ene r g i e o p w e k k i ng Middelgrote windturbines Groter is niet altijd goedkoper Des te groter een windturbine is, des te goedkoper is de elektriciteit die er uit komt zou u denken, maar zeker bij windturbines op land heeft dat zijn grens, zowel logistiek als energetisch. Elders in de wereld, zoals op het eiland st. Helena in de Atlantische oceaan worden daarom middelgrote windturbines toegepast in plaats van grote windturbines. Middelgroot zijn alle turbines die te groot zijn voor een huishouden en te klein zijn voor een stad. Het is voorstelbaar dat ook in Nederland in de toekomst middelgrote windturbines geplaatst gaan worden. Het is een kwestie van tijd en rekenen. Auteur: Frits Ogg 8 energie & engineering nummer 3 • September 2014 Windturbines zijn in de loop van de tijd steeds groter geworden (figuur 1). De twee grootste parameters bij de opbrengst van windenergie zijn de windsnelheid en het rotoroppervlak. Omdat de hoeveelheid energie uit de wind toeneemt met een derde macht van de windsnelheid maal het rotoroppervlak (P = v3 x A) en het rotoroppervlak met een kwadraat toeneemt bij langere rotorbladen (A = π x r2) hebben windturbine fabrikanten steeds grotere turbines ontworpen. Ten opzichte van de extra investering in materiaal bij grotere turbines is de meeropbrengst aan elektriciteit veel groter. Elektriciteit uit windenergie wordt bij een grotere windturbine daardoor goedkoper. Om de elektriciteit uit windturbines concurrerend te maken met elektriciteit uit conventionele centrales, is het dus logisch dat windturbines steeds groter worden gemaakt. Tot enkele jaren geleden was het elektriciteitsnet centraal georganiseerd. Vanuit een grote centrale worden de megawatten verdeeld over het elektriciteitsnet. Windenergie wordt echter decentraal opgewekt en bij het groter worden van de windturbines, moet er lokaal ook steeds vaker een groter vermogen aan het elektriciteitsnet geleverd worden dan ooit voor mogelijk is gehouden. Lokaal moet het elektriciteitsnet daardoor zwaarder uitgevoerd worden om de grote hoeveelheid elektriciteit uit windenergie aan het elektriciteitsnet te kunnen leveren. Dat kost veel geld, vooral als de windturbines relatief afgelegen staan. Op die plekken is het net veelal niet berekend op het toevoeren van energie uit een grote windturbine. Veelal gaat het daarbij ook nog eens om gebieden die via lange elektriciteitsleidingen aangesloten zijn zoals in veel uitgestrekte gebieden in de wereld maar ook op sommige plaatsen in Nederland zoals bijvoorbeeld op de Waddeneilanden. Wordt er teveel elektriciteit lokaal opgewekt, dan wordt het elektriciteitsnet instabiel. Je krijgt dan bijvoorbeeld verstoringen in frequentie en spanning. Voor een dorp met een aanvoerlijn van 20 km voor de elektriciteit waar een grote windmolen moet komen, moet dan dus de volledige aanvoerlijn zwaarder gemaakt worden om de elektriciteit af te voeren. Dat is duur en daarom wordt er in een smart grid van uitgegaan dat zoveel mogelijk lokaal opgewekte elektriciteit ook lokaal gebruikt wordt. Met de huidige technologie ligt de grens van het invoeden op 300 kW. Zonder maatregelen is dan ook het aansluiten van een windmolenpark op een eilandnet of zwak net niet mogelijk. Tegenwoordig worden er in Nederland meestal turbines geplaatst met een vermogen van 2 à 3 MW en soms zelfs 7,5 MW. Bij een groot windpark met meerdere turbines kun je dan de transport kosten over meerdere turbines verdelen. In Nederland behoort – volgens een recent onderzoek van de Universiteit van Utrecht – een windpark met middelgrote windturbines bijvoorbeeld tot de mogelijkheden van een toekomstige energievoorziening van het Waddeneiland Vlieland. Figuur 1. Windturbines zijn in de loop van de tijd steeds groter geworden. Hindercirkels bij windturbines Wettelijk is bepaald waar windturbines aan moeten voldoen. Je kunt virtueel om de plaats van een windturbine een cirkel trekken waarin je last kunt hebben van hinder door geluid of slagschaduw of uit veiligheidsoverwegingen. Dat soort plekken zijn in Nederland schaarser dan elders in de wereld. Bij een kleinere turbine is deze cirkel kleiner en ontstaan er soms toch mogelijkheden voor windenergie op een locatie. Figuur 2. Grafiek cumulatieve kasstroom uit het voorbeeld. Dit voorbeeld is uitgevoerd met een WES turbine (www.windenergysolutions.nl). Buitenland Door het groter maken van windturbines om elektriciteit uit windenergie goedkoper te maken, krijgen we ook te maken met andere problemen. Sommige rotorbladen zijn langer dan 50 meter en de doorsnede van de mast kan groter zijn dan 4 meter. Zie dit soort grote objecten maar eens over de weg en onder viaducten op de plaats van bestemming te krijgen. En hebben we een locatie voor een windturbine, dan kan het aansluiten meer dan de turbine zelf kosten. In dat geval kunnen één of meerdere middelgrote turbines uitkomst bieden om toch duurzame elektriciteit uit windenergie op te wekken. Het is een kwestie van rekenen (zie kader). Kijken we naar het buitenland, bijvoorbeeld naar het eiland st. Helena in de Atlantische oceaan, dan kunnen we daar niet eens met een grote windturbine op het eiland komen, laat staan ze ter plekke verplaatsen. Op st. Helena is daarom gekozen voor 12 middelgrote windturbines van 80 kW van WES (Wind Energy Solutions). WES is de doorstart van de bekende fabrikant Lagerwey en nog steeds een Nederlands product. Op Aruba konden de turbines van ENERCON iets groter zijn maar toch niet groter dan 900 kW. De energievoorziening van St. Helena St. Helena is een eiland midden in de Atlantische oceaan. Het is vooral bekend omdat Napoleon er zijn laatste dagen heeft doorgebracht. Het is een oude vulkaan op de zeebodem met rondom 3000 km alleen maar zee. Het eiland heeft geen strand en de kust gaat steil omhoog. Grote schepen kunnen niet aanleggen en alleen kleine bootjes kunnen gelost en geladen worden. Het eiland heeft ca. 4000 inwoners. Op dit moment is het eiland alleen per boot bereikbaar, een reis van meerdere dagen. Het eiland had enkele dieselgeneratoren voor de energievoorziening. Enkele jaren geleden met de aanleg van een vliegveld in de planning, heeft men voor de vervanging van de bestaande diesels een << energie & engineering nummer 3 • September 2014 9 ene r g i e o p w e k k i ng aanbesteding uitgeschreven. Het gemiddeld gebruik op het eiland is 1 MW. Een grote windturbine ligt dus voor de hand. Om logistieke redenen gaat dat niet (je kunt geen grote onderdelen op het eiland krijgen en over het eiland vervoeren). Het eiland kent geen industrie, dus het elektriciteitsgebruik heeft in de avond een piek voor verlichting en juist in de avond is er een stevige bries op het eiland. Er stonden dan ook sinds 1998 drie Lagerwey 80 kW windturbines. Het lag vervolgens voor de hand om het aantal windturbines uit te breiden. In 2003 zijn er drie 80 kW Lagerwey’s bijgeplaatst. De vernieuwing van de elektriciteitsvoorziening op het eiland is op dit moment afgerond. Er staan nu drie nieuwe Caterpillar generatoren van ca. 2 MW (3516B’s voor de kenners) en één van 850 kW als reserve. Het vermogen is vergroot omdat het aan te leggen vliegveld straks veel energie zal vragen. Ook zijn er in 2013 nogmaals zes WES windturbines van 80 kW bijgeplaatst die zijn aangepast aan de eisen van deze tijd. Dit geldt ook voor de dieselgeneratoren. Als er een teveel aan elektriciteit uit windenergie is, wordt diesel uitgespaard door de generator van de stationair draaiende diesel als motor te bedrijven. De vliegwielwerking van de generator om het net stabiel te houden, blijft dan gewaarborgd en er hoeft geen diesel meer ingespoten te worden. De opbrengst Tot slot nog iets over de rentabiliteit van de windturbines op st. Helena. Eén WES80 windturbine op het eiland levert ca. 200.000 kWh per jaar en bespaart daarmee ongeveer 65.000 liter diesel per jaar. Afgezien van de bijdrage die de windturbines leveren aan de bijzondere natuur van het eiland, zijn de windturbines daarmee al na enkele jaren terugverdiend. Bonaire Nadat in 2007 een E-33/330 kW machine op het eiland is geplaatst heeft ENERCON in 2009 samen met lokale partners twaalf E-44/900 kW turbines gerealiseerd op Bonaire. Ook hier speelde logistiek een hoofdrol. Denk bijvoorbeeld aan de kraan. Dit systeem heeft ook een opslagsysteem voor elektriciteit om in noodgevallen het power management systeem van energie te voorzien. Het opslagsysteem kan 2 seconden lang 3 MW leveren. Voldoende voor de omschakeling van wind naar diesel of andersom. Met het power management systeem wordt continue de output van de windturbines gekoppeld aan het gebruik en de dieselgenerator. >> www.windenergysolutions.nl www.enercon.de/p/downloads/WB-0309-en.pdf http://slidesha.re/1eBwdZl Voorbeeldsituatie Nederland Dit voorbeeld gaat uit van een middelgrote windturbine in Nederland (80 kW), een ashoogte van 30 meter, een rotordiameter van 18 meter (254 m2 rotor oppervlak) en geplaatst bij een bedrijf met een basislast van 30 kW. Uitgaande van een levensduur van 20 jaar, zonder subsidiëring of stimuleringsmaatregelen, financiering van de helft van het aankoopbedrag en een looptijd van de lening van 10 jaar, komen we uit op een terugverdientijd van iets meer dan 6 jaar (zie figuur 2) wanneer de opgewekte elektriciteit volledig voor eigengebruik is. Bij het maken van de grafiek is uitgegaan van: Aanschafkosten 300.000 euro Bediening en Onderhoud 5.000 euro/jr Elektriciteitsproductie (7 m/s) 271 MWh/jr Elektriciteitsprijs 0,06 €/kWh (max. bij teruglevering 0,11 €/kWh incl. subsidie) Rente 5% Andere parameters die de case kunnen beïnvloeden zijn: • Aansluitkosten • Minder eigen gebruik opgewekte elektriciteit • Stimuleringsregelingen en subsidies • Vergoeding broeikasgassen reductie (BKG) • Fundering • Marketing/uitstraling (PR budget!) • Haalbaarheidsanalyse • Ontwikkelingskosten • Training beheerder(s) • Toename/afname brandstofkosten • Inflatie • 400 Volt trafo aanwezig met voldoende capaciteit (geen transmissiekosten) Bij volledig gebruik achter de meter wordt voor 100% op de reguliere elektriciteitsrekening bespaard (ca. 0,26 €/kWh over het eerste deel van de elektriciteitsrekening, daarna minder). Bij teruglevering aan het net wordt slechts 0,06 €/kWh (max 0,11 €/kWh incl. subsidie) ontvangen. Het is dus zaak de opgewekte elektriciteit zoveel mogelijk zelf – achter de meter – te gebruiken. energie & engineering nummer 3 • September 2014 11