Farming by satellite

The Food and Agriculture Organisation (FAO) has unofficially endorsed dr. Sander Zwarts’ model, called Watpro, by ordering that the same worldwide benchmarking Zwart has made for wheat should also be used for calculating rice and maize. As Zwart is currently in Benin, a colleague of his will handle this new assignment.

After eight years work on his PhD research, which he conducted alongside his regular job at WaterWatch remote sensing services in Wageningen, dr. Zwart (who has double MSc titles in both irrigation and remote sensing) is on his way to Africa to put his theoretical work on satellite-augmented agriculture into practice at the Africa Rice Center in Cotonou. “Chinese and Libyans are constructing large irrigated rice fields in Mali”, Zwart says. “They use water from the Niger to irrigate thousands of hectares of new rice fields.” Strangely enough, the Africans import their rice from Thailand, and no one is really sure to whom the Chinese will sell their African rice. The situation illustrates a globalised food market under stress. “In Asia, every small plot of land is in use and every drop of water is needed”, Zwart explains. “Africa has plenty of unused land and untapped water reserves. That’s what attracts China to Africa.”

The amount of water needed to produce a kilogram of crop is not only high but also quite variable. The water productivity – as the amount of crop per cubic meters of water per kilogram is called – varies from 1.52 kilograms of wheat per cubic meter in the Nile delta, to 1.39 kg/m3 in the Netherlands and only 0.54 kg/m3 in Pakistan.

The production per unit of water must be increased, Zwart argues, because the world population is rapidly growing. Besides, agriculture faces increasing competition for water from industry and domestic usage. On top of that, changing diets (increased meat consumption) accelerate the demand for food even more. To face that challenge, Zwart aims to establish benchmarks for the water productivity of important food crops and cotton. Such figures would enable local optimisation of agricultural water consumption.
By applying cunning algorithms, the water production value can be derived from satellite data, Zwart explains. Professor of Water Resources, Wim Bastiaanssen (Civil Engineering and Geosciences), developed the application Sebal (Surface Energy Balance Algorithm for Land) 25 years ago. He was Zwarts’ PhD supervisor.

The near infrared sensors measure the greenness of the crop. A sequence of measurements over the course of the season provides information about the biomass produced and thus of the harvest. The far infrared is a measure for the surface temperature from which the model derives the evaporated amount of water. But actually it gets much more complicated, since land use and weather data are also involved in the calculations. However, ultimately, the Sebal model presents for each pixel in the satellite image values for the biomass production and water use, from which the water production values can be calculated. This makes it easy to spot poorly performing plots where local improvement efforts should be focused.

As clever and powerful as Sebal may be for local applications, Zwart says it is just too complicated for making worldwide scans. He has therefore developed a simpler version, called WATPRO, which is based on Sebal and which immediately calculates the water productivity from remote sensing data for large production fields (minimum size: one by one kilometre) all over the world. This enables Zwart to establish worldwide benchmarks for water production. His map shows that wheat grown in France for example needs only half the water of that in Russia.

Comparisons with other methods of estimating water productivity show considerable differences among them (plus or minus fifty percent). Zwart argues that the accuracy of his Watpro method is comparable to that of Sebal (five percent over the course of a season). Other methods use different assumptions, leading to deviating values. Ultimately worldwide measurements are needed to calibrate the model, as indeed was done for Sebal.  

S.J. Zwart, ‘Benchmarking water productivity in agriculture and the scope for improvement – remote sensing modelling from field to global scale’, PhD supervisor professor Wim Bastiaanssen, 26 May 2010.

Een beruchte zeestraat scheidt de Orkney-eilanden van het Schotse vasteland. De gelijknamige veerboot ‘Pentland Firth’ ploegt door de golven en baant zich een weg naar de overkant. Passagiers op het dek klemmen zich met beide handen vast aan de reling. Aan de ene kant van het schip stuiteren scherpe golven op elkaar. Aan de andere kant wordt de stroming honderd meter verder opeens onheilspellend glad. De getijden van de Noordzee en de Atlantische Oceaan stuiten hier op elkaar, wat vreemde zeeën oplevert en stromingssnelheden tot zestien kilometer per uur.

Het is niet voor niets dat uitgerekend hier het Europese centrum voor maritieme energie Emec is gevestigd. Directeur Neil Kermode die we in het schilderachtige havenstadje Stromness spreken zegt: “Schotland is gevormd door de oceaan, en nu worden mensen zich ervan bewust dat die energie te oogsten valt. Schotland kan zes keer meer energie uit wind en water opwekken dan het gebruikt.” Geen wonder dus dat de Schotse overheid geïnvesteerd heeft in Emec als centrum waar uitvinders en ondernemers hun apparaten kunnen testen. Schotland ziet, net als Noorwegen overigens, duurzame energie als exportmogelijkheid en industriële kans. Maar voorlopig is er vooral behoefte aan onderzoek en ontwikkeling. Want golf- en stromingsenergie lopen zo’n twintig jaar achter op windenergie.

Dobbers, blazers, drijvers
Stel je een enorme dobber voor, ter grootte van een tankwagen, die aan de zeebodem verankerd is. De onderkant van de dobber zit vast, de bovenkant zweeft in het water en deint mee met iedere passerende golf. Op die manier wil het bedrijf AWS Ocean Energy in het Schotse stadje Alness stroom opwekken. In een anoniem kantoorgebouw op het industrieterrein werken zeventien veelal jonge mensen aan hun gezamenlijke droom. Ze nemen hun tijd, vertelt directeur Graham Bibby, om het in een keer goed te krijgen. Het bedrijf werkt aan een tweede prototype dat ‘ergens in de komende jaren’ getest zal worden. Bibby heeft geen haast om ‘weer nat te worden’. Investeerders als Shell Technology Ventures en Kender Capital (beiden uit Den Haag) hebben daar volgens Bibby begrip voor.

Het eerste prototype, dat eruit zag als een reusachtige omgekeerde tafel en vierduizend ton woog, werd in 2004 voor de kust van Portugal afgezonken en verbonden aan het elektriciteitsnet. Drie weken lang heeft het stroom geleverd aan het net, waarmee het principe bewezen was. De uitvinder is, anders dan zijn naam Fred Gardner doet vermoeden, een Nederlander die met zijn in Noord-Holland gevestigde bedrijf Teamwork Technologies verschillende concepten voor golf- en getijdenenergie ontwikkelt.

Het principe van de Archimedes Wave Swing, een drijflichaam dat op- en neer beweegt langs een lineaire generator, verkocht hij voor verdere uitwerking aan AWS Ocean Energy. Daar verwacht men een groei in maritieme energie rond 2020. Bibby: “Nu ligt de nadruk op offshore windparken met het oog op twintig procent duurzame energie in 2020. Ondertussen werken wij aan de eerste golfparken. De regeringsdoelstelling daarvoor is 1 tot 3 gigawatt in 2020, maar de echte doelstelling is 20 gigawatt in 2025. De grote expansie van maritieme energie zal tussen 2015 en 2025 plaatsvinden.”

In het iets zuidelijker gelegen Inverness is men bij Wavegen al een stuk verder met de ontwikkeling. In 2000 bouwde het bedrijf zijn eerste installatie, de Limpet (Land Installed Marine Powered Energy Transformer), op het West-Schotse eiland Islay. Het apparaat levert maximaal 500 kilowatt en vanaf 2000 is het 60 procent van de tijd productief geweest. “Niet slecht voor een apparaat dat ook als teststation gebruikt wordt”, meent directeur Matthew Seed. We treffen hem bij de eigen golftank van Wavegen in Inverness. Hier kunnen we het drijvende principe van de Oscilating Water Column ervaren. De tank is zes meter breed en twintig lang. Aan een kant maken pneumatisch aangedreven schotten golven die aan de andere kant op een kunstmatige kust (rollen plastic gaas) lopen. Maar voordat ze daar zijn, passeren ze een ‘doos’ die met open onderkant in het water staat. Als er een golf langskomt, stijgt ook het water in de doos en perst de lucht naar buiten. Met de hand is een krachtige luchtstoot te voelen. Maar dit is schaal 1 op 40. In het echt passeert de lucht een turbine met diameter van 75 centimeter die een 250 kilowatt generator aandrijft. Omdat ook de teruggaande luchtstroom wordt benut, is het totale vermogen het dubbele. De nuchtere Seed wordt er gevoelig van: “Het is alsof je de oceaan hoort ademen.” Wavegen werkt nu volgens hetzelfde principe aan een vier megawatt opstelling op het eiland Lewis.

De inventiviteit is groot onder de golfenergie-experts. Jane Kruse van het Deense Folkecenter beheert de testfaciliteit voor golfenergie aan het Deense Limfjord. Uitvinders en ontwikkelaars kunnen hier hun prototypes testen in de halfbeschutte omgeving van het fjord. Sinds de opening in 2000 zijn er al 33 verschillende installaties getest. De een met meer succes dan de ander. “Sommigen zonken gelijk naar de bodem, anderen zijn van de ankers gerukt en belandden verderop op het strand”, vertelt Kruse. Ze onderscheidt drie basistypen in de golfgenerators: hydraulische systemen die de beweging van de golven omzetten in druk en daarna in elektriciteit; overstromingsapparaten die golven hoog op laten lopen en het water terug laten stromen via een generator; en drijvers zoals die van AWS. Let wel: het pneumatische principe van Wavegen valt hier nog buiten.
Een winnende technologie is volgens Kruse niet aan te wijzen. “Niet alleen omdat het daar te vroeg voor is, maar ook omdat golven – anders dan wind – overal anders zijn.” Verschillende technologieën zullen naar haar verwachting hun eigen niche vinden.

Rotoren, turbines, kloppers
Aan boord van de tien meter lange Ocean Explorer naar de stromingsopstelling van Emec zit de stemming er goed in. Collega’s uit Zuid-Engeland zijn een kijkje komen nemen. Vanaf het dek wijzen ze ons op langs vliegende papegaaibekduikers (puffins) die met hun snelle kleine vleugeltjes dicht over het water scheren. Neil Kermode vertelt ondertussen waarom deze plek gekozen is (stabiele en sterke stroming) en over de uitdaging van het maken van constructies in deze wateren. In de verte komt de testopstelling in beeld. Tussen twee gele palen hangt een ronde turbine van Ierse makelij (Openhydro) die speciaal gemaakt is om zo’n tweehonderd kilowatt elektrisch vermogen te halen uit sterk stromend water. Deze firma is uitgenodigd om in de staat Washington een proefproject uit te voeren voor een getijdencentrale van de Puget Sound. “Zij kunnen zich concentreren op hun apparaat, wij verzorgen de aansluiting en de verankering”, zegt Kermode. De service gaat echter nog verder, want doordat Emec ook de stroomsnelheid ter plaatse meet, is ook het rendement te bepalen.

Stromingsturbines worden ook in Nederland ontwikkeld. Voor echte golven zoals in Portugal, Frankrijk of Schotland moet je hier niet zijn. Maar stroming is er wel: bij de spuisluizen van het IJsselmeer of bij de Zeeuwse wateren.
In Den Oever opent de sluiswachter twee maal per dag bij laag water de spuisluizen. Het zoete water van het IJsselmeer stroomt dan in een sterke gestage stroom (tot vier meter per seconde) de Waddenzee in. In een van de spuisluizen hangt aan een frame van rode stalen buizen de stromingsturbine van Tocardo. “We zien het als een windmolen onder water”, zegt ontwikkelaar Hans van Breugel. Hij ontwikkelt de Tocardo samen met Fred Gardner bij Teamwork Technologies. Het inshore-model hier heeft een diameter van 2,8 meter en levert tot 45 kilowatt aan vermogen. Tocardo ontwikkelt ook een offshore model met een tien maal groter vermogen dat bedoeld is om in het Marsdiep te plaatsen, de stromingsgeul tussen Den Helder en Texel. Tien tot twaalf turbines zouden vijf megawatt op moeten leveren. Tocardo zweert bij eenvoudige turbines en hoopt zich te ontwikkelen tot een exportindustrie in Noord-Holland.

Aan de andere kant van Nederland werkt Peter Scheijgrond van Ecofys (nu onderdeel van Eneco) aan een prototype van de Waverotor. Het apparaat is bevestigd aan een pier van olieraffinaderij Total in de Westerschelde, vlakbij de kerncentrale. Vanwege de raffinaderij is veiligheidskleding verplicht. Aan het einde van de pier steken drie vleugelprofielen loodrecht uit het water. “Het lijkt nog het meest op een slagroomklopper”, legt Scheijgrond uit. Langsstromend water oefent een druk uit op de bladen waardoor het geheel begint te draaien in de stroom. Om het effect sterker te maken heeft Scheijgrond ook de verbindingen van de bladen naar de centrale as als vleugelprofiel uitgevoerd. “Wat de Waverotor uniek maakt, is dat hij voor zowel golven als stroming geschikt is,” zegt hij. Het elektrische gedeelte inclusief de generator is in een aparte behuizing boven de waterspiegel gebouwd. Het eerste ontwerp is begin 2002 beproefd bij het

Folkecenter testcentrum in Denemarken. De huidige uitvoering is met vijf meter lengte en vijf meter diameter twee keer groter dan toen. Bij een stromingssnelheid van twee meter per seconde (lokaal maximum) bedraagt de verwachte output hier maximaal dertig kilowatt. De zogeheten veldtest bij Borssele zal een jaar duren en moet gegevens opleveren over het rendement van de opstelling, de stevigheid, corrosie, optredende storingen, de onderhoudsgevoeligheid en trillingen. De bladen zijn met verschillende scheepslakken geverfd om te zien welke het minste aanslag oplevert. Als de proef naar wens verloopt, is de volgende stop de Oosterscheldedam met stroomsnelheid tot vier meter per seconde. “Dat betekent een achtvoudige toename van het vermogen”, zegt Scheijgrond, “want dat gaat net als bij windenergie met de derde macht van de snelheid.” Vier waverotors, die dan wel iets steviger gemaakt moeten worden, zouden dan een megawatt kunnen leveren.

De ontwikkeling van stromingsenergie in Nederland zou volgens betrokkenen versneld kunnen worden door het huidige subsidiebedrag van Stimuleringsregeling Duurzame Energie (SDE) te verhogen. De SDE gaat uit van een kostprijs van 12,5 cent per kilowattuur, en een subsidie van 5 à 6 cent. Dat bedrag zou volgens mensen uit de sector moeten verdubbelen. “Bij het huidige feed-in tarief wordt de waverotor nooit commercieel rendabel, ook al lopen de tests nog zo goed”, aldus Scheijgrond. 

• www.northseacycling.com
• www.awsocean.com
• www.wavegen.co.uk
• www.openhydro.com
• www.tocardo.com
• www.emec.org.uk
• www.folkecenter.dk