Slordig denken over windenergie geeft onjuiste conclusies

Windpark Amalia op de Noordzee: wel degelijk een bijdrage aan brandstofbesparing en CO2-reductie.

De brandstofbesparing door windenergie is veel lager dan iedereen denkt, berichtten recent verschillende blogs. Tweede-Kamerlid René Leegte (VVD) bepleitte een nader onderzoek, en stelde vragen aan minister Verhagen van El&I. De berichten zijn gebaseerd op een notitie ‘Brandstofbesparing bij de Nederlandse elektriciteitsvoorziening’ van dr. Cees le Pair, die al eens eerder een vergelijkbare analyse maakte. Men kan van mening verschillen of windmolens mooi of lelijk zijn, maar de brandstofbesparing (en daarmee de CO2-reductie) door wind is geen mening: Die is gewoon uit te rekenen .

Door Bart Ummels en Jan Paul van Soest

Dat is dan ook gebeurd. Meerdere malen. Onder meer door een van ondergetekenden in zijnproefschrift Wind Integration (2009). Afstudeerhoogleraar prof. Wil Kling werkte destijds deels bij TenneT, het landelijk netbedrijf dat het hoogspanningsnet beheert en precies weet hoe het elektriciteitssysteem werkt. Andere rekensommen zijn gemaakt door Kema, in 2010, op verzoek van het ministerie van Economische Zaken. Het door René Leegte gevraagde onafhankelijke onderzoek is er dus al. Er zijn ook tal van internationale studies; net verscheen bijvoorbeeld eenanalyse van het Insitute for Public Policy Reseach in het VK. Al die studies komen tot geheel andere getallen dan die van Cees le Pair: de brandstofbesparing en de CO2-reductie komen in alle studies veel hoger uit.

Hoe kan dat? Als Le Pair gelijk zou hebben kloppen al die andere studies niet. Maar als dat het geval is, hebben ook de energiebedrijven die windturbines bouwen zitten slapen. Die doen dat immers om brandstoffen en daarmee kosten te besparen, en om CO2 te verminderen, waar ze ook een prijs voor moeten betalen. Verkeerde conclusies voelen ze direct in de portemonnee.

Gesimplificeerd beeld

Het antwoord laat zich niet alleen raden, maar ook narekenen. Cees le Pair’s benadering is gebaseerd op een gesimplificeerd beeld van hoe het elektriciteitssysteem werkt, en zijn aannamen sporen niet met de praktijk.

De elektriciteitsvoorziening is complex, maar wie eenmaal doorziet hoe het systeem werkt kan schatten hoeveel en ook welke brandstof er wordt bespaard als er meer wind wordt bijgebouwd. De kern is dat de vraag naar stroom altijd varieert (dag/nacht, seizoen, pieken/dalen), waarop het geheel aan productie-eenheden moet kunnen inspelen. Welke centrale op welk moment wat levert is een kwestie van marktwerking. De centrales met de laagste brandstofkosten per kilowattuur (preciezer: de laagste marginale kosten) draaien zo goed als altijd, dat zijn kerncentrales (in ons land is er maar een) en kolencentrales. Zogeheten middenlastcentrales, hoogefficiënte gascentrales, draaien harder of zachter al naar gelang de vraag naar stroom. Ook moderne kolencentrales zijn zo ontworpen dat ze meer of minder hard kunnen draaien zonder veel rendementsverlies. Alleen als de vraag heel hoog is moeten soms weinig energie-efficiënte pieklastcentrales bijspringen, maar die gaan snel weer uit als de stroomvraag weer zakt, domweg omdat de kosten per kilowattuur van die centrales te hoog zijn om ze te laten doorsjouwen.

Effect van duurzame bronnen op het elektriciteitssysteem ('merit order'): stroom tegen de laagste marginale kosten opgewerkt, zoals zon en wind, concurreert duurdere aanbieders weg. Bron: http://yes2renewables.org/2011/12/21/the-merit-order-effect-how-renewables-enter-electricity-markets/

Wat gebeurt er nu als er in dat systeem een hoeveelheid windvermogen staat opgesteld en het begint te waaien? Wind heeft geen brandstofkosten, en is als het waait dus een zeer aantrekkelijke aanbieder op de elektriciteitsmarkt. De kern- en kolencentrales draaien gewoon door, de middenlastcentrales op aardgas worden teruggeregeld, en uiteraard als eerste de pieklastcentrale als deze draaide bij hoge vraag. Het is nooit een enkele centrale die dan uit gaat, maar de elektriciteitsmarkt zorgt er voor dat het hele systeem, alle centrales bij elkaar, zo worden teruggedraaid dat de productie van stroom steeds in evenwicht is met de vraag. En wel op zo’n manier dat de stroomprijs steeds zo laag mogelijk is gegeven die vraag. Dat geldt dan ook de brandstofkosten, waarop iedere producent maar wat graag bespaart. De brandstofbesparing door windenergie komt dan overeen met de hoeveelheid brandstof die de centrales die op een lager pitje gaan draaien niet hoeven te gebruiken als het waait. Het ontwerp van die centrales is zo dat ze maar weinig, maar wel iets, aan rendement inboeten als ze worden teruggeregeld. Windinpassing vindt op die manier plaats in een markt, waar stroombedrijven continu optimaliseren qua kosten – inclusief CO2-rechten.

De vraag naar elektriciteit varieert dagelijks en jaarlijks veel meer dan het variërende maar overigens goed te voorspellen aanbod van zonne- en windenergie. Het technisch hoogstaande elektriciteitssysteem kan de vraagschommelingen gemakkelijk aan, vooral door de goed en zonder veel rendementsverliezen bij te sturen gascentrales. Gas zorgt voor een grote flexibiliteit in het stroomaanbod. En elektriciteitscentrales zijn flexibel genoeg voor de grote variaties in de vraag inclusief een groter aandeel wind. Tal van rekensommen laten zien dat het aandeel windenergie nog aanzienlijk kan worden opgevoerd terwijl het elektriciteitssysteem die extra variatie ten opzichte van de enorme schommelingen die er al waren door wisselende vraag probleemloos kan blijven opvangen.

CBS gegevens

Wie wil uitrekenen wat de brandstofbesparing door wind is, moet dus allereerst begrijpen hoe het systeem werkt, weten hoe sterk de variaties per uur, dag en seizoen zijn, hoe de inzet van centrales wordt geregeld, en vervolgens in welke mate windenergie de normale variaties groter maakt, en wat dat betekent voor de inzet van de centrales. Cees le Pair doet dat allemaal niet. Waar gaat het mis?

Ten eerste: Le Pair gebruikt CBS-gegevens als basis van zijn redenering en wekt daarmee de indruk dat hij, in tegenstelling tot andere modellen, juiste gegevens gebruikt. De gegevens van het CBS zijn gemiddelden over een jaar terwijl de markt van elektriciteit reageert op een vraag en aanbod van het moment. Le Pair gebruikt de gemiddelde cijfers van het CBS zonder een kwantitatieve analyse te maken van de werkelijke variaties van windenergie. De grofmazige CBS-statistieken op jaarbasis die Le Pair gebruikt zijn ongeschikt om uitspraken op te baseren over de stroomvoorziening die per minuut wisselt. Er zijn veel te veel variabelen op de tijdschaal van uren en dagen die de output van CBS bepalen. Dus Le Pair kan geen conclusies trekken over die tijdschalen. Le Pair heeft onvoldoende inzicht in hoeveel meer variaties windenergie toevoegt aan de continue wisselende vraag en kan ook geen conclusies trekken wat de invloed daarvan is. Le Pair baseert zich met deze aanpak op drijfzand.

Ten tweede: de complexiteit van het elektriciteitssysteem wordt op een ondeugdelijke manier versimpeld, waarop dan in wezen 'achterkant van een enveloppe'-berekeningen worden losgelaten. Die staan echter geheel los van de wijze waarop de elektriciteitsvoorziening werkt, zoals net beschreven. Er is een schat aan informatie beschikbaar over de elektriciteitsvoorziening, bijvoorbeeld de rendementscurves van centrales, waarin staat hoe het rendement van een centrale varieert met de productie die overigens beperkt is, daar zorgen de energieproducenten wel voor. Die inzichten en kennis laat Le Pair links liggen.

Ten derde: in de berekeningen zitten tal van onjuiste aannames. Het zijn er teveel om allemaal te bespreken, maar laten we er een noemen, de aanname dat bijstoken van biomassa geen invloed heeft op het rendement van conventionele centrales. Iedere elektriciteitsproducent weet dat dit wel zo is (denk aan natte GFT, dat kost zo een paar procent rendement). Dit rendementsverlies is significant en kan niet worden weggelaten.

Ten vierde: de studie maakt voor windenergie een andere som dan voor andere centrales. Le Pair trekt de energie die het kost om windmolens te bouwen af van de door hem (zoals gezegd: op onjuiste wijze) berekende brandstofbesparing. Dat doet hij echter niet voor andere centrales, zoals kolencentrales. Gelijke monniken, gelijke kappen: of zo'n som moet voor alle productiemiddelen worden gedaan, of voor geen. Wie een energiebron, in dit geval wind, anders behandelt dan de andere maakt geen faire vergelijking.

Elektriciteitsbesparing

Idealiter wordt de brandstofbesparing uitgerekend met een model dat de samenhang van het elektriciteitssysteem beschrijft, zoals gedaan door TU Delft, TenneT, Kema en anderen. Het kán ook wel op de achterkant van een enveloppe, maar alleen als het 'model' dat in het hoofd van de rekenaar zit spoort met de werkelijkheid. Anders komen er rare uitkomsten. Indien bijvoorbeeld het 'model'  van Le Pair op elektriciteitsbesparing worden losgelaten, zou dat tot de wonderlijke en inderdaad onjuiste conclusie leiden dat elektriciteitsbesparing amper tot brandstofbesparing leidt. Een snelle daling van de stroomvraag heeft vergelijkbare effecten op het elektriciteitssysteem als een snelle verhoging van het aanbod van wind. Iedereen voelt wel op zijn klompen aan dat stoppen met stroom gebruiken brandstof bespaart. Met wind is het niet anders.

Zo kan het dus dat Le Pair op basis van zijn model schat dat het vergroten van het aandeel windvermogen tot 20% van alle productievermogen (dat is nu een dikke 20.000 MW) leidt tot negatieve besparingen qua fossiele brandstof en CO2- uitstoot. Wind zou dan in die sommen meer brandstof vergen in plaats van minder. Het eerder genoemde onderzoek van KEMA toont aan dat 12.000 MW windvermogen zonder noemenswaardige rendementsverlies kan worden ingepast in het huidige elektriciteitssysteem. Slechts 0,3% van de totale productie zal verloren gaan door het terugregelen van windproductie. Ook laat het KEMA-rapport zien dat de CO2-uitstoot met 17% daalt bij verdubbeling van het aandeel windvermogen.

De conclusie is helder: het verzoek aan de Minister voor een onafhankelijk onderzoek over windenergie komt voort uit een verkeerd beeld van het elektriciteitssysteem, doorgerekend met hiervoor niet geschikte sommen en onjuiste aannamen. Het onafhankelijke onderzoek is al gedaan, in Nederland en in het buitenland – dat bespaart de Minister dus weer tijd en geld.

Dr. Ir. Bart Ummels is directeur, BMO Offshore, meetdiensten voor windenergie op zee;

Ir. Jan Paul van Soest is partner, De Gemeynt coöperatie,  advies en idee-ontwikkeling voor duurzaamheid