AVDE

Aanbodvoorspeller Duurzame Energie

Inhoudsopgave


Een meetmast in de buurt van Petten

Windverwachtingen voor de locatie Petten

De grafieken tonen voor de locatie Petten op drie hoogten de verwachting voor de windsnelheid, de windrichting, de temperatuur en de luchtdruk. Elke verwachting loopt in stappen van een kwartier tot achtenveertig uur na het moment van opstellen. De tijdseenheid is Universal Time, die in de winter één en in de zomer twee uur achterloopt op de lokale tijd. De windsnelheid is uitgedrukt in meter per seconde en de windrichting in graden ten opzichte van het geografische noorden. De temperatuur is weergegeven in graden Celsius en de luchtdruk in hectopascal. De drie hoogten zijn tien, tweeëndertig en vijftig meter; dit zijn de hoogten waar zich sensoren bevinden aan de meetmast die staat op het terrein van het ECN in Petten. Elke verwachte waarde is maatgevend voor het tienminutengemiddelde.

Behalve de meest recente verwachting, die dus geldt voor circa anderhalve dag vooruit, zijn historische verwachtingen beschikbaar. Er zijn historische verwachtingen vanaf medio juni 2001. Bijzondere dagen zijn 9 november 2001 (grote afwisseling in windsnelheden), 28 december 2001, 26 februari 2002 en 27 oktober 2002 (stormen).

Nauwkeurigheid van de windverwachtingen voor de locatie Petten

Een indicatie voor de nauwkeurigheid van de verwachtingen is de verdeling van het verschil tussen de waargenomen en de verwachte waarde. Aansluitend bij de terminologie in de elektriciteitswereld heet dit verschil de onbalans; een meteorologisch synoniem is voorspelfout. De verdeling geeft de kans dat de onbalans kleiner is dan een opgegeven waarde. Door twee waarden op te geven berekent men de kans dat de voorspelfout ligt in het interval tussen die twee waarden.

Drie figuren laten de verdeling van de onbalans in de windsnelheid zien voor waarnemingen en voorspellingen in de periode van medio juni 2001 tot begin juni 2002. Een figuur is voor de standaard meteorologische hoogte van tien meter, de andere voor de hoogten van tweeëndertig en vijftig meter die voor windenergie van belang zijn. Elke figuur bevat drie verdelingen: die voor nul uur, achttien uur en tweeënveertig uur vooruit. De verdeling voor nul uur vooruit geeft een referentie voor de nauwkeurigheid die maximaal haalbaar is, maar heeft geen praktische waarde omdat deze nooit beschikbaar is. De andere twee verdelingen omvatten de periode van het volgende etmaal, zoals die tegen het eind van de ochtend beschikbaar is. Deze periode is van belang voor planningsdoeleinden in de energiewereld.

De figuren laten zien dat in circa eenderde van de gevallen het verschil tussen de waargenomen en de verwachte windsnelheid minder dan een meter per seconde is. Uit de ligging van de medianen volgt dat de verwachtingen voor de drie hoogten enigszins onzuiver zijn. Verder blijkt dat de nauwkeurigheid afneemt met de voorspelhorizon.

Beschrijving van de locatie Petten

De locatie Petten ligt op de land/zee-overgang zo'n twee kilometer ten noorden van het plaatsje Petten in de kop van Noord Holland. Op de luchtfoto van het ECN-terrein is de meetmast te zien als een smal streepje linksonder de windturbine. De luchtfoto maakt duidelijk dat de locatie meteorologisch complex is: behalve de al genoemde land/zee-overgang en de windturbine zijn er de gebouwde omgeving en het geaccidenteerde terrein. Een aantal andere foto's laat zien hoe het stroomopwaartse terrein er uitziet bij verschillende windrichtingen. Bedenk dat deze foto's genomen zijn vanaf ooghoogte circa tien meter ten oosten van de mastvoet.

Terrein richting het noorden. Terrein richting het oosten.
Terrein richting het noorden. Terrein richting het oosten.
Terrein richting het zuiden. Terrein richting het westen.
Terrein richting het zuiden. Terrein richting het westen.
De meetmast wordt beheerd door het ECN (contactpersoon: Ben Hendriks) en is ingericht door Mierij Meteo.

Hoe de windverwachtingen voor de locatie Petten tot stand komen

Het uitgangspunt voor de door ECN gemaakte verwachtingen is modeluitvoer van het KNMI zoals ECN die dagelijks ontvangt onder Overeenkomst 2001/265. Het gaat dan om uitvoer van het High Resolution Limited Area Model (HiRLAM). Dit model berekent vier keer per dag de waarde van een aantal grootheden op een betrekkelijk grofmazig rooster en tot achtenveertig uur vooruit. Informatie over het HiRLAM is te vinden op de website van het KNMI. Uit de uurlijkse waarden van de grootheden op de lage modelniveaus en de roosterpunten in de omgeving van de locatie berekent ECN per kwartier op de drie verschillende hoogten de windsnelheid, de windrichting, de temperatuur en de luchtdruk. Behalve de standaard meteorologische hoogte tien meter zijn dit de voor windenergie relevantere hoogten tweeëndertig meter en vijftig meter; gezamenlijk zijn deze dus gelijk aan de sensorhoogten van de meetmast.

Transformaties binnen een roostercel en binnen de tijdseenheid op een gegeven modelniveau gaan via geometrische interpolatieschema's. De transformaties in de verticaal zijn gebaseerd op de Businger-Dyer profielen (windsnelheid en temperatuur) en de barometrische hoogteformule (luchtdruk). De ruwheidslengte is ontleend aan het land/zee-masker. Wanneer nodig worden de Monin-Obukhovlengte gebruikt zoals berekend uit de snelheids- en de temperatuurgelaagdheid, en de potentiële temperatuur die volgt uit de werkelijke temperatuur en de luchtdruk. Lokale invloeden worden in rekening gebracht met een ruwheidsroos die is samengesteld uit ruwheidslengtes afkomstig van de Hydra-ruwheidskaart van het KNMI, en met een richtingsafhankelijke verplaatsingshoogte zoals die volgt uit de aanwezige obstakels. In het geval van aanstroming over open water wordt de ruwheidslengte ontleend aan de regel van Charnock. De ruwheidslengte heeft dan geen vaste waarde maar hangt af van de wrijvingssnelheid zoals die volgt uit het snelheidverschil in de laag.

De berekeningen, die met grote precisie worden uitgevoerd, suggereren een grote nauwkeurigheid die er in de praktijk niet is. De oorzaak is dat de fysische processen die zich afspelen op een ruimtelijke schaal met afmetingen van de locatie alsmede die met een tijdschaal van een kwartier, niet zijn gemodelleerd. Lokale winden of snelle variaties zijn dus niet voorspelbaar. Dit werd op 9 november 2001 geïllustreerd toen binnen perioden van een uur de windsnelheden op het terrein van ECN varieerden tussen vrijwel nihil en schadelijk, tijdens het naderen en overtrekken van een plaatstelijke regenbui.


Een windturbine nabij Medemblik

Vermogensverwachtingen voor de locatie Medemblik

De tabel geeft per programmatijdseenheid de vermogensverwachting inclusief de onzekerheid daarin voor de NedWind 53/55 windturbine in Medemblik. De programmatijdseenheid is in perioden van een kwartier en de vermogensverwachting is in kilowatt uitgedrukt. Daarnaast geeft de tabel verwachtingen van de windsnelheid (meter per seconde), windrichting (graden ten opzichte van geografisch noord) en dichtheid (kilogram per kubieke meter). De grafiek toont dezelfde informatie in grafische vorm. Een verwachting loopt tot achtenveertig uur na het moment van opstellen.

De prognose van het vermogen bestaat uit drie waarden: de ondergrens, de verwachtingswaarde, en de bovengrens. Gezamenlijk drukken deze waarden de onzekerheid in de prognose uit. De ondergrens is het vermogen dat met 97.5% zekerheid mag worden verwacht. Er is dus een kans van 97.5% dat er meer vermogen dan deze ondergrens zal worden geproduceerd, terwijl er een kans van 2.5% op een lager vermogen is. (Kans is hier het percentage van het aantal gevallen - lees: programmatijdseenheden.) De verwachtingswaarde is de meest waarschijnlijke waarde voor het vermogen dat zal worden opgewekt. De bovengrens heeft een zekerheid van 97.5%. Er is dus een kans van 97.5% dat er minder vermogen dan deze bovengrens zal worden geproduceerd, terwijl er een kans van 2.5% op een hoger vermogen is.

Om de zes uren verschijnt er een nieuwe vermogensverwachting. Elke verwachting bevat dus informatie voor het energieprogramma van de volgende dag. Daarnaast bevat elke verwachting informatie om het energieprogramma van de huidige dag te wijzigen. Gewoonlijk zijn de vier dagelijkse verwachtingen uiterlijk beschikbaar om 5:15 uur, 11:15 uur, 17:15 uur en 23:15 uur. De inhoud is bruikbaar voor de volgende doeleinden:

Verwachting van 5:15 uur:
Huidige dag: Wijzigen lopend energieprogramma, pte 22 tot en met pte 96
Volgende dag: Invullen initieel energieprogramma, pte 1 tot en met pte 96

Verwachting van 11:15 uur:
Huidige dag: Wijzigen lopend energieprogramma, pte 46 tot en met pte 96
Volgende dag: Indienen definitief energieprogramma, pte 1 tot en met pte 96

Verwachting van 17:15 uur:
Huidige dag: Wijzigen lopend energieprogramma, pte 70 tot en met pte 96
Volgende dag: Maken eerste aanpassing energieprogramma, pte 1 tot en met pte 96

Verwachting 23:15 uur:
Huidige dag: Wijzigen lopend energieprogramma, pte 94 tot en met pte 96
Volgende dag: Maken tweede aanpassing energieprogramma, pte 1 tot en met pte 96

De afkorting pte staat hier voor programmatijdseenheid. Deze structuur geldt voor alle dagen van het jaar, behalve voor een dag wanneer de zomertijd ingaat of eindigt omdat zo'n dag een afwijkend aantal programmatijdseenheden kent.

Hoewel de structuur van de dagelijkse verwachtingen constant is over het jaar, is de ouderdom van de informatie dat niet. In de wintertijd zijn de dagelijkse verwachtingen namelijk gebaseerd op achtereenvolgens de runs 00, 06, 12 en 18 van het HiRLAM van het KNMI, terwijl dit in de zomertijd de runs 18 (van de voorafgaande dag), 00, 06 en 12 zijn. In de wintertijd is de informatie dus zes uren jonger dan in de zomertijd.

Nauwkeurigheid van de vermogensverwachtingen voor de locatie Medemblik

Een indicatie voor de nauwkeurigheid van de verwachtingen is de verdeling van de onbalans. Deze onbalans, eigenlijk de PV-onbalans, is het verschil tussen het werkelijke en het verwachte vermogen. De verdeling geeft de kans dat de onbalans kleiner dan een opgegeven waarde is. Door twee waarden op te geven berekent men de kans dat de onbalans in het interval tussen die twee waarden ligt.

Vier figuren laten de verdelingen van de PV-onbalans zien voor de vier verschillende energieprogramma's die voor een volgende dag kunnen worden afgegeven. Deze zijn het initiële energieprogramma, het definitieve energieprogramma, en de twee aangepaste energieprogramma's. Omdat de beschouwde periode in de zomertijd valt, zijn deze vier energieprogramma's achtereenvolgens afgeleid uit de run 18 van de vorige dag en de runs 00, 06 en 12 van de huidige dag. Elke figuur bevat drie verdelingen, namelijk die met vermogensverwachtingen op basis van de ondergrens, de verwachtingswaarde, en de bovengrens.

De figuren laten zien dat, als consequent de ondergrens van het verwachte vermogen in een energieprogramma wordt ingevuld, de onbalans niet kleiner dan -25 kilowatt is. Dit is -2.5% van het geïnstalleerd vermogen. De kans op een negatieve onbalans is 20%. Op een marge van 25 kilowatt na is het verwachte vermogen dus nooit groter dan het werkelijke vermogen.

Voor energieprogramma's op basis van de verwachtingswaarde blijkt uit de figuren dat in een kwart van de gevallen de absolute waarde van de onbalans minder dan 25 kilowatt is. Voor de overige drie kwart van de gevallen is deze absolute waarde dus groter dan 25 kilowatt, waarbij waarden van de orde van het geïnstalleerde vermogen niet zijn uitgesloten. Het gemiddelde van de absolute waarde van de onbalans ten opzichte van een afgegeven programma is 200 kilowatt oftewel 20% van het geïnstalleerde vermogen.

Als consequent de bovengrens van het verwachte vermogen wordt ingevuld in een energieprogramma, leidt dit in tenminste 95% van de gevallen tot een overschatting van het werkelijke vermogen.

Ten slotte laten de figuren zien dat de vier verschillende energieprogramma's onderling marginaal in nauwkeurigheid verschillen. Uitgaande van de verwachtingswaarden bedraagt de kans op een onbalans in het interval tussen -25 kilowatt en +25 kilowatt voor het initiële energieprogramma 27%, voor het definitieve programma 25%, en voor de twee aangepaste programma's 24% en 26%.

Beschrijving van de locatie Medemblik

De locatie Medemblik ligt in de Wieringermeer op de land/water-overgang ongeveer een kilometer ten noorden van het plaatsje Medemblik. De locatie is meteorologisch complex door de al genoemde land/water-overgang, de bomenrijen op circa honderd meter ten oosten van de windturbine, en de gebouwde omgeving in het zuiden.

De windturbine heeft een ashoogte van 52 meter en een rotordiameter van 55 meter. Het geïnstalleerd vermogen is een megawatt. De meetmast bevindt zich ongeveer negentig meter ten westen van de windturbine; op 52 meter hoogte worden de windsnelheid en de windrichting gemeten.

Vier foto's laten zien hoe het stroomopwaartse terrein er uitziet bij verschillende windrichtingen. Bedenk dat deze foto's genomen zijn vanaf ooghoogte circa tien meter ten zuidwesten van de windturbine. Daarnaast toont een overzichtsfoto de windturbine en de meetmast. Deze foto is genomen vanuit zuidelijke richting.

Terrein richting het noorden. Terrein richting het oosten.
Terrein richting het noorden. Terrein richting het oosten.
Terrein richting het zuiden. Terrein richting het westen.
Terrein richting het zuiden. Terrein richting het westen.

De windturbine en de meetmast worden beheerd door WEOM.

Hoe de vermogensverwachtingen voor de locatie Medemblik tot stand komen

Uitgaande van de uitvoer van het High Resolution Limited Area Model (HiRLAM) die het ECN dagelijks van het KNMI ontvangt onder Overeenkomst 2001/265, berekent ECN de verwachte waarden voor de windsnelheid, de windrichting, de temperatuur en de luchtdruk. De methode is analoog aan die gebruikt voor de locatie Petten, met dien verstande dat de coördinaten, de hoogte, de ruwheidskaart en de verplaatsingshoogten gelden voor de locatie Medemblik. Ter illustratie toont een figuur de ruwheidskaart van de omgeving, zoals ontleend aan het Hydra-project van het KNMI, en een andere figuur de ruwheidsroos zoals door ECN afgeleid uit de ruwheidskaart. De windturbine staat in het centrum van de ruwheidskaart, waarvan de relatieve coördinaten in eenheden van honderd meter zijn. De ruwheidslengte in de kaart en in de roos is uitgedrukt in meter. In de roos zijn drie verschillende voor de windturbine karakteristieke stroomopwaartse ruwheden te herkennen afhankelijk van aanstroming over het IJsselmeer, over het plaatsje Medemblik of over het akkerland.

Ruwheidskaart MDB Ruwheidsroos MDB

Uit de verwachte windsnelheid, windrichting, temperatuur en luchtdruk berekent ECN de drie waarden die tesamen de vermogensprognose vormen: de ondergrens, de verwachting en de bovengrens. Essentiële tussenstappen daarbij zijn de dichtheid van de lucht (berekend uit de temperatuur en de luchtdruk), de gemeten vermogenscurve (samengesteld uit vermogen, windsnelheid en windrichting), de correlatie tussen werkelijke en verwachte windsnelheid, en de correlatie tussen werkelijk en verwacht vermogen. De voorbeelden laten een vermogenscurve alsmede windsnelheids- en vermogenscorrelaties zien. De vermogenscurve bevat het 95% betrouwbaarheidsinterval voor het vermogen voor de gegeven sector zoals dat uit metingen in de voorafgaande twee jaren is bepaald. Dit interval is opgebouwd uit drie waarden: de ondergrens, de verwachtingswaarde, en de bovengrens. De windsnelheidscorrelatie geeft behalve de parameters voor de uitvoerstatistiek ook de grootte van het betrouwbaarheidsinterval voor de windsnelheidsverwachting. Die grootte geeft de maat voor de betrouwbaarheid van de windsnelheidsverwachting in de vorm van de ondergrens, de verwachtingswaarde en de bovengrens voor de windsnelheid. Het beschikbaar hebben van een maat voor de onzekerheid is een inherent voordeel van het toepassen van de correlatie tussen werkelijke en verwachte wind en/of vermogen. Het nadeel is evenwel dat pas na enige tijd vermogensprognoses kunnen worden afgegeven omdat wind en/of vermogen op locatie moeten worden gemeten.

Net als in het geval van de windverwachtingen, suggereert de precisie van de vermogensverwachtingen een grotere nauwkeurigheid dan er in werkelijkheid is. Hier zijn twee oorzaken voor. Ten eerste geeft de ruwheidskaart een onvolledig beeld van de omgeving omdat bijvoorbeeld veranderingen gedurende het jaar (de maïsvelden) of kleine ruwheidselementen (de bomenrijen) niet gerepresenteerd zijn. Ten tweede schiet de vermogenscurve, in de interpretatie van eigenschap van het product windturbine, tekort omdat het vermogen van meer factoren afhangt dan windsnelheid en windrichting.


Een windpark in de Westerse Polder bij Numansdorp

Vermogensverwachtingen voor de locatie Westerse Polder

De tabel geeft per programmatijdseenheid de gezamenlijke vermogensverwachting voor de zeven NedWind 41/50 windturbines die het windpark Westerse Polder nabij Numansdorp vormen. De verwachte waarden, de eenheden, de looptijd en de structuur zijn dezelfde als die voor de solitaire windturbine in Medemblik. De prognose van het vermogen bestaat echter uit drie gelijke waarden: de ondergrens, de verwachtingswaarde en de bovengrens zijn even groot. Er is dus geen maat voor de onzekerheid in deze prognoses. De reden is het gebruik van een berekende in plaats van een gemeten vermogenscurve.

Beschrijving van de locatie Westerse Polder

De locatie Westerse Polder ligt in de Hoekse Waard ongeveer twee kilometer ten westen van het plaatsje Numansdorp. De locatie is meteorologisch complex door zowel land/water-overgangen als dijken en bruggen in het Haringvliet.

Elke windturbine heeft een ashoogte van vijftig meter en een rotordiameter van afgerond eenenveertig meter. Per turbine is het geïnstalleerd vermogen vijfhonderd kilowatt zodat het windpark over drie en een half megawatt beschikt. De zeven windturbines staan in een lijn langs de dijk met ruwweg de oriëntatie noordwest-zuidoost. De onderlinge afstand bedraagt honderd en zestig meter oftewel vier keer de rotordiameter. De meetmast bevindt zich op het meest noordwestelijke punt in de lijn op een afstand van tachtig meter van de naburige windturbine. Op vijftig meter hoogte worden daar windsnelheid en windrichting gemeten. De windturbine nummer vier staat ongeveer in het midden van de lijn.

Hoe de vermogensverwachtingen voor de locatie Westerse Polder tot stand komen

Uitgaande van de uitvoer van het High Resolution Limited Area Model (HiRLAM) die het ECN dagelijks van het KNMI ontvangt onder Overeenkomst 2001/265, berekent ECN de verwachte waarden voor de windsnelheid, de windrichting, de temperatuur en de luchtdruk. De methode is analoog aan die gebruikt voor de locatie Petten maar de coördinaten, de hoogte, de ruwheidskaart en de verplaatsingshoogten gelden voor de locatie Westerse Polder. De windturbine nummer vier, die ongeveer in het midden van het windpark staat, is maatgevend voor deze gegevens.

Ruwheidsroos WP4

Ter illustratie toont een figuur de ruwheidsroos zoals door ECN afgeleid uit de Hydra-ruwheidskaart van het KNMI. De ruwheidslengte in de roos is uitgedrukt in meter. In deze roos zijn vier verschillende voor het windpark karakteristieke stroomopwaartse ruwheden te herkennen, en wel voor richtingen:

  • noordwest via noord tot zuidoost: hoge ruwheid door aaneengesloten land
  • zuidoost tot zuid: lage ruwheid door water voorafgegaan door land
  • zuid tot west: zeer lage ruwheid door aaneengesloten water
  • west tot noordwest: matige ruwheid door afwisseling van water en land

De piek in de roos komt door de noordelijke oprit van de Haringvlietbrug in combinatie met het voorafgaande land.

Voor de zes andere windturbines en de meetmast verschilt de ruwheidsroos marginaal van die voor windturbine nummer vier. De reden is dat het stroomopwaartse terrein voor een gegeven windrichting gelijkvormig is. Onderlinge verschillen, die men zou verwachten door bijvoorbeeld de andere afstand tot het plaatsje Numansdorp, de Haringvlietbrug, de Hellegatsdam of het eiland Tiengemeten, worden vereffend door het lage gewicht van de betreffende weerstandscoëfficiënten.

Uit de verwachte windsnelheid, windrichting, temperatuur en luchtdruk berekent ECN via een richtingsafhankelijke standaard windparkvermogenscurve het verwachte vermogen. Deze vermogenscurve beschrijft de onderlinge afscherming van de windturbines als functie van de windrichting, populair gezegd de windschaduw, voor het gehele windpark. Het is een standaard vermogenscurve omdat het vermogen geldt voor de standaardwaarde 1,225 kilogram per kubieke meter van de dichtheid van lucht. Een essentiële tussenstap is dus het schalen van het standaard verwachte vermogen voor de actuele verwachte waarde van deze dichtheid zoals die volgt uit de verwachte temperatuur en luchtdruk.

De vermogenscurve van een individuele windturbine, die aan de curve voor het windpark ten grondslag ligt, is berekend met ontwerpprogrammatuur. Dit rekenen is de reden dat de curves gelden voor de standaardwaarde van de dichtheid van lucht. Omdat een berekende vermogenscurve is gebruikt en omdat er geen correlaties tussen werkelijke en verwachte wind of vermogen zijn gemaakt, wordt de onzekerheid in de vermogensverwachting geschat via een standaardwaarde voor de voorspelfout. Dit is een inherent nadeel van het toepassen van een berekende vermogenscurve. Het voordeel is echter dat vermogensprognoses onmiddelijk kunnen worden afgegeven zodra modeluitvoer en vermogenscurve er zijn.


Veel gestelde vragen

Waardoor ontbreken er soms verwachtingen?

De levering van HiRLAM uitvoer door het KNMI heeft een hoge betrouwbaarheid maar is niet foutloos. In de periode van 1 juli 2001 tot en met 30 juni 2002 is uiteindelijk 98% van de bestanden geleverd. De actuele prognoses zijn natuurlijk niet op tijd beschikbaar als de bestanden vertraging hebben. De demonstraties laten dan de meest recente prognoses zien, die dan verouderd zijn of het volgende etmaal niet omvatten. Na aankomst van de vertraagde bestanden worden de corresponderende prognoses in de lijst met verwachtingen uit het verleden opgenomen. Een enkele keer wordt een HiRLAM bestand niet geleverd. In dat geval is er een lacune in de lijst met verwachtingen.

Hoe goed zijn de prognoses nu eigenlijk?

De nauwkeurigheid van de etmaalprognoses is voldoende om de dagelijkse variatie ten opzichte van een gemiddelde uit te laten komen. Het gebruik van deze vermogensprognoses gaat dus gepaard met een lagere onbalans in vergelijking met een methode die bijvoorbeeld het jaargemiddelde (klimatologisch) of het daggemiddelde (persistentie) gebruikt.

De nauwkeurigheid van de prognoses is onvoldoende om onbalans door windenergie te minimaliseren. De reden is dat de prognoses van kwartier tot kwartier sterk van de corresponderende waarnemingen verschillen. Hierdoor resteert er een volume aan onbalans. Dit neemt niet weg dat het gebruiken van deze prognoses beter is dan verwachten op basis van een gemiddelde, laat staan niets doen. Een aantal getallen laat dit zien.

Voor perioden tot tweeënveertig uur vooruit is in een derde van de gevallen, dat zijn dus de programmatijdseenheden van een kwartier, de voorspelfout in de windsnelheid minder dan een meter per seconde. En in een kwart van de gevallen is de onbalans minder dan twee en een half procent van het geïnstalleerd vermogen. Lijkt dit een goede prestatie? Het is het niet. In twee derde van de gevallen is de voorspelfout namelijk groter dan een meter per seconde terwijl in drie kwart van de gevallen de onbalans groter is dan twee en een half procent van het geïnstalleerd vermogen.

Een andere nauwkeurigheidsmaat is het tachtig procent betrouwbaarheidsinterval, dat de marge geeft in vier vijfde van de gevallen. Voor de voorspelfout loopt dit interval van min vijf tot plus drie meter per seconde, en voor de onbalans van -25% tot +20% van het geïnstalleerd vermogen. Ook deze maat laat zien dat de prognoses onvoldoende nauwkeurig voor gebruik in de windenergie zijn.

Waarom wijken de windsnelheden in Petten zo veel af van die in De Kooy?

Alleen windsnelheden gemeten op tien meter hoogte mogen worden vergeleken, dus niet bijvoorbeeld de verwachte wind in Petten en de gemeten wind in De Kooy. De gelijktijdig in beide stations gemeten windsnelheden verschillen omdat de omgeving van de meetmasten anders is. Ruwheden en obstakels in de buurt van de meetmast in Petten beïnvloeden namelijk de tien meter positie terwijl deze positie in De Kooy bij benadering een ongestoorde aanstroming heeft. De gemeten maar ook de verwachte windsnelheid op tien meter hoogte in Petten geldt dan ook alleen voor die specifieke locatie. Al op een honderd meter afstand, bijvoorbeeld in het bollenveld naast de meetmast, zal de tien meter wind anders zijn door de andere omgeving.

De windprognoses op vijftig meter zouden toch moeten passen in de hoogtewinden?

Voor de windverwachtingen verschillen zowel de omgevingen als de locaties. Ten eerste is de verwachte windsnelheid op hoogte voor de praktijkvoorbeelden de lokale windsnelheid, dus inclusief de invloed van ruwheden en obstakels. Deze invloed is nog aanwezig omdat die hoogten (vijftig dan wel tweeënvijftig meter) onder de menghoogte van zestig meter liggen. Een hoogtewind, bijvoorbeeld die op veertig of zestig meter, geldt daarentegen voor open terrein oftewel lage ruwheid en zonder obstakels. Ten tweede verschillen de locaties van de praktijkvoorbeelden en de gebieden waar de hoogtewinden voor gelden. Wind op hoogte in Petten hoeft daardoor niet overeen te komen met de hoogtewind voor Regio Noordwest. Het roosterpunt met de merkwaardige roepnaam Den Helder dat het gebied Regio Noordwest karakteriseert ligt namelijk enkele kilometers ten westen van Hoorn.

Hangt de windrichting niet, net als de windsnelheid, van de hoogte af?

In de eerste honderd meter boven de grond is er een kleine verandering van de windrichting. Om die reden is de windrichting constant verondersteld.

De windsnelheden horen toch regelmatig te zijn?

Via de behandeling van de snelheids- en temperatuurgelaagdheid, en onafhankelijk daarvan, de behandeling van ruwheden en obstakels kunnen onregelmatigheden in de windsnelheid ontstaan. Omdat de aanpak gelijk is, kan dit ook onregelmatigheden in de temperatuur introduceren.

Bij de behandeling van de invloed van de gelaagdheid is het uitrekenen van de Monin-Obukhov lengte de kritieke stap. Deze lengte bepaalt namelijk de vorm van het snelheidsprofiel. In het bijzonder als de convectieve limieten worden benaderd (en dat gebeurt meestal als het nauwelijks waait), hangt de windsnelheid sterk af van de waarde van deze lengte. Een kleine verandering in het snelheidverschil of het temperatuurverschil op de twee modelniveaus kan dan een grote verandering in de windsnelheid geven. Evenzo voor de temperatuur omdat ook de vorm van het temperatuurprofiel door de Monin-Obukhov lengte wordt bepaald. Voorbeelden van onregelmatigheden door de gelaagdheid geeft de meetmast in Petten, waar wordt gerekend vanuit gegevens van drie roosterpunten boven water plus een roosterpunt boven land.

De behandeling van de invloed van ruwheden en obstakels gebeurt richtingsafhankelijk. Een verandering van de windrichting geeft dus andere waarden voor de stroomopwaartse ruwheidslengte en verplaatsingshoogte. Bij gelijkblijvende windsnelheid boven de menghoogte leidt dit tot een verandering van de windsnelheid onder de menghoogte. Voorbeelden van onregelmatigheden door ruwheden en obstakels geeft de tien meter positie van de meetmast in Petten. De windrichting bepaalt daar namelijk of de wind wordt afgeremd door het ruwe terrein of afscherming ondervindt door een gebouw.

In een vermogensprogramma moet het vermogen toch kloppen met de windsnelheid?

Het vermogen wordt berekend met de verwachtingswaarde van de windsnelheid. Deze verwachte windsnelheid komt tot stand door uitvoerstatistiek toe te passen op de berekende windsnelheid. In een vermogensprogramma staat het verwachte vermogen (vierde kolom) tegen de berekende windsnelheid (zevende kolom) en niet tegen de verwachte windsnelheid. Voor de windturbine in Medemblik zijn de windmetingen gebruikt om de uitvoerstatistiek te maken. Hier is er dus een verschil tussen de verwachte en de berekende windsnelheid. Voor het windpark Westerse Polder zijn de windmetingen nog niet geanalyseerd. De verwachte windsnelheid is daar gelijk aan de berekende.

Waar komen de sprongen in het windvermogen vandaan?

Onregelmatigheden in de windsnelheid en/of veranderingen in de windrichting kunnen sprongen in het windvermogen veroorzaken. Voor een gegeven windrichting geeft de richtingsafhankelijke vermogenscurve een vermogen dat toeneemt met de windsnelheid. Een onregelmatigheid in de windsnelheid, bij gelijkblijvende windrichting, geeft dus een verandering van het vermogen. Voor een gegeven windsnelheid bevat de richtingsafhankelijke vermogenscurve een vermogen dat per sector verschilt. Een verandering van de windrichting over een sectorgrens heen geeft dus, bij gelijkblijvende windsnelheid, een verandering van het vermogen. Dit fenomeen is duidelijk te zien bij het windpark Westerse Polder als de windrichting varieert rond de parkoriëntatie.

Welk weermodel levert de basisinformatie?

De drie praktijkvoorbeelden gebruiken uitvoer van het HiRLAM van het KNMI. Gedurende de periode 10 juni 2001 tot en met 16 juni 2002 is dit het HiRLAM55 met een resolutie van een halve graad. Vanaf 16 juni 2002 komt de basisinformatie van het HiRLAM22 met een resolutie van twee tiende graad, aanvankelijk nog op het halve graad rooster maar per 5 november 2002 op het gedetailleerde 0,2 graad rooster.


Bronnen

De meteorologische modellering

De basisgegevens voor de wind(stroom)prognoses komen van het HiRLAM dat operationeel is bij het KNMI. Dit atmosfeermodel is beschreven in:

P. Lynch, N. Gustafsson, B.H. Sass & G. Cats, 2000,
Final report on the Hirlam-4 project (1997-1999),
SMHI, Norrköping, Sweden

Het Monin-Obukhov model en de Businger-Dyer profielen behoren tot de kennis die in leerboeken is vastgelegd. Bij het in rekening brengen van de invloed van de gelaagdheid is gebruik gemaakt van de beschrijving in een collegediktaat. Dit diktaat, dat ook referenties naar oorspronkelijke publicaties bevat, is:

J. Wieringa, 1982,
De atmosferische grenslaag - Cursus 1982 KNMI-VVM,
KNMI, De Bilt, Nederland

Hoewel de Businger-Dyer profielen tot de standaardkennis behoren, doet de toepassing van deze profielen op modeluitvoer dat niet. De methode om de Monin-Obukhov lengte te berekenen, waarbij de onderste snelheid en temperatuur op verschillende hoogten liggen, is ontleend aan:

T. Hegberg, 2001,
Ruimtelijke transformatie van lokale windsnelheid en windrichting,
ECN Windenergie, Petten, Nederland

Het in rekening brengen van lokale omgevingsinvloeden op een windsnelheid die zelf afkomstig is van een roosterpuntverwachting die geldt voor een groter gebied is ontleend aan het project Hydra van het KNMI. De aanpak door het ECN verschilt in detail van de werkwijze die het KNMI volgt. Gemeenschappelijk is echter het gebruik van de ruwheidskaart van Nederland. Deze kaart is zelfs de reden geweest om in de geest van de Hydra-methode te gaan werken. Naar verwachting zal de kaart namelijk een bredere toepassing in de windenergie gaan vinden. De beschrijving van de manier die in het project Hydra is gebruikt is:

J.W. Verkaik, 2001,
A method for the geographical interpolation of wind speed over heterogeneous terrain,
KNMI, De Bilt, Netherlands

Het voorspellen van windvermogen

Over het voorspellen van windvermogen is een aantal overzichtsartikelen gepubliceerd, waaronder:

Crispin Aubrey (ed.), 2000,
Wind's new challenge: predictable power,
Wind Directions, November 2000, p. 23

Arno Brand, 2001,
Korte termijn windenergie verwachtingen,
WindNieuws, februari 2001, p. 5

Barbara Drazga, 2001,
Wind prediction models,
Wind stats newsletter, Vol 14 No 3 (Summer 2001), p. 5

Onderzoek aan prognosemethoden

Het onderzoek aan windenergieverwachtingen is gerapporteerd in een dusdanig aantal publicaties dat het niet mogelijk is deze hier te noemen. Voor dit soort publicaties wordt daarom verwezen naar de verslagen van de diverse windenergieconferenties. Sinds het eind van de jaren negentig kennen deze meestal wel een sessie over dit onderwerp. Een uitzondering wordt gemaakt voor de verslagen van de bijeenkomsten onder de vlag van de International Energy Association omdat deze alle organisaties behalve Universität Oldenburg introduceren:

S.-E. Thor (ed.), 2000,
Wind forecasting techniques,
Proceedings 33th Meeting of Experts, April 2000, Boulder, USA

S.-E. Thor (ed.), 2002,
Wind forecasting techniques,
Proc. 41st Meeting of Experts, December 2002, Norrköping, Sweden

Windenergieprognoses in de praktijk

In contrast met de grote hoeveelheid onderzoekspublicaties is er een klein aantal openbare artikelen over de praktijk van het dagelijks afgeven van vermogensprognoses. De ervaring in Denemarken, met een indicatie van het resterende volume aan onbalans na gebruik van een voorspeller, is beschreven in:

J. Pedersen, P.B. Eriksen & P. Mortensen, 2001,
Present and future integration of large-scale wind power into Eltra's power system,
Proceedings European Wind Energy Conference 2001, Copenhagen, Denmark, p. 153

De ervaring in andere landen, waaronder de Verenigde Staten, is te lezen in:

Mike O'Bryant, 2001,
Fading fears about fluctuations,
Windpower monthly, July 2001, p. 43

Mike O'Bryant, 2002,
Making variable supply legitimate,
Windpower monthly, February 2002, p. 40

David Milborrow, 2002,
Mastering market mechanisms,
Windpower monthly, February 2002, p. 42

De situatie in Nederland

Hoe Nuon omgaat met onbalans in het algemeen en onbalans door windenergie in het bijzonder is beschreven in drie artikelen die duidelijk maken dat de kosten van onbalans de drijfveer voor de vermogensprognoses zijn:

Marjolein Roggen, 2002,
Opties op onbalans,
Energietechniek 6, juni 2002, p. 14

Nico Bakker, 2002,
De onzekerheid van vermogen en opbrengstvoorspelling,
Verslag symposium "Onzekerheden in de toepassingsketen windenergie",
Nederlandse windenergievereniging NEWIN, april 2002, Delft

A.J. Brand & J.K. Kok, 2003,
Aanbodvoorspeller duurzame energie - Deel 2: Korte-termijn prognose van windenergie,
ECN Wind Energy, Rapport ECN-C--03-032

Onafhankelijke schattingen van de omvang van de onbalans door windenergie staan in:

A.J. Brand, R.R. Niño, J.K. Kok & M. de Noord, 2002,
Onbalans en onbalansprijs van windenergie,
Verslag Nederlandse Duurzame Energie Conferentie 2002, februari 2002, Rotterdam

J.G. Slootweg & W.L. Kling, 2002,
Inpassing windvermogen - Onzekerheid verminderen of op de koop toenemen?,
Energietechniek 4, april 2002, p. 30

Medio 2002 is er nog maar weinig gefundeerde informatie over de vermindering van de waarde van windstroom door de onbalans die het introduceert, of over de vermeerdering van die waarde door goed afgegeven prognoses.
Twee rapporten brengen daar verandering in:

Y.-M. Saint-Drenan, 2002,
Wind power prediction analysis Part 1:
TenneT imbalance price system and development of a model for TenneT imbalance price,
ECN Wind Energy, Report ECN-I--02-010

Y.-M. Saint-Drenan, 2002,
Wind power prediction analysis Part 2:
Economical analysis,
ECN Wind Energy, Report ECN-I--02-011


En verder ...

Weerbericht voor windstroom

Wind-, temperatuur- en drukverwachtingen zijn voor het ECN geen einddoel maar een tussenstap voorafgaand aan het geven van windenergieverwachtingen. Deze verwachtingen van de geproduceerde hoeveelheden windstroom zijn nodig vanuit het uitgangspunt dat de elektriciteitsproductie in het komende etmaal bekend moet zijn. Er zijn twee motivaties voor het maken van etmaalprognoses:

  1. De onbalanssystematiek in de vrije Nederlandse elektriciteitsmarkt, en
  2. Het aansturen van opslagsystemen en energievraag in de gebouwde omgeving.

De geliberaliseerde Nederlandse elektriciteitsmarkt heeft een financieel instrument om het elektriciteitsnet in balans te houden. Elke programmaverantwoordelijke heeft hiertoe de plicht een energieprogramma in te dienen met de verwachte elektriciteitsproductie voor het volgende etmaal. De werkelijke productie in dat etmaal wordt vastgelegd in een dagrapport. Het verschil tussen de werkelijke en de verwachte productie is de onbalans (eigenlijk PV-onbalans), die via de onbalansprijs bij de programmaverantwoordelijke in rekening wordt gebracht. Afhankelijk van het teken van de onbalans, het teken van de onbalansprijs en de toestand van het elektriciteitsnet leidt dit tot een bedrag dat de programmaverantwoordelijke betaalt aan of ontvangt van de landelijk netbeheerder. De regels voor het in balans houden van het net zijn vastgelegd in de diverse codes van de Dte, te betrekken via hun website. De onbalansprijzen zijn te raadplegen via de website van de landelijk netbeheerder TenneT.

De tweede reden voor het maken van etmaalprognoses is de opkomst van kleinschalig opgewekte duurzame energie in de gebouwde omgeving. Voor een optimale inpassing van duurzame energie in woningen of kleine woningclusters met geen of slechts zwakke netkoppeling is een integrale regeling van het energiesysteem noodzakelijk. Een nauwkeurige verwachting van het duurzame energieaanbod kan een belangrijke beslisparameter zijn voor het intelligent aansturen van het energiesysteem in deze woningen. Voor een aanbodvoorspeller in deze toepassing is een voorspelling voor de komende uren het belangrijkst en ligt de maximale voorspelhorizon op ongeveer vierentwintig uur.

De twee motivaties onbalans en aansturing voor etmaalprognoses worden door ECN onderzocht. Dit gebeurt binnen het kader van twee projecten:

  1. Het door ECN zelf gefinancierde project AVDE (vanaf voorjaar 2000, contactpersoon: Arno Brand), en
  2. Het voornamelijk door SDE gefinancierde project VoDeGo (vanaf najaar 2000, contactpersoon: Koen Kok).

Een van de gezamenlijke doelstellingen van beide projecten is het maken van een windenergie aanbodvoorspeller. In het kader van een nut-en-noodzaak onderzoek wordt deze voorspeller gebruikt om de economische en de technische haalbaarheid van "windstroomvoorspelling" vast te leggen. De uitkomsten van dit onderzoek, met de focus op de vrije elektriciteitsmarkt, kwamen in het najaar van 2002 beschikbaar.

In het nut-en-noodzaak onderzoek worden drie praktijkvoorbeelden beschouwd. Een daarvan is een meetmast (in Petten, beheerd door ECN). De andere zijn een windturbine (nabij Medemblik) en een windturbinepark (in de Hoekse Waard). De twee energieproducerende praktijkvoorbeelden, die overigens elk beschikken over een windmeetmast, worden beheerd door WEOM.

Andere landen

In het buitenland worden ook korte-termijnprognoses voor het windvermogen gemaakt. Sommige van de methoden zijn gedemonstreerd op praktijkvoorbeelden, andere zijn volledig operationeel. De methoden die gedemonstreerd of operationeel zijn (geweest) vormen de eerste generatie. Dit zijn WPPT en Prediktor uit Denemarken, Previento en de methode van ISET (page: online supervision and prediction ...) uit Duitsland, en eWind uit de Verenigde Staten. Daarnaast zijn de tweede generatie methoden Zephyr en Hirpom in ontwikkeling in Denemarken, en, geloof het of niet, is er een Zwitserse methode om het windvermogen wereldwijd te voorspellen.

Externe partijen

Voor het werk aan de windenergie aanbodvoorspeller is een aantal externe partijen van belang. Deze zijn in te delen in de leveranciers van gegevens en de leveranciers van kennis.

Het KNMI en de WEOM hebben beide de rol van leverancier van gegevens. Voor het KNMI gaat het hier om de uitvoer van het HiRLAM en voor de WEOM om de producties van de windturbines. De twee soorten gegevens zijn te beschouwen als halffabrikaten waaruit ECN, via de genoemde interpolaties en transformaties, het eindproduct in de vorm van een dagrapport maakt. Aan de leveringen door zowel het KNMI als de WEOM ligt een overeenkomst ten grondslag. Een andere partij met de rol van leverancier van gegevens is TenneT. De onbalansprijzen bevinden zich in het publieke domein en worden dus zonder overeenkomst (en dus kosten) verkregen.

In de omgeving van de projecten bevinden zich partijen die kennis leveren. Een belangrijke partij is het KNMI, waar veel ideeën omtrent interpolaties en transformaties de oorsprong hebben liggen. Dit geldt in het bijzonder voor de behandeling van lokale ruwheid die aan het Hydra-project is ontleend.

Daarnaast heeft Universität Oldenburg schaduwberekeningen met de methode Previento gemaakt, uitgaande van windverwachtingen die het ECN uit het HiRLAM afleidt.

Zonne-energieverwachtingen

Naast windenergie is foto-voltaïsche zonne-energie onderwerp van de projecten AVDE en VoDeGo. In dat kader werkt ECN samen met Meteo Consult en met KNMI. De contactpersoon bij het ECN is Nico van der Borg. De stand van zaken aan het eind van het jaar 2001 is beschreven in een rapport:

N.J.C.M. van der Borg & W.D. van den Berg, 2001,
Korte termijn voorspelling van de opbrengst van PV-systemen,
ECN Solar Energy, Report ECN-C--01-128

De uitkomsten van het onderzoek zijn beschreven in het eindrapport:

N.J.C.M. van der Borg, A.J. Brand & S.H. van de Veen, 2003,
Aanbodvoorspeller duurzame energie - Deel 1: Korte-termijn prognose van zonne-energie,
ECN Solar Energy, Rapport ECN-C--03-018

Disclaimer

De waarden van atmosferische grootheden en van onbalansprijzen kunnen variëren. In het verleden gerealiseerde onbalansen of kosten/baten geven dus geen garantie voor toekomstige onbalansen of kosten/baten.