IUTILITEITSBOUW I I IWATERKRACHTPROJECTEN INNEDERRIJN EN MAASir.R.H.G.Boerstna, hoofd afdeling Civiele en Bouwkundige techniek, Technisch Advies- en ProjectenbureauNV PGEM. ArnhernIn 1980 zijn .de in het verleden verrichte studies voor waterkrachtcentrales in deMaas opnieuw uit de kast gehaald. De grote stijging van de primairebrandstofprijzen in de jaren '70 en de technologische verbetering van de turbinesvoor laag verval, maken de bouw van waterkrachtcentrales op enkele lokaties in deMaas en Nederrijn thans economisch verantwoord. De aanwezigheid van stuw- ensluizencomplexen waardoor een 'gratis' verval ter beschikking staat, is voor dehaalbaarheid van doorslaggevende betekenis. Aandacht voor deze wijze vanenergie-opwekking is zeker op z'n plaats, in het licht van de huidige activiteiten enplannen. In een komende uitgave zal nader op de constructie en de bouw van decentrale Maurik worden ingegaan.Waterkracht is een van deoudste energiebronnen van r----------~~------~--------~--de mens. Landbouwers inhet Midden-Oosten maakten vermoe-delijk 1000 jaar voor onze jaartelling algebruikvanwatermolens om hetland tebevloeien en graan te malen.Ook in het Romeinse rijk werd water-kracht gebruikt in de landbouw, in demijnbouw, in zagerijen en in de rnar-merindustrie. Keizer Vaspasianus (69 -79 na Chr.) vaardigde zelfs een verboduit op het bouwen vanwatermolens omde werkgelegenheid van de laagstbe-taalden te beschermen. Bij een inventa-risatie inEngeland in hetjaar 1086 bleeker gemiddeld per 50 huishoudens ??nwatermolen te zijn.Omstreeks 1870 werd het mogelijkelektriciteit op te wekken met water-kracht, zodat dit grootschaliger konworden aangepakt. In ons land zijn inhetbegin van deze eeuw de mogelijkhe-den van kleine waterkrachtcentralesonderzocht in de Maas, de Rijn/Lek enenkele beken.Tot op heden zijn er in Nederland maartwee centrales van enige omvang ge-bouwd. Van 1926 tot 1974 is de water-krachtcentrale te Roermond met tweeturbines (totaal 640 kW) in bedrijf ge-weest en van 1962 tot 1974 heeft de in-stallatie in de middenpijler van de stuwin Hagestein met een vermogen van1800 kw elektriciteit aan het net gele-verd. Deze 'Kaplan'-turbine met verti-cale as - oorspronkelijk in opdracht vande Rijkswaterstaat gebouwd - is na re~novatie door het PEGUS in 1984weerinbedrijf gesteld.10 Cement 1987 nr. 11Waterkrachtcentrales in Nederlandbrandstofbesparing: 146 x 294000 43 miljoen m' aardgas per jaarof: 146 x 315000 46 miljoen kg kolen per jaar'Donaukraftwerke Oostenrijk: 9 centrales (bouw 1954-1985)vermogen 1990 MW productie 12120 GWh per jaarMoselkraftwerke Duitsland/Luxemburg12 centrales (bouw 1958-1966, Koblenz 1941-1951)vermogen 192 MW productie 860 GWh per jaar800055000productie in GWh178015000Gelderland, Flevoland!PGEMNederlandlocatie eigenaar in bedrijf vermogen in MW jaarproductieinGWhbruto (=10? kWh)rfett?'Hagestein RWS/ 1962 2 5PEGUSMauik PGEM 1988 10 32Unne PLEM 1989 13 52Alphen PGEM 1990 14 5739MW 146 GWhThermische centrales vermogen in MWLlXHEoeindhovenWaterkrachtcentrales aan Maas enNederrijnmaas1MaurikBij de verdere uitwerking van het pro-ject Maurik (foto 3) hebben de directieSluizen en Stuwen alsmede de directie2 Opgave capa?iteit. waterkrachtcentrales en deproduktie van de thermische centralesin 1986, alsmede enkele buitenlandseopgaven3De stuw in Maurik met inaanbouw de waterkrachtcentraleFoto: KLM-AerocartoWaterkrachtprojecten in Gelder-landBegin 1983 vond de eerste ori?nterendebespreking plaats over mogelijkewater-krachtcentrales in de Nederrijn tussende PGEM en de directie Bovenrivieren(thans Gelderland) van de Rijkswater-staat. In februari 1984 waren de haal-I-~~~~~~~~~~~~~~-' baarheidsstudies gereed en bleek eenRecente ontwikkelingen waterkrachtcentrale in Maurik bij hetDegrotestijgingvan de brandstofkosten stuwcomplex Amerongen (zie fig, 1)indejaren'70 leidde toteenhernieuwde technisch goed mogelijk en economischbelangstelling voor waterkrachtcentra- verantwoord te zijn. Bij een op te stellenles. De laatste studie naar een dergelijke vermogen van 4 eenheden met elk 2,5centrale in de Maas was in 1968 afgeslo- MW werd de gemiddelde netto jaar-ten met de condusie dat de kostprijs per produktie op 29 miljoen kwh bere-kwh te hoog zou zijn, in vergelijking kendo Inmiddels mag dit dooroptimali-met die van grote thermische centrales. satie van vooral hetstuwprogramma opIn Belgi? waren in 1980 twee nieuwe 32 GWh worden gesteld (fig. 2).centrales in de Maas gereedgekomen: in Een waterkrachtcentrale bij de stuwAndenne(vermogen9,5MW)eninLix- Driel bleek technisch mogelijk, maarhe (22 MW). Het opgestelde vermogen economisch nietverantwoord.Doorhetin de vijfcentrales in de Belgische Maas geringe verval en een kleiner aantalbedraagt daarmee ruim 70 MW, met stuwdagen perjaarzoudejaarproduktieeen gemiddelde jaarproduktie v~n ca. minder dan de helftvan die van de cen-300 GWh. trale Maurik hedragen, hij een vrijwelIn 1981 richtte de NV PLEM de Stuur- gelijke investering.groep Maas op om in samenwerking De aanwezigheid van stuw- en sluizen-met de directie Limburg van de Rijks- complexen met een 'gratis' verval, is vanwaterstaatende NEOMde mogelijkhe- doorslaggevende betekenisvoor de ren-den voor waterkrachtcentrales in de tabiliteit van waterkrachtcentrales inMaas nader uit tewerken. De PNEM en Nederland, die met een geringe val-de PGEM nemen als gastlid deel aan de- hoogte moeten werken.ze stuurgroep. De bouw van de centralebij de stuw te Linne is in april 1987 be-gonnen. Een volgend project van dePLEM, bij de stuwBorgharenis instudie(fig. 1).Cement 1987 nr. 11 11juni 19811~ ~ 1?.1 I1 1.1ilI ~ I I-+j_._--1-_.--'-1 -_.' --~ --~' j I1 ."[ i. il,I I '1 i15 Langsdoorsnede turbine Maurik1) oprichting stuurgroep waterkracht Maas(PLEM, RWS-Limburg, NEOM)2) PGEM gastlid in stuurgroep waterkracht Maas mei 19823) eerste gesprek PGEM/RWS-Gelderland febr. 19834) haalbaarheidsstudie gereed febr. 19845) voorstudie gereed nov. 19846) besluitvorming : groen licht dec. 19847) keuze turbine fabrikaat, start definitief ontwerp apr. 19858) vergJn'Jingen gemeente/RWS sept.iokt. 19859) start uitvoering bouwput dec. 198510) start betonwerk centralegebouw sept. 198611) in bedrijf aug/sept. 19884 Tijdschell1a waterkrachtcentraleMaurikIUTILITEITSBOUWBruggen van de Rijkswaterstaat een bij-drage geleverd. Het WaterloopkundigLaboratorium De Voorst heeft met eenschaalmodel een optimale vorm onder-zocht van de toe- en afvoerkanalen, hetsediment-transport, de invloed op descheepvaart en de bodem- en oeverbe-scherming.De studie naar de bouwmethode, hetontwerp voor de bouwkuip en het cen-tralegebouw zijn uitgevoerd door DeltaMarine Consultants BV in Gouda, inopdrachtvan dePGEM. De bouwvandecentrale Maurik is in december 1985 be-gonnen methet heienvan debouwkuip.Een jaar later startte de HBW met hetbetonwerk van het gebouwen in sep-tember 1988 zal decentrale geheel inbedrijfzijn (fig. 4).AlphenTen noorden van het 50jaar geledenge-bouwde stuwcomplex in de Maas bijLith, is door de PGEM ook een water-krachtcentrale gepland. Deze centrale,eveneens met 4 turbines 0 4 m, zal gro-tendeels gelijk zijn aan die van Maurik.Het gemiddelde verval is hoger dan bijde stuw in Amerongen. Daardoorwordthet op te stellenvermogen 4x 3,5 MW ~14MW bruto; netto ca 13 MWDegene-ratorbehuizing en daarmee het centra-legebouwworden langer dan in Maurik.De totale lengte wordt 40,4 m.Om een rustige loop van de turbines tekunnen garanderen, stelt de fabrikanteisen aan de gelijkmatigheid van de ver-deling van de hoeveelheid en snelheidvan hetwater, over de 4 kwadrantenvanelke aanstroomopening. Tijdens hetwaterloopkundig modelonderzoek gafdit bij partieel turbinebedrijf (1, 2 of 3turbines in werking) problemen vooreen aantal combinaties door de liggingin een binnenbocht van de rivier. Hetbleek nodig de centrale ten opzichte vande stuw stroomafwaarts en naar hetnoorden te verschuiven en de dikte vande pijlers tussen de turbines tevergrotentot 2 meter. Zodoendewerd de gebouw-breedte 38,4 m.De gemiddelde netto jaarproduktie zalca. 57 GWh bedragen. Op 1 juni jl. ismet de aanleg van de bouwkuip begon-nen. In maart 1988 start het betonwerken hetprojectzal begin 1990 gereed zijn.TurbinekeuzeVan belang voor de haalbaarheid van dewaterkrachtprojecten is de technischeverbetering van de waterturbines. Bijhet selectie-onderzoek bleek voor deNederlandse situaties de Kaplan-turbi-ne met horizontale as, waarbij het gene-ratorhuis (de 'bulb') zich inhetwaterbe-vindt, de beste te zijn (fig. 5). Gekozen isvoor de uitvoering met dubbele rege-ling, waarbij zowel de leidschoepen inde leidschoepenkrans die hetwater naarde turbinerotor sturen, als de loop-schoepen van de rotor verstelbaar zijn.Zo wordt ook bij de relatiefgrote varia-ties inhetverval, die inonze rivieren op-treden, een hoog hydraulisch rende-ment verkregen.Het turbinerendement is maximaal inhet ontwerp-werkpunt en bedraagtvoor Maurik bij 50 m3/s en een nettovervalvan 3,18m: 94,15%Q3 enper turbine bedraagtdan 1470 kW Voorhet netto elektrisch vermogen moet re-kening worden gehouden met het ren-dement van tandwielkast en generatoren met het eigen gebruik van de centra~Ie. In hetwerkpunt zal het netto vermo-~~n ca. 1390 kw per turbine bedragen(fig. 6).De onder in figuur 6 vermelde formulegeeft een benadering van de weer-standsverliezen over het grofvuilroosteren in de toe- en afvoerkanalen binnenhet centrale gebouw. Het optimale toe-rental van de turbine wordt door de le-verancier vastgesteld op basis van de Q-h~relatie van elke lokatie, waaruit hetontwerp-werkpunt voor het turbine-diagram wordt afgeleid. Het Oosten-rijkseconcern Voest-Alpine levert voor12 Cement 1987 nr. 11max. vermogen per turbine2650 kW bruto xO,94=2500 kW elektrisch netto90h netto = h bruto _10-4xQ2 x 0,17 mmax. openingloopschoepenmax. opening 85 !leidschoepen 80- _.75.\ .70....Q)Q."0 93'a;40.c: 92Q)Q) w.-....-.>~ 20.c: ..-.......Q)-~ 00.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0nettoverval h in meters--t 100(J)........Ea 80~152 606 Turbinediagram - hydraulischrendement regelbare leid- enloopschoepen; aantal tnrbines 4,diameter 4,00 m, 78 toeren per minuutI,Maurik, Linneen Alphen elkvier instal~laties, waarvan het turbine-ontwerpidentiek is. De toerentallen bedragenresp. 78, 88 en 94 per minuut.De tandwielkast in het generatorhuisheeft daardoor per project een verschil~lende overbrengingsverhouding, omdatde acht-polige generatoren met 750omwentelingen per minuut moetendraaien.Selectieprocedureturbine-conceptTijdens de selectieprocedurevoorMau-rikvielen drievan de zes potenti?leleve-ranciers afop basis van de gegeven prijsiprestatie verhouding. Van de resterendedrie viel begin 1985 na verdere bestude-ring ereenafdooreen te geringegemid-deldejaaropbrengst in relatie tot de ge-raamde investering.De twee overgebleven leveranciers heb~ben in het voorjaar van 1985 completeaanbiedingen gedaan. Beiden gaven -voor enkele alternatieven - berekenin-gen van de te verwachtenjaaropbrengst,opbasisvande Q-h-relatieen degemid-delde afvoerduurkromme bij de stuw teAmerongen. Vervolgens zijn beide aan-biedingen vergelijkbaargemaakt terwijlhet ontwerp voor de civiele en de bijko-mende werken voor de alternatievenzover werd uitgewerkt, dat voldoendenauwkeurige ramingenvan de totale in-vestering per concept konden wordenvastgesteld.De verschillen in aanbieding betroffenhoofdzakelijk de diameter van deschroef(4 tot 4,35 m) en enkele ofdub-bele regelingvan de turbines, terwijl perproject het aantal installaties nog moestworden vastgesteld (Maurik 3 of 4, Al-phen 4 of5).De hogere produktie van een installatiemet 4 turbines 0 4,35 m, zoals inde slot~rondedoor eenleverancieraangeboden,kon de grotere benodigde totaalinveste-ring in vergelijking met een installatiemet4 turbines 0 4 m van de andere aan-bieder niet geheel compenseren. Hetverschil, uitgedrukt in de investeringperjaarlijks teproduceren kWh elektri-sche energie, bedroeg ca. 2,5%op een in-vesteringsbedrag van f 1,42 per kWhvoor de projecten Maurik enAlphen sa-men.Voest-Alpine in Linz (Oostenrijk) is in-tussen opgedragen de installaties te le-veren voor Maurik, Alphen en Linne.Voor elk project zijn het 4 dubbelgere-gelde turbines met een schroefdiametervan4m.Berekening jaarproduktie MaurikFiguur 7 toont de Q-h-relatie voor hetcomplex Amerongen, volgens afspra-ken met de directie Gelderland van deRijkswaterstaat, beheerdervan deBene-denrijn. Deze stuwkromme zal wordenaangehouden wanneer de waterkracht-centrale in bedrijfis.Bij een afvoer van 600 m 3/s is de stuwgeheel geopend. De theoretische stuw-kromme die thans geldt, geeft tussen deafvoer van 400 en 600 m 3/s een lagerverval dan de kromme van figuur 7.Op basisvan de tussen 1971 en 1985vast-gestelde afvoer/waterstandgegevens,die een flinke spreiding om de theoreti-sche stuwkromme geven, bleek hetver-antwoord te zijn de bovenwaterstandvoor afvoeren tussen 400 en 600 m3/shoger in te stellen. De berekende ge-middelde netto jaarproduktie komtdaarmee op ca. 32 GWh, een verbete-ringvan 10% ten opzichtevan devroege-re situatie (fig. 8).In figuur 7 is ookaangegeven op hoeveeldagen per jaar - gemiddeld - elke af-voersituatie zich voordoet. Deze infor-matievormt debasisvoor de berekeningvan dejaarproduktie E. Daarbij is Q hetbeschikbare debiet per turbine en a hetaantal turbines dat in bedrijfis. Het tur-binerendement 11 is afgeleid uit de gra-fiek van de leverancier (ziefig. 6).De in het schema van figuur 8 bereken-de brutojaarproduktie moet met ca. 6%worden verminderd om de netto te ver-Cement 1987 nr. 11 13!UTILITEITSBOUW7 Rivier-afvoerdiagram geldendvoor complex Amerongen6 -t.-.A..M...~R..oN_GEN....eo_v..EN _800openrivier700600500gestuwderivier400IJ Nederrijn ( m'lsec.)van bediening en onderhoud, alsmedeuit de waarde van de bespaaarde brand-stoffen, verhoogd met de kosten van hetverwerken van de (kolen)reststoffen enrookgasreiniging.De brandstofverhouding is afhankelijkvan de 'mix' (verhouding van de ver-bruikte brandstofsoorten) en de prijzenvan de verschillende brandstoffen.De 'vermogensvergoeding' is voor elkjaar gecorrigeerd met de aangenomengeldontwaarding. Voor het verloop inde toekomst van deze factoren bestaan-jaarlijks bijgestelde - prognoses van deSEP (Samenwerkende Elektriciteits-Produktiebedrijven);voor de brandstof-fen is het scenario (1986) van NEOM!ministerie EZ aangehouden.In het door de PGEM ontwikkeldecomputerprogramma worden de kos~ten per jaar vergeleken met de baten.Voor elkjaar wordt het cumulatiefpro~jectresultaat berekend en contant ge-maakt naar het jaar 1987. De uitkomstvan dez~ berekeningen voor de projec-ten Maurik en Alphenis weergegeven infiguur 9.300200o2S 10084.5Q - h RELATIE STUWEN- COMPLEX AMERONGEN;STREEFPEIL 383--iii....,+.--~2-+--- 0208060c: eGIC'..c:n:I~100 4De baten van de waterkrachtprojectenbestaan uit de bespaarde vergoedingvoor het equivalent conventioneel ver-mogen, gebaseerd op de investeringvoor thermische centrales en de kostenDe afschrijving is gesteld op 40jaar. Datis verantwoord gezien de zeer langetechnische levensduur van water-krachtinstallaties. Er zijn centrales diezelfs al meer dan 90 jaar in bedrijfzijn!De re?le rente, het verschil tussen renteen inflatie, is ingevoerd als 4% tot 1990en 3% daarna.De jaarlijkse kosten van beheer, bedie-ning en onderhoud/revisies zijn ge-raamd op 1% van de stichtingskosten(zonder bouwrente), gecorrigeerd metde aangenomen geldontwaarding (3 tot4% perjaar). Deze aanname is gebaseerdop gegevens uitDuitsland en Oostenrijken getoetst aan de hand van een opzetvoor de projecten Maurik en AlphenSa-men. Het is daarbij van groot belang datde bediening van de centrales geheelgeautomatiseerd is, zodat personeel nietdagelijks aanwezig hoeft te zijn.Het vermogen, de produktie en even-tuele storingen worden via het telecom-municatienet van de PGEM naar eencentrale post doorgegeven.Economische haalbaarheidDe stichtingskosten van de centraleMaurik bedragen f 60 miljoen, ver-deeld over:- ontwerpkosten (incL waterloopkun-dig onderzoek), projectleiding en kwa-liteitscontroles;- turbine/generatorinstallaties met re-gel- en beveiligingsapparatuur, koelwa-terinstallatie en pompen;~ grond-, leges- en domeinkosten;- bouwkuip, centralegebouw en ge-bouwinstallaties;- grofvuilrooster, schotbalken, hef-werktuigen en rooster-reinigingsinstal-latie;- toe- en afvoerkanalen, terreininrich-ting;- 10 kV-kabelverbinding naar het 150/10 kV-onderstation teTiel, eigen bedrijftransformatoren en schakelinstallaties;- bouwrente, verzekering en algemenebedrijfskosten.kopen jaarproduktie te vinden. Oorza-ken daarvanzijn de tandwielkast-enge-neratorverliezen en het eigen gebruikvan de centrale voor lekwaterpompen,verlichting en bedieningsapparatuur.De gemiddelde nettojaarproduktie vanMaurik, vanaf september 1988, is aldusbepaald op 32 GWh. Ditgetal is naarbe-neden afgerond vanwege mogelijk pro-duktieverlies bij storing en onderhoud.Voor het berekenen van de kostprijs perkWh zijn, naast de gegevens van de in-vestering en de netto energieproduktie,nog aannamen nodig van de afschrij-vingstermijn, rente en inflatie, alsmedede kosten van beheer, bediening en on-derhoud. Daarmee ligt voor de levens-duur van het project, de prijs van de teproduceren energie vast. Die wordt danniet meer be?nvloed door oorzaken vanbuitenaf, tenzij zich wijzigingen voor-doen in het klimaat ofin het beheer vande rivier.14 Cement 1987 nr. 118 Schematische berekening van dejaarproduktie in Maurik E=Or X a X hnettox 9,81 X f7. X t X 24 X 10-6GWh+509 Contante waarde projectresultaatin W guldens (1987)Investering Maurik f 60 miljoen -jaaropbrengst 32 GWh;investering Alphen f 66 miljoen -jaaropbrengst 57 GWh;afschrijving 40 jaar, re?le rente tot 19904%, daarna 3%, bediening en onderhoud1% per jaarafvoer turbine verval turbine vermogen dagenQ Or hnetto rend. bruto per jaarm3Is m3/s a m rz % MW t 8285+0,0725 25 1 3,04 91,2 0,680 84,575 37,5 2 3,03 93,5 2,084 13125 41,65 3 2,98 93,9 3,431 14175 43,75 4 2,92 94,0 4,712 16225 56,25 4 2,85 94,0 5,913 19275 68,75 4 2,73 93,2 6,864 20,5-325 81,25 4 2,56 91,6 7,476 26,5375 93,75 4 2,36 88,9 7,718 33,5425 100 4 2,20 85,9 7,416 33475 94,5 4 1,74 81,3 5,246 24,5525 91,0 4 1,63 80,4 4,680 19,5575 87,0 4 1,51 79,3 4,088 14625 9650 38--365productie per jaar netto 0,94 X 34,546 = 32 GWh/+40 f-----+-~-__II-----l--~-+----j,//+30 t--~--+---t-----tf-~--'---+-----tAIPhen/~IPhen./ Maurikr +20 t-~--+-~-j----,f--It----+-----t~ !~ /-' Ix i /riJ +10 1-----4----V-I..~-+--II-----l---+-/__I~ j /'(5 / /Maurik"; 0 1-"19""8:=.0_....--.;+"19""9~O~/~/_t"'2'f=-0~__IF20"-'1-=-0~~/-t'2=0=20=------t2030~ \"_. /1/ v/// jaren-~, / /-10 I---_-+'~~-+__----=-.,L---+-~---+~-----I~...... .,./--I-productiebrutoGWh1,3790,6501,1531,8102,6963,3774,7556,2055,8733,0842,1901,37434,546Cement 1987 nr. 11-15Financieel resultaat van waterkrachtcentral?s Alphen en MaurikBespaarde brandstof volgens NEOM (1986)Brandstofmixen vermogensvergoeding (1987 :f.202/kW) opgave SEP15