Valwindtorens

Valwindtorens
(uit: www.lgwkater.nl/energie 11 okt 2003)
Een 1200 meter hoge toren van 400 meter doorsnede die netto 500 megawatt
elektriciteit levert en meer dan 600 miljoen m3 zeewater aan de top versproeid, de
helft hiervan verdampt, bevochtigt en verkoelt de kurkdroge woestijnlucht.
Hierdoor zal hoogstwaarschijnlijk een grote klimaatverandering teweeg gebracht
kunnen worden.
Inleiding
Bovenstaande 'valwindtoren" is een
energiecentrale met een capaciteit van bijna 500
megawatt. Hij werkt alleen in woestijngebieden die
redelijk dicht bij zee liggen zoals in het Midden
Oosten en bij de kusten van de Atlantische en
Indische oceaan in Afrika, Australië en ZuidAmerika. De afmetingen zijn kolossaal: 1200 meter
hoog en 400 meter in diameter.
Het is een voorbeeld van energiewinning uit het
klimaat. En wel door lucht op 1200 meter hoogte
sterk af te koelen door geforceerde verdamping
van zeewater. Deze lucht wordt dan zwaarder, en
zakt met een snelheid van 21 meter per seconde
naar beneden. Een windturbine zet de kinetische
energie van deze lucht gedeeltelijk om in
elektriciteit. Van dit vermogen is bijna de helft
nodig om zeewater zo hoog op te pompen, maar
netto blijft er nog altijd 500 megawatt over. Het
blijkt, dat deze torens met gemak voldoende
elektriciteit kunnen leveren aan de hele
wereldbevolking en wel op Europees niveau.
Preciezer: het wereldpotentieel is voldoende voor
20 miljard mensen op West-Duits niveau. Een
tweede zeer groot voordeel is de enorme
hoeveelheid water die per jaar via zo'n toren in het
woestijnklimaat terechtkomt: meer dan 600 miljoen
m3 hetgeen neerkomt op meer dan 1 meter water
over het hele werkingsgebied van zo'n toren.
Het idee is in Israël ontwikkeld door prof. Dan
Zaslavsky aan het Technion, Israel Institute of
Technology te Haifa. Alle fundamentele fysische
problemen zijn opgelost, zodat de toren nu
gebouwd kan worden. De bouwprijs zal naar
schatting de helft zijn van een overeenkomstige
kolencentrale.
Zo'n kolencentrale werkt echter als een enorme
landschapskachel van 1500 megawatt waarvan
slechts 500 megawatt als elektriciteit vrijkomt. Een
valwindtoren werkt door lucht af te koelen en in de
woestijn te laten stromen!
Deze valwindtorens hebben dus het potentieel het
hele klimaat in het Midden Oosten te veranderen,
in economisch, landbouwtechnisch, industrieel,
politiek en cultureel opzicht. Een kunstmatige
waterverdamping die vergelijkbaar is met 1-2
meter regenval zal een heel ander klimaat
veroorzaken dan men daar thans kent
Werking
Essentieel is, dat de lucht op 1200 meter hoogte
kurkdroog is en niet te koud - en dat is alleen het
geval boven woestijngebieden. De lucht is daar
afkomstig van de tropen waar alle waterdamp is
uitgeregend, maar die ergens anders op de
aardbol dus weer naar beneden moet gaan. Dat
gebeurt in de woestijngebieden en daarom valt
daar alleen in uitzonderlijke omstandigheden
regen.
Het principe is, dat er water uit de zee wordt
opgepompt tot boven in de toren. Daar wordt dit
water versproeid en onttrekt zijn
verdampingsenergie aan de lucht. Die lucht koelt
hierdoor af, de lucht wordt zwaarder en zakt met
een snelheid van 76 km per uur (21 m/sec) naar
beneden. Daar staan windturbines die een deel
van de kinetische energie van deze lucht omzetten
in elektriciteit. De vochtige lucht wordt de woestijn
in geblazen. Per jaar wordt op deze manier zo'n
600 miljoen m3 zeewater versproeid - dat is een
laag van 2 meter over een gebied van 300 km 2. De
helft hiervan verdampt, de andere helft kan voor
het grootste deel omgezet worden in zoet water,
en een klein deel superzout water gaat weer terug
naar de zee.
De helft van deze energie is nodig om het water uit
de zee te halen, op te pompen naar 1200 meter
hoogte en te versproeien. Maar dan blijft er nog
steeds voldoende energie over om een kleine 500
megawatt te leveren.
Het blijkt verder, dat zo'n valwindtoren gebruikt kan
worden om 300 miljoen m3 zeewater te ontzouten
tegen 55 dollarcent per m3. De prijs van de
elektriciteit zal concurrerend zijn met fossiele
brandstoffen: zo'n 3 dollarcent per kWh.
De eerste toren moet overigens nog gebouwd
worden. Echter, alle fysische en technologische
problemen zijn volgens de uitvinder, prof Dan
Zaslavsky thans opgelost, zodat de torens rijp zijn
voor productie. Een eerste toren zal gebouwd
worden als een samenwerkingsproject tussen
Israël en India.
Gezien de enorme waterstroom die a.h.w. door
deze valwindtorens uit de oceaan wordt
opgezogen, kan hier ook nog op hele andere
manieren profijt worden getrokken: het zoute
zeewater kan eerst gebruikt worden voor het
kweken van zoutwatervis. Daarna wordt het in de
toren versproeid, de helft hiervan komt als damp
de woestijn in en een groot deel van de andere
helft kan ontzout worden en dus ook nog eens via
zoetwatervis kwekerijen gebruikt worden voor de
landbouw.
Deze landbouw zou dan bij voorkeur uitgevoerd
moeten worden in kassen om een zo goed
mogelijk gebruik te kunnen maken van het water.
Het moge duidelijk zijn, dat deze torens een grote
klimaatverandering teweeg kunnen brengen in
woestijngebieden. In hun werkingsgebied van 300
km2 trekken zij zo'n 600 miljoen m 3 zeewater aan,
hetgeen overeenkomt met een waterlaag van 2
meter over dit gebied. De helft hiervan wordt
verdampt, de andere helft is brak water met een
zoutgehalte dat twee maal zo groot als zeewater
en dus een groot ecologisch probleem tenzij er iets
nuttigs gedaan wordt met dit zout - een paar
miljoen ton per jaar.
Kerngetallen
Voor het geval de valwindtoren op 20 - 40 km ten
noorden van Eilat in Israël gebouwd wordt, zijn de
kengetallen als volgt:
1200 m
400 m
185-370 km2
4000 GigaWattuur/jaar
11 GWh/dag
456 Megawatt
Hoogte
Doorsnede
Gebied per toren:
Netto energieproductie per jaar/dag/uur
Maximum luchtsnelheid
Maximum versproeing van water
Versproeid zeewater per jaar:
Pompvermogen
Electriciteitsproductie/m 3 versproeid water
Energie percentage gemoeid met pompen en
versproeien:
Netto leverbaar vermogen/m 3 versproeid water
Netto leverbaar vermogen/m 3 verdampt water
Uit de laatste twee regels blijkt dus, dat niet al het
versproeide water inderdaad verdampt: dan
hadden beide regels 13 kWh moeten opleveren.
Deze waarden worden verklaard door aan te
21 m/sec
(76 km/uur or 47 mijl/uur)
32 m3/sec
600X106 m3/year
420 MW
11.7 kWh/m3
43 %
6.7 kWh/m3
13 kWh/m3
nemen dat 52% van het versproeide water
inderdaad verdampt. Verder blijkt, dat er 11.7-6.7=
5 kWh per m3 nodig is om het water uit de zee naar
1200 m op te pompen en te versproeien.
Wereldpotentieel
Deze valwindtorens doen in feite niets anders, dan
dalende kurkdroge lucht bevochtigen. De
hoeveelheid beschikbare lucht is echter beperkt.
Een ruwe schatting is, dat elke valwindtoren van
deze omvang alle kurkdroge lucht over een gebied
van 185 - 370 km2 gebruikt, een vierkant van 14 bij
14 tot 20 bij 20 km. Met dit gegeven kan het totale
potentieel geschat worden. Aldus komt men tot
een wereld potentieel van leverbare energie door
op land gebouwde torens 5X1013-1014 Watt ofwel
4.4X1014-8.8X1014 kWh elektriciteit.
(vermenigvuldigen met 8760, het aantal uren in
een jaar)
In West Europa gebruikt men 5000 kWh per jaar.
Voor 6 miljard mensen komt dit dus neer op 3
X1013 kWh/jaar.
Dit is slechts 3,4 - 6,8 % van het wereldpotentieel
aan energie uit valwindtorens. De prijs per kWh
blijkt geschat te kunnen worden op 3 dollarcent. Dit
betekent dus, dat dergelijke torens economisch
rendabel zijn en met succes de hele
wereldbevolking van energie kunnen voorzien op
Europees niveau.
Het transport van de elektriciteit naar de rest van
de wereld is dan nog een probleem. Dit kan op
twee principieel verschillende manieren: via
hoogspanningskabels en via productie van
aluminium en/of waterstof.
Het moge duidelijk zijn, dat een stelsel
valwindtorens afzonderlijk voldoende potentieel
heeft om de hele wereldproductie aan elektriciteit
op Europees niveau te leveren - hetzelfde kan
gezegd worden van vele andere bronnen. Het is
dus een zaak van het allerhoogste belang, deze
energiebronnen zo goed en zo snel mogelijk te
ontwikkelen - en wel op een dusdanige manier dat
zij nooit meer zoals thans bij de olie-industrie,
aanleiding kunnen vormen voor militaire acties.
Een en ander betekent, dat zowel ontwikkeling,
productie als beheer gedaan moet worden vanuit
een mondiaal gevoeld verantwoordelijkheidsbesef
dat rekening houdt met de belangen van al het
leven op aarde. Het Handvest van de Aarde geeft
hiervan de tot op heden best geformuleerde uiting.
Kritische kanttekening
Bij dit soort projecten is het absoluut noodzakelijk
de fysica goed in de gaten te houden. De fysische
gegevens uit bovenstaande tabel hoeven
bijvoorbeeld fysisch niet consistent te zijn. Hier
komen we achter als we enige simpele
berekeningen uitvoeren over de potentiële energie
van 1 ton water op 1200 meter hoogte en de
uitkomst vergelijken met een aantal opgegeven
waarden in de tabel. Dit hoeft overigens niet te
betekenen dat het systeem "dus" nooit kan werken
wanneer een fysische inconsistentie wordt
aangetoond. Het kan ook duiden op een wens tot
bescherming van intellectuele eigendom of heel
simpel een paar tik- en of lay-outfouten wanneer
fysici de popularisering van hun vindingen aan
minder deskundige leken overlaten.
De potentiële energie van 1 kg op 1200 meter
hoogte ten opzichte van het maaiveld wordt
gegeven door de formule Epot=mgh waarin m de
massa is in kg, g de versnelling van de
zwaartekracht in m/sec2 en h de hoogte. Dit is hier
dus 12.000 Joule. Per ton (=1000 kg) is dit dus 12
megajoule. Omrekenen in kilowattuur (Kwh) is
delen door 3600, het aantal seconden in een uur. (
1 Watt = 1 Joule/sec, en kilo=1000, mega = 1
miljoen)
De potentiële energie van 1 m3 water op 1200
meter hoogte is dus 12 megajoule of 3.3 kWh . Dit
is minder dan de uit de tabel afgeleide
pompenergie van 5 kWh om 1 m3 water naar 1200
meter hoogte te transporteren. Het verschil kan
verklaard worden door de wrijvingsverliezen van
water bij horizontaal en verticaal transport door
pijpleidingen.
Omgekeerd: bij een pompvermogen van 420
megawatt kan hiermee hoogstens 420/12 = 35 m3
water per seconden naar 1200 meter gepompt
worden. De tabel spreekt van maximaal 32 m3 .
Ook hier is de tabel dus consistent, al is dit verschil
verrassend klein ten opzichte van het eerder
gevonden verschil.
Deze 12 megajoule transport energie per m3 water
naar 1200 meter hoogte is overigens klein t.o.v. de
verdampingswarmte van water, die 2,26 megajoule
per kg bedraagt. De werking van de toren berust
op de versproeiing/verdamping van maximaal 32
m3 water per seconde. Die koelt vervolgens een
cilinder lucht van 1200 meter met een diameter
van 400 meter zodanig af, dat hij met een snelheid
van 76 km per uur (=21 m/sec) door de toren gaat
van boven naar beneden.
Wanneer we ook nog bedenken, dat 1 m3 lucht 1,2
kg op zeeniveau weegt en een warmtecapaciteit
heeft van 1000 Joule per kg per graad Celsius, dan
blijkt dus dat er per seconde 2.64 miljoen m3 of 2.2
miljoen kg lucht door de toren gaat. Om deze
hoeveelheid 1 graad C af te koelen moet dus een
koelvermogen van 2.2 gigawatt beschikbaar zijn,
ofwel 2.2/2.26 = 0.97 ton water/sec dat inderdaad
verdampt. Hiermee correspondeert een debiet van
0.97/0.52= 1.86 ton versproeid water per seconde.
De maximale sproeicapaciteit van 32 ton water per
seconde kan deze luchtstroom dus 32/1.86 = 17.2
graad Celsius afkoelen. Dat zal corresponderen
met een vergroting van de soortelijke massa van
de lucht binnenin de toren van ongeveer 17.2/290
= 6 %.
Referenties en websites:
Bovenstaande gegevens inclusief het plaatje zijn alle ontleend aan:
http://magnet.consortia.org.il/ConSolar/Sabin/Zas/ZasTOC.html
Deze pagina's blijken niet meer te werken.
Recente pdf rapporten zijn te vinden via de zoekterm "Dan Zaslavsky" bij www.google.nl
Ook een eerdere versie van deze pagina is bij google te vinden op www.lgwkater.nl/emma/valwindt.htm
Een kritische bespreking van deze ideeën is te vinden op
http://home.earthlink.net/~zwirnm/arubot.htm
Er is verder ook een bedrijf opgericht om deze valwindtorens op de markt te brengen:
Sharav Sluices Ltd. Zie http://www.technion.ac.il/technion/dimotech/sharav.html
Info over de bouw van een prototype is te vinden in:
http://www.businessworldindia.com/archive/200327/Infotech2.htm
copyright 2002/2003
Utrecht, 26 april 2003
Leonard G.W. Kater, [email protected]