Wind energie en CO2 uitstoot - 2.

Fred Udo


Inleiding.

Het doel van het toevoegen van windturbines aan de elektriciteitsvoorziening is het verminderen van het brandstofverbruik en dus van de CO2 uitstoot van de klassieke centrales. Het is een wijdverbreid misverstand, dat een percentage windenergie in de stroomvoorziening leidt tot datzelfde percentage vermindering van het brandstofverbruik. Dit misverstand wordt veelal in stand gehouden door de gegevens over het brandstofverbruik niet te publiceren.
Eirgrid, het Ierse equivalent van Tennet, is vorig jaar begonnen met de publicatie van gegevens over de Ierse elektriciteitsvoorziening. De Eirgrid website geeft tabellen van de waarden van de totale stroomvraag, de windproductie en de CO2 uitstoot voor ieder kwartier. Een eerste analyse van deze gegevens is gepubliceerd in: "Wind energy in the Irish power system." Dit vervolgartikel bevat een tweede analyse, die aantoont dat de werkelijke besparing van het brandstofgebruik aan nauwe grenzen gebonden is.

Definities.
Een belangrijk begrip is de windpenetratie. Dit is de bijdrage van windenergie aan de stroomvoorziening gedurende de periode van een jaar. De Ierse gegevens zijn beschikbaar voor ieder kwartier, dus de integratieperiode kan korter gekozen worden. In dit geval moeten wij onderscheid maken tussen de begrippen windbijdrage en windpenetratie. De twee getallen zijn alleen gelijkwaardig, wanneer in de gekozen periode de verdeling van de windsterkten gelijk is aan de (Weibull) verdeling over een jaar.
Het rendement van het toevoegen van windenergie is het percentage vermindering van de CO2 uitstoot gedeeld door het percentage wind in het systeem. Deze definitie is toepasbaar voor een windbijdrage en voor een windpenetratie. Dit rendement wordt door de voorstanders van windenergie altijd op 100% gesteld.
De CO2 intensiteit is de hoeveelheid grammen CO2 uitgestoten per opgewekte kWh. Deze waarde kan gedefinieerd worden als de uitstoot van de conventionele centrales alleen, maar ook als de uitstoot van het totale systeem met windbijdrage inbegrepen. Beide definities worden hier gebruikt.


Het Ierse systeem.

Figuur 1 van de voorgaande publicatie laat de verdeling over de verschillende brandstoffen zien. Gas neemt 66% en kolen en turf nemen 21% van de productie voor hun rekening. De waterkrachtcapaciteit is bijna 500 MW, maar het afgegeven vermogen is daar een fractie van. De windpenetratie was 9,8% in 2010.
De site levert detailgegevens per kwartier over de totale vraag (system demand), de berekende CO2 uitstoot en de windbijdrage, maar de rol van de waterkracht is alleen uit totalen per maand op te maken. Dit is een probleem, want in Ierland staat 216 MW aan waterkracht en 280 MW aan gepompte waterkracht. Waterkracht is de ideale stroombron om de fluctuaties van windenergie te compenseren. Het Ierse systeem lijkt dus veel op het Nederlandse met één uitzondering: In Ierland beschikt men over een (bescheiden) hoeveelheid waterkracht.


April 2011

In april 2011 was de bijdrage van waterkracht klein vanwege de droogte, terwijl een deel van de waterkrachtcentrales vernieuwd werd. Hierdoor werd in April het Ierse systeem vergelijkbaar met het Nederlandse.
De correlatie tussen de windbijdrage en de CO2 uitstoot geeft informatie over het rendement van windenergie. De correlatie is berekend voor elk van de 2880 kwartieren van de 30 dagen van april. De CO2 intensiteit is berekend over de totale stroomproduktie en over de produktie van de klassieke centrales alleen. Het diagram toont het verloop van beide getallen met de momentane windbijdrage. Het diagram bevat 5760 meetpunten.

Figuur 1

De horizontale as is de windbijdrage uitgedrukt als percentage van de totale vraag. De punten in rood geven de CO2 uitstoot van de conventionele centrales alleen, de blauwe punten komen direct van Eirgrid en zijn inclusief wind. De twee kwadratische fits bepalen samen het snijpunt met de Y as. Dit punt bepaalt de CO2 uitstoot zonder windenergie op 440 g/kWh. Het gemiddelde van alle blauwe punten geeft de CO2 intensiteit van het systeem als 418 g/kWh, dus de CO2 besparing is (440 418)/440 = 5% voor de 12% windpenetratie in April.
De fit van de rode punten gaat steeds steiler lopen bij toenemende windbijdrage en dus gaat de fit met de blauwe punten steeds vlakker lopen. Dit betekent, dat bijdragen van windenergie boven de 30% weinig invloed hebben op de CO2 uitstoot van het totale systeem. De windbijdrage aan de afname van de CO2 uitstoot wordt dus geheel teniet gedaan door het afnemende rendement en dus hogere CO2 uitstoot van de klassieke centrales. Het laatste deel van dit artikel bespreekt de gevolgen hiervan.

Dit is niet het einde van het verhaal. Figuur 1 is gebaseerd op de CO2 gegevens van Eirgrid. De verhoging van het brandstofverbruik tijdens het regelen van de centrales is niet verwerkt in de CO2 uitstoot berekend door Eirgrid. Er zijn goede redenen voor de toepassing van een dergelijke correctie. De CO2 intensiteit voor het Ierse systeem wordt gegeven als 533g/kWh voor het jaar 2009. Dit getal is nog niet bekend voor 2010. Uit integratie van de tabellen van Eirgrid volgt een CO2 uitstoot van 450 g/kWh voor de periode november 2010 tm augustus 2011. Het verschil tussen de twee getallen laat ruimte voor tenminste 15% extra CO2 uitstoot. Een deel van dit verschil zal komen uit het brandstofgebruik tijdens het regelen van de productie naar de vraag en naar de momentane windproductie.
Kees le Pair heeft een algorithme voorgesteld om dit extra verbruik te schatten.
Een dergelijke berekening toegepast op de Ierse gegevens geeft een toename van de totale CO2 uitstoot van 4%, terwijl het windrendement zakt van 5,0 naar 4,0%. Het rendement van 12% windpenetratie is dus 12/4 = 33%.


De periode van november 2010 tot augustus 2011.

De stroomproduktie in andere maanden had een groter aandeel waterkracht, dus het windrendement was beter in die maanden. Figuur 2 toont het windrendement in de periode november 2010 - augustus 2011 samen met de productie van hydro-elektriciteit in dezelfde maanden.

Figuur 2

De windpenetratie was 10% en de vermindering van de CO2 uitstoot was 7%. Dit is het getal, gebaseerd op de Eirgrid gegevens. Verminderen wij dit resultaat met het effect van regelen, dan rest een vermindering van de CO2 uitstoot met 5,6%. Het windrendement wordt dan 56% in het Ierse systeem. Het Nederlandse stroomnet is te vergelijken met de situatie in Ierland in april. Dit betekent, dat 10% windpenetratie in Nederland een brandstofbesparing van 4% zal opleveren.


Beperking van het windaandeel (curtailment).

'Wind curtailment' is in het algemeen verbonden met de (on)mogelijkheid om een grote hoeveelheid windenergie in een distributie systeem in te passen. Hier wordt een berekening gegeven, die in het algemeen zal leiden tot grotere waarden van de hoeveelheid verloren wind.
Figuur 1 laat zien, dat 12% windpenetratie gepaard gaat met momentane windbijdragen tussen 0 en 50% van de totale vraag. De verdeling van de blauwe punten laat zien, dat windbijdragen van 30% of hoger weinig vermindering van de CO2 uitstoot veroorzaken. Dit is nagegaan door de windbijdrage te beperken tot 30%. Dit is gedaan door alle punten met een grotere windbijdrage dan 30% de CO2 waarde behorende bij de fit bij 30% te geven.

Onderstaande tabel is gemaakt met de volgende gegevens: De gemiddelde CO2 intensiteit van alle blauwe punten is 417,9 g/kWh. Beperking tot 30% wind is gedaan door alle blauwe punten boven de limiet van 30% de waarde 377g/kWh te geven. Dit is de waarde van de fit bij 30% wind. De CO2 intensiteit stijgt hierdoor van 417,9 naar 418,9 g/kWh.
Dezelfde procedure is gevolgd voor curtailment op 25 en 20% windbijdrage. De tabel laat zien, dat de CO2 uitstoot weinig verandert, zelfs wanneer de windbijdrage tot 20% wordt beperkt.

Beperking
% wind
CO2 int.
[g/kWh]
CO2 int.
toename
wind
verloren
none
<30%
<25%
<20%
417,9
418,9
419,8
421,5
0
0,24%
0,45%
0,86%
0%
7,2%
13,0%
21,0%

De eerste conclusie is, dat beperking van de windbijdrage tot 20 of 30% vrijwel geen verschil maakt in het brandstofverbruik of CO2 uitstoot. De beperking vermindert het verouderen van de generatoren door wisselende belasting en vermindert de kans op blackouts door het wegvallen van grote hoeveelheden windvermogen. De beperking van de windenergie productie is uitgedrukt als percentage van het momentane verbruik. Dit betekent, dat de maximale hoeveelheid windenergie in het systeem varieert met de dag/nacht cyclus van de vraag.
De tweede conclusie is, dat het vergroten van de windpenetratie boven 10% vrijwel geen extra brandstofbesparing zal geven.
Deze conclusies gelden alleen voor een systeem zonder opslagmogelijkheid voor elektriciteit zoals in Nederland.

Tenslotte dient de vraag gesteld of een zo geringe afname van de kooldioxide uitstoot een dermate grote investering in windturbines en de bijbehorende regel- en transportsystemen rechtvaardigt?

Monnickendam, 23 oktober 2011
Aanpassing (fig.2) 4 mei 2012.
E-mail: Fred Udo