Wind door de molen


In juli en augustus 2013 verschenen deze krantenberichten:

1.
Kabinet, werkgevers, vakbonden en milieuorganisaties hebben op hoofdlijnen een energieakkoord bereikt.
Het akkoord bevat afspraken over vermindering van CO2-uitstoot en energiebesparing en moet de komende jaren zorgen voor miljarden aan investeringen.
Het bedrijfsleven kan er zijn concurrentiepositie door versterken en er ontstaan ook nieuwe mogelijkheden voor ondernemerschap.
Nederland heeft internationaal afgesproken te streven naar een volledig duurzame energievoorziening in 2050.

2.
De bouw van het Gemini windpark, 60 km. ten noorden van Schiermonnikoog, start begin 2015.
In 2017 zullen de molens elektriciteit leveren aan meer dan 785000 huishoudens.

3.
Corus start grootste hoogoven op in India.
De opbrengst is 8000 ton ruwijzer per dag

4.
Britten testen batterij voor de opslag van wind- en zonne-energie.
Met 10MWh is het de grootste van Europa.
De kosten bedragen 18,7 miljoen pond.

Hieronder wordt op deze berichten ingegaan.

1. Het energieaccoord

De aanleiding hiervoor zijn de rapporten van het IPCC, waarin de gestegen CO2 concentratie in de atmosfeer
door industriŽle productie als oorzaak wordt aangemerkt van globale temperatuurstijging.
Bij verdere verhoging hiervan wordt gevreesd voor extreme weersomstandigheden en dramatische stijging van de zeespiegel.
Volgens deze zienswijze, door regeringen en milieuorganisaties omhelsd, maar allerminst onomstreden,
is snelle reductie van de CO2 concentratie in de atmosfeer noodzakelijk om de aarde en haar bewoners te redden.

Het IPCC gaat uit van computermodellen.
Een model is een verzameling formules en aannames, die het verband tussen grootheden aangeven.
Als een model waarheidsgetrouw is dan kan het toekomstige ontwikkelingen voorspellen.
Het levert dan ook een verklaring voor vroegere omstandigheden.
Sinds 1998 is de temperatuur op aarde echter niet meer gestegen, ondanks de toegenomen CO2 concentratie
van 280ppm in 1800 naar naar 400ppm nu. (400 parts per million = 0,04%).
De IPCC modellen hebben dat niet voorspeld.
Er is ook geen toename van extreme weersomstandigheden.
De kleine ijstijd van 1500 tot 1800 blijft onverklaard.
Klimaatverandering is daarom voorlopig een virtueel probleem.

Een belangrijker factor dan CO2 is waterdamp, waarvan de concentratie kan oplopen tot 40.000ppm.
De invloed van waterdamp op de temperatuur wordt nog niet goed begrepen.
Het IPCC concentreert zich slechts op de rol van CO2 inplaats van het klimaat als geheel.
Critici worden geridiculiseerd, de dialoog wordt ontlopen.
Dat kan duiden op zwakte van argumenten, ideŽle verblinding of gewoon opportunisme,
want "klimaatverandering" opent potten met miljardensubsidies en verschaft aanhangers van
de hypothese het aanzien van een profeet.

Het energieaccoord, gesloten tussen regering, werkgevers, vakbonden en milieuorganisaties omvat als doelstelling in het jaar 2020:
    - 20% reductie van CO2 uitstoot
    - 14% duurzame energieopwekking
    - 2% energiereductie per jaar
Windenergie wordt, naast zonnepanelen en CO2 opslag, gezien als een manier om deze doelstellingen te verwezenlijken.
Het uiteindelijke doel is vrijwel volledige decarbonisering van de energievoorziening in 2050.

2. Het Gemini windpark

Gegevens van het park:
    - type molen: Siemand SWT - 3.6
    - aantal molens: 150
    - vermogen : 600MWatt [1]
    - jaarproductie: 2,6TWh, voldoende voor 785.000 huishoudens.
    - CO2 reductie per jaar: 1.250.000 ton
    - onderlinge afstand molens: 668m.
    - totale oppervlakte: 65km2
    - zeediepte: 30m.
    - fundering molen: monopile (stalen pijp) diameter 7m.
    - Totale kosten: Ä 2,8 miljard.
Een moderne molen (windturbine) is een indrukwekkend apparaat.
Gegevens van de SWT - 3.6 :
    - nominaal vermogen: 4Mwatt
    - ashoogte: 90m.
    - gewicht toren : 300 ton (staal)
    - gewicht gondel met tandwielkast en generator : 140 ton
    - liters olie in tandwielkast : 750
    - diameter rotorbladen: 130m.
    - gewicht rotorbladen : 18 ton (fiberglass , epoxy)
    - output : 50Hz. , 690V
    - laagste windsnelheid (instap) : 5m/sec (windkracht 3)
    - hoogste windsnelheid (uitstap) : 25m/sec (windkracht 10 )
    - nominale windsnelheid 13m/sec (windkracht 6)
    - gewicht funderingspijp : 500 ton
    - gewicht substructure : 300 ton (tussen fundering en toren)
Het totale gewicht van een turbine is ca. 1250 ton.
De kosten per turbine bedragen 18,6 miljoen euro.

Gemiddeld levert een molen op zee 30 tot 35% van het maximale vermogen.
Dat heet de productiefactor.

De opgegeven opbrengst van het windpark is veel te optimistisch.
Die gaat teruggerekend uit van een productiefactor van 49,5%.

Het eenvoudigste model Volkwagen Golf weegt 1250kg.
De prijs is Ä 18.990 , de 1.2 liter motor heeft een vermogen van 63kW.
Een windmolen heeft het gewicht van 1000 VW 's Golf, kost evenveel als 974 Golfs
en levert gemiddeld evenveel vermogen als 1.600.000 / 63.000 = 25 van deze personenauto's.

Een vat ruwe olie (barrel) heeft een inhoud van 159 liter en kost ongeveer Ä 100.
Voor de prijs van een windturbine kunnen we dus 185.000 vaten olie kopen.
De totale energie hiervan is 185.000 * 159 * 36MJ = 1050 TJ = 294150 MWh.
Een molen levert per jaar een energie 4Mw * 24 * 365 * 0,4 = 14000 MWh.
Zodat een molen 21 jaar moet draaien om deze energie terug te verdienen.
Zonder subsidie waagt geen ondernemer zich hieraan, want de levensduur van een molen is 20 jaar.

Bij een windpark splitst men in feite een generator van 200Mwatt van een centrale
in 50 kleine generatortjes van 4Mwatt en plaatst die op 100 meter hoge palen in zee.
Het resultaat is, dat beneden windkracht 3 geen energie meer wordt opgewekt.

3. Corus hoogoven in India

In AziŽ vindt een opmerkelijke en verheugende ontwikkeling plaats.
Jaarlijks ontworstelen zich daar vele miljoenen mensen aan armoede en gebrek in een tempo
dat door westerse landen nimmer is geŽvenaard.

De oorzaak is industriŽle ontwikkeling. De genoemde hoogoven is ťťn van de vele voorbeelden.
Volgens opgave van Tata Steel te IJmuiden, komt bij de productie van een ton staal 1,5 ton CO2 vrij.
(Koolstof (C) is nodig om ijzeroxide in erts te reduceren).
Onze voorouders kapten sinds het ijzertijdperk al grootschalig bomen voor de bereiding van houtskool voor dit doel.
De hoogoven in India stoot per dag 12000 ton CO2 uit.
Het Gemini windpark bespaart per dag 3425 ton.

In China en India zijn de komende jaren 800 nieuwe kolencentrales gepland.
Een kolencentrale stoot per MWh 900kg. CO2 uit.
Een middelgrote centrale van 1GWatt stoot per dag ongeveer 10.000 ton CO2 uit.

4. Energieopslag

De samenleving is geheel afhankelijk van fossiele brandstoffen.
Olie levert de brandstoffen voor transport en is tevens grondstof voor synthetische materialen.
Kolen was de brandstof voor stoommachines, de opvolger van de windmolen.
Nu is het brandstof voor elektriciteitscentrales. China draait voor 75% op kolen.
Gas is naast brandstof voor elektriciteitscentrales ook de hoofdleverancier van verwarming in huishoudens,
landbouw en industrie.

De voorraden fossiele brandstoffen zijn eindig.
Eens moet een transitie plaatsvinden naar andere energiebronnen.
Over de termijn bestaat onzekerheid.
De Europese Unie hanteert Roadmap2050, waarin de transitie in 2050 nagenoeg voltooid moet zijn.
De hoofdreden hiervoor is CO2 reductie.
Volgens schattingen is er nog zeker voor 200 jaar fossiele energie.
Kolen en gas kunnen met chemische processen worden omgezet in olie.

Fossiele brandstoffen zijn opgeslagen energie, miljoenen jaren geleden door planten gemaakt uit CO2,
water en zonlicht. Want CO2 is het voedsel van planten.
De energiedichtheden zijn
    - gas : 35MJ = 9,7kWh per m3
    - kolen : 30MJ = 8,33 kWh per kg.
    - olie : 36 MJ = 10kWh per liter
Bij de energietransitie is het probleem niet de opwekking.
Het maakt in principe niet uit of een generator in een centrale staat, op een paal in zee, of in een stuwdam zit.
Het kernprobleem is de energieopslag.
Een berg kolen, een barrel olie of een tank gas is opgeslagen energie.
Energietransitie is opslagtransitie.
Zonder grootschalig opslagsysteem is er, zelfs met de Noordzee vol windparken, geen sprake van energietransitie.
Maar zo'n systeem is er niet. Er is geen betaalbare vervanging voor kolen, olie of gas.
Bij het opraken van de fossiele brandstoffen belanden we bij de huidige stand van de techniek dus in het tijdperk
van voor de stoommachine. Schepen konden toen pas uitvaren als er voldoende wind was.
Straks kan de Intercity alleen rijden vanaf windkracht 5.

Elektriciteit is zelf geen energie, maar alleen een overbrengingsmechanisme.
Elke seconde moet precies evenveel energie aan het net worden geleverd als er wordt afgenomen.
De generatoren in de centrales moeten zich permanent aan de vraag aanpassen.
Netbeheerder TenneT slaagt daar tot nog toe wonderwel in.
De stroomvoorziening in Nederland is uiterst betrouwbaar.

Plaatsing van windmolenparken vergroot nooit de capaciteit van het net,
want als het niet waait wordt de stroom als vanouds geheel door de centrales geleverd.
De exploitatie van centrales komt echter wel in gevaar.
Centrales dienen in het geval van windenergie over meer snel regelbaar vermogen te beschikken
om het wisselvallige energieaanbod te compenseren.
Dat regelen vergt energie waardoor het rendement daalt.
Er wordt ook minder energie geleverd bij dezelfde vaste kosten, wat de prijs van elektriciteit nogmaals verhoogt.
Bij het aanzetten van de douche thuis duurt het even voordat het water op temperatuur is.
Hoe vaker de douche aan en uit wordt gezet, hoe groter de warmteverliezen.

Een windturbine met zijn sterk wisselende energieopbrengst rechtstreeks op het net aansluiten
is een principieel verkeerde keuze.
Het maakt de taak van de netbeheerder beduidend lastiger. De kans op storingen neemt toe.
Studies en simulaties tonen aan, dat maximaal 20% windenergie in het net kan worden ingepast.
Maar een meer reŽle schatting is volgens sommigen 10%.

Afgezien van de hoge kosten zijn er twee manieren om wind- en zonne-energie grootschalig toe te passen:
    1. energie wordt in een buffer opgeslagen en alleen die buffer levert aan het net
    2. via een gescheiden net wordt energie geleverd aan niet tijdkritische industriŽle processen.
Daarbij kan worden gedacht aan het opladen van batterijen of de bereiding
van synthetische brandstoffen voor de transportsector.

Het kan niet genoeg worden benadrukt : elektriciteitscentrales zijn de enige, die de netspanning constant houden.
Zonder de centrales zijn windparken en zonnepanelen waardeloos, tenzij we terug willen naar het jaar 1600.

Met de ontwikkeling van grootschalige energiebuffers is nog nauwelijks vordering gemaakt,
terwijl dit de kern is van het transitieprobleem.

Het krantenartikel over de grootste buffer van elektrische energie van Europa illustreert de stand van zaken.
De capaciteit van deze grote accu in 10MWh.
Op vol vermogen levert het Gemini windpark elk uur 600MWh.
Zodat de buffer precies 10 / 600 * 60 = 1 minuut productie van het windpark kan opslaan.
De buffer kost 20 miljoen euro.

Energie kan ook worden opgeslagen in een stuwmeer.
Bij energieoverschot wordt water omhooggepompt, bij energievraag loopt het meer leeg waarbij generatoren worden aangedreven.
Deze methode levert alleen voldoende energie bij grotere hoogteverschillen.
Een stuwmeer met diepte 50 meter slaat per km2 een potentiŽle energie op van 3400MWh.[2]

Om 1 week maximale productie van het Gemini windpark op te slaan is dus een stuwmeer nodig
met een opppervlakte van 600 * 24 * 7 / 3400 = 30 km2 , bijna de helft van de oppervlakte van het park.
In de praktijk zal dat minstens het dubbele oppervlak zijn, dus evenveel als de oppervlakte van het windpark zelf.
De bouwkosten zijn immens.

Nederland houdt strategische oliereserves aan voor 60 dagen.

Dit waren enkele beschouwingen naar aanleiding van de vier krantenberichten.
Tot slot nog een kort overzicht van de rol van energie in verleden, heden en toekomst.

Verleden

Primitieve volkeren leven duurzaam maar hun levensverwachting is hooguit 35 jaar.
Ze bereiden hun voedsel op vuurtjes van biomassa : hout of gedroogde mest.
Ziekten en gebrek zorgen voor evenwicht met de natuur.

De westerse mens leefde tot 5000 voor Christus misschien duurzaam als jager-verzamelaar.
Daarna zeker nooit meer want rond de nederzettingen werd bos gekapt voor brandhout, weidegrond en akkers.
Omstreeks 1000 voor Christus begon de ijzertijd.
IJzerbereiding vergt veel houtskool, opnieuw een aanslag op de bossen.
Wel konden de bossen zich na elke pestepidemie enigszins herstellen als de bevolking was gekrompen.
Vanaf 1600 vond grote innovatie plaats op het gebied van wind- en houttechnologie.
Het hout voor de bouw van de windmolens en schepen moest trouwens uit Noorwegen en de Baltische staten komen.
De brandstof was turf.
De energieopbrengst van 2 meter diep afgegraven turf is tien maal hoger dan van dezelfde oppervlakte bos met hoge bomen.

Een mens heeft een energetisch vermogen van 90watt, nodig voor verwarming en de hartspier.
Mechanisch kan 150 Watt vermogen worden geleverd (een atleet 300Watt), bij een rendement van 25%.
Met de hand planken zagen vraagt 600Watt vermogen waarvan 450Watt met zweten wordt afgevoerd.
Een paardenkracht (pk) is 736Watt.
Een paard staat gelijk aan bijna 5 arbeiders waarvan de kracht wel kan worden opgeteld, maar de snelheid niet.
Per paard is 1,5 hectare weidegrond nodig.
Een molen anno 1700 had een vermogen van zo'n 40kW bij een rendement van 40% en verving dus ongeveer 20 paarden.[3]

In 1767 verbeterde James Watt de stoommachine.
Eerdere machines pompten al water uit kolenmijnen, maar het rendement was zo laag en de afmetingen zo groot
dat de machine naar de brandstof gebracht moest worden om rendabel te zijn.
De nieuwe stoommachines van James Watt, met een vermogen van 10 tot 200 pk,
waren zoveel kleiner en efficienter dat het rendabel werd de brandstof naar de machine te brengen.
De windmolens werden door stoommachines vervangen.
Dat maakte de industriŽle revolutie mogelijk met stoomschepen en -treinen.
In 1900 hadden grote schepen stoommachines met een vermogen van 70.000pk.

Met de verbrandingsmotor werd opnieuw meer vermogen geleverd met minder volume en gewicht.
Vliegtuigen werden mogelijk.
Om op te stijgen heeft een Jumbo 747 straalvliegtuig een motorvermogen nodig van 90MWatt, dat is 120.000pk.
oftewel 23 voluit draaiende windturbines.
Vanuit Amsterdam wordt New-York bereikt in 7 uur.
Columbus had in 1492 nog 68 dagen nodig voor de oversteek.

Heden

Nederland telt ruim 16,8 miljoen inwoners verdeeld over 7 miljoen huishoudens.
Een huishouden gebruikt per dag gemiddeld 10kWh elektrische energie en 5m3 aardgas.
Het aantal personenauto's is 7,9 miljoen. Een auto rijdt gemiddeld 37km. per dag.

Voor de elektrische energie van alle huishoudens zijn dus ruim 12 Gemini windparken nodig.
Plus buffercapaciteit uiteraard voor als het niet waait.

Stel, dat door betere isolatie het verbruik van gas per huishouden daalt tot 3m3 per dag.
3 m3 aardgas vertegenwoordigt een energie van 3 * 35MJ = 105 MJ = 30 kWh.
Daarvoor zijn dus nog 36 extra windparken nodig.

Een personenauto heeft mechanisch per km. ongeveer 0,15 kWh. nodig.
Als alle auto's elektrisch rijden dan zijn er dus 150 * 7,9 .106. 37 / (0,8 . 200.106. 24) = 11
Gemini windparken nodig. (rendement opladen accu's en motor 0,9 x 0,9 dus plm. 80%)

Totaal verbruikt Nederland 3 TWh energie per dag.
Dat is dus inclusief huishoudens, industrie, landbouw en transport.
Per inwoner is dat 185kWh. , geleverd door 10 liter olie, 7 m3 aardgas en 2 kg. kolen.
Dat zijn 540 windparken met een totale oppervlakte van ruim 35000 km2.
Voor ťťn week energieopslag is wederom dit oppervlak nodig aan stuwmeren.

De elektrische energie van huishoudens is 2,5% van de totale landelijke energie.
Daarom wordt de capaciteit van een windmolenpark uitgedrukt in bediende huishoudens.

Toekomst

CO2 is het voedsel van planten.
Planten zetten minder dan 1% van de energie van zonlicht om in biomassa.
Hogere CO2 concentraties in de atmosfeer bevorderen plantengroei en vergroening van de aarde.
Ook de landbouwproductie neemt toe.
Tuinders pompen CO2 in hun kassen (tot plm. 800ppm) voor dit doel.

In 1500 leefden in Nederland 950.000 mensen.
Toen was ontbossing al een probleem.
Het is dus een illusie om van biomassa enige bijdrage te verwachten aan de energievoorziening.
In een gedecarboniseerde economie zal biomassa hard nodig zijn als grondstof voor o.a. plastics.
Verbranden is zonde.

De heilige graal van de energietransitie is goedkope massaopslag van elektrische energie,
vergelijkbaar met olie, dus minstens in de orde van 30MJ / liter.
Elektrisch autorijden breekt dan door, wat een enorme verbetering zou zijn.
Verbrandingsmotoren stinken, maar we kunnen niet zonder.

Maar de vraag is of zo'n opslagsysteem er ooit zal komen.

Een krachtiger brandstof dan olie is uranium: energiedichtheid 80.106 MJ/kg.
Aan 135kg. oftewel 7dm3 per dag heeft heel Nederland genoeg.
Zonder noemenswaardige CO2 uitstoot, zonder afhankelijkheid van weer en wind.
Externe buffers zijn overbodig, want het uranium is de buffer.

Wel moet met deze energie ook synthetische brandstof (waterstof, alkohol) worden geproduceerd
voor de transportsector, tenzij de superbatterij er al is gekomen.
Tijd dus voor chemisch onderzoek.

Het kernfysisch onderzoek staat al jaren op een laag pitje.
Juist hier is de nodige innovatie te verwachten waarmee we weer 1000 jaren vooruit kunnen.
Te denken valt dan aan nieuwe typen veilige centrales, kernfusie en superbatterijen.
Radioactief afval moet worden verwerkt tot nuttige grondstoffen.

De vraag: "waarom is er leven op aarde?" heeft een simpel antwoord: het is er omdat het kan.
Het leven komt voort uit moeder aarde, maar die bekommert zich niet om haar schepselen.
Die moeten maar zien zich aan te passen.
Duurzaamheid is overleven door aanpassing.
Voor de mens komt dat neer op technologische ontwikkeling.

[1]
Joule is de eenheid van energie.
Watt is de eenheid van vermogen: 1 watt = 1 Joule per seconde.
1000 watt vermogen 1 uur lang is een energie van 1kWh (kilo watt uur)
(een stofzuiger heeft ongeveer een vermogen van 1000Watt)
1kWh = 1000 * 3600 = 3.600.000 Joule
Afkortingen:
    Kkilo1.000
    MMega1.000.000
    GGiga1.000.000.000
    TTera1.000.000.000.000
[2]
Een massa van m kg., h meter opgetild tegen de zwaartekracht in, heeft een potentiŽle energie
    mgh Joule
waarbij g = 9,8 m/sec2 , de versnelling van de zwaartekracht op aarde.

Een stuwmeer met oppervlakte A km2 heeft een oppervlakte van 108 dm2.
Een waterkolom met grondvlak 1 dm2 en hoogte h meter heeft een massa m = 10h kg.
Wordt deze kolom opgetild over Dh meter dan is de benodigde energie DE = 9,8.10h.Dh
Integreren levert de totale energie E = 49 H2 voor een hoogte van H meter.

Een stuwmeer van H meter hoog en oppervlakte A km2 bevat dus een potentiŽle energie
    E = 4,9 . 109 AH2 Joule
Een stuwmeer van 50m. hoog buffert per km2 een energie van 3400 MWh.
In de praktijk zal dat minder zijn wegens minimaal benodigde waterhoogte en rendement van pompen en generatoren.

[3]
In theorie kan een molen maximaal 59% van de windenergie vangen.
Het vermogen is met de derde macht afhankelijk van de windsnelheid.
Bij halve windsnelheid wordt nog 12,5% van het nominale vermogen geleverd.

De energie van een massa m die beweegt met v meter/sec is 0,5mv2
Lucht heeft op zeeniveau een massa van 1,2kg. per m3
De massa van het luchtvolume dat per seconde door de wieken gaat is p R2v.
(R is de lengte van een wiek in meters)
    E = 0,5 * p R2v * v2 = 1,57 R2v3 Joule.
Een moderne molen vangt 40% van de windenergie.
Een molen in het jaar 1700 met wieken van 10m lang:
bij een windkracht van 12 m/sec en 15% afgevangen windenergie is het vermogen
    0,15 * 1,57 * 102 * 123 = 40 kWatt.
Door hoge wrijving van de houten tandwielen was het rendement ongeveer 40%.
De energieopbrengst was dus zo'n 16 kWatt of 21pk.