<                                              Inhoud                                                    >

Besparen windmolens brandstof?

F. Udo    dec. 2009.

Dit artikel bespreekt de invloed van windenergie op de elektriciteitsproductie in Nederland.
De officiële doelstelling van de regering is om 20% van de Nederlandse stroom in 2020 op te wekken met windturbines. De vraag is niet zozeer of dit kan, maar of de voordelen opwegen tegen de nadelen. De gevolgen voor de traditionele opwekking worden groot, wanneer de doelstelling werkelijk gehaald zal worden. Er zijn grenzen aan de groei.

1. 1.Inleiding.
   

De stelling, dat windenergie duurzame energie is en CO2 uitstoot vermijdt, wordt in Nederland algemeen onderschreven, dus met het argument van CO2 besparing wordt een enorme windindustrie opgezet.
Van verschillende kanten worden vraagtekens gezet bij deze hype (ruimtebeslag, kosten), maar zelden wordt de besparing van CO2 uitstoot door de productie van windenergie in twijfel getrokken.
Dit artikel wil daar aandacht aan besteden (1).
Er is al veel gepubliceerd over de inpassing van windenergie in het bestaande systeem van elektriciteitsopwekking. Het totale systeem van opwekking en transport is complex en de studies spreken elkaar soms tegen. De voornaamste doel van dit soort studies is te bewijzen, dat grote hoeveelheden windenergie opgenomen kunnen worden in het net ondanks de leveringsonzekerheid. De conclusie is onveranderlijk dat het mogelijk is, maar het brandstofgebruik van de klassieke generatoren onder deze gewijzigde omstandigheden blijft in Nederland altijd buiten beschouwing. In België kijkt men er wat nuchterder tegenaan en in Duitsland heeft men zo langzamerhand zoveel molens, dat onaangename waarheden vanzelf aan het licht komen.

De indeling van de tekst is als volgt:
2. Het opnemen van grote hoeveelheden windenergie.
3. Het rendement van de bestaande centrales.
4. Export van windstroom.
5. De discussie in Nederland.
6. De situatie in België.
7. Samenvatting en conclusie.

2. Het opnemen van grote hoeveelheden windenergie.
Het proefschrift van Bart Ummels(2a) bespreekt de situatie: veel wind en weinig vraag naar stroom.
In figuur 2.12 van het proefschrift geeft de auteur een analyse van de gevolgen van het inpassen van windenergie op de belasting van conventionele centrales. Hierbij is het volledige windpatroon van een jaar geprojecteerd op de belastingscurve. Deze figuur staat hieronder.

Hieruit is te lezen, dat bij 12 GW windvermogen de belasting van de conventionele centrales gedurende de helft van het jaar beneden de laagst mogelijke belasting (9 GW) valt.

Zonder molens treedt deze minimumbelasting nooit op.

Door de eigenschappen van de basislasteenheden betekent dit een overschot aan windstroom.
De enige oplossing hiervoor is export of het stilzetten van molens. Gezien het feit, dat de ons omringende landen in dezelfde situatie verkeren kan men vraagtekens zetten bij de exportmogelijkheden. Paragraaf 4 bespreekt deze mogeljkheid.

De Energieraad “adviseert regering en parlement over het te voeren energiebeleid”.
Het rapport “Brandstofmix in beweging” (3) bespreekt de verdringing van basislast door windenergie en stelt, dat verdringing van essentieel vermogen ontoelaatbaar is, dus dat windenergie aan een plafond gebonden is. De conclusie is, dat zonder goede exportmogelijkheden 30 tot 40% van de geproduceerde stroom uit wind verloren zal gaan, als het windvermogen opgelopen zal zijn tot 12 GW.
Zij concluderen, dat windenergie alleen op grote schaal toegepast kan worden als er opslagvermogen beschikbaar is. Vanwege kosten en technische moeilijkheden wordt deze mogelijkheid niet voor 2020 verwacht.
Het gevolg is dus dat van de gedroomde 20% wind niet meer dan 13% nuttig gebruikt kan worden.

De Wetenschappelijke Raad voor het Regeringsbeleid (WRR) heeft in 2006 een rapport (4) uitgebracht over de Nederlandse energievoorziening getiteld” Klimaatstrategie – tussen ambitie en realisme”.
Dit rapport is ook zeer kritisch over de bijdrage van windenergie aan de nationale elektriciteitsvoorziening.
Zie hiervoor de bijlage “Windenergie” van het rapport.

Recentelijk is er een besluit genomen om drie kolencentrales bij te bouwen: twee op de Maasvlakte en een aan de Eems. Deze centrales zijn ook basislastcentrales. Gedurende de daluren moeten zij op minimum belasting doordraaien. De term hiervoor is “must run” vermogen.
Dit “must run” vermogen is in Nederland nu ruim 9 GW en zal door de bouw van de centrales stijgen tot ongeveer 11 GW. Hiermee zal het percentage verloren windenergie behoorlijk stijgen.

3. Het rendement van de bestaande centrales.
Het bestaande park generatoren heeft een gemiddeld brandstofrendement van ongeveer 46%.
Dit (hoge) getal wordt bereikt door het inzetten van zoveel mogelijk eenheden met een hoog rendement (basislasteenheden) die continu draaien. Veel moderne basislasteenheden zijn SToom En Gascentrales (STEG), die een brandstofrendement halen van 58% bij vollast, maar die hebben een nadeel: het rendement loopt terug van 58% bij vollast tot 46% bij halve belasting
Gas is 60% duurder dan kolen, dus een groot gedeelte van de basislast wordt verzorgd door kolencentrales.
De dagelijkse belasting van het net varieert van ongeveer 10 GW in de daluren tot ongeveer 20 GW in de piek.
De doelstelling van de regering is, dat in 2020 20% van de geproduceerde stroom uit windturbines moet komen. Hiervoor is 12 GW opgesteld windvermogen nodig.
In ref. 2a wordt gesteld dat in dit geval 19 miljoen ton CO2 bespaard zal worden.

De optimum belasting wordt vrijwel nooit meer gehaald, dus het gemiddeld rendement van de klassieke opwekking gaat van 50% naar 45% door de aanwezigheid van windenergie.
Door de 13% nuttige windenergie is de klassieke productie nu 87% van het totaal, maar wordt door het rendementsverlies nog steeds 95% van de oorspronkelijke hoeveelheid brandstof gebruikt.
De samenstelling van het bestaande park generatoren is een balans tussen een hoog rendement en de thans benodigde reactiesnelheid van het systeem. Dit laatste is nu aangepast aan de dagelijkse variaties in de vraag, die tot in detail bekend zijn bij de producenten.
Willen wij grote windvermogens inpassen in het bestaande systeem, dan moeten er door de variaties in de wind een meedraaiende reserve aanwezig zijn. De afwijking tussen voorspeld windvermogen en gerealiseerd vermogen is volgens een publicatie van het ECN gemiddeld 30%. Zie hiervoor bijlage 2.  Hiervoor betaalde de windindustrie tot voor kort een onbalansheffing van 1 cent per kWh. Dit komt omdat de variatie van de vraag naar elektriciteit  moet worden opgevangen door de meedraaiende reserve. Dit zijn generatoren, die snel een verandering in de vraag kunnen opvangen, maar die een laag brandstofrendement hebben.
Windenergie kost dus wel degelijk brandstof.
De brandstofkosten van de traditionele opwekking zijn ongeveer 3 cent per kWh, dus voor elke kWh windstroom moet voor 1/3kWh aan brandstof extra verstookt worden. De nuttige windproductie was 13%, dus daar is 4,3% brandstof voor nodig. De netto besparing is hiermee geslonken tot 0,7%...........

4. Export van windstroom.

Er wordt veel gedroomd over grote windparken op zee, die gekoppeld zullen worden met onderzeese kabels, zodat locale variaties in het windaanbod opgevangen worden door andere molens ver weg, die in ander weer staan. Men realiseert zich kennelijk niet hoe groot de weersystemen zijn, die ons weer bepalen. Het welbekende Scandinavische hogedrukgebied is in staat om weinig wind te veroorzaken in een gebied van Stockholm tot Londen, waarbij dan de Noordzee en de Oostzee samen tot kabbelende plassen gereduceerd worden.
De veroorzakers van wind zijn de Atlantische depressies, die diameters van 500 tot 2000 km hebben.
Het is dus een utopie om te verwachten dat door het koppelen van de windparken langs de Europese kust de fluctuaties van de productie zullen verdwijnen.
Een Belgische studie toont aan, dat spreiding van molens over een groot gebied (>100km) er wel toe bijdraagt, dat vermogensvariaties, die per molen 100% per uur kunnen zijn (zie hiervoor bijlage 1) gedempt worden tot maximaal 30% per uur. Praten wij over de productie per dag, dan is de correlatie vrijwel 100%. In andere woorden: als de molens bij Oostende stoppen, dan stopt de productie in Egmond even later ook. De Energieraad (3) besteedt daar veel aandacht aan en stelt, dat bij een overschot in windenergie in Nederland de ons omringende landen met hetzelfde verschijnsel kampen. De enige redding voor iedereen schijnt een kabel naar Noorwegen te zijn, waar de waterkrachtcentrales als afvalput voor overtollige WestEuropese windenergie moeten fungeren.

Hoe het totale windvermogen ook bij grote tot zeer grote aantallen windmolens varieert toont de volgende grafiek van het gezamenlijke windvermogen van niet minder dan 7000 windmolens in Duitsland in het verzorgingsgebied van de E.ON. (7)

Deze 7000 windmolens staan verspreid van Noord tot Zuid Duitsland en hieruit blijkt dat de bewering dat wanneer men windmolens nu maar breed verspreid bouwt, zij gezamenlijk een constant vermogen zullen leveren niet waar is. De dagelijkse productie van 7000 molens varieert tussen 0,2% en 38% van de dagelijks benodigd vermogen. Weersystemen zijn groter dan Duitsland....E.ON ziet zich gedwongen om miljarden in koppelnetten te investeren om tekorten en overschotten te transporteren.

4. 4.De discussie in Nederland
   De afdeling windenergie van de TU Delft wordt geleid door prof dr. ir. G.A.M. van Kuik en prof. ir. W. Kling.. Deze afdeling heeft een rapport gepubliceerd over inpassing van grootschalige windenergie in het Nederlandse net. (2)
   

Dezelfde figuur, maar dan geëxtrapoleerd tot 12 GW windvermogen, vinden wij in het proefschrift van Ummels. Uit de helling van de figuur kan worden afgeleid, dat de auteurs rekenen met een besparing van 535 kg CO2 per MWh geproduceerde windenergie.

De grafiek heeft een lineair verloop, dus de besparing per geleverde megawattuur is volgens deze auteurs onafhankelijk van de hoeveelheid beschikbaar windvermogen. Men neemt dus aan, dat het exploiteren van vele Gigawatts windvermogen geen invloed heeft op het rendement van de klassieke centrales.
Hoe is dit te rijmen met de problemen die hierboven besproken zijn? 
De heren Ummels,Hendriks en Kling zien de bui al hangen, want in het rapport staat op pagina 18:

“...er is steeds minder noodzaak voor het hebben van basislastvermogen”.
Dat is heel jammer, want dat vermogen is essentieel voor een ongestoorde elektriciteitsvoorziening in dit land.. Het feit, dat windmolens het rendement van het basislastvermogen aantasten leidt de auteurs kennelijk niet tot de conclusie, dat figuur 16 daar mee in tegenspraak is.
Of zien wij hier de verdringing van een “Inconvenient Truth”?

5. 5.De situatie in België.
   Twee citaten uit het proefschrift van J. Soens (5) over de situatie in België staan in (5a) en (5b)
   Soens zegt hier, dat er een maximum is aan de hoeveelheid windenergie die ingepast kan worden in het bestaande systeem. Wanneer het windenergievermogen uitstijgt boven 5% van de pieklast, dan gaat het systeem meer CO2 uitstoten in plaats van minder.
   Hierbij merk ik op, dat België beschikt over een 1100 MW waterkrachtcentrale te Coo, die als piekscheerder gebruikt kan worden.
   Volgen wij de conclusie van Soens, dan kunnen wij in Nederland niet meer dan 4 Gigawatt aan windenergie installeren. Dit is in flagrante tegenspraak met de conclusies van Ummels, die stelt, dat er wel 12 GW aan windvermogen in het Nederlandse net opgenomen kan worden.
   De conclusies van Soens zijn overgenomen in een studie van de Vlaamse regeringscommissie voor windenergie (6). Deze studie is breed opgezet en bekijkt de situatie in 6 landen.
   Nederland is daar niet bij…..
   Er wordt veel aandacht besteed aan de (on)voorspelbaarheid van het windaanbod.
   De afwijking van de voorspelling wordt bestraft met een onbalansheffing. Los daarvan moet ook een voorspelde verandering in het aanbod van windenergie op een of andere manier worden opgevangen.
   
   

6. 6.Samenvatting en conclusie.
   Onze regering streeft naar 20% duurzame elektriciteit in 2020 en men denkt dit te bereiken door 12 GW windvermogen op te stellen. Paragraaf 3 leert ons, dat een derde van de geproduceerde stroom niet in het net opgenomen kan worden, dus van de 20% kan maar 13% nuttig gebruikt worden.
   Door het rendementsverlies van de bestaande generatoren wordt voor de 87% resterende stroom 95% van de oorspronkelijke hoeveelheid brandstof gebruikt. De meedraaiende reserve om de onbalans op te heffen zal ongeveer 4% brandstof nodig hebben..
   Door het installeren van grote windvermogens wordt dus geen brandstof bespaard.
   Het plaatsen en aansluiten van de 12 GW windvermogen kost ongeveer 20 miljard euro. Weggegooid geld.
   
   

    Het inboeken van CO2 besparing door de geleverde windenergie te vermenigvuldigen met de specifieke CO2 uitstoot  van klassieke centrales is grootschalige fraude.

Hiermee worden honderden miljoenen verdiend in de CO2 emissiehandel en in de groene stroomhandel .

Literatuur.
1.   Een eerdere versie van dit artikel staat in:    http://www.groenerekenkamer.nl/udo/

2.  B.C. Ummels. R.L. Hendriks en W.L. Kling
“Inpassing van grootschalig windvermogen op zee in het Nederlandse elektriciteitsvoorzieningsysteem”
Delft 20 Feb. 2007
B.C. Ummels Proefschrift Delft 2009.

3. Energieraad
    Brandstofmix in beweging, op zoek naar een goede balans.  Jan. 2008.

4. Wetenschappelijke raad voor het regeringsbeleid:
    Klimaatstrategie – Tussen Ambitie en realisme. (juni 2006)
    bijlage “Windenergie” op pag. 266

5. Soens, J.
Impact of wind energy in a future power grid [Impact van windenergie in het toekomstig  elektriciteitsnet]. (2005).PhD Thesis. Katholieke Universiteit Leuven. Faculteit Wetenschappen: Leuven (Heverlee),  
Belgium. ISBN 90-5682-652-2. 257 pp.

5a.“As a global conclusion, the CO2 -emission abatement potential by wind power isestimated at 4% (1.04·106ton/year) of the total CO2-emission by the Belgian generator park. This is realised when the installed wind power is 5% (0.7 GW) of the system peak load  and situated offshore. Higher levels of wind power installationdo not result in a higher emission   abatement due to the higher required reliability levels.” ( pag. 162 in ref 2)

5b. “Therefore, if the abatement of emissions is considered as the most important value of wind power, the    
recommended policy is to allow wind energy up to an installed level of 0.7 GW, preferentially offshore    
or where wind resources are optimal.The added value of further installation of wind power is low. The estimated costs of emission abatement by wind power strongly depend on the project-specific    
installation costs, but range between €36 and more probably €105 per ton of avoided CO2-emission,
without taking the costs of possible grid reinforcements into account.” (pag. 163 in ref 5)

6. CO2 emissie reductie bij elektriciteitsproductie uit windenergie.                                                    A. Woyle, G. Dooms en G. Palmers (mei 2006)

7.  Windrapport 2005 te vinden op de E.ON website: www.EON.com
Het is een van de zeldzame eerlijke documenten over windenergie van een exploitant van 
windmolens .Het geef een onthutsend beeld van de invloed van grote aantallen windmolens  op  de
elektriciteitsproductie. Zo  bevat het onder meer behartenswaardige gegevens over het benodigde    
backup vermogen.

8. R. Belmans, W. D’Haeseleer, G. Palmers, J.-C. Maun
Balancing windenergy in the grid, pag 36.

Het verloop van de windsnelheid op 21 en 22 januari 2008. in Lelystad.

De horizontale schaal is in uren.

De afname van de wind na middernacht betekent, dat de elektriciteitsproductie van de molens in Flevoland binnen een half uur van 80% tot nul terugviel.

De windverwachting van het KNMI was correct: afnemende wind gedurende de nacht....
In Flevoland staat een paar honderd MW windvermogen verdeeld over misschien 400 km2.
Binnen een uur stonden zij allemaal stil.
Het licht in Lelystad bleef toch branden die nacht.
Om dit te bereiken moet er het volgende gebeuren:

1.Er moet altijd een snel reagerende gasgenerator meedraaien met de molens zodat het wegvallen van de windenergie niet tot ongelukken leidt.

2.In periodes van weinig wind moet deze snelle generator de windproductie geheel overnemen, want als de molens weer gaan draaien, dan moet de productie in de centrale weer snel naar beneden geregeld kunnen worden.

Bijlage 2:  Windverwachtingen.

“Om dit vast te stellen heeft ECN een geavanceerde windvermogen voorspeller gemaakt. De praktijkvoorbeelden laten zien dat voor elke 3 kWh windstroom er 1 kWh onbalans is. Met eenvoudiger methoden zou de onbalans 1,3 kWh zijn. Hieruit blijkt dat geavanceerde voorspellingen de onbalans weliswaar verkleinen (vergeleken met eenvoudiger alternatieven), maar niet verhinderen (zoals nodig binnen de taakstelling). Gegeven het Nederlandse prijsinstrument dat kosten toerekent aan een marktpartij met onbalans, leiden voorspellingen tot lagere onbalanskosten maar niet tot het verdwijnen van deze kosten.
Gezien vanuit het perspectief van netbalanshandhaving of van een marktpartij, zijn windvermogen voorspellingen dus nuttig maar niet afdoende. Om de onbalans en de onbalanskosten te vermijden, zullen marktpartijen met windvermogen in Nederland ook andere instrumenten moeten inzetten.
© ECN Windenergie. Informatie: J.K. Kok en A.J. Brand
Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) Postbus 1, 1755 ZG Petten, tel. 0224 564949

Bijlage 3.  Een praktijkvoorbeeld.

Voor de belasting van het koppelnet is de beste opstelling een windpark met direct daaraan gekoppeld een enkelvoudige gasturbine.  Deze combinatie is te zien als een betrouwbare stroomleverancier.

Een eenvoudige berekening leert, dat 40% windstroom samen met 60% gasturbinestroom meer brandstof kost, dan dezelfde hoeveelheid stroom opgewekt met 50% rendement, omdat de gasturbine in deze rol niet meer dan 25% rendement heeft.
Een dergelijke opstelling bestaat in Nederland.
Vlakbij het aanlandingspunt voor de windstroom van de parken Egmond en IJmuiden staan een aantal oude generatoren van Nuon, die draaien op een mengsel van hoogovengas en aardgas.
Op de Nuon website zijn wat gegevens te vinden over deze productie-eenheden.
Hierbij is voor ons van belang wat er met de oude eenheden Velsen 24 en 25 gebeurt.
In de woorden van Nuon:

Velsen 24 en 25
De eenheden Velsen 24 (1974) en Velsen 25 (1986) hebben beide een levensduurverlenging ondergaan waarbij groot onderhoud is gepleegd en alle besturingssystemen zijn aangepast aan de nieuwste standaarden. Zo is de productie van de eenheden voor de komende jaren weer zeker gesteld. Beide eenheden kunnen het volle vermogen realiseren met alleen aardgas.
Productiecapaciteit Velsen 24
Velsen 24 heeft een vermogen van 460 megawatt. De eenheid wordt vooral in gezet als Velsen 25 en IJmond 1 stilstaan of wanneer de markt er om vraagt. 

Einde citaat te vinden op www.nuon.nl.
Hier worden door Nuon oude beestjes in bedrijf gehouden, die als voordeel hebben dat zij snelle belastingvariaties aankunnen. Het nadeel is, dat het elektrisch rendement van deze enkelvoudige gasturbines beneden de 35% ligt. Draaien zij op halve kracht, dan zakt het rendement tot 25% of lager.

De huidige windparken op zee in combinatie met Velzen 24 en 25 leveren dus niets op in termen van brandstofbesparing of vermindering van de CO2 uitstoot.

Dit artikel is in de Volkskrant laatdunkend besproken. Mijn reactie erop werd (natuurlijk) niet geplaatst.

                                                                                                                      Monnickendam, 3 mei 2010.

Geachte redactie,
“Wind kruipt waar hij (niet) gaan kan”’
Het interview in de bijlage van zaterdag en enkele uitspraken van experts zijn een reactie op mijn artikel:
“Besparen windmolens brandstof/CO2?”.
Dit artikel is gepubliceerd op de website:  www.groene rekenkamer.nl. Dit artikel wordt in de tekst aangeduid als lange berekeningen en de conclusie wordt half geciteerd, maar wordt wel als populistisch afgedaan.
De gewraakte conclusie luidt voluit:
Het inboeken van CO2 besparing door de geproduceerde windstroom te vermenigvuldigen met de specifieke CO2 uitstoot van klassieke centrales is grootschalige fraude.
Hiermee worden honderden miljoenen verdiend in de groene stroomhandel en in de CO2 emissiehandel.

Vind u niet, dat als een stelling als onjuist en onzinnig wordt aangemerkt u de auteur ervan zou moeten horen? Dit is niet gebeurd, dus daarom deze reactie via een ingezonden brief.
In het krantenartikel worden diverse deskundigen aangehaald, die allemaal de boodschap brengen: het lukt nog niet helemaal, maar dat komt wel goed.
In mijn voordracht staan drie voorbeelden (een proefschrift uit Leuven met simulaties zoals gedaan door dhr Ummels en 2 rapporten van wetenschappelijke adviescolleges), die allen negatief adviseren over de inpassing van grootschalige windenergie in het distributienet.

Een ervan is van de Energieraad, waar ook mensen van de Kema inzitten.
Dhr Hewicker van de Kema zegt, dat je hoogstens een paar keer per jaar wat molens af moet schakelen en dat er hoogstens 10% rendementsverlies zal optreden.
Die "paar keer per jaar" kost 40% van de windproductie.
Dit is geconstateerd door Ummels, maar de door hem genoemde 19 miljoen ton CO2 besparing is wel inclusief volledige benutting van het overschot aan windstroom.
Waarheen dat overschot zou moeten gaan weet niemand, maar een kniesoor die daar op let.
Dit overschot samen met het 10% rendementsverlies dat dhr Hewicker opgeeft betekent, dat de helft van de geclaimde besparingen niet gerealiseerd zullen worden.
Mijn artikel toont aan, dat deze redenering te simpel is: de werkelijke verliezen zijn veel hoger.

Hewicker vermoedt politieke redenen achter kritiek op windenergie.

Wanneer bezorgdheid voor verrommeling van ons landschap en gefundeerde twijfel over de zin van miljardenbestedingen politieke redenen zijn, dan heeft de goede man gelijk.

Dhr Beurskens van ECN zegt, dat het met de windvoorspellingen steeds beter gaat, maar een rapport uit 2009 van ECN constateert, dat de productie van windenergie alleen met een foutenmarge van 30% te voorspellen is. Een ander rapport van dezelfde groep stelt, dat er voorlopig geen verbeteringen te verwachten zijn.

Dhr van Kuik is niet bang, dat "wind tussen wal en schip zal raken, want:
“Wind “heeft aantoonbaar de laagste maatschappelijke kosten van alle bronnen."
Wat kost het opofferen van honderden vierkante kilometers van ons land aan een energiebron, die 2 watt per vierkante meter oplevert?
Dit is namelijk de bruto energieproductie van een windpark op land.
Waarom gaat wind op zee de volgende 15 jaar 18,5 eurocent per kWh kosten?  
Zie hiervoor de SDE regeling d.d. mei 2010.
Hierbij moeten de investeringsubsidies nog opgeteld worden.
Samen kost die 1 GW op zee de belastingbetaler 8 a 9 miljard euro in 15 jaar.
Beurskens: Windenergie krijgt de plaats die ze verdient, daar ben ik van overtuigd"
Ik ook, maar die plaats is voor mij in het rariteitenkabinet.

Met vriendelijke groet,
Dr. F. Udo
Joh. Buijeslaan 18
1141GS Monnickendam.

   <                                              Inhoud                                                    >