Energieopwekkende stroomgoot
Eindrapportage
Avans hogeschool Tilburg
Advies- en ingenieursbureau Movares
2011
Colofon
Datum
15 juni 2011, versie 2.0 Definitief
Auteurs
Frank van den Broek 2014394 Mark Wennekes 2007835
E-mailadres
fa.vandenbroek@student.avans.nl m.wennekes@student.avans.nl
Afstudeerbedrijf
Advies- en ingenieursbureau Movares, divisie infra, afdeling constructies waterbouw Havens en vaarwegen
Afstudeeracademie
Voorwoord
In februari van het jaar 2011 zijn wij, Mark Wennekes en Frank van den Broek, begonnen met afstuderen aan Avans Hogeschool te Tilburg. Wij zijn twee civiele studenten die het laatste halve jaar van de opleiding een afstudeeronderzoek doen naar het opwekken van energie met waterkracht op locaties met verval in Nederland. Het afstudeeronderzoek hebben wij gedaan bij Movares, adviseurs en ingenieurs, te Utrecht.
Bij dit afstudeerproject zijn wij gesteund door onze begeleiders, ir. T. de Keijzer en ir. H. Koenen, van Avans Hogeschool Tilburg. Vanuit het afstudeerbedrijf zijn wij begeleid door ir. ing. W. Peters. Langs deze weg willen wij onze drie begeleiders hartelijk danken voor de steun en de begeleiding bij ons afstudeeronderzoek.
Gedurende het afstudeerproject hebben wij contacten gelegd in het bedrijfsleven. Daarbij zijn wij met verschillende deskundigen op verschillende gebieden in aanraking gekomen. Al deze deskundigen hebben op hun manier bijgedragen aan het resultaat van dit afstudeeronderzoek. De volgende personen willen wij daarom bedanken:
ir. J. Zabicki, Movares; ing. B. Bouwens, Movares; ir. J. Montijn, Movares;
ir. T. Ketelaars, Avans Hogeschool; ir. M. Pot, WaterPotentieel;
ir. P. van der Does, Rijkswaterstaat.
Wij hebben met veel passie en plezier aan deze afstudeeropdracht gewerkt. Wij zijn, ondanks wat kleine tegenslagen, erg tevreden over het resultaat en hopen dat het rekenmodel een vernieuwing is voor het bedrijfsleven en dat Nederland zich verder gaat ontwikkelen op het gebied van duurzame energie met waterkracht.
Wij wensen de lezers van dit rapport veel leesplezier toe en hopen dat dit rapport aanzet tot het gebruiken van het rekenmodel!
Mark Wennekes Frank van den Broek
Samenvatting
In deze samenvatting is het proces, de scope en het resultaat van dit afstudeerproject beschreven.
De Nederlandse overheid heeft het doel om voor 2020 14% van het totale energieverbruik uit duurzame energie te laten voortkomen. In Nederland liggen kansen om meer duurzame energie met behulp van waterkracht op locaties met verval op te wekken. De gestelde hoofdvraag bij dit afstudeerproject is: Hoe wordt de potentie van een dergelijke locatie bepaald?
Om de potentie van deze locaties in beeld te brengen, is als resultaat van dit afstudeeronderzoek een rekenmodel ontwikkeld. Dit rekenmodel is een hulpmiddel waarmee de potentie van dergelijke locaties bepaald kan worden.
De waterkrachtcentrale voor het opwekken van duurzame energie is in dit afstudeerproject een zogenoemde stroomgoot. Om de potentie, uitgedrukt in een terugverdientijd, van een locatie met een stroomgoot te bepalen, moeten de kosten en inkomsten van deze stroomgoot bekend zijn. De kosten bestaan uit het realiseren en onderhouden van de stroomgoot. De inkomsten komen, naast subsidies van de overheid, uit de verkoop van de opgewekte elektriciteit. De hoeveelheid opgewekte elektriciteit wordt bepaald door het vermogen van de machine in de stroomgoot en de rendementen van de generator, de tandwielkast en de transformator. Het vermogen van de machine is voornamelijk afhankelijk van het rendement van de machine zelf, het verval op de locatie en het debiet dat door de stroomgoot gaat.
Het rekenmodel berekent de terugverdientijd van de stroomgoot op een locatie met verval. Om te verifiëren dat het rekenmodel in het bedrijfsleven gebruikt kan worden, is een programma van eisen opgesteld. Het rekenmodel is vervolgens getoetst aan dit programma van eisen.
Bij de toetsing blijkt dat het rekenmodel aan alle gestelde eisen voldoet. Het rekenmodel is in staat om de potentie van een locatie met verval in Nederland te bepalen.
Bij het rekenmodel (ontwikkeld in Excel) is een gebruikshandleiding opgesteld. Met deze handleiding is het voor iedereen met een technische waterbouwkundige achtergrond mogelijk het rekenmodel te gebruiken. Aan de hand van de resultaten van dit afstudeerproject zijn aanbevelingen gedaan.
Met dit rekenmodel wordt het eenvoudiger voor een cliënt om te bepalen of het investeren in duurzame energie opgewekt met waterkracht op locaties met verval in Nederland haalbaar is. Wanneer cliënten zien dat deze investeringen een korte terugverdientijd hebben en na deze terugverdientijd winstgevend zijn, stimuleert dat de bedrijven om te investeren in deze vorm van duurzame energie. Op deze manier wordt een bijdrage geleverd aan het behalen van de doelstelling van de Nederlandse overheid om in 2020 14% van het totale energieverbruik uit duurzame bronnen te laten komen.
Summary
This summary describes what the thesis is about and what the result is. As a result of this thesis a tool (mathematical model) is made.
The main question asked, is how to determine the potential for generating renewable energy from hydropower at a location in the Netherlands with a head. The goal of this project is to develop a mathematical model to determine the potential return.
To determine the potential return of a new flume at a location in the Netherlands, the costs and revenues of the flume must be first determined. Revenues are generated by means of grants from the government, and the sale of electricity. The generated electricity is determined by the efficiency of the generator, gearbox and transformer. The power generated by machine depends on the head and the flow rate through the flume.
The mathematical model calculates the return of the flume at a given location. To verify that the mathematical model can be used by businesses, a list of requirements has been formulated and verified.
The verification shows that the mathematical model is capable of determining the potential return at a given location with a head and thus meets the objective of this thesis.
For using the mathematical model (created in Excel) a user‟s manual has been made. This guide is suitable for anyone with a scientific and or technical background. This manual also describes recommendations for the model.
The mathematical model makes it easier for companies to determine whether investing in renewable energy at locations with a head in the Netherlands is feasible. When companies see that their initial investments have a short-term payback and are quickly profitable. This encourages companies to invest in generating renewable energy from hydropower. This way the model contributes to achieving the objective of the Dutch government of 14% renewable energy of the total use of energy in 2020.
Inhoudsopgave
Voorwoord ... 4 Samenvatting ... 5 Summary ... 6 1. Inleiding ... 8 2. Proces ... 9 2.1 Proces ... 9 2.2 Probleemstelling ... 9 2.3 Doelstelling ...10 2.4 Hoofdvraag ...10 2.5 Referenties ...10 3. Vooronderzoeken ... 11 3.1 Waterkracht in Nederland ...11 3.2 Stroomgoot ...12 3.3 De potentie...14 3.4 Referenties ...14 4. Het rekenmodel ... 154.1 Beschrijving van het rekenmodel ...16
4.2 Toetsing van het rekenmodel ...17
5. Conclusies en aanbevelingen ... 20 5.1 Conclusies ...20 5.2 Aanbevelingen ...21 Begrippenlijst ... 22 Symbolenlijst ... 24 Bijlagenbundel Bijlage A: Vooronderzoeken
Bijlage B: Beschrijving rekenmodel Bijlage C: Toetsing rekenmodel
Bijlage D: Gebruikshandleiding rekenmodel Bijlage E: Digitaal rekenmodel
1. Inleiding
In dit hoofdstuk is het kader van dit afstudeerproject beschreven. Daarbij is beschreven welke producten er gemaakt zijn en waar deze eindrapportage over gaat. De Nederlandse overheid heeft het doel om voor 2020 14% van het totale energieverbruik uit duurzame energie te laten voortkomen. Deze doelstelling volgt uit de Europese doelstellingen voor duurzame energie en uit de Europese klimaatdoelstelling.
In 2009 is er over het huidige energieverbruik een balans opgemaakt, daaruit blijkt dat het percentage duurzame energie op 3,8% ligt.
Om aan deze doelstelling te kunnen voldoen heeft de Nederlandse overheid de keuze uit verschillende manieren om duurzame energie op te wekken. Zonne-energie en windenergie zijn in Nederland de meest voorkomende manieren. Momenteel zijn in Nederland slechts enkele locaties waar met behulp van waterkracht energie wordt opgewekt. Hier liggen meer mogelijkheden voor de ontwikkeling van deze vorm van duurzame energie in Nederland.
Bij alle functionele schutsluizen is een verval aanwezig en zijn er mogelijkheden om met behulp van waterkracht duurzame energie op te wekken. Het is daarom wenselijk dat de op te wekken energie per jaar en ook de financiële haalbaarheid (potentie, uitgedrukt in terugverdientijd) van een project op een dergelijke locatie snel bepaald kunnen worden.
Het beoogde resultaat van dit afstudeerproject is dan ook een rekenmodel, waarmee de potentie (uitgedrukt in een terugverdientijd in jaren) van een locatie met een verval snel te bepalen is. Het rekenmodel is gebaseerd op een situatie waarbij een separate waterstroom naar een energieopwekkende machine wordt geleid. Deze kleine waterkrachtcentrale is in dit afstudeerproject de stroomgoot genoemd.
Er is in verschillende fases naar het resultaat toe gewerkt. In de eerste fase zijn vooronderzoeken gedaan. Aan het eind van deze fase is de deelrapportage „Vooronderzoeken‟ geleverd. Als conclusie van de vooronderzoeken zijn de criteria voor het rekenmodel bepaald. Uit deze conclusie volgen ook de technische eisen voor het rekenmodel.
Vervolgens is in fase 2 het rekenmodel beschreven in de deelrapportage „Beschrijving rekenmodel‟. In deze fase zijn de algemene eisen opgesteld en zijn het rekenmodel en de bijbehorende handleiding gemaakt (deelrapportage „Gebruikshandleiding‟ ).
In fase 3 is het rekenmodel getoetst op de gestelde technische en algemene eisen. De bevindingen van deze toetsing zijn beschreven in de deelrapportage „Toetsing rekenmodel‟. Na de toetsing zijn het rekenmodel en de handleiding verbeterd.
In de laatste fase (fase 4) vindt de eindredactie plaats. Alle deelrapporten zijn als bijlage toegevoegd aan de Eindrapportage. Daarbij zijn het rekenmodel en de handleiding geleverd.
Deze eindrapportage beschrijft het proces en de resultaten van het hele afstudeerproject. Eerst worden de vooronderzoeken beschreven. Daarna volgt een beschrijving van het rekenmodel en de toetsing daarvan. Bij deze eindrapportage hoort het zojuist genoemde (digitale) rekenmodel. Achteraan in deze rapportage is een begrippenlijst en symbolenlijst opgenomen. Deze begrippen en symbolen zijn gedurende dit afstudeerproject gebruikt.
2. Proces
In dit hoofdstuk is het proces van het afstudeerproject beschreven. Dit proces vormt het kritieke pad van het afstudeerproject. Daarbij horen de probleemstelling, de doelstelling en de hoofdvraag.
Zoals in hoofdstuk één is vermeld, heeft de Nederlandse overheid het doel {ref. 2.1} om voor 2020 14% van het totale energieverbruik uit duurzame energie te laten voortkomen.
2.1 Proces
Om tot het goede resultaat te komen is er een kritiek pad (figuur 2.1) opgesteld voor het afstudeerproject. Door tijdens het afstuderen dit pad te volgen, is er gericht gewerkt naar het eindresultaat. In deze eindrapportage zijn de resultaten van dit afstudeerproject volgens dit pad beschreven.
2.1 Kritieke pad van het afstudeerproject.
2.2 Probleemstelling
In het kader van het doel van de Nederlandse overheid, is de volgende probleemstelling geformuleerd:
“Er wordt nog niet voldaan aan het doel van de Nederlandse overheid om 14% van het totale energieverbruik te laten bestaan uit duurzame energie.”
Het opwekken van duurzame energie kan op verschillende manieren. Zo kan er gebruik gemaakt worden van zon, wind, biomassa en water. In Nederland wordt, ten opzichte van het buitenland, weinig energie met water opgewekt. Dit komt omdat Nederland in een deltagebied ligt. Het verval in de rivieren en kanalen in een deltagebied is over het algemeen gering. Met een gering verval is het niet mogelijk om grote hoeveelheden energie met waterkracht op te wekken.
Ondanks de geringe vervallen in Nederland zijn er wel kansen voor ontwikkelingen op het gebied van duurzame energie op basis van waterkracht. Met een gering verval kan immers ook energie opgewekt worden. Dit opwekken kan met behulp van een energieopwekkende machine in de zogenoemde stroomgoot (paragraaf 3.2).
Om het opwekken van energie op basis van waterkracht te stimuleren, moeten locaties snel beoordeeld kunnen worden op potentie voor het opwekken van energie. Veel locaties met kleine potentie kunnen leiden tot een grote totale hoeveelheid energieopwekking.
Bij de vele functionele schutsluizen in Nederland is standaard een verval aanwezig. Deze locaties hebben dus potentie om energie op te wekken. Op basis van voorgaande is er behoefte aan een hulpmiddel om de potentie van een locatie met een schutsluis snel te bepalen. De probleemstelling voor dit afstudeerproject luidt dus: “Er is nog geen hulpmiddel om snel de potentie van het opwekken van duurzame energie met behulp van waterkracht op een locatie in Nederland met een schutsluis en een verval te bepalen.”
2.3 Doelstelling
Om de potentie van locaties met een schutsluis en een verval snel te bepalen, is de doelstelling van dit afstudeerproject als volgt geformuleerd:
“Het opstellen van een rekenmodel om de potentie voor het opwekken van elektriciteit met behulp van een stroomgoot op locaties met schutsluizen en een verval in Nederland te bepalen.”
Dit rekenmodel kan de ontwikkeling van duurzame energie op basis van waterkracht stimuleren en zo een bijdrage leveren aan het behalen van de doelstelling van de Nederlandse overheid, namelijk in 2020 14% van het energieverbruik duurzaam te laten zijn.
2.4 Hoofdvraag
Om de doelstelling te behalen, is er een hoofdvraag opgesteld. De hoofdvraag is als volgt geformuleerd:
“Hoe bepaal je met een rekenmodel de potentie van een locatie met een schutsluis en een verval om met behulp van een stroomgoot en waterkracht elektriciteit op te wekken?”
Om tot het antwoord op de hoofdvraag te komen, zijn er vooronderzoeken uitgevoerd. In de vooronderzoeken is onderzocht wat er speelt op het gebied van waterkracht in Nederland en hoe de potentie van een locatie bepaald kan worden. Daarbij is nader onderzoek gedaan naar het principe van de stroomgoot. De vooronderzoeken zijn beschreven in hoofdstuk drie.
Aan de hand van de vooronderzoeken zijn technische eisen voor het rekenmodel opgesteld. Deze zijn aangevuld met algemene eisen en beschreven in hoofdstuk vier. Tevens is in dit hoofdstuk de toetsing van het rekenmodel beschreven.
In de conclusie (hoofdstuk vijf) van deze eindrapportage is de hoofdvraag beantwoord. Vervolgens zijn in dit hoofdstuk de aanbevelingen rondom dit afstudeerproject vermeld.
2.5 Referenties
{2.1} Rijksoverheid. Geraadpleegd in februari 2011. Doel: 14% duurzame energie. http://www.rijksoverheid.nl/onderwerpen/duurzame-energie/doel-14-duurzame-energie
3.
Vooronderzoeken
In dit hoofdstuk zijn de conclusies uit de vooronderzoeken beschreven. Uit deze conclusies volgen de invoercriteria en de technische eisen voor het rekenmodel. Het doel van de vooronderzoeken is achterhalen wat er speelt op het gebied van waterkracht in Nederland en uitzoeken welke criteria nodig zijn om de potentie van een locatie met verval te bepalen. Er is onderzoek gedaan naar wat er op dit moment speelt op het gebied van waterkracht in Nederland en naar het principe van de stroomgoot. Het rekenmodel bepaalt met de invoercriteria, die volgen uit de vooronderzoeken, de potentie (terugverdientijd, bijlage A; bijlage I) van een locatie met verval en moet voldoen aan de gestelde technische eisen uit de vooronderzoeken. De hoofdzaken uit de deelrapportage „Vooronderzoeken‟ zijn in de volgende paragrafen beschreven. De volledige deelrapportage is te vinden in bijlage A.
3.1 Waterkracht in Nederland
Opwekking van duurzame energie met behulp van waterkracht in Nederland is volop in ontwikkeling. Bij de grote vervallen staan waterkrachtcentrales, maar bij de kleinere vervallen bij schutsluizen in Nederland is slechts één waterkrachtcentrale actief. Er lopen wel haalbaarheidsonderzoeken naar projecten voor het bouwen van waterkrachtcentrales bij schutsluizen. Voor dit soort projecten stelt Rijkswaterstaat dat het haalbaar moet zijn bij een terugverdientijd van tien jaar (bijlage A; paragraaf 2.2.2).
De regelgeving (bijlage A; hoofdstuk 3) en de neveneffecten (bijlage A; hoofdstuk 5) in het kader van het bouwen van waterkrachtcentrales zijn in de volgende deelparagrafen beschreven.
3.1.1 Regelgeving
Voor het bouwen van waterkrachtcentrales in en nabij rivieren en kanalen gelden regels. Zo moeten bij de overheid vergunningen aangevraagd worden. Naast de aanvraag van vergunningen kunnen bij de overheid, onder bepaalde voorwaarden, subsidies (bijlage A; paragraaf 9.1) aangevraagd worden. Met deze subsidies stimuleert de overheid de ontwikkeling van energie uit waterkracht.
3.1.2 Neveneffecten
Het bouwen van een waterkrachtcentrale (stroomgoot) heeft gevolgen (neveneffecten) voor de omgeving. De toelaatbaarheid van deze neveneffecten is vastgelegd in de regelgeving van de overheid.
Het bouwen van een stroomgoot zorgt voor een separate waterstroom die de leegloop van het bovenpand stimuleert. Deze waterstroom zorgt ook voor een ander erosie- en sedimentatiepatroon in de vaarweg. Daarbij veroorzaken te sterke zijstromen hinder voor de scheepvaart. Deze effecten moeten binnen gestelde grenzen blijven. Bij een stroomgoot met een relatief klein debiet ten opzichte van de vaarweg, zijn deze effecten te verwaarlozen.
De kwaliteit van het water mag niet verslechteren. Stilstaand water moet daarom voorkomen worden. Extra beluchting zorgt voor kwaliteitsverbetering (zuurstofrijker) van het water en kan ontstaan door de uitstroom van turbulent water uit de stroomgoot.
Om de levensduur en efficiëntie van de machine te vergroten, moet cavitatie voorkomen worden. Deze gasvorming, met corrosie op rotorbladen tot gevolg, kan voorkomen worden door de onderdruk te beperken en de machine niet te diep aan te leggen.
Het belangrijkste neveneffect bij waterkrachtcentrales is de vismortaliteit (vissterfte). De maatschappij en Rijkswaterstaat accepteren geen hoge vissterfte door waterkrachtcentrales. Bij visonvriendelijke machines is een visgeleidingssysteem of ecologisch turbinebeheer noodzakelijk. Dit is aan de cliënt om te bepalen.
3.2 Stroomgoot
De stroomgoot (bijlage A; hoofdstuk 4) is een constructie om een separate waterstroom langs een vaarweg door een machine te leiden om zo elektriciteit op te wekken. De stroomgoot (figuur 3.1) bestaat uit vijf onderdelen, namelijk de gootconstructie, de in- en uitstroomconstructie, de fundering, de machine en de extra onderdelen. Deze extra onderdelen zijn benodigd voor het functioneren van de stroomgoot.
3.2.1 De gootconstructie
De gootconstructie kan van verschillende materialen gemaakt worden. In het rekenmodel zijn vijf materialen (beton, kunststof, staal, composiet en gres) verwerkt. Deze materialen worden veelvuldig gebruikt in de civiele sector en zijn daarom geschikt voor het rekenmodel.
Voor de vorm van de stroomgoot is gekozen voor de meest gebruikte vormen in de civiele sector, namelijk rond en rechthoekig. Deze vormen zijn in het rekenmodel verwerkt.
3.2.2 In- en uitstroomconstructie
De stroomgoot heeft een in- en een uitgang. Deze in- en uitstroomconstructies hebben invloed op het in- en uitstromende water. Een hoekig gevormde constructie geeft extra vertragingverliezen wat ten koste gaat van de stroomsnelheid van het water. Dit gaat weer ten koste van de opgewekte energie per jaar. De eventuele in- en uittreeverliezen kunnen in het rekenmodel ingevuld worden.
3.2.3 Machine
Er zijn veel machines (bijlage A; hoofdstuk 6) die werken op basis van potentiële (verval) energie. Machines waarvan alle benodigde eigenschappen bekend zijn, zijn verwerkt in het rekenmodel. Het gaat om de volgende machines:
Francis turbine; Cross Flow turbine; Kaplan turbine; o Tube turbine; o Bulb turbine; o Straflo turbine; Pelton turbine; Turgo turbine;
Schroef van Archimedes; VLH turbine;
Waterrad.
3.2.4 Extra onderdelen
Om de stroomgoot volledig te maken zijn onderdelen als een krooshek (ten behoeve van grofvuilvang) en afsluitmiddelen nodig. Deze onderdelen zorgen voor het blijven functioneren van de stroomgoot en het mogelijk maken van het onderhouden van de stroomgoot. Daarmee verlengen deze onderdelen de levensduur van de stroomgoot. Om de mechanische energie van de machine om te zetten in bruikbare elektriciteit zijn een tandwielkast, een generator en een transformator nodig.
Alle genoemde extra onderdelen hebben invloed op de potentie van een locatie met verval (bijlage A; bijlage I). Deze invloeden zijn in het rekenmodel verwerkt.
3.3 De potentie
De potentie (terugverdientijd) is tijd die verloopt tussen het moment van investeren en het moment waarop de door deze investering veroorzaakte opbrengsten gelijk zijn aan de investering. De terugverdientijd (bijlage A; hoofdstuk 7) is afhankelijk van de kosten (bijlage A; hoofdstuk 8) en de inkomsten (bijlage A; hoofdstuk 9) van het project. Voor het berekenen hiervan is gebruik gemaakt van de SSK-systematiek {ref. 3.1}.
3.3.1 De kosten
De kosten van een project zijn in twee categorieën te verdelen, namelijk kosten die direct aan het begin gemaakt worden (investeringskosten) en kosten die tijdens de levensduur van het project gemaakt worden (levensduurkosten). Beide zijn direct in te vullen in het rekenmodel of kunnen bepaald worden volgens de SSK-systematiek. Voor deze bepaling is een apart werkblad in het rekenmodel opgesteld.
3.3.2 De inkomsten
De inkomsten van een project worden gegenereerd uit subsidies en uit de opbrengst van de verkoop van de elektriciteit.
De subsidies kunnen veranderen door het wisselende beschikbare budget van de overheid. Ze zijn daarom separaat in het rekenmodel in te vullen. De subsidieregelingen anno voorjaar 2011 zijn in het rekenmodel verwerkt.
De opbrengsten per jaar worden berekend door de afzetprijs van de elektriciteit te vermenigvuldigen met de totaal opgewekte elektriciteit (kWh) per jaar.
Voor het berekenen van de opgewekte energie moeten de werkingstijd, het theoretisch vermogen en het totale rendement van de stroomgoot bekend zijn.
De werkingstijd per jaar geeft het aantal dagen per jaar aan dat de stroomgoot daadwerkelijk in bedrijf is. Deze tijd wordt beïnvloed door de aanvoer van water, ecologisch turbinebeheer, het onderhoud en calamiteiten.
Het theoretisch vermogen wordt berekend met hydraulische berekeningen. Hierbij spelen het debiet door de stroomgoot en het verval op de locatie de grootste rol. Het totale rendement van de stroomgoot wordt bepaald door de individuele rendementen van de machine, de tandwielkast, de generator en de transformator. De rendementen van de machines zijn in het rekenmodel verwerkt. De rendementen van de tandwielkast, de generator en de transformator (bijlage D; paragraaf 2.5) moeten door de cliënt worden ingevuld.
Met behulp van de resultaten van de vooronderzoeken zijn technische eisen voor het rekenmodel opgesteld. Deze eisen zijn weergegeven en getoetst in paragraaf 4.2 van deze eindrapportage.
3.4 Referenties
{3.1} CROW, publicatie 137 (februari 2011). Standaardsystematiek voor kostenramingen - SSK-2010: Handreiking voor kostenmanagement en kostenramen.
4.
Het rekenmodel
Dit hoofdstuk beschrijft de technische eisen voor het rekenmodel die naar voren zijn gekomen uit de vooronderzoeken. Daarnaast zijn er algemene eisen voor het rekenmodel opgesteld. Het rekenmodel is vervolgens aan alle eisen getoetst. De resultaten zijn beschreven in dit hoofdstuk.
In het vorige hoofdstuk zijn de belangrijkste conclusies uit de deelrapportage „Vooronderzoeken‟ beschreven. Uit deze conclusies zijn technische eisen voortgekomen (bijlage B; hoofdstuk 2). Het rekenmodel moet aan deze technische eisen voldoen.
Naast de technische eisen zijn algemene eisen (bijlage B; hoofdstuk 3) opgesteld. Het rekenmodel is getoetst op vier algemene eisen, namelijk:
Correctheid; Betrouwbaarheid; Functionaliteit;
Gebruiksvriendelijkheid.
Om de vier algemene eisen specifieker te maken, zijn prestatie-indicatoren (bijlage B; paragraaf 3.1) opgesteld. De gevoeligheid van de verschillende invoercriteria zijn getoetst door middel van een gevoeligheidsanalyse (bijlage C; hoofdstuk 5).
De toetsingen op de eisen en de gevoeligheidsanalyse zijn beschreven in de deelrapportage „Toetsing rekenmodel‟ (bijlage C). In paragraaf 4.2 van deze eindrapportage zijn de belangrijkste resultaten beschreven.
In paragraaf 4.1 is een korte beschrijving van het rekenmodel gegeven. Een uitgebreide beschrijving van het rekenmodel met toelichting op de gestelde eisen is te vinden in de deelrapportage „Beschrijving rekenmodel‟ (bijlage B).
4.1 Beschrijving van het rekenmodel
Het rekenmodel (figuur 4.1 en 4.2) is ontwikkeld in het programma Microsoft Office Excel 2007. Het rekenmodel is opgebouwd uit verschillende werkbladen (bijlage B; paragraaf 6.2) waarbij op elk werkblad criteria ingevuld kunnen worden. Naarmate meer criteria ingevuld worden, wordt de berekening van de potentie nauwkeuriger. De volgende waarden kunnen met het rekenmodel worden berekend:
Debiet door een stroomgoot met een: o Ronde dwarsdoorsnede; o Rechthoekige dwarsdoorsnede; Theoretisch vermogen;
Maximaal op te wekken energie per jaar; Nominale en netto contante terugverdientijd.
Bij het rekenmodel is een gebruikshandleiding gemaakt. De gebruikshandleiding is te vinden in bijlage D van deze eindrapportage.
4.2 Toetsing van het rekenmodel
Het rekenmodel is getoetst op de technische en algemene eisen. Daarnaast is een gevoeligheidanalyse gemaakt. Een uitgebreide beschrijving van de toetsingen en de gevoeligheidsanalyse van het rekenmodel zijn te vinden in de deelrapportage „Toetsing rekenmodel‟ (bijlage C). De eisen en de resultaten van de toetsingen en de gevoeligheidsanalyse zijn in deze paragraaf beschreven.
4.2.1 Technische eisen
In deze deelparagraaf zijn de technische eisen en de resultaten (tabel 4.1) van de toetsing van deze eisen weergegeven. Het rekenmodel voldoet aan alle technische eisen.
Technische eisen Voldoet
Het rekenmodel dient als uitkomst een indicatie van de potentie van een locatie
met verval te kunnen geven.
In het rekenmodel dient de gewenste visvriendelijkheid van een machine
invulbaar te zijn.
Het rekenmodel dient met de volgende materialen te rekenen:
beton, composiet, gres, kunststof en staal. Het rekenmodel dient met de volgende dwarsdoorsneden van de gootconstructie
te rekenen: rond, rechthoekig.
De volgende relevante onderdelen van de stroomgoot dienen (t.a.v. vertragingsverliezen en rendementen) in het rekenmodel verwerkt te zijn: krooshek, afsluitmiddelen, generator, transformator, tandwielkast.
Het rekenmodel dient met de volgende machines te rekenen: Francis turbine,
Cross Flow turbine, Kaplan turbine (Tube turbine, Bulb turbine, Straflo turbine), Pelton turbine, Turgo turbine, schroef (Archimedes), VLH-turbine, waterrad.
De terugverdientijd is het resultaat van het rekenmodel. De financiële kostenraming van het rekenmodel functioneert volgens de
SSK-systematiek.
De levensduurkosten dienen met de volgende frequenties ingevuld te worden:
jaarlijks, 2 – jaarlijks, 5 – jaarlijks, 10 – jaarlijks, 20 – jaarlijks. De subsidies dienen separaat berekend te worden. De afzetprijs van de elektriciteit dient ingevuld te kunnen worden. In het rekenmodel dienen de gemiddelde waterstanden per maand ingevuld te
worden of de constante waterstanden. De specifieke machinerendementen dienen verwerkt te worden in het
rekenmodel.
Tabel 4.1 Resultaten technische eisen rekenmodel.
4.2.2 Algemene eisen
In deze deelparagraaf zijn de algemene eisen met prestatie-indicatoren en de resultaten (tabel 4.2) van de toetsing van deze prestatie-indicatoren weergegeven. Het rekenmodel voldoet aan alle gestelde algemene eisen.
Prestatie indicatoren Oplossing Voldoet
Correctheid
Er dient gebruik gemaakt te worden van formules gebaseerd op bestaande theorieën op het gebied van wiskunde, hydraulica en financiën.
Alle formules en berekeningen zijn overgenomen uit bestaande boeken of dictaten.
De gebruikte formules en berekeningen dienen overzichtelijk (ook voor externe deskundigen) weergeven te worden.
Alle formules en berekeningen zijn uitgeschreven en uitgewerkt in Mathcad.
De gebruikte hydraulische formules dienen door
een externe deskundige geverifieerd te worden.
De gebruikte formules zijn door een externe hydraulica deskundige geverifieerd.
De hydraulische uitkomsten van het rekenmodel
dienen overeen te komen met de uitkomsten van de door de externe deskundige
geverifieerde formules en berekeningen.
Na het invullen van fictieve situaties geven de beide berekeningen
dezelfde uitkomsten.
Betrouwbaarheid
De situatie van het referentieproject dient vergelijkbaar te zijn met een voor het rekenmodel bedoeld locatie met verval.
De referenties zijn vergeleken met een te gebruiken locatie voor het rekenmodel. Verschillen zijn toegelicht.
De invoercriteria voor het rekenmodel dienen gelijk te zijn aan de voor het referentieproject gebruikte gegevens.
De gebruikte referentie-gegevens zijn gelijk gemaakt aan benodigde invoercriteria.
De indicatieve uitkomsten van het rekenmodel
dienen in ordegrootte overeen te komen met de resultaten van het referentieproject.
De indicatieve uitkomsten komen in ordegrootte overeen met de resultaten van het referentieproject.
Functionaliteit
Alle verwijzingen in het rekenmodel naar andere werkbladen of cellen dienen te functioneren.
Alle verwijzingen zijn getest door de ontwikkelaars en door
testgebruikers.
Het rekenmodel dient duidelijk te maken
wanneer een foutieve waarde ingevuld is.
Bij een verkeerde invoer geeft het rekenmodel een foutmelding met correctie.
Theoretisch onmogelijke waarden dienen niet
ingevuld te kunnen worden.
Het rekenmodel geeft een melding bij theoretisch onmogelijke waarden.
De rekenstructuur in het rekenmodel dient
behouden te blijven.
De beveiliging van het rekenmodel zorgt dat de rekenstructuur behouden blijft.
Gebruiksvriendelijkheid
Het rekenmodel dient een uniforme opmaak te hebben.
Uniforme lettertypen, kleuren en
terugkerende titelbalk.
Het rekenmodel dient een legenda te bevatten. Het rekenmodel bevat een legenda.
Het rekenmodel dient visualisaties ter
ondersteuning van de ingevulde criteria te bevatten.
Het rekenmodel bevat visualisaties
ter ondersteuning van de criteria. Het rekenmodel dient instinctief goed in te
vullen zijn.
Het rekenmodel is door verwijzingen en kleurgebruik instinctief in te vullen.
Het aantal handelingen dat uitgevoerd dient te
worden voor het gewenste resultaat, dient zoveel mogelijk beperkt te worden.
Door het gebruik van macro‟s is het
aantal handelingen verminderd.
4.2.3 Gevoeligheidsanalyse
Het rekenmodel is geanalyseerd (monofactor) op de gevoeligheid van de criteria op de terugverdientijd. Criteria als overbrengingsrendement, werkingstijd en investeringskosten zijn zeer bepalend voor de terugverdientijd van het project (grafiek 4.1). Hoge rendementen, lage investeringskosten en een lange werkingstijd zorgen voor een korte terugverdientijd. Dit wordt veroorzaakt door de directe invloed van deze criteria op de terugverdientijd.
Criteria als wandruwheid en het afschot van de goot hebben nauwelijks tot geen invloed op de terugverdientijd. Het horizontaal of onder afschot leggen van de stroomgoot heeft geen invloed op de terugverdientijd, omdat het debiet bepaald wordt door het aanwezige verval. Het aanwezige verval heeft geen relatie met het afschot van de goot.
De ruwheid van de wand heeft een kleine invloed op de terugverdientijd, omdat dit criterium geen directe relatie heeft met het debiet. De ruwheid heeft een bereik van enkele millimeters en maakt deel uit van een logaritmische vergelijking voor het berekenen van de coëfficiënt van Chézy.
Grafiek 4.1 Procentueel effect op de terugverdientijd door elk criterium (monofactor) met een factor twee te veranderen (bijlage C; hoofdstuk 5).
0% 50% 100% 150% 200% 250%
5.
Conclusies en aanbevelingen
In dit hoofdstuk is antwoord gegeven op de hoofdvraag van deze eindrapportage. Daarbij zijn de conclusies en aanbevelingen beschreven in het kader van dit afstudeerproject.
De hoofdvraag, hoe de potentie van een locatie met verval in Nederland bepaald kan worden, is in dit hoofdstuk beantwoord. Het resultaat van dit afstudeerproject dient een hulpmiddel te zijn om snel te bepalen wat de potentie van een dergelijke locatie is.
Met het rekenmodel is het mogelijk om snel de potentie van een locatie met verval in Nederland te bepalen. Daarmee is antwoord gegeven op de hoofdvraag, is voldaan aan de doelstelling en is een hulpmiddel ontwikkeld voor het bepalen van de potentie op een locatie met verval in Nederland.
5.1 Conclusies
Aan de hand van dit afstudeerproject, zijn een aantal conclusies getrokken. De conclusies zijn hieronder beschreven.
De financiële criteria in het rekenmodel zijn zeer bepalend voor de terugverdientijd van de stroomgoot en moeten zo nauwkeurig mogelijk ingevuld worden.
Uit de gevoeligheidsanalyse blijkt dat de financiële criteria (vooral investeringskosten) zeer bepalend zijn voor de terugverdientijd. De hydraulische berekeningen daarentegen hebben weinig invloed op de terugverdientijd.
De hydraulische berekeningen in het rekenmodel zijn (te) gedetailleerd voor het geven van een indicatie van de potentie van een locatie.
Een indicatie van de potentie van het rekenmodel wordt (volgens de gevoeligheidsanalyse) voornamelijk bepaald door de financiële berekeningen. De hydraulische berekeningen zijn zeer gedetailleerd uitgewerkt, maar hebben weinig invloed op de potentie.
Het rekenmodel geeft een goede indicatie van de potentie van een locatie met verval in Nederland.
Er zijn in Nederland weinig referentieprojecten voor handen om de resultaten van het rekenmodel aan te toetsen. De toetsingen geven wel aan dat het rekenmodel een goede benadering van de potentie geeft en dus voldoet aan het geven van een indicatie.
Voor het invullen van het rekenmodel is technische waterbouwkundige basiskennis nodig.
Omdat een gedeelte van invoercriteria uit de waterbouwkunde komen en de cliënt gevoel en inzicht moet hebben bij het invullen van het rekenmodel, is technische waterbouwkundige basiskennis nodig. Dit blijkt uit de opmerkingen die proefgebruikers van het rekenmodel hebben gegeven.
Het rekenmodel is niet geschikt voor het maken van een ontwerp van een stroomgoot.
Het rekenmodel geeft een indicatie van de potentie van een locatie. Voor het daadwerkelijk ontwerpen van een stroomgoot (of waterkrachtcentrale) is specifieke deskundigheid nodig. Ingenieursbureaus en leveranciers van turbines hebben deze deskundigheid in huis.
5.2 Aanbevelingen
De aanbevelingen bij deze rapportage zijn verdeeld in algemene en financiële aanbevelingen en zijn hieronder weergegeven.
5.2.1 Algemeen
Een locatie heeft potentie wanneer de terugverdientijd maximaal vijftien jaar bedraagt. Deze aanbeveling is gedaan op basis van reeds gerealiseerde projecten en op de minimale levensduur (circa twintig jaar) van sommige turbines.
Wanneer een locatie potentie heeft, bevelen wij aan contact op te nemen met ingenieursbureaus of met leveranciers van de machines. Zij hebben de expertise om een goed ontwerp te maken.
Wij bevelen aan het rekenmodel ook voor locaties met spuikanalen en stuwen in Nederland te gebruiken. Het rekenmodel rekent met een vervalverschil, dus kan ook toegepast worden voor het bepalen van de potentie op deze locaties. Het is aanbevolen het onderhoud op locaties met fluctuerende waterstanden te plannen tijdens lage waterstanden. Dit zorgt voor een grotere hoeveelheid opgewekte energie per jaar en dat komt ten goede aan de terugverdientijd. Bij het ontwerpen van de stroomgoot raden wij aan rekening te houden met de visvriendelijkheid. Dit in verband met belanghebbenden (onder andere Rijkswaterstaat en milieuorganisaties) die hier veel waarde aan hechten.
5.2.2 Financieel
Het rekenmodel houdt geen rekening met de beschikbaarheid van de subsidies. Uit referentieprojecten is gebleken dat subsidies doorslaggevend kunnen zijn voor de potentie. De cliënt moet zelf onderzoek doen naar de huidige beschikbaarheid van de subsidies.
De financiële berekeningen in het rekenmodel zijn zeer bepalend voor de potentie van de locatie. De cliënt dient de meeste aandacht aan dit onderdeel van het rekenmodel te besteden.
Bij dit rekenmodel is veel tijd gestoken in de hydraulische berekeningen. Voor een eventueel vervolg op dit afstudeerproject bevelen wij aan meer onderzoek te doen naar de financiële kant van dit rekenmodel. Dit project moet vooral gericht zijn op de kosten van het project, aangezien dat het meest bepalende criterium voor de terugverdientijd is.
Wij bevelen aan de stroomgoot niet onder een groter afschot te leggen dan 1:1000 (standaard afschot). Een groter afschot leidt niet tot een significant kortere terugverdientijd, maar eerder tot hogere aanlegkosten.
Begrippenlijst
Onder deze kop staan alle begrippen die tijdens het afstudeerproject gebruikt zijn. Daarbij wordt aangegeven wat met de begrippen bedoeld wordt.
Begrip Verklaring
Afschot De helling waaronder een buis of koker ligt.
Benedenpand Het lagere (stroomafwaarts) gedeelte van het water ten opzichte van de schutsluis.
Bereik De marge waarin een machine werkzaam is.
B.o.b. Afkorting voor: binnenkant onderkant buis.
Bovenpand Het hogere (stroomopwaarts) gedeelte van het water ten opzichte van de schutsluis.
Bruto verval Het locaal aanwezige verval.
Cavitatie Het ontstaan en imploderen van luchtbellen op of achter de schroefbladen als de druk lager is dan de dampdruk.
Cel Invulveld in het rekenmodel.
Cliënt Gebruiker van het rekenmodel.
Criteria Factoren die in het rekenmodel ingevuld kunnen worden en nodig zijn om de potentie van een locatie te berekenen.
Debiet De hoeveelheid water die per tijdseenheid door een watergang wordt afgevoerd, uitgedrukt in kubieke meters per seconde
Discontovoet Rentevoet van de centrale bank.
Flowchart Schematische weergave van het verloop van de procedures en de informatievoorziening en van de weg die door de documenten wordt afgelegd.
Head Engelse term voor valhoogte of verval.
Inflatie Algehele stijging van het algemeen prijspeil.
Ksi-factor Symbool voor de vertragingsverliescoëfficiënt.
KWC Kleine waterkrachtcentrale.
Levensduurkosten Alle kosten die gedurende de levensperiode van een project gemaakt worden. Voorheen werden dit ook wel de onderhoudskosten genoemd.
Machines Installaties met de mogelijkheid om waterenergie om te zetten in elektriciteit.
Macro Een macro is een instelling in een programma, welke met één bepaalde toets of toetscombinatie een reeks van instructies kan uitvoeren.
Miasma Benaming voor uitwasemingen van rottende stoffen, van moerassen en dergelijke, die ziekten kunnen veroorzaken.
Mitigerende maatregelen Het voorkomen of reduceren van de negatieve
effecten van een besluit of feitelijk handelen door het treffen van maatregelen.
Monofactor Analyse waarbij alle waarden hetzelfde gehouden worden en waarbij slecht één waarde per keer veranderd wordt.
Netto verval Het theoretisch verval dat volgt uit het bruto verval min de vertragingen en verliezen.
Omloopriool Afsluitbare duiker waardoor het water in en uit een sluiskolk gelaten wordt.
Potentie Dit bestaat uit de opgewekte energie per jaar en de terugverdientijd. Het rekenmodel bepaald deze twee factoren en aan de hand daarvan kan de geschiktheid van een locatie geconcludeerd worden.
Rekenmodel Een digitaal stroomschema waarin criteria moeten worden ingevuld om vervolgens antwoord te kunnen gegeven op de hoofdvraag.
RWS Rijkswaterstaat.
Schutproces Cyclus van het vullen of legen van een sluiskolk.
Schutsluis Constructie bestaande uit twee hoofden die een kolk dienend om schepen van de ene waterspiegel naar de andere waterspiegel te brengen.
Schutsluiscomplex Locatie met meerdere schutsluizen.
Stroomgoot Een te bouwen of aangepaste constructie naast een schutsluis waar (een deel van) het water van de vaarweg door een machine wordt geleid om er vervolgens elektriciteit mee op te wekken.
Terugverdientijd De tijd die verloopt tussen het moment van investeren en het moment waarop de door deze investering veroorzaakte opbrengsten gelijk zijn aan de investering.
Vaarweg Elk voor het openbaar scheepvaartverkeer openstaand water.
Verliescoëfficiënt Een factor afhankelijk van de vertraging en de wrijving van een waterstroom.
Verval De valhoogte van het water dat van het bovenpand naar het benedenpand stroomt.
Symbolenlijst
Onder deze kop staan alle symbolen die tijdens het afstudeerproject gebruikt zijn. Daarbij wordt aangegeven waar het symbool voor staat.
Symbool Betekenis Eenheid
P Vermogen (k)W
η Rendement %
ρ Dichtheid van vloeistof kg/m3
g Gravitatieversnelling m/s2 Q Debiet m3/s H Het verval m λ Wrijvingsfactor - l Lengte m R Hydraulische straal m
v Stroomsnelheid van het water m/s
A Oppervlakte m2
O Omtrek m
C Coëfficiënt van Chézy m0,5/s
k Wandruwheid m
ξ Verliescoëfficiënt -
v Kinematische viscositeit m2/s
n Aantal jaren
