SET Analysis. Windenergie op land. Jos Beurskens SET Analysis (Voorheen ECN) KIVI Mini Seminar Windenergie Arnhem, 19 October

Transcriptie

1 Windenergie op land Jos Beurskens SET Analysis (Voorheen ECN) KIVI Mini Seminar Windenergie Arnhem, 19 October

2 Wind Farm Westermeerwind Largest nearshore wind farm in the Netherlands, m off the dikes in the IJsselmeer lake(144 MW) 2

3 Technisch Weekblad. Sept

4 Overzicht Geschiedenis Enkele cruciale fysische begrippen Windturbine Windparken Netintegratie Wind capaciteit in Nederland/Europa Uitbreiding marktpotentieel op land (CC) Acceptatie en impacts 4

5 Geschiedenis in vogelvlucht

6 Geschiedenis Jos Beurskens Jos Beurskens 6

7 Geschiedenis Jos Beurskens Jos Beurskens Jos Beurskens 7

8 Geschiedenis Jos Beurskens Windpark Neer (L) 8

9 Enkele cruciale fysische begrippen Eerste wetenschappelijke benaderingen 18-de eeuw: John Smeaton (GB) 9

10 Enkele cruciale fysische begrippen: de wind 1 m 2 V m/s 1 m E kin = ½.m.V 2 1 m 3 lucht weegt 1.2 kg, ρ = 1,2 kg/m 3 Luchtdichtheid wordt mede bepaald door de hoogte (druk) en temperatuur 10

11 Enkele cruciale fysische begrippen: de wind Vermogen (= energie per seconde) van de wind is: P wind = ½..V.V 2 [W/m 2 ] P wind = ½..V 3 [W/m 2 ] = luchtdichtheid; ongeveer 1,2 [kg/m 3 ] 11

12 Enkele cruciale fysische begrippen: de wind Windsnelheid (m/s) Windsnelhed (Watt/m²) 3 16 V (m/s) D A [m²] 12

13 Enkele cruciale fysische begrippen: de wind P wind = ½..V 3 [W/m 2 ] x 1.2 (V) x 1.7 (P wind ) 13

14 Enkele cruciale fysische begrippen: de wind P wind = ½..V 3 [W/m 2 ] x 1.6 (V) X 4.0 (P 9,5 wind ) 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 14

15 Enkele cruciale fysische begrippen: de wind Wind shear 530 W/m2 890 W/m W/m2 15

16 Enkele cruciale fysische begrippen: de windturbine V V= 0 Vermogen = massastroom x snelheidsverandering V V 2/3.V V 1/3.V 16

17 Enkele cruciale fysische begrippen: de windturbine 1926: Albert Betz (D) rotor bijna 60% Zhukovsky-Lanchester-Betz limiet 17

18 Enkele cruciale fysische begrippen: de windturbine Karakterisering Rotoren: snellopendheid λ λ = 1 λ = 6 λ = 8 λ > 10 λ = Snelheid rotortip Windsnelheid P = M.Ω 18

19 Enkele cruciale fysische begrippen: de windturbine D [m] P Omw/s Omw/m in MW 0,13 7,5 60 1,2 MW 0,26 15, kw 0, kw 1, ,5 kw 7,6 460 Figures apply for a wind speed of approximately 8 m/s Rotational speed decreases with increasing rotor diameter (Same number of blades and wind speed) Jos Beurskens Jos Beurskens

20 de Windturbine Senvion Lagerwey

21 a. a. b. b. de Windturbine 1:n ASM 1:n ASM 1:n ASM Main configurations for electrical conversion in WT s 1:n ASM LV MV 1:n ASM IG Directly Coupled Induction Gen. c. c. gearbox 1:n 1:n 1:n ASM ASM DFIG ASM ac ac dc dc dc dc ac ac Doubly Fed Induction Generator d. d. 1:n gearbox ASM ac ac dc dc dc dc ac ac e. e. f. SM SM PM PM dc dc ac dc dc dc ac dc ac dc dc dc dc dc ac dc ac Direct Drive generator with full converter

22 de Windturbine Opschalen Some large scale prototypes m Ø (0,3 MW) 100 m Ø (4MW). 164 m Ø 16

23 de Windturbine Opschalen Source: DEWI

24 de Windturbine Opschalen Voor de ingenieur mass ~ (D³) cross section ~ (D²) stress (= mass/cross section) ~ D Voor de econoom investment cost ~ (D³) energy output ~ (D²) COE (= inv. cost/energy output) ~ D Development of advanced materials with a higher strength-to-mass ratio

25 de Windturbine De grootste turbines Jos Beurskens

26 de Windturbine De grootste turbines Photo: Ozlem Ceyhan-Yilmaz EWEA 2012, Copenhagen

27 de Windturbine De grootste turbines Make & Type Rotordiameter [m] Rated power [MW] Specific power [W/m 2 ] 1 MHI-Vestas V164 8MW Adwen Sinovel SL Siemens SWT offshore 5 ENERCON E-154 Medemblik onshore 6 Senvion 6.2M GE Haliade 6MW (former Alstom) MingYang (2blades) SCD 6.0MW Dongfang/Hyundai Adwen AD Jos Beurskens Lagerwey turbines

28 Windparken 28

29 Windparken u 29

30 Windparken Wind turbine zog shear layer V 2/3.V 1/3.V 0,9.V stream line D rotor disc - 5.D -0.D 2.D 5.D 10.D Jos Beurskens 30

31 Windparken Lay out 3 to 5 D P = 6 to 15 MW/km² 31

32 Windparken Zogregeling 32

33 Windparken Wind farm output variabiliteit als functie van windrichting en turbulentie-intensiteit Torben J. Larsen, Risø-DTU 33

34 Windparken Torben J. Larsen, Risø-DTU 34

35 Koppeling aan het net Wind turbine power rating m² m² Source: J.P. Molly, DEWI p = P R A rotor [W/m 2 ]

36 Koppeling aan het net Wind turbine power rating and capacity factor Source: J.P. Molly, DEWI 100 m hub height, Weibull k=2,92, V ave = 7,3 m/s)

37 Koppeling aan het net Cost of de-rating wind turbines Source: J.P. Molly, DEWI System rating: Low wind regime rating Mechanical design: High wind speed regime

38 Capacity factor Energy factor SET Analysis Koppeling aan het net De windturbine karakteristieken: energie- en capaciteitsfactor (equivalente aantal vollasturen per jaar) Prated/rotor swept area Cap factor = E/P.T 2 3 Prated/rotor swept area Jos Beurskens

39 Koppeling aan het net Bron: Hethey, Ea

40 Koppeling aan het net Make & Type Rotordiameter [m] Rated power [MW] Specific power [W/m 2 ] 1 MHI-Vestas V164 8MW Adwen Sinovel SL Siemens SWT offshore 5 ENERCON E-154 Medemblik onshore 6 Senvion 6.2M GE Haliade 6MW (former Alstom) MingYang (2blades) SCD 6.0MW Dongfang/Hyundai Adwen AD Rodi.nl

41 Geïnstalleerde capaciteit Generation cost in cents/kwh Offshore Annual average wind speed at 50m height [m/s] 40m hub height 55m hub height 75 hub height

42 Geïnstalleerde capaciteit 10 meter hoogte = 0,3 X 100 meter hoogte 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 Bron: RVO

43 Geïnstalleerde capaciteit Eenheid [MW] Eenheid [10 6 MWh] Concentratie in windrijke gebieden MW s zeggen niet alles!!! Bron: CBS

44 Geïnstalleerde capaciteit Jos Beurskens Urk, Westermeerwind Urk, afgebroken Zuidlob-Vattenfall-NUON 44

45 Geïnstalleerde capaciteit Bron: NEV

46 Geïnstalleerde capaciteit Bron: NEV

47 Geïnstalleerde capaciteit Bron: NEV

48 Geïnstalleerde capaciteit Bron: CBS/Beurskens

49 Geïnstalleerde capaciteit % Nederland: 0,2 kw/inwoner (nr. 11) Denemarken; 0,9 kw/inwoner (nr. 1) Een mens verbruikt ongeveer 0,1 kw continu

50 Extreme klimaten Jos Beurskens 8Winds Cold Climate Remote Mainstream Wind Mainstream Wind Power Power Offshore Hot Deserts

51 Extreme klimaten Annual Energy production (P90) 100% No operation during icing 72% Maximum Icing protection 99% VTT, Winterwind 2013

52 Extreme klimaten Technological maturity level Technology maturity curves for Cold Climate adaptations High Low temperature adaptations Hot air circulation de- or anti-icing Electrothermal de- or anti-icing (factory installed) Electrothermal anti-or de-icing (retrofitted) Anti-icing coatings Low Time

53 Extreme klimaten Jos Beurskens

54 Acceptatie & Impact (visuele impact, opschalen) n 1 D 1 8 x 28m (0,25 MW) 2 x 53m (1 MW) n 2 D 2 1 x 75m (2 MW) n 1 D 2 = n 2 D 1 2 Jos Beurskens

55 Acceptatie & Impact (visuele impact, opschalen) P: power H: height of tower D: rotor diameter ECN/Jos Beurskens

56 Acceptatie & Impact (visuele impact, opschalen) Voor- en nadelen opschalen Rotordiameter: x 2 Aantal turbines: x 1/5 (+) Toerental: x 1/2 (+) Zichtbaarheidsafstand: x 2 (-) = 10 x 56 Jos Beurskens

57 Acceptatie & Impact (opschalen) λ = V tip V wind ongestoord = Ω.R V wind ongestoord Ω λ.v wind ongestoord 1 = R Ω ~ R Jos Beurskens Lager toerental vermindert negatief visuele impact

58 Acceptatie & Impact (veiligheid voor omgeving) D [m] P Omw/s Omw/ min MW 0,13 7,5 60 1,2 MW 0,26 15, kw 0, kw 1, ,5 kw 7,6 460 Figures apply for a wind speed of approximately 8 m/s; Beaufort 4/5. Rotational speed decreases with increasing rotor diameter (Same number of blades and wind speed)

59 Acceptatie & Impact (veiligheid voor omgeving) Jos Beurskens 59

60 Acceptatie & Impact (energieterugverdientijd) Windenergie is een van de hoogstscorende energieomzettingstechnieken.

61 Dank u voor uw aandacht! Photo: Jos Beurskens 61

62 62

63 de Windturbine ENERCON Zephyros Direct drive: Permanent magnets (Scarcity of Neodymium?) HTS (high temperature super conductivity) 63

64 Windparken Wind speed U U U 0 Down stream distance Bron:Risø X separation

65 Geïnstalleerde capaciteit

66 Extreme klimaten Source: Expert Group Study on Recommended Practices for Wind Energy Projects in Cold Climates. IEA Wind Recommended practices no

67 Extreme klimaten Cold Climate wind energy about 25% of global wind power, but growth potential is similar to world growth rate: Sufficient track records for investors & Enormous room for application of innovations for cost reduction