grootschalig gebruik van wateropslag bassins. Een opslagcapaciteit van 500 m3 per hectare is zelfs verplicht in deze sector. Voor het W4W-systeem is opslagcapaciteit vanwege de variabiliteit van de windenergie, en daarmee de waterproductie, extra belangrijk. In de economische haalbaarheidsanalyse in deel III wordt aangetoond dat de beschikbare bassincapaciteit een cruciale rol speelt in de economische prestatie van het W4W-systeem.

De keuze tussen beide vormen van watervoorziening is afhankelijk van het karakter van de waterbehoefte en de potentie om kapitaal aan te wenden voor investeringen. Als er sprake is van een onzekere waterbehoefte met (korte) periodes van hoge piekbelasting, dan kan een potentiële klant ervoor kiezen om te vertrouwen op leidingwater of andere vormen van ‘water op bestelling’. Zo werden tijdens de droogte in het voorjaar van 2011 vrachtwagens ingezet om watertransporten uit te voeren naar agrarische bedrijven in de provincie Zeeland.

Dergelijke transporten zijn duur (Bijlagen D2, D3: Gesprek Evides, ZLTO), maar de investeringsbeslissing kan, evenals bij leidingwater, telkens opnieuw worden genomen.

Feitelijk kunnen deze kosten als variabele kosten worden gezien, waarvoor de kosten/baten analyse én de afrekening samenvalt met het werkelijke gebruik.

Daarentegen vergt het gebruik van een elektrisch RO-systeem of een W4W-systeem een aanzienlijke investering voor een systeem dat over een termijn van twintig jaar operationeel 43

is. De potentiële klant moet vanuit dat perspectief een zodanig structurele waterbehoefte ervaren dat het te verwachten is dat deze investering rendabel is ten opzichte van het ‘variabele’ alternatief.

Onder kostenefficiëntie wordt in deze rapportage de financiële investering verstaan. Het is echter van belang om er op te wijzen dat de definitie van ‘klantwaarde’ breder is: de andere dimensies kunnen ‘waarde’ vertegenwoordigen die gedeeltelijk of geheel een verschil in kostenefficiëntie kan compenseren. In Deel III worden economische haalbaarheidsscenario's uitgewerkt waarin deze compenserende klantwaarde niet in de cijfers wordt uitgedrukt, maar wel wordt benoemd als bepalende factor.

2.2.2 Investeringsmogelijkheden: welke investeringsruimte heeft de klant?

Het (directe) financiële rendement van de investering kan theoretisch misschien kosteneffectief zijn, maar de potentiële klant moet ook in staat zijn om de benodigde investering te dragen. Zeker tegen het licht van de huidige economische ontwikkelingen is het de vraag of ondernemingen voldoende kapitaal kunnen aantrekken tegen goede rentevoorwaarden om in de kapitaalbehoefte te voorzien voor dergelijke investeringen.

Voor de uitwerking van deze haalbaarheidsverkenning in deel III worden dan ook een focusmarkt gekozen waarin de elektrische systemen al met succes worden toegepast (i.e. de glastuinbouwsector). De benodigde investering voor deze elektrische RO-systemen is te vergelijken met de noodzakelijke investering voor het W4W-systeem. Tabel 2.2 geeft het geschatte investeringsbedrag per W4W-systeem en een elektrisch RO-systeem met vergelijkbare capaciteit (Bijlage B: rekenmodel economische haalbaarheid).

Tabel 2.2

Investeringsbedragen W4W-systeem en elektrisch RO-systeem

Systeem

Investeringsbedrag

W4W-systeem

€ 345.500

Hybride W4Wsysteem Elektrisch ROsysteem (10.000 m3 / maand)

€ 787.300 € 175.000

Voor het W4W-systeem is deze investeringsdrempel zeker in de introductiefase echter een belangrijk aandachtspunt, om twee redenen: (1) de productievoordelen van grootschalige productie kunnen nog niet worden benut, en (2) voor de opstartfase van W4W is kapitaal nodig voor (verdere) ontwikkeling van het systeem. Daartegenover staat wel de mogelijkheid om subsidie te krijgen via bijvoorbeeld de SDE+ regeling of het Europese Kaderprogramma [Agentschap NL]. De pogingen die ondernomen worden om kapitaal te verkrijgen staan beschreven in Deel III. Vanuit dat perspectief zou het voor W4W interessant kunnen zijn om met verschillende partners samen te werken die de mogelijkheid hebben om dergelijke investeringen te dragen. Andere financieringsconstructies, zoals lease, kunnen het W4W-systeem bereikbaar maken voor minder kapitaalkrachtige ondernemingen. Hoewel er inmiddels verschillende 44

contacten gelegd zijn (Bijlagen D6,D11,D9: Gesprek projectontwikkelaar Terneuzen, tuinder nabij Goes, tomatenkweker Westland), zijn deze stappen nog niet concreet genoeg voor verdere behandeling in deze rapportage.

2.2.3 Autonomie: wil de klant afhankelijk zijn van externe partijen?

De ‘klantwaarde’ van een waterproductiemethode is niet alleen afhankelijk van de directe kosteneffectiviteit, maar kan tevens schuilen in kwalitatieve dimensies. Het W4W-systeem onderscheidt zich doordat het organisaties de mogelijkheid geeft een volledig autonoom systeem te implementeren om in de waterbehoefte te voorzien. De windmolen wekt de benodigde energie op waarmee het RO-systeem beschikbaar grond- en of oppervlaktewater omzet in gezuiverd water.

Bij toepassing van de alternatieve oplossingen blijft de potentiële klant afhankelijk van externe partijen. Voor ‘water op bestelling’ is dat evident – het water wordt volledig door een externe partij geleverd (bijvoorbeeld via de waterleiding). In tijden van piekbelasting bestaat er risico op tijdelijke afsluiting door deze externe partij (Bijlage D11: Gesprek tuinder nabij Goes). Hoewel het elektrische RO-systeem wel zelf water opwekt, blijft het voor de aandrijving afhankelijk van de energie van het elektriciteitsnet.

In tegenstelling tot de alternatieve oplossingen opereert het W4W-systeem onafhankelijk van het waternetwerk (zoals leidingwater) en het elektriciteitsnet (zoals elektrische ROsystemen). Oftewel, het W4W-systeem brengt de watervoorziening onder controle van de klant, maakt de organisatie daarmee niet meer afhankelijk van (de logistieke voorzieningen van) externe partijen en tevens immuun voor prijsschommelingen in de water- en/of elektriciteitsmarkt.

2.2.4 Duurzaamheid: wil de klant sociaal verantwoord ondernemen?

Organisaties worden steeds nadrukkelijker geconfronteerd met hun maatschappelijke verantwoordelijkheid. Het thema duurzaamheid heeft in de afgelopen jaren een steeds nadrukkelijker rol gekregen in het publieke debat, waarmee de druk op organisaties toeneemt om duurzame productiemethoden te hanteren. Een voorbeeld hiervan is het keurmerk voor duurzaam geproduceerde groente en fruit [SMK milieukeur].

Het W4W-systeem biedt daarentegen de mogelijkheid tot een autonome en duurzame watervoorziening. Het systeem benut optimaal de geografische eigenschappen van de locatie: het windaanbod wordt met behulp van een windmolen gebruikt voor de energieopwekking, terwijl het beschikbare water met behulp van een ‘schoon’ RO-systeem wordt gezuiverd.

Tegen het licht van de groeiende druk op ondernemers om over te gaan tot duurzame productiemethoden, heeft het W4W-systeem daarmee voor de (nabije) toekomst een voordeel ten opzichte van de alternatieve systemen. De aanvoer van ‘water op bestelling’ geschiedt nog grotendeels door gebruik te maken van niet-duurzame bronnen of zuiveringsinstallaties op conventionele energiebronnen, terwijl ook de elektrische ROsystemen afhankelijk zijn van energietoevoer die gekoppeld is aan het elektriciteitsnetwerk, dat slechts voor 4 procent uit duurzame energie bestaat (CBS, 2011).

45

2.2.5 Imago & merkopbouw: wil de klant omzet verhogen door ‘groene’ marketing te bedrijven?

De combinatie van autonomie en duurzaamheid geeft het W4W-systeem een specifieke ‘kwaliteitsdimensie’ die ontbreekt bij de alternatieve systemen, maar mogelijk wel door de potentiële klant gekapitaliseerd kan worden. Het W4W-systeem draagt door deze combinatie namelijk bij aan de ‘vergroening’ van de productieketen: bedrijven kunnen met behulp van W4W-waterzuivering een volledig autonoom en duurzaam productieproces nastreven en daarmee een ‘groen’ merk in de markt zetten. Het ‘groene’ label kan een manier zijn om een marktpenetratie- strategie te ondersteunen of een nieuw marktsegment aan te boren.

Oftewel, het W4W-systeem moet niet alleen gezien worden als een kostenpost, maar tevens als een mogelijkheid om de marktpositie veilig te zetten of extra omzet te genereren. Op deze manier kan ook voor klanten voor wie het W4W-systeem niet geheel kosteneffectief is ten opzichte van de alternatieven, de uiteindelijke marktwaarde toch hoger liggen.

2.2.6 Waterkwaliteit en behoefte: welke specifieke waterbehoefte heeft de klant?

In de paragraaf met betrekking tot de kosteneffectiviteit is al behandeld dat het W4Wsysteem zich bij uitstek leent voor een voorspelbare, stabiele en structurele behoefte aan gezuiverd water. De specifieke eisen aan het benodigde water zullen echter per sector verschillen. Het is van belang om de waterbehoefte te toetsen aan de specifieke watereigenschappen van de alternatieve systemen. De RO-systemen leveren water dat gezuiverd is van zout en zware metalen, in tegenstelling tot het natrium en kalkhoudende bevattende leidingwater.

In het volgende hoofdstuk zullen de details voor de focusmarkten nader over het voetlicht worden gebracht. Voor de uitwerking van deze haalbaarheidsverkenning is ervoor gekozen om focusmarkten te kiezen waarin het reguliere RO-systeem al heeft bewezen water van voldoende kwaliteit te leveren: de glastuinbouw en de industrie.

2.2.7 Winnen met wind – autonome en duurzame waterhuishouding

Dimensie

Leidingwater ('water op bestelling')

Elektrisch RO-systeem W4W-Systeem

Kosteneffectief

Bij tijdelijke waterbehoefte en/of onvoorspelbare piekbelasting

Bij structurele waterbehoefte.

Bij voldoende opslagcapaciteit.

Bij structurele, enigszins voorspelbare waterbehoefte.

Bij voldoende opslagcapaciteit.

Investering

Geen investering (variabele kosten).

Investering noodzakelijk (vaste kosten).

Investering noodzakelijk (vaste kosten).

Autonomie

Niet autonoom

Semi-autonoom

Volledig autonoom

Duurzaamheid

Niet duurzaam

Semi-duurzaam

Volledig duurzaam

Imago & merkopbouw

nvt

nvt

Groen label

Waterkwaliteit/behoefte

Niet in eigen beheer. Geen demi-water.

In eigen beheer. Demi-waterkwaliteit.

In eigen beheer. Demi-waterkwaliteit.

46

2.3 Wie winnen met wind? De focus op glastuinbouw Het succes van het W4W-systeem is afhankelijk van de mate waarin het op effectieve wijze voorziet in de behoefte naar zuiver water. Theoretisch bestaat de totale markt voor het W4W-systeem uit alle partijen die behoefte hebben aan zuiver water, maar het is voor het slagen van het W4W-concept van essentieel belang om de focus te richten op sectoren waar deze behoefte het meest urgent is én goed past bij de gebruikte reverse osmosis-techniek.

Vanuit die gedachte is een haalbaarheidsverkenning uitgevoerd op basis van de sectoren waarin op dit moment al veelvuldig gebruikt wordt gemaakt van de ‘reguliere’ RO-systemen.

Hoewel de toepassing van het W4W-systeem zich zeker niet hoeft te beperken tot deze sectoren, is het uitzicht op een brede adoptie van het W4W-systeem van belang voor de (commerciële) productie van het systeem. Immers, als een pilot-project succesvol is in een sector waarin reverse osmosis al als oplossing is geadopteerd, dan kan de toepassing binnen die sector op grotere schaal worden uitgerold. Daarmee kunnen de overheadkosten van de productie direct worden gespreid over een groter volume, hetgeen een positieve impuls kan geven aan de (financiële) haalbaarheid van het W4W-systeem ook in andere, kleinschaliger sectoren. Immers: als de productiekosten per eenheid lager liggen, kan de financiële investering voor potentiële afnemers omlaag worden gebracht.

De RO-techniek is zoals beschreven in Deel I de marktleidende techniek op het gebied van waterzuivering. De techniek wordt in Nederland vooral gebruikt in de agrarische sector, de industrie en voor verschillende toepassingen in andere sectoren zoals zwembaden of car wash systemen (Bijlage D4: Gesprek waterontziltingsbedrijf). De industriële toepassing van RO-water is zeer branche specifiek en daarom lastig te generaliseren in een marktpotentieel.

Gezien de eenvoudigere generalisering van de marktvraag in de agrarische sector ligt de focus van de W4W-concept aanvankelijk dan ook op deze sector: Het W4W-systeem kan in de agrarische sector voorzien in de behoefte aan gezuiverd water voor ziltvrije bewatering.

2.3.1 Agrarische sector: RO-zuivering voorziet in ziltvrije bewatering De agrarische sector maakt gebruik van RO-systemen voor de bewatering en beneveling van gewassen (Bijlage D9,D10: Gesprek tomatenkweker Westland, Orchideeënkweker Westland).

Organisaties in de agrarische sector kunnen dus gezien worden als potentiële afnemers van het windgedreven RO-systeem.

In een gesprek met ZLTO werd echter gewezen op de moeilijk te bevredigen waterbehoeften van de meeste agrarische ondernemingen (Bijlage D3: Gesprek ZLTO). De kosten zijn voor boeren in periodes van (extreme) droogte, weliswaar bijzonder hoog, zo'n € 6,- per m3 in geval van de wateraanvoer met vrachtwagens in 2011 (Bijlage D2: Gesprek Evides), maar deze behoefte concentreert zich in zeer kortstondige periodes waarin grote watervolumes nodig zijn. Oftewel, de waterbehoefte fluctueert met de neerslag en de piekbelasting is hoog. Enkel bij gebruik van zeer grote wateropslag bassins die zich gedurende lange periode vullen om in de piekperiode in de vraag te kunnen voorzien, zou de relatief stabiele waterproductie van het W4W-systeem inpasbaar zijn.

47

In het gesprek met ZLTO werd voor het toetsen van de potentie van het systeem dan ook gewezen op de glastuinbouw als waarschijnlijk het meest geschikt, vanwege de voorspelbare waterbehoefte (Bijlage D3: gesprek ZLTO). De RO-techniek wordt in Nederland inderdaad op grote schaal toegepast in de glastuinbouw (Bijlage D4: Gesprek waterontziltingsbedrijf).

Leidingwater is namelijk niet bijzonder geschikt voor toepassing in de glastuinbouwsector. De reden dat reverse osmosis water geprefereerd wordt boven leidingwater, ligt in de waterkwaliteit en recirculatie-eisen. Het gietwater dat van de gewassen afkomt, dient namelijk gerecirculeerd te worden voor efficiënt nutriëntengebruik. Leidingwater bevat hogere natrium concentraties die ophopen in het recirculatiewater omdat natrium niet door de gewassen wordt opgenomen. Op deze manier dient na enkele weken het bassinwater geheel ververst te worden. Reverse osmosis-water bevat zeer lage concentraties natrium, zodat de recirculatie het hele seizoen kan worden doorgezet (Bijlage D9: Gesprek tomatenkweker Westland). In deze sector is hemelwater de ideale waterbron en dit wordt om die reden grootschalig opgevangen en opgeslagen in bassins. Het hemelwater kan (met nutriëntentoevoeging) direct worden gebruikt voor gewasbewatering. RO-water is een uitstekende aanvulling op het hemelwater, aangezien er vrijwel geen elementen in zitten en er alleen toevoegingen nodig zijn in de vorm van beluchting en nutriënten. Tenslotte speelt in de voedingsindustrie de controle over de waterkwaliteit een belangrijke rol; de consumptieveiligheid moet worden gegarandeerd. Die urgentie is extra over het voetlicht gebracht door de recente ontwikkeling rondom de EHEC-bacterie.

Aangezien de glastuinbouw voldoet aan deze eisen, ligt de focus momenteel dan ook op deze sector. Bijkomend voordeel van de glastuinbouwsector ligt in het feit dat deze sector over het algemeen een grotere bedrijfsomvang kent, zodoende makkelijker kapitaal kan aantrekken en daardoor meer investeringsbereidheid toont dan de landbouwsector (Bijlage D5,D6: Gesprek projectontwikkelaar Terneuzen, Zeeuwind).

2.3.2 Initiële focus op organisaties met voorspelbare waterbehoefte: glastuinbouw De voorgaande paragrafen hebben richting gegeven aan het bepalen voor de juiste focusmarkt voor de eerste fase van de introductie van het W4W-systeem. Hoewel de uiteindelijke toepasbaarheid van de windgedreven RO-techniek veel breder is, is er met het oog op de uitrol van het concept voor gekozen om de initiële focus te leggen op een sector waarin het gebruik van reverse osmosis al gemeengoed is: de glastuinbouwsector.

Binnen deze sector is vervolgens gekeken naar potentiële afnemers met een enigszins voorspelbare en stabiele waterbehoefte. Op die manier is de investeringszekerheid voor de potentiële afnemer immers het hoogst en is de daaraan geliëerde kosten/baten-analyse het meest betrouwbaar. Vandaar dat binnen de agrarische sector specifiek wordt ingezoomd op de glastuinbouw. Onderstaande tabel vat de bevindingen van deze paragraaf bondig samen.

Commerciële variabele

Landbouw

Glastuinbouw

Industrie

RO-systeem gemeengoed?

Ja, maar niet in Nederland

Ja. Ook in Nederland.

Ja

Voorspelbaar wateraanbod?

Nee. Volledige afhankelijk van neerslag, met hoge piekbelasting

Ja

Ja, maar zeer branche specifiek

Investeringsmogelijkheden?

klein

variabel

variabel

48

2.4 De omvang van de focusmarkt: Zeeuwse glastuinbouw Om het W4W-systeem rendabel te kunnen exploiteren dient de focusmarkt voldoende omvang te hebben. Om de marktpotentie van het W4W-systeem in te schatten is een aantal provincie-specifieke criteria opgesteld die inzicht geven in de geschiktheid van de provincie voor exploitatie van het systeem. De volgende vier criteria worden onderscheiden: 1.

2.

3.

4.

de hoeveelheid glastuinbouwareaal de mate van verzilting van grondwater het huidige aantal geïnstalleerde windturbines de bebouwingsgraad

De hoeveelheid glastuinbouwareaal kan samen met de mate van verzilting gebruikt worden om het totale aantal potentieel nuttige W4W-systemen te bepalen. Vervolgens kan aan de hand van het aantal windturbine en bebouwingsgraad geschat worden wat de mogelijkheden zijn voor installatie van de W4W-turbines. In paragraaf 2.4.1 is met behulp van resultaten uit de economische haalbaarheidsanalyse bepaald hoeveel W4W-systemen in potentie nuttig geïnstalleerd kunnen worden op Zeeuwse bodem. In paragraaf 2.4.2 is met behulp van bovengenoemde criteria kwalitatief aangegeven wat de marktpotentie is in andere Nederlands provincies die te kampen hebben met verzilting.

2.4.1 Omvang van de focusmarkt: Zeeuwse glastuinbouw Gegevens over locatie van de glastuinbouw uit de periode 2002-2008 geven een totaal areaal in Zeeland van 170 hectare, waarmee de provincie tot de kleinere spelers in Nederland behoort [CBS/PBL/Wageningen UR,2010].

Echter, de realisatie van een groot glastuinbouwgebied bij Terneuzen is nog niet in deze gegevens meegenomen. De doelstelling van dit project is om in een drietal fasen het meest duurzame glastuinbouwgebied van West-Europa te realiseren met een netto omvang van 250 hectare glastuinbouwgrond, waarvan een deel inmiddels aangelegd is. De doelstelling van het project hangt samen met het marketingconcept om 21 verschillende glastuinbouwproducten op volledig duurzame wijze (dus: zonder gebruik van fossiele brandstoffen) te produceren en onder hetzelfde merk op de markt te brengen, zodat het merk een eigen plaats in de supermarkt kan afdwingen. De glastuinbouwarealen in Terneuzen zullen worden benut voor het verbouwen van tomaten, paprika’s en komkommers (Bijlage D6: Gesprek projectontwikkelaar Terneuzen).

Inclusief de geplande nieuwbouw komt het totaal glastuinbouwareaal in Zeeland uit op ongeveer 420 hectare. Gezien de verzilting in Zeeland (Deel I) kan aangenomen worden dat al dit glastuinbouwareaal zich bevindt op locaties die te kampen hebben met in meer of mindere mate verzilt grondwater en er derhalve potentiële behoefte is aan een W4Wsysteem. Het aantal hectare waarvoor een W4W-systeem het benodigde water kan voorzien is sterk afhankelijk van de grootte van gebruikte neerslagbassins. Uitgaande van 3 benodigde W4W-systemen per 50 hectare areaal (zie de economische haalbaarheidsanalyse in Deel III), is er voor de 420 hectare glastuinbouwareaal in Zeeland ruimte voor potentiële toepassing 49

van 25 systemen. Om dit aantal te kwalificeren als groot of klein kan een vergelijking gemaakt worden met het totaal aantal elektrische windturbines ge誰nstalleerd in Zeeland. Dit aantal is 140, waarmee Zeeland licht bovengemiddeld scoort [The Wind Power, 2011]. Een aantal van 25 W4W-systemen zou een significant percentage van het totale aantal windturbines vormen. Hoewel zeer globaal kan het aantal ge誰nstalleerde windturbines gebruikt worden om een indicatie te geven van de mate van bereidheid in de provincie tot installeren van windturbines. Om te bepalen wat de verdere kansen zijn op uitbreiding van het aantal windturbines is de bebouwingsgraad [Erwich, B. en Vliegen,M., 2001] van de provincie van belang. Zeeland scoort hiermee ruim onder gemiddeld en wordt daarom verwacht vanuit ruimtelijk oogpunt goede potentie te bieden voor uitbreiding van het aantal windturbines.

2.4.2 De Nederlandse focusmarkt voor glastuinbouw: Een overzicht Provincie

Verzilting

Glastuinbouw Aantal areaal (hectare) windturbines

Zeeland

zeer groot

170 (420)

140

Zuid Holland

groot

5150

116

Noord Holland

groot

930

102

Friesland

redelijk

100

58

Groningen

redelijk

65

163

Flevoland

matig

190

131

Bebouwing Ruim onder gemiddeld Ruim boven gemiddeld Ruim boven gemiddeld Ruim onder gemiddeld Ruim onder gemiddeld Ruim onder gemiddeld

W4W marktpotentie zeer goed goed goed redelijk redelijk redelijk

50

3

Zeeland als proeftuin voor een wereldmarkt?

In hoofdstuk 2 is vanuit binnenlands perspectief belicht wat de omgevingsfactoren – windaanbod, verzilting, ruimte, marktvraag – in Zeeland zijn die de mogelijkheid van implementatie van het W4W-systeem toestaan. Dit hoofdstuk dient om naast de implementatiemogelijkheden ook de factoren uiteen te zetten die Zeeland tot een geschikte locatie voor ontwikkeling van het W4W-systeem maken. De specifieke gunstige eigenschappen van Zeeland als proeftuin worden in paragraaf 3.1 uiteengezet. Tevens wordt de geschiktheid van Zeeland als locatie voor het W4W-systeem in een internationaal perspectief geplaatst. Er kleeft namelijk een aantal nadelen aan de Nederlandse marktinrichting dat ervoor zorgt dat de meerwaarde van het W4W-systeem op een aantal punten niet zichtbaar is. In paragraaf 3.2 wordt de groeipotentie van de markt voor het W4W-systeem vanuit de glastuinbouw naar andere sectoren, nationaal en internationaal, besproken. In paragraaf 3.3 wordt de prognose voor ontwikkeling van het W4W-systeem kort besproken.

3.1 Zeeland als proeftuin: de voor- en nadelen De commerciële omgeving in Zeeland voor de ontwikkeling en lancering van het W4Wsysteem biedt verschillende gunstige aspecten, zoals hieronder opgesomd:

• • •

Hoog technologische glastuinbouwsector die gebruik maakt van grote waterbassins Reputatie op gebied watermanagement Technische know-how

De Nederlandse glastuinbouwsector staat internationaal aan de top in implementatie van technologische oplossingen. Zeeland vormt weliswaar niet het centrum van de Nederlandse glastuinbouw, maar is wel in opkomst met het in hoofdstuk 2 genoemde grootschalige en duurzame glastuinbouwproject van 250 ha nabij Terneuzen. Dit gegeven zorgt voor een omgeving van investeringsbereidheid in innovatieve oplossingen. De Zeeuwse reputatie op gebied van water management is internationaal bekend dankzij de deltawerken. De provincie beschikt over technische know-how dankzij de aanwezigheid van een bedrijf in windturbine componenten [Bijlage D1: windturbine producent], de aanwezigheid van de Delta Academy en de aanwezigheid van Nederlands grootste windcoöperatie Zeeuwind.

In internationaal perspectief geplaatst is er een aantal factoren waardoor Zeeland niet in elk opzicht de ideale locatie is voor ontwikkeling van het W4W-systeem. Dit hangt samen met een van de belangrijkste eigenschappen van het systeem, namelijk de autonomie. Hoewel toenemende watertekorten in Zeeland de urgentie van autonomie in de toekomst kunnen vergroten, is autonomie op dit moment nog geen heel groot thema. Het elektriciteits- en waterleidingnetwerk zijn in Nederland namelijk van relatief hoog niveau. Wereldwijd bestaat een groot aantal locaties waar dit niet het geval is en het belang van een autonoom functionerend systeem daarom vele malen groter is. Dit zorgt ervoor dat toepassing op deze 51

locaties commercieel sneller interessant is. Andersom geredeneerd kan gezegd worden dat wanneer er voor de Zeeuwse markt een economisch rendabel systeem kan worden ontwikkeld, de internationale markt eenvoudiger kan worden overtuigd vanwege gunstigere economische perspectieven.

Voor Zeeland is het perspectief van de rol van proeftuin voor het W4W-systeem gunstig.

Ontwikkeling van het systeem in Zeeland voor de internationale markt zal bijdragen aan de lokale werkgelegenheid en verdere versterking van het Zeeuwse imago op gebied van water management.

De oplossing die het W4W-systeem biedt voor het watervraagstuk in Zeeland kan een kleine schakel vormen in het grote geheel. Op dit moment is het aandeel van de glastuinbouw in de totale landbouw in Zeeland vrij gering en de enge toepassing van het W4W-systeem in de bestaande glastuinbouwgebieden zal geen significante bijdrage leveren aan het grootschalige watervraagstuk. Echter, een realistisch scenario voor de toekomst is een trend richting meer hoogwaardige land- en tuinbouw in plaats van traditionele landbouw [WB21, 2004]. Een ontwikkeling naar ofwel meer glastuinbouw ofwel de inpassing van technieken uit de glastuinbouw, zoals waterbassins, in de landbouw, kan leiden tot een breder toepassingsbereik van het W4W-systeem, waarmee de bijdrage aan het watervraagstuk wel degelijk een significante rol kan gaan spelen.

3.2 De groeipotentie van de markt: van zwembad tot drinkwater, van boer tot carwash Het W4W-systeem biedt in principe een oplossing voor iedere partij die behoefte heeft aan gezuiverd water, maar in de directe omgeving kampt met onzuiver grondwater. Afgezien van de technische randvoorwaarden met betrekking tot de fysieke en sociale omgeving, spreidt de commerciĂŤle groeipotentie bij een succesvolle implementatie van het W4W-systeem zich uit over diverse sectoren waarbij te denken valt aan puur commerciĂŤle toepassingen (bijvoorbeeld de landbouw, carwash en zwembaden) of maatschappelijke toepassingen (bijvoorbeeld drinkwaterwinning).

Voor een aantal van deze sectoren zal nader onderzoek moeten uitwijzen of het W4Wsysteem inderdaad op effectieve wijze aan de specifieke waterbehoefte kan voldoen, vanwege de sociaal-politieke haalbaarheid van een windturbine (bijvoorbeeld in het geval van zwembad of carwash), de sterke fluctuaties in de waterbehoefte (bijvoorbeeld in de landbouw) en de behoefte om grote volumes te genereren (bv. bij toepassing voor drinkwaterwinning). Technische ontwikkeling van het W4W-systeem zelf kan hierin wellicht een rol spelen door het verruimen van het bereik van het W4W-systeem naar grotere vermogens. Daarnaast spelen technische ontwikkelingen buiten het W4W-systeem om, zoals de ontwikkeling richting meer hoogwaardige land- en tuinbouw en het algemener gebruik van neerslagbassins, een zeer belangrijke rol.

52

3.3 De ontwikkelingsprognose van de productie In het kader van deze rapportage is er een haalbaarheidsverkenning uitgevoerd op basis van de sectoren waarin op dit moment al veelvuldig gebruikt wordt gemaakt van de ‘reguliere’ RO-systemen. Hoewel de toepassing van zeker het W4W-systeem zich zeker niet hoeft te beperken tot deze sectoren, is het uitzicht op een brede adoptie van het W4W-systeem van belang voor de (commerciële) productie van het systeem. Immers, als een pilot-project in een sector succesvol is waarin de RO-techniek algemeen wordt beschouwd als een goede oplossing, dan kan de toepassing binnen korte tijd op grotere schaal worden uitgerold waardoor de techniek via het principe van de schaaleconomie goedkoper en rendabeler kan worden. Dat zou vervolgens de (financiële) haalbaarheid van het W4W-systeem ook in andere sectoren vergroten. Het proces van ontwikkeling is nog in een dusdanig vroege fase en daarom wordt hier niet dieper ingegaan op concrete stappen in het ontwikkelingstraject.

Meer over de stappen richting realisatie van een pilot-project is beschreven in Deel III.

53

Referenties •

zoet-zout courant nummer 1, 2011, http://www.rijkswaterstaat.nl/images/zoet-zoutcourant %20nummer%201%202011_tcm174-307684.pdf

•

Visser, F., 2007, 'Turbulente Tijden: 20 jaar vereniging Zeeuwind', Coöperatieve Windenergie Vereniging Zeeuwind

•

Agentschap NL, http://www.agentschapnl.nl/programmas-regelingen/stimulering-duurzameenergieproductie-sde

•

SMK Milieukeur, 2012, www.milieukeur.nl

•

CBS/PBL/Wageningen UR,2010, Locatie en concentratie van glastuinbouw 2002-2008, http://www.compendiumvoordeleefomgeving.nl/indicatoren/nl2035-Locatie-enconcentratie-van-glastuinbouw.html?i=39-178

•

The Wind Power, 2011, Wind turbines and wind farms database, http://www.thewindpower.net/country_zones_en_10_netherlands.php

•

Erwich, B. en Vliegen,M., 2001, Bebouwing, CBS Index 2001, http://www.cbs.nl/NR/rdonlyres/E51D7EF0-2151-4974-8F551C6357F8CB85/0/index1159.pdf

•

WB21, 2004, Deelstroomgebiedsvisie Zeeland, www.zeeland.nl/digitaalarchief/ZEE0500428

54

Deel III:

Economische haalbaarheid en realisatie

In dit deel wordt in het eerste hoofdstuk de economische haalbaarheid van het W4Wsysteem getoetst voor verschillende praktijksituaties van bestaande glastuinbouwbedrijven.

De informatie is gebaseerd op de in gesprekken verkregen gegevens. De betreffende tuinders hebben hun interesse uitgesproken in het W4W-systeem en aangegeven bij economische haalbaarheid eventueel mee te willen werken aan een pilot-project. In het tweede hoofdstuk wordt geschetst hoe de realisatie van het eerste W4W pilot-project bereikt dient te worden.

55

Inhoudsopgave Deel III 1:

Verkenning economische haalbaarheid

57

1.1

Voortdurende, constante vraag naar gezuiverd water

1.2

Seizoensgebonden variabele vraag naar gezuiverd water bij gebruik van bassins van gemiddelde grootte (1000 m3 per hectare)

1.3

Seizoensgebonden variabele vraag naar gezuiverd water bij gebruik van grote bassins (4500 m3 per hectare)

1.4

Gebruik voor landbouw: vergelijking met leidingwater

1.5

Conclusies economische haalbaarheid

2:

De realisatie

67

56

1. Verkenning economische haalbaarheid De economische haalbaarheid van het W4W-systeem is onderzocht voor drie verschillende scenario's, allen gebaseerd op werkelijke situaties van geïnterviewde glastuinbouw ondernemers.

•

Toepassing in sectoren met een constante vraag naar sterk gezuiverd water, zonder gebruik te maken van aanvullende waterbronnen zoals hemel- of leidingwater. In deze toepassing wordt gebruik gemaakt van een minimaal bassin.

• Toepassing in situatie met een seizoensgebonden variabele vraag naar gezuiverd water én een behoefte aan elektriciteit bij gebruik van bassins van gemiddelde grootte (1.000 m3/ha) • Toepassing in situatie met een seizoensgebonden variabele vraag naar gezuiverd water en gebruik van grote bassins (4.500 m3/ha).

Als basis voor de berekening is een aantal aannames gemaakt, waarvan een overzicht in bijlage E is weergegeven.

1.1 Voortdurende, constante vraag naar gezuiverd water De meest basale casus om de economische haalbaarheid van het W4W-systeem te onderzoeken, is het systeem te beschouwen als substituut voor de huidige RO-systemen in sectoren waarbij de techniek ook nu al wordt gebruikt voor de productie van gezuiverd water én er geen andere waterbronnen worden gebruikt. Dit is bijvoorbeeld het geval voor het gebruik van zeer zuiver RO-water in benevelingsinstallaties (Bijlage D10: Gesprek Orchideeënkweker Westland). Bij dit type gebruik zijn minimale bassins beschikbaar die slechts enkele dagen zonder waterproductie kunnen overbruggen.

Het W4W-systeem is windgedreven en daardoor sterk afhankelijk van het windaanbod voor de productie. Vanuit dat perspectief moet het systeem bij een dergelijk scenario (voortdurende, constante waterbehoefte aan specifiek zuiver RO-water) gekoppeld worden aan een ‘noodbassin’ waarin het geproduceerde water kan worden opgeslagen om perioden van ‘windstilte’ te doorstaan. Deze periodes zullen in Zeeland echter nooit langdurig zijn (Bijlage D2: Gesprek met ZLTO). Op basis van de gemiddelde windsnelheden in Terneuzen in 2010 en 2011 is vastgesteld dat er een periode van acht windstille dagen in acht genomen zou moeten worden om een stabiele watertoevoer te kunnen garanderen. Oftewel, het bassin moet in principe continu gevuld zijn om in extreme windstille periodes acht dagen lang aan de waterbehoefte van de gebruiker te kunnen voldoen. Als gevolg van deze extra zekerheid gaat er een groot deel van de watercapaciteit verloren; hoewel het W4W-systeem over grote periodes van het jaar meer water produceert dan de gevraagde hoeveelheid, verdwijnt slechts een zeer klein deel van deze productie naar de noodopslag in het bassin.

Een elektrisch aangedreven RO-systeem biedt in dergelijke gevallen meer zekerheid: de productie van het systeem is stabiel en voorspelbaar, waardoor een buffer niet (of nauwelijks) nodig is.

Desalniettemin zou de theoretische energie-efficiënte van het W4W-systeem voldoende kunnen zijn om de energiekosten van een elektrisch aangedreven RO-systeem te 57

compenseren. Om die berekening te maken is allereerst de waterproductie berekend voor één afzonderlijke W4W-turbine (op basis van de winddata van Terneuzen in 2010 en 2011).

De efficiëntie van het systeem wordt bereikt als de gemiddelde dagelijkse waterbehoefte overeenkomt met de maximale waterproductie van één systeem (waarbij bassins gebruikt kunnen worden om de windvariatie op te vangen).

In tegenstelling tot elektrische RO, waarvan de capaciteit redelijk precies aan de waterbehoefte kan worden aangepast, gaat de capaciteit van W4W-turbines ‘drempelgewijs’: als één turbine niet voldoende levert, zullen gelijk de kosten van een tweede turbine gemaakt moeten worden. Vanuit dat perspectief is er gekozen voor een kostenvergelijking op basis van een effectieve capaciteit (267 m3/dag, oftewel 3 turbines) waarvoor ook een nauwkeurige kostenschatting van het elektrische alternatief kon worden gemaakt (capaciteit van 8000 m3/maand). De mogelijkheden op toepassing wordt daardoor wel verkleind: de gemiddelde waterbehoefte van de potentiële eindgebruiker moet binnen de marges van de maximum bassincapaciteit vallen – zo niet, dan wordt een W4W-turbine snel onrendabeler.

Op basis van een rekenmodel (Bijlage C: Matlabcode Water en elektriciteitsproductie) en een kostenrekening in Excel (Bijlage B: Rekenbestand Economische haalbaarheid) zijn de netto contante kosten voor de gehele levensduur van 20 jaar van beide systemen vergeleken op basis van beschikbare gegevens. In tabel 1.1 zijn de resultaten weergegeven, waarbij het scenario met 2,31% energieprijsstijging (gelijk aan de gemiddelde jaarlijkse inflatie) als het basisscenario wordt gehanteerd. In dat scenario is elektrische RO ruimschoots rendabeler dan het W4W-systeem.

Tabel 1.1

Netto contante kosten W4W-systeem bij constante waterbehoefte en minimaal bassin

Indicatie Netto Contante Kosten bij constante waterbehoefte van 267 m3/dag Jaarlijkse stijging energieprijzen 2,31% 5% 10% 3 W4W-turbines € 1.632.551 € 1.632.551 € 1.632.551 Elektrische RO (8000 m3/mnd) € 819.768 € 972.033 € 1.427.278

11,50% € 1.632.551 € 1.628.179

Het grote economische voordeel van de W4W-systemen volgt uit de autonomie van het systeem: geen elektriciteitsverbruik. Als gevolg daarvan hebben stijgende energieprijzen geen invloed op de operationele kosten van het W4W-systeem, in tegenstelling tot bij elektrische RO. Vanuit dat perspectief zijn de netto constante kosten berekend voor verschillende jaarlijkse gemiddelde stijgingen van de energieprijs.

In het scenario met een jaarlijkse, constante verdeelde waterbehoefte moet de energieprijs echter ruim 11,5% (ceteris paribus) stijgen om W4W-systemen ook voor deze toepassing economisch interessant te maken.

Kortom, het W4W-systeem is economisch niet rendabel om toe te passen op locaties met een voortdurende, constante vraag en kleine bassinopslagcapaciteit (tenzij er een zeer sterke stijging van de energieprijzen optreedt). De verkenning van de economische haalbaarheid voor dit scenario heeft de volgende lessen opgeleverd: 1

Het W4W-systeem kan de theoretische energie-efficiëntie alleen benutten in combinatie met een groot opslagbassin voor neerslag, waarin de door het systeem geproduceerde overcapaciteit opgeslagen kan worden. Daarbij is het meest rendabel om wateropslag te 58

hanteren voor later gebruik (bv. seizoensgebonden watervraag). Een kleiner bassin voor enkel de noodvoorziening in windstille periodes, voldoet niet, omdat zijn functie vereist dat het continu gevuld moet zijn.

2

Het W4W-systeem is het meest efficiënt voor toepassing als er periodes van lage waterbehoefte worden afgewisseld met periodes van hoge waterbehoefte, zodat de variatie in het windaanbod kan worden afgevlakt door de ‘ijzeren watervoorraad’ in de waterbassins.

3

Het W4W-systeem kan pas concurreren met een elektrisch RO-systeem als er een grillige waterbehoefte is, waardoor de benodigde maximumcapaciteit van het RO-systeem hoger moet liggen dan de gemiddelde waterbehoefte (dus: investeringskosten voor overcapaciteit van het RO-systeem) en er geen planning van efficiënt elektragebruik kan plaatsvinden.

1.2 Seizoensgebonden variabele vraag naar gezuiverd water bij gebruik van bassins van gemiddelde grootte (1000 m3 per hectare) 1.2.1 Normaal W4W-systeem (150 kW) De uitwerking van de economische haalbaarheidsverkenning voor de toepassing van W4Wsystemen bij een voortdurende, constante vraag leerde dat de variatie van het windaanbod teveel onzekerheid geeft om voldoende kostenbesparingen op het elektriciteitsverbruik te kunnen realiseren ten opzichte van elektrische RO-systemen – de W4W-systemen moeten worden toegepast in een situatie waarin periodes van grote waterbehoefte worden afgewisseld met periodes van lage waterbehoefte. Op die manier kunnen de W4W-turbines de watervoorraad in de waterbassins telkens aanvullen voor nieuwe periodes van grote watervraag.

Vanuit dit perspectief is het interessant om de mogelijkheden van de W4W-systemen te onderzoeken in sectoren met een variabele vraag naar gezuiverd water, zoals de land- en tuinbouw. Uit interviews met verschillende tuinders blijkt dat de waterproblematiek voortkomt uit de periodes van droogte waarin de neerslag (goede waterkwaliteit) niet voldoende water levert om de gewassen te bewateren. Deze periodes van droogte zijn onvoorspelbaar en kunnen problemen veroorzaken tussen de maanden april en september.

Als er grote watertekorten plaats vinden, kunnen de economische gevolgen van gewasschade voor een tuinbouwbedrijf zeer groot zijn (Bijlage D11: Gesprek tuinder nabij Goes).

De reden dat reverse osmosis water hierbij geprefereerd wordt boven leidingwater, ligt in de recirculatie-eisen (Bijlage D9: Gesprek tomatenkweker Westland). Het gietwater dat van de gewassen afkomt, dient namelijk gerecirculeerd te worden voor efficiënt nutriëntengebruik.

Leidingwater bevat hogere natrium concentraties die ophopen in het recirculatiewater omdat natrium niet door de gewassen wordt opgenomen. Op deze manier dient na enkele 59

weken het bassinwater geheel ververst te worden. Reverse osmosis water bevat zeer lage concentraties natrium, zodat de recirculatie het hele seizoen kan worden doorgezet.

Daarnaast is de vraag naar water in deze periodes sectorbreed, waardoor er een overbelasting dreigt op de bestaande ‘noodvoorzieningen’, zoals leidingwater. Uit de interviews met verschillende tuinders blijkt dat de RO-systemen ook een functie van ‘verzekering’ vervullen om het beroep op de noodvoorzieningen zo lang mogelijk uit te kunnen stellen. Vanaf het moment dat het waterpeil in de waterbassins voor het eerst substantieel daalt (medio maart) worden de RO-systemen op halve kracht aangezet om de bassins aan te vullen, waarna er in het voorjaar en de zomerperiode een volledig beroep op de RO-systemen wordt gedaan om watertekorten zoveel mogelijk te voorkomen.

Het W4W-systeem kan deze ‘bijwater’-functie uitstekende vervullen, aangezien de kleine turbine (150 kW) ook bij relatief lage windsnelheden al een redelijke waterproductie kan genereren, waardoor de turbine ook in de zomer substantiële hoeveelheden water blijft produceren. De W4W-turbine kan de waterbassins zodoende blijven aanvullen, zonder de elektriciteitskosten van een normaal RO-systeem.

Het economische voordeel ten opzichte van een constante watervraag is dat ook de ROsystemen in het bovengenoemde scenario (vaak) niet volledig aan de waterbehoefte in de piekperiode kunnen voldoen. Oftewel, de tuinder moet investeren in een maximumcapaciteit van een RO-systeem waarop vervolgens alleen gedurende zeer korte periode werkelijk een beroep wordt gedaan.

Bovendien zal in de praktijk het RO-systeem, vanwege de onvoorspelbaarheid van de droogte, gedurende het seizoen vaker ‘aan’ staan dan achteraf noodzakelijk zou zijn geweest.

In contrast daarmee heeft het W4W-systeem een hoge vaste kostencomponent, maar levert daarna tegen lage variabele kosten continu water.

Het economische rendement van beide systemen (elektrisch RO of W4W-systeem) is afhankelijk van verschillende factoren die op zichzelf moeilijk te voorspellen zijn en bovendien plaatsgebonden zijn (bv. wind en neerslag). Om toch een realistisch inzicht te kunnen opdoen in de economische haalbaarheid van het W4W-systeem is een business case uitgewerkt voor een geïnteresseerde tuinder voor een nieuwbouwproject in de regio Terneuzen (Bijlage D6: Gesprek met projectontwikkelaar Terneuzen). In de plannen van dit project was al plaats ingepland voor het gebruik van RO voor de bewatering én bovendien ruimte voor het plaatsen van windturbines. Gegevens over de waterbehoefte (750 m3/maand/ha), de grootte van de gewenste waterbassingrootte (1.000 m3/ha) en andere randvoorwaarden zijn als basis genomen voor de uitwerking van een business case voor deze locatie.

Aan de hand van het rekenmodel in Matlab (bijlage C) zijn, op basis van de beschikbare neerslag- en windgegevens, berekeningen gemaakt van de theoretische watertekorten die in de afgelopen jaren zouden zijn ontstaan bij toepassing van een elektrisch RO-systeem en het W4W-systeem van variërende groottes. Een voorbeeld van deze modellering is weergegeven in figuur 1.2. Het model rekent het verschil uit tussen de maandelijkse watervraag en het aanwezige water in de vorm van neerslag, RO-productie en het water aanwezig in het bassin.

Bij een overschot wordt het resterende water overgeheveld naar het bassin voor de volgende maand. Bij een tekort wordt er aangevuld met leidingwater.

60

Figuur 1.2

Voorbeeld waterbehoefte per maand en opbrengst van verschillende waterbronnen

De neerslaggegevens zijn gebaseerd op het weerstation in Terneuzen waarvan de maandelijkse gegevens bekend zijn in de periode 2007-2011. Deze periode van vijf jaar is gebruikt als basis om te extrapoleren voor de volledige afschrijvingstermijn van twintig jaar.

Voor het windaanbod is gebruik gemaakt van een Weibull-verdeling over de gemiddelde maandelijkse windsnelheden die door het KNMI geregistreerd zijn in 2010 en 2011 in Vlissingen. Voor de andere jaren is een gemiddelde tussen 2010 en 2011 gebruikt. Ook hier is geĂŤxtrapoleerd voor de volledige afschrijvingstermijn. Aangezien Vlissingen wellicht een gunstiger windaanbod kent dan de beoogde locatie voor de business case, is ook een scenario uitgewerkt waarbij het windaanbod aanmerkelijk lager is (80% van de windsnelheden in Vlissingen).

Vervolgens is met behulp van een rekenmodel in Excel een schatting gemaakt van de totale kosten die bij toepassing van beide systemen zouden zijn gemaakt.

Wat sterk uit de modellering naar voren komt is de grote jaarlijkse variatie in neerslaghoeveelheid. Dit heeft grote gevolgen voor de hoeveelheid benodigde capaciteit van waterproductie, zowel voor het W4W-systeem als voor het elektrische RO-systeem. Figuur 1.3 geeft per jaar aan hoeveel turbines er nodig zouden zijn om het watertekort volledig aan te vullen. Het kan worden geconcludeerd dat 2010 een uitzonderlijk jaar was, waarin de watervraag pas met negen turbines kon worden voldaan, terwijl in andere jaren gemiddeld al met vier of vijf turbines de tekorten volledig zouden zijn aangevuld. Dit geeft al aan dat om een volledige garantie van watervoorziening te verkrijgen, een enorme overcapaciteit dient te worden geĂŻnstalleerd. Dit geldt uiteraard evengoed voor elektrische RO-installaties, hoewel in dit geval nog wel besparing kan worden behaald door de systemen uit te zetten wanneer het zeker is dat er in een bepaald seizoen geen tekorten meer zullen ontstaan, waarmee elektriciteitskosten worden vermeden.

61

180.000

160.000

Resterend watertekort per jaar (m3)

140.000

120.000 2007 100.000

2008 2009 2010

80.000

2011 60.000

40.000

20.000

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

Aantal W4W turbines

Figuur 1.3

Totaal watertekort per jaar als functie van aantal W4W-turbines

Er zou kunnen worden gekozen om de incidentele watertekorten (die eens in de paar jaar voorkomen) aan te vullen met leidingwater. Daarbij wordt echter geen rekening gehouden met de mogelijkheid dat een maand ‘bijwateren’ een complete spoeling van het waterbassin vergt, hetgeen de watervoorziening alsnog in gevaar zou brengen. Als gevolg daarvan zal er in de praktijk wellicht de behoefte zijn om als ‘verzekering’ te investeren in overcapaciteit.

Tabel 1.2 geeft de kosten van het W4W-systeem en het elektrische RO-systeem weer. Hierbij wordt in principe uitgegaan van het scenario met het aantal W4W-turbines waarmee onafhankelijkheid van leidingwater wordt bereikt. Ter vergelijking worden tevens de kosten voor bassinaanvulling met alleen leidingwaterwater weergegeven. Hierbij zijn kosten voor benodigde bassinspoeling vanwege natriumophoping en eventuele leveringsproblemen in perioden van extreme droogte buiten beschouwing gelaten. Ook is er een prijsstijging van het leidingwater aangenomen die gelijk op gaat met de inflatie.

62

Tabel 1.2

Netto contante kosten W4W-turbines bij bassin van 1000 m3/ha

Indicatie Netto Contante Kosten Jaarlijkse stijging energieprijs 2,31%

3,00%

8 W4W-turbines wind Vlissingen

€ 3.698.091

€ 3.698.091 € 3.698.091 € 3.698.091 € 3.698.091

€ 3.698.091

8 W4W-turbines * wind 80% Vlissingen

€ 4.118.827

€ 4.118.827 € 4.118.827 € 4.118.827 € 4.118.827

€ 4.118.827

Elektrische RO (31.000 m3/mnd)

€ 2.418.415

€ 2.496.237 € 2.620.892 € 2.761.307 € 2.919.639

€3.786.497

4,00%

5,00%

6,00%

10,00%

Leidingwater € 2.278.586 € 2.278.586 € 2.278.586 € 2.278.586 € 2.278.586 € 2.278.586 * inclusief meerprijs voor resterend watertekort in juli 2010 Het kan geconcludeerd worden dat het elektrisch RO-systeem voor deze casus economisch sterk de voorkeur heeft boven het W4W-systeem. Pas bij een aangenomen energieprijsstijging van 10% per jaar is het W4W-systeem concurrerend met het elektrische systeem. Zowel voor het W4W-systeem als voor het elektrische RO-systeem is een ruime overcapaciteit nodig om de watervoorziening in de uitzonderlijk droge periode van juli 2010 veilig te stellen. Het W4W-systeem ondervindt in deze periode daarbij ook nog de nadelen van zeer lage windsnelheden. Bijvulling met leidingwater komt als goedkoopste optie uit de bus, maar hierbij zijn meerkosten voor benodigde bassinspoeling en eventuele schade door leveringsproblemen niet meegenomen.

1.2.2 Hybride W4W-systeem (450 kW) De toepassing van de W4W-turbine voor pure waterwinning om de periodes van droogte in het voorjaar en de zomer te doorstaan, heeft als nadeel dat de windturbine feitelijk geen gebruik maakt van het grote(re) windaanbod in de winter. Dit effect wordt sterker bij gebruik van kleinere waterbassins. Wanneer de waterbassins eenmaal gevuld zijn, wordt nutteloos water geproduceerd, hetgeen gezien kan worden als verspilling van de windenergie.

Vanuit deze gedachte is onderzocht of de W4W-turbine op een economisch rendabele manier ook voor een hybride-toepassing, waarmee het systeem bovendien een op maat gesneden applicatie zou bieden in de glastuinbouw en bloembollenteelt. In de winter is er extra elektriciteit nodig voor verlichting van de kassencomplexen, terwijl in de zomer watertekorten kunnen worden opgevangen.

Het technisch onderzoek heeft uitgewezen dat deze hybride-toepassing theoretisch mogelijk is, maar dat vereist wel enige aanpassing. Voor een rendabele toepassing van het hybridesysteem zijn wél de duurdere componenten nodig die in een pure watertoepassing zouden worden uitgespaard ten opzichte van de huidige windturbines die gebruikt worden voor het opwekken van elektriciteit. Bovendien is een grotere (en duurdere) turbine nodig om het vermogen te kunnen genereren voor waterproductie bij de lagere windsnelheden in de zomer. Voor de hybdride-toepassing wordt vanuit dat perspectief een turbine van 450 kW vermogen gebruikt.

63

Het voordeel van de hybride toepassing is dat de rendementen voor de elektriciteitproductie en de waterproductie uitstekende hand in hand kunnen gaan met de seizoensgebonden fluctuaties in windaanbod: het rendement van elektriciteitsopwekking met de 450 kW generator ligt bij de hogere windsnelheden in de winter relatief hoger, terwijl de waterproductie al bij lagere zomerse windsnelheden significant is. Het aantal benodigde hybride W4W-turbines ligt lager dan het aantal benodigde normale W4W-turbines, aangezien het systeem vanwege het grotere vermogen bij lage windsnelheden meer water produceert.

Op basis van de reeds ontwikkelde rekenmodellen voor de economische haalbaarheidsverkenning in het scenario van paragraaf 1.2.1 zijn de netto contante kosten berekend voor toepassing van de W4W-hybride (tabel 1.3). Daarbij is de opbrengst van elektriciteit verrekend tegen de leveringskosten (normaal tarief) bij teruglevering aan het elektriciteitsnet via het salderingsprincipe. Hier is voor gekozen omdat in de Nederlandse praktijk teruglevering aan het elektriciteitsnet een realistischer scenario is dan eigen gebruik van de elektriciteit via opslag in accu's.

Het hybride systeem biedt nog een voordeel, namelijk flexibiliteit voor de gebruiker om in een situatie van overmaat aan waterproductie, het systeem ook in de zomer voor elektriciteitsproductie in te zetten. Het is bepaald dat om aan de waterbehoefte van 2010 te voldoen, 4 turbines nodig zijn (bij windsnelheden van Vlissingen). In de andere jaren wordt al met 3 turbines de behoefte gehaald, zodat in deze jaren de vierde turbine de gehele zomer elektriciteit kan blijven produceren. Dit effect is meegenomen in de kostenanalyse.

Tabel 1.3

Netto contante kosten hybride W4W-turbines bij bassin van 1000 m3/ha

Indicatie Netto Contante Kosten Jaarlijkse stijging energieprijs 2,31% 3,00% 4,00% 5,00% 6,00% 7,00% 4 Hybride W4Wturbines wind Vlissingen € 2.344.219 € 2.255.672 € 2.113.838 € 1.954.074 € 1.773.918 € 1.570.591 5 Hybride W4Wturbines wind 80% Vlissingen € 2.976.135 € 2.865.452 € 2.688.166 € 2.488.453 € 2.263.265 € 2.009.110 Elektrische RO (31.000 m3/mnd)

€ 2.418.415

€ 2.496.237 € 2.620.892 € 2.761.307 € 2.919.639

€3.098.337

Leidingwater

€ 2.278.586

€ 2.278.586

€ 2.278.586

€ 2.278.586

€ 2.278.586

€ 2.278.586

De prestaties van het hybride W4W-systeem zien er een stuk gunstiger uit. Het systeem is bij gelijkblijvende (met de inflatie meestijgende) energieprijzen al concurrerend met het elektrisch RO systeem. Het dient aangetekend te worden dat dit is gebaseerd op de gunstige windgegevens van Vlissingen. Door de extra teruglevering van elektriciteit neemt het verschil snel toe wanneer prijsstijging van energie wordt aangenomen. Bij een energieprijsstijging 64

boven de 4% per jaar is het W4W-systeem ook in een minder gunstig windklimaat concurrerend met het elektrische RO-systeem.

1.3 Seizoensgebonden variabele vraag naar gezuiverd water bij gebruik van grote bassins (4500 m3 per hectare) De laatste casus betreft een glastuinbouwcomplex dat gebruik maakt van grote bassins van 4.500 m3/ha opslagcapaciteit. Dit is een economisch interessante optie op locaties met een relatief lage grondprijs, zoals in bepaalde delen van Zeeland (Bijlage D11: Gesprek tuinder nabij Goes). Deze situatie is gunstig voor zowel het W4W-systeem als het elektrisch ROsysteem, omdat de systemen het hele jaar kunnen produceren, zonder dat het bassin vol raakt. Op deze wijze wordt voor het W4W-systeem de windenergie volledig benut.

Tabel 1.4

Netto contante kosten W4W-systeem bij bassingrootte van 4500 m3/ha

Indicatie Netto Contante Kosten Jaarlijkse stijging energieprijs 2,31% 2 W4W-turbines wind Vlissingen € 953.840 3 W4W-turbines wind 80% Vlissingen € 1.430.229 Elektrische RO (12.000 m3/mnd) € 1.229.954 Leidingwater

€ 2.159.353

3,00%

4,00%

5,00%

6,00%

7,00%

€ 953.840

€ 953.840

€ 953.840

€ 953.840

€ 953.840

€ 1.430.229 € 1.430.229 € 1.430.229 € 1.430.229

€ 1.430.229

€ 1.281.530 € 1.364.145 € 1.457.205 € 1.562.139

€ 1.680.571

€ 2.159.353

€ 2.159.353

€ 2.159.353

€ 2.159.353

€ 2.159.353

De resultaten wijzen uit dat het W4W-systeem in deze situatie zeer kosteneffectief is. Bij windsnelheden van Vlissingen is het systeem in combinatie met een stijging van de energieprijzen gelijk aan de huidige inflatie al ruimschoots goedkoper dan elektrisch RO. Bij lagere windsnelheden is het W4W-systeem concurrerend bij een energieprijsstijging van 5% per jaar.

1.4 Gebruik voor landbouw: vergelijking met leidingwater Voor de hier beschreven situaties in de glastuinbouw is vergelijking met leidingwater niet representatief, aangezien de meerkosten die de slechtere kwaliteit die leidingwater meebrengt voor toepassing in de glastuinbouw niet zijn meegenomen.

Voor eventuele andere toepassingen, zoals in de landbouw, is de slechtere leidingwaterkwaliteit van minder invloed, waardoor een vergelijking wel interessant is. Uit de vergelijking volgt dat ook voor de landbouw het hybride systeem mogelijk interessant is, wanneer in de toekomst ook in deze sector gebruik gemaakt zou worden van bassins, welke tenminste 1.000 m3/ha kunnen bergen. Wanneer nog grotere bassins gebruikt zouden worden, wordt het normale W4W-systeem ook kosteneffectief. Hierbij moet aangetekend worden dat de kosten voor het bassin niet zijn meegenomen in deze vergelijking. Ter 65

illustratie: een bassincapaciteit van 4.500 m3/ha houdt in dat voor iedere hectare landbouwgrond een bassin van bijna een halve hectare aanwezig is. Dit is niet zozeer realistisch, tenzij wellicht gewerkt zou worden met ondergrondse wateropslag.

Bovenstaande in aanmerking nemend is voor de landbouw in Nederland alleen het hybride W4W-systeem op dit moment een realistisch alternatief, hoewel de landbouw nog niet werkt met bassins (uitzonderingen daar gelaten). De leveringszekerheid die met leidingwater nooit gegarandeerd kan worden is het belangrijkste argument voor het gebruik van bassins in de landbouw en daaraan gekoppeld de toepassing van het W4W-systeem. Gezien de grote hoeveelheid parameters en de onzekerheden hierin is gekozen om voor de landbouw geen business case uit te werken. Bovenstaande kostenanalyse laat wel zien dat wanneer het enige huidige alternatief, namelijk leidingwater, niet meer mocht voldoen, het hybride W4Wsysteem een kosteneffectieve oplossing vormt, mits hierbij wordt gebruik gemaakt van bassins.

1.5 Conclusies economische haalbaarheid De uitgewerkte cases, gebaseerd op werkelijke situaties bij Nederlandse glastuinbouwbedrijven, wijzen uit dat het W4W-systeem in twee van de vier besproken gevallen economisch interessant is. Voor economische haalbaarheid is van belang dat er een bassin van aanzienlijke omvang wordt gebruikt, om de variabiliteit van de waterproductie met windenergie te bufferen.

1. Voor een bedrijf dat gebruik maakt van middelgrote bassins (1.000 m3/ha) met een waterbehoefte in de zomer en elektriciteitsbehoefte in de winter, is het hybride W4W-systeem een kosteneffectieve optie.

2. Voor een bedrijf dat gebruik maakt van grote bassins (4.500 m3/ha) biedt het normale W4W-systeem een economisch interessant alternatief.

Voor toepassing in de landbouw is de leveringszekerheid, die met leidingwater nooit gegarandeerd kan worden, het belangrijkste argument om over te gaan tot het gebruik van bassins en daaraan gekoppeld de toepassing van het W4W-systeem. Bovenstaande kostenanalyse laat zien dat wanneer het enige huidige alternatief, leidingwater, niet voldoet, het hybride W4W-systeem, mits gecombineerd met het gebruik van wateropslag, een kosteneffectieve oplossing vormt.

66

2. De realisatie De raming van de investeringskosten voor het Wind4Water-systeem is weergegeven in tabel 2.1. Een gedetailleerde opgave van de opbouw van deze kosten is te vinden in Bijlage B. Tabel 2.1

Investeringsbedragen W4W-systeem

Systeem

Investeringsbedrag

W4W-systeem

€ 345.500

Hybride W4W-systeem

€ 787.300

Voor het W4W-systeem is deze investeringsdrempel zeker in de introductiefase een belangrijk aandachtspunt, om twee redenen: (1) de productievoordelen van grootschalige productie kunnen nog niet worden benut, en (2) voor de opstartfase van W4W is kapitaal nodig voor (verdere) ontwikkeling van het systeem.

De Nederlandse glastuinbouwsector wordt gekenmerkt door innovatie en grote investeringen worden niet geschuwd (Bijlage D6,D9: Gesprek projectontwikkelaar Terneuzen, tomatenkweker Westland). In dat opzicht zijn de hoge investeringskosten op zichzelf geen belemmering. Het opzetten van een pilot-project vergt een grote bereidheid tot risico nemen. Diverse tuinders hebben hierin interesse getoond. De specifieke economische haalbaarheidsanalyses zoals beschreven in hoofdstuk 1 worden uitgewerkt voor een drietal tuinders en op basis hiervan dient bepaald te worden of er concrete interesse is. In dat stadium zullen de mogelijkheden voor een pilot-project worden besproken en onderzocht. Er zal worden bepaald of het pilot-project zich moet richten op het normale W4W-syteem of de hybride variant.

Voor de technische en logistieke realisatie dient samengewerkt te worden met partners. Op gebied van waterontziltingstechnieken zijn verkennende gesprekken gevoerd met een Nederlands bedrijf in deze markt (Bijlage D5: Gesprek waterontziltingsbedrijf). Op dit moment bestaat de samenwerking uit het uitwisselen van informatie. Over een invulling van verdergaande samenwerking dient gesproken te worden wanneer er concrete interesse is in een pilot-project vanuit één van de benaderde glastuinbouwondernemer. Op gebied van de ontwikkeling van het wind-aandrijvingssysteem is contact met een Zeeuws bedrijf met expertise op dit gebied (Bijlage D1: Gesprek medewerker fabrikant windturbinecomponenten). Genoemde partijen kunnen hun leverancierswerk inzetten ten bate van het volledige Wind4Watersysteem. Bij de TU Delft wordt de mogelijkheid geïnventariseerd van het inzetten van een team studenten voor verder technische uitwerking en testwerkzaamheden via de Design Challenge.

Deze investering voor een pilot-project dient te worden gedaan met aan de ene kant geïnvesteerd vermogen van de tuinder waarvoor het pilot-project bestemd is en aan de andere kant met bijdrage van de partners. Aanvullende subsidie zal hierbij nodig zijn. De mogelijkheid tot subsidie aanvraag is aanwezig via bijvoorbeeld de SDE+ regeling of het

67

Europese Kaderprogramma [Agentschap NL]. In overleg met de partners moet een raming van het totaal benodigde investeringsbedrag worden gemaakt.

De planning tot aan realisatie van een pilot-project is weergegeven in figuur 2.1. Hieruit volgt dat binnen anderhalf jaar kan een pilot-project worden gerealiseerd.

2012 Jan– Apr

2013

Mei – Aug

Sep – Dec

Jan– Apr

Mei – Aug

Sep – Dec

Marktonderzoek Business case Vorming samenwerkingsverband Investering en subsidie voor pilot Technisch onderzoek Realisatie pilot project Commercialisering Figuur 2.1

Globale planning tot en met realisatie pilot systeem

68