De maan en de aarde bevinden zich in een wervelende pirouette rond de zon. Samen draaien ze één keer per jaar rond de zon, en tegelijkertijd draaien ze iedere 28 dagen om elkaar. De maan draait ook iedere 28 dagen één keer rond z’n as zodat ze altijd hetzelfde gezicht laat zien aan haar danspartner, de aarde. De prima donna-aarde geeft het compliment niet terug; ze maakt idere dag een pirouette. Deze dans wordt bij elkaar gehouden door de zwaartekracht: elk stukje aarde, maan en zon wordt aangetrokken door ieder ander stukje aarde, maan en zon. De som van al deze krachten is bijna precies wat is er nodig om de wervelende dans op koers te houden. Maar er zijn heel veel kleine verschillen in de zwaartekrachten en de benodigde krachten om de dans door te laten gaan. Het zijn deze onevenwichtigheden die aanleiding geven tot de getijden.

De onbalans die samenhangt met het wervelen van de maan en de aarde rond elkaar is ongeveer drie keer zo groot als de onbalans die samenhangt met de langzamere dans van de aarde rond de zon, dus de hoogte van de getijden varieert met de fase van de maan, wanneer de maan en de zon op één lijn komen. Bij volle maan en nieuwe maan (wanneer de maan en de zon op één lijn zitten) dan versterken de onevenwichtigheden elkaar en dat resulteert in grote getijden die springtij worden genoemd. (Spring getijden zijn geen getijden die voorkomen in de lente; “springtij gebeurt iedere twee weken met de regelmaat van een uurwerk.) Op de tussenliggende halve manen, wordt de onbalans gedeeltelijk geannuleerd en zijn de getijden kleiner; deze kleinere getijden worden doodtij genoemd. Springtijd heeft ruwweg tweemaal de hoogte van doodtij: vloed bij springtij is twee keer zo hoog boven het gemiddelde zeeniveau als vloed bij doodtij, het laagwater van springtij is twee keer zo laag als laagwater bij doodtij en de getijdestromingen zijn twee keer zo groot bij springtij als bij doodtij.

Waarom is er twee keer eb en vloed per dag? Nou, als de aarde een perfecte bol was, een gladde biljartbal bedekt met oceanen, dan was het getijdeneffect van het draaien van de maan rond de aarde dat het water iets naar en van de maan af vervormd zou worden, waardoor het water enigszins de vorm krijgt van een rugbybal (figuur 14.1). Iemand op de evenaar van deze biljartbal aarde, eenmaal per dag ronddraaiend in de watercocoon, zou het waterpeil twee keer per dag op en neer zien gaan: een keer omhoog terwijl hij onder de neus van de rugbybal doorliep, en een tweede keer omhoog als hij onder zijn staart doorgegeven. Deze schematische uitleg is slecht ene benadering. In werkelijkheid is de aarde niet glad en wordt hij niet uniform bedekt door water (zoals je misschien hebt gemerkt). Twee waterplassen kunnen niet eenmaal per dag rond de aarde bewegen omdat de continenten in de weg staan. Het reele gedrag van de getijden is dus ingewikkelder. In een grote hoeveelheid water zoals de Atlantische Oceaan, worden getijdekoppen en -dalen gevormd, maar omdat die niet in staat zijn om rond de aarde te stromen, dus doen zij het volgende beste ding: zij stromen rond de omtrek van de oceaan. In de Noord-Atlantische Oceaan zijn er eenmaal per dag twee toppen en twee dalen, die tegen de klok in draaiend de Atlantische Oceaan rondgaan.

Hier in Groot-Brittannië zien we deze Atlantische toppen en dalen niet direct- we worden van de Atlantische Oceaan gescheiden door een paar honderd kilometer pierenbad, het continentale plat genoemd. Elke keer als een van de toppen voorbij vliegt in de Atlantische Oceaan, stuurt die een golf naar ons pierebad. Op dezelfde manier stuurt elke Atlantic dal een dal naar het kinderbad. Opeenvolgende toppen en dalen worden gescheiden door zes uur. Of om preciezer te zijn, zes uur en een kwartier, omdat de tijd tussen het opkomen van de maan ongeveer 25 uur is, niet 24 uur. De snelheid waarmee de toppen en dalen bewegen, varieert met de diepte van het peuterbad. Hoe ondieper het pierenbad wordt, hoe langzamer de kammen en dalen reizen en hoe groter ze worden. In de oceaan, hebben de getijden slechts een hoogte van 60 cm. Aangekomen in de Europese wateren, wordt het getijdeverschil vaak wel vier meter hoog. Op het noordelijk halfrond, maakt de Corioliskracht (een kracht die samenhangt met de rotatie van de aarde, die alleen werkt op bewegende objecten) dat alle getijdekoppen en dalen de neiging hebben om de rechter kant op te gaan. Bijvoorbeeld de getijden in het Engelse kanaal zijn groter aan de Franse kant. Evenzo, de toppen en dalen die de de Noordzee bij de Orkneys binnenkomen, omhelzen de Britse kust reizen naar beneden naar de monding van de Thames om vervolgens linksaf naar Nederland om vervolgend door te gaan naar Denemarken.

Getijdenenergie wordt soms maan-energie genoemd, omdat het vooral door de maan komt dat het water zo rond klotst. Veel van de getijdenenergie komt echter van de rotatie-energie van de aarde. Het draaien van de aarde vertraagt heel geleidelijk. Dus, hoe kunnen we getijdenenergie gebruiken en hoeveel stroom zou we kunnen opwekken?

Ruwe schattingen van getijdenenergie

Als u denkt aan getijdenenergie, denkt u misschien aan een kunstmatige polder naast de zee, met een waterrad dat wordt aangedreven als er water het zwembad in- of uitstroomt (figuren 14.2 en 14.3). Hoofdstuk G laat zien hoe het beschikbare vermogen kan worden geschat. Uitgaande van een hoogteverschil tussen eb en vloed van 4 m, een typisch bereik in veel Europese kustwateren, is het maximale vermogen van een kunstmatig getijdenpolder dat bij hoogtij snel wordt opgevuld en bij eb snel wordt geleegd, waardoor stroom in beide stroomrichtingen wordt gegenereerd, ongeveer 3 W / m2. Dit is hetzelfde als het vermogen per oppervlakte-eenheid van een offshore windpark. En we weten al hoe groot offshore windparken moeten zijn om een verschil te maken. Zij hebben het oppervlak van een heel land nodig. Dus om getijdenpolders in staat te stellen te het vermogen te produceren dat vergelijkbaar is met het totale Britse verbruik, dan moet het totale oppervlak van de getijdenpolders dat nodig is vergelijkbaar zijn met het oppervlak van Groot-Brittannië. Verbazingwekkend genoeg is Groot-Brittannië al voorzien van een natuurlijk getijdenpolder met de vereiste afmetingen. Deze getijdenpolder staat bekend als de Noordzee (figuur14.5). Als we generatoren op geschikte zouden plekken plaatsen, dan kan er een significatieve hoeveelheid vermogen geëxtraheerd worden. De generatoren kunnen er uitzien als onderwater windmolens. Omdat de dichtheid van water ongeveer 1000 maal die van lucht is, is de de kracht van de waterstroming 1000 keer groter dan de kracht van wind met dezelfde snelheid. We komen zo meteen terug bij getijdecentrales, maar laten we eerst bespreken hoeveel getijdenenergie ruwweg elke dag rond Groot-Brittannië stroomt.

hoogteverschil getijden	vermogens- dichtheid
2 m	1 W/m2
4 m	3 W/m2
6 m	7 W/m2
8 m	13 W/m2

Tabel 14.4. Vermogensdichtheid (vermogen per oppervlakte-eenheid) van getijdenpoelen, gebruikmakend van zowel het stijgende als het dalende water.

De getijden rondom Groot-Brittannië zijn echte vloedgolven – in tegenstelling tot tsunami’s die ook ‘vloedgolven’ worden genoemd, maar die niets met getijden te maken hebben. We volgen een vloedgolf die vanuit de Atlantische Oceaan aan komt zetten. De tijd van hoogtij wordt progressief later als we in het Engelse kanaal naar het oosten gaan, van de Scilly-eilanden naar Portsmouth en door naar Dover. De top van de vloedgolf verplaatst zich in het kanaal met ongeveer 70 km / h. (De top van de golf beweegt veel sneller dan het water zelf, net zoals gewone golven op de zee ook sneller bewegen dan het water.) Op dezelfde manier beweegt een vloedgolf in Schotland met de wijzers van de klok mee, over de Noordzee van Wick naar Berwick en verder naar Hull met een snelheid van ongeveer 100 km / h. Deze twee hoogwaterstromen komen samen in de monding van de Thames. Bij toeval arriveert de Schotse top ongeveer 12 uur later dan de top die aankomt via Dover, dus die komt bijna op hetzelfde moment aan als de volgende hoogtij uit Dover. Londen ontvangt de normale hoogtij twee keer per dag.

 

Dit is een voorlopige eerste schatting, gemaakt zonder technische details te specificeren. Laten we nu een schatting maken van de kracht die door drie specifieke oplossingen eleverd kan worden :

 getijdeturbines, getijdecentrales en getijdepolders op zee.

Getijdeturbine parken

Een manier om getijdenenergie te winnen zou zijn om onderwaterturbines in zee te plaatsen, net als windparken. De eerste onderwater windmolen, of getijdeturbine, die werd geinstalleerd om aangesloten te worden op het elektriciteitsnet had een  vermogen van “300 kW”. Deze getijdeturbine werd in 2003 in de buurt van de noordelijke stad Hammerfest, Noorwegen geplaatst. Gedetailleerde resultaten van de stroomproductie zijn niet gepubliceerd en nog niemand heeft een onderwatermolenpark met meer dan één turbine gebouwd, dus zullen we moeten vertrouwen op natuurkunde en giswerk om te voorspellen hoeveel stroom getijdeturbines zouden kunnen produceren. Ervan uitgaande dat de regels voor het aanleggen van een getijdeturbine park vergelijkbaar zijn met die voor windparken, en dat de efficiëntie van de getijturbines overeenkomt met die van de beste windturbines, toont tabel 14.7 het vermogen van getijdeturbine park voor enkele getijde stroomsnelheden. Aangezien getijstromen van 2 tot 3 knopen veel voorkomen, zijn er veel plaatsen rond de Britse eilanden waar het vermogen per oppervlakte-eenheid van het getijdenpark 6 W / m2 of meer zou zijn. Dit vermogen per oppervlakte-eenheid kan worden vergeleken met onze schattingen voor windparken (2-3 W / m2) en voor fotovoltaïsche zonnepanelen(5-10 W / m2). Getijdenenergie moet niet worden onderschat! Wat zou de bijdrage van getijdenenergie kunnen zijn , als we aannemen dat er geen economische obstakels zijn voor de exploitatie van getijdenenergie op alle hotspots in het VK? Hoofdstuk G geeft een overzicht van de stroomsnelheden in de beste gebieden rond het VK, en schat dat 9 kWh / dag per persoon zou kunnen worden geëxtraheerd.

 

snelheid		vermogensdichtheid (W/m2)
(m/s)	(knopen)
0.5	1	1
1	2	8
2	4	60
3	6	200
4	8	500
5	10	1000

Tabel 14.7. Getijdenturbine park vermogensdichtheid (in watt per vierkante meter zeebodem) als functie van de stroomsnelheid.

(1 knoop = 1 zeemijl per uur = 0,514 m / s.)

Getijdecentrales

Getijdecentrales zijn een bewezen technologie. De beroemde stuwdam in La Rance in Frankrijk, waar het getijverschil maar liefst 8 meter gemiddeld is, produceert een gemiddeld vermogen van 60 MW sinds 1966. Het getijdeverschil in de Severn Estuary is ook ongewoon groot. Bij Cardiff is het bereik 11,3 m bij springtij, en 5.8 m bij doodtij. Als er een barrage zou worden aangelegd in de mond van de Severn Estuary (van Weston-super-Mare naar Cardiff), zou een 500 km2 grote getijdenreservoir ontstaan (figuur 14.8). Merk op hoe veel groter deze pool is dan de monding van La Rance. Welk vermogen kan dit getijdereservoir leveren, als we het water in en uit laten op de ideale tijden, dus vermogen produceren bij zowel de vloed als het eb? Volgens de theoretische gegevens uit tabel 14.4, wanneer het hoogteverschil 11,3 m is, dan zal het gemiddelde vermogen dat door de barrage geproduceerd kan worden (op 30 W / m2) maximaal 14,5 GW of 5,8 kWh / d per persoon zijn. Wanneer het hoogte verschil 5.8 m is, dan zal het gemiddelde vermogen van de barrage (met 8 W / m2) maximaal 3,9 GW, of 1,6 kWh / d per persoon zijn. Deze cijfers gaan ervan uit dat het water wordt binnengelaten in een korte periode op het hoogtepunt van hoog water, en uitgelaten in een guts bij eb. In de praktijk zou de in-flow en out-flow over een paar uur verspreid zijn, wat het geleverde vermogen een beetje zou verminderen.

 

De huidige voorstellen voor een barrage zullen alleen in één richting stroom genereren. Dit vermindert het geleverde vermogen nog eens met 50%. De ingenieursrapporten over de voorgestelde Severn-barrage zeggen dat, het gegenereerde electricische vermogen bij eb alleen gemiddeld 0,8 kWh / dag per persoon zou bedragen. De barrage zou ook bescherming bieden tegen overstromingen, met geevalueerde kosten van ongeveer 120 million pond sterling ( 150 million euro ) per jaar.

Getijdepolders

Getijdenpolders worden gecreëerd door dijken in zee te bouwen; ze kunnen dan gebruikt worden als kunstmatige stuwmeren. De vereiste voorwaarden voor het bouwen van getijdepolders zijn dat het water ondiep moet zijn en het getijverschil groot. Schaalvoordelen zijn van toepassing: grote getijdenpolders maken goedkopere electriciteit dan kleintjes. De twee belangrijkste locaties voor grote getijdenpolders in Groot-Brittannië zijn de Wash aan de oostkust en de wateren voor Blackpool aan de westkust (figuur 14.9). Kleinere faciliteiten zouden kunnen worden gebouwd in Noord-Wales, Lincolnshire, zuidwest-Wales en oost-Sussex.

Als twee polders op één locatie worden gebouwd, dan kan een handige truc worden gebruikt om het geleverde vermogen te verhogen en ervoor te zorgen dat de lagunes op ieder moment stroom kunnen leveren, onafhankelijk van de staat van de getijden. Eén polder kan worden aangeduid als de “hoge” polder, en de andere als de “lage” polder. Bij eb, kan een gedeelte van het vermogen opgewekt bij het legen van de hoge polder worden gebruikt om water uit de lage polder te pompen, waardoor het niveau zelfs lager wordt dan bij laagwater. De energie die nodig is om het waterniveau van de polder te verlagen wordt vervolgens terugbetaald met rente bij hoogtij, wanneer energie wordt gegenereerd door water in de lage polder te laten stromen. Evenzo kan extra water in de hoge polder gepompt worden, gebruikmakend van het vermogen gegenereerd door de lage polder. In welke staat het getij zich ook bevindt, beide polders zouden energie kunnen opwekken. Zo’n paar getijdenpolders kunnen ook werken als een pomp opslagfaciliteit, opslag van overtollige energie uit het elektriciteitsnet. Het gemiddelde vermogen per oppervlakte-eenheid van getijdenpolders in Britse wateren zou zijn 4,5 W / m2 kunnen zijn, dus als er polders met een totale oppervlakte van 800 km2 zouden worden aangelegd (zoals aangegeven in figuur 14.9), dan zou het opgewekte vermogen 1,5 kWh / d per persoon zijn.

De voordelen van de getijden

Alles bij elkaar opgeteld zouden de getijdenpolders, barages en onderwatermolenparken ongeveer 11 kWh / dag per persoon kunnen leveren (figuur 14.10). Getijdenenergie is in Groot-Brittannië nooit op industriële schaal gebruikt, dus is het moeilijk om te weten welke economische en technische uitdagingen bij het bouwen en onderhouden van getij-turbines aan de orde zijn – corrosie, verzanding, en de ophoping van rotzooi? Maar hier zijn zeven redenen om enthousiast te zijn over getijdenenergie op de Britse eilanden. 1. Getijdevermogen is volledig voorspelbaar; anders dan wind en zon, is getijdenenergie een hernieuwbare energiebron waarop men kan vertrouwen; het werkt het hele jaar door dag en nacht; met behulp van getijdenpolders, kan energie worden opgeslagen zodat vermogen op afroep kan worden geleverd. 2. Opeenvolgende eb en vloed doen er ongeveer 12 uur over om rond de Britse eilanden te gaan, dus de sterkste stromingen bij Anglesey, Islay, Orkney en Dover hebben plaats op verschillende tijden; zo zou een verzameling getijdenparken samen een meer constante bijdrage aan het elektriciteitsnet kunnen leveren dan slechts één getijdecentrale, zij het dat die bijdrage varieert met de omloop van de maan. 3. Getijdenenergie gaat miljoenen jaren mee. 4. Het vereist geen dure hardware, in tegenstelling tot fotovoltaïsche zonne-energie. 5. Bovendien, omdat de vermogensdichtheid van een typische getijstroom groter is dan de vermogendichtheid van een typische wind, is een 1 MW getijde-turbine kleiner in omvang dan een 1 MW windturbine; misschien kunnen getijdenturbines daarom goedkoper zijn dan windturbines. 6. Het leven onder de golven is vredig; onderwater stormen bestaan niet; dus, in tegenstelling tot windturbines, die kostbare engineering vereisen om bestand te zijn tegen zeldzame stormen, zullen getijwaterturbines géén grote veiligheidsfactoren in hun ontwerp nodig hebben. 7. Mensen leven meestal op het land, en ze kunnen niet onder de zee kijken, dus bezwaren tegen de visuele impact van getijenturbines zullen minder sterk zijn dan de bezwaren tegen windturbines.

Misverstanden

Getijdenenergie, hoewel schoon en groen, mag niet duurzaam genoemd worden. Het onttrekken van de kracht van de getijden vertraagt de aarderotatie. We kunnen de waterkracht niet op de lange termijn gebruiken.

Dit is onjuist. De natuurlijke getijden vertragen de rotatie van de aarde al. Het natuurlijke rotatie-energieverlies is ongeveer 3 TW (Shepherd, 2003). Dankzij natuurlijke getijdewrijving, wordt iedere eeuw de dag 2,3 milliseconden langer. Veel getijde energie-extractie-systemen extraheren gewoon energie die hoe dan ook verloren zou zijn gegaan in wrijving. Maar zelfs als we de energie ontrokken aan het systeem van de aarde en de maan zouden verdubbelen, dan nog zou getijdenenergie langer dan een miljard jaar meegaan.

Aantekeningen en verdere lectuur

Het vermogen van een kunstmatig getijdenpolder. Het vermogen per oppervlakte-eenheid van een getijdepolder is afgeleid in Hoofdstuk G, p311.

Het VK wordt al geleverd met een natuurlijke getijdenpoel. . . bekend als de Noordzee. Ik zou niet de indruk moeten wekken dat de Noordzee zich vult en leegt als een getijdenpoel aan de Engelse kust. De stromen in de Noordzee zijn complexer omdat de tijd die een hobbel in het waterpeil nodig heeft om zich voort te planten over de zee groter is dan de tijd tussen de getijden. Toch zijn er enorme getijstromen die de Noordzee in en uit gaan, maar ook daarbinnen.

Het totale inkomende vermogen van de eb en vloed golven die deze lijnen passeren is gemeten als 100 kWh per dag per persoon. Bron: Cartwright et al. (1980).Voor lezers die van sigarendoos-berekeningen houden, laat hoofdstuk G zien hoe dit vermogen met behulp van de eerste beginselen geschat kan worden.

La Rance heeft 16 TWh in 30 jaar geproduceeerd. Dat is een gemiddeld vermogen van 60 MW. (Het piekvermogen is 240 MW.) Het getijdenbereik is maximaal 13,5 m; het in beslag genomen gebied is 22 km2; de barrage is 750 m lang. De gemiddelde vermogensdichtheid is: 2,7 W / m2. Bron: [6xrm5q].

De rapporten van de ingenieurs over de barrage van Severn geven 17 TWh / jaar aan. (Taylor,2002b). Dit (2 GW) komt overeen met gemiddeld 5% van de huidige totale elektriciteitsconsumption.

Vermogen per oppervlakte-eenheid van getijdenpolders zou 4,5 W / m2 kunnen zijn. MacKay (2007a).