Windturbine als elektriciteitsproducent!

Door: Jan van Tussenbroek.

Elektriciteitsverbruik in Nederland

Het elektriciteitsverbruik in Nederland neemt per jaar toe.Volgens cijfers van economische zaken hebben we met zijn allen het afgelopen jaar 108 miljard kWh verbruikt.In 2005 was dit nog 100 miljard, een toename van 8 % over 3 jaar of wel gemiddeld 2,3 % per jaar. Dit betekent een forse stijging, we staan hiermee op de 26^e plaats in de wereld rangorde.Bij 7 miljoen huishoudens en 3400 kWh/huish/jr is het totale huishoudelijk elektriciteit gebruik: 23,8 miljard kWh/jr. Hiermee namen de huishoudens in 2008 een deel van: 23,8 / 108 = 22 % voor hun rekening en industrie 78%.

Afspraken duurzame opwekking

In het kader van de klimaatverandering en de daarbij behorende CO2 uitstoot is afgesproken dat rond het jaar 2020 tenminste 20% van de elektriciteit duurzaam opgewekt moet zijn.Hiervan 9% door windenergie en de rest door andere vormen van duurzame opwekking zoals biomassa, zonne-energie. enz.Voor windenergie is dit ongeveer 10 miljard kWh.

Stoomturbines

Om te kunnen vergelijken moet men weten hoe de algemeen gebruikelijke manier van stroomopwekking werkt. De meeste elektriciteitscentrales wekken elektriciteit op met behulp van stoomturbines Een stoomturbine heeft een rotor met honderden dicht op elkaar staande schoepen. Een hoeveelheid stoom raast met geweld door de machine. De stoom procesvoering zorgt ervoor dat het afgegeven vermogen exact regelbaar is. Maar ook een waterkracht turbine ( Witte steenkool ) wordt aangedreven door vele duizenden kilo's water die met enorm geweld door de turbine stromen, ook dit proces is exact te beheersen.In Nederland en omringende landen zijn de meeste elektriciteitscentrales aangesloten op het 400 kV koppelnet. Via het transportnet en distributienet wordt de elektriciteit bij Uw thuis gebracht. De continuïteit hiervan is hoog te noemen met een gemiddelde stroomuitval van gemiddeld 20 minuten per jaar kun je zeggen dat we een betrouwbaar elektriciteitsnet hebben. Een belangrijke factor hierin is de nauwkeurig regeling van de onderling gekoppelde turbines.

Windturbine

En nu een windturbine als elektriciteit producent. Een windturbine wordt geacht, door de wind aangedreven elektriciteit op te wekken.Nu is bewegende lucht van atmosferische druk geen effectief medium voor het aandrijven van een krachtwerktuig. De windturbine moet zijn energie halen uit een energie-arm en vluchtig medium met een dichtheid van 1,293 kg/m3, dat zich bij windkracht 7 met slechts 54 km/uur voortbeweegt. De geleverde windenergie is evenredig met de derde macht van de windsnelheid , wat wil zeggen dat deze bij halve snelheid daalt tot 1/2 x 1/2 x 1/2 ofwel 12 procent. Het windvermogen dat wordt opgewekt, is afhankelijk van de windsnelheid, de luchtdichtheid en tevens de grootte van het oppervlak waarmee wind wordt opgevangen.Het vermogen wordt berekent uit: P_wind = 1 / 2 Rho V³ A ( hierin is Rho de eenheid voor luchtdichtheid, V= Windsnelheid, A = rotor oppervlak )Vervolgens hebben we nog te maken met de wet van Betz. Het onttrokken vermogen is het verschil in kinetische energie van instromende en uitstromende lucht per tijdseenheid.Volgens deze wet kan een windturbine maximaal 16/27 van het vermogen, oftewel ongeveer 59,3%, aan de wind onttrekken dit wordt aangegeven als C_p ( Prestatie coëfficiënt.) Het onttrokken vermogen is het verschil in kinetische energie van het instromende en uitstromende lucht per tijdseenheid. Hieruit volg de formule: C_p max = 16/27 * P_wind. U begrijpt nu hoe belangrijk de windsnelheid en het rotor oppervlak is voor de opbrengst.Een grote windturbine op zee heeft daarom een beter prestatiecoëfficiënt dan op land.

Productiefactor

Een windturbine kan door de variabele wind niet voortdurend het nominale vermogen leveren. De productiefactor is de verhouding van het daadwerkelijk gerealiseerde vermogen en het nominale vermogen.Deze productiefactor bedroeg in de afgelopen jaren afhankelijk van de windomstandigheden en het ontwerp van de turbine tussen de 18% en 30% op land tot 40% op zee.Moderne windmolens benaderen al het theoretisch maximale rendement zodat verbetering aan het ontwerp niet tot een aanmerkelijk grotere productiefactor zal leiden.

Werkingsprincipe windturbine

Een windturbine bestaat uit een rotor met twee of drie wieken of bladen. Die rotor is gemonteerd op een as en drijft via een tandwielkast een elektrische generator aan. De rotor zet bewegingsenergie van de wind om in een draaiende beweging van de as. Die beweging wordt in de generator omgezet in elektriciteit. De opgewekte spanning en frequentie variëren sterk door verschil in rotatie daarom wordt de opgewekte wisselspanning omgezet in een gelijkspanning. Van deze gelijkspanning wordt door een elektronische omvormer een stabiele 400 Volt wisselspanning gemaakt wordt met een stabiele frequentie van 50 hz. Deze 400 V wordt getransporteerd naar een transformator welke opgesteld staat beneden in de voet van de windmolen. De transformator zet de 400 V wisselspanning om naar 10 kV wisselspanning. Deze 10 kV wisselspanning wordt bij voldoende opbrengst automatische synchroon parallel aan het lokale 10 kV distributienet geschakeld.

Rendement windturbine

Buiten de genoemde derating die optreed in de overdracht van wind vermogen naar elektrisch vermogen wordt het rendement bepaalt door optredende interne verliezen in het windturbine systeem en transportnet. Tijdens het omvormen van generatorspanning treden verliezen op. ( AC- DC- AC ) Vervolgens treden er koper en ijzerverliezen op in transformator die 400 Volt omzet naar 10 kVolt. Ook treden er verliezen op in de netparallel configuratie met het distributienet, deze worden veroorzaakt door impedantie schommelingen in het distributienet. Deze verliezen tezamen met de leidingverliezen van het distributienet worden omgezet in warmte en vallen onder de categorie transportverliezen.Dit betekent dat er maar een deel bij de eindgebruikers aankomt als er geen back-up netwerk zou zijn.

Effect op elektriciteitvoorziening

Laten we nu eens een voorbeeld nemen wat het effect is in de elektriciteitsvoorziening. We gebruiken hiervoor een bestaande windturbine ergens opgesteld in Nederland. Voorbeeld: In de media opgegeven specificatie ( verkoopgegevens ) Een windturbine van 2 MW As-hoogte 78 m hoog.
Gemiddelde windsnelheid: 6,34 m/s op ashoogte. De jaarlijkse elektriciteitsproductie van 4.575.000 kWh kan ca. 1.350 huishoudens van elektriciteit voorzien. Het vermogen wat deze turbine gemiddeld levert is 522 kW. Per huishouden is dit gemiddeld 522 kW / 1350 = 0,38 kW ( dit is al aan lage kant een PC is al 500 Watt ).U voelt wel aan als we hiermee rekenen klopt de specificatie als we uitgaan van gemiddeld verbruik van 3400 kWh per jaar per huishouden. Maar hiermee kun je niet zeggen dat de windturbine 1350 huishoudens van elektriciteit kan voorzien. Dat is alleen mogelijk als er een back-up netwerk aanwezig is. Mede ook omdat er meerder aansluitingen zijn dan de genoemde 1350 huishoudens.

De toekomst

Laten we nu een terug gaan naar de grote hoeveelheid kWh`s die we met ons allen nodig hebben. Dat waren 108 miljard kWh`s. Om dit op te wekken hebben we 108.000 milj. KWh verbruik / 1,5 milj kWh. Pn windturbine = 72.000 windturbines / Pn 2 MW nodig ( Minimaal ) Bij een productie factor van 24 % op land (18% - 30%) en 40 % op zee, en bij gelijk vermogen ter land en zee, gemiddeld: 32 %. Het (nog steeds minimale) totale aantal benodigde windturbines wordt dan drie maal zo groot, dus 225.000 turbines, waarvan 115.500 op het land, dus 2,8 / km². Op zee staan er dan nog eens zo veel. Nu terug naar de 9% ( 10 miljard kWh ) voor 2020 . Dat zijn ongeveer 7000 windturbines. Als we voor het grondoppervlak van Nederland 41.000 km² nemen en dan op ieder vierkante kilometer één windturbine plaatsen hebben we op 1/6 deel van Nederland op ieder vierkante kilometer een windturbine. Rekening houdend met de productiefactor en evenveel windmolens ter land als ter zee, staat er alleen al op het land een windturbine (Pn = 2 MW) op elke 3,9 km².Dat zijn er heel erg veel!!! Dit is één van de redenen om windturbines voor de kust op zee te plaatsen. Maar de kosten van plaatsen, aansluiten en exploiteren zijn een veelvoud van de landlocatie.

Conclusie

a. Met de huidige conventionele opwekking hebben we nog steeds een elektriciteitsnet met een hoge bedrijfszekerheid.

b. Een windturbine is vooral afhankelijk van één grote factor, en dat is de windsnelheid.

c. Groot verschil tussen daadwerkelijk gerealiseerde vermogen en nominale vermogen.

d. Een windturbine kan zonder back-up netwerk niet functioneren. Dit betekent o.a. dat windmolens de 'conventionele' energieopwekking niet kunnen vervangen! De investeringen in     windenergie komen dus bovenop deze 'conventionele' investeringen, en niet in plaats van!

e. Fluctuaties van spanning en vermogen in het back-up netwerk zorgt er voor dat de kans op een stroomstoring toeneemt.

Om deze stroomstoringen te voorkomen dient de elektriciteitsdistributie te worden berekend op de som van de piek van het fluctuerende verbruiksvermogen plus het maximale windvermogen. Deze kosten werden tot nu toe nog niet mee berekend.

Ook bij zonne-energie dient er overigens rekening te worden gehouden met fluctuaties, alleen al vanwege het dag / nacht karakter hiervan.

Nawoord

De grote vraag is of windenergie de grote duurzame energiebron is voor de toekomst.Natuurlijk is het zo dat windenergie een bijdrage kan leveren maar wat krijgen we daarvoor terug. Bijvoorbeeld een landschap met enorm grote stellages die het uitzicht ontsieren. Bij installatie op zee en buiten het gezichtveld, komen er toegevoegde kosten (extra corrosie-vastheid, hogere transportverliezen) waardoor de totale prijs van de geleverde energie nog weer hoger wordt (sterk verminderde meer-opbrengst). U hebt het gehoord om 10 miljard kWh per jaar te leveren zijn er veel windturbines nodig en dan hebben we het nog niet gehad over de groei van onze totaal energiegebruik.Het lijkt er daarom op dat de windmolen-hype voornamelijk politiek gestuurd is en als signaal aan het publiek dat de opwarming van de aarde de bestuurders ter harte gaat. Het biedt echter nauwelijks of geen oplossing voor de groeiende energie behoefte, die nog steeds op andere wijze zal moeten worden afgedekt. Verder dient steeds te worden bedacht dat de totale behoefte aan elektrische energie en de groei daarvan voor tenminste vier/vijfde door de economie wordt gestuurd en maar voor een/vijfde door de huishoudens. In dit licht moet ook het futiele effect van de huishoudelijke gloeilamp-vervanging worden gezien, dat bij massale naleving nog maar enkele promillen uitmaakt op het totale verbruik, een fractie van de jaarlijkse toeneming hiervan.