Windenergie - Een overzicht
Fred Udo
16 September 2019
Inleiding.
De jonge Belgische filosoof Maarten Boudry schreef onlangs in een brief geschreven naar aanleiding van het kinderprotest [1]:
“Het menselijk leven vóór de industriële revolutie was, zoals de filosoof Thomas Hobbes het beschreef: ‘eenzaam, armoedig, afschuwelijk, beestachtig en kort’.
De eeuwen zonder antropogene klimaatopwarming (voor 1800) waren eeuwen van doffe ellende, de twee eeuwen erna van ongeziene welvaart en voorspoed.”
Boudry schrijft ook, dat dank zij fossiele brandstoffen het niet meer nodig is om bossen te kappen om onze huizen te verwarmen, maar daar wordt in groene kringen nu toch anders over gedacht.
Toch is brandhout gewoon brandhout, ook wanneer het wordt omgedoopt tot biomassa.
Gedurende de twintigste eeuw is onze samenleving steeds meer afhankelijk geworden van betrouwbare en betaalbare elektriciteit.
Het feit, dat door het ontbreken van opslag van elektriciteit vraag en aanbod op ieder moment in evenwicht moeten zijn, maakt de leveringszekerheid van 99,99% tot een van de mooiste resultaten van het werk van generaties ingenieurs.
Dit systeem werkt door middel van grote vraaggestuurde generatoren en een koppel netwerk over het hele land.
Volgens het Intergouvernemental Panel on Climate Change (IPCC) gaat de wereld in 2050 ten onder aan temperatuurstijging veroorzaakt door een overmaat van CO2 in de atmosfeer,
De boven ons gestelden leiden hieruit af, dat zij de wereld moeten redden door ons land vol te zetten met windmolens. Hiermee wordt een nieuw element in het stroomnet geïntroduceerd namelijk aanbod gestuurde elektriciteit.
Dit is een begrip dat aangeeft, dat er stroom geleverd wordt als er wind is, maar de hoogte van de productie hangt niet samen met de vraag naar stroom.
De regering rekent in overeenstemming met EU-afspraken alsof elk kilowattuur windstroom de brandstof spaart van een kilowattuur fossiel opgewekte stroom.
Deze afspraak noemen wij de Brussel doctrine.
De doctrine houdt in, dat windstroom altijd geheel in het net kan worden opgenomen zonder dat er rendementsverliezen optreden in de klassieke centrales.
Het gelijkstellen van aanbodgestuurde windstroom aan vraaggestuurde klassieke stroom is een fundamentele fout, die een realistisch debat over het nut van windenergie in de weg staat.
Het idee om de elektriciteitsvoorziening radicaal te veranderen kan alleen ingang vinden als:
1. De verandering in staat is om een bepaald doel te bereiken. (CO2 uitstoot vermindering)
2. De verandering tenminste de leveringszekerheid niet schaadt.
3. De verandering de betaalbaarheid van elektriciteit niet in gevaar brengt.
Dit artikel toont aan, dat voor windenergie deze 3 vragen in negatieve zin beantwoord dienen te worden, als windstroom in onze stroomvoorziening wordt ingevoerd zonder een mogelijkheid tot grootschalige opslag van energie.
De promotors van windenergie zien de “waterstofeconomie” als oplossing van het opslag probleem, maar een nadere beschouwing van deze optie laat zien, dat in de transformatie van windstroom naar bruikbare stroom via waterstof twee derde van de windstroom verloren gaat. De kosten voor deze dubbele transformatie (stroom naar H2, opslag van H2 en H2 naar stroom) overtreffen de kosten van windstroom met een factor vier.[2,3]
Rest het opvangen van de variaties van windstroom door het bijregelen van de fossiele centrales. Deze optie wordt nu algemeen toegepast en leidt tot aanzienlijke, maar grotendeels verborgen systeemkosten.
Dit artikel bespreekt 3 aspecten van deze systeemkosten van windenergie, die alle voortvloeien uit de grilligheid van de windsterkte.
De indeling is als volgt:
1.De eigenschappen van windenergie
2.De inpassing in het net (curtailment)
3.Het rendementsverlies van klassieke centrales
4.De economische waarde van windstroom
5.De maatschappelijke gevolgen
[1] https://maartenboudry.blogspot.com/2019/03/brief-aan-anuna-de-wever-en-kyra-gantois.html
[2]Waterstofeconomie.
https://fredudo.home.xs4all.nl/Zwaaipalen/Waterstof,_kort.html
[3]Groene waterstofeconomie: Panacee of ramp in wording?
H. Matthijsen in ClimateGate.nl 16 juli 2018.
1. De eigenschappen van windenergie
De natuurkunde leert ons, dat de energie-inhoud van een luchtstroom toeneemt met de derde macht van de windsnelheid. De gevolgen hiervan zijn te zien in figuur 1 die de stroomproductie van een windturbine met 1,8 of 2 MW vermogen toont.
Bij 5 m/sec (matige wind) levert de turbine 200 KW, bij 2 maal die windsnelheid wordt 1600 KW geleverd. Twee maal de windsnelheid levert acht maal de hoeveelheid stroom.
De vermogenscurve van een 2 MW windturbine.
De figuur toont hoezeer de stroomproductie afhankelijk is van de windsterkte.
Middelt de stroomproductie uit, als wij veel windturbines spreiden over een groot oppervlak?
Verschillende publicaties [4,5} laten zien, dat dit niet zo is.
In [4] is de productie van alle molens in NW Europa samen geanalyseerd
Figuur 2 toont het verloop van de som van alle Europesche windstroom.
De Betz limiet.
Moderne windturbines kunnen meer dan 40% van de aangeboden energie in de luchtstroom omzetten in elektriciteit. Dit is formidabel hoog als men weet, dat dit getal door de aerodynamica begrensd is tot 57% (De limiet van Betz). Op dit vlak is dus weinig winst te behalen. De enige factor die de opbrengst kan verbeteren is de hoogte van de molen en het daarbij behorende oppervlak dat door de wieken wordt bestreken.
Groter en hoger dus. De grilligheid van de geproduceerde windstroom verandert er niet door.
[4]Euan Mearns Wind blowing nowhere
http://euanmearns.com/wind-blowing-nowhere/
[5]Capell Aris Windpower reassessed
Adam Smith Institute 2014
2. De inpassing in het net (curtailment)
In het klimaatakkoord is in 2030 minstens 20 Gigawatt (GW) aan windvermogen voorzien, maar
het gemiddelde stroomverbruik in Nederland is 14 GW.
Ondanks het feit, dat er dan meer windvermogen staat, dan ooit door het net kan worden opgenomen bagatelliseert het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL) het niet in te passen aandeel windstroom tot 2% [6].
Wat zegt de praktijk hierover?
Tot voor kort publiceerde Eirgrid een toegankelijke database met gegevens van de totale stroomvraag, de windstroom en de berekende CO2 uitstoot voor intervallen van 15 minuten. Daaruit was het mogelijk om de inpasverliezen te berekenen uit de praktijkgegevens van Eirgrid. De analyse is te vinden te vinden in [7]
In figuur 3 is het resultaat van deze analyse weergegeven.
Bij een windaandeel van 50% kan 30% van de windstroom niet ingepast worden in het net.
P.F. Bach laat op zijn website zien, dat de Deense stroomexport naar Zweden en Noorwegen direct samenhangt met de hoogte van de windstroomproductie. [8] In die landen vervangt de goedkope geïmporteerde windstroom de elektriciteit gewonnen uit waterkracht.
De Deense export van windstroom draagt dus niet bij aan de zo gewenste CO2 besparing…
Alleen door de export van elektriciteit is het mogelijk om in Denemarken veel windstroom te produceren. Figuur 3 geldt dus niet voor Denemarken, maar wel degelijk voor Nederland.
De NordNed kabel met een capaciteit van 800 MW zal dit verloop niet essentieel veranderen.
Figuur 3 De curtailment als functie van het windaandeel.
[6] PBL Doorrekening klimaatakkoord (maart 2019)
[7]. Curtailment in the Irish power system.
https://fredudo.home.xs4all.nl/Zwaaipalen/Curtailment.html
[8]www.pfbach.dk Verschillende artikelen
3. Het rendementsverlies van klassieke centrales
Het Ierse stroomnet was een dankbaar object van studie naar de effecten van windenergie, want het is een klein en redelijk geïsoleerd systeem, waarbij er bij de netbeheerder (Eirgrid) een zekere openheid over de resultaten van het inpassen van windstroom heerste.
Deze openheid is na publicatie van drie analyses van de gegevens nu vrijwel verdwenen.
De drie analyses zijn:
a. Het rapport van de Sustainable Energy Authority of Ireland (SEAI)
SEAI heeft de brandstof besparing door windenergie berekend met behulp van het PLEXOS programma. Dit programma wordt wereldwijd gebruikt om stroomdistributie netwerken te analyseren. In het rapport van de SEAI wordt met dit programma berekend hoeveel brandstof de Ierse windturbines bespaard zouden hebben in 2012 [7].
Een analyse van het rapport [8] laat zien, dat op grond van de gegevens verstrekt door de SEAI een bijdrage van 16,2% windstroom maar 6,5% brandstof bespaart.
Het rendement van 16,2% wind is dus 6,5/16,2 = 0,40
Dit resultaat is in goede overeenstemming met de conclusie van ref 11.
b. Besparing van gas door Owen Martin
De conclusies getrokken uit het SEAI rapport worden bevestigd door een analyse van het effect van
toenemende hoeveelheden windenergie op het gasverbruik van de Ierse gascentrales door Owen Martin. [9]
De samenvatting van dit artikel gaat als volgt:
〈Ireland increased it’s wind generation by 11% between 2012 and 2013.
〈This resulted in a saving of 360 m3 of gas per MW of wind installed during 2013.
〈Between 2013 and 2015 wind generation increased by 44%.
〈This resulted in a saving of 160 m3 per MW of wind installed during 2014 and 15.
〈This means that over double the wind farms had to be installed during 2014 and 2015 to achieve the same fossil fuel savings as in 2013.
c. De analyse van Wheatly [10]
Wheatly berekent voor 11% wind een brandstof besparing die 65% van de nominale besparing is.
Op grond van praktijkcijfers van Spanje, Colorado en Ierland wordt in [11] berekend, dat meer dan 60% van de brandstofbesparing verloren gaat door rendementsverliezen in de fossiel gestookte centrales.
De conclusie luidt als volgt voor de inpassing van 15 tot 20% windstroom:
The effects of curtailment, grid accomodation losses and self-energy are discussed.
It is shown from performance data, that these three factors reduce the fuel saving
due to wind energy to less than 38% of the nominal saving.
Hiermee is aangetoond, dat de Brussel doctrine niet geldt voor windstroom gevoed in een fossiel gestookt elektriciteit netwerk.
Stelling.
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 .
7.Het SAEI rapport en de Nederlandse politiek
https://fredudo.home.xs4all.nl/Zwaaipalen/SEAI_rapport_2012.html
-
8. Quantifying Ireland’s Fuel and CO2 Emissions Savings from Renewables in 2012.
Energy Modeling Group May 2014.
www.seai.ie/Publications/Statistics_Publications/
9.Owen Martin The Reduction in Gas Savings due to Wind Energy
http://irishenergyblog.blogspot.com/2016/05/new-report-gas-savings-2013-to-2015-due.html
10.J.B. Wheatley: Quantifying CO2 savings from windpower;
Energy Policy, 2013, vol. 63, issue C, pages 89-96.
11.Using Wind Energy to save fuel and reduce CO2 emissions.
F. Udo, C. le Pair, K. de Groot , A.H.M. Verkooijen and C. van den Berg
Energy and Environment 26 no 8 2015
https://fredudo.home.xs4all.nl/Zwaaipalen/Energy_and_Environment.html
4. De waarde van windstroom.
4A De “Energy Return on Energy Invested” of EROI
Er is veel discussie over het energetisch rendement van windenergie of anders gezegd:
Is een windturbine in staat om in redelijke tijd zijn eigen energie terug te verdienen?
De “Energy Return on Energy Invested” of EROI is de verhouding tussen de totale energie, die de generator oplevert en de energie nodig om de generator te bouwenen, te bedrijven en op te ruimen.
De windindustrie stelt de EROI van zijn turbines op 15 tot 20, maar de bekendste publicatie over dit onderwerp [13] reduceert deze waarde tot 3 door het meetellen van de benodigde buffering. Hierbij moet worden opgemerkt, dat wil een energieopwekking een nuttige bijdrage aan onze maatschappij kunnen leveren, de EROI minstens 7 moet bedragen.
Een overzicht van de EROI van de verschillende technieken van energieopwekking geeft een
goed idee van de problemen.
Figuur 4
De EROI van verschillende systemen van energieopwekking.
(Overgenomen uit ref. 13)
De berekening van EROI is notoir moeilijk, omdat de grenzen van de gebruikte energie en de waarde van de geleverde stroom niet vastliggen. Dit laatste volgt uit het feit dat de systeemkosten afhangen van de hoeveelheid windstroom die in het net wordt opgenomen.
4B De economische benadering.
Er zijn 2 oorzaken waarom bij een grote bijdrage van windstroom de opbrengst van windstroom lager is, dan de gemiddelde stroomprijs.
A.De stroomprijs varieert met de vraag, maar het aanbod van windstroom volgt dit niet, dus er wordt relatief veel windstroom geproduceerd, wanneer de prijs laag is. Het Planbureau bedacht hier de naam profieleffect voor.
B.Er staan nu twee stroomgenerator systemen, dus wanneer het hard waait is er een overaanbod van elektriciteit onafhankelijk van de actuele vraag naar stroom.
Het laatste blijkt duidelijk uit figuur 4, die ontleend is uit een modelberekening van Hirth [12].
De “value factor” in figuur 5 is de uitdrukking van effect B.
In paragraaf 4B worden de systeemkosten van de windstroom op 30% gesteld bij een windbijdrage van 50%. Figuur 4 laat zien, dat deze waarde veel te optimistisch is.
De rendementsfactor van zonnepanelen is 3 maal lager dan de rendementsfactor voor wind.
Dit is de oorzaak van de snelle afname van de value factor met het marktaandeel van zon.
In 2012 bracht de OECD een rapport uit [14] waarin wordt berekend, dat bij een bijdrage van 30% wind in Duitsland de systeemkosten voor het opnemen van windenergie $44 per MWh bedragen.
Een berekening, die eenvoudiger is dan de berekening van de EROI en beter aansluit bij de dagelijkse praktijk is de economische terugverdientijd via investering in en opbrengsten van zwaaipalen met uitsluiting van subsidies en belastingvoordelen, die de regering zo gul uitstrooit over de windboeren.
De berekening [15] maakt een schatting van de terugbetaaltijd van zwaaipalen in het Nederlandse stroomnet met 20GW windvermogen zoals geprojecteerd door het PBL in 2030.
Dit is gedaan door de investering te vergelijken met de hoeveelheid en de kwaliteit van het product windstroom afkomstig van 20 GW windvermogen. Voor de eenvoud van de presentatie is afgezien van het bijtellen van alle bijkomende kosten, die in de loop van de levensduur van de zwaaipalen gemaakt worden.
Uitgaande van een investering van 1,4 miljoen euro per MW wordt berekend, dat de terugverdientijd van een zwaaipaal op land 36,6 jaar is. Rekenen wij met de systeemkosten van $44 per MWh als berekend in het OCDE artikel, dan verdubbelt de terugverdientijd.
Een zwaaipaal op land verdient zijn investering nooit terug.
Naar aanleiding van dit resultaat zijn kamervragen gesteld aan minister Wiebes.
De antwoorden waren onrealistisch en ten dele onwaar, maar zelfs met de getallen van de minister verdient een zwaaipaal zijn geld niet terug. [16]
12.Hirth, Lion (2013): “The Market Value of Variable Renewables”, Energy Policy 38, 218-236
13.D. Weissbach et al Energy intensities, EROIs (energy returned on invested),
Energy 52 (2013) 210-221
14.“System Effects in Low-carbon Electricity Systems.
15. De economie van 20 GW windvermogen
https://fredudo.home.xs4all.nl/Zwaaipalen/De_economie_van_windenergie.html
16. De antwoorden van de minister
https://fredudo.home.xs4all.nl/Zwaaipalen/Antwoorden_van_de_minister.html
5. De maatschappelijke gevolgen.
Het PBL gaat in de verkenning tot 2030 uit van het opstellen op land van 2500 molens van 4 MW elk. Wat betekent dit voor de bewoonbaarheid van ons land?
In het voorgaande is aangetoond, dat het ongebreideld plaatsen van windturbines in de toekomst tot economische zelfmoord zal leiden, maar de schade aan de leefomgeving buiten de steden is nu al groot. De energiedichtheid van wind is klein, dus de installaties om deze energie te winnen moeten per definitie groot zijn. De molens, die nu worden geplaatst hebben een tiphoogte van meer dan 200 meter.
Het Deense onderzoekscentrum Riso heeft de windschaduw achter een turbine gemeten en figuur 6 toont een resultaat. Na 9,6 wiek-diameters is de gemiddelde afname van de windsnelheid 13%. Dit vertaalt in een afname van de stroomproductie voor een molen op die positie van 40%.
Zwaaipalen op een kluitje zetten kan niet.
De Vestas 4,2 MW machines hebben een wiek diameter van 147 meter en een masthoogte van minimaal 140 meter. De tiphoogte gaat dus ruim boven de 200 meter.
De afstand tussen twee van deze monsters moet volgens de metingen van Riso minimaal 1400 meter bedragen. Een terrein met 2500 molens van 4 MW beslaat dus 5000km2 ofwel 20% van Nederland.
Deze 2500 molens wekken bruto ongeveer 4% van het Nederlandse energieverbruik op.
Netto is de bijdrage tussen de 1 en 2% gezien de systeemeffecten besproken in 2,3 en 4
Een vrije ruimte van 70 x 70 km2 bestaat niet in Nederland, dus moeten de molens over kleine clusters verdeeld worden. Dit maakt het ruimtebeslag aanzienlijk groter, omdat om een windterrein een bewoners vrije zone van minstens een kilometer moet worden aangehouden. Door het opsplitsen zal het ruimtebeslag vrijwel verdubbelen.
De Nederlandse overheid vindt, dat een afstand van 400 meter tot de dichtstbijzijnde bewoning meer dan genoeg is zowel wat woonomgeving als het geluidsniveau betreft. De wet is doof voor het geproduceerde geluid, ongevoelig voor het gevaarlijke infrageluid en blind voor slagschaduw en horizonvervuiling.
In Drente en Groningen zijn eerzame burgers al overgegaan tot sabotage en bedreiging van exploitanten. In een gebied waar honderden megawatts aan windvermogen gepland worden is 85% van de bevolking fel gekant tegen de zwaaipalen.
De voorzitter van een van de 136 locale actiecomités tegen zwaaipalen zei op 30 maart 2019 op radio 1, dat de bevolking in die regio alle vertrouwen in de rechtsstaat heeft verloren door het plaatsingsbeleid van windturbines. Hij verklaarde verder, dat de oude feodale verhoudingen weer waren teruggekeerd dank zij de zwaaipalen. De herenboeren hebben de lusten, de bevolking ziet de waarde van zijn huis rap dalen of zelfs onverkoopbaar worden.
De doorrekening van het klimaatakkoord door het PBL waardeert de maatschappelijke effecten op nul euro.
PBL is de afkorting voor: Plan Bureau voor de Leefomgeving (!).
Tot slot:
De dodelijke gevolgen van zwaaipalen voor de vogelstand en de vleermuizen worden in dit artikel niet besproken. Wat kost een vogel?
Het menselijk leven vóór de industriële revolutie was, zoals de filosoof Thomas Hobbes het beschreef: ‘eenzaam, armoedig, afschuwelijk, beestachtig en kort’.
En na de groene revolutie?
