Volgens de rijksoverheid moet Nederland in 2030 maar liefst 55% minder broeikasgassen uitstoten vergeleken met 1990: “Het streven is zelfs 60% vermindering. In 2050 wil Nederland klimaatneutraal zijn. Dat wil zeggen dat de uitstoot van broeikasgas in 2050 niet hoger is dan wat er vastgelegd wordt, netto is de uitstoot dus nul. Het kabinet geeft elk jaar inzicht in hoe het gaat met het beleid en het halen van de doelen. (…)
Sinds 2019 schrijft het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL) elk jaar een Klimaat- en Energieverkenning (KEV). In dit rapport staat hoeveel broeikasgassen Nederland uitstoot. En hoeveel uitstoot het PBL in de komende jaren verwacht. Met die cijfers geeft de KEV een schatting of Nederland de doelen van 2030 en 2050 gaat halen.”
Volgens het KEV 2022 gaf 1990 een uitstoot van 227 Mton CO2 en wordt voor het jaar 2030 dus gestreefd naar 102 Mton CO2-eq. uitstoot. Uit mijn vorige berekeningen blijkt dat dit allemaal iets tegenvalt. Ik kom voor de afgelopen periode tot 2022 tot een reductie van 20,7% en denk dat met de plannen die in het KEV 2022 zijn doorgerekend, niet veel meer dan 39,2% reductie tot 2030 gehaald kan worden (dit overigens exclusief niet-energetisch gebruik: 7,23 Mton CO2 in 2021, ik vermoed dat die voor 1990 niet is afgetrokken).
Maar goed, dat is dus als alle plannetjes tenminste door kunnen gaan. En daarover gaat deze blog. Hoe reëel zijn die plannen?
Zon en wind
Het is misschien handig om eerst eens naar de energiebehoefte van de Nederlandse sectoren (inclusief elektriciteitsverbruik) voor het jaar 2030 in relatie tot die van 2021 te kijken:
– Dit komt dus aardig overeen met de KEV tabellen voor 2021 (3024 PJ) en 2030 (2734 PJ), waarbij de laatste relatief grote afwijking vooral komt door het abusievelijke opnemen van de 2025 gegevens voor mobiliteit in de 2030 verzameltabel (469 ipv 456 PJ). –
De ongerijmdheden in dit overzicht zijn al eerder aan de orde geweest in de vorige blogs over dit onderwerp en met name de enorme winst die in zeven jaar tijd worden verwacht bij de sector ‘gebouwd’ lijken mij nauwelijks realistisch. CE Delft heeft in opdracht van Tennet dan ook een hele andere prognose voor het jaar 2020:
In plaats van een afname van 5 PJ elektriciteit tot 2030 voor de ‘gebouwde omgeving’, verwacht Tennet dus een toename van maximaal 20,5 PJ (= 5,7 TWh). Voor mobiliteit een toename van maximaal 44 ipv 24 PJ. Voor de industrie geen 37 maar maximaal 92 PJ toename. En datacenters kent het KEV 2022 eigenlijk helemaal niet. Een toename van 55 PJ?
Hoe kunnen de prognoses zo ver uit elkaar lopen?
Het idee van de ‘energie-wende’ is eigenlijk heel simpel. ‘We’ gaan zoveel mogelijk processen ‘elektrisch’ maken. Vervolgens wordt de elektriciteitsproductie, die in 2021 voor het belangrijkste deel werd geleverd door kolen (143 PJ), aardgas (274 PJ) en biomassa (76 PJ) met een klein deel zon en wind (67 PJ) voor 2030 vervangen door een veel groter deel zon en wind (waarvoor geen omzettingsverliezen gelden (352 PJ) en een kleiner deel aardgas (124 PJ), want dat is ook groene energie volgens de EU.
Totaal zal 552 PJ elektriciteit worden geleverd in 2030 tegen 424 PJ in 2021. In 2030 verwacht de overheid (netto) 90 PJ aan elektriciteit te kunnen exporteren. Uit de verzameltabel 47b (Energiebalans 2030) valt vrij simpel te zien waar precies de grote klapper gemaakt moet worden. Daar waar de energieopwekking door zonnepanelen ook al behoorlijk groeit naar 84 PJ (van 41 PJ in 2021) is het vooral de windenergie die fors in betekenis toeneemt (van 65 PJ in 2021 naar 330 PJ in 2030).
Windmolens
Volgens het CBS waren er eind 2020 in Nederland 2 606 windmolens, die gebruikt werden voor de productie van elektriciteit:
“Hiervan stonden er 2 144 op het land (inclusief binnenwateren) en 462 op zee. In dat jaar werd door deze windmolens voldoende elektriciteit geleverd om 5,6 miljoen huishoudens te kunnen voorzien (15,3 miljard kWh). Hiervan is 36 procent geproduceerd door windmolens op zee en 64 procent door windmolens die op het land staan. In 2021 was de productie opgelopen naar 19 miljard kWh. (zie link)
Door de gemiddeld grotere ashoogte is de capaciteit van windmolens op zee met een gemiddeld vermogen van 5 megawatt (MW) groter dan van die op land (2 MW). Daarnaast profiteren windmolens op zee van een hoger windaanbod, waardoor ze meer elektriciteit kunnen produceren. De zogenaamde productiefactor (daadwerkelijke elektriciteitsproductie gedeeld door de maximaal mogelijke productie) voor een windmolen op zee is 41 procent, terwijl dit voor een windmolen op land 29 procent is.”
In 2021 stond op zee 2.460 MW windmolencapaciteit (tegen 5.286 MW op land). De grotere productiefactor voor windmolens, ten opzichte van de andere grote hernieuwbare energiebron (zonne-energie) maakt dat de Nederlandse overheid zich bij haar streven naar “klimaatneutraliteit” vooral focust op wind op zee.
De ‘productiefactor’ voor weersafhankelijke bronnen wordt ook wel uitgedrukt in zgn. ‘vollasturen’. Het aantal vollasturen kan worden gezien als de tijdsduur waarin de energiebron effectief op vol vermogen energie heeft geproduceerd. Deelt men het aantal vollasturen door het totaal aantal uren in de beschouwde tijdsperiode (in een jaar bijvoorbeeld 8766 uur) dan verkrijgt men de capaciteitsfactor.
Zo is dan te berekenen dat zonnepanelen gemiddeld ‘slechts’ 850 vollasturen kennen (een zonnepaneel van 100 W wekt per jaar dus zo’n 85 kWh op). Maar voor windmolens kunnen het aantal vollasturen oplopen van 2500 uur voor windmolens op land, tot wel 5000 voor windmolens op zee. Voor de laatste windparken in Nederland (Borselle I+II) wordt het aantal vollast uren ingeschat op 4.383.
– Toch valt het in de praktijk vaak tegen. Volgens het CBS werd in 2021 een totaal van 8.504 miljoen KWh op zee geproduceerd. Bij het opgestelde vermogen van 2.460 MW geeft dat dus een vollast van 3457 uren. Nu was 2021 een behoorlijk windstil jaar, maar een hogere vollast dan 3.733 uur (2019) heb ik niet gevonden.-
In Nederland worden voor het jaar 2030 in de Noordzee maar liefst windparken aangelegd met een totaal vermogen (Wp) van 21 GW, welke dan met 3.733 vollasturen een totale productie van 78 TWh, ofwel 282 PJ gaan opleveren. Voor de windparken op land wordt voor het jaar 2030 een vermogen van 7.389 MW aangehouden, wat bij een aantal vollasturen van 2156 toch ook nog 57 PJ zal produceren.
Totaal komt dit dus aardig in de buurt van de 330 PJ die in het KEV voor windenergie in het jaar 2030 is aangehouden.
84 PJ voor zonne-energie betekent, met een vollast van 850 uur/jaar, dat er in 2030 ook ongeveer 27,5 GW vermogen aan zonne-energie moet zijn opgesteld. Toch lijkt er dan een bepaald probleem op te doemen. We hebben dus (21+6+27,5=) 54,5 GW aan weersafhankelijke energiebronnen opgesteld, die (weliswaar gedeeltelijk) ook tegelijkertijd zullen aanspringen en vollast produceren.
De Nederlandse elektriciteitsbehoefte (waarop ook de net-capaciteit is afgestemd) is echter afgestemd op een basisprofiel van 104 TWh/jaar (375 PJ/jaar). Volgens Tennet is er: “een maximale vraag van 17,5 GW. Deze piekvraag wordt slechts sporadisch bereikt. Op een gemiddelde dag heeft het basisvraagprofiel een vraag van zo’n 8,5 GW in het dal en 14,5 GW op de piek.”
Maar dat de weersomstandigheden voor de elektriciteitsvraag nogal uitmaken, blijkt uit de twee weken die in de Tennet studie zijn bijgehouden (zomer 2015 en winter 1987)
(GO=Gebouwde Omgeving; IND= Industrie; GTB = Glastuinbouw; DC = Datacenters; Mob = Mobiliteit en HE = Hernieuwbare energie)
Hoe gaat dat opgelost worden? En hoe zit het met de uren waarbij geen enkele van de boven beschreven weersafhankelijke energiebronnen ‘aanspringt’ (de zgn. ‘dunkelflauwte’)?
Weersafhankelijkheid
Voor wat betreft de zonne-energie zijn we natuurlijk snel klaar. Wanneer de zon volop schijnt, dan kunnen we in 2030 de rest van de energie-opwek staken. Dat moeten we blijkbaar ook doen, want anders komen we dus niet aan de 84 PJ die in de KEV 2022 is voorspeld voor het jaar 2030.
Maar hoe zijn de Nederlandse vollast-uren voor windmolens dan te bepalen?
Het lijkt een goed idee om dan eerst eens te kijken naar de werking van een windmolen. Hoeveel wind moet er staan om de wieken in beweging te krijgen en wanneer is er sprake van ‘vollast’?
Helaas is het mij alleen gelukt om de karakteristieken van een land-windmolen van 2 MW te vinden, maar het is geen onlogische aanname om te veronderstellen dat de standaard 5 MW windmolens op zee een vergelijkbaar profiel kennen. Ik heb de waardes die bij de 2 MW molen dan ook vermenigvuldigd met 2,5 om een betere benadering voor ‘wind op zee’ te krijgen.
Volgens de data in de Klimaatatlas van Nederland (KNMI, 2002) geldt voor Vlissingen (op 7,04 km van Borsele gelegen), dat er in een ‘gemiddeld jaar’ 19,87% uren met een windsnelheid lager dan 3 Baeaufort (Bf), ofwel een windsnelheid lager dan 3,4 m/s. Dat zijn 1.741 uren met onvoldoende windkracht om de windmolen in beweging te krijgen. Dan zijn er 28,13% van de uren (2.464 uur) groter of gelijk aan windkracht 5 (vanaf 8,0 m/s). In de klimaatatlas worden windsnelheden echter gemeten op 10 meter hoogte. Op as-hoogte van 100 meter zitten we dan al op windkracht 6, dit is zo ongeveer de snelheid waarop verwacht wordt dat de windmolens op volle capaciteit gaan draaien.
Dat betekent dus dat gedurende 52% van de tijd de windsnelheid op de Noordzee moet liggen tussen de windkracht 3 en 6. Zoals hierboven is te zien (maal factor 2,5) wordt er dan een vermogen opgewekt wat ligt tussen de 212,5 en 1500 kW per uur (bij een 2 MW windmolen).
Dit lijkt me een duidelijke illustratie van het probleem met windmolens. Te zien is dat de productie van de opgestelde windmolens niet, zoals hierboven door het CBS wordt gesuggereerd, voldoende is om 5,6 miljoen huishoudens van hun elektriciteitsbehoefte kunnen voorzien, maar dat een veel grotere groep wordt bediend, alleen gedurende slechts een deel van het jaar.
Pas vanaf een windsnelheid van 7 m/s beginnen de windmolens aardig wat elektriciteit op te leveren (30% van het vermogen). Maar ongeveer de helft van het jaar is er dus (zelfs in Vlissingen) minder wind. De windmolens geven dus 11,2 miljoenhuishoudens, bijna de helft van het jaar, voldoende energie. Maar gedurende de rest van het jaar dus –bijna- niets?
Pollock-limiet
Op deze vraag is de afgelopen tijd – indirect natuurlijk- ook gefocussed op Wattsupwiththat.com. Hier zijn drie, voor de inhoud van de site wat mij betreft misschien wel de meest invloedrijkste, auteurs, met elkaar in debat gegaan over de zgn. Pollock limiet.
De aftrap werd gedaan door de ‘beminnelijke’ Christopher Monckton, die de theorie van een kennis, Douglas Pollock, ongeveer twee weken geleden, wereldkundig maakte. Zijn theorie werd (vorige week) echter bekritiseerd door Francis Menton, die wat vraagtekens stelde bij stellingen en uitgangspunten van de theorie en ook wat verbeteringen voorstelde.
Dit werd enkele dagen later gevolgd door een heftige reactie van Monckton (14 jaunuari), die van geen kritiek wilde weten. De positie van Monckton werd echter verder in het nauw gebracht door een reactie van Willis Eschenbach op 19 januari jl.
Eschenbach ging op basis van statistisch materiaal in op de theorie en kwam tot twee verschillende bevindingen: a) de Pollock limiet bestaat waarschijnlijk wel, en b) hij is niet daar te vinden waar Monckton (en Pollock) dachten te weten waar hij was.
Waar gaat het over?
In de theorie van Pollock (volgens Monckton) zou de maximale bijdrage van weerafhankelijke energie gelijk zijn aan het gemiddelde van de capaciteit van de windmolens en zonnepanelen die aan het net worden toegevoegd. Of in de woorden van Menton:
“Monckton (and Pollock) thus seem to be saying that if (for example) a wind turbine system can only generate about 35% of nameplate capacity “realistically achievable under real-world conditions,” then it’s futile to build any more wind turbines once you get to 35% wind penetration into output, because the 35% penetration is a mathematical limit that cannot be exceeded.”
Menton maakt vervolgens aan de hand van een rekenkundig voorbeeld duidelijk dat dit niet kan kloppen:
“According to the German Umwelt Bundesamt (Federal Environmental Agency), Germany got 41% of its electricity from renewables in 2021. That well exceeds the “average fraction of nameplate capacity” of the wind and solar generators that is “realistically achievable” (however that may be defined), which is around 30% averaged between the two of them. The difference, I believe, is a result of the overbuilding. Thus the case of Germany demonstrates that overbuilding can, and in the real world does, lead to exceeding what Monckton calls the “Pollock limit.”
To illustrate how this works, let me introduce some math. However, in accordance with my practice, I will avoid fancy proofs and stick to simple arithmetic.
Consider an electricity system with a constant 1 GW demand, to be supplied to the extent possible with wind turbines. Assume that the wind turbines operate at 50% of nameplate capacity averaged over the course of the year. In this location, it turns out that the weather is such that the wind blows at full strength 25% of the time, half strength 50% of the time, and not at all the remaining 25% of the time. You build 1 GW of nameplate capacity of wind turbines to exactly match demand when the wind is at full strength. Over the course of the year, you get from the wind turbines all of your demanded electricity 25% of the time, half of it 50% of the time, and none the remaining 25% of the time, which as stated comes to an average of 50% over the course of the year. The penetration of wind power on the grid at 50% is equal to the capacity factor of the wind turbines at 50%, and thus is exactly at the “Pollock limit.”
Can you get more than the 50% grid penetration from wind production, even though the turbines only produce at 50% of nameplate capacity? Yes — by overbuilding. You can double the amount of wind turbines. Then, in the 25% of the year when the wind blows at full strength, you will get double the electricity you need, and will have to discard or “curtail” half of the production. In the 50% of the time when the wind blows at half strength, you will get exactly the amount of electricity you need. And in the remaining 25% of the time when the wind does not blow at all, you get nothing.
Averaged over the course of the year, even though the wind turbines only operate at an average of 50% of capacity, you have gotten 75% of your electricity from the wind system, at the cost of doubling the size of the system and throwing away 25% of the electricity produced. And you still have no electricity 25% of the time.”
Eschenbach gaat vervolgens in zijn artikel over dit onderwerp, op grond van een Ierse case-studie uit van een waarde die op 140% van de Pollock-limiet zit, zoals omschreven door Monckton.
