Debets b.v. - Stadskanaal vs april PV als alternatief voor wind. Windmolenpark v.s. zonneweide

Transcriptie

1 Windmolenpark v.s. zonneweide Een vergelijking tussen twee opties voor duurzame energieproductie. Door Debets b.v. op verzoek van de gemeente Stadskanaal. Versie: april

2 Inleiding. De gemeente Stadskanaal heeft Debets b.v. gevraagd of de plaatsing van zonnepanelen in zonneweiden een reëel alternatief is voor het plaatsen van windmolens. Hieronder wordt uitgelegd wat de context is van het streven naar duurzame energieproductie en er wordt uitgelegd of zon PV een reëel alternatief is voor wind op land. In de bijlage wordt op een aantal punten dieper ingegaan. De context. De Nederlandse duurzame energie-opgave voor 2020 is bepaald door de Hernieuwbare Energie Richtlijn van de EU (2009). De Nederlandse duurzame energie inspanning is daarin vastgelegd op 14% van het Bruto Energetische Eindverbruik. Het huidige kabinet heeft in het regeerakkoord de ambitie op 16% in 2020 gesteld, in het energieakkoord van 2013 is het 2020 doel op 14% gesteld 1. De doelen die gesteld zijn voor wind op land zijn hier van afgeleid, deze worden doorgaans uitgedrukt in de eenheid van vermogen: 6000 MW. Het is wat verwarrend dat onze energiedoelen in percentages en in vermogen worden uitgedrukt. Uiteindelijk gaat het om de hoeveelheid energie, dit wordt uitgedrukt in de eenheden Watturen of Joule. In deze tekst wordt de eenheid kwh gebruikt (zie ook bijlage 1). Over de begrippen Vermogen en Energie en Tijd. Een windmolen zet de energie uit de bewegende lucht (wind) om in elektrische energie en een zonnepaneel zet de energie uit zonlicht ook om in elektrische energie. De capaciteit om energie om te zetten noemen we het vermogen, de eenheid van vermogen is de Watt (W). De eenheid van energie is Watt uur (Wh). Energie is het product van Vermogen en Tijd. Onthoud: Energie = Vermogen * Tijd In eenheden is deze formule : Wh = Watt * uren. Afgeleid geldt dan: Tijd = Energie/ Vermogen of Uren = Wh/W Windmolens Om de productietijd van molens schatten kan ook worden gerekend met: Energie = Vermogen * Tijd In 2013 stonden er 2071 windmolens op land met een totaal vermogen 2707 MW 2, (= 2,707 miljoen kw) samen produceerden deze windmolens op land 5603 miljoen kwh 3. 1 Nederland heeft nu ongeveer 5% duurzame energie, ca. 100 PJ 2 Het gemiddelde molenvermogen op land was in 2013: 1,3 MW. Bron: CBS. 3 Dit is ca. 5% van het totale stroomgebruik. 2

3 De productietijd was dus: 5603 miljoen kwh/ 2,707 miljoen kw = 2069 uren. Dit berekende urental noemen we de vollast uren. Zonnepanelen Op een mooie zomerdag straalt de zon ongeveer 1000W per m 2 (op onze breedtegraad) aardoppervlak. Een modern zonnepaneel 4 kan daarvan ca. 16% omzetten in stroom, dus 160 Watt. Dit maximale vermogen noemen we het piekvermogen: Wp. Een zonnepaneel heeft een standaardmaat van 1,60 m 2, dus een vermogen van 1,6 m 2 * 160W = 256 Watt of 0,256 kw per paneel. In de praktijk is de jaarlijkse productietijd (opbrengst gedeeld door vermogen: kwh/kw) 850 tot 900 uren. Een m 2 levert dus bij 900 uur: 160 Watt * 900 = Wh = 144 kwh. Nederland heeft nu ruim 1000 MW aan PV systemen opgesteld, de totale productie is ca. 850 miljoen kwh. Dat is ongeveer 0,7% van ons stroomverbruik 5. Nadere toelichting op productie uren Zoals hierboven is aangegeven zijn voor de energie productie zijn het vermogen én het aantal productie uren van belang, want: energie = vermogen * tijd. Voorbeelden van windmolens: In 2013 was het berekend aantal vollast uren alle windmolens op land in Nederland Dit verschilt van jaar tot jaar. Op kustlocaties ligt dit hoger, in het binnenland lager. Voorbeeld Groningen vs. Flevoland. In Groningen stond in 2013 aan molenvermogen opgesteld: 376 MW, de productie was 842 miljoen kwh, het aantal uren vollast was dus: 842/0,376 = 2239 uren. In 2012 was dat: In Flevoland was dat: 1712 uren (2013) en 1560 (2012). Bron: CBS rapportage Hernieuwbare Energie In Nederland Zonnepanelen: Voor zonnepanelen is de vollast productie ook jaar-afhankelijk, aan de kust wordt iets meer geoogst dan in het binnenland, een perfecte opstelling oogst meer dan een niet goed opgesteld systeem en nieuwere systemen halen meer uren dan oudere. De variatie ligt tussen 800 en 1000 uren per jaar was een goed zonnejaar. O.a. Solarcare heeft een 4 Voor deze stroom producerende systemen gebruikt men de verzamelnaam: photo voltaïsche (PV) systemen. 5 Kanttekening: ons stroomverbruik is ca. 20% van ons totale energieverbruik. 3

4 monitoringsprogramma, hun meerjaren gemiddelde ligt op 875 uren, 2014 was 900 uren. Maar individuele uitschieters kwamen in 2014 op 1000 uren (zie ook bijlage, punt 5 ). In onderstaande berekening gaan we van 2200 uren vollast voor molens in Drenthe en 900 uren voor zonnepanelen in zonneweides. Beide zijn aan de hoge kant, maar niet onmogelijk. Productie km 2 Veel nieuwe windmolens die op dit moment geplaatst worden zijn tussen 3 en 5 MW. De afstand tussen de molens is meter. Per vierkante kilometer (=100 ha) kan je er dus 4-11 plaatsen. Hieronder wordt gerekend met molens van 3 MW waarvan er 6 per km 2 geplaatst worden, dus 18 MW ( kw) per km 2 of 180 kw per ha. Uitgaande van energie = vermogen * tijd is de productie per km 2 dus: kw * 2200 uren = 39,6 miljoen kwh. Bij zonneweiden is het totale veld oppervlakte niet bedekt met panelen, er is ruimte tussen de rijen voor onderhoud en voor de vermindering van schaduwwerking. Afhankelijk van de inrichting wordt bij kleine velden gerekend met een bedekkingsfactor van 0,5 tot 0,7. Bij grotere velden in b.v. Duitsland is de bedekkingsfactor veel lager. Uitgaande van 0,6 (dus 60% bedekking) heeft een m 2 grond 0,6 m 2 zonnepaneel. Met een vermogen van 160 Watt per m 2 (dit zijn de betere panelen die nu in de markt zijn) is het vermogen per m 2 grond dus: 160 W * 0,6 = 96 Watt per m 2. Per km 2 dus kw aan vermogen of bijna 1 MW per ha. Uitgaande van energie = vermogen * tijd is de productie per km 2 dus: kw * 900 uren = 86,4 miljoen kwh. Hiermee is op basis van de onderbouwde aannames en praktijkgegevens aangetoond dat per oppervlakte eenheid de productie van elektriciteit van zonneweiden een factor 1,6 hoger ligt dan van windmolens. De kanttekening is dat bij windmolens de omringende grond nog andere functies kan houden. Hoeveel m 2 zonnepanneel is nodig om 150 MW wind te vervangen? De vraag is iets specifieker te stellen: hoeveel m 2 zonnepaneel is nodig om de stroomproductie van 150 MW aan windmolenvermogen te vervangen. Uitgaande van de opgave van 150 MW aan wind en de onderbouwde 2200 uren vollast produceren geldt: kw * 2200 uren = 330 miljoen kwh. Dit kan vervangen worden door zonneweiden. Hierbij gaan we uit de boven beredeneerde 144 kwh per m2. 4

5 330 miljoen kwh/ 144 kwh = 2,29 miljoen m 2 of 2,29 km 2 of 229 hectare aan zonnepanelen. Dit zijn 1,4 miljoen panelen van 1,60 m 2 per stuk. Hierboven werd uitgelegd dat er per m 2 grond er ca. 0,6 m 2 paneel geplaatst kan worden. Dan is er 380 hectare nodig (229/0,6). Het vermogen is: 330 miljoen kwh/900 uren = 367 MW. Conclusie: Om 150 MW aan wind te vervangen door zonnepanelen is ca. 367 MW nodig. Dit vraagt een oppervlakte van ca. 380 ha. De praktijk In Nederland kennen we windopstellingen met meerdere molens goed, zonneweides zijn nog vrij onbekend. Een van de grootste ontwikkelingen ligt bij Breda bij de A16 van de coöperatie Zonnewijde met ca. 2 MW op 2 ha. Het grootste zonnepark van Europa ligt in Oekraïne (Perovo) met een omvang van 100 MW, de grootste van Duitsland is Finstwerwalde met 83 MW. Beide rond 100 ha. De boven berekende omvang van 367 MW op 380 ha. is dus van (nu nog) ongekend grote schaal. De gehanteerde 0,6 m 2 paneel per m 2 grond is krap, bij wat ruimere opstelling loopt het grondoppervlakte snel op naar ha. Technisch is het mogelijk en ruimte is er genoeg in de regio, in de huidige praktijk zijn er echter nog wel barrières te overwinnen. Op de financiële aspecten wordt hier niet ingegaan. De 14% opdracht voor duurzame energie van Nederland is nog beperkt in omvang, de vervolgontwikkelingen na 2020 zullen nog veel verder moeten gaan. Ondanks miljarden subsidie, technologische ontwikkelingen en decennia met veel aandacht voor duurzame energie en besparing slaagt Nederland er nog niet in boven de 5% te komen en het energiegebruik te verminderen. De noodzakelijke energietransitie vraagt om grote ingrepen en onorthodoxe projecten. Het voorstel om zeer grote PV velden aan te leggen is zo n onorthodox voorstel. ================ 5

6 Bijlage 1 Wat is kilo, mega, giga, tera, peta, exa, zetta? Om het gebruik van te veel nullen te vermijden wordt gewerkt met voorvoegsels: kilo, mega, giga, tera, peta en zetta. Elke volgend voorvoegsel is keer groter dan de voorgaande. Dus kilo is en mega is kilo. Peta staat voor een 1 met 15 nullen, of een miljoenmiljard. SI voorvoegsel SI verkort voorvoegsel Waarde Hoofdtelwoord Machten van 10 kilo K duizend 10 3 mega M miljoen 10 6 giga G miljard 10 9 tera T biljoen peta P biljard De relatie tussen vermogen, energie en tijd Er zijn meerdere eenheden mogelijk voor het begrip energie, hieronder worden er twee toegelicht: Joule en Wh. Voor vermogen wordt de eenheid Watt gebruikt. De relatie tussen vermogen, energie en tijd is: als een vermogen van 1 Watt gedurende 1 seconde energie omzet, is de hoeveelheid energie 1 Joule. Dus 1 J = 1Ws. We rekenen liever met kilowatt (=1.000 Watt) en met uren (=3.600 seconden). 1 Joule = 1 Watt * 1 seconde of 1 Watt = 1 Joule per seconde 1 kilowattuur = Watt * seconden = Joule = 3600 kj = 3,6 MJ Of: 1 MJ = 0,278 kwh Rekentip: Van kwh naar kj: vermenigvuldigen met 3600 Van kj naar kwh: delen door Verbruik van een huishouden De prestaties van energieprojecten (bv. windmolens) worden wel uitgedrukt in de eenheid energie verbruik huishoudens. Meestal wordt dan gerekend met het stroomverbruik van het gemiddelde huishouden. Daarbij dient te worden aangetekend dat naast het stroomverbruik een huishouden ook gas gebruikt. Het stroomverbruik is slechts 20% van het totale huishoudelijke verbruik. 6

7 Verbruik van een gemiddeld huishouden: jaarverbruik in MJoule in kwh % Gas 1500 m Elektriciteit 3300 kwh Over maatschappelijke kosten Elk energiesysteem leidt tot kosten die niet of niet geheel verdisconteerd worden in de prijs. Voorbeelden zijn de effecten van de klimaatverandering die toegeschreven wordt aan het gebruik van fossiele brandstof; de overlast van windmolens voor direct omwonenden; het verlies aan landbouwgrond bij grote PV opstellingen; de gevaren en het dagelijks werk van kolenmijnwerkers; de milieu verontreiniging van de oliewinning of olietransporten; de geopolitieke effecten vanwege de spanning tussen vraag en aanbod van olie en gas; bevingen als gevolg van gaswinning; de overlast door particuliere houtstook. 5. Vollasturen of productiefactor Als de productie van een systeem gedeeld wordt door het vermogen is het antwoord de factor tijd: kwh/ kw = uren. Deze berekende uren zijn niet gelijk aan het aantal uren dat een systeem feitelijk produceert; een windmolen of zonnepaneel werkt soms niet, soms een beetje, soms op halve kracht, soms op volle kracht. De berekende tijd geeft aan het aantal uren waarin het systeem op maximaal vermogen zou hebben geproduceerd om de gemeten hoeveelheid productie te halen. Dit berekende aantal uren noemt men ook de vollast uren. Soms gebruikt men de term Kwh/kWp, de p staat dan voor het maximaal (piek) vermogen van het systeem. Een jaar heeft 365 * 24 = 8760 uren. Als we de berekende vollast delen op 8760 vinden we de productiefactor of capaciteitsfactor (Cf). Bij een PV systeem is dit b.v.: 850/8760 = 0,097. Men drukt het ook wel uit in een percentage: in dit geval 9,7%. Hieraan worden verschillende termen gekoppeld: rendementspercentage of jaarrendement. Deze termen: vollassturen; kwh/kwp; capaciteitsfactor, productiefactor of rendement komen allemaal op hetzelfde neer. Illustratie: kwh/kwp overzicht van PV systemen in 2014 volgens Solarcare. 7

8 Een kwh/wp van 0,85 betekent 850 uren vollast of 850/8760-0,097 capaciteitsfactor. 6. Vergelijking met de notitie van Bulder Bovenstaande notitie en die van Bulder gebruiken vergelijkbare parameters. Bulder gebruikt de term capaciteitsfactor, Debets gebruikt de term vollast uren. Wind: Bulder gebruikt bij wind een factor 0,210 0,247. In vollast uren is dit: Debets rekent met 2200 uren en geeft aan dat dit aan de hoge kant is. Zon: Bulder gebruikt bij zon een factor: 0,114. In vollast uren is dit: 999. (0,114 * 365 * 24) Debets rekent met 900 uren, ook hierover merkt hij op dat dit aan de hoge kant is. Om de 150 MW aan wind te vervangen kom Bulder uit op 276 MW tot 324 MW, Debets komt uit op 367 MW. Voor het oppervlakte aan zonneweide komt Bulder uit op 442 ha tot 518 ha. Debets komt op 380 ha. en met minder panelen per m 2 op ha. De verschillen zijn niet groot, de orde van grootte is vergelijkbaar. 8