De besparing van brandstof en CO₂ uitstoot
door Windenergie.

1.   Inleiding
De vraag hoeveel brandstof en CO₂ uitstoot windmolens sparen is vaak besproken met sterk van elkaar verschillende conclusies. Dat komt doordat praktijk gegevens nodig voor een harde berekening vrijwel geheel ontbreken. In dit artikel zullen wij, tenzij het nodig is preciezer te zijn – gas en steenkool verschillen in CO₂ uitstoot per eenheid geleverde warmte – doen alsof brandstofbesparing en uitstoot vermindering gelijk opgaan. De regering rekent in overeenstemming met EU-afspraken alsof elk kWu windstroom de brandstof spaart van een kWu fossiel opgewekte stroom. Minister Kamp en zijn voorganger Verhagen geven toe dat het wellicht 3% minder zou kunnen zijn door verliezen¹. Een eerdere voorgangster, mevrouw Van der Hoeven, bekende de Tweede Kamer dat 5,1% van de besparing verloren ging². De heer Herwicker, een molenfan van KEMA (thans DNVGL), een instelling die het voor de overheid uitzocht, gaf toe: “Het verlies… is misschien 10% van de CO₂ winst die je boekt.”³ P. Lukkes⁴ noemt een verlies van 25%. Dat is door Minister Kamp weersproken in een brief aan de Tweede Kamer dd. 23 april 2014.

Andere studies in binnen- en buitenland melden nog andere percentages. Buitenlandse uitkomsten mogen alleen, zoals wij hieronder in dit artikel hebben gedaan, onder voorbehoud worden gebruikt. Tussen de officiële 0% verlies van de EU, de 3 of 5% van EZ, de 10% van KEMA, de 25% van Lukkes en de 100% berekend door een van ons (ClP)⁵ ligt een alarmerend verschil. Alarmerend omdat de investeringen voor de molenbouw geen onmisbare bijdrage leveren aan de stroomvoorziening. Wij geven twee voorbeelden om deze stelling te illustreren.

1. Gedurende een aantal weken per jaar is de stroomproductie uit windmolens in heel West Europa nul of ten hoogste enkele procenten van het nominale vermogen. Dit is tot nu toe in de publieke discussie veronachtzaamd. De consument merkt het niet, omdat conventionele eenheden het gat vullen. Daarentegen is uitvallen van de stroom in een deel van het land voorpaginanieuws. Windstroom is niet gelijkwaardig aan klassiek opgewekte stroom. Zonder opslag biedt wind geen leveringszekerheid.
2. Zodra windenergie meer dan enkele procenten van de stroombehoefte dekt, daalt de stroomprijs als het hard waait. Hiervoor bedacht het Centraal Planbureau al in 2010 de naam profieleffect.

Uit belasting op stroom zal de overheid volgens het Energieakkoord de windindustrie voor geleverde stroom uit zee 18 miljard Euro exploitatiesubsidie verstrekken. Dat is niet het enige, want in dit bedrag zitten niet de al aangegane verplichtingen ten bedrage van € 5,5 miljard voor bestaande en al aanbestede windparken op zee. Deze bedragen zijn nodig om de particuliere investeringen in windenergie een gegarandeerd rendement te bieden. Het is meer dan de Betuwelijn, de hogesnelheidslijn en de JSF vliegtuigen samen kosten⁶.
Bij zulke bedragen is het essentieel te weten in hoeverre het besparingsdoel gediend wordt. Men kan van € 23,5 miljard ook op andere manieren nut hebben. En de besparingsdoelen zijn langs andere weg, zoals verhoging van de energie efficiëntie goedkoper te bereiken.
Merk op dat de maatschappelijke kosten van duizenden molens in het landschap in geen enkele kostprijsberekening worden meegenomen.

In dit artikel zullen wij daarom op basis van de nu aanwezige kennis berekenen wat Nederland mag verwachten van de brandstofbesparing en CO₂ uitstoot vermindering als gevolg van de molenbouw. Daarbij is het goed steeds de cijfers in de volgende tabel goed voor ogen te houden.

D.w.z. indien de molens zouden doen wat de regering verwacht, zullen zij een half procent van onze energie import en winning, of 0,8% van wat wij verwerken en verbruiken en 3,2% van wat wij aan energie gebruiken, gaan leveren. En voor die fractie zullen land en zee bezaaid zijn met molens. In de afgelopen jaren nam de efficiëntie waarmee wij met energie omgaan jaarlijks met ongeveer 1% toe. In een jaar besparen wij dus nu al meer dan de toekomstige molenproductie. Een miniem schepje er bovenop, zodat dit 1,05% wordt, is met wat overheidsstimulering reëel haalbaar. Daarmee zijn we in 2023 zonder molens even ver als met molens.
Kortom de windbijdrage volgens de officiële verwachtingen is futiel en zoals uit het navolgende zal blijken, is het in werkelijkheid nog minder.

Hieronder worden aan de hand van praktijkuitkomsten 3 effecten besproken, die de bijdrage van wind energie verminderen.

1. Niet inpasbaar overschot aan windstroom in periodes van veel wind.
2. Rendementsverliezen van bestaande centrales veroorzaakt door de bijdrage van wind energie.
3. Energie gebruikt om de turbines te bouwen, te plaatsen en aan te sluiten op het bestaande net.

1. Overschot aan windstroom.
Nederland verkeert in vergelijking met andere Europese landen in de meest ongunstige situatie. De enige techniek van stroomopslag die economisch verantwoord is, waterkracht, is hier niet beschikbaar om overschotten op te vangen. Projecten als OPAC en het Lievense/KEMA energie-eiland zijn nooit van de tekentafel gekomen. De tweede mogelijkheid, export van windstroom, wordt in de loop van de volgende 10 jaar afgesneden door de toename van windenergie in de ons omringende landen. De windsterkte in heel W Europa is sterk gecorreleerd. Dus als het in Nederland hard waait, dan geldt meestal hetzelfde voor de hele regio. Wanneer er 10,5 GW aan windmolens in Nederland staan, dan zullen wij de bijbehorende problemen zelf moeten oplossen. Tot die conclusie kwam ook de KEMA¹⁰.

Het probleem van de overschotten aan windstroom is al vroeg onderkend. De groep Windenergie in Delft heeft hier al in 2008 aan gewerkt. In februari 2009 meldde De Ingenieur in een bespreking van het proefschrift van Ummels⁹, dat grootschalige inpassing van windenergie geen probleem is. Dat is onjuist.
De powerduurcurves in figuur 1 zijn overgenomen uit het proefschrift met toevoeging van de horizontale lijn op 10 GW.

Figuur 1.

De bovenste curve is opgebouwd, door de vraag naar stroom voor ieder van de door TenneT in een jaar geregistreerde 8736 uren te rangschikken naar aflopende waarde. De curven daaronder zijn op dezelfde manier verkregen door de vraag naar stroom te verminderen met de windproductie in elk van de 8736 uur en daarna die punten weer te rangschikken naar aflopende waarde. De windproductie is uitgerekend door de windkracht gegevens van het KNMI van het jaar 2005 te vermenigvuldigen met de opbrengstkarakteristiek van een windmolen. Let wel: De methodiek maakt, dat punten die verticaal boven elkaar liggen niet a priori op hetzelfde tijdstip gemeten zijn.
Een basislast wordt in de figuur weergegeven door een horizontale lijn.

De vraag is nu: Hoe groot is het ‘must run’ vermogen van het Nederlandse ('fossiel' en nucleair gedreven) generatorpark? Dit is het minimum vermogen waaronder de stroomvraag minus windproductie niet mag zakken om de generatoren bedrijfsklaar te houden. Het antwoord van de windindustrie is: “Het minimum vermogen zal zover naar beneden gebracht worden als nodig om de verliezen verwaarloosbaar te doen zijn.”

Uit de grafiek kunnen de volgende conclusies getrokken worden:
● De horizontale lijn bij 10 GW geeft aan, dat bij 10 GW must run vermogen er aanzienlijke overschotten in windenergie zullen optreden.
● Integratie van de ‘12 GW wind’ curve onder de horizontale 10 GW lijn laat zien, dat in dat geval de ‘curtailment’ (= de niet plaatsbare productie) 40% is. Ofwel, dat 40% van de totale windstroomproductie niet ingepast kan worden in het Nederlandse stroomnet.
● Trekken wij de ‘must run’ lijn op 5 GW, dan is de curtailment bij 12 GW windvermogen minder dan 10%.
Het is moeilijk om het actuele must run vermogen te bepalen, omdat dit afhangt van de situatie op de stroommarkt. In opdracht van de energiebedrijven Delta, Essent, Eneco en Nuon en de Algemene Energieraad onderzocht de KEMA al in 2010 het inpassingsprobleem¹⁰. De conclusie was, dat bij 9 GW wind er 1,5 TWh (5,4 PJ) verloren gaat en bij 12 GW wind 5 TWh (18 PJ).
Lineair interpolerend is bij 10,5 GW het verlies 11,7 PJ. De jaarproductie van 10,5 GW windvermogen is volgens tabel 1 gelijk aan 104 PJ, dus het verlies komt op 11%.

In een studie van de Ierse elektriciteitsproductie¹¹ staat een grafiek gebaseerd op gemeten inpasverliezen als functie van het aandeel wind in het totaal:

Figuur 2.

Deze grafiek, gebaseerd op praktijkgegevens komt uit op 9 procent verlies bij een windaandeel van 25%. Hierbij moet worden aangetekend, dat Ierland over enige waterkracht beschikt. Dat is een goede buffer voor windfluctuaties. Dus de verliezen in Nederland zullen hoger zijn. Het must run vermogen in Ierland is uitgerekend uit de gegevens van EIRGRID en bedraagt 1,3 GW. De mix van fossiele brandstoffen is ongeveer gelijk aan de Nederlandse, maar in Ierland staat geen WKK vermogen. (WKK=warmte-krachtkoppeling, een efficiënte manier van stroom en warmteopwekking. Die is in gebruik in industriële bedrijven en de Nederlandse tuinbouw.)Het Nederlandse verbruik is 5 maal zo groot als het Ierse, dus bij gelijkblijvende omstandigheden is het must run vermogen in Nederland 5 x 1,3 GW = 6,5 GW. Hier komt bij de 0,7 GW van Borssele¹² en een gedeelte van de 7 GW WKK vermogen. Dit brengt het must run vermogen in Nederland op 8 tot 9 GW.
De conclusie is, dat de overschotten van windenergie in Nederland in 2023, wanneer de plannen zijn gerealiseerd tenminste 10% zullen bedragen.

2. Rendementverliezen veroorzaakt door de windbijdrage.
De meest directe manier om de CO₂ uitstoot te berekenen is door het brandstofverbruik van de centrales op te tellen. Helaas worden deze getallen niet gepubliceerd en voelt de regering niet de behoefte om op deze enige onomstreden manier het effect van wind energie te doen meten. Hierdoor moet elke beschouwing over de invloed van windstroom op het brandstofverbruik van de fossiel gestookte centrales uitgaan van indirect bepaalde getallen voor CO₂ productie ofwel brandstof verbruik.
De Ierse netbeheerder EIRGRID leidt het brandstofverbruik af uit de stroomproductie en het vermogensafhankelijk rendement van op constant vermogen werkende generatoren. De rendement vermindering ten gevolge van het op- en afregelen van fossiel gestookte generatoren is niet verdisconteerd in deze berekeningen evenmin als het brandstofverbruik van de draaiende reserve. De gebreken van die methode zijn al eerder besproken¹⁴. Er zijn vier studies afkomstig uit 3 landen, die de inpasverliezen berekenen uit praktijkgegevens. Het energieakkoord mikt op 25% windbijdrage, maar de studies hebben betrekking op gevallen met minder wind. De inpasverliezen nemen toe met de windbijdrage, dus de resultaten zijn ondergrenzen.

A. Spanje.
Guthierrez et al publiceerden over de inpassing van windenergie in het Spaanse energiesysteem¹³. Zij gebruikten de EIRGRID methode om het brandstofverbruik te berekenen. In 2011 was de windbijdrage in Spanje 14,7% van het totaal aan opgewekte stroom. Niet alle Spaanse centrales werden op- en afgeregeld om te compenseren voor de variaties in wind bijdrage. De daarvoor wel gebruikte centrales genereerden 62% van het totaal aan stroom, dus voor een vergelijking met Nederland dient het effect van de windbijdrage berekend te worden over dat deel van het systeem. De windbijdrage verminderde de productie van deze centrales met 28%. Uit de gegevens van Guthierrez et al kunnen de volgende getallen worden afgeleid:

Die vermindering is minder dan de besparing in CO₂ uitstoot volgens de verwachtingen indien alleen gas zou zijn gebruikt om de wind te balanceren.

B. Ierland.
De Ierse energieautoriteit, EIRGRID, geeft gedetailleerde numerieke informatie over de stroomproductie, per kwartier: de totale vraag, de CO₂ uitstoot, de fossiele productie en de windproductie. EIRGRID leidt het brandstofverbruik af uit de stroomproductie en het vermogensafhankelijk rendement van op constant vermogen werkende generatoren. Daaruit is het rendement van vervanging van fossiel door wind af te leiden. Hierover zijn twee publicaties verschenen, die beide de gegevens van 2011 gebruiken.
Udo¹⁴ laat zien, dat het rendement van de windbijdrage varieert van 40% tot 100% afhankelijk van de beschikbaarheid van waterkracht in het systeem. Het gemiddelde over het jaar 2011 was 70% in deze analyse, dus een verlies van 30% t.o.v. de EZ-EU rekenwijze.
Wheatley¹⁵ heeft een uitgebreidere analyse gemaakt van het Ierse systeem voor datzelfde jaar. Naast de EIRGRID data verzamelde hij die over het feitelijk brandstofverbruik van de producenten. In zijn woorden:
“Based on an emissions model and 1/2-hourly generation time-series for each grid connected thermal generator, it is shown that wind power saved 0.28 tonCO₂/MWh on average, relative to an average carbon intensity in the absence of wind of 0.53 tonCO₂/MWh.”
De relatieve opbrengst berekend uit deze analyse is 0,28/0,53 = 53%, dus een verlies van 47%. Dit getal is dichter bij de waarheid dan de 30% gevonden in ref. 14 dat is berekend met de EIRGRID data.

C. Colorado.
De BENTEK studie ‘How less became more’¹⁶ maakte gebruik van de officiële emissie gegevens van het EPA (Environment Protection Agency, vergelijkbaar met ons milieu ministerie) van voor en na de opbouw van het windvermogen en vergeleek die. De studie houdt rekening met het effect van im- en export van stroom over de staatsgrenzen. In dit geval van wind compensatie door kolencentrales blijkt de totale CO₂ uitstoot hoger met, dan zonder wind.

De conclusie uit deze studies is dat de brandstofbesparingen van 25% windstroom in een systeem zonder waterkracht en zonder significante exportmogelijkheid ten hoogste 50% tot 60% bedragen van wat tot nu toe in beleidsdocumenten wordt gesteld, als gevolg van rendementsverliezen.

3. De zelfenergie van windmolens.
De economische levensduur van een molen wordt door de SDE+ regeling op 15 jaar gesteld. De periode van terugwinning van de zelfenergie – de energie verbruikt bij de molenfabricage en plaatsing – moet daarmee vergeleken worden. De windindustrie geeft toe, dat een molen 6 maanden moet draaien om de zelfenergie terug te verdienen. Berekeningen gemaakt door auteurs met minder belang bij de windindustrie komen uit op hogere getallen.

1. Ir. J. van Oorschot, directeur R&D van Volker Wessels Stevin, betrokken bij de plaatsing van de molens, berekent dat het 1,5 jaar kost voor een molen zijn eigen energie heeft gegenereerd¹⁷.
2. F. Udo¹⁸ berekent, dat een molen met een capaciteitsfactor van 25% er 11,5 maanden over doet om zijn eigen energie op te wekken. Die berekening is gebaseerd op gegevens uit een studie gedaan in Sydney¹⁹.

4. Resultaat van deze besparingverminderingen.
De verliezen bij inpassing van 25% wind in het net zijn:
Stroomoverschot  -10%
Inpassing               -50%
Zelfenergie            -14%

Het stroomoverschot, de ‘curtailment’, is onafhankelijk van de andere twee, dus de totale windproductie neemt af met 10%. De rest moet ingepast worden, dus de brandstofbesparing is 0,5 x 0,90 = 0,45 van de totale productie. De zelfenergie komt ten laste van de brandstofbesparing na inpassing in het systeem. Zij is 14% van de totale productie, dus de volle 14% moet afgetrokken worden van de restbesparing.
Het resultaat is, dat na aftrek van de verliezen netto ten hoogste 31% van de totale productie als brandstof- c.q. CO₂ besparing overblijft. O.i. zijn daarom investeringen in grootschalige toepassing van sterk fluctuerende energiebronnen zonder energieopslag onverantwoord.

Voor een fractie van de kosten van het windavontuur in het energieakkoord zou met 0,05% meer energiebesparing dan de thans gebruikelijke van 1% ’s jaars meer besparing en minder CO₂ uitstoot worden bereikt.

5. Discussie.
In bovenstaande berekening zijn overal waar twijfel bestond waarden gebruikt die het gunstigst zijn voor de windindustrie. Bovendien zijn de volgende factoren niet meegenomen omdat gegevens ontbraken.

• De bouw en de plaatsing van de molens zijn niet de enige activiteiten en installaties die energie kosten. Ook de bekabeling en netaanpassing vergen een energie-investering. Daarbij komt nog dat het windavontuur uitbreiding van het gewone net vergt. Die activiteiten zijn zo veelomvattend dat men bijvoorbeeld in Duitsland er jaren mee achter is. Data ontbreken om hieromtrent een hard cijfer te noemen maar het is waarschijnlijk dat deze energie-investering in dezelfde orde van grootte is als die van de zelfenergie.
• Wanneer windmolens niet produceren vergt de erin aanwezige apparatuur wel stroom. Bij Duitse windparken op zee met ontbrekende netaansluiting, moesten daarvoor halsoverkop noodvoorzieningen worden getroffen. In hoeverre dit zelfverbruik in de productiecijfers is verdisconteerd is onbekend. In het beste geval verandert het niets aan onze uitkomsten, anders zouden die verder in ongunstige zin moeten worden bijgesteld.
• In verschillende studies is brandstofverbruik afgeleid van de elektriciteitsproductie en prestatiecurven van de generatoren. Dat betekent dat rendementsverlies tijdens het op- en afregelen niet is verdisconteerd evenmin als brandstofverbruik tijdens het draaien zonder productie om vlug inschakelen mogelijk te maken. Alleen indien voor het brandstofverbruik werkelijke input gegevens gebruikt zijn, vervalt dit bezwaar.
• De capaciteitsfactoren van de molens, 25% voor molens op het land en 40% op zee in de officiële verwachtingen zijn voor de beschouwde periode te optimistisch. Indien toekomstige molens op een gunstige locatie dat al ooit zouden halen, hebben we ook te maken met een deel oudere molens. Voorts staan molens soms wegens onderhoud stil. In 2010 was de capaciteitsfactor van alle bestaande Nederlandse molens samen 23%. Molens hebben voorzien en onvoorzien uitval en onderhoud. Hoe ouder ze zijn hoe vaker. Onlangs werd bekend dat het productieverlies per jaar - 1,6% +/- 0,2% blijkt te zijn²⁰. Deze factor vermindert de totale productie in de levensduur van 15 jaar met 10%. Aan het eind van die periode is die zelfs 22% minder (!).
• Windmolens vergen onderhoud dat ook energie kost. Dit zal vooral op zee beduidend zijn en per geleverde eenheid energie ordes van grootte hoger dan voor fossiele brandstof in centrales op het land vanwege de geringe energielevering per onderhoudslokatie in het geval van wind.
• De windstroom van zee moet over grotere afstanden getransporteerd worden dan bij conventionele stroom gebruikelijk is. Daarbij treden verliezen op zowel in de kabels als in de transformatoren. (Bij windstroom op land is het gunstiger.) Aan gelijkstroom transport kleven per kilometer minder transportverliezen, maar daar treden extra omvormerverliezen bij op (thyristors!).

Alles bijeen zal de feitelijke besparing niet uitkomen boven 30% van de verwachte. Hetgeen in 2023 de windbijdrage aan de Nederlandse energie import en winning tot minder dan 0,2% terugbrengt. Deze 0,2% is het soulaas dat de wind ons biedt wanneer onbetrouwbare leveranciers vervelend doen. Intussen ontsieren de molens dan overal het landschap, verlagen de waarde van onroerend goed, bemoeilijken de navigatie op zee en vergroten daarmee de kans op aanvaringen. De bereikte besparing is minder dan 0,3% van de energie die wij in Nederland verbruiken en verwerken²¹ en 1% van het eigen verbruik.

Conventionele bedrijven, die inspringen als de wind het laat afweten, zullen de kosten van het ‘stand by’ draaien niet meer kunnen opbrengen. Zij gaan die in rekening brengen, zoals aangekondigd door Peter Terium, CEO van RWE.
De prijs die de gemeenschap zal betalen voor besparing van fossiele brandstof en CO₂ uitstoot met windmolens is meer dan drie maal hoger dan beloofd.

2014 06 11.
herzien 2014 07 28.
abstract herzien 2014 08 19.
verwijzing 20 in tekst, 2014 09 24
verbeterde omschrijving grafiek
Power duration curves met dank aan
H.v.d.Voort. 2014 10 09