Onderzoek maatregelen slagschaduw

Transcriptie

1 D NV-GL Onderzoek maatregelen slagschaduw Gemeente Houten Rapport nr.: Datum:

2 Rapport titel: Klant: Contactpersoon: Datum: Project nr.: Unit: Rapport nr.: Onderzoek maatregelen slagschaduw Gemeente Houten, Postbus 30, 3990DA Houten Dhr. Willem Jan van Heek R&S/RES DNV GL - Energy Energy Advisory Postbus ET ARNHEM Tel: KvK Auteur: Beoordeeld: Goedgekeurd: J.W. Cleijne Head of Section H.B.H. Hendriks Head of Section J.W. Cleijne Head of Section KI Unrestricted distribution (internal and external) D Unrestricted distribution within DNV GL D Limited distribution within DNV GL after 3 years D No distribution (confidential) D Secret Reference to part of this report which may lead to misinterpretation is not permissible. iversie Datum Reden voor uitgave Auteur Beoordeeld Goedgekeurd Eerste uitgave J.W. Cleijne H.B.H. Hendriks J.W. Cleijne 2015 KEMA Nederland B.V. DNV GL - Energy - Rapport nr

3 Inhoud 1 INLEIDING 1 2 BESCHRIJVING VAN DE SITUATIE 2 3 VOORSPELLING VAN DE ZONINSTRALING 5 4 CONTROLESTRATEGIE 7 5 CONCLUSIES 9 6 REFERENTIES 10 DNV GL - Energy - Rapport nr Blz. i

4 1 INLEIDING In de gemeente Houten staat sinds 2013 een windpark van Eneco met drie turbines. Wegens de nabijheid van woningen heeft de gemeente maatwerkvoorschriften opgelegd die (onder andere) een 'nulhinder' voor wat betreft slagschaduw voorschrijven (Besluit maatwerkvoorschriften 11 juli 2012) [1]. Dit besluit is inmiddels onherroepelijk. Tot nu toe is door de gemeente geaccepteerd dat een turbine 100 seconden vertragingstijd en 20 seconden uitschakeltijd nodig heeft om tot stilstand te komen als de lichtsensoren constateren dat er sprake kan zijn van slagschaduw en dat bewoners dit als maatschappelijk risico hebben te accepteren. Hier worden nu echter zowel door de politiek als omwonenden vraagtekens bij gezet. De wethouder heeft besloten een onderzoek te laten doen naar de mogelijkheden om echt tot nul slagschaduw te komen, of, als dat niet kan, te bekijken wat dan wel mogelijk is. Daarbij heeft de gemeente in eerste instantie de onderzoeksvragen als volgt geformuleerd: a is het technisch mogelijk om een turbine uit te zetten voor er slagschaduw optreedt, zonder dat het park hele tijdsblokken uitgezet moet worden? b zo niet; is het mogelijk om de turbines sneller stop te zetten dan met de nu gehanteerde 100 seconden vertragingstijd en wat zijn hiervan de gevolgen voor de windturbine? Het onderzoek is beperkt tot een bureaustudie en er zijn geen testen in de praktijk uitgevoerd. In hoofdstuk 3 beschrijven wij de situatie rond het windpark in de gemeente Houten. Daarna wordt in hoofdstuk 4 behandeld of er mogelijkheden zijn om met behulp van een kortetermijnvoorspelling van de zoninstraling de hinder te beperken. Hoofdstuk 5 behandelt de mogelijkheden die er zijn om de regeling van de windturbines aan te passen om de tijd te beperken dat er hinder zal optreden nadat er schaduwhinder is ontstaan. Hoofdstuk 6 vat de conclusies van het onderzoek samen. DNV GL - Energy - Rapport nr Blz. 1

5 2 BESCHRIJVING VAN DE SITUATIE 'Í -' - HBS Figuur 1 Gebied waarbinnen schaduwhinder kan optreden als gevolg van het windpark [2]. De rode contour geeft aan wat de grens is waarbinnen slagschaduwhinder kan optreden Figuur 1 geeft de situatie weer rondom windpark Veerwagenweg. Het windpark bevindt zich aan de Heemsteedseweg en Veerwagenweg in Houten. Het bestaat uit drie dezelfde Vestas V MWwindturbines, met een ashoogte van 105 m en drie rotorbladen met een rotordiameter van 90 m. Voor het windpark is op 15 december 2009 een oprichtingsvergunning op grond van de Wet milieubeheer verleend. Die vergunning is op 1 januari 2011 van rechtswege komen te vervallen. De gemeente Houten stelt bij besluit [1] maatwerkvoorschriften op grond van het Activiteitenbesluit en de Activiteitenregeling voor het windpark omdat: - er bij het windpark, vanwege de relatief korte afstand tussen de windturbines in het windpark en de dichtstbijzijnde woningen in de omgeving van het windpark (kortste afstand 310 m) sprake is van bijzondere lokale omstandigheden - de bewoners van woningen in de omgeving van het windpark in de van rechtswege vervallen milieuvergunning, omdat wij (de gemeente Houten) daarin als uitgangspunt hanteerden dat die bewoners zo optimaal mogelijk tegen de gevolgen van het in werking zijn van de windturbines DNV GL - Energy - Rapport nr Blz. 2

6 moesten worden beschermd; meer tegen de gevolgen van het in werking zijn van die windturbines werden beschermd dan op grond van het Activiteitenbesluit nodig is - Eneco ons (de gemeente Houten) meerdere malen mondeling en schriftelijk heeft toegezegd de aan de milieuvergunning verbonden voorschriften met betrekking tot geluid, lichthinder en externe veiligheid, ondanks dat die voorschrift niet meer voor het windpark gelden, toch in het windpark na te zullen leven; in dit besluit worden die toezeggingen in maatwerkvoorschriften publiekrechtelijk vastgelegd. Het specifieke maatwerkvoorschrift voor slagschaduw houdt in dat de rotorbladen van windturbines automatisch moeten worden stilgezet als op de woningen van de direct omwonenden van windpark aan de Heemsteedseweg, de Hoofdveste en de Veerwagenweg en op de woningen aan de rand van de nieuwbouwwijk De Hoon (waaronder het appartementencomplex 'De Badjuffrouw') die uitkijken op het windpark slagschaduw door rotorbladen kan vallen. Tot nu toe is geaccepteerd dat een turbine 100 seconden nodig heeft om tot stilstand te komen als de lichtsensoren constateren dat er sprake kan zijn van slagschaduw en dat bewoners dit als maatschappelijk risico hebben te accepteren. Hier worden nu echter zowel door de politiek als omwonenden vraagtekens bij gezet. Door CIRCE is onderzoek uitgevoerd naar het optreden van slagschaduwhinder [2]. Uit het rapport wordt duidelijk dat wanneer het windpark altijd stilgezet wordt tijdens perioden dat er theoretisch schaduwhinder kan optreden het windpark 706 van de tijd zal moeten worden stilgezet ("worst case scenario"). Wanneer het aantal stops tot 60 per windturbine wordt beperkt neemt dit percentage toe tot 8.606; om het aantal stops per windturbine te beperken wordt de windturbine tussen twee opeenvolgende stilstandsperioden niet opgestart en neemt hierdoor de totale periode dat de windturbine is uitgeschakeld toe. Als rekening wordt gehouden met statistiek van het optreden van wolken en de windturbines alleen worden stilgezet tijdens periodes dat er daadwerkelijk schaduwhinder optreedt zijn deze percentages zonder beperking op het aantal stops en met een beperking van 60 stops per windturbine. Tabel 2 Overzicht van het percentage stilstand wanneer van nulhinder wordt uitgegaan [2] Wind-turbine Wind-turbine Wind-turbine Gemiddelde H1 H2 H3 alle turbines Worst case scenario Zonder limiet op het aantal stops Met een beperking van 60 stops per windturbine O0o Verwacht scenario op basis van statistiek van bewolking Zonder limiet op het aantal stops Met een beperking van 60 stops per windturbine 1.6O0o DNV GL - Energy - Rapport nr Blz. 3

7 Om het energieverlies te beperken zijn de windturbines uitgerust met twee lichtsensoren. Deze zorgen ervoor dat de windturbines alleen worden stilgezet wanneer er sprake is van wolkeloze lucht op de tijdstippen dat er sprake kan zijn van slagschaduw op de betreffende locaties. Hierbij wordt een vertragingstijd van 100 seconden gehanteerd om te voorkomen dat de windturbine te vaak wordt gestopt en gestart. DNV GL - Energy - Rapport nr Blz. 4

8 3 VOORSPELLING VAN DE ZONINSTRALING In dit hoofdstuk beantwoorden wij de vraag of het mogelijk is om de zoninstraling te voorspellen zodanig dat de windturbine kan worden stilgezet voordat slagschaduwhinder zal optreden. Slagschaduwhinder kan ontstaan wanneer de zon in de juiste stand ten opzichte van de windturbines en de huizen staat en er zich bovendien geen wolken tussen de zon en de turbine bevinden. Het is eenvoudig om de stand van de zon met behulp van modelberekeningen te bepalen. Op deze manier kan worden bepaald of er een kans bestaat dat de windturbines slagschaduwhinder veroorzaken op omliggende gebouwen. Deze berekening is door CIRCE uitgevoerd voor het windpark in Houten en enkele van de resultaten zijn in hoofdstuk 2 weergegeven. CIRCE heeft ook de periodes vastgesteld waarin slagschaduwhinder theoretisch zou kunnen optreden. Door de windturbines tijdens deze periodes stil te zetten kan worden voorkomen dat er enige slagschaduwhinder optreedt. Maar op deze manier worden de windturbines ook stilgezet wanneer er sprake is van wolkenbedekking en er geen hinder optreedt. Dit zorgt er voor dat er onnodig windenergie verloren gaat. Om dit te voorkomen is onderzocht of het mogelijk is om de wolkenbedekking en daarmee de zonneinstraling te voorspellen, zodanig dat de windturbine kan worden stilgezet voordat de hinder optreedt. Wanneer de normale stilstandstermijn van 100 seconden wordt aangehouden is het dus nodig om de wolkenbedekking op een termijn van 100 seconden te voorspellen. In Nederland is er vaak sprake van wisselende bewolking. In dat geval is het van belang om de baan van de wolken nauwkeurig te voorspellen. Zonne-energie zal naar alle waarschijnlijkheid een grote rol spelen in de toekomstige energievoorziening. Er is daarom veel interesse om een systeem te ontwikkelen waarmee de zonne-instraling kan worden voorspeld. Hieronder worden 2 ontwikkelingen bekeken die zouden kunnen helpen bij het probleem van schaduwhinder door windturbines. Het is de verwachting dat zonne-energiesystemen in Nederland voornamelijk gebouwbonden zullen worden ontwikkeld, omdat de mogelijkheden voor grote grondgebondensystemen beperkt zijn. Dit betekent dat er dus vooral sprake is van gedecentraliseerde systemen die onderdeel uitmaken van het distributienet. Naast aanpassingen van het elektriciteitsnetwerk om de opgewekte stroom te kunnen afvoeren is het ook nodig om de hoeveelheid opgewekte stroom nauwkeurig te kunnen voorspellen om de invloed van de wisselende zonne-instraling te beperken. Het voordeel van een zonneenergieverwachting hangt nauw samen met de nauwkeurigheid waarmee deze kan worden bepaald. De grote invloed die de inpassing van zon-pv systemen op de elektriciteitsvoorziening zal hebben bij grootschalige inpassen zorgt ervoor dat er veel onderzoek gedaan wordt naar zonneenergievoorspellingmethoden en -programmatuur. Bestaande systemen voor het maken van een zonne-energieverwachting maken gebruik van weermodellen en satellietbeelden van het wolkendek (referenties), die tamelijk nauwkeurige resultaten laten zien voor de middel- en lange termijn (van 30 minuten tot 4 uur) en voor een relatieve grove ruimtelijke resolutie (meer dan 1x1 k m ). Deze methoden zijn enerzijds gebaseerd op de verplaatsing 2 van wolken (gebruikmakend van een techniek die "motion vectors" wordt genoemd), of anderzijds op operationele weersverwachtingen zoals die onder andere door het KNMI worden gemaakt. Deze laatste verwachtingsmethoden maken gebruik van fysische modellen die de processen in de atmosfeer beschrijven. Het gaat hier bijvoorbeeld om een beschrijving van de wind die verantwoordelijk is voor de verplaatsing van de wolken, maar ook wordt de ontwikkeling van wolken en het weer oplossen ervan gemodelleerd. DNV GL - Energy - Rapport nr Blz. 5

9 Voor de voorspelling van het optreden van schaduwhinder door windturbines is dit onvoldoende. De combinatie van ruimtelijke - en tijdsinformatie is volstrekt onvoldoende om de veranderingen van de zoninstraling op een termijn van 100 seconden te voorspellen. In het kader van het project "Solar Forecasting & Smart Grids" van de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RvO) wordt door o.a. DNV GL, Ecofys, en Universiteit Utrecht samengewerkt om een nauwkeuriger systeem te ontwikkelen. [3] Dit systeem is gebaseerd op meting van de energieproductie van de zonnepanelen zelf. Het is de bedoeling om met behulp van deze metingen af te leiden hoe de wolken over het gebied verdeeld zijn, hoe deze zich boven het gebied bewegen en op deze manier de verwachte instraling te voorspellen. Het doel is om een systeem te ontwikkelen dat de zonne-instraling van minuut tot minuut kan voorspellen, waarbij de ruimtelijke verdeling van de wolken nauwkeuriger dan 1x1 km 2 kan worden voorspeld waarbij de zoninstraling minimaal 15 minuten van tevoren kan worden voorspeld. Op dit moment bevindt dit onderzoek zich nog in de ontwikkelingsfase en het zal minstens nog enkele jaren duren voordat een werkbaar systeem is ontwikkeld. Zelfs als dit systeem is uitontwikkeld zal de nauwkeurigheid niet voldoende zijn om nauwkeurig te kunnen bepalen of windturbines preventief moeten worden stilgezet om hinder te voorkomen. De conclusie is dat: - huidige systemen om een zonne-energieverwachting te bepalen niet in staat zijn om een bijdrage te leveren aan de oplossing van het gestelde probleem omdat ze ontwikkeld zijn voor voorspellingen op een termijn van uren - er een systeem in ontwikkeling is waarmee voorspellingen kunnen worden gemaakt voor de kortere termijn, maar deze zijn enerzijds nog in de onderzoeksfase en anderzijds niet nauwkeurig genoeg om het gestelde probleem op te lossen - het is dus op dit moment niet mogelijk om een voorspellingssysteem te implementeren dat slagschaduwhinder kan voorkomen door voorspelling van de wolkenbedekkingsgraad. DNV GL - Energy - Rapport nr Blz. 6

10 4 CONTROLESTRATEGIE In dit hoofdstuk beantwoorden we de volgende vragen: - wat is de normale start/stop procedure van een windturbine? - is het mogelijk om de turbines sneller stop te zetten dan (in) 100 seconden? - wat zijn de gevolgen hiervan voor de windturbine? De normale start/stop procedure van een windturbine wordt geïnitieerd door de lokale windsnelheid. Komt de windsnelheid tussen de inschakelwindsnelheid en de uitschakelwindsnelheid dan zal de windturbine opstarten en indien de windsnelheid buiten deze grenzen komt zal de windturbine uitschakelen. De windsnelheid is continu veranderlijk. Als de regeling van een windturbine meteen reageert als de momentane windsnelheid boven of onder de in- of uitschakelwindsnelheid komt dan zal dit leiden tot heel frequent in- en uitschakelen. Om te voorkomen dat een windturbine te vaak in- en uitschakelt is in de regeling hysterese opgenomen en wordt met een tijdsgemiddelde windsnelheid gewerkt. De windturbine zal bijvoorbeeld pas uitschakelen als de gemeten gemiddelde windsnelheid boven de uitschakelwindsnelheid uitkomt, maar zal pas weer inschakelen als de gemeten gemiddelde windsnelheid met een marge onder de uitschakelwindsnelheid komt. Tijdens de opstartprocedure zal de regeling de turbinebladen langzaam vanuit vaanstand richting werkstand sturen; dit is de standaard regeling bij alle moderne wind turbines met bladverstelling en variabel toerental. Hiermee zal het toerental van de windturbine toenemen. Vanaf een bepaald toerental zal de windturbine elektriciteit gaan leveren. Afhankelijk van de windsnelheid, turbulentie en type windturbine duurt een dergelijk opstartprocedure 10 seconden tot enkele minuten. De precieze tijd hangt af de windsnelheid, de turbulentie en ook van de eventueel benodigde tijd om deelsystemen op te starten. Tijdens de uitschakelprocedure zal de regeling de turbinebladen van werkstand richting vaanstand sturen; dit is de standaard regeling bij alle moderne windturbines met bladverstelling en variabel toerental. De bladverstelling tijdens de uitschakelprocedure is vaak hoger dan tijdens inschakelen; een typische bladverstelsnelheid tijdens uitschakelen is 4 tot 6 graden per seconde. De verstelling van werkstand tot vaanstand duurt hiermee 15 tot 20 seconden. Een bladverstelling met een grotere snelheid zou kunnen leiden tot hogere mechanische belastingen. Het is dus mogelijk om de 100 s uitschakeltijd te verkorten zonder dat dit tot een verhoging van de mechanische belastingen leidt. Het Vestas detectiesysteem werkt met twee lichtsensoren bevestigd aan oost- en westzijde van de turbine toren of mast. Een groot verschil in lichtintensiteit tussen de twee sensoren geeft aan dat er sprake is van directe zonnestraling aan het begin of einde van de dag. Op het midden van de dag als de zon vanuit het zuiden schijnt kan met deze twee sensoren aan oost- en westzijde niet een directe zonnestraling vastgesteld worden. Op het midden van de dag staat de zon echter hoog aan de hemel en reikt de slagschaduw minder van de windturbine. Indien ook met zonnestraling vanuit het zuiden slagschaduw problemen voorkomen dan kunnen er twee extra sensoren aan noord- en zuidzijde van de turbine toren bevestigd worden. Het ligt voor de hand dat de regeling niet werkt met de instantane gemeten waarden van de lichtsensoren maar een lopend gemiddelde hanteert als invoer. Dit voorkomt dat de een kleine verstoring in de meting leidt tot onnodig uitschakelen van de turbine. Hiernaast kan ook hysterese zijn ingebouwd in de regeling. In het ontwerp van een windturbine, de toren en de fundering is rekening gehouden met de mechanische belastingen tijdens een normale uitschakelprocedure. Voor de vermoeiingbelastingen is het aantal keren dat de windturbine inschakelt en uitschakelt en onder welke windcondities meegenomen in het ontwerp. Indien de slagschaduwregeling leidt tot een hoger aantal in- en uitschakelacties dan DNV GL - Energy - Rapport nr Blz. 7

11 aangenomen in het ontwerp dan kan dit leiden tot meer vermoeiingbelastingen op de gehele constructie en verhoogde slijtage van het bladverstelmechanisme. We merken hierbij nog op dat het standaard slagschaduw detectiesysteem van Vestas directe zonneinstraling aan de hand van twee lichtsensoren detecteert, een aan oost - en een aan westzijde. Hiermee kan directe zonne-instraling vanuit zuidelijke richting niet gedetecteerd worden. Hoewel de slagschaduw in noordelijke richting minder verder reikt dan in meer oostelijke en westelijke richting kan er in de winter bij lage zonnestand toch hinder worden ondervonden op enkele locaties. Als conclusie kan vastgesteld worden dat er geen technisch bezwaar is om de windturbine sneller dan in 100 seconden stil te zetten. In overleg met Vestas zou een uitschakeltijd van 30 of misschien zelfs 20 seconden haalbaar moeten zijn. Indien door het verkorten van de uitschakeltijd het aantal malen dat de windturbine uitschakelt toeneemt, en indien dit aantal boven het maximaal toelaatbare aantal in het ontwerp komt, dan kan door het toevoegen van hysterese of vertraging in de regeling bij weer inschakelen het totale aantal in- en uitschakelen gereduceerd worden. Met andere woorden: door sneller dan binnen 100 seconden de windturbine uit te schakelen na detectie van slagschaduwhinder in combinatie met het vertraagd inschakelen als er geen sprake meer is van slagschaduwhinder kan de hinder beperkt zonder een verhoging van de mechanische belastingen op de windturbine. Dit zal echter wel leiden tot een verhoging van het stilstandsverlies. DNV GL - Energy - Rapport nr Blz. 8

12 5 CONCLUSIES Uit onderzoek van CIRCE blijkt dat gemiddeld 8,60 stilstand kan optreden wanneer het windpark stil wordt gezet tijdens periodes dat er theoretisch slagschaduwhinder kan optreden. Als rekening kan worden gehouden met de werkelijk atmosferische omstandigheden blijft dit beperkt tot 2,10 van de tijd. Er is veel behoefte aan de ontwikkeling van kortetermijnvoorspelmethoden voor zoninstraling. Op dit moment zijn deze methoden in staat om de zoninstraling te voorspellen op een zichttermijn van uren. In verband met de variabiliteit van zonnestroom is er een grote behoefte aan voorspelmethoden die ook op een termijn van 15 minuten tot een uur de zoninstraling kunnen voorspellen. Op dit moment zijn deze methoden nog slechts in de onderzoeksfasen en niet geschikt voor toepassing in de praktijk. Ook laat de nauwkeurigheid nog te wensen over. Om te voorkomen dat windturbines gedurende hele tijdsblokken moeten worden stilgezet dat theoretisch hinder kan plaatsvinden, wordt nu gebruik gemaakt van lichtsensoren die bepalen of er sprake is van een wolkeloze lucht. Hierbij wordt een vertragingstijd van 100 seconden gehanteerd. DNV GL concludeert dat er geen technisch bezwaar is om de windturbine sneller dan in 120 seconden stil te zetten. In overleg met Vestas zou een uitschakeltijd van 30 of misschien zelfs 20 seconden haalbaar moeten zijn. Indien door het verkorten van de uitschakeltijd het aantal malen dat de windturbine uitschakelt toeneemt, en indien dit aantal boven het maximaal toelaatbare aantal in het ontwerp komt, dan kan door het toevoegen van hysterese of vertraging in de regeling bij weer inschakelen het totale aantal in en uitschakelen gereduceerd worden. DNV GL - Energy - Rapport nr Blz. 9

13 6 REFERENTIES [1] Gemeente Houten, Besluit maatwerkvoorschriften," Houten, 11 juli [2] CIRCE, Resource Assessment for Houten WF - Appendix IV Shadow Flicker Losses Study," [3] B. Vet, Solar Forecasting & Smart Grids; Report on development of forecasting system," DNV GL, Arnhem, DNV GL - Energy - Rapport nr Blz. 10

14 ABOUT DNV GL Driven by our purpose of safeguarding life, property and the environment, DNV GL enables organizations to advance the safety and sustainability of their business. We provide classification and technical assurance along with software and independent expert advisory services to the maritime, oil and gas, and energy industries. We also provide certification services to customers across a wide range of industries. Operating in more than 100 countries, our 16,000 professionals are dedicated to helping our customers make the world safer, smarter and greener.