Simulatie: Licht blijft branden bij 100 procent wind en zon

De noodzaak van kolen- en kerncentrales is een hardnekkige fabel. De elektriciteitssector draaiende houden op uitsluitend zonne- en windenergie kan absoluut. Wat absoluut niet wil zeggen dat dat ook ons doel moet zijn.

Ontwikkelaars van wind- en zonneparken verrassen vriend en vijand met werkelijk kelderende stroomprijzen. De laatste doorbraak op dat vlak zijn de drie praktisch subsidievrije zeewindparken die voor de Duitse kust de directe concurrentie met fossiele elektriciteit aangaan.

Sceptici, die wind en zon jarenlang als onbetaalbaar bestempelden, kunnen niet meer om de onvermijdelijkheid van subsidievrije hernieuwbare elektriciteit heen. Zij vallen daarom massaal terug naar de volgende verdedigingslinie. Die luidt grofweg als volgt: ‘Ook al zijn wind- en zonnestroom gratis, een energiebron die afhankelijk is van het weer is waardeloos. Omdat het bijna nooit waait en bijna altijd bewolkt is, kunnen we niet zonder baseload-centrales.’  

Niets is zo makkelijk af te serveren als je eigen karikatuur

Om deze beweringen te staven, slaan lobbyisten aan het liegen (zie video), onderzoekt de Trump-regering open deuren en wagen enkele sceptici zich aan uitvoerige rekenexercities. De Groene Rekenkamer rekent bijvoorbeeld voor dat Nederland ruim 760 miljoen Tesla thuisaccu’s nodig heeft om het elektriciteitsnet volledig op wind en zonne-energie te laten draaien. De niet verrassende conclusie is dat dat onbetaalbaar is.

Nu ken ik gelukkig ook geen enkele energieoptimist die beweert dat Nederland zich moet bedruipen met uitsluitend eigen wind- en zonnestroom. Dat is een karikatuur die de Groene Rekenkamer zelf heeft geschapen, en vervolgens zelf belachelijk maakt. Scoort wel zo makkelijk.

En toch, laten we dit spelletje eens meespelen. Uit mijn eigen simulatie hieronder blijkt inderdaad hoe ontzettend lastig (en hoe ontzettend dom) het is om een economie op uitsluitend wind en zon te laten draaien. Ondanks dat zou het Waddeneiland Texel deze extreme switch wel degelijk kunnen maken. En wat Texel kan, kan de rest van de wereld ook.

Simulatie: Texel zelfvoorzienend in elektriciteit, met wind en zon

Allereerst: Het mondiale energieverbruik (transport, warmte, industrie én elektriciteit) is tussen de 100 en 1.000 keer kleiner dan de hoeveelheid energie die wereldwijd op elk moment beschikbaar is uit wind en zonlicht. CO2-vrije energie is er zat.

Daarmee is het lokale energieaanbod van wind en zon echter niet automatisch ook altijd groter dan het lokale energiegebruik. Een uitdaging die volgens sceptici in het geheel niet oplosbaar is. En een uitdaging die volgens mij, ook bij de huidige stand van de techniek, wel is op te lossen.

Om deze tegenclaim rekenkundig te staven, heb ik Excel aangeslingerd en Texel in een rekenblad gevangen. Als basis voor de simulatie geldt het elektriciteitsgebruik van het eiland als geheel op uurbasis, over de jaren 2010 tot en met 2013 (die data had ik uit een eerder onderzoek beschikbaar). Texel gebruikte in deze periode gemiddeld 73.800 megawattuur (MWh) per jaar, bij een gemiddeld vermogen van 8,4 megawatt (MW), een piek van 14,7 MW en een minimum van 4 MW.

Naast deze verbruiksdata heb ik de weerdata voor dezelfde jaren (2010-2013) verzameld, wederom op uurbasis. De windsnelheid en zoninstraling, gemeten door het dichtstbijzijnde KNMI-weerstation (Den Helder) resulteren samen met de powercurve van een windturbine, respectievelijk het rendement van zonnecellen, in de stroomopbrengst van een:

• Vestas V80 windturbine (2MW, op een toren van 80 meter).
  Uit het model blijkt een productiefactor van 30,3 procent voor deze turbine op het vaste land.
• Zonnepaneel met een rendement van 15 procent (30 graden gekanteld richting het zuiden).
  Uit het model blijkt een productiefactor van 10,9 procent voor dit zonnepaneel.

Met de gesimuleerde opbrengst van wind en zon voor de 35.054 uren tussen 31 december 2009 en 1 januari 2014 en de daadwerkelijke stroomconsumptie voor exact diezelfde uren paraat, is de volgende stap het precies matchen van verbruik en -aanbod. Het rekenmodel kent daartoe twee basisvoorwaarden:

1. Het vermogen aan windturbines en zonnepanelen samen is zo gekozen dat Texel op jaarbasis minimaal zoveel energie opwekt als het (in de vorm van elektriciteit) op jaarbasis verbruikt.
2. Het energiesysteem is zo gedimensioneerd dat Texel elk uur evenveel elektriciteit produceert als het verbruikt.

Het is eenvoudig om aan de eerste voorwaarde te voldoen. Een bescheiden windpark van 28 megawatt produceert in deze periode gemiddeld 74.300 MWh per jaar en met 77,5 megawattpiek aan zonnepanelen voldoet Texel precies aan de eis om het jaarverbruik van 73.800 MWh op te wekken. Afhankelijk van voorkeuren en belangen, is Texel vrij binnen deze vermogens een eigen mix tussen wind en zon te kiezen.

Ideale mix van wind- en zonnestroom is verre van ideaal

Aan de tweede voorwaarde voldoen, is uitdagender. Met een ‘omgevingsvriendelijke mix’ van 18 MW aan windturbines en 27,5 MWp aan zonnepanelen genereert Texel op jaarbasis 73.950 MWh. Op maandbasis komt deze mix echter toch niet uit. In de zomer is er teveel elektriciteit, in de winter te weinig (zie figuur 1).

Figuur 1: Elektriciteitsverbruik en -opwek op maandbasis (maandgemiddeldes van 2010-2013).

Op uurbasis is het nog beroerder (zie figuur 2). Met deze energiemix is er gemiddeld op slechts 3.800 van de 8760 uren per jaar voldoende wind- en zonnestroom om in de actuele elektriciteitsvraag (de rode lijn) te voorzien. Witte ruimte onder de rode verbruikslijn toont een stroomtekort. Zon (geel) en wind (groen) zijn ‘gestapeld’ weergegeven. Kleur boven de rode lijn toont een overschot.

Figuur 2: Elektriciteitsverbruik en -opwek gesimuleerd voor een week in de zomer van 2013.

Zelfvoorzienend op jaarbasis én op uurbasis

Als we de volledige simulatietijd doorlopen op het detailniveau van figuur 2, blijkt dat de balans tussen verbruik en opwek in de volledige periode (2010 tot en met 2013) vrijwel nooit ‘precies goed’ is. Er is of te veel, of te weinig stroom. En het merendeel van de tijd is er véél te veel, of véél te weinig. In een poging dit probleem op te lossen, voeg ik een accu aan het rekenmodel. Het model heeft hierna de volgende specificaties:

• 42 MWh opslagcapaciteit, bij een rendement van 90% (goed voor 5 uur levering bij Texel’s gemiddelde gebruik);
• 18 MW wind en 28,5 MWp zon (1 MWp extra om het energieverlies van de accuopslag te compenseren).

Het model voldoet dankzij de extra zonnepanelen opnieuw aan voorwaarde 1. Ondanks het accurendement van 90 procent, blijft het energieverlies door de accu in het hele systeem beperkt tot iets meer dan 1 procent (802 MWh per jaar). Dit omdat de meeste opgewekte megawatturen direct opgebruikt worden en maar 11 procent ‘door de accu gaat’.

De winst van de accu is dat het elektriciteitsverbruik nu voor 5.100 van de 8760 uur per jaar direct uit wind, zon of accu gedekt is. Een enorme stap ten opzichte van de enkele uren ’toevallige balans’ per jaar in het systeem zonder accu. Helaas blijven er na de toevoeging van de accu jaarlijks toch nog nog bijna 3.700 uren over waarin er te weinig elektriciteit beschikbaar is om in de actuele behoefte te voorzien. Tevens zijn er ruim 2.200 uren per jaar waarop de accu al vol zit en wind- en zonnestroom samen nog steeds de actuele elektriciteitsvraag overstijgen. Figuur 3 geeft weer hoe het energiesysteem van Texel functioneert na toevoeging van de accu (de weergave op maandbasis blijft ook met accu praktisch gelijk aan figuur 1).

Figuur 3: Elektriciteitsverbruik en -opwek en teruglevering uit accu gesimuleerd voor een week in de zomer van 2013.

Tijd voor een grotere accu? Helaas. Ook na het vertienvoudigen van de accucapaciteit, blijven er nog 1790 uren met een stroomtekort over. Zelfs bij 4.200 MWh aan accuopslag én een verdubbeling van het windvermogen tot 36 MW resteren er jaarlijks nog altijd 25 uren met een tekort.

Van elektriciteit naar hernieuwbaar aardgas, en weer terug

In plaats van een nog grotere accu te modelleren, voeg ik daarom een een Power2Gas-fabriek toe. Deze fabriek zet water en CO2 om in hernieuwbaar methaan (synthetisch aardgas). Dit gas is daarna bij te mengen in het bestaande gasnet. Om van het hernieuwbare gas op het gewenste moment weer elektriciteit te maken, neem ik daarnaast een gasgenerator (Gas2Power) op. Het model heeft hierna de volgende specificaties:

• 42 MWh accucapaciteit, bij een rendement van 90% (goed voor 5 uur levering bij Texel’s gemiddelde gebruik);
• 32 MW aan Power2Gas-capaciteit, bij een rendement van 50% van elektriciteit naar methaan (synthetisch aardgas);
• 20 MW aan Gas2Power-capaciteit, bij een rendement van 40% van methaan naar elektriciteit;
• 38 MW wind en 38 MW zon (om het verlies van alle energieomzettingen te compenseren).

Het model voldoet na deze aanpassingen volledig aan beide basisvoorwaarden. Texel is met dit energiesysteem zelfvoorzienend op jaarbasis en heeft elk uur genoeg elektriciteit beschikbaar om in zijn eigen actuele behoefte te voorzien. Op jaarbasis levert de Power-2-Gas-2-Power-opslag 14.580 MWh (20 procent) van de 73.800 MWh elektriciteit die Texel jaarlijks verbruikt. In korte stints moet de flexibele gasgenerator in totaal ongeveer 2.600 uur per jaar bijspringen (zie figuur 4).

Figuur 4: Elektriciteitsverbruik en -opwek inclusief P2G gesimuleerd voor een week in de zomer van 2013.

De consequentie van het schaalbare en flexibele maar uiterst energie-inefficiënte opslagsysteem is dat Texel nu jaarlijks ruim 140.000 MWh aan wind- en zonnestroom produceert, terwijl het eindverbruik nog altijd op de originele 73.800 MWh staat. Op jaarbasis en op maandbasis (figuur 4) is er een gigantisch overschot om de balans ook op uurbasis (figuur 5) te garanderen.

Figuur 5: Elektriciteitsverbruik en -opwek inclusief P2G op maandbasis (gem. 2010-2013).

Maar dat is toch niet te betalen?

Dat valt te bezien. Ik ben er van overtuigd dat het systeem zoals gemodelleerd te betalen is voor een economie zoals die van Texel. De enige onzekerheid daarin is de haalbaarheid van voldoende CO2-afvang voor de Power2Gas-fabriek en daar zijn alternatieven genoeg voor. Maar betaalbaarheid is hier het punt niet. Het startpunt voor deze simulatie was de karikatuur van een elektriciteitsvoorziening puur op wind en zonlicht. De input voor de simulatie grenst aan het belachelijke dus dan is het niet gek dat de output ook niet lekker uitpakt. Garbage in is garbage out. 

In de ideale stroomvoorziening voor Texel spelen wind, zon en accu’s absoluut de hoofdrol maar wel ondersteund door bio-energie en andere (geïmporteerde) CO2-vrije elektriciteit. Een dergelijke stroomvoorziening is anno 2017 zonder enige twijfel betaalbaar en tegen 2030 vermoedelijk goedkoper dan de status quo van geïmporteerde (vooral fossiele) stroom op Texel.

Maar Texel is toch niet Nederland?

Texel is, buiten de vakanties, dun bevolkt. Op elke vierkante kilometer wonen 85 mensen. Voor Nederland als geheel ligt de bevolkingsdichtheid op 410 inwoners per vierkante kilometer. Bovendien kent Texel geen industriële grootverbruikers en behoren de Wadden tot de meest gunstige locaties voor zowel windturbines als zonnepanelen. Op Texel is er kortom meer ruimte en potentieel voor hernieuwbare energieopwekking én is er per oppervlak minder behoefte aan elektriciteit.

Snelle en slordige benadering voor Nederland: Volledig autark en ononderbroken in het Nederlandse stroomgebruik voorzien is met uitsluitend wind en zon net aan mogelijk. Op basis van de gemiddeld gevraagde vermogens  (8,4 MW voor Texel en ±13.000 MW voor Nederland als geheel) zou er in Nederland grofweg 60.000 megawatt aan windturbines en 60.000 megawatt aan zon-PV nodig zijn. Dat past (zeker inclusief de territoriale wateren) technisch binnen de landsgrenzen maar is politiek niet te verkopen. Vergeet daarom niet dat we het over een karikatuur hebben.

Maar Texel is toch niet de hele wereld?

Texel is naar Nederlandse maatstaven dunbevolkt. In vergelijking met Europa (70 inwoners per vierkante kilometer) of de rest van de wereld is Texel echter een goede middenmoter. Hetzelfde geldt voor het aanbod aan wind en zonne-energie. Dat ligt in de meeste landen hoger dan op Texel. Bovendien hebben veel landen niet of nauwelijks last van de seizoensvariatie die zelfvoorziening in Nederland tot zo’n enorme uitdaging maakt.

Snelle en slordige benadering voor Europa en de wereld als geheel: Het EU-brede of mondiale elektriciteitsverbruik dekken met alleen wind en zon is uitstekend haalbaar. Ook als we er van uit gaan dat iedereen in 2050 evenveel stroom verbruikt als de gemiddelde Texelaar nu. Voor landen dichter bij de evenaar is een stroomvoorziening op uitsluitend zon niet absurd maar gewoon een prima optie. Zonder seizoenen dient er alleen voor de dag-nachtcyclus gebufferd te worden en dat is uitstekend te doen met thermische opslag bij zonnekrachtcentrales en accuopslag.

Bonus: Als we dikke kabels aanleggen tussen landen en elektriciteit verhandelen, heffen variaties in stroomverbruik en duurzame opwek elkaar deels op. Interconnecties nemen de noodzaak voor opslag en vraaggestuurde elektriciteitsproductie nooit geheel weg maar drukken de voor leveringszekerheid noodzakelijke capaciteit significant. Op wereldschaal waait het altijd wel ergens en staat de helft van de aarde in de zon, op continentaal niveau trekken windvlagen, wolkendekken en verbruikspieken in de ochtend en avond gestaag door de landen heen. Daarom is het sluiten van grenzen voor energie-uitwisseling onhandig en het autark maken van één piepklein eilandje het domste wat je kunt doen. Maar ook dat domste scenario is dus gewoon haalbaar.

Maar uren zijn toch geen millisecondes?

Deze simulatie is uitgevoerd op uurbasis. Voor het elektriciteitsnet een vrij grove resolutie: Vraag en aanbod moeten tot op de milliseconde matchen. Altijd. Zowel bij overschotten als tekorten valt het net al snel om en zit je echt in het donker.

Draaiende kolen- en gascentrales zijn belangrijk om deze balans te bewaken. Deze reageren als ‘spinnende reserve’ automatisch op variaties in stroomafname. Accu’s zijn echter ideaal om deze functie over te nemen. En met een aantal uren aan accucapaciteit hebben flexibele gascentrales alle tijd om op stoom te komen voordat de opslag is opgebruikt.

Maar achteraf simuleren is toch niet vooraf voorspellen?

Deze simulatie is uitgevoerd op basis van historische data, zowel voor het verbruik als het weer. Dat maakt het makkelijk om de boel ‘rond te rekenen’. Daarom koos ik er voor om vier onafgebroken jaren te modelleren. Daarmee zijn veel meer extreme waarden gedekt dan bij één jaar simulatietijd. Zeker als dat ene jaar slim gekozen is om mijn visie te ondersteunen. 😉

Het voorspellen van vraag en aanbod van elektriciteit was altijd al een kunst op zich. Het voorspellen van vraag en aanbod is ook altijd al afhankelijk geweest van het weer: Als er vroeg in de avond een donkere wolk overtrekt, doen mensen eerder het licht aan. Als het in de winter hard waait, moet de CV extra pompen om het huis warm te houden. Bij een stortbui op de verkeerde plek piekt de bemaling van polders, kelders en bouwputten. En op een hete zomerdag vallen kolen- en kerncentrales stil omdat er geen koelwater beschikbaar is.

Met de opkomst van zonne- en windenergie als stroombron is het plannen van capaciteit nog iets complexer geworden. Echter zeker niet te complex. Met de ervaring met weersafhankelijke bronnen, groeit ook de accuraatheid van opbrengstvoorspellingen. Met de verwachtte opkomst van accu’s, aanbodgestuurde laadpalen en warmtepompen en met moderne omvormers in windturbines en zonnepanelen die zich als ‘spinning reserve’ gedragen, is het bewaken van de juiste frequentie en voltage op het elektriciteitsnet juist weer eenvoudiger. Deze ontwikkelingen gaan hand in hand en borgen dat de stroomlevering ook bij een groot aandeel wind en zon zeker zo zeker blijft als hij nu is.

Maar elektriciteit is toch niet het totale energiegebruik?

Zeker niet. Elektriciteit is, afhankelijk van waar je woont op de wereld, de belangrijkste of de minst belangrijke energiedrager. Op Texel is elektriciteit slechts goed voor ±15 procent van het totale energiegebruik (in de gesimuleerde jaren). Voor Nederland als geheel ligt dat aandeel rond een kwart van het gehele energiegebruik.

Het oorspronkelijke uitgangspunt van deze studie (ik ben afgestudeerd op scenario’s voor een energieneutraal dan wel zelfvoorzienend Texel) was het dekken van de gehele energievraag van het eiland. Dat blijkt met een combinatie van wind, zon en biogas mogelijk. Weliswaar is er nog meer opwekcapaciteit nodig maar technisch is het in vele opzichten minder complex om het gehele energieverbruik te dekken met weersafhankelijke bronnen dan uitsluitend het elektriciteitsverbruik. In de systemen voor warmte, mobiliteit en transport zijn van nature al veel buffers inbegrepen.

Conclusie: Het kan wel

De simulatie maakt inzichtelijk dat de transitie naar een CO2-arme elektriciteitsmarkt veel complexer is dan sommige optimisten misschien denken maar tegelijkertijd veel haalbaarder is dan veel sceptici pretenderen.

De simulatie toont aan dat een afgepaste combinatie van wind- en zonnestroom, accu’s en gasgeneratoren alle essentiële functies van baseload-centrales probleemloos overneemt. De claim dat de leveringszekerheid van stroomvoorziening in het geding is als must run kolen- en kerncentrales uit de elektriciteitsmix vallen, is daarmee weerlegd.

Deze simulatie laat zien dat een elektriciteitsvoorziening, zelfs op de microschaal van het eiland Texel, volledig over kan op uitsluitend weersafhankelijke (intermitterende) bronnen. De hoofdclaim dat windturbines en zonnepanelen waardeloos zijn is daarmee weerlegd.

De politieke uitdaging van nu is niet langer het betaalbaar maken van wind- en zonnestroom an sich maar het het CO2-vrij en kosteneffectief maken van elektriciteitsbronnen die bijspringen op de momenten dat het niet waait en de zon niet schijnt. Dat vereist helaas opnieuw subsidies (of liever: CO2-beprijzing). Zonder centrale sturing maken subsidievrije wind- en zonneparken straks samen met goedkope (en toch gesubsidieerde?) kolencentrales de dienst uit.

Imagecredit: Miquitos, via Flickr Creative Commons (cropped)

• Over
• Laatste berichten

Thijs ten Brinck

Veelschrijvende ingenieur met een brede interesse.
Oprichter WattisDuurzaam en duurzaamheidsadviseur bij We-Boost Transitions.

Laatste berichten van Thijs ten Brinck (alles zien)

• Lijstjestijd: De meest gelezen artikelen van 2024 + 3 herkansingen - 30 dec 2024
• Kernreactor Flamanville 3 pakt nog net een mijlpaaltje voor de kerst - 23 dec 2024
• Antiek zonnepaneel levert na 31 jaar 79,5% van origineel vermogen - 16 dec 2024