De invloed van elektriciteit uit wind op fossiel brandstofgebruik.

clepair@casema.nl
kenjdegroot@mac.com

Samenvatting

Windmolens produceren elektriciteit, die aan het net wordt geleverd. Variaties in de windsterkte doen de productie wisselen. Conventionele centrales vangen die wisselingen op. Dat gaat ten koste van hun rendement. Gebruikmakend van de ‘CBS Statline’ gegevens is een schatting gemaakt van het ‘omslagpunt’. Dat is het punt, waarbij rendementsvermindering bij de conventionele elektriciteits­productie de brandstofbesparing van windmolens te niet doet en de uitstoot van CO₂ omslaat van minder naar meer. In Nederland in 2007 is dat het geval bij een rendementsvermindering  van ~ 2%. De Nederlandse overheid hanteert voor de berekening van de brandstofbesparing van windturbines een verkeerde formule. De Tweede Kamer wordt niet goed geïnformeerd.
Ook de brandstofkosten van de initiële installatie van de molens zijn substantieel.

Algemeen

In een vorig artikel¹ schatten we de reductie van de brandstofbesparing van stroom uit wind op basis van een aangenomen, zeer gunstig, rendement van moderne centrales en van de windpenetratie in Duitsland, waar die het verst is voortgeschreden. Voor Nederland beschikken we dankzij het CBS over gedetailleerde actuele gegevens, waardoor schatting mogelijk is op basis van de feitelijke situatie.
Koppeling van windparken aan het stroomnet vergt extra capaciteitsregeling van de overige leveranciers om fluctuaties in de wind op te vangen. Wij noemen die anderen: 'conventionele producenten'. Zonder windparken zouden die een bepaalde hoeveelheid elektriciteit, E, leveren, overeenkomstig de vraag. Dat zou een hoeveelheid F aan fossiele brandstof vergen. Het rendement is dan

R = E/F

(1)

Indien de windparken een hoeveelheid elektriciteit E_w produceren, zullen bij een gelijke vraag de conventionele centrales E - E_w aan het net leveren. De redenering omtrent de brandstofbesparing, ΔF, die overheid² en publiek hanteren, is: die conventionele centrales zullen nu

F - ΔF = ( E - Ew) / R

(2)

aan brandstof gebruiken, met ΔF = E_w/R. Dienovereenkomstig brengen zij een daarmee corresponderende kleinere hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer. Dit is onjuist. De windenergie komt niet op bestelling. Die fluctueert. Bijgevolg moeten de conventionele producenten hun installaties vaker omhoog en omlaag regelen. Ook zullen ze vaker in ‘deellast’, d.w.z. beneden hun ontwerpcapaciteit draaien. Daarmee daalt het rendement tot R - ΔR. Het brandstofgebruik in de toestand met wind wordt dus:

F - ΔF = ( E - Ew) / ( R - ΔR )

(3)

en de 'winst', ΔF is:  

ΔF = F - ( E - Ew) / ( R - ΔR )

(4)

ΔF kan dus ook negatief worden. In dat geval spaart de windinbreng geen brandstof. Zij zou integendeel, brandstof kosten en extra CO₂ doen uitstoten. Het omslagpunt ligt bij ΔF =0. Dan wordt door (1) in (4) in te vullen:  

E/R = ( E-Ew) / ( R- ΔR )

En dus

ΔR = Ew*R/E

(5)

Bij een rendement van R = 50% en 5% van de elektriciteit uit wind is zo het omslagpunt bij een rendementsverlies van ΔR = 2,5%. I.h.a. geldt voor het omslagpunt dat het rendementsverlies

(ΔF = 0 als) ΔR = aR

(6)

moet zijn. Hierin is

a = Ew/E,

(6a)

de fractie windelektriciteit op de totale productie. Merk op, dat de 'duty factor' van de windmolens - de fractie van het gemiddeld vermogen in het jaar van dat op de 'naamplaat' - er niet in voorkomt.

De werkelijkheid

Treedt een rendementsverlies van die grootte op? Wij konden daarover geen gegevens vinden. Eerder noemden wij het een goed bewaard geheim¹. Wij ontvingen toezeggingen van onderzoekers, die ons informatie zouden sturen. Tot nu toe hebben we die niet gekregen. Elektriciteitsproducenten, behalve EPZ, bleven op onze vraag het antwoord schuldig. Wel hebben wij toezeggingen, dat men er naar zal kijken.
F. Udo³ heeft op grond van prestatiegegevens van diverse productie-eenheden schattingen gemaakt, die uitkomen op verwaarloosbare besparingen. Hij neemt ook de technische inpasbaarheid op de korrel.
B. Chr. Ummels⁴ ziet in zijn proefschrift op dat punt geen problemen zelfs bij een toekomstig windvermogen van 12 GW. Udo wijst er op, dat volgens Ummels’ eigen berekeningen ( fig. 2.12 ) dan gedurende helft van het jaar hetzij de windmolens, hetzij de basisopwekking zou moeten worden stilgezet (!). Het laatste vernietigt de leveringszekerheid. Udo raamt het gemiddelde rendement van het bestaande generatorenpark in Nederland op 50%. Het feitelijk rendement ligt in de buurt van 43,5%, zie onder. Vergelijking indiceert hoe groot de invloed van variatie en deellast op het rendement is. Een rendements­verlies van 2% t.g.v. de fluctuaties in het windaanbod is daarom allerminst onredelijk. Het gevolg is dan wel, dat er geen brandstofbesparing en geen vermindering van CO₂–uitstoot  plaatsvindt.
J. Soens in België⁵ berekent – op de zelfde wijze als Ummels – een maximum voor de windbijdrage (700 MW, 17 x zo weinig als Ummels' streefvermogen), waarna verdere besparing qua brandstof en CO₂-uitstoot contra productief wordt.
Voorjaar 2009 verscheen een rapport van een Delftse groep⁶, waarin het rendementsverlies aan de orde werd gesteld, maar niet gekwantificeerd.
Kent Hawkins⁷ publiceerde onlangs een studie gebaseerd op de technische karakteristieken van gasgeneratoren, die voor de ‘back up’ worden gebruikt. Zijn conclusie luidt: “The general conclusion is clear: industrial wind power does not produce the claimed benefits of reductions in fossil fuel consumption and CO₂-emissions when up-and-down backup generation inefficiencies are taken into account.”
W. Katzenstein & Jay Apt⁸ adresseerden de uitstoot van CO₂ e.a. als gevolg van snel op- en afregelen van aardgas gestookte generatoren. Hun werk houdt geen rekening met noodzaak van vervanging van traag reagerende, maar efficiënte generatoren (rendement tot 58%) door snel stuurbare eenheden met een lager (ca. 30%) rendement. Toch leidt volgens hen ook alleen al het snelle op- en afregelen van de aardgasgestookte eenheden tot een lagere (75% - 80%) besparing van CO₂-emissie dan de door de overheid verwachte. (CO₂-emissie is vrijwel evenredig met het brandstofgebruik.)
De Ministers van Economische Zaken en van Milieu e.a. antwoordden op 10 februari  2010 op vragen uit de Tweede Kamer o.a.: "Bij aanbod van elektriciteit uit windmolens, zullen conventionele centrales terug­regelen, zowel in vermogen, in brandstofgebruik als in CO₂-uitstoot, om ruimte te maken voor de windenergie. Per saldo heeft dit een sterk positief effect op de reductie van de CO₂-uitstoot.”  Elders in hun antwoord melden ze op grond van “geverifieerde” cijfers, dat als een Nederlandse conventionele centrale 1/3 terug moet regelen, de centrale 31,6% minder CO₂ uitstoot. Hoe de cijfers werden ‘geverifieerd’, geven ze niet aan. Dat kan ook niet, want in het door hen geciteerde rapport⁶ staan die cijfers niet. Een simpel getallenvoorbeeld van een bestaande, snel regelbare, moderne centrale (STEG), waarvan de prestaties bekend zijn, leert dat bij een reductie van die orde het rendement daalt van ca. 55% naar 40%. Dan is de brandstofbesparing gelijk aan nul, net als de vermindering van de CO₂-uitstoot! Bij de verificatiepoging van het departement is dat ook zo medegedeeld. De Kamer heeft dus een verkeerd antwoord ontvangen. Misschien zou ze dat zelf eens bij de betrokken onderzoekers kunnen navragen?
(Intussen stelde de heer De Mos nieuwe vragen, die in maart werden beantwoord. EZ blijft bij zijn verkeerde rekenwijze. Wel erkent het ministerie nadrukkelijk het optreden van rendementsverlies¹⁴.)

Het blijft niet bij woorden, als windmolens verdedigd moeten worden. Zo renoveerde NUON bij Velzen een stel verouderde gasgestookte generatoren om de snelle capaciteitswisselingen op te kunnen vangen⁹. Udo³ geeft daarvan een aardige analyse. Wij houden dus installaties met een hoog verbruik (en dito CO₂-uitstoot ) in plaats van dat we door modernisering het verbruik en die uitstoot verminderen.

Nederland

Nederland heeft diverse stroombronnen. Hun aandeel in de elektriciteits­voorziening verschilt. Sommige gebruiken fossiele brandstof, andere niet. Een samenvatting, ontleend aan CBS Statline, staat in tabel 1. E_i, F_i en R_i staan in die tabel voor resp. de deelproducties, -brandstofverbruiken en –rendementen van de verschillende types stroomleverancier. Wij kijken naar de meest recente cijfers (2007), die het CBS in november 2009 als ‘gecorrigeerd’ presenteert. E_i, F_i en R_i van de tabel zijn niet allemaal dezelfde grootheden als in bovenstaande formules. Daar zijn E en F de veronderstelde productie en het bijbehorend brandstofverbruik, indien er geen windturbines aan het net zouden zijn gekoppeld. De CBS-cijfers van 2007 beschrijven de situatie mèt ingekoppelde windstroom.

Elektriciteitsproducenten leveren niet slechts elektriciteit. Een deel levert ook warmte voor verwarming en processen ( warmte kracht koppeling – WKK ). Voorzover dit gebeurt door elektriciteitcentrales is er, naar wij aannemen, geen beperking bij op- en afregelen van de elektrische opwekkingscapaciteit. De centrales kunnen hun warmteleveringsafspraken ook bij gereduceerde elektriciteitsproductie wel nakomen. Bij de decentrale WKK ligt dat anders. Daar is de operatie meestal gestuurd door de warmtebehoefte. Zonder specifieke gegevens is niet te zeggen, of die decentrale levering ingezet kan worden bij het op- en afregelen bij plotselinge veranderingen in de vraag naar elektriciteit.
In hoeverre de buitenlandse in- en uitvoer van elektriciteit meegestuurd kan worden door op korte termijn verhoogde, of verminderde behoefte, is ons evenmin bekend. Anders gezegd: wie bepaalt wat elk moment over de grens gaat? Nederland of het buitenland?
De CBS-cijfers stemmen i.h.a. overeen met onze eigen globale schattingen. Alleen bij het fossiele brandstofgebruik van decentrale, niet WKK, opwekking plaatsten wij een vraagteken. Wellicht gebruiken deze installaties ook andere, niet-fossiele bronnen? Omdat die bijdrage op het totaal niet groot is, beïnvloedt dit de onzekerheid van de resultaten niet veel.

Wij zullen de berekening van de rendementsverandering uitvoeren met verschillende aannames. Allereerst moeten de CBS-gegevens, waar dat relevant is, worden teruggebracht tot die in de oorspronkelijke formule. We willen weten hoe groot het rendementsverlies tengevolge van bijregelen om windelektriciteitsproductie te accommoderen zou moeten zijn bij het omslagpunt. D.w.z. het punt waarbij ΔF = 0. Dat is de toestand waarin de windmolens geen brandstof meer sparen en de CO₂–uitstoot niet verminderen. Het verbruik F uit de bovenstaande formules (1) tot (5) is uiteraard bij  ΔF = 0 gelijk aan het door het CBS opgegeven brandstofgebruik. Voor E uit de formules moet, behalve waar het cijfer toch de windstroom al omvat, E_i worden vermeerderd met de opbrengst van de windturbines. Daar is:

In het totale aanbod is het saldo van invoer en uitvoer opgenomen, terwijl daarvoor geen fossiele brandstoffen in Nederland zijn gebruikt. Dat geeft uiteraard een hoog rendement. De in- en uitvoer kost alleen geld. Maar daarover hebben we het nu niet.
De nationale productie bevat ook de duurzame component. Hoewel die waarschijnlijk niet hoeft mee op- en af te regelen met de windfluctuaties.
De nationale productie inclusief wind maar zonder de overige duurzame stroom zou vermoedelijk de meest wenselijke constellatie voor de opvang van de windfluctuaties in het land zijn, indien zoiets organisatorisch met de talloze leveranciers, die hun eigen instantane energiebehoeften hebben, te regelen zou zijn.
In de regel ‘nationale productie inclusief wind, doch zonder overige duurzame stroom en zonder decentraal WKK’ is verondersteld, dat die decentrale installaties niet betrokken zijn in het proces van op- en afregelen om de fluctuaties in de wind te op te vangen.
De elektriciteitcentrales zijn de meest voor de hand liggende producenten om de spanning en de frequentie van het stroomaanbod te reguleren.
Dezelfde centrales maar zonder de nucleaire.
De centrale in Borsele heeft tot nu toe niet hoeven op- en afregelen om wind fluctuaties op te vangen, omdat zij door haar lage variabele kosten vollast blijft draaien zolang de elektriciteitsvraag groter is dan de zgn. 'must-run'-opwekkingscapaciteit¹⁰. Zij verhoogt het fossiel-rendement van het totaal van de centrales incl. wind met  ~ 2,6%. Het omslagpunt wordt nauwelijks beïnvloed.

Discussie

We zien hier hoe gering de rendementsdaling bij de conventionele stroomproductie, als gevolg van de inkoppeling van de windturbines, maar hoeft te zijn, om het omslagpunt te bereiken waarop geen brandstof wordt bespaard of CO₂ uitstoot verminderd. Mocht het rendement als gevolg van de variabele wind nog verder afnemen, dan vergroten de molens het fossiele brandstofverbruik. Er wordt dan ook meer CO₂ uitgestoten dan zonder windmolens het geval zou zijn.

Wij herinneren er aan, dat voor de bouw en opstelling van windmolens en hun onderhoud eveneens fossiele brandstof nodig is. Het constructiemateriaal en de fundering vergen energie. Bij een windmolenpark behoort een conventionele elektriciteitsfabriek met een vermogen gelijk aan het maximum van de opbrengst van de windinstallaties. Bij een windpark met een duty factor van 25% is dat een fabriek met een vermogen van vier maal dat, wat behoort bij de opbrengst van het windpark. Een kritische analyse van de terugverdientijd van alle erin gestoken fossiele brandstof zou het onderwerp van een ander artikel kunnen zijn. Onze voorlopige schatting, waarbij wij dankbaar gebruik maken van gegevens van J.v.Oorschot¹³, is dat het tenminste 1,5 jaar duurt voor een windgenerator de energie-investering terugverdient. 1,5 Jaar is een uiterst optimistische ondergrens. Er is dan nog geen rekening gehouden met de energiekosten van de bouw van 'back-up' installaties, de extra transportlijnen, transformatoren, omvormers e.d. (De Nederlandse Gasunie maakte in het TV-nieuws in december 2009 bekend, extra gasleidingen te zullen aanleggen, o.a. omdat ‘de windelektriciteit zoveel extra gas vergt’.) Om op die uitkomst te komen is bovendien gebruik gemaakt van de opbrengstschatting van het ministerie van Economische Zaken, die wij in dit artikel verwerpen. Daarnaast moet ook nog worden gecorrigeerd voor de energiekosten van het onderhoud i.h.b. dat 'off shore'. Ook is niet verdisconteerd, dat bij uitval 'offshore' vaak gewacht moet worden op weinig wind.

Het is denkbaar, dat de rendementsvermindering de producenten niet opvalt. De bijdrage van windelektriciteit is relatief gering. In Nederland in 2007: 3,3 % van de totale nationale productie. (De daarvoor benodigde conventionele bijregelcapaciteit is ~ 4x zo groot.) De windbijdrage is geleidelijk gegroeid. Het rendementsverminderingseffect is dus ook geleidelijk toegenomen. In diezelfde periode zijn er ook conventionele installaties vernieuwd. Nieuwere hebben een hoger rendement dan hun voorgangers. Dat maskeert de negatieve invloed van de windinstallaties. (STEGs kunnen tegenwoordig een rendement van ~ 60% halen, al duurt het wel ca. een uur vanaf de start voor zij op ontwerpvermogen met dit hoge rendement werken; zolang de stoombijdrage niet op dreef is, zijn het laagrendements, 25 à 30% - gasturbines.)
Bijgaande figuur (1) geeft een beeld van de variatie in het rendement van onze elektriciteitsproductie m.b.v. fossiele brandstof over de periode 1998 – 2008. (CBS-cijfers voor 2007 & 2008 zijn nog ‘ongecorrigeerd’. Er is een verschil tussen de cijfers van de ene en de andere tabel.) Het rendement is dus zeker geen vaststaande grootheid. Het kan pas na afloop van een jaar worden berekend en zonder nadere gegevens van de producenten blijft de oorzaak van de variatie verborgen.

Figuur 1

Rendement van fossiel gestookte centrales &
hoeveelheid met wind geproduceerde elektrische energie.

In het vorige artikel¹ gingen wij na, wat de brandstofbesparing door de windinzet zou zijn bij verlaagd rendement. Daarin keken wij o.a. naar het effect op het totale fossiele rendement van een verlaging van het rendement van het deel van de conventionele centrales dat minimaal als back-up dient voor de windturbines. De rest van de conventionele generatoren zou dan 'normaal', d.w.z met het rendement bij afwezigheid van windelektriciteit kunnen werken'. In die redenering is

E = Ew + Ebu + En

(7)

(E_bu - elektriciteit geproduceerd door back-up eenheden, E_n  - elektriciteit van de ongestoord werkende idem; het rendementen voor back-up is R_bu.) Het brandstofverbruik bij inkoppeling van windelektriciteit, zie formule (3) is nu gelijk aan de som van dat van de 'gestoorde' en de 'ongestoorde' conventionele productie.

(E - Ew) / (R - ΔR) = Ebu / Rbu + En / R

(8)

Indien de 'duty factor' van de windgeneratoren b is, moet tenminste een conventionele vermogen 'stand by' of 'spinning' paraat zijn, dat in een jaar E_w / b zou kunnen leveren. (Het produceert jaarlijks slechts E_w / b - E_w.) Daar E_w = aE, is:

Ebu = aE(1 / b - 1)

(9)

En = E - aE - aE(1 / b - 1)

(10)

Substitutie van deze betrekkingen in (8) levert voor het omslagpunt (geen besparing), waar ΔR = aR:

(ΔF = 0 als) Rbu = R(1 - b)

(11)

Deze grenswaarde van de back-up eenheden is dus onafhankelijk van de fractie windgeproduceerde elektriciteit, maar wel direct bepaald door de 'duty factor'. In Nederland in 2007 was a = 4,63%. Wij gaan uit van een duty factor (windmolenopbrengst) van 25%. Nederlandse windeenheden zijn efficiënter dan de Duitse, dankzij de gunstiger geografische positie. (In Duitsland was die factor gemiddeld ~ 17% met variaties van 14% tot 21% tussen verschillende jaren.).
Het omslagpunt ligt dus steeds bij R_bu = ~ 34%.

Hieruit blijkt, dat bij een bijna onzichtbare, want in de ruis wegvallende, rendementsvermindering van het totaal, ΔR, het deel van de centrales, dat als back-up functioneert met de nevenstaande gereduceerde rendementen draait. Of omgekeerd dat bij de aangegeven back-up rendementen de corresponderende ΔR van het totaal conventioneel vermogen behoort. In het geval dat  alle back-up geleverd zou worden door open gas turbines met een rendement  van 25 à 30% ( het voorbeeld van NUON ) zouden we volgens tabel 3 in 2007 en bij twee keer zoveel windelektriciteit voorbij het omslagpunt zijn, zodat de windturbines geen brandstof sparen en de CO₂-uitstoot niet verminderen. In tegendeel zij zorgen dan in de operationele fase voor een verhoogd brandstofgebruik en navenant meer CO₂-uitstoot. Van ‘terugverdienen’ van de extra brandstof, die nodig was voor het maken en opstellen van de molens plus de aanvullende installaties en uitbreidingen van het elektriciteitsnet is dan uiteraard helemaal geen sprake.
Deze conclusie is onafhankelijk van het windaandeel. Bij een n-keer zo groot windvermogen ligt het omslagpunt bij gelijke duty factor en gelijke totale jaarproductie (NB. de conventionele productie lager) ook altijd bij R_bu= ~ 34%. (Bij 9,2% windelektriciteit maakt de 'stand by' cq. 'spinning reserve' dan al ~40,8% uit van het totale conventionele vermogen (!).)

Wij hebben nagegaan, met formule (4), wat de brandstofbesparing bij de 0,39 GWyr windelektriciteit productie van 2007 is voor verschillende waarden van ΔR. En dat voor de meest voor de hand liggende configuraties, die de ‘back up’ kunnen verzorgen. De besparing, ΔF in GWyr is getekend in figuur 2.

Figuur 2

ΔF [GWyr]

We zien dat bij een geringe rendementsvermindering van de conventionele productie als gevolg van de dwang tot op- en afschakelen, cq. op laag vermogen draaien, tengevolge van de variabiliteit van de wind, in alle constellaties de brandstofbesparing bij ~ 2% rendementsvermindering van alle conventionele centrales tezamen  verdwijnt.

Conclusie

Inzet van windvermogen met de verplichting tot opvang van de fluctuaties door de centrales gevoed met fossiele brandstof kan al snel leiden tot verlies van de verwachte besparing aan fossiele brandstof en CO₂ uitstoot. Daarnaast zullen de centrales die de fluctuaties moeten opvangen sneller slijten.
Het verdient aanbeveling om, voordat tot grootschalige en dus kostbare inzet van windenergie wordt overgegaan, een goed en nauwkeurig inzicht te krijgen in deze extra lasten. De producenten zullen gegevens over rendementsverandering en de energetische gevolgen van genoemde slijtagelasten in de openbaarheid moeten brengen.
Het vinden van economische en brandstofsparende opslagmethoden is een noodzakelijke voorwaarde voor grootschalige inzet van de windenergie voor de productie van elektrische energie.
Wellicht rendeert zelfs het contra-intuïtieve inzetten van windenergie voor warmteproductie in Nederland beter dan voor elektriciteitsproductie (!). Omdat water door zijn hoge soortelijke warmte een prima buffer medium is.

Nieuwegein/Leidschendam
Herzien en aangevuld:
1. Noot 12, 2010 04 18.
2. Noot 7, 2012 04 27.

Referenties & noten.