Kan West-Friesland - Energieneutraal ?
Inleiding
Als we de klimaatverandering willen tegengaan dan zal de uitstoot van CO2 moeten stoppen. De belangrijkste oorzaak van die CO2 uitstoot is het produceren van energie met fossiele koolstof. Er zijn veel mensen en organisaties die beweren dat het lukt om van fossiele koolstof af te komen door gebruik te maken van zonne-energie, windenergie, waterkracht en biomassa. Een bewijs dat daarmee een leveringszekere energievoorziening te verkrijgen is, wordt echter niet geleverd. Een zoektocht naar dat bewijs heeft mij het inzicht gegeven dat het zonder kernenergie niet gaat lukken om CO2 vrij te worden. De feiten die ik in deze zoektocht tegen kwam heb ik zichtbaar gemaakt en hieronder beschreven voor de situatie in West-Friesland.
Om inzicht te krijgen in een energieproductiesysteem in de toekomst is het nodig te weten hoe het energieverbruik er in die toekomst uit ziet. In West-Friesland heeft men daar werk van gemaakt door een document te maken waarin beschreven is hoe het verbruik er in de toekomst uit zal zien. Dit concept document, het West-Fries Energiekompas, is door de zeven West-Friese gemeenten gemaakt als vervolgstap op de RES 2030. Hierin staat dat in 2040 West-Friesland 3,14 TWh (terawattuur) elektriciteit zal verbruiken. West-Friesland moet dan energieneutraal zijn door die elektriciteit CO2 vrij te produceren. Het opwekken van deze elektrische energie moet gebeuren door middel van wind- en zonne-energie.
De suggestie wordt hierbij gewekt dat overschotten en tekorten met de 'buren' zijn te vereffenen. Dat gaat niet lukken als de 'buren' op dezelfde wijze dan hun energievoorziening CO2 vrij moeten maken. De 'buren' zullen daardoor op dezelfde momenten overschotten en tekorten hebben. De opgewekte energie kan daarom alleen in West-Friesland zelf worden verbruikt. Om die reden zullen de overschotten die bij veel wind en zon ontstaan moeten worden opgeslagen om als er een tekort aan wind en zon is de energievraag te dekken. De situatie in West-Friesland geeft op een kleine schaal weer wat er in heel Nederland zou kunnen staan te gebeuren.
Om de situatie op basis van de beoogde 3,14 TWh per jaar inzichtelijk te maken, bespreek ik achtereenvolgens:
- Elektriciteitsverbruik (de vraag)
- Bepalen van het benodigde vermogen
- Windenergie (de productie en benodigde opslag)
- Zonne-energie (de productie en benodigde opslag)
- Combinatie van wind- en zonne-energie (productie en benodigde opslag)
Elektriciteitsverbruik
Als er elektriciteit voor een bepaald verbruik geproduceerd moet worden is het belangrijk om te weten hoe dat verbruik eruit ziet. Het verbruik van elektriciteit uit het elektriciteitsnet wordt netbelasting genoemd. Hieronder een grafiek van de netbelasting in heel Nederland over de tweede helft van 2020. De golven en dalen beslaan een periode van een week waarbij de dalen de weekenden voorstellen.
2020 was het elektriciteitsverbruik in Nederland ca. 118 TWh. Dat geeft een netbelasting van gemiddeld 13.470 MW (megawatt). De maximale netbelasting was 18.260 MW en de minimale netbelasting 6.660 MW.
Hieronder de grafiek van de totale netbelasting in heel Nederland over de periode december 2020.
De golven en dalen beslaan een periode van een etmaal, waarbij de dalen de nachten voorstellen.
- gemiddeld 358 MW (3,14 TWh/8760 uur = 358 MW)
- maximaal 485 MW (358 MW x landelijke verhouding tussen maximum en gemiddelde = 358 MW x 18.260/13.470)
- minimaal 177 MW (358 MW x 6.660/13.470)
Om te zien in hoeverre het mogelijk is om in 2040 met wind en zon de West-Friese elektriciteitsvraag te dekken worden wind en zon afzonderlijk berekend. Daarna wordt de combinatie van wind en zon berekend.
Bepalen van het benodigde vermogen
De eenheid waarin elektriciteit meestal wordt aangegeven is het Wh (Wattuur). Een Wh is weinig elektriciteit vandaar dat er een hoeveelheid van wordt aangegeven. Bijvoorbeeld 1.000 Wh waarbij 1.000 wordt vervangen door het woord kilo wat wordt afgekort tot kWh (kilowattuur). Ook andere hoeveelheden worden vaak gebruikt, zoals MWh (megawattuur) is een miljoen Wh dus duizend kWh. GWh (gigawattuur) is een miljoen kWh en TWh (terawattuur) is een miljard kWh.
Het opwekvermogen van elektriciteit is iets anders dan de elektriciteit zelf. Feitelijk is het opwekvermogen ‘het in staat zijn om elektriciteit op te wekken’. Bijvoorbeeld: Een machine die in staat is om in één uur één MWh op te wekken heeft een vermogen van één MW. Een andere machine die twee uur nodig heeft voor één MWh heeft een vermogen van 0.5 MW. Een machine die in staat is om in een half uur één MWh te produceren heeft een vermogen heeft van 2 MW.
Om uit te kunnen rekenen hoeveel vermogen er nodig is, voor de productie van een hoeveelheid elektriciteit per jaar, moet bekend zijn hoeveel uur een machine per jaar kan draaien op vol vermogen. Bij machines waarbij het vermogen varieert, zoals windturbines en zonnepanelen, wordt de totale jaar productie gedeeld door het maximale vermogen van die machine. De uitkomst van die deling is het aantal vollasturen. Met deze vollasturen wordt het vermogen dat benodigd is bepaald.
Het bepalen van het benodigde windvermogen voor West-Friesland gebeurt door de 3,14 TWh per jaar, dat is 3.140.000 MWh, te delen door 2.200 vollasturen die de molens per jaar kunnen maken. De uitkomst is 1.427 MW.
Windenergie
Om discussie over uitgangspunten te voorkomen ben ik uitgegaan van gunstiger uitgangspunten dan zijn aangegeven, in o.a. het Westfries Energiekompas. Bijvoorbeeld: het Westfries Energiekompas gaat uit van 3 MW met 2.200 vollasturen per jaar. In de berekeningen ten behoeve van dit document zijn ca. 2.500 vollasturen gebruikt. Er is dan voor 3,14 TWh per jaar 1.245 MW aan windturbinevermogen nodig. Dit zijn 415 windturbines van 3 MW. In geval van turbines met 2.200 vollasturen zouden het 60 turbines meer zijn.
Voor het bepalen van de elektriciteitsproductie op basis van de genoemde 415 windturbines is voor onderstaande grafiek de windopbrengst van 2014 gebruikt. Deze is gemeten door het KNMI op een hoogte van 100 meter in de Wieringermeer.
De netbelasting (elektriciteitsverbruik/vraag) en het windvermogen (productie) zijn niet aan elkaar gerelateerde processen. Het is redelijk te verwachten dat er gemiddeld overproductie zal zijn boven de gemiddelde belasting van 358 MW. Vraagsturing zou overproductie kunnen verminderen en dit effect is meegenomen door uit te gaan van gemiddelde overproductie bij meer dan 400 MW. De overproductie is dan 1,4 TWh oftewel 45 % van het volume dat jaarlijks wordt geproduceerd, zie grafiek hieronder. Deze overproductie zal moeten worden opgeslagen om het op een ander tijdstip, als er onvoldoende wind is, te gebruikten.
Opslag van elektrische energie
Op basis van bovenstaande grafiek wordt 1,91 TWh benut en moet er 3,67 TWh worden opgeslagen en omgezet. Daar is een waterstoffabriek voor nodig die met behulp van die 3,67 TWh en met een rendement van 78 % 72.650 ton waterstofgas produceert. Vervolgens is er een gascentrale nodig die het waterstof weer omzet in elektriciteit. Dit gebeurt met een rendement van 43 %. Er wordt dan 1,23 TWh elektriciteit geproduceerd door de gascentrale. Samen met het benutte deel (1,91 + 1,23) is dit 3,14 TWh, het beoogde volume uit het West-Fries Energiekompas. Wellicht gaat het waterstof voor een deel naar elektrische auto’s met een brandstofcel. Die brandstofcel zet het waterstof om in elektriciteit voor de motor van de auto. Het rendement van dit proces is zeker niet beter dan van de gascentrale. Dat geldt ook voor veel andere toepassingen van waterstof.
Investering voor opslag
De waterstoffabriek heeft een vermogen nodig van ca. 2.000 MW. De kosten van de elektrolyser, het apparaat dat elektriciteit omzet in waterstof, komen richting 2040 naar verwachting op € 700 per kW, nu is dat nog € 1.000 per kW. Voor 2.000 MW is dan een investering van € 1,4 mrd. nodig. Dat is zonder de gebouwen en opslag voor de waterstof. De gascentrale moet een vermogen hebben van minimaal 485 MW om aan de maximale belasting te kunnen voldoen. De investering in de gascentrale is ca. € 1 mrd. Voor de bouwkosten van de 3 MW windturbines is per turbine € 3 mlj. aangenomen. De investering in 320 turbines die nodig zijn voor de opslag is € 960 mlj.
Investering opslag samengevat
- Elektrolyser van de waterstof fabriek € 1,4 mrd.
- Gascentrale om elektriciteit te produceren € 1,0 mrd.
- 320 extra turbines om het opslag verlies te produceren € 0,96 mld.
- TOTAAL € 3,36 mrd.
Uit het bovenstaande blijkt dat de investering om opslag mogelijk te maken minimaal € 3,36 mrd. bedraagt. De investering in een windpark die het volume van 3,14 TWh kan produceren zonder opslag is op basis van dezelfde getallen € 1.25 mrd.
Is de doelstelling van het West-Fries Energiekompas haalbaar met wind?
De kosten van opslaan van elektriciteit zijn zo hoog dat investeerders in een windturbine deze nooit zullen maken. Als er overproductie is en er niet wordt opgeslagen moet er worden afgeschakeld en dat heeft een negatieve invloed op het financiële rendement van de turbine. Gemiddeld zal afschakelen nodig zijn bij productie van 400 MW en dat is gelijk aan 32 % van het benodigde vermogen van 1.245 MW. Echter, ook als de netbelasting lager is dan 400 MW zullen er momenten zijn dat er afgeschakeld moet worden doordat de productie de vraag overstijgt. Dit zijn signalen die investeerders zullen waarschuwen dat de bomen niet tot in de hemel groeien. Te verwachten is dat de terughoudendheid om in wind te investeren zal ontstaan op het moment dat afschakelen geen uitzondering meer is. Uiteindelijk zullen investeerders afhaken als duidelijk wordt dat er een risico zit aan de groei van het windvermogen, ook als die door een ander wordt veroorzaakt.
West-Friesland heeft 348 km² landoppervlakte. Op basis van de wetgeving, waarin o.a. een minimale afstand tussen woningen en windturbines is vastgelegd, is hooguit 15 % van het oppervlak (52 km²) bruikbaar voor windturbines. Op zee is het gemiddelde ruimtebeslag van windturbines 7 MW per km². Gaan we uit van een zelfde ruimtebeslag op land dan is in West-Friesland de fysieke ruimte voor windturbines op land dus 52 x 7 MW = 364 MW, dat zijn 121 windturbines gelijk aan 16 % van het benodigde vermogen dat nodig is voor de productie met opslag.
De conclusie uit het voorgaande is dat met alleen windenergie de doelstelling van energieneutraal in 2040, vanwege de financiële risico’s en het gebrek aan fysieke ruimte, niet wordt gehaald.
Zonne-energie
Het West-Fries Energiekompas gaat uit van zonneweiden met een zonvermogen van 0,67 MW per hectare (ha) en 900 vollasturen per jaar. In de berekening ten behoeve van dit document zijn 0,7 MW per ha en 950 vollasturen gebruikt. Er is dan voor een volume 3,14 TWh per jaar 3.305 MW (3,14 TWh/950 uren) aan zonvermogen nodig. Dit zijn 4.721 ha zonneweiden (3.305 MW/0,7 MW/ha).
Net als bij het windvermogen is ook het zonvermogen een proces dat geen relatie heeft met de netbelasting (het verbruik). Het elektriciteitsverbruik daalt niet als er een wolk voor de zon komt en de productie stijgt niet als de lichten s ’avonds aangaan. Ze gaan ieder hun eigen gang. In de zomer is het verbruik lager en de zonproductie hoger dan in de winter. Echter, het etmaalverbruik is overdag het hoogst als zon in productie is. Deze twee effecten compenseren elkaar. Daarom is het verantwoord voor de berekening dezelfde lijn van 400 MW als bij wind te gebruiken waarboven gemiddeld overproductie is. De overproductie is dan 2 TWh oftewel 64 % van het volume dat jaarlijks geproduceerd wordt. Dit zal moeten worden opgeslagen om het op een ander tijdstip, als er onvoldoende zon is, te gebruikten. Zie grafiek hieronder.
De waterstoffabriek heeft een vermogen nodig van ca. 6.100 MW. De investering in de elektrolyser is € 4,27 mrd. Net als bij wind is ook hier een gascentrale nodig van ca. EUR 1 mld. Voor één ha zonneweide is aangenomen dat de investering € 650.000 is. De investering in 4.344 ha voor opslagverlies is daarmee € 2,82 mrd.
Investering opslag samengevat:
- Elektrolyser van de waterstof fabriek € 4,27 mrd.
- Gascentrale om elektriciteit te produceren € 1,0 mrd.
- 4.344 ha zonneweiden om het opslag verlies te produceren € 2,82 mrd.
- TOTAAL € 8,09 mrd.
Uit het bovenstaande blijkt dat de investering om opslag mogelijk te maken minimaal € 8,09 mrd. bedraagt. De investering in windturbines en zonneweiden die het volume van 3,14 TWh kunnen produceren zonder opslag is op basis van dezelfde getallen € 3,07 mrd.
Is de doelstelling van het West-Fries Energiekompas haalbaar met zon?
Ook investeerders in zonneweiden zullen de kosten van opslag niet voor hun rekening nemen. Dan moet er net als bij wind worden afgeschakeld. De financiële gevolgen hiervan zijn groter dan bij wind omdat een groter deel van de productie overproductie is. Ook is het moment van afschakelen bij zon relatief eerder. Dat gebeurt gemiddeld al bij 12% van het benodigde vermogen van 3.305 MW. Te verwachten is dat investeerders bij zon eerder zullen afhaken dan bij wind.
De gedachte aan 90 km² (9.000 ha) zonneweides, dat is 26% van de landoppervlakte, wordt door degenen aan wie ik dit heb voorgelegd als niet realistisch van de hand gewezen. De fysieke werkelijkheid laat zien dat er wel ruimte voor is. Voor de conclusie ga ik uit van het feit dat we in een democratie leven en als helemaal niemand met mij mee gaat dat er wel ruimte voor is dan leg ik mij er bij neer dat het niet zo is.
De conclusie uit het voorgaande is dat met alleen zonenergie de doelstelling van energieneutraal in 2040, vanwege de financiële risico’s en het gebrek aan fysieke ruimte, niet wordt gehaald.
Windenergie en zonne-energie
Bij de berekening van de combinatie van wind en zon is gekozen voor 50% wind en 50% zon. Voor 3,14 TWh is dan 2.275 MW nodig bestaande uit 622 MW wind (goed voor 1,57 TWh) en 1.653 MW zon (eveneens goed voor 1,57 TWh). Het totale vermogen is hoger dan bij alleen wind. Verwacht kan worden dat de overproductie daardoor hoger zal zijn. Dit blijkt echter niet uit de berekening. De ongelijktijdige productie van zon en wind biedt een voordeel ten opzichte van alleen wind. De overproductie van wind is 45 % en die van de combinatie zon en wind 42 % van het totale productie volume.
Voor de berekening van de combinatie wind en zon is dezelfde lijn van 400 MW gehanteerd waarboven gemiddeld overproductie is. De overproductie is dan 1,32 TWh van het volume dat jaarlijks geproduceerd wordt. Dit zal moeten worden opgeslagen om het op een ander tijdstip, als er onvoldoende wind en zon is, te gebruikten. Zie de grafiek hieronder.
De waterstoffabriek heeft in dit geval een vermogen nodig van ca. 3.400 MW. De kosten van de elektrolyser zijn € 2,38 mrd. Ook bij deze optie is een gascentrale nodig van ca. EUR 1 mrd. Het extra vermogen komt voor 50 % uit wind, dit zijn 133 turbies, en 50 % uit zon, dit zijn 1.628 ha. Bij elkaar een investering voor turbines en zonneweiden van € 1,46 mrd.
Investering opslag samengevat:
- Elektrolyser van de waterstof fabriek € 2,38 mrd.
- Gascentrale om elektriciteit te produceren € 1,0 mrd.
- 133 turbines en 1.628 ha zonneweiden € 1,46 mrd.
- TOTAAL EUR 4,84 mld.
Uit het bovenstaande blijkt dat de investering om opslag bij 50% wind en 50% zon mogelijk te maken minimaal € 4.84 mrd. bedraagt. De investering in zonneweiden en windturbines die het volume van 3,14 TWh kunnen produceren zonder opslag is op basis van dezelfde getallen € 2,27 mrd.
Is de doelstelling van het West-Fries Energiekompas haalbaar met 50% wind en 50% zon?
Zoals hiervoor al gezegd zullen investeerders in windturbines en zonneweiden de kosten van opslag niet voor hun rekening nemen. Zodra de grens van 400 MW wordt bereikt zullen investeerders hun belangstelling verliezen. Dan staat er een mix van wind en zon die minder elektriciteit zal produceren dan met alleen wind.
Uitgaande van de situatie met opslag is de fysieke ruimte onvoldoende voor de benodigde 340 turbines. Ook 42 km² (4.171 ha) aan zonneweides wordt door allen die ik hierover heb bevraagd als niet realistisch gezien.
De conclusie kan dan niet anders zijn dan dat ook met de combinatie van windenergie en zonne-energie de doelstelling van energieneutraal in 2040, vanwege de financiële risico’s en de fysieke ruimte, niet wordt gehaald.
Ten slotte
In de zoektocht naar een leveringszekere energievoorziening met wind en zon ben ik uitgegaan van het West-Fries Energiekompas. Hierin staat dat het West-Friese energieverbruik in 2016 4,8 TWh was. Door besparing (isolatie en efficiëntieverbetering) en het gebruik van omgevingsenergie (geothermie, biomassa, warmtepompen met gebruik van omgevingswarmte, enz.) moet het verbruik zijn terug gebracht tot 3,14 TWh in 2040. Deze energie moet als CO2 vrij opgewekte elektriciteit beschikbaar komen.
Of zo'n reductie reëel geacht mag worden wordt betwijfeld, aangezien de elektriciteitsbedrijven uitgaan van een verdubbeling van het verbruik rond 2050.
In de voorgaande berekeningen zijn zaken als reservevermogen, een locatie voor een gascentrale, een locatie voor een waterstoffabriek, de gebouwen en overige installaties voor de productie en opslag van waterstof, de opslagcapaciteit voor waterstof t.b.v. de compensatie van de volatiele productie en de opslagcapaciteit voor waterstof in het kader van reservecapaciteit, buiten beschouwing gelaten. De reden hiervoor is dat zonder deze aspecten al voldoende wordt aangetoond dat het met alleen wind en zon niet haalbaar is om in West-Friesland een CO2 vrije en leveringszekere energievoorziening te realiseren.
CO2 emissie is een cumulatief proces voor de dampkring. Het gaat niet om het tijdvak maar om het volume. Het streven kan wel zijn naar nul CO2 uitstoot op een tijdstip in de toekomst maar alle uitstoot nu draagt bij aan het volume in die toekomst. Daarom is het belangrijk om alle mogelijkheden die er nu zijn om de CO2 uitstoot te verminderen maximaal te benutten. Daar hoort kernenergie zondermeer bij. Juist als de bouwtijd lang is moeten we nu geen tijd verspillen. Elk uur dat we later starten leidt tot een hoger CO2 concentraat in de toekomst. En dat laten wij na aan de generaties na ons, niet de tijd die we er over deden.
Overzicht investeringen, bedragen in EUR mld.
