Achtergrondrapport Natuur Bijlage 1 Passende beoordeling Bijlage E Thermische effecten koelwater

PASSENDE BEOORDELING PALLAS-REACTOR

BIJLAGE E THERMISCHE EFFECTEN KOELWATER Bijlage met titel “Koelwaterstudie PALLAS”, kenmerk D10014222:3, d.d. 14 augustus 2020.

Onze referentie: D10016570:33 - Datum: 18 december 2020

132 van 136

ONDERWERP

PROJECTNUMMER

Koelwaterstudie PALLAS

C05011.000642

DATUM

ONZE REFERENTIE

14 augustus 2020

D10014222:3

VAN

Jeroen Adema

1 INLEIDING De Stichting Voorbereiding PALLAS-reactor, verder PALLAS genoemd, heeft het voornemen om een multifunctionele nucleaire reactor te realiseren die geschikt is voor het produceren van medische isotopen, industriële isotopen en het uitvoeren van nucleair technologisch onderzoek. Deze reactor, verder de PALLASreactor genoemd, dient ter vervanging van de huidige Hoge Flux Reactor (HFR) in Petten. De HFR is op dit moment ruim vijftig jaar operationeel en loopt tegen het einde van zijn economische levensduur. Voor de nieuwe reactor wordt een koelwaterleiding gerealiseerd. Water wordt ingenomen op het Noordhollandsch Kanaal en geloosd op de Noordzee. Om te kijken of deze koelwaterlozing aan de vergunningscriteria voldoet, dient er een koelwaterstudie uitgevoerd te worden. De ‘NBW-beoordelingssystematiek voor koelwaterlozingen’ geeft de volgende twee criteria voor lozingen op de Noordzee (bron: Inspectie Verkeer en Waterstaat, Koelwater; Handreiking en inspectiekader voor Wvo- en Wwh-vergunningverlening, 2005): • De mengzone (zeewatertemperatuur hoger dan 25 °C) mag de bodem niet raken. Dit geldt voor een omgevings-zeewatertemperatuur tot 22 °C, daar boven wordt verondersteld dat de temperatuurgevoelige vissen weg migreren naar koelere plaatsen; en • De watertemperatuur mag niet meer toenemen dan met 2 °C, met een absoluut maximum van 25 °C.

Omdat de ruimtelijke en temporele schalen waarnaar gekeken dient te worden (enerzijds de lokale menging rondom de uitlaat en anderzijds de opwarming over langere tijd langs de Nederlandse kust), is in deze studie gebruik gemaakt van twee numerieke modellen: • FLOW-3D − Lost de volledige 3D Navier-Stokes vergelijkingen op. − Niet-hydrostatisch. − Geschikt voor tijdsafhankelijke (vaak ook quasi-stationaire) stroming op kleinere ruimtelijke en temporele schalen. • Delft3D • Lost de 2D of 3D ondiep water vergelijkingen op. • Hydrostatisch. • Geschikt voor de tijdsafhankelijke stroming op grotere ruimtelijke en temporele schalen. Omdat in FLOW-3D gebruik wordt gemaakt van hele kleine rekencellen in en nabij de uitstroomopening om enerzijds de geometrie in detail te kunnen schematiseren en anderzijds het mengen van het koelwater met zijn omgeving nauwkeurig te kunnen modelleren, zou het modelleren van grotere ruimtelijke schalen (kilometers) en temporele schalen (doodtij-springtij cyclus) leiden tot onacceptabele rekentijden. Anderzijds is Delft3D niet geschikt om de lokale menging te modelleren. Ten eerste omdat het gebruik maakt van een afgeleide set vergelijkingen, namelijk de ondiep-water vergelijkingen.

Twee belangrijke aannames die bij deze vereenvoudiging worden toegepast, zijn dat de horizontale ruimteschalen veel groter zijn dan de verticale, en dat verticale snelheden klein zijn ten opzichte van de horizontale snelheden. Beide aannames zijn in en rondom de koelwaterstraal niet het geval. Ten tweede kan met dit model de complexe geometrie van de koelwateruitlaat niet in detail worden geschematiseerd, waardoor de initiële verspreiding van het koelwater niet nauwkeurig kan worden gesimuleerd.

Arcadis Nederland B.V., Lübeckplein 34, 8017 JS Zwolle

T +31 (0)88 4261 261

www.arcadis.com

Arcadis Nederland B.V. - Registered office: Arnhem - Registered number: 09036504

In dit memo worden de aanpak en de resultaten van deze modelstudie beschreven. De aanpak van de studie bestaat uit de volgende vier stappen: 1. Het bestaande, grootschalige Delft3D-model van de Nederlandse kust (Kuststrook) wordt gevalideerd om te kijken of het in staat is om de temperatuur in de Noordzee correct te modelleren. 2. Dit model wordt ook gebruikt om de omgevingscondities af te leiden ter plaatse van de koelwater-uitlaat (stroomsnelheden, saliniteit). Omdat de resolutie van het oorspronkelijke model relatief grof is, is er een lokale verfijning toegepast rondom de uitlaat. 3. Middels een CFD-studie (Computational Fluid Dynamics) met FLOW-3D wordt de lokale menging van de koelwaterlozing nabij de uitlaat geanalyseerd op korte tijdschalen. Dit is gedaan voor vier maatgevende condities: • • • •

Winter kentering. Zomer kentering. Winter maximale getijstroming. Zomer maximale getijstroming.

4. Met het grootschalige model onder 2 wordt gekeken hoe de koelwaterlozing(en) zich grootschalig en over langere tijdschalen verspreidt. Dit is gedaan voor twee situaties en elk voor twee relevante condities: •

•

overgangsfase − Winter. − Zomer. productiefase − Winter. − Zomer.

Er dienen twee fases te worden onderzocht voor het verkrijgen van de vergunning: de overgangsfase en de productiefase. Tijdens de overgangsfase zijn zowel de bestaande reactor HFR als de nieuwe PALLAS-reactor in gebruik, terwijl in de productiefase alleen de nieuwe reactor nog wordt gebruikt. Door voor de laatste twee stappen te kijken naar de vier meest extreme combinaties van condities, wordt inzicht verkregen in de bovengrens van de effecten die kunnen optreden. Hierbij is gekeken naar een wintersituatie, waarbij de temperatuurverschillen tussen koelwater en omgeving maximaal zijn en dus het opdrijvende vermogen het grootst, en een zomersituatie, wanneer de omgevingstemperatuur het warmst is en dus eerder de kritische grens van 25 °C kan worden overschreden, maar tegelijkertijd het temperatuurverschil het kleinst is.

2 GEBRUIKTE GEGEVENS 2.1 Locatie en lozingsgegevens HFR en PALLAS HFR: • Outfall locatie: X: 105.589 m, Y: 533.785 m. • Lozingsdebiet: 3.125 m3/uur = 0,868 m3/s. • Lozingstemperatuur: 40 ° C. • Lozingssaliniteit: zoet water. PALLAS: • Outfall locatie: X = 105.786 m, Y = 533.891 m. • Lozingsdebiet: 3.800 m3/uur = 1,056 m3/s. • Lozingstemperatuur: 45 °C (in overleg met PALLAS aangenomen waarde). • Lozingssaliniteit: zoet water (inname vanaf het Noordhollandsch Kanaal).

2.2 Ontwerp uitlaat Het ontwerp van de koelwateruitlaat (vigerend ontwerp op het moment van de aanvang van de studie), beschikbaar als schets, is middels het programma Rhino (https://www.rhino3d.com/) omgezet in een 3D CADmodel. In het ontwerp is de wanddikte van het stuk pijp dat boven de zeebodem uitstijgt en de dikte van de uitstroom van de duckbill valve overdreven ten behoeve van de roosterschematisatie. Dit zal nader worden toegelicht in paragraaf 3.3. Het ontwerp is weergegeven in Figuur 1.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

2 van 39

Figuur 1 3D CAD model van de uitlaat. Vanaf de kust af gezien, bestaat het ontwerp uit: • Aanvoerleiding met een binnendiameter van 818 mm, met de hartlijn op NAP -12,0 m. • Overgangsstuk van binnendiameter 818 mm naar binnendiameter 900 mm, lengte 100 mm. • Bochtstuk met een binnendiameter van 900 mm en een bochtstraal van 2,5*D = 2250 mm. • Recht stuk met een binnendiameter van 900 mm van NAP -9,75 m naar NAP -8,37 m. • Duckbill valve, type ProFlex 710 van PROCO om retourstroming de uitlaat in te voorkomen. De bodem ligt op NAP -9,0 m.

2.3 Zeewatertemperatuur In 2016 is een verkennende studie uitgevoerd naar de koelwaterlozing, waarbij ook een analyse is gemaakt van de zeewatertemperatuur voor de kust van Petten. [Referentie: Memo Water temperature Petten, dd. 1 april 2016. De watertemperatuur bij Petten varieert over het jaar en van jaar tot jaar. Deze variatie is afgeleid vanuit de beschikbare metingen bij Den Helder veersteiger (ongeveer 20 km noord) en IJmuiden buitenhaven (ongeveer 35 km zuid van Petten), zie Figuur 2. Temperatuur varieert in de winter tussen de 1 en 7 °C (gemiddeld 4,5 °C) en in de zomer tussen de 17 en 23 °C (gemiddeld 20 °C).

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

3 van 39

water temperature Petten 24.0 23.0 22.0 21.0 20.0 19.0 18.0 17.0 16.0

temperature (oC)

15.0 14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 1-1 8-1 15-1 22-1 29-1 5-2 12-2 19-2 26-2 5-3 12-3 19-3 26-3 2-4 9-4 16-4 23-4 30-4 7-5 14-5 21-5 28-5 4-6 11-6 18-6 25-6 2-7 9-7 16-7 23-7 30-7 6-8 13-8 20-8 27-8 3-9 10-9 17-9 24-9 1-10 8-10 15-10 22-10 29-10 5-11 12-11 19-11 26-11 3-12 10-12 17-12 24-12 31-12

0.0

day-month min_Petten

avg_Petten

max_Petten

Figuur 2 Gemiddelde, minimale en maximale zeewatertemperatuur per dag (resp. avg_Petten, min_Petten en max_Petten) bij Petten, geanalyseerd over de periode 2000-2012. Op basis van deze analyse zijn de watertemperaturen voor het winter- en zomerscenario voor de koelwaterstudie als volgt gekozen: • Temperatuur winterscenario: 1 °C, op basis van de laagst gemeten waarde. • Temperatuur zomerscenario: 22 °C, conform de maximale temperatuur die beschouwd hoeft te worden volgens de beoordelingssystematiek (en niet de hoogste gemeten temperatuur: 23 °C).

2.4 Kuststrook model RWS Rijkswaterstaat heeft een groot aantal standaard modelschematisaties van de Nederlandse wateren beschikbaar die zijn opgezet in Delft3D (of het vergelijkbare SIMONA). Een van deze modellen dekt de Noordzeekust. Figuur 3 laat het totale rekenrooster zien en een detail van dit rooster rondom de uitlaatlocaties.

Figuur 3 Rekenrooster van het kuststrook model, geheel (links) en detail rond de uitlaat (rechts). De rode plussen tonen de locaties van de uitlaten van de HFR en de PALLAS-reactor.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

4 van 39

3 MODELSTUDIE De modelstudie bestaat zoals in de inleiding beschreven uit 4 stappen. In stap 1 is het bestaande, grootschalige Delft3D-model van de Nederlandse kust (Kuststrook) gevalideerd om aan te tonen dat het model in staat is om de watertemperatuur in de Noordzee correct te modelleren. Het model is omgezet van 2D (dieptegemiddeld) naar 3D, met 4 lagen in de verticaal, en gedraaid voor een heel jaar. Op basis van beschikbare gegevens is ervoor gekozen om deze validatie uit te voeren voor het jaar 2016. Het model wordt geforceerd met de (astronomische) waterstanden op zee, rivierafvoeren (Schelde, Maasmond), spuidebieten (IJmuiden, Haringvlietsluizen, Den Oever, Kornwerderzand) en meteorologische data (wind, bewolkingsgraad, luchtvochtigheid, luchttemperatuur) en de watertemperatuur op de open randen en voor alle rivierafvoeren en lozingsdebieten. Voor de watertemperatuur op zee is gebruik gemaakt van de metingen in K13a Platform, bij gebrek aan een station dichterbij de open rand. Ten behoeve van de CFD-modellering in stap 3, dienen de omgevingscondities afgeleid te worden ter plaatse van de koelwater-uitlaat. Dit betreft de stroomsnelheid en de saliniteit. Dit is gedaan in stap 2. Vanwege het benodigde detailniveau is hiervoor het bestaande model lokaal verfijnd, door middel van twee geneste modellen. Dit wordt nader toegelicht in paragraaf 3.2.

Omdat het model met lokale verfijningen veel rekentijd vergt, is besloten om dit model te draaien voor twee doodtij-springtijperioden, een in de winter en een in de zomer. In plaats van de watertemperatuur van 2016 op de open rand op te leggen, is besloten om uit te gaan van de gekozen scenario-temperaturen 1 °C voor de winter en °22 C voor de zomer. Op deze manier kunnen deze berekeningen tevens dienst doen als referentieberekening voor de latere koelwaterberekeningen in stap 4, zonder dat dit significante invloed heeft op de berekende saliniteit en stroomsnelheid ter plaatse van de PALLAS uitlaat. In stap 3 wordt de lokale menging van de koelwaterlozing van PALLAS geanalyseerd. Hiervoor wordt een model opgezet in het CFD-model FLOW-3D van de nabije omgeving van de uitlaat (±10 m rondom), inclusief de uitlaat zelf en een deel van de aanvoerleiding. Nadat het model is getest, worden vier relevante condities doorgerekend, te weten een kentering en een maximale getijstroom tijdens de winter en een kentering en een maximale getijstroom tijdens de zomer, waarbij de maximale getijstroom is afgeleid in stap 2. Om de rekentijd niet te ver op te laten lopen, is de simulatietijd beperkt tot zich een stationaire stroming heeft ingesteld. De FLOW-3D-berekeningen voor kentering en maximale getijstroming laten maar een deel van de realiteit zien.

Doordat de simulatieduur van de berekening relatief kort is (orde minuut) is het totale volume aan koelwater ook gering, terwijl er in werkelijkheid permanent wordt geloosd. In de berekening voor de maximale getijstroom stroomt het koelwater uiteindelijk het domein uit, waar het in werkelijkheid met de getijstroming na kentering ook weer richting uitlaat terugstroomt. Om te kijken of de verversing door het getij en de afkoeling met de omgeving voldoende groot is, is dit in het Delft3D-model van de Nederlandse kust verder onderzocht in stap 4. Hiervoor zijn de koelwaterlozingen voor zowel de overgangsfase (HFR en PALLAS) als de productiefase (alleen PALLAS) aan het model uit stap 2 toegevoegd, met het juiste debiet, saliniteit en temperatuur. In dit hoofdstuk worden elk van de vier stappen nader toegelicht.

3.1 Stap 1: Validatie kuststrook De berekende watertemperaturen voor 2016 zijn voor vijf stations vergeleken met metingen. De vijf locaties zijn in Figuur 4 weergegeven.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

5 van 39

Figuur 4 Ligging van de vijf stations waarvoor gemeten en berekende watertemperatuur is vergeleken en ligging station K13a platform ten opzichte van de open rand van het model (zwarte lijn). De Delft3D-resultaten in de stations zijn in Figuur 5 tot en met Figuur 9 weergegeven. Ter referentie is ook de watertemperatuur op de open rand ook weergegeven.

Figuur 5 Vergelijking van de gemeten en berekende watertemperatuur in Den Helder veersteiger en de opgelegde temperatuur op de open rand.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

6 van 39

Figuur 6 Vergelijking van de gemeten en berekende watertemperatuur in Eierlandse Gat en de opgelegde temperatuur op de open rand.

Figuur 7 Vergelijking van de gemeten en berekende watertemperatuur in IJmuiden buitenhaven en de opgelegde temperatuur op de open rand.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

7 van 39

Figuur 8 Vergelijking van de gemeten en berekende watertemperatuur in IJmuiden munitiestortplaats en de opgelegde temperatuur op de open rand.

Figuur 9 Vergelijking van de gemeten en berekende watertemperatuur in Europlatform en de opgelegde temperatuur op de open rand. De berekende watertemperatuur in de drie stations op zee (Euro platform, Eierlandse Gat en IJmuiden munitiestortplaats) komen goed met de metingen overeen.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

8 van 39

Het model loopt wel iets achter bij het gemeten temperatuurverloop. In het voorjaar liggen de temperaturen over het algemeen iets te laag, terwijl in het najaar de berekende temperatuur juist iets hoger ligt dan de metingen. De ondiepere kustzone zal in het voorjaar onder invloed van de zon sneller opwarmen dan de diepere Noordzee en in het najaar ook langzamer afkoelen. De temperatuur op de open rand zal dan ook ergens tussen die van K13a Platform en de stations dichter bij de kust liggen. Indien die wel bekend zou zijn, zouden de resultaten waarschijnlijk verbeteren. Bij de twee stations bij de kust (Den Helder en IJmuiden buitenhaven) zijn de verschillen tussen model en metingen groter, maar zijn de verschillen wel acceptabel. Een verklaring voor de verschillen is niet eenvoudig te geven. Mogelijk speelt de grofheid van het rekenrooster een rol, waardoor de diepteverschillen nabij de kust en in de haven niet nauwkeurig kunnen worden geschematiseerd, of worden de watertemperaturen beïnvloed door warmtelozingen die niet in het model zitten. Omdat voor de berekeningen met koelwaterlozing(en) het model gebruik maakt van een voorgeschreven watertemperatuur, geeft dit voldoende vertrouwen dat het model ook in staat is om het effect van een of meerdere koelwaterlozingen te modelleren.

3.2 Stap 2: Kuststrook met lokale verfijning voor omgevingscondities en referentiesituatie Voor het bepalen van de omgevingscondities voor stap 3 en de grootschalige koelwaterverspreidingsberekeningen in stap 4 is de resolutie rondom de uitlaat relatief laag, zoals in figuur 3 te zien is. De roostercellen in die omgeving zijn orde 700 m bij 300 m, terwijl de onderlinge afstand tussen de huidige en nieuwe uitlaat slechts 224 m bedraagt. Vandaar dat ten behoeve van de grootschalige berekeningen voor de koelwaterverspreiding het rooster in twee stappen is verfijnd tot orde 27,5 m bij 27,5 m, zodat beide uitlaten individueel kunnen worden geschematiseerd (zie Figuur 10).

Figuur 10 Rekenroosters van de twee geneste modellen, geheel (links) en detail rond de uitlaat (rechts). In beide geneste modellen zijn 8 equidistante lagen in de verticaal toegepast. De modelbodem voor beide geneste deelmodellen is gebaseerd op de vaklodingen die voor dit gebied met een resolutie van 20 m beschikbaar zijn. Omdat de rekentijd van dit model met verfijning erg groot is, zijn twee doodtij-springtij perioden van 15 dagen geselecteerd: • Winter: 15 februari – 1 maart • Zomer: 1 augustus – 16 augustus In beide gevallen is er een periode van 5 dagen gebruikt om het model in te laten spelen. Figuur 11 toont de berekende waterstanden en stroomsnelheden en -richtingen tijdens het springtij van 5-7 augustus.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

9 van 39

Figuur 11 Berekende waterstand en stroming ter plaatse van de uitlaat bij springtij. Het getij wordt gekarakteriseerd door een korte vloedperiode met relatief hoge stroomsnelheden in noordnoordoostelijke richting en een langere ebperiode met lagere stroomsnelheden in zuidzuidwestelijke richting. De maximale dieptegemiddelde snelheid over deze twee doodtij-springtij perioden ligt tussen 0,75 en 0,8 m/s en tussen 0,85 en 0,9 m/s aan het oppervlak. Bij eb ligt dit tussen 0,45 en 0,55 m/s. In de CFD-studie is voor de achtergrondsnelheid dan ook gekozen voor de twee uitersten: 0,85 m/s (maximale vloed) en 0 m/s (kentering). De modeluitvoer van beide perioden laat zien dat de saliniteit varieert tussen de 31 en 34 PSU (1 PSU komt ongeveer overeen met 1 gr zout per liter water), zodat een waarde van 32,5 PSU een redelijke aanname is voor de achtergrondsaliniteit in de CFD-studie.

3.3 Stap 3: CFD voor lokale menging Gebruikte model Het voor deze CFD-studie gebruikte programma FLOW-3D is een commercieel CFD-pakket, dat in de jaren ’80 op de markt is gekomen. Het pakket is ontwikkeld door het Amerikaanse Flow Science (Santa Fe, New Mexico) en wordt door Arcadis veelvuldig toegepast in CFD-projecten. Dit pakket is vanaf het begin ontwikkeld met het oog op tijdsafhankelijke berekeningen met een vrij wateroppervlak. Dit in tegenstelling tot andere CFD-pakketten die zijn ontwikkeld voor gesloten leidingsystemen, maar waar later mogelijkheden van berekening met een vrij wateroppervlak aan zijn toegevoegd. Omdat we in deze studie specifiek kijken naar de langs- en dwarsstroom in de omgeving van de kering, en speciaal aan het oppervlak, is dit het belangrijkste argument geweest om voor dit pakket te kiezen. Voor de modellering van het vrije wateroppervlak wordt gebruik gemaakt van een zogenaamde Volume-of-Fluid (VoF) methode. Het model rekent voor elke rekencel uit welke fractie van de cel gevuld is met vloeistof. Vervolgens wordt dit gebruikt om een scherpe interface te definiëren die het wateroppervlak beschrijft. Vervolgens wordt op dit oppervlak een randvoorwaarde voorgeschreven, in dit geval de atmosferische druk.

Zoals in paragraaf 2.2 is benoemd, is de dikte van de geometrie aangepast om deze met voldoende detail in het gebruikte rooster te kunnen schematiseren. Dit heeft te maken met de manier waarop in FLOW-3D de geometrie wordt geschematiseerd. FLOW-3D gebruikt een methode die FAVOR (Fractional Area-Volume Obstacle Representation) wordt genoemd.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

10 van 39

In Figuur 12 is deze methode schematisch weergegeven. De geometrie wordt geschematiseerd door een rekencel een gegeven fractie te blokkeren op basis van het volume dat binnen de rekencel valt.

Figuur 12 FAVOR concept, links de object definitie, rechts hoe dit wordt geschematiseerd door cellen gedeeltelijk of volledig te blokkeren. Om te voorkomen dat er gaten in de schematisatie komen bij onvoldoende dikte, dient een minimale dikte van 1,5 – 2 maal de roosterafmetingen aangehouden te worden voor de outfall boven het bodemniveau, dus zowel de pijp als de duckbill valve. In dit geval is een dikte van 13,5 cm toegepast om vrijheid te hebben om met de roosterresolutie te kunnen variëren (tot maximaal 7 cm nabij de uitlaat). Het grote voordeel van deze methode is dat kubusvormige rekencellen vanuit numerieke stabiliteit het best zijn en tegelijk dat het opzetten van een rooster een significant kleinere inspanning vergt dan voor een rooster dat de geometrie wel precies moet volgen. Hoewel dit leidt tot een minder precieze schematisatie van de geometrie dan bij een methode waarbij het rooster de geometrie nauwkeurig volgt (boundary-fitted mesh), kan dit voor een groot deel worden opgeheven door daar waar de geometrie evenwijdig aan de roosterlijnen georiënteerd is, die roosterlijnen aan te laten sluiten op de geometrie. De 3D CAD geometrie uit paragraaf 2.2 is gebruikt voor de opzet van een eerste model. Het model dekt een gebied van 30 m bij 30 m, met de uitstroomopening centraal in het domein.

In de verticaal loopt het domein van de onderkant van de pijp tot 1 m boven het wateroppervlak. Op de open randen rondom wordt een vaste waterstand opgelegd van NAP 0 m in combinatie met een hydrostatische drukverdeling en geen gradiënt (zerogradient randvoorwaarde) voor de turbulente kinetische energie (k) en dissipatie (ε). Water dat door de open randen naar binnen stroomt, heeft een gegeven saliniteit en temperatuur. Daarnaast kan water ook vrijuit naar buiten stromen. Op de bovenste rand is een atmosferische druk van 1013 hPa (1 atm.) opgelegd. De koelwaterlozing wordt middels een debiet in de pijp voorgeschreven, in 1 sec van 0 naar de vaste waarde van 1,056 m3/s oplopend, met een gegeven saliniteit (0,3 kg/m3, zoet water) en temperatuur (45 °C). Het model is geïnitialiseerd met water in rust en een hydrostatische drukverdeling tot een niveau van NAP 0 m, de saliniteit en bij het seizoen behorende temperatuur. In de koelwaterleiding is de temperatuur vanaf het begin van de berekening al op 45 °C gezet en de saliniteit op 0,3 kg/m3. Voor de simulaties met vloed wordt de achtergrondsnelheid ook initieel en op de bovenstroomse rand als randvoorwaarde voorgeschreven. Als eindtijd is een waarde van 60 sec aangehouden. FLOW-3D past op de wanden van de constructie een no-slip randvoorwaarde toe, waarbij tevens een wandruwheid van 0,06 mm (glad beton) is opgegeven.

Gevoeligheidsberekeningen Met dit model zijn vervolgens een aantal gevoeligheden onderzocht, voordat de definitieve berekeningen zijn aangezet: • roosterresolutie er zijn drie resoluties onderzocht, te weten 7 cm (13 cellen in pijpdiameter), 6 cm (15 cellen) en 4,75 cm (19 cellen) ter plaatse van de uitstroompijp in x-richting. In alle gevallen is hetzelfde aantal cellen ook gebruikt voor de kleinste breedte van de uitstroomopening in de y-richting (totaal 39 cm), dus in y-richting is de celgrootte orde 2,3 kleiner dan in x-richting.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

11 van 39

• •

•

In de verticaal is hetzelfde aantal cellen ook toegepast in de horizontale sectie van de 90 cm pijp en 2 cellen minder in de smallere pijp. In alle gevallen is de celgrootte naar de buitenkant van het domein en richting wateroppervlak geleidelijk vergroofd om rekentijd te besparen. kentering of vloed Ten behoeve van de vloedconditie is het model in benedenstroomse richting met 10 m verlengd. het turbulentiemodel Beschouwd zijn k-ε RNG en k-ω, de twee meest gebruikte turbulentiemodellen voor dit soort uitstromingsstudies. manier waarop de duckbill valve het best kan worden gemodelleerd realistisch met verlies energiehoogte en toename uitstroomsnelheid of zonder beide door middel van een rechte pijp.

De duckbill valve is het ingewikkeldste onderdeel om te modelleren. Het doel van de duckbill valve is om te voorkomen dat er zeewater de koelwaterleiding in stroomt. Zonder waterdruk is de uitstroomopening samengedrukt en als er water doorstroomt, duwt dit de klep uit elkaar. Omdat het doorstroomoppervlak kleiner is dan dat van de pijp, neemt de uitstroomsnelheid toe. De fabrikant PROCO heeft gegevens verstrekt van de uitstroomsnelheid en energieverlies over de duckbill valve als een functie van het doorstroomdebiet. In FLOW-3D is het niet mogelijk om de functionaliteit van de rubberen klep realistisch te modelleren. Het is wel mogelijk om de klep als onderdeel van de geometrie te modelleren, zodat de toename van de uitstroomsnelheid correct is. De vorm van de uitstroom is zodanig gekozen dat die bestaat uit twee gedeeltes van een cirkelsegment met het juiste doorstroomoppervlak en een lengte van het segment dat overeenkomt met de lengte van de klep. Het energieverlies wordt vervolgens gecontroleerd door middel van een zogenaamde “porous baffle”, een schematisatie-element die als een poreuze laag zorgt voor een gegeven weerstand. In Figuur 13 is de relatie tussen aanstroomsnelheid en energiehoogte verlies weergegeven en de tweede orde polygoon die daarop gefit is. In deze studie zijn we uitgegaan van de zwaarste uitvoering van dit type duckbill valve.

Figuur 13 Energieverlies en uitstroomsnelheid van de duckbill valve volgens opgave van de fabrikant PROCO en lineaire fit op het energieverlies.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

12 van 39

In FLOW-3D is het drukverlies over de “porous baffle” gedefinieerd als: 1

Δ𝑃 = 𝜌𝑔Δ𝐻 = 𝜌 (𝐾1 𝑢 + 2𝐾2 𝑢|𝑢|) Hieruit volgen waarden voor de verliescoëfficiënten K1 = 1.676 m/s en K2 = -0.060. Bij een debiet van 1,05 m3/s en een diameter van 0,90 m, komt dit neer op een verlies aan energiehoogte van 27,6 cm en een uitstroomsnelheid van 2,86 m/s. Deze relaties gelden voor de zwaarste uitvoering van de duckbill valve. Voor de lichte en middelste versies zijn de waarden voor verlies aan energiehoogte respectievelijk 18,2 cm en 22,9 cm en de uitstroomsnelheid respectievelijk 2,51 m/s en 2,69 m/s. Om het effect van de duckbill valve op de resultaten te onderzoeken, zijn twee varianten beschouwd. In de ene variant (blauw in Figuur 14) is de duckbill valve zo goed mogelijk conform de specificaties van de fabrikant (energiehoogteverlies en snelheidstoename) gemodelleerd. Bij de andere variant (groen in figuur 14) is de duckbill valve vervangen door een rechte pijp met constante binnendiameter van 900 mm, dus zonder snelheidstoename en ook zonder energiehoogteverlies.

Figuur 14 De twee onderzochte varianten van de uitstroomopening. De resultaten van de gevoeligheidsstudie kunnen als volgt worden samengevat: • De middelste resolutie geeft de beste resultaten. Bij een grover rooster wordt de straal van de uitstroom instabieler. Het fijnste rooster laat vergelijkbare resultaten zien als het middelste rooster, maar leidt tot erg lange rekentijden. Wel dient de roostercellen in de verticaal richting wateroppervlak niet teveel te worden uitgerekt, om het opbreken van de straal met voldoende detail te kunnen modelleren. •

Het duurt ongeveer 20-30 sec voordat de straal volledig ontwikkeld is en de resultaten (quasi-)stationair worden. Door loslaatverschijnselen van de stroming blijft er een kleine fluctuatie van het stroompatroon zichtbaar. Voor de definitieve berekeningen wordt een eindtijd van 40 sec aangehouden.

•

Het berekende verlies aan energiehoogte over de duckbill valve komt met orde 24-25 cm goed overeen met de gegevens van de fabrikant. Om het berekende verlies beter overeen te laten komen, zouden de verliescoëfficiënten K1 en K2 iteratief kunnen worden aangepast. Op het stroombeeld zal dit verschil in energieverlies geen significant effect hebben. Om de doorlooptijd van de studie niet te groot te laten worden, zijn daarom de hierboven beschreven waarden aangehouden.

•

Bij kentering is de uitstroom als een compacte straal richting oppervlak gericht, terwijl die bij vloed door de stroming al snel wordt opgebroken en zich verspreidt. De uitbreiding van het rooster benedenstrooms kan gehalveerd worden van 10 m naar 5 m.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

13 van 39

•

Met het k-ε RNG turbulentiemodel blijft de straal tot het wateroppervlak stabiel, terwijl die bij het k-ω turbulentiemodel de straal richting oppervlak eerder opbreekt. Aangezien de resultaten van het eerste turbulentiemodel dus conservatiever zijn, is dit gebruikt in de definitieve berekeningen.

•

Doordat bij de rechte pijp de uitstroomstraal geconcentreerder blijft en minder uitwaaiert, is de snelheid nabij het wateroppervlak hoger dan wat bij de realistische duckbill valve het geval is, hoewel de uitstroomsnelheid lager ligt. Doordat de straal compacter blijft, bereikt een hogere temperatuur het wateroppervlak. Voor de definitieve berekeningen is de vorm van de duckbill valve aangehouden.

Definitieve modelberekeningen Op basis van de resultaten tot nu toe, zijn voor de definitieve berekeningen dus de volgende keuzes gemaakt: • Middelste resolutie, maar met hogere verticale resolutie in de waterkolom rond wateroppervlak. • Aangezien de verspreiding van de straal beperkt is, is de omvang van het rekendomein in de horizontaal bij kentering teruggebracht naar 20 m bij 20 m. • De rekentijd is beperkt tot 40 sec. • Voor de vloedconditie kan de uitbreiding van het rekendomein beperkt blijven tot 5 m benedenstrooms. • Het k-ε RNG turbulentiemodel wordt toegepast. • De vorm van de duckbill valve wordt in de geometrie toegepast in combinatie met een drukverlies middels een “porous baffle”. Het uiteindelijke rekenrooster is in Figuur 15 tot en met Figuur 17 weergegeven.

Figuur 15 Zijaanzicht van het rekenrooster, totale domein (links, 1-op-3 roosterlijnen weergegeven) en detail rond uitlaat (rechts, alle roosterlijnen).

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

14 van 39

Figuur 16 Vooraanzicht van het rekenrooster, totale domein (links, 1-op-3 roosterlijnen weergegeven) en detail rond uitlaat (rechts, alle roosterlijnen).

Figuur 17 Bovenaanzicht van het rekenrooster, totale domein (links, 1-op-3 roosterlijnen weergegeven) en detail rond uitlaat (rechts, alle roosterlijnen). In de volgende vier sub-paragrafen worden de resultaten per conditie besproken.

3.3.1 Kentering – winter In Figuur 18 tot en met Figuur 20 is het stroompatroon na 40 sec weergegeven in een dwarsdoorsnede in de lengterichting van de uitlaat, respectievelijk een totaalplaatje, een detail in de bocht en door de uitlaat. In figuren 21 en 22 is hetzelfde gedaan in een doorsnede loodrecht op de uitlaat, dwars op de as van de duckbill valve.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

15 van 39

Figuur 18 Stroomsnelheid in een doorsnede parallel aan de uitlaat.

Figuur 19 Stroomsnelheid, detail bocht (vectorveld in beide richtingen met factor 2 uitgedund).

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

16 van 39

Figuur 20 Stroomsnelheid, detail uitlaat (vectorveld in beide richtingen met factor 2 uitgedund).

Figuur 21 Stroomsnelheid in een doorsnede dwars op de uitlaat.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

17 van 39

Figuur 22 Stroomsnelheid, detail uitlaat (vectorveld in beide richtingen met factor 2 uitgedund). Daar waar de straal het oppervlak bereikt, vindt er een beperkte verstoring van het wateroppervlak plaats. De drie snelheidscomponenten langs een verticale lijn dwars door de uitlaat zijn in Figuur 23 weergegeven.

Figuur 23 Verloop van de drie snelheidscomponenten langs de as van de uitlaat en vergelijking met theoretisch profiel [Cushman-Roisin, B., Environmental Fluid Mechanics, Turbulent Jets, Thayer School of Engineering, Dartmouth College].

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

18 van 39

Onder z = -9,75 m NAP bevindt zich de bocht en is de u-component relatief groot, daarboven neemt deze component sterk af en is de stroming voornamelijk verticaal. Tussen z = -8,75 m NAP en z = -7 m NAP neemt de verticale snelheidscomponent toe door de afname van het doorstroomoppervlak in de duckbill valve. In Figuur 24 is ook een theoretisch snelheidsprofiel weergegeven die de snelheidsverdeling van een vrij uitstromende straal in stilstaand water met dezelfde dichtheid beschrijft. De modelresultaten komen goed met deze overeen. Net als in het theoretische profiel blijft de snelheid in de straal over een zekere afstand eerst vrijwel constant, waarna die geleidelijk afneemt met de afstand. Dat de straal niet geheel overeenkomt met de theorie, komt onder andere door: • De geometrie met een bocht net voor het rechte stuk en de duckbill valve die zorgt voor een versnelling van de stroming vlak voor de uitstroom; • het dichtheidsverschil, waardoor het water een opwaartse versnelling ondervindt; en • de aanwezigheid van het wateroppervlak, waardoor de straal wordt gebroken. De goede overeenkomst met het theoretische verloop geeft in ieder geval vertrouwen dat het model de uitstroom correct berekent.

De temperatuur van de koelwaterlozing in dezelfde doorsnedes is in Figuur 24 en Figuur 25 weergegeven, en de temperatuur in een horizontale doorsnede net onder het wateroppervlak is in Figuur 26 weergegeven.

Figuur 24 Temperatuur in een doorsnede parallel aan de uitlaat.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

19 van 39

Figuur 25 Temperatuur in een doorsnede dwars op de uitlaat.

Figuur 26 Temperatuur in een doorsnede vlak onder het wateroppervlak. Vanaf het moment dat de straal het wateroppervlak bereikt, spreidt het koelwater zich steeds verder ruimtelijk uit richting de randen van het domein, maar omdat de doorsnede steeds groter wordt, neemt de snelheid steeds verder af. Tegelijk koelt het koelwater ook steeds verder af.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

20 van 39

De minimale, maximale en gemiddelde temperatuur in horizontale doorsnedes over de verticaal van het model is in Figuur 27 weergegeven. Hierbij is de temperatuur binnenin de constructie niet meegenomen, vandaar de sprong op z = -7 m NAP.

Figuur 27 Verdeling van de berekende minimale, gemiddelde en maximale temperatuur in het model over de verticaal. Recht boven de straal komen de hoogste temperaturen voor, afnemend van 45 °C net boven de uitlaat tot ruim 16 °C nabij het oppervlak. Dit profiel is in de laatste 10 sec vrijwel constant. De minimale temperatuur blijft 1 °C over de gehele verticaal, aangezien de koelwaterlozing de domeinranden nog niet heeft bereikt. De gemiddelde temperatuur loopt op van 1 °C vlak boven de uitstroomopening (het doorstroomoppervlak is klein ten opzichte van de 400 m2 oppervlakte van het gehele domein dat de 45 °C van het koelwater nauwelijks tot een verhoging leidt) tot 4,7 °C nabij het oppervlak. Doordat er steeds meer koelwater aan het model wordt toegevoegd en de omvang van de temperatuurverhoging nabij het oppervlak blijft toenemen, loopt de gemiddelde temperatuur aan het oppervlak nog wel op in de tijd, maar steeds langzamer.

3.3.2 Kentering – zomer Het beeld van de stroomsnelheden in de pijp en straal verschillen nauwelijks van die voor de winterconditie. In Figuur 28 zijn de snelheidscomponenten in de straal na 40 sec weergegeven.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

21 van 39

Figuur 28 Verloop van de drie snelheidscomponenten langs de as van de uitlaat en vergelijking met theoretisch profiel van Cushman-Roisin. De toename van de snelheid in het gedeelte waar de snelheid volgens theorie constant is, is kleiner dan in de winter, maar de verschillen zijn klein en zijn niet constant over de tijd. Het is dan ook lastig om te concluderen dat dit het gevolg is van het kleinere dichtheidsverschil tussen het koelwater en de omgeving in de zomer vergeleken met de winter. Het kan ook liggen aan het fluctueren van de straal in de tijd. De temperatuurverdeling in de dwarsdoorsnedes is in Figuur 29 tot en met Figuur 31 weergegeven en Figuur 32 toont het minimale, maximale en gemiddelde temperatuurprofiel over de verticaal.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

22 van 39

Figuur 29 Temperatuur in een doorsnede parallel aan de uitlaat

Figuur 30 Temperatuur in een doorsnede dwars op de uitlaat.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

23 van 39

Figuur 31 Temperatuur in een doorsnede vlak onder het wateroppervlak.

Figuur 32 Verdeling van de berekende minimale, gemiddelde en maximale temperatuur in het model over de verticaal. De resultaten vertonen eenzelfde beeld als in de winter met lokaal hoge temperaturen recht boven de uitlaat en de verspreiding langs het wateroppervlak. De maximale temperatuur aan het oppervlak is met 30,00 °C bijna twee keer zo hoog als in de winter (16,26 °C), maar de stijging ten opzichte van de omgeving (8,00 °C) is ongeveer de helft vergeleken met die in de winter (15,26 °C).

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

24 van 39

Ook in dit geval loopt de gemiddelde temperatuur aan het oppervlak nog langzaam op in de tijd doordat er steeds meer koelwater in het model wordt gepompt en de pluim aan het oppervlak zich nog steeds verder uitbreidt.

3.3.3 Vloed – winter Het stroombeeld bij vloed verschilt wel duidelijk van dat bij kentering. Door de vloedstroom wordt de straal in de vloedrichting afgebogen, zoals in Figuur 33 tot en met Figuur 36 te zien is voor het stroombeeld na 40 sec.

Figuur 33 Stroomsnelheid in een doorsnede parallel aan de uitlaat.

Figuur 34 Stroomsnelheid, detail uitlaat (vectorveld in beide richtingen met factor 2 uitgedund).

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

25 van 39

Figuur 35 Stroomsnelheid in een doorsnede dwars op de uitlaat.

Figuur 36 Stroomsnelheid, detail uitlaat (vectorveld in beide richtingen met factor 2 uitgedund). Doordat de straal wordt afgebogen vindt er ook veel meer menging plaats, zoals ook in de temperatuurverdeling te zien is in Figuur 37.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

26 van 39

Figuur 37 Temperatuur in een doorsnede dwars op de uitlaat. Figuur 38 toont de temperatuurprofielen over de verticaal. Het koelwater komt veel minder ver in de verticaal. Op 3 m boven de uitstroomopening is de maximale temperatuur tot onder de 20 °C gezakt, terwijl dat bij kentering op 35 °C ligt. Nabij het oppervlak is de maximale temperatuurstijging beperkt tot 2 °C. Gemiddeld over het domein is de temperatuurstijging beperkt tot 0,45 °C halverwege de waterkolom. Doordat het warme water niet onder het wateroppervlak ophoopt, blijft daar de opwarming gemiddeld over het modeldomein zeer gering. Wel moet opgemerkt worden dat de omvang van het domein nu 25% groter is door de uitbreiding met 5 m benedenstrooms, waardoor de gemiddelden automatisch lager uitvallen, maar de grotere menging is veel dominanter.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

27 van 39

Figuur 38 Verdeling van de berekende minimale, gemiddelde en maximale temperatuur in het model over de verticaal. In tegentelling tot de resultaten bij kentering valt in het temperatuurverdeling in de doorsnede en ook in het profiel van de maximale temperatuur op dat er hier wel een toename van de temperatuur zichtbaar is onder het niveau van de uitstroomopening, maar die bereikt de bodem niet, ook niet op andere tijdstippen. De temperatuurverdeling in een horizontale doorsnede ter hoogte van de uitstroomopening op verschillende tijdstippen is te zien in Figuur 39. Dit laat zien dat de koelwaterpluim niet stationair is, maar steeds fluctueert in de tijd.

Figuur 39 Temperatuur in een doorsnede ter hoogte van de uitstroomopening, na 30 sec (links), 35 sec (midden) en 40 sec (rechts).

3.3.4 Vloed – zomer Net als bij de vergelijking tussen winter en zomer bij kentering is ook nu in het stromingspatroon het effect van een kleiner temperatuurverschil ten opzichte van de winter vloed conditie niet duidelijk zichtbaar. De temperatuurverdeling in de dwarsdoorsnede parallel aan de vloedstroom is weergegeven in Figuur 40.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

28 van 39

Figuur 40 Temperatuur in een doorsnede dwars op de uitlaat. De verticale profielen zijn in Figuur 41 weergegeven.

Figuur 41 Verdeling van de berekende minimale, gemiddelde en maximale temperatuur in het model over de verticaal. Op dit tijdstip na 40 sec is de temperatuur over de bovenste 1,5 m toevallig vrijwel constant, maar dat is niet alle tijdstippen het geval. Net als in de winter is de menging goed, met een kleine temperatuurtoename lokaal aan het oppervlak van minder dan 2 °C.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

29 van 39

Ook onder het niveau van de uitstroomopening is er weer een kleine toename zichtbaar, maar die bereikt de bodem ook nu niet. Zie ook de horizontale doorsnedes in Figuur 42. Over het gehele domein gemiddeld bedraagt de temperatuurstijging 0,25 °C, ongeveer de helft minder dan in de winter.

Figuur 42 Temperatuur in een doorsnede ter hoogte van de uitstroomopening, na 30 sec (links), 35 sec (midden) en 40 sec (rechts).

3.3.5 Overzichtstabel De verdeling van de berekende minimale, gemiddelde en maximale temperatuur over de verticaal zoals die voor de verschillende condities hiervoor grafisch zijn weergegeven, is in tabelvorm in Tabel 1 samengevat. Hierin zijn zowel de absolute temperatuur als de stijging ten opzichte van de achtergrondtemperatuur in de tabel opgenomen. Tevens zijn de verschillende profielen ook over de verticaal gemiddeld. Tabel 1 Overzicht van de verdeling van de temperatuur in de verticaal en relatief ten opzichte van de achtergrondtemperatuur voor de verschillende scenario’s.

seizoen

niveau

kentering

vloed

minimum gemiddeld maximaal

minimum gemiddeld maximaal

absoluut

1.00

4.69

16.26

3.69

15.26

1.00

1.00

0.00

0.00

1.00

1.00

0.00

0.00

1.48

24.65

0.48

23.65

23.96

30.00

1.96

8.00

22.00

22.00

0.00

0.00

1.00

1.03

2.99

0.03

1.99

1.01

6.03

0.01

5.03

1.00

1.00

0.00

0.00

1.20

16.56

0.20

15.57

22.08

23.89

0.08

1.89

22.00

25.23

0.00

3.23

oppervlak relatief niveau uitlaat

absoluut

1.00

relatief

1.00

winter absoluut

1.00

1.00

bodem relatief gemiddeld verticaal

absoluut

1.00

relatief absoluut

22.00

1.00

22.00

oppervlak relatief zomer niveau uitlaat

absoluut relatief

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

22.00

22.00

30 van 39

seizoen

niveau

kentering absoluut

22.00

vloed

22.00

22.00

0.00

0.00

22.25

34.43

0.25

12.43

22.00

22.00

22.00

0.00

0.00

22.10

30.25

0.10

8.25

bodem relatief gemiddeld verticaal

absoluut

22.00

relatief

22.00

3.4 Stap 4: Kuststrook met lokale verfijning voor overgangsfase en productiefase In de Delft3D-berekeningen starten de koelwaterlozing(en) na 5 dagen inspelen van de waterbeweging. De koelwaterlozingen zijn aan de bodem opgelegd. Na afloop van de 15 dagen is er nog een dag doorgerekend, waarbij de uitvoer frequenter in de tijd is weggeschreven om in meer detail naar de resultaten te kunnen kijken. De resultaten worden in dit memo gepresenteerd als de temperatuurstijging ten opzichte van de referentieberekening zonder lozingen, om op die manier het effect van de lozing(en) zichtbaar te maken. In de volgende vier sub-paragrafen worden de resultaten per scenario besproken.

3.4.1 Overgangsfase – winter De maximale opwarming ten opzichte van de achtergrondtemperatuur in het gehele model in de tijd is weergegeven in Figuur 43 Maximale opwarming aan het oppervlak (oranje) en nabij de bodem (rood).en Figuur 44 Maximale opwarming aan het oppervlak (oranje) en nabij de bodem (rood), detail van dag 15.. De eerste figuur toont dit voor de gehele periode van 16 dagen, waarbij de eerste 15 dagen resultaten elke 3 uur zijn weggeschreven en de laatste dag elke 10 minuten. De resultaten voor de laatste dag wordt in meer detail in Figuur 44 Maximale opwarming aan het oppervlak (oranje) en nabij de bodem (rood), detail van dag 15.getoond.

Figuur 43 Maximale opwarming aan het oppervlak (oranje) en nabij de bodem (rood).

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

31 van 39

Figuur 44 Maximale opwarming aan het oppervlak (oranje) en nabij de bodem (rood), detail van dag 15. Op basis van deze figuren wordt duidelijk dat er zich al vrij snel een dynamisch evenwicht instelt, die schommelt door zowel het getij als de doodtij-springtij cycli, maar al wel snel naar een evenwicht gaat en de simulatieduur van 16 dagen dus voldoende is. De figuur van de laatste dag toont aan dat een deel van de variaties over de tijd gemist wordt door het uitvoer-interval van 3 uur (zie bolletjes), maar dat de verschillen minder dan 0,1 °C bedragen. De hogere temperatuurstijging nabij de bodem is het gevolg van het feit dat de lozing in het model nabij de bodem plaatsvind. Het grote verschil ten opzichte van de FLOW-3D is dat in Delft3D de lozing plaatsvindt in een rekencel van 27,5 m bij 27,5 m (zie paragraaf 2.4) waardoor het koelwater al direct goed gemengd wordt. Een dergelijke geringe stijging is consistent met de resultaten van de CFD-studie waarbij de temperatuur gemiddeld is over de horizontaal (van 20 m bij 20 m) en verticaal van het FLOW-3D rekendomein. Om de ruimtelijke verspreiding van de koelwaterlozing te laten zien, zijn in Figuur 45 en Figuur 46 de temperatuurverhoging ten opzichte van de situatie zonder koelwaterlozingen gepresenteerd voor de kentering rond laag water en de kentering rond hoog water respectievelijk (zie ook Figuur 11).

Elk figuur toont het effect aan het oppervlak en nabij de bodem en in een langsdoorsnede die door het PALLAS lozingspunt is getrokken. De lijn waarlangs deze doorsnede is getrokken, is in de twee andere figuren aangegeven. De twee cirkels markeren de afstand in de onderste figuur; het noordelijke bolletje valt links in de onderste figuur.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

32 van 39

Figuur 45 Temperatuurverhoging aan het oppervlak (linksboven) en nabij de bodem (rechtsboven) en in de verticale doorsnede door het lozingspunt (onder) tijdens laag water kentering.

Figuur 46 Temperatuurverhoging aan het oppervlak (linksboven) en nabij de bodem (rechtsboven) en in de verticale doorsnede door het lozingspunt (onder) tijdens hoog water kentering.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

33 van 39

Deze figuren laten duidelijk zien hoe het water rond het lozingspunt wordt opgewarmd door het koelwater tijdens kentering. Lokaal aan de bodem bij het lozingspunt treden de grootste temperatuurstijgingen op, maar verder zijn de verschillen vrijwel uniform in de verticaal. Het opgewarmde water wordt tijdens de vloed langs de Nederlandse kust in noordwaartse richting verplaatst en intussen blijft het lozingspunt warm water toevoegen aan het systeem. Tegelijkertijd mengt het water verder en koelt het water af door de uitwisseling met de atmosfeer. Na de vloed stroomt het water in zuidelijke richting terug langs de kust, waarbij het ook blijft opwarmen door de koelwaterlozing en afkoelen door menging en uitwisseling met de atmosfeer. Op die manier ontstaat er een dynamisch evenwicht, waarbij gedurende de 15 dagen durende berekening de temperatuur aan het oppervlak in het gehele model niet verder opwarmt dan 0,20-0,25 °C. Bij doodtij zijn de verschillen het grootst. De getijstroomsnelheden zijn dan lager waardoor het koelwater een kleiner volume aan zeewater opwarmt.

3.4.2 Overgangsfase – zomer Vergelijkbare figuren voor de temperatuurverhoging in de zomer zijn gepresenteerd in figuren 47 en 48.

Figuur 47 Temperatuurverhoging aan het oppervlak (linksboven) en nabij de bodem (rechtsboven) en in de verticale doorsnede door het lozingspunt (onder) tijdens laag water kentering.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

34 van 39

Figuur 48 Temperatuurverhoging aan het oppervlak (linksboven) en nabij de bodem (rechtsboven) en in de verticale doorsnede door het lozingspunt (onder) tijdens hoog water kentering In overeenstemming met de resultaten van de FLOW-3D-studie liggen de temperatuurstijgingen ongeveer een factor 2 lager vergeleken met in de winter en daardoor is ook de omvang van het gebied met temperatuurstijgingen sterk gereduceerd. De maximale opwarming in het gebied blijft beperkt tot 0,12 °C aan het oppervlak..

3.4.3 Productiefase – winter In de productiefase is de huidige koelwaterlozing buiten gebruik en alleen die van PALLAS in gebruik. De totale hoeveelheid koelwater wat geloosd wordt, wordt daarmee met ongeveer 45% gereduceerd. De resultaten rond de twee momenten van kentering zijn weergegeven in Figuur 49 en Figuur 50.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

35 van 39

Figuur 49 Temperatuurverhoging aan het oppervlak (linksboven) en nabij de bodem (rechtsboven) en in de verticale doorsnede door het lozingspunt (onder) tijdens laag water kentering.

Figuur 50 Temperatuurverhoging aan het oppervlak (linksboven) en nabij de bodem (rechtsboven) en in de verticale doorsnede door het lozingspunt (onder) tijdens hoog water kentering

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

36 van 39

Door de reductie van de totale hoeveelheid geloosd koelwater nemen ook de temperatuurverschillen en de omvang van het gebied waar een zekere temperatuurstijging optreedt, sterk af. De maximale berekende temperatuurtoename aan het oppervlak ligt met 0,15 °C nog steeds erg laag.

3.4.4 Productiefase – zomer Ten slotte zijn de vergelijkbare figuren voor de temperatuurverhoging in de zomer gepresenteerd in figuren 51 en 52.

Figuur 51 Temperatuurverhoging aan het oppervlak (linksboven) en nabij de bodem (rechtsboven) en in de verticale doorsnede door het lozingspunt (onder) tijdens laag water kentering.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

37 van 39

Figuur 52 Temperatuurverhoging aan het oppervlak (linksboven) en nabij de bodem (rechtsboven) en in de verticale doorsnede door het lozingspunt (onder) tijdens hoog water kentering Zoals verwacht zijn de effecten nu nog verder gereduceerd ten opzichte van de eerdere berekeningen (winter en/of overgangsfase). De maximale stijging in het modeldomein is met 0,07 °C zeer gering.

4 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN In dit memo is een beschrijving gegeven van de koelwaterstudie die ten behoeve van de nieuwe PALLAS-reactor is uitgevoerd. Door middel van een 4-stappen-modelstudie is aangetoond dat de geplande reactor aan de normen voor koelwater [NBW-beoordelingssystematiek voor koelwaterlozingen] voldoet. De conclusies en aanbevelingen zijn per stap nader toegelicht. Stap 1: Validatie Delft3D Kuststrook model • Het Kuststrook model is goed in staat om de watertemperatuur voor de Nederlandse kust te modelleren. • Modelresultaten zouden waarschijnlijk verbeteren indien de temperatuur op de open rand bekend zou zijn. (In een eerdere studie is wel eens gekeken naar de mogelijkheid om de watertemperatuur af te leiden op basis van satellietgegevens, maar die bleken erg onbetrouwbaar.). • Mogelijk zou door de metingen van K13a Platform en Europlatform op een slimme manier te combineren nog een verbeterslag kunnen worden bereikt, maar omdat dit voor deze studie niet relevant is en relatief veel tijd vergt, is daar in deze studie niet verder naar gekeken. Stap 2: Kuststrook met lokale verfijning voor omgevingscondities en referentiesituatie • Het getij wordt gekarakteriseerd door een korte vloedperiode met relatief hoge stroomsnelheden in noordnoordoostelijke richting en een langere ebperiode met lagere stroomsnelheden in zuidzuidwestelijke richting.

• Ten behoeve van de CFD-studie is besloten dat de maximale vloedstroom (0,85 m/s) en de kentering (0 m/s) een goed beeld geven van de variatie in stroomsnelheden. • De saliniteit nabij de koelwateruitstroom ligt rond 32,5 PSU (of 32,5 kg/m 3).

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

38 van 39

Stap 3: Lokale menging (FLOW-3D) • Bij kentering stroomt het koelwater recht uit de uitlaat omhoog en verspreidt zich horizontaal langs het wateroppervlak zijwaarts. • Bij vloed buigt de straal met de vloedstroom mee opzij, waarbij het koelwater zich goed mengt met het omgevingswater. • Bij kentering bedraagt de temperatuurstijging aan het oppervlak maximaal 15,26 °C (winter), terwijl dat in de zomer maximaal 8 °C is, waarmee in het laatste geval de temperatuur aan het oppervlak maximaal 30 °C bedraagt. • Bij vloed liggen de oppervlaktetemperaturen in de winter en de zomer op respectievelijk 2,99 °C (+1,99 °C ten opzichte van de achtergrondtemperatuur) en 23,89 °C (+1,89 °C). • Ter hoogte van de uitlaat is alleen bij vloed een temperatuurverhoging benedenstrooms van de uitlaat zichtbaar. In de winter is de maximale stijging 5,03 °C, terwijl dat in de zomer 3,23 °C is. Dit is zeer lokaal en rijkt niet verder dan 5 m van de uitlaatopening. De gemiddelde stijging over een groter gebied (modeldomein) is echter verwaarloosbaar. • In geen enkel scenario is er een stijging van de temperatuur aan de bodem zichtbaar. • Ten slotte zijn de minimale, gemiddelde en maximale waarden over de verticaal gemiddeld om de gemiddelde temperatuurstijging in het gehele modeldomein te bepalen. Deze is in alle gevallen minder dan 0,5 °C, tussen de 0,48 °C (kentering, winter) en 0,1 °C (vloed, zomer).

Stap 4: Grootschalige verspreiding (Delft3D studie) • De lokale menging rondom het lozingspunt wordt in het Delft3D model overschat. • Doordat het totale lozingsdebiet en -temperatuur wel correct zijn, is het model wel goed in staat om te beschrijven hoe de koelwaterlozing zich verspreidt langs de kust. • De maximale temperatuurstijging ten opzichte van een situatie zonder koelwaterlozingen is marginaal. In de winter is die het grootst, maar met orde 0,25 °C in de overgangsfase en 0,15 °C in de productiefase ver onder de norm. In de zomer zijn die met respectievelijk 0,11 °C en 0,07 °C nog minder. Resultaten in relatie tot de criteria voor koelwaterlozingen: • Het koelwater van de voorziene PALLAS-reactor voldoet aan de koelwatertemperatuurnormen. • De mengzone (zeewatertemperatuur hoger dan 25 °C) raakt in geen enkel scenario de bodem (FLOW-3D). • De watertemperatuurtoename blijft onder de norm van 2 °C, daarnaast blijft de temperatuur onder het absoluut maximum van 25 °C. Weliswaar neemt zeer lokaal nabij de uitlaat de watertemperatuur significant toe, maar dit is beperkt tot een relatief klein gebied en bij lage stroomsnelheden rond kentering (FLOW-3D). Over een groter gebied en langere tijdschalen is de temperatuurstijging minder dan 0,25 °C (Delft3D), ruim minder dan de 2 °C volgens de norm.

Onze referentie: D10014222:3 - Datum: 14 augustus 2020

39 van 39