Bølgeenergi - Hvad er potentialet i danske farvande og anlægseffektiviteten gseffektiviteten? ved Jens Peter Kofoed Bølgeenergiforskningsgruppen Institut for Byggeri og Anlæg Aalborg Universitet IDAs Climate Change Ingeniørhuset i Aalborg, 8. januar 2009
Principper til udnyttelse af bølgeenergib Svingende vandsøjle anlæg Overskylsanlæg Point absorbere Bølgemøllerller Og mange andre...
Potentialet i havenergi,, globalt Bølger (,0 -)) 5,0 TW (5 x 0 2 Havstrømme 0,05 TW Tidevand 0,2 TW Termiske gradienter 3,8 TW Osmosisk 2,3 TW W) 2 W) Source: Ocean Energy: Prospects & Potential, Isaacs & Schmitt, with 5% utilization factor & 50% capacity factor Verdens energiforbrug ~ 5 TW (40 x 0 2 kwh/år) (El ~ 0 % heraf) (2005) OBS: Global solenergi: 20.000 TW - ca. 8.000 gange verdens forbrug!
Average wave energy flux per unit width of wave crest (kw/m)
Potentialet i bølgeenergi, b Regionalt Danmarks el-forbrug forbrug: : 4, GW (Dansk Ved den danske vestkyst (offshore): op til 25 MW/km middel ca. 5 MW/km >200 km til rådighed ~ 3,0 GW I Nordatlanten ved europæiske I Middelhavet: : 4 - MW/km Totalt potentiale ved Europas (Dansk Elforsyning Statistik 2007) iske kyster: : 25-75 MW/km Europas kyster: : ca. 320 GW
Potentialet i bølgeenergi, b Lokalt 4 24 7 0,4 6 2 7
Søtilstande, energiproduktionsforhold Nordsøen (00 km offshore, d= 3 m, punkt 2) T02 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 Sum % - - - - - - - - Hm0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 0.0 0.00-0.50 584 634 3 29 7 368 5.6 0.50 -.00 20 552 60 53 56 6 6 2 245 27.6.00 -.50 88 397 23 25 9 7 3 752 20.0.50-2.00 62 50 8 2 35 3.0 2.00-2.50 4 709 8 742 8.5 2.50-3.00 286 224 5 5.8 3.00-3.50 0 34 2 326 3.7 3.50-4.00 90 34 224 2.6 4.00-4.50 7 2 38.6 4.50-5.00 77 78 0.9 5.00-5.50 26 37 0.4 5.50-6.00 2 6 8 0.2 6.00-6.50 0 0 0. 6.50-7.00 4 5 0. 7.00-7.50 0.0 Sum 604 2375 2755 8 859 292 56 8 8760 00.0 % 6.9 27. 3.4 20.7 9.8 3.3 0.6 0. 00.0
Søtilstande, energiproduktionsforhold Nordsøen (00 km offshore, d = 3 m, punkt 2) T02 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 Sum % - - - - - - - - Hm0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 0.0 0.00-0.50 584 634 3 29 7 368 5.6 5.6 0.50 -.00 20 552 60 53 56 6 6 2 245 27.6 Hs =.0 m Tz=4.0 s 47.6.00 -.50 88 397 23 25 9 7 3 752 20.0.50-2.00 62 50 8 2 35 3.0 Hs = 2.0 m Tz=5.0 s 2.4 2.00-2.50 4 709 8 742 8.5 2.50-3.00 286 224 5 5.8 Hs = 3.0 m Tz=6.0 s 9.6 3.00-3.50 0 34 2 326 3.7 3.50-4.00 90 34 224 2.6 Hs = 4.0 m Tz=7.0 s 4. 4.00-4.50 7 2 38.6 4.50-5.00 77 78 0.9 Hs = 5.0 m Tz=8.0 s.3 5.00-5.50 26 37 0.4 5.50-6.00 2 6 8 0.2 Hs [m] Tz 6.00 [s] - 6.50 Tp [s] Prob Pwave 0 0 0. 0.4.0 6.504.0-7.005.6 0.476 2.4 4 5 0. 2.0 7.005.0-7.507.0 0.24 2.0 0.0 3.0 Sum6.0 8.4 0.096 604 32.3 2375 2755 8 859 292 56 8 8760 00.0 4.0 % 7.0 9.8 0.04 6.9 67.0 27. 3.4 20.7 9.8 3.3 0.6 0. 00.0 5.0 8.0.2 0.03 9.7
Energifordeling påp retninger
År-til-år- og årstidsvariationer
Fordeling af bølgeenergien b i vandsøjlen Partikelbaner Dybdeafhængigt energiindhold Ef,dr/Ef,d 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0. 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 hr/h 2πh/L 25.0 20.0 5.0 0.0 7.5 5.0 4.0 3.0 2.0.0
IDA2030: Et regneeksempel Wave power delivers 5 % of DK electricity consumption (35 TWh/y) through 500 MW installed WEC capacity. Assumptions: 40 % load factor 0 % overall efficiency (farm layout) 5 MW/km average available wave power Result: Use of 33 km 24 6 4 2 7 7
Estimering af middel energiproduktion P [W] 0 9 8 7 6 5 4 3 2 0 Regular H=0.08 T=0.89 H=0.038 T=. H=0.063 T=.33 H=0.08 T=.55 0 0.0 0.02 0.03 0.04 0.05 Flow [m3/s] P = T t T t 0 P( t) dt Power 0 9 8 7 6 5 4 3 2 0 70 75 80 85 90 95 00 Time E y N = i= P S i i 24 365 Wave Pwave Prob Prob*Pwave Eff. Energy prod. Pgen State [kw] [%] [kw] [ - ] [kw] [kw] 20 0.468 56 0.95 23 2 598 0.226 35 0.284 38 70 3 66 0.08 75 0.52 27 246 4 335 0.05 7 0.098 7 330 5 5985 0.024 44 0.084 2 505 Yearly average [kw] 680 05 Overall eff. [ - ] 0.54 Yearly prod. [MWh/y] 99 Max. Pgen [MW] 0.505 Load factor [ - ] 0.2! Measured where? Eff. [ -] 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.5 0.0 0.05 0.00 Eff. Prob*Pwave Irregular 2 3 4 5 Wave State! Time scale, Buffering? 250 200 50 00 50 0 3 Prob * Pwave [kw/m]
Estimering af middel energiproduktion P [W] 0 9 8 7 6 5 4 3 2 0 Regular H=0.08 T=0.89 H=0.038 T=. H=0.063 T=.33 H=0.08 T=.55 0 0.0 0.02 0.03 0.04 0.05 Flow [m3/s] P = T t T t 0 P( t) dt Power 0 9 8 7 6 5 4 3 2 0 70 75 80 85 90 95 00 Time E y N = i= P S i i 24 365 Wave Pwave Prob Prob*Pwave Eff. Energy prod. Pgen State [kw] [%] [kw] [ - ] [kw] [kw] 20 0.468 56 0.95 23 2 598 0.226 35 0.284 38 70 3 66 0.08 75 0.52 27 246 4 335 0.05 7 0.073 2 245 5 5985 0.024 44 0.04 6 245 Yearly average [kw] 680 94 Overall eff. [ - ] 0.39 Yearly prod. [MWh/y] 826 Max. Pgen [MW] 0.245 Load factor [ - ] 0.38 Eff. [ -] 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.5 0.0 0.05 0.00 Eff. Prob*Pwave Irregular 2 3 4 5 Wave State 250 200 50 00 50 0 Prob * Pwave [kw/m] 4
Eksempel på skabelon for konceptevaluering WEC Vægt est. flydere inkl. 200 ballast tons Eff. bølge-aksel Eff. Eff. aksel-net P est [kw] Pest*Prob*24*365 [MWh/y] Størrelse [m] 20 Bredde 20.0 m Uregelm., 3D, retning gear, svinghjul, generator, Total frekvensomformer, kabel Wave cond. Hs Tp Prob Pwave H T min max min max min max min middel max min middel max.0 5.6 0.468 2.4.203 0.7 5.60 0.2 0.3 0.8 0.98 0.78 0.93 3.3 8. 2.9 3.5 33. 52.7 2 2.0 7.0 0.226 2.0 2.705.4 7.00 0.2 0.3 0.8 0.98 0.78 0.93 6.5 40.4 64.3 32.7 79.9 27.2 3 3.0 8.4 0.08 32.3 3.4903 2.2 8.40 0. 0.25 0.8 0.98 0.78 0.93 37. 90.9 44.6 35. 86.0 36.8 4 4.0 9.8 0.05 67.0 3.485 2.83 9.80 0.048 0.2 0.8 0.98 0.78 0.93 36.9 90.5 44.0 6.5 40.4 64.3 5 5.0.2 0.024 9.7 2.8727 3.54.20 0.028 0.07 0.8 0.98 0.78 0.93 38.5 94.2 50.0 8. 9.8 3.5 0.877 3.6 kw/m Prod. El 05.9 259.2 42.6 MWh/y 2383.9 MWh/y 0.044 0.09 0.73 Eff 0.642.57 2.500 MWh/y/ton Ballast ratio 0.8 ca. 3x max. P est 20 300 450 Inst. Gen. Kap. [kw] Vægt, flyder 40.0 tons 2.000 tons/m Pris, generator mv. 2 tdkr/kw 240 600 900 Pris, generatorer [tdkr] Faktor, bærende/flyderkonstr..5 0.0 0.099 0.05 Est. load factor Vægt, bærende 60.0 tons 3.000 tons/m 6780 740 7440 Pris total [tdkr] Pris/vægt, flyder 45 dkr/kg Årlig vedligehold 2 % af total pris 36 43 49 tdkr/y Pris/vægt, konstr. Stål, korr. besk. 25 dkr/kg Pris, konstruktion 3300 tdkr El-afreg. pris 2 kr/kwh Indtægt pr. år 76. 375.7 676.4 tdkr/y Pris, forankring 000 tdkr Forrentning. 5.3 9. % Pris, power electronics 500 tdkr Forrentning 5 % Pris pr. kwh 4.48.93.26 dkr Vægt, generatorhus 5 tons Pris, generatorhus 500 tdkr Pris, styring, regulering 000 tdkr Vægt, sum 65 tons Pris, sum 6540 tdkr
En tricky størrelse! Anlægseffektivitet Definition af effektivitet ikke entydig påp tværs af anlægstyper På hvilken tidsskala? Regelmæssige/uregelm ssige/uregelmæssige bølger Individuel bølgetilstandb Middel over året Målt hvor? Wave-to-wire eller... P wave P mech P hydr P axle P gen P wire P grid P overtop P reservoir P chamber P pneu
Parkeffektivitet Et Wave Dragon eksempel: 2xD zig-zag zag layout ~ 2 WD (4 MW) pr. 780 m (x 820 m) placeret i Nordsøen, 6 kw/m Middelproduktion:,6 kw/m => parkeffektivitet ~0 %, Load factor 6 % OBS: Performance baseret påp NB målinger m begrundet tro påp op mod 50-80 % forbedring Reflektorer har negativ indvirkning påp parkeffektivitet (men muligvis positiv effekt på kwh pris
Opsummering Stor idérigdom mht. teknologi endnu ingen konvergens.. Sandsynligvis flere vindere,, da mange parametre indgår Størst potential offshore mindre risky nearshore Bølgeenergi har en række r positive features ikke mindst i et vedvarende energi mix Pre-kommercielt, dvs. ikke rentabelt påp markedet i dag, men potentialet påp langt sigt er stort Den bedste parameter for evaluering af bølgeenergianlb lgeenergianlæg g er ikke åbenlys Vi bliver ofte spurgt: Nu har I testet SÅ mange forskellige anlæg hvilket er det bedste?! Det er ikke nemt at svare! Vi kan give rimelig gode svar på hvor meget energi de enkelte anlæg vil være i stand til producere under givne forhold men det store spørgsmål er TIL HVILKEN PRIS? Der er behov for en masse anlægget til havs overlang tid for at indsamle de nødvendige data for at kunne svare på det spørgsmål!
Tak! Spørgsm rgsmål?