‘De grootschalige inpassing van windenergie in onze elektriciteitsvoorziening is technisch prima mogelijk. Het bestaande elektriciteitssysteem kan de variaties in vraag en windaanbod ook in de toekomst op elk moment opvangen, zolang er gebruik wordt gemaakt van actuele windvoorspellingen. Verder hoeven er geen voorzieningen voor energieopslag te komen.’ Dit zijn de belangrijkste conclusies van mijn proefschrift, dat ik aan de TU Delft met succes heb verdedigd. Hieronder licht ik in tien minuten leestijd graag toe tot welke conclusies ik na vier jaar promotieonderzoek ben gekomen.
Windenergie
Onze samenleving draait op elektriciteit. De meeste elektriciteit is afkomstig van elektriciteitscentrales die kolen en aardgas gebruiken. Dit zijn betrouwbare en betaalbare brandstoffen, maar ze kennen ook nadelen. De voorraad fossiele brandstoffen is eindig en ongelijk verdeeld over de aarde. Daarnaast stoten conventionele centrales broeikasgassen uit. Er is dringend behoefte aan duurzame alternatieven, zoals windenergie. In de afgelopen jaren is windenergie een steeds belangrijker bron van duurzame energie geworden. Windturbines worden ook steeds groter, zoals Fig. 1 laat zien. Een grote windturbine op land levert inmiddels voldoende elektriciteit voor zo’n 3000 huishoudens (11 GWh/jaar), op zee is dat zo’n 5000 huishoudens (18 GWh/jaar). Vorig jaar stond windenergie op nummer één wat betreft de hoeveelheid nieuw geïnstalleerd vermogen in Europa, meer dan gas of kolen.
Fig. 1: De ontwikkeling van windturbines in de afgelopen 25 jaar.
Variabel en Onvoorspelbaar
De belangrijkste nadelen van windenergie als bron van elektriciteit zijn dat het soms wel en soms niet waait en dat je de wind niet perfect kunt voorspellen. Dit is lastig, want het aanbod van elektriciteit moet op elk moment precies gelijk zijn aan de vraag. Fig. 2 geeft een goed voorbeeld van de variaties van de Nederlandse elektriciteitsvraag per uur en per dag. Bestaande elektriciteitscentrales passen zich voortdurend aan aan de veranderingen van de elektriciteits-vraag, en vangen ook de onverwachte uitval van een centrale op. Op deze manier zorgen ze ervoor dat het aanbod altijd gelijk is aan de vraag. Windenergie is dus niet de enige bron van variaties en onvoorspelbaarheid, en ook elektriciteitscentrales kunnen plotseling uitvallen. Windenergie is dus in feite geen fundamenteel nieuwe uitdaging: waar het om gaat, is of de elektriciteitscentrales ook de gezamenlijke variaties van de vraag en de wind kunnen opvangen.
Fig. 2: De elektriciteitsvraag in Nederland in week 2, 2007.
1/3 Windstroom
In mijn proefschrift heb ik computersimulaties gemaakt van het Nederlandse elektriciteitssysteem, met verschillende hoeveelheden windvermogen. 12 GW, waarvan 8 GW op zee, levert voldoende stroom voor ongeveer een derde van de Nederlandse elektriciteitsvraag. Uit de simulaties blijkt dat de Nederlandse elektriciteitscentrales de variaties in de elektriciteitsvraag en windaanbod ook in de toekomst op elk moment kunnen opvangen. Er moet dan wel steeds gebruik worden gemaakt van de meest actuele windvoorspellingen: de inzet van de elektriciteitscentrales moet steeds opnieuw worden berekend met de laatste windvoorspelling. Het is dan mogelijk om voorspellingsfouten te verminderen en windenergie beter in te passen. Met windenergie komt er wel wat regelwerk bij voor de elektriciteitscentrales, maar die kunnen de variaties van de wind prima aan. Zelfs in een situatie van snel stijgende vraag, bijvoorbeeld op de maandagochtend, levert een storm of een plotselinge windstilte geen problemen op. Onze elektriciteitsvoorziening blijft dus betrouwbaar met grootschalig windvermogen.
Overschotten
De simulatieresultaten geven aan dat windenergie vraagt om een grotere flexibiliteit van de bestaande elektriciteitscentrales. Soms zijn er meer reserves nodig, maar veel vaker zullen de centrales juist hun productie moeten verlagen om ruimte te maken voor wind. In plaats van de vaakgehoorde vraag ‘Wat doen we als het niet waait?’ is de vraag ‘Waar laten we alle elektriciteit als het ’s nachts hard waait?’ veel relevanter. Vooral tijdens de nacht, wanneer de vraag naar elektriciteit laag is, zal gratis windenergie kolenstroom uit de markt gaan drukken. Lastig is alleen dat kolencentrales niet zomaar kunnen worden uitgezet. Een belangrijke oplossing hiervoor zit in internationale handel van elektriciteit, omdat het buitenland dit overschot vaak wel kan gebruiken. Verder is een verruiming van de ‘openingstijden’ van de internationale elektriciteitsmarkt gunstig voor windenergie. Momenteel bepalen de elektriciteitsbedrijven een dag van tevoren hoeveel elektriciteit ze in het buitenland gaan kopen of verkopen. Windenergie kan beter worden ingepast als het tijdsverschil tussen de handel en het maken van de windvoorspelling kleiner is.
Energie-Opslag Niet Nodig
Mijn onderzoek wijst verder uit dat er geen voorzieningen voor energieopslag hoeven te komen. Voor het technisch functioneren van de elektriciteitssysteem is zo’n extra buffer niet nodig, en met de enorme investeringskosten is het ook niet rendabel. De resultaten geven aan dat internationale elektriciteitshandel een veelbelovende en goedkopere oplossing is voor de inpassing van windenergie. Netbeheerder TenneT is inmiddels met de proeven gestart met een flexibelere internationale markt met Duitsland. Ook het flexibeler maken van bestaande elektriciteitscentrales is een betere oplossing. Het gebruik van warmteboilers zorgt bijvoorbeeld voor een flexibelere bedrijfsvoering van warmtekrachtcentrales, die daardoor ’s nachts ruimte kunnen maken voor wind. De inpassing van windenergie in het Nederlandse elektriciteitssysteem kan zorgen voor een vermindering van de productiekosten van 1,5 miljard euro per jaar en een afname van de CO2-uitstoot met 19 miljoen ton per jaar. Daar kunnen kolen en gas niet tegenop!
Fig. 3: Offshore wind park in Groot Britannië (© Siemens Wind Power).
Referenties
Bart Ummels. Power System Operation with Large-Scale Wind Power in Liberalised Environments. Proefschrift, Technische Universiteit Delft, 26 februari 2009, met Nederlandse samenvatting.
B.C. Ummels, M. Gibescu, E. Pelgrum, W.L. Kling, & A.J. Brand. Impacts of Wind Power on Thermal Generation Unit Commitment and Dispatch. IEEE Transactions on Energy Conversion, 22(1):44–51, Maart 2007
B. C. Ummels, E. Pelgrum, and W.L. Kling, Integration of Large-Scale Wind Power and Use of Energy Storage in the Netherlands, IET Renewable Power Generation, 2(1):34–46, Maart 2008
B. C. Ummels, E. Pelgrum, M. Gibescu, and W. L. Kling, Comparison of Integration Solutions for Wind Power in the Netherlands, geaccepteerd voor IET Renewable Power Generation, 2009
Reacties
Als je vragen hebt, geef deze dan als comment op dit artikel. Ik zal mijn best doen om deze hieronder te beantwoorden.
April 2nd, 2009 at 8:40 am
Heel goed dat hiermee nu bekend is dat méér windenergie niet schadelijk is voor de stroomvoorziening! Het is ook heel mooi dat het mogelijk is om de CO2-uitstoot te verminderen door de toepassing van meer duurzame energie.
Toch zou ik nog een stap verder willen gaan. De prioritering van windenergie geeft al een flinke CO2-reductie, maar het is nog beter als bestaande kolen- en aardgascentrales helemaal vervangen kunnen worden door duurzame energie.
Uiteraard kan men zich afvragen hoe het dan moet op windstille grijze dagen als er geen kolencentrales meer zijn. Dan denk ik o.a. aan:
1) de toepassing van waterenergie: getijdenenergie + energie die verkregen wordt uit de wisseling van zout en zoet water.
2) energiebesparing: immers hoe minder vraag er is, hoe minder vermogen er hoeft te worden gebouwd.
3) elektriciteitsopslag. Het is duur, maar misschien komen er nog wat technologische doorbraken waardoor deze opslag ineens veel haalbaarder is geworden. Ik vind opslag van energie een betere methode (mits genoeg stroom voorhanden is) dan het in bedrijf houden van kolencentrales.
April 2nd, 2009 at 9:19 am
Is het zo dat de bestaande centrales zijn gemaakt voor een bepaald optimum? Op dat moment is de centrale het meest rendabel. Wat als de central nu veel fluktueert en gemiddeld onder dat optimum draait, en daardoor dus relatief duur is?
Bijvoorbeeld de personeelsbezetting moet altijd aan een minimum voldoen, ook al levert de centrale maar een kwart van waar hij voor gemaakt is.
April 2nd, 2009 at 9:48 am
Beste Wim, Cornelis,
hierbij een korte toelichting op het commentaar van Wim en Cornelis.
In sommige landen, zoals Duitsland, heeft windenergie voorrang en ontvangt windenergie een vaste vergoeding per MWh. Wanneer windenergie in de elektriciteitsmarkt wordt ingepast, zoals in Nederland, wordt windenergie tegen marginale kosten aangeboden (wind is gratis, dus 0,- EUR/MWh). Duurdere eenheden worden dan zoveel mogelijk afgeregeld of stilgezet, waardoor windenergie de marktprijs verlaagt. Door de lage marginale kosten van windenergie heeft wind dus feitelijk ook ‘voorrang’ op de markt.
In het proefschrift onderzoek ik tot 33% windenergie, op dit moment zitten we op nog geen 5% van de elektriciteitsvraag. Voorlopig (de komende 20-30 jaar) zitten we nog wel vast aan de bestaande elekriciteitscentrales, op dit moment wordt er behoorlijk wat kolen- en gasvermogen bijgebouwd. Deze centrales hebben inderdaad een efficiency-curve met een optimale efficiency bij een bepaald ‘bedrijfspunt’. De invloed van meer variaties in de output van deze centrales is meegenomen in de simulaties in het onderzoek; de efficiency daalt af en toe zeker door wind, maar de besparing in kosten en CO2 door windenergie is aanzienlijk groter. Of opslag een optie is, hangt af van de business-case hiervoor, en mijn onderzoek laat zien dat het technisch niet noodzakelijk bij 12 GW windvermogen, en economisch vooralsnog niet haalbaar.
Meer info kun je vinden in het proefschrift: voorrang van windenergie doordat de wind gratis is (p. 69, fig. 4.1 en paragraaf 4.2.2) en rendementen van conventionele centrales (p. 56).
April 2nd, 2009 at 10:18 am
Op dit moment moeten kolen- en gascentrales de fluctuaties in de windenergie opvangen. Maar de toepassing van watercentrales (en met name die van de wisseling van zoet en zout water) zou weleens een stevig aandeel in de stroomvoorziening kunnen krijgen. Op dit moment is het nog in de experimentele fase, maar ik hoop dat deze techniek een flinke impuls gaat krijgen.
Watercentrales zijn (waar het de wisseling van zoet en zout water betreft) heel constante factoren. Als deze techniek verder wordt ontwikkeld en toegepast dan denk ik dat we een deel van de kolencentrales kunnen sluiten. En hopelijk zullen de watercentrales in staat zijn om kernenergiecentrales overbodig te maken……
Zo kan dan een mix ontstaan van wind-, zonne- en waterenergie. Gratis en bij wijze van spreken voor niks!
(afgezien van aanleg- en onderhoudskosten)
April 2nd, 2009 at 11:14 am
Wim, de behoefte naar opslag komt mijn inziens door een toekomstgericht blik gecombineerd met een traditioneel electriciteitspark (productie en afname). In de toekomst zal er door diversificatie (water, wind, zon en bijv electrisch transport) tesamen met flexibiliteit door marktwerking een inpassing van grote hoeveelheid wind (maar ook andere vormen van duurzaam) mogelijk zijn.
April 2nd, 2009 at 12:44 pm
Leuk artikel. Ik heb nog wel een paar vraagjes.
Je zegt dat 12 GW genoeg is voor een derde van de energievraag. Als ik Fig. 2 zie, dan lijkt het alsof 12 GW precies het gemiddelde is van de energie vraag. Zie ik iets over het hoofd?
Daarnaast vraag ik me af hoe rendabel de windparken op zee zijn. Windmolens hebben uiteraard bewegende onderdelen en die zijn gevoelig voor slijtage. En juist omdat ze op zee staan zijn ze moeilijk te bereiken voor onderhoud. Is er bekend wat de jaarlijkse onderhoudskosten van zo’n windmolenpark gaan zijn, oftewel is de exploitatie wel rendabel?
April 2nd, 2009 at 1:35 pm
Michael,
In Fig. 2 zie je de elektriciteitsvraag, die per uur en per dag verschilt. Het aanbod van 12 GW verschilt ook per uur en per dag: als het bijvoorbeeld ’s nachts hard waait, kan het zijn dat windenergie op dat moment 100% van de vraag (GW) levert. Op andere momenten levert windenergie weer een veel kleiner deel van de vraag. Met de 33% gaat het echter niet om de momentane waarde (MW), maar om de geleverde energie (MWh, de momentane waarde keer de tijdsduur, MW*hour).
In mijn onderzoek ga ik uit van een elektriciteitsvraag van 126 TWh (de som van alle vraagmomenten in een jaar), in een jaar produceert 12 GW windvermogen 41 TWh, dus 33% van de jaarlijkse consumptie.
April 2nd, 2009 at 7:17 pm
Opslag van energie moet je dus NIET aan beginnen..je kunt veel beter een extra kabeltje naar Dld of Belgie leggen om daar je energie te verkopen. En als je te weinig hebt..koop je het gewoon weer van Eng, Belgie, Dld of Denemarken.
3) elektriciteitsopslag. Het is duur, maar misschien komen er nog wat technologische doorbraken waardoor deze opslag ineens veel haalbaarder is geworden. Ik vind opslag van energie een betere methode (mits genoeg stroom voorhanden is) dan het in bedrijf houden van kolencentrales.
April 2nd, 2009 at 7:43 pm
Voor opslag van electriciteit in auto’s (accu’s dus) is wel draagvlak te vinden en voor opslag van electriciteit in electriciteitscentrales ineens niet?
Dat vat ik even niet.
Zeker nu de opslag van electriciteit steeds beter wordt omdat de electrische auto’s de auto’s van de toekomst zijn.
Als er voldoende technische ontwikkeling is gekomen, en men diverse MW’s in een opslagbak van één of enkele m3 kan stoppen, dan is opslag van electriciteit op grote schaal best wel denkbaar.
Het enige is dan dat men moet uitzoeken wat er gebeurt met de grote hoeveelheid electriciteit als er iets misgaat……
April 2nd, 2009 at 11:01 pm
Goed en informatief verhaal.
Maar nu wat lolligs:
Wat me boeit is dat kleine piekje elke dag in de elektriciteitsvraag, zijn dat soms alle waterkokers voor “vier uur cup-a-soup”
April 3rd, 2009 at 1:22 am
Ik denk dat te maken heeft met het feit dat het verbruik op het werk en thuis ontkoppeld zijn door een stukje reistijd. Gemiddeld patroon zal toch wel zijn dat met het werk verlaat gaat reizen, waarbij dus geen elektriciteit word verbruikt en dan komt men massaal thuis en gaat eten.
Anderzijds verklaart dat niet waarom de piek ook op zondag zichtbaar is.
Andere verklaring, als je het onderzoek leest, dan zie je dat dit de grafiek is van week 2 2007, is dat het gewoon vroeg donker word, waardoor massaal het licht aangaat. Misschien gecombineerd met voornoemde effect.
Iig heel interessant onderzoek. Lijkt me duidelijk dat al die mensen die nu panisch roepen dat we aan de slimme meters moeten e.d. omdat anders de netten klappen geen gelijk hebben. (En dat wisten we natuurlijk al, omdat er buurlanden zijn met een veel groter aandeel windenergie, maar nu is er ook de theorie bij de prakteik.)
April 3rd, 2009 at 12:01 pm
Interessant stuk, een verhaal van gelijke strekking is ook te lezen op de site van Jaap Langenbach (Wind Service Holland).
Is in het onderzoek de optie meegenomen om windenergie terug te regelen wanneer het aanbod groter is dan de vraag? Dit lijkt me een goedkope overgangsoptie zolang opslag en/of kabels naar het buitenland nog niet gerealiseerd zijn.
April 3rd, 2009 at 1:20 pm
Wally,
deze optie heb ik inderdaad meegenomen, als allerlaatste mogelijkheid. Het ‘wegggooien’ van wind is niet goedkoop omdat je hoge ‘opportunity costs’ hebt: de wind waait weg zonder dat je deze gratis energiebron benut. Dit heeft een grote invloed op de opbrengsten van je turbine. Terugregelen gebeurt dus alleen maar als alle andere opties voor inpassing zijn gebruikt.
April 3rd, 2009 at 6:27 pm
Dat van de windvoorspelling snap ik niet, als er iets is wat slecht voorspeld kan worden, dan is dat wind.
Men kan beter een data kanaal opnemen in het elektra-net, waarop iedere windmolen zijn gps-coördinaten/windsnelheid/richting propageert, de centrales hebben dan altijd de beschikking over actuele wind-data van heel europa, waarop een voorspelling makkelijk is te realiseren.
Hiervoor moet natuurlijk een standaard worden bedacht en zal een normalisatie moeten worden geschreven.
April 13th, 2009 at 8:48 am
Beste Jchuit,
De Windunie, de vereniging van vele Windboeren, verkoopt dagelijks de stroom van de windmolens van zijn leden.
Dagelijks schatten zij vooruit wat hun windmolens zullen opleveren. En die schatting verkopen ze op de beurs voor stroom. Let wel, ze moeten vooraf melden wat ze de komende dag zullen opwekken. Doen ze het fout, dan moeten ze betalen voor het verschil.
In de praktijk blijkt dat hun schattingen goed genoeg zijn om geld te verdienen.
Ze gebruiken een eigen model, een computer programma, dat gevoed wordt met o.a. de weer berichten en windmeetgegevens van weerstations, en welke windmolens er mee doen, met hun historische opbrengst. En waarschijnlijk stoppen ze er ook wat eigen ervaring in.
Dus dat netwerk dat je voorstelt, daar gebruiken zij de weer-meetstations voor. En de historische wind zit in de dagelijkse opbrengst data van de deelnemende windmolens.
In Spanje voeden ze al een variabel deel windstroom in dat oploopt tot 40%. Dat is real time te volgen op een website
April 13th, 2009 at 9:24 am
Hier is een link naar de Ree website uit Spanje, waar ze in real time tonen dat de variabele hoeveelheid windstroom zo ingepast kan worden in het Spaanse net.
Op dit moment is het 24% en gisteravond was het 33%. Ze tonen met een taartdiagram de verhoudingen in soorten stroombronnen. Als je met de muis over de grafiek gaat, zie de de variatie langs komen.
Facinerend dat Spanje het gewoon doet, terwijl onze energiebedrijven zo hangen aan hun smerige kolencentrales.
April 15th, 2009 at 10:11 am
hallo
Als eerste wil ik je bedanken voor het mooie artiekel hierboven. Echter is er iets wat ik niet kan terug vinden in jou verhaal namelijk:
waarom zouden energie bedrijven hun gas/kolen centrales laten draaien als deze geen energie kunnen leveren en voordat een centrale opgestart is duurt het wel even. Dan heb je toch geen buffer meer ??
April 15th, 2009 at 10:38 am
Hallo Gideon,
op het moment dat energiebedrijven geld kunnen verdienen met hun centrales, zullen deze draaien. Als de elektriciteitsprijs laag is (lage vraag en/of veel wind), staan alleen de goedkoopste of de must-run centrales te draaien, als de prijs hoog is (hoge vraag en/of weinig wind), staan ook de duurste centrales te draaien. Het is met veel windenergie wel zo, dat de prijzen vaker laag zijn. Hierdoor zullen sommige centrales vaker uit staan. Dit effect is ook meegenomen in het simulatieprogramma dat ik heb gebruikt: dit programma berekent op elk moment van elektriciteitsvraag en windenergie wat de meest goedkope combinatie is van centrales.
June 2nd, 2009 at 12:06 am
Tijdens de daling van verbruik, zou m.b.v. een oude techniek die nog steeds voor electrische boilers gebruikt wordt (de TF-onvanger), toegepast kunnen worden om bijvoorbeeld de electrische voertuigen op te laden. (extra TF puls schakelt deze groep in)
Ik erger me laatst trouwens weer eens aan de ongefundeerde en ongenuanceerde uitlatingen van Simon Rozendaal; volgens hem kost een windmolen miljoen, levert een auto meer energie en moet het maar eens afgelopen zijn met de subsidies: http://video.reedbusiness.nl/elsevier/index.php?id=1629&publisher=elsevier&category=elsevier;
Het verhaal dat hij over Denemarken afsteekt klopt ook voor geen meter. Denemarken verbrandt namelijk afval en wekt hiermee stroom op. Ik kom vaker in Denemarken en herken niets van de sik die de Denen volgens betweter Simon zouden hebben, in tegenstelling zelfs.
Simon zou een wetenschapper en journalist zijn, het lijkt er eerder op dat hij aandelen in olie heeft. Van onderzoek heeft hij blijkbaar niet gehoord.
June 14th, 2009 at 10:42 am
Elsevier is de clowns-afdeling van de nederlandse opinie bladen.
Mensen die geld verspillen aan dat blad, willen graag voor de gek gehouden worden.
June 23rd, 2009 at 9:53 am
Bart, wat is je @? Ik zou graag je mening hebben over een schijnbare controverse inzake je proefschrift. Je @ naar de TU krijg ik onbesteld retour en telefoon wordt niet opgenomen.
Groet, Emil Möller
0651860992
July 15th, 2009 at 10:21 am
Elsevier is jammer genoeg afgezakt naar het niveau van de Amerikaanse televisiezender Fox.
October 29th, 2009 at 1:36 pm
Hallo Bart,
Dank voor je interessante artikel. Hoewel je concludeert dat opslag niet snel nodig is vroeg ik me af of het economisch desondanks interessant zou kunnen zijn. Heb jij een idee over het Economische effect kan zijn van opslag (bijvoorbeeld in een paar honderdduizend elektrische voertuigen over 10 jaar)?
Groet,
joris
October 30th, 2009 at 11:42 am
Hallo Bart,
Zeer interessant artikel!
Toch denk ik dat het in de toekomst heel goed mogelijk zal zijn om elektriciteit op een efficiënte manier op te slaan.
De huidige accu technologie acht ik daar niet erg geschikt voor, omdat er bij het laden en weer ontladen van accu`s altijd wat verlies zal optreden.
Maar de ontwikkeling van de super condensator lijkt mij veelbelovend.
Als dat werkelijkheid wordt, dan zal opslag zeer efficiënt worden, en pas dan zou het zelfs mogelijk kunnen zijn om voor 100% op wind, zon, water en bio energie te draaien.
Misschien is het een interessant gegeven, dat elektriciteit dan ook niet meer over grote afstanden getransporteerd hoeft te worden, of in ieder geval minder dan waar nu soms sprake van is.
Groet.
Arnold
February 23rd, 2010 at 2:44 pm
Hallo
Volgens mij is dit een mogelijk scenario. Op het net wordt beweerd dat de energie meestal gewoon wegloopt omdat het systeem er niet voor is ingericht en de windmolens als “Subventionsleichen in het landschap staan”. Wie en waar wordt de waarheid van nu gesproken?
Tamme Katuin