Opwekking van mechanische energie

Windenergie heeft via de zeilvaart een belangrijke bijdrage aan transport gegeven, maar zeilschepen worden tegenwoordig voornamelijk nog gebruikt voor de pleziervaart. De eerst beschreven windmolen was die van Heron van Alexandrië in de 1e eeuw. In zijn beschrijving maakte hij gebruik van een door wind aangedreven wiel om lucht door een orgel te blazen. Uit andere bronnen is te halen dat er in het 4e-eeuwse China en Tibet al een type gebedsmolen voorkwam dat door wind werd aangedreven.

Waarschijnlijk is het dat sinds de 12e eeuw het gebruik van de windmolen in West-Europa opgang maakte. De oudste nog bestaande molen van de Lage Landen dateert uit 1183 en werd gebouwd in het graafschap Vlaanderen te Wormhout. Belangrijke toepassingen van windmolens waren het malen van graan, het pompen van water en ook het zagen van hout. Het gebruik van windenergie heeft in Nederland een grote vlucht genomen met de inpoldering en de droogmakerijen in de 17e eeuw. Dankzij het werk van deze windmolens kreeg Nederland zijn huidige aanzien.

Neergang

 Bosman-molentje

Met de uitvinding van de stoommachine in de 19e eeuw had men een krachtig en betrouwbaar hulpmiddel dat kon worden ingezet zonder afhankelijk te zijn van de wispelturigheid van de wind. Daardoor verdwenen windmolens langzamerhand uit het landschap. Alleen voor kleinschalige toepassingen bleef het gebruik van windenergie tot ver in de 20e eeuw gehandhaafd, uit Amerika kwam de windmotor en uit Piershil het Bosman-molentje. Deze laatste molenpomp, ook bekend als opbrengertje, was lang beeldbepalend in de Nederlandse polders.

Opwekking van elektriciteit

Met de ontwikkeling van de elektriciteit in de negentiende eeuw werden ook pogingen ondernomen om elektriciteit te winnen met behulp van windenergie. Door de hoge investeringskosten was elektriciteitsproductie door windenergie alleen op kleine schaal economisch in gebieden waar nog niet was geïnvesteerd in infrastructuur van elektriciteitstoelevering. Ulrich Hütter bouwde, in 1957 in Duitsland, een 100 kW horizontale aswindturbine met aerodynamisch gevormde glasfiber vleugels met hoekverstelling (zie Windturbine-aerodynamica), het oermodel van de moderne windturbine^[4]. De jaren 60 en 70 van de twintigste eeuw kenmerkten zich door veel kleine particuliere initiatieven. Eenvoudige windmolens met generatoren van enkele kW tot enkele tientallen kW verrezen in polders op plaatsen waar behoefte was aan elektriciteit. Dankzij subsidiëring waren sommige experimenten zelfs rendabel. Pas na het doemscenario van de Club van Rome en de oliecrisis van 1973 begon het besef te groeien dat fossiele energie eindig is en dat te zijner tijd alternatieven zullen moeten worden gebruikt. De overheid stelde subsidies ter beschikking en er werd geëxperimenteerd met alternatieve bronnen van energie. In Tvind, Denemarken, verrees in 1977 de eerste Europese megawatt  windturbine. Nieuwe verticale aswindturbines als de Darrieus- en de Savoniusrotor  werden onderzocht. Maar al snel werd ontdekt dat het niet makkelijk was om de gewonnen energie in het net te voeden.

Verschillende landen startten projecten om op grotere schaal elektriciteit te winnen. In 2003 was het vermogen mondiaal opgelopen naar 31 GW, tegen 2 GW twaalf jaar daarvoor.

Opgewekte hoeveelheid elektrische energie

De opbrengst van een windturbine hangt af van het type, de windsnelheid, het nominaal vermogen van de windmolen (bepaald door de generator), de tijd die een windmolen kan draaien en het rendement van de omzetting van windenergie naar elektriciteit door de windmolen. De totale hoeveelheid beschikbare wind op jaarbasis wordt uitgedrukt door een indexcijfer die de wind in dat jaar aangeeft ten opzichte van ‘normale’ jaren, deze index heet de Windex.

Windsnelheid

Het windvermogen is evenredig met de derde macht van de windsnelheid.

De windsnelheid wordt bepaald door:

• de plaats van de windmolen: aan de kust en vooral boven open zee waait het meestal harder dan diep landinwaarts;
• de hoogte van de turbine: op grotere hoogte waait het doorgaans harder, maar landinwaarts is de windsnelheid overdag onder ongeveer 90 meter gemiddeld hoger dan daarboven.
• de tijd van de dag: boven land waait het overdag tot een hoogte van ongeveer 90 meter gemiddeld harder dan ‘s nachts;
• het seizoen: in de winter waait het gemiddeld harder dan in de zomer.
• Het jaargemiddelde van de windsnelheid op een bepaalde plaats en ashoogte is redelijk in te schatten. De selectie van locaties gaat in eerste instantie via een windatlas, en in een latere fase via windmetingen.

 Tijd die een windmolen kan draaien

• het deel van de tijd waarin de turbine kan draaien: een windmolen gaat draaien vanaf windkracht 2–3 en wordt stilgezet boven windkracht 10 tot 12 (afhankelijk van het type) om overbelasting te voorkomen.

 Turbinevermogen en opbrengst

De energie-opbrengst van een windturbine is evenredig met het kwadraat van de rotordiameter en de derde macht van de gemiddelde windsnelheid.

7,5 MW turbines E126 Estinnes windpark op 10 oktober 2010, voltooid

 Een standaard windmolen met 2 of 3 wieken, met een diameter van 40 m en een masthoogte van 50 m, kan bij een optimale windsnelheid (windkracht 6) 500–750 kW leveren. Een grotere windmolen met een rotordiameter van 60 m en een masthoogte van 70 m kan een vermogen hebben van 1 tot 1,5 MW. Bij zeer grote rotordiameters neemt de efficiëntie niet af, maar wordt de windmolen ontworpen voor een lager toerental. De snelheid van de uiteinden van de wieken moet hooguit ongeveer 75 m/s worden, omdat daarboven geluid een probleem wordt. In de periode 1980–2008 is de “standaard” windmolen steeds groter geworden. Als “meest verkocht model” als standaard wordt gehanteerd, dan is dat anno 2008 een windmolen met een masthoogte van 70 tot 108 m en een generator vermogen van 2 tot 3 MW. De rotordiameter van een windmolen hangt af van het generatorvermogen, de masthoogte en het windregime ter plaatse. Aan de kust waait het op 100 m hoogte wat harder dan in het binnenland. Daardoor hebben windmolens verder weg van de kust een hogere mast en/of langere wieken.

Situatie in Europa

Om de eerste grens van 10 GW te halen had men 20 jaar nodig. 13 jaar erna rondde men de kaap van 100 GW. De mijlpaal van 100 GW geïnstalleerd vermogen (vergelijkbaar met 39 kerncentrales) werd overschreden in 2012 ^] waarmee ongeveer 57 miljoen huishoudens van elektriciteit kunnen worden voorzien. In 2011 lag het nog op 94 GW. De helft of 50 GW werd pas in 2006 gehaald volgens cijfers van het EWEA.

Situatie in Nederland

In Nederland worden in de westelijke en noordelijke kustgebieden vermogens gerealiseerd van 800–1200 kWh/jaar per m² rotoroppervlak (dat wil zeggen, ongeveer 100 watt per m²). Meer landinwaarts is de opbrengst lager: 500–800 kWh/jaar per m². Dit gemiddelde vermogen per m² is afhankelijk van de hoogte van de mast van de molen, en zal daarom nog wel toenemen de komende jaren omdat de trend is dat molens steeds hoger worden; op grotere hoogten waait het immers meer. In de afgelopen jaren is het vermogen van windmolens blijven toenemen omdat het rotoroppervlak ook steeds groter werd. Anno 2007 had de standaard windmolen een vermogen van 3 MW.

De gemiddelde productiefactor (de verhouding van geleverd vermogen en nominaal vermogen) van een windturbine in Nederland bedroeg over de afgelopen jaren 21 (±30)%.De lage productiefactor wordt veroorzaakt door het verschijnsel dat het meestal niet hard genoeg waait om windturbines op volle toeren te laten draaien.

In 2009 was volgens het CBS het totaal geïnstalleerd vermogen in alle centrales circa 25,3 GW (2004: 21,5). Duurzame energie droeg in 2009 voor 3,9% bij aan de totale energievoorziening in Nederland (2004: 1,8%).De doelstelling van de overheid is dat 16% van alle verbruikte energie in Nederland in het jaar 2020 duurzaam opgewekt moet zijn. Als tussendoelstelling gold 5% in 2010.

Beperkingen bij het plaatsen van windmolens

Technische beperkingen en regelgeving

Onderlinge afstand en grootte

Windturbines moeten op een bepaalde minimale afstand van elkaar staan. Een vuistregel voor de onderlinge afstand is vijf keer de diameter van de rotor. Een kleinere onderlinge afstand heeft tot gevolg dat de turbines niet optimaal profiteren van de wind: ze staan dan bij sommige windrichtingen in elkaars luwte.

Grotere windmolens moeten verder uit elkaar staan, maar een park met grotere molens is toch efficiënter omdat deze wind op grotere hoogte kunnen benutten. In de praktijk blijken parken met grote molens ook economisch efficiënter. Parken met veel molens kunnen bovendien bepaalde schaalvoordelen bieden, zodat grote parken met grote molens het meest voordelig uitpakken.

Regelgeving

Voor het plaatsen van windturbines moet een bouwvergunning en een milieuvergunning worden verleend, hierin wordt beoordeeld of de bouw in het bestemmingsplan past.

Situatie in Nederland

In Nederland worden de milieueffecten gereguleerd via de AMvB (Algemene Maatregel van Bestuur) “Besluit Algemene Regels voor Inrichtingen Milieubeheer”. In dit besluit is onder meer aangegeven dat woningen op ten minste 4 maal de ashoogte dienen te liggen (Inmiddels is deze voorwaarde vervallen). Daarnaast zijn in dit Besluit geluidnormen opgenomen die ruimer zijn bij toenemende windsnelheid. In het algemeen geldt dat in landelijke gebieden bij specifieke windrichting en windsnelheid de windturbine goed hoorbaar is terwijl aan de geluidsnormen wordt voldaan. Verder is in een aantal speciaal aangewezen gebieden de Europese Vogel- en Habitatrichtlijn van toepassing.

Milieu- en hinderaspecten van windturbineparken

Windmolens kunnen vogels doden, scheepvaart hinderen, geluids- en schaduwhinder geven voor de omwonenden, het microklimaat verstoren, en het landschap ontsieren.

Energiegebruik

Tijdens de levenscyclus van een windturbine wordt niet alleen energie geproduceerd maar ook verbruikt voor winning van de benodigde grondstoffen, productie, onderhoud, regelelektronica en afbraak. Daarnaast bevat een windturbine onderdelen van uit aardolie afgeleide kunststof. Een windturbine verdient dit energieverbruik in een periode van 3 tot 6 maanden terug.

Radar

Windturbines kunnen storingen op radarbeelden veroorzaken. Plaatsing in de buurt van radarstations is daardoor meestal niet mogelijk. Er wordt onderzoek gedaan naar de mogelijkheid om de rotor van windturbines te voorzien van een radar-stralings-absorberende laag (zoals bij Stealthvliegtuigen) en naar de mogelijkheid om radarstations uit te rusten met software die de radarreflecties van windturbines kan wegfilteren. Sinds 2005 blijkt het mogelijk om te overleggen met het ministerie van Defensie en afspraken te maken, ook als zij vroeger ergens maximale bouwhoogtes eisten.

Fauna

Vogels

Vogels kunnen schade ondervinden van windturbines door botsingen met windturbines en door verdringing van het leef- en broedgebied. Wanneer er in Nederland 1500 MW aan windturbines wordt opgesteld zal dit naar schatting 30.000 directe vogelslachtoffers per jaar maken. Ter vergelijking: het verkeer maakt jaarlijks twee miljoen vogelslachtoffers, de jacht anderhalf miljoen en hoogspanningsleidingen één miljoen. Het effect van verdringing van de biotoop is minder duidelijk.

Vleermuizen

In de Verenigde Staten kwamen in 2012 naar schatting meer dan 600.000 vleermuizen om het leven na botsingen met windturbines. Het werkelijke aantal lag mogelijk tot met de helft hoger. Het is echter niet duidelijk hoeveel vleermuizen er zijn in de VS, maar de dieren staan ook al onder druk van andere factoren.

Scheepvaart

Windturbines op zee vormen potentieel een obstakel voor de zeevaart. Hoewel windmolens, alleen al omwille van economische redenen, geplaatst worden op zandbanken of ondiepe plaatsen, kan plaatsing in de buurt van drukbevaren routes risico’s opleveren. Hierbij kan worden gedacht aan situaties met slecht zicht en zwaar weer, als schepen van hun ankers lopen of problemen ervaren bij het handhaven van de voorgeschreven koers. Plannen voor plaatsing van windturbineparken op de Noordzee, zoals op de Thorntonbank, zijn daardoor niet onomstreden. Ondertussen zijn in België toch de nodige vergunningen afgeleverd voor een windmolenpark op de Thorntonbank.

Schaduwhinder

Wanneer de zon schijnt werpt de rotor van een windturbine een bewegende slagschaduw. Dit stroboscopisch effect kan men als vervelend ervaren.

Afstand speelt een grote rol bij hinder van slagschaduw. Bij grotere afstanden is er minder hinder, doordat de wiek dan niet de hele zonneschijf kan bedekken en er geen volle schaduw meer valt. Ook de frequentie is belangrijk. Door de langzame draaiing van de molens van tegenwoordig is dat steeds minder geworden. De slagschaduw is merkbaar in een vlindervormig gebied. De slagschaduw verplaatst zich in de loop van de dag van west naar oost. In de zomer, als de zon hoog staat, is het gebied kleiner dan in de winter.

Als in de omgeving van een windturbine de slagschaduw als hinderlijk wordt ervaren, dan kan de betreffende windmolen even worden stilgezet tijdens het passeren van de slagschaduw. Van tevoren is precies te voorspellen in welk gebied rond een te bouwen windmolen slagschaduw hinderlijk zou kunnen worden.

Microklimaat

Door de turbulentie (wervelingen) achter een draaiende windturbine worden hogere en lagere luchtlagen met elkaar gemengd. Dat veroorzaakt vooral ‘s nachts een hogere windsnelheid (tot enkele m/s) en hogere temperatuur (in de ordegrootte van een graad) op grondniveau.

Landschap

Windpark in Oostenrijk

 

Zeker met de toenemende masthoogtes zijn windturbines sterk in het landschap aanwezig. In de beginperiode van windenergie werden vooral individuele windturbines geplaatst wat een “rommelig” effect gaf. Tegenwoordig worden windturbines voornamelijk geplaatst in lijn- en clusteropstellingen die meer aansluiten bij bestaande elementen in het landschap zoals wegen en kanalen. Desondanks worden windturbine(parken) door velen als storend of lelijk ervaren. Men spreekt dan van horizonvervuiling of landschapsvervuiling. Zo werd een gepland windmolenpark voor de kust van Knokke uiteindelijk verplaatst naar een dieper in zee gelegen zandbank, de Thorntonbank, onder andere vanwege het horizonvervuilende aspect op de kustplaats. Zie ook hierboven bij ‘Scheepvaart’.

De weerstand tegen landschapsvervuiling door windturbines is in sommige gevallen te verminderen door financiële compensatie, of betere inbedding in het landschap. De weerstand wordt bijvoorbeeld minder als omwonenden een geldbedrag ontvangen of mede-eigenaar van de windmolen zijn. Of als een rij windmolens een algemeen erkende grens markeren, zoals de Peelrand breuk of een dijk aan de kust. Op Kreta is een windmolenpark halfweg tussen Matala en Knossos een toeristische trekpleister vanwege het panoramische uitzicht. In Nederland zijn de geplande nieuwe locaties voor grote windmolenparken rond het IJsselmeer en de afsluitdijk op forse weerstand gestuit, omdat het vlakke, rustige cultuurhistorische landschap erdoor zal verdwijnen.

Doordat er steeds grotere turbines op de markt komen, bestaat er een trend dat windmolens steeds verder uit elkaar komen te staan en dat projecten ook meer molens gaan omvatten. Daarbij kan volgens de betrokken landschapsarchitecten dan een grootser en mooier landschappelijk ontwerp worden gemaakt. Critici zien hierin eerder een verdere en meer omvattender aantasting van het landschap.

Windmolens kunnen tegenwoordig ook worden geplaatst in bossen. Doordat de mast van moderne turbines ver boven de gebruikelijke hoogte van bomen uitsteekt vangt hij toch voldoende wind. De molens zijn in het bos niet te zien en vlak bij het bos staan ze achter de hoge horizon van de bosrand. Van enige afstand steken ze natuurlijk wel duidelijk boven het bosprofiel uit.

Geluid

Het geluid van een windturbine heeft twee oorzaken: het mechanische geluid van de bewegende delen in de gondel en het zoevende geluid van het draaien van de rotorbladen. Bij moderne windturbines is de gondel goed geïsoleerd en is alleen de geluidsproductie van de rotorbladen van belang.

De geluidsproductie van een windturbine neemt toe met de windsnelheid. Voor een moderne windturbine ligt de brongeluidssterkte in het bereik tussen 91 en 104 dB(A). Dit is het zogenaamde brongeluid van de windturbine. Dit is een berekend geluidsniveau, alsof al het geluid vanuit één punt wordt uitgezonden. In werkelijkheid wordt het geluid vooral door de wieken veroorzaakt, over het hele rotoroppervlak, maar met een hoger geluidsniveau wanneer er een wiek bij de mast passeert. Dit laatste wordt veroorzaakt door de reflectie van het geluid op de mast.

Op een afstand van 250 meter bedraagt het maximale geluid van één solitaire windturbine ongeveer 40 tot 43 dB(A). Dit geluidsniveau wordt slechts bereikt als de windturbine op zijn maximaal vermogen draait. Dit komt overeen met een windsnelheid van ongeveer 8 m/s op 10 meter hoogte, wat maar circa 10% van de tijd het geval is. Verder is het geluidsniveau afhankelijk van het type windturbine en van de hardheid van de ondergrond tussen de windturbine en de meetplaats. Vegetatie heeft namelijk een sterk dempend effect.

Wanneer een tweede windturbine op eenzelfde afstand wordt gezet als de eerste, dan verhoogt het geluidsniveau met 3 dB(A). Dit komt doordat de schaal waarop decibel wordt uitgedrukt, een logaritmische schaal is, en geen lineaire schaal.

Een eerste verbetering bij windturbines, om het geluidsniveau te verminderen, was het vermijden van een tandwielkast. Door minder snel draaiende onderdelen wordt het geluidsniveau in de gondel sterk gereduceerd. Dit type windturbines is te herkennen aan een korte gondel. Bij moderne windturbines met tandwielkast wordt de gondel tegenwoordig zodanig van geluidsisolatie voorzien dat het geluidsniveau niet hoger ligt dan bij de windturbines zonder tandwielkast.

Een tweede verbetering is een ander wiekprofiel, dat is te herkennen aan (kleine) dwarsvleugeltjes aan de tips van de wieken. Daardoor wordt de luchtstroom langs de tip minder chaotisch, waardoor het geluid ook afneemt. De tip is de grootste lawaaibron omdat daar de luchtsnelheid het grootst is.

Afstand en sterkte spelen een rol bij de mate van hinder. Producenten van windenergie beweren dat als de afstand groter is dan 300 meter er bijna geen sprake meer is van geluidshinder. Onderzoek door Frits van den Berg van de Universiteit Groningen toont echter aan dat vooral het geluid tijdens de nachtperiode hinderlijk kan zijn, zelfs tot op een afstand van 2 kilometer. In de nacht gaat de wind op grondniveau vaak liggen, maar op grote hoogte kan het juist extra hard gaan waaien. De rekenmodellen voor geluid zijn vaak gebaseerd op de windsnelheden op 10 meter hoogte, terwijl een windturbine tot 80 meter hoog kan zijn. Door ontbreken van achtergrondniveau van wind en verkeer in de nacht is het geluid van de bladen van de turbines dan juist extra goed hoorbaar, met name omdat het geluid van de turbines over de tijd varieert (Van den Berg 2006).

De metingen die aan de basis liggen van deze studie zijn echter niet met de juiste procedures bekomen. Dit impliceert een grote onnauwkeurigheid in de meetresultaten. Er wordt kritiek geleverd op de meetprocedures die gebruikt worden om normoverschrijding vast te stellen zonder dat er vermelding wordt gemaakt van het vele onderzoek dat ten grondslag ligt aan deze procedures. Het betreffen hier genormaliseerde procedures die tot doel hebben elke situatie gelijk te kunnen beoordelen. Dat deze modellen daarom afwijken van de realiteit is onvermijdelijk, de afwijkingen blijven immers steeds binnen de bestudeerde perken. (Bron:LBPartners, ‘Beoordeling geluidrapport “Hoge Molens vangen veel wind”’, 13 februari 2003)

Ruimtebeslag

Een windturbinepark beslaat een grote oppervlakte. Van deze oppervlakte wordt echter slechts 1% ingenomen door de mastvoet en transformatorhuisjes. Hoge bebouwing van het gebied rond een windturbine (met een te korte mast) leidt tot een lagere opbrengst. Voor het overige kunnen windturbineparken met bijna alle activiteiten en landschapstypen worden gecombineerd, als dat gewenst is. Agrarische gebieden en industrieterreinen komen het meest voor. Maar omdat de commercieel beschikbare masthoogte ook toeneemt, komen ook bossen in aanmerking voor een windparklocatie. Daarin zijn ze bovendien voor de korte en middellange afstand visueel goed afgeschermd.

Beperking van de integratie in het elektriciteitsnet en zekerheid van de elektriciteitsvoorziening

Een zeer kritische studie ^]noemt besparing van fossiele brandstof en CO₂ door windturbines een onbewezen veronderstelling en concludeert dat ze nog ongeschikt zijn om elektriciteit te leveren. Beweerde besparingen zijn niet bevestigd door metingen. Maar de zeer grondige Duitse dena Grid Studie II^[16] verwacht dat in 2020, met de nodige extra voorzieningen in het net, 590 kg CO₂ uitstoot bespaard wordt per door windturbines geleverde MWh, zie § 23.7. Dat is ruim de helft van de CO₂ uitstoot per MWh door de Duitse bruin- en steenkool centrales. En in de grootste Amerikaanse studie op dit gebied, van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van de VS^[17] is berekend dat het technisch mogelijk is dat in 2020 de extra uitstoot van CO₂ door conventionele centrales om windvariaties te compenseren, te verwaarlozen zal zijn, zelfs als 1/3 van de elektriciteit met zon en wind opgewekt wordt. In deze studie wordt wel verondersteld dat de elektriciteitsmarkt onbelemmerd functioneert en het elektriciteitsnet optimaal benut wordt. Het model kiest steeds de meest economische samenstelling van aanbieders om aan de vraag te voldoen met optimaal transport over het net. Opmerkelijk is dat het vrije markt mechanisme leidt tot compensatie van de windvariatie met de regeling van vooral gascentrales, niet van waterkracht, zodat deze studie relevant is voor Nederland.

Een scenariostudie zoals de NREL studie is niet een veronderstelling of een voorspelling van het effect van meer zon en wind in het bestaande systeem van elektriciteitsvoorziening, maar een mogelijke ontwikkeling van de verdringing van fossiele brandstof door duurzame bronnen in dit systeem door aanpassing aan het nieuwe aanbod. Windturbines zijn wel geschikt om elektriciteit te leveren maar het bestaande systeem is nog ongeschikt om van dit aanbod optimaal gebruik te maken. De elektriciteitsvoorziening is een gigantisch complex en kostbaar systeem dat uiterst betrouwbaar moet zijn. De beheerders zijn dus zeer voorzichtig zaken aan te passen die onvoorziene effecten kunnen hebben. Ze zijn bovendien gebonden aan contractuele verplichtingen. Ook in Duitsland vergt de overgang naar duurzame energie veel tijd en aanpassing.

Kwaliteit van de elektriciteit

Bij veel oudere windturbines is de generator direct aan het elektriciteitsnet gekoppeld (het zogenaamde Deense concept). Dit heeft tot gevolg dat de rotorsnelheid door de frequentie van het net wordt bepaald. Dit kan bij een grote penetratiegraad van windenergie op momenten van een groot windaanbod tot variatie van de frequentie en instabiliteit van het net leiden. Zulke turbines worden echter nauwelijks meer geproduceerd. Moderne windturbines zijn vrijwel allemaal variabele-snelheidsturbines. Bij deze turbines wordt de stroom geheel of gedeeltelijk via een AC-DC-AC-omvormer naar het elektriciteitsnet gevoerd. Dit soort turbines kunnen, bij voldoende windaanbod, zelfs helpen de frequentie van het net stabieler te maken

Uitbreiding van het elektriciteitsnet

Op plaatsen die geschikt zijn voor windturbineparken is het elektriciteitsnet daarvoor niet altijd geschikt. Dit maakt dan een uitbreiding of een versterking van het elektriciteitsnet noodzakelijk.

Variabiliteit van het windaanbod

De windsnelheid is niet constant. Sterker nog, soms waait het zelfs in Nederland helemaal niet. Windturbines beginnen energie te leveren bij windkracht 2–3. Bij windkracht 6 leveren ze hun volle vermogen en dat blijft zo tot ruim windkracht 10. Daarboven moeten oudere molens uit veiligheidsoverwegingen worden stilgezet. Sinds 2005 zijn er echter ook molens beschikbaar die tot windkracht 12 blijven doordraaien en energie leveren. Dat is bij die molens echter nooit meer dan het maximaal vermogen van de generator. Het gemiddeld geleverde vermogen van een moderne windturbine is daardoor ca. 35% van het nominale vermogen. Deze variabiliteit kan worden opgevangen door bestaande conventionele centrales of door, in theorie, (centrale)energieopslag. Deze variatie in energielevering komt bovenop de gebruikelijke variatie in de dagelijkse vraag aan elektrische energie. Conventionele installaties moeten daarom in staat zijn naast de variatie in de vraag ook de variatie in het aanbod op te vangen.

De productie van een windturbine kan door het variabele windaanbod sterk variëren. Het komt voor dat een windturbine een hele dag niets produceert, maar het komt ook voor dat een windturbine een hele dag vrijwel het maximale vermogen levert. In een gemiddelde wintermaand produceert een windturbine daardoor twee keer zoveel als in een gemiddelde zomermaand. Maar een maandproductie kan ook wel eens het dubbele of slechts de helft zijn van een gemiddelde maand. Op jaarbasis kan de productie 20% naar boven en naar beneden afwijken van een gemiddeld jaar, en zelfs over een periode van 10 jaar zijn afwijkingen van 10% mogelijk.

Kerncentrales en conventionele centrales zijn overigens ook niet 100% betrouwbaar. Onderhoud en storingen zorgen voor geplande en ongeplande uitval. Daarnaast zijn kolen- en kerncentrales niet snel regelbaar en dienen ze altijd te worden aangevuld door snel regelbare centrales om op veranderende vraag te kunnen reageren.

Beperkte opvang van de fluctuatie in elektriciteitsproductie door de conventionele centrales

Op dit moment is er voldoende capaciteit van conventionele elektriciteitscentrales om ook de variaties in het aanbod van windenergie op te vangen. Een aantal onderzoeken laat zien dat 20 tot 30 percent windelektriciteit mogelijk is zonder dat er extra conventionele back-up of opslag nodig is. Bij een grotere penetratiegraad (en daarmee een lager capaciteitskrediet) zijn andere oplossingen noodzakelijk. Een aantal oplossingen waaraan wordt/werd gedacht zijn:

• Gebruik van de opslagmogelijkheid van buitenlandse waterkrachtcentrales. In West-Denemarken wordt dit al toegepast. Via een HVDC-kabel wordt gebruikgemaakt van de opslagcapaciteit van Noorse waterkrachtcentrales (zie NorNed-kabel).
• Middeling in het elektriciteitsnet: gebruikmaken van de Europese of wereldwijde spreiding van vraag en aanbod. Bekeken over een groter gebied nemen de variaties in elektriciteitsvraag en windaanbod af. Voor deze optie dienen de internationale koppelnetten te worden versterkt.
• Snel inschakelbare opwekking met brandstofcellen. In de regio Rotterdam startte in 2005 een proef waarbij 50 MW vermogen binnen 1 minuut kon worden ingeschakeld. Het gebruikte waterstofgas is daar een restproduct uit de chemische industrie.
• Zeer decentrale opwekking. De Nederlandse Gasunie startte in 2005 een proef met cv-ketels die op commando ook stroom opwekken: het concept “virtual power plant”. Naar behoefte worden cv-ketels in het land bijgeschakeld. Bij iets grotere vermogens heet dit “microwarmte-krachtkoppeling”.
• Flexibeler maken van de energievraag: omdat elektriciteit voor vaste tarieven wordt verhandeld, is de vraag vrij onafhankelijk van het aanbod. Er worden technieken onderzocht om via variabele tarieven de vraag naar elektriciteit aan het aanbod aan te passen.
• gebruikmaken van de complementaire eigenschappen van zonne-energie, simpel gezegd: windstil weer is vaak zonnig, bij bewolkt weer waait het vaak.
• Ondergrondse opslag van gecomprimeerde lucht in lege gasvelden (energieopslagtechniek).
• Ondergrondse opslag van verzadigde stoom.
• Splitsing van water in waterstof en zuurstof (zie: waterstofeconomie)
• Opslag van energie in accu’s van elektrische voertuigen. Energie kan bij pieken in de toekomst aan accu’s worden onttrokken.
• Opslag van windenergie in Nederland via waterkracht in spaarbekkens (zie Plan Lievense)
• Opslag van windenergie in Nederland via waterkracht in ondergrondse schachten.
  • Veel van deze technieken bestaan alleen nog op de tekentafel of bevinden zich in een experimenteel stadium. De laatste twee opties zijn in de jaren 70 onderzocht maar werden niet uitgevoerd wegens economische onhaalbaarheid. Oplossing van dit probleem zal in ieder geval een prijs hebben, die bij het maken van vergelijkingen meegeteld moet worden in de kilowattuurprijs.

 Voorspelbaarheid van het windaanbod

Een ander aspect bij de integratie van windenergie is de voorspelbaarheid. Voor windenergie worden, net als voor alle andere elektriciteitsbronnen, productieverwachtingen gemaakt. Door de aard van de energiedrager - het weer - is een windvermogensverwachting vergelijkbaar met een weersverwachting en heeft ze dan ook een beperkte nauwkeurigheid. In Nederland vallen de verwachtingen binnen de programmaverantwoordelijkheid, waarbij de marktpartijen verantwoordelijk zijn voor de systeembalans op tijdschalen van een kwartier en langer.

Huidige en potentiële bijdrage aan de energievoorziening in Nederland

In 2008 was het Nederlandse windvermogen 2.377 MW, waarvan 228 MW op de Noordzee. In een gemiddeld windjaar wordt nu 5,2 miljard kWh geproduceerd. Dat is goed voor 4,5% van de totale stroombehoefte.

De verwachting is dat er windmolens met een totaal nominaal vermogen van ca. 5000 MW in Nederland op land te plaatsen zijn. Verdere groei zal offshore moeten plaatsvinden. Het potentieel voor windenergie op zee wordt geschat op 2 maal het Nederlandse elektriciteitsverbruik.

De lange termijntoename van het elektriciteitsgebruik, 3% per jaar, is een indicatie dat ook energiebesparing hard nodig is. Want 3% per jaar betekent dat iedere dag ongeveer 8 extra windturbines van 600 kW, of 2 extra windturbines van 2,4 MW nodig zijn om de groei bij te houden.

Tabel I: Het aandeel van windenergie van de elektriciteitsvoorziening in Nederland, inclusief windmolens op zee vanaf 2006.

Jaar	Opgesteld vermogen per jaar ultimo (MW)	Vermeden primaire energie (TJ)	Vermeden primaire energie (% totaal verbruik)	Vermeden emissie CO2 (kton)	Vermeden emissie CO2 (in % totale emissie)
1990	50	510	0,02	36	0,02
1991	83	802	0,03	56	0,03
1992	101	1.249	0,04	85	0,05
1993	131	1.595	0,06	109	0,07
1994	152	2.025	0,07	142	0,08
1995	250	2.865	0,10	204	0,12
1996	296	3.880	0,13	272	0,15
1997	324	4.164	0,14	301	0,18
1998	363	4.849	0,16	345	0,20
1999	410	5.465	0,18	379	0,23
2000	447	6.411	0,21	457	0,27
2001	485	7.183	0,23	509	0,29
2002	672	8.931	0,28	632	0,36
2003	905	11.812	0,39	832	0,46
2004	1.075	15.143	0,46	1.054	0,58
2005	1.224	17.387	0,53	1.198	0,68
2006	1.669	21.268	0,66	1.487	0,86
2007	1.857	26.259	0,79	1.809	1,05
2008	2.377	33.170	1,00	2.285	1,30
2009	2.450	37.168	1,15	2.539	1,50
2010	2.465	36.508	1,05	2.247	1,35
2011	2.544	37.633	1,16	2.540	1,52
2012	2.661	40.539	1,24	2.886	1,74

Indien 1,5% van de Noordzee wordt volgeplaatst met windmolens, kan volgens Greenpeace windenergie voorzien in één derde van het huidige elektriciteitsverbruik van de Noordzeelanden (Denemarken, Duitsland, Nederland, België en het Verenigd Koninkrijk). Wereldwijd wordt het theoretisch potentieel voor windenergie op land geschat op 6 maal het wereldelektriciteitsgebruik of 1 maal het wereldenergiegebruik (gebaseerd op windturbinetechniek en elektriciteitsverbruik van 2001) (Hoogwijk 2004).

Het rendement

Financieel

Wanneer de gunstigste locaties het eerst worden gebruikt, kan de helft van het wereldwijde elektriciteitsverbruik voor 6 dollarcent per kWh of minder worden opgewekt. Voor 7 dollarcent per kWh of minder kan het hele wereldelektriciteitsverbruik worden geleverd. (Hoogwijk 2004⁾. Uiteraard moet er dan wel technologie zijn om die energie op de gewenste manier over tijd en plaats te spreiden, omdat het niet altijd overal hard genoeg waait. Anno 2006 kost het opwekken van stroom door windenergie 8,8 tot 10,3 eurocent per kWh, afhankelijk van de locatie. Het opwekken van conventionele elektrische energie kost 2,9 tot 5,8 eurocent per kWh^[bron?]. In 2012 kost de productie van off-shore-windelektriciteit ongeveer 16 eurocent per kWh.^[21]

Voor- en tegenstanders van windenergie hebben hun eigen argumenten voor de kosten van windenergie en conventionele energie. Zo willen de voorstanders dat de vrijstelling van brandstofbelasting, bouwsubsidies voor conventionele centrales en externe kosten van fossiele energie, zoals de schade door uitstoot van CO₂ en fijnstof verrekend worden. Anderen vinden dat ook de kosten voor de reserve conventionele centrales bij een tekort aan wind in de prijs van elektriciteit uit wind moeten worden betrokken.

Energetisch

De windenergiewet van Betz zegt dat onafhankelijk van de windsnelheid maximaal 59% van de kinetische energie aan een luchtstroom kan worden onttrokken. Dit is het theoretisch maximale rendement dat kan bereikt worden. Bij moderne windturbines bedraagt dit rendement ongeveer 50%. Het totale rendement van een windturbine wordt verder ook nog beïnvloed door het rendement van de generator, de tandwielkast en de transformator. Een windmolen kan door de variabele wind niet voortdurend het nominale vermogen leveren. De productiefactor is de verhouding van het gemiddeld geleverde vermogen en het nominale vermogen. Een moderne molen met een nominaal vermogen van 2 MW levert op land per jaar ca. 4,5 GWh; de productiefactor komt daarmee op ca. 22,5%. Zie ook Windturbinevermogen.

Vergelijking met andere energiebronnen

Windenergie wordt ook beoordeeld op de hoeveelheid CO₂-uitstoot die ermee wordt vermeden. Reductie van de CO₂-uitstoot draagt vermoedelijk bij aan het afremmen van een toename van het broeikaseffect. Dit is de belangrijkste reden dat de regering vanuit het Kyoto klimaatverdrag de bouw van windparken stimuleert. De redenering is dat kolen- en gascentrales minder hoeven te produceren en de daarbij behorende CO₂-uitstoot dan ook minder is. Die berekening is arbitrair: kolencentrales geven bij dezelfde energieproductie bijvoorbeeld meer CO₂ dan centrales op aardgas.

Inzet van windenergie maakt een land onafhankelijker van de leveranciers van fossiele brandstoffen. Het belang hiervan neemt toe naarmate fossiele brandstof schaarser wordt, waarmee de aanvoer onzekerder en duurder wordt. Dat geldt overigens ook voor kernenergie waar grondstoffen nodig zijn zoals uranium of thorium. Daarom is naast het rendement van een windmolen ook het hernieuwbare karakter van belang.

Denemarken heeft wereldwijd de relatief grootste bijdrage van windenergie aan de eigen elektriciteitsbehoefte (33% in 2013). Mede dankzij deze thuismarkt is de Deense windturbine-industrie marktleider met een omzet van ca. 3 miljard euro per jaar en beheerst ze ca. 40% van de wereldmarkt (2003). Denemarken wordt daarom, zowel door voor- als tegenstanders van windenergie, als voorbeeld voor de mogelijkheden en beperkingen van grootschalige inpassing van windenergie gezien.

De situatie van Denemarken is echter niet automatisch te vertalen naar andere landen. Aan de ene kant ligt Denemarken geografisch gunstig. Het kan daardoor makkelijk elektriciteit uitwisselen met Duitsland, Zweden en Noorwegen. De laatste twee landen hebben een grote capaciteit aan waterkrachtcentrales die geschikt zijn om fluctuaties in het windaanbod op te vangen. Aan de andere kant heeft Denemarken ook een groot aandeel decentrale (verspreid opgestelde) warmtekrachtcentrales die elektriciteit produceren als er warmtevraag is. Verder is in de Deense wet vastgelegd dat windelektriciteit altijd voorrang heeft en dat windturbines bij een dreigend overschot niet mogen worden afgekoppeld. Om vraag en aanbod van elektriciteit in balans te houden is Denemarken daarom sterk afhankelijk van elektriciteitsuitwisseling met de buurlanden.

Critici, zoals Ole T. Krogsgaard, vinden het verschil tussen opbrengsten en kosten bij internationale levering en afname van elektriciteit te groot. De kosten van windenergie en decentrale warmtekracht samen in vergelijking met een systeem gebaseerd op moderne conventionele centrales in 2000 werd door hem op 1,3 miljard euro per jaar geschat. De Deense windturbineorganisatie wijst erop dat er geen onderbouwing voor dit getal is.

Critici wijzen op een aantal incidenten waarbij door een plotselinge verandering in het windaanbod een black-out dreigde. Voorstanders van windenergie (zoals prof van Kuijk) wijzen erop dat deze incidenten tot een aantal verbeteringen in de windturbines hebben geleid. Zo draaien moderne windturbines bij hogere windsnelheden door en hoeven ze bij kortsluiting op het net niet meer te worden afgeschakeld.

Na het aan de macht komen van een conservatief-liberale regering in 2001 werd in Denemarken in eerste instantie besloten het aandeel windenergie in Denemarken niet verder uit te breiden. In 2004 kwam men echter terug op deze beslissing.

In 2005 publiceerde de netbeheerder Elkraft een rapport waarin wordt geconcludeerd dat 50% windenergie in 2025 technisch en economisch haalbaar is.

Discussie over windenergie en publieke opinie

Benoemde voordelen van windenergie

De belangrijkste voordelen van windenergie zijn:

• vermindering van het gebruik van fossiele brandstoffen en daarmee vermindering van de daarmee gepaard gaande vervuiling en CO₂-uitstoot
• de duurzaamheid van windenergie
• verminderde afhankelijkheid van olieproducerende landen
• lokale energieopwekking bij het ontbreken van de aansluiting op een regionaal distributienetwerk.

 Benoemde nadelen van windenergie

• hoge kosten: hoewel de kosten van windenergie al decennia lang dalen, zijn deze over het algemeen hoger dan die van fossiele brandstoffen (afhankelijk van de sterk fluctuerende prijzen van olie, gas, kolen etc.)
• windsnelheden zijn zeer veranderlijk en moeilijk in te schatten
• inpassing van windmolens in het landschap die als lelijk kan worden ervaren (horizonvervuiling)
• voor de productie van windmolens zijn staal, kunststof en bepaalde zeldzame metalen voor de magneten in de dynamo’s nodig waarvan het winnen een kostbaar, vervuilend en energie-intensief proces is
• vogels worden door windmolens uit de lucht geslagen; een rij windmolens is voor vogels ongeveer even gevaarlijk als een snelweg, sommige soorten vogels (zoals eenden) blijven honderden meters uit de buurt waardoor hun habitat wordt verkleind
• vleermuizen komen om door de drukverschillen bij rotorbladen
• slagschaduw en geluidsoverlast voor omwonenden

Overheidsbeleid in Nederland

In 2001 is de Bestuursovereenkomst Landelijke Ontwikkeling Windenergie (BLOW akkoord) gesloten. BLOW kwam rechtstreeks voort uit de Kyoto-afspraken. Het doel: 1500 MW windvermogen in 2010. De grens van 1500 MW is echter al in de zomer van 2007 gepasseerd, voornamelijk doordat de inwoners van de provincie Flevoland veel meer windmolens en windvermogen bouwden dan in BLOW was afgesproken. PvdA-minister Cramer van VROM stelde toen als doel het verdubbelen van die hoeveelheid in 2011. Anno 2008 is het overheidsbeleid er op gericht om in 2020 twintig tot dertig procent van de verbruikte energie duurzame energie te laten zijn. Niet iedereen vindt het actuele overheidsbeleid echter overtuigend genoeg. Voor de termijn tot 2011 wordt gewerkt aan het Nationaal Plan van aanpak Windenergie, voor de verdubbeling van Wind op Land tot 3000 MW opgesteld vermogen. In plannen en nota’s worden hoeveelheden genoemd van 6000 MW op land en eveneens 6000 MW op de Noordzee in 2020.

Het overheidsbeleid in Nederland is sterk wisselend geweest. In het begin werd de installatie van windturbines gesteund door middel van steeds wisselende vormen van investeringssubsidies, daarna door vrijstelling van de Regulerende Energiebelasting (REB). Tot augustus 2006 werd windenergie ondersteund via de MEP-regeling. De bedoeling van deze subsidie was om in het hele land windenergie ongeveer even rendabel te laten zijn, zodat in elke regio windenergieprojecten gerealiseerd konden worden. Ondersteuning van windenergie dient niet alleen om nu schone stroom op te wekken, maar ook om de industrie de kans te geven onderzoek te doen naar goedkopere productiemethodes (leercurve) en zo tot kostendalingen te komen.

In 2008 werd de SDE subsidieregeling ingesteld. Dit was een stap in de richting van de zeer succesvolle EEG-wet in Duitsland. Met de SDE-regeling is er geen aanschafsubsidie (uit de SDE) maar een subsidie op de terug geleverde elektriciteit. De SDE-regeling is echter zeer onzeker door de vele soorten van herwaarderingsregels en de jaarlijkse aanpassing van de subsidie per terug geleverde kWh. Daarnaast heeft de ‘windsector’ aangegeven dat de SDE structureel te laag is, omdat die uitgaat van een benodigde investering van 1200 euro per kW geïnstalleerd vermogen en de marktprijs begin 2008 al 1300 tot 1400 euro was. Uit een inventarisatie van de lopende windprojecten in mei 2008 blijkt ook dat er windparkprojecten zijn die helemaal klaar liggen, maar niet doorgaan omdat de SDE te laag is (Projectenboek windenergie)

Er worden twee structuurvisies opgesteld, de Rijksstructuurvisie Windenergie op Land en de Rijksstructuurvisie Windenergie op Zee buiten de 12-mijlszone. Daarnaast is er een Quickscan Haalbaarheidsstudie windparken binnen 12-mijlszone