Kan Nederland op wind draaien?

Samenvatting

De energie van windparken wordt meestal uitgedrukt in het aantal "bediende huishoudens".
De elektrische energie van huishoudens is echter slechts enkele procenten van de totale landelijke energie,
zodat dit onrealistisch grote getallen oplevert.
Omdat de wind niet altijd waait is opslag vereist, waarbij minstens 50% van de windenergie verloren gaat.
Huishoudens kunnen ook niet bestaan zonder industrie, transport, landbouw en dienstverlening.
In dit artikel onderbouw ik hoeveel huishoudens echt door een windpark bediend worden
door opslag en landelijke energiebehoefte wel mee te rekenen.
Echte energietransitie dus.
Voorbeeld:
Het Gemini windpark levert volgens opgave stroom aan 800.000 huishoudens.
In werkelijkheid betreft het echter 18.000 huishoudens, een factor 44 minder.

Om alle energie van windparken te betrekken zouden meer dan 500 Gemini parken nodig zijn.
Om deze situatie in 2050 te bereiken moeten er vanaf heden 6 molens per dag bij komen.
Een derde deel van het Nederlandse deel van de Noordzee is dan volgebouwd.

Dit is een bijgewerkt artikel over de betekenis van windkracht voor Nederland.
De cijfers zijn steeds optimistisch gekozen.
(27-01-2020).

Windenergie

Bij de in bedrijfstelling van een nieuw windpark drukken de media het vermogen ervan gewoonlijk uit in
het aantal bediende huishoudens. Dat levert indrukwekkende, vaak zescijferige, getallen op.
Bij de kritische lezer komen dan wat vragen op. Wat als het niet waait?
Ook kunnen huishoudens niet op zichzelf bestaan.
Er is industrie, landbouw, transport en dienstverlening nodig.
Hoeveel huishoudens worden er dan echt bediend, windstilte en de totale landelijke energie- behoefte wel meegerekend?
Kan Nederland op wind draaien?

Energie algemeen

Zonder energie is het ijskoud en staat alles stil. Energie is warmte en beweging dus ook vrijheid.
Energie is er in soorten: mechanisch (beweging), chemisch (brandstoffen, accu’s) , warmte, nucleair (uranium).
Energie gaat nooit verloren.
Wel treedt bij de omzetting van de ene naar de andere soort altijd verlies op in de vorm van warmte.

Vroeger rekenden fysici met energie in calorieën.
Eén calorie is de hoeveelheid energie die nodig is om 1 gram water 1 graad warmer te maken.
De nieuwe eenheid van energie is de Joule.
1 Calorie is 4,186 Joule. Eén Joule is dus erg weinig energie.
Vermogen is energie per tijdseenheid. Fysici rekenen vermogen in Watt = Joules per seconde.
1 Watt is een heel klein vermogen, daarom zijn kiloWatts (KW) handiger.
1 seconde is een erg korte tijd, handiger is in uren (h : hour) te rekenen.
1KWh (kilo Watt uur) energie = 1000 * 3600 = 3,6 MJ (mega Joule).

Een stofzuiger heeft een vermogen van plm 1KW, dus 20 minuten stofzuigen kost 20/60 *1 = 0,333KWh energie.
Een mens heeft voor zijn lichaamswarmte een vermogen nodig van 90Watt en kan nog 150 Watt extra leveren.
Een kaarsvlam levert ook 90Watt. Wandelen vraagt een vermogen van 75Watt.
1 PK (paardenkracht) = 736Watt.

In de media worden energie en vermogen vaak door elkaar gehaald.
Vergelijk energie met afstand, dan is vermogen snelheid.
In dit verhaal reken ik vermogens in Kilo-Watt (KW) , dus stofzuigers en energie in kilo-Watt-uren (KWh) = uren stofzuigen.
Nogmaals: energie = vermogen * tijd. Vermogen = energie / tijd.
Rapportages over jaarlijks energiegebruik laten getallen zien met toevoeging
Mega, Giga, Tera of Peta (1 met 6, 9, 12 of 15 nullen).
Ik reken dat om naar de energie per huishouden per dag. Dat houdt de getallen overzichtelijk.

In 2019 telde Nederland 7,9 miljoen huishoudens. Een huishouden bestaat gemiddeld uit 2,1 personen.

Landelijke energie

Hier komt onze energie vandaan. Primaire energie is inclusief alle omzettings (warmte) verliezen.



Olie drijft de transportsector aan en is ook grondstof voor duizenden producten.
Aardgas is voor verwarming en is ook grondstof. Kolen dient voor elektriciteit opwekking.
Het landelijk eindverbruik, dat is de primaire energie minus verliezen bedraagt 235KWh per huishouden per dag.
Deze energie is als volgt verdeeld:



Een Nederlands huishouden gebruikt zelf dagelijks gemiddeld 8,2KWh aan elektriciteit en 39KWh aan gas.
Het stroomverbruik van alle huishoudens samen is 3,9% van de totale landelijke energieverbruik.

Het elektriciteitsnet

Elektriciteit is geen energie maar een overbrengingsmechanisme zoals een fietsketting.
Elk moment wekken generatoren in de centrale precies de energie op die meteen wordt verbruikt.
Wij hebben een vraag-gestuurd net.
Dat wil zeggen dat het de taak van de energieleverancier is om op elk moment voldoende energie te leveren.
Het alternatief is een aanbod-gestuurd energiesysteem waarbij de stroom geregeld kan uitvallen.
Bij windenergie doemt een probleem op want windkracht is aanbod gestuurd.
Er zijn twee oplossingen:

1. Backup.
Bij onvoldoende wind springen centrales bij. Dat is de huidige situatie.
Van transitie is dan geen sprake want er kan geen centrale worden gesloten.
Er is slechts sprake van parallelle systemen.

2. Buffers.
Windenergie wordt opgeslagen (in een buffer gestopt) en die buffer levert bij windstilte de energie.
Dat zou echte transitie zijn. Maar die buffers bestaan nog niet.
Het probleem is merkwaardig genoeg genegeerd, waarschijnlijk omdat het lastig en zeer kostbaar is.
De beste opslag is waterkracht maar in een vlak land als het onze zijn stuwmeren niet mogelijk.
Batterijen zijn te kostbaar, met 100 miljoen investering is Nederland maar 30 seconden van stroom te voorzien.
Mechanische opslag schiet ook niet op.
Graaf bijvoorbeeld een gat van 100m. diep en hang daarin een gewicht van 1 miljoen kg.
Bij overvloedige energie hijsen we het gewicht met een motor op, bij te weinig energie daalt het gewicht waarbij de motor als dynamo werkt.
Met dit systeem bufferen we een hoeveelheid energie van 280KWh dat is gelijk aan 33 liter benzine.
Er zouden miljoenen van die gaten nodig zijn.
Blijft over gas. Met de stroom van windmolens ontleden we water in zuurstof en waterstof.
Daarbij gaat 30% van de energie verloren.
Met waterstof is via verbranding en turbines/generatoren of in brandstofcellen weer stroom op te wekken,
het verlies daarbij is 50%, evenveel als nu in een gascentrale.

Het Gemini windpark

Dat ligt 85 km. ten noorden van Terschelling in de Waddenzee.
Het is sinds 2017 in bedrijf en telt 150 turbines met per stuk een vermogen van 4MWatt (mega watt).
Volgens opgave bedient het park 800.000 huishoudens van stroom.
In 2019 werd 2,6TWh (Tera Watt uur) geproduceerd.

De zg. productiefactor (geleverd/maximum) is 2,6TWh/(365*24*4MW*150) = 49%.
Gemiddeld staat een turbine de helft van de tijd stil en werkt de andere tijd op vol vermogen.

De energietransitie

We nemen eens aan dat per huishouden landelijk per dag 120KWh stroom en ook 120KWh gas geleverd moet worden.
Hierbij gaan we dus uit van voortschrijdende elektrificatie van de samenleving.



Op dag 1 waait het lekker en de molens leveren direct stroom.
Het teveel aan energie wordt omgezet naar gas. Op dag 2 is het windstil en wordt met het gas stroom opgewekt.
Met wind moet dus 805KWh per dag op te wekken zijn per huishouden.
Een Gemini turbine bedient dan 24*4MWh / 805KWh = 119 huishoudens, het hele park 17888.
Voor het gehele land zijn 442 Gemini windparken nodig, 66300 windturbines.
Het totale oppervlak daarvan komt op 30000km2.
Tel daarbij nog de elektrolyse fabrieken voor de waterstofproductie en de elektriciteitscentrales.
Bij volledige elektrificatie is te berekenen dat per huishouden 925KWh vereist is wegens hogere omzettingsverliezen.
Er zouden dan 511 windparken nodig zijn.
Het stroomverbruik van huishoudens zelf is maar een gering deel van de landelijke energiebehoefte.
Dat verklaart het grote verschil in de opgave van Gemini (800.000 huishoudens) en de realiteit (17888).
Het energiebeleid streeft naar volledige decarbonisering per 2050.
Om dan met wind in onze energiebehoefte te voorzien moeten er vanaf nu 6 molens per dag bij komen.

Stand van zaken

Energietransitie is voorraadtransitie als we ons vraaggestuurde net willen behouden
zodat ook bij windstilte de treinen blijven rijden.
Voorlopig is er dus geen sprake van energietransitie want die massale (GigaWatt) opslagsystemen bestaan nog niet.
Alleen opslag van waterstof, gemaakt door elektrolyse met de stroom van windmolens, komt in aanmerking.
Zojuist heeft de Europese commissie 11 miljoen euro beschikbaar gesteld voor de ontwikkeling
van een 20MWatt elektrolyser voor waterstof productie.
Voor één Gemini windpark zouden er 30 van deze elektrolysers nodig zijn.
Tata Steel te IJmuiden produceert per dag 32.000 ton staal, zodat de komende 30 jaar 20% van de staalproductie
gereserveerd zou moeten worden voor windmolenbouw.

Bronnen
1. EBN (energie beheer Nederland)
2. Gemini windpark
3. Technisch Weekblad
4. Tata Steel
5. Waterstof