"Vaak hoor je dat de wind te variabel is om een grote bijdrage aan de stroomvoorziening te leveren," vertelt Arno Brand van ECN Windenergie. "Maar als je er beter naar kijkt, dan blijkt dat het Nederlandse net er weinig moeite mee zal hebben."
Samen met onder andere TU Delft en KEMA deed ECN uitgebreid onderzoek naar de eisen die een stevige bijdrage van windturbines gaat stellen aan de balancering van de elektriciteitsvoorziening. Het uitgangspunt was een gemiddeld scenario voor de groei van het totale geïnstalleerde elektrische vermogen: iets meer dan drie procent per jaar, uitkomend op ruim 35 gigawatt in het jaar 2020. Windparken zijn in dat scenario de snelst groeiende opwekkers. Hun bijdrage neemt toe tot 7,8 gigawatt, 22 procent van het totaal.
De wind is zelf niet regelbaar. Verder maken de lage marginale productiekosten – windenergie kent immers geen brandstofkosten – het aantrekkelijk om windturbines altijd zoveel mogelijk elektrisch vermogen te laten leveren. En aangezien energie in de onderzochte situatie vrijwel niet kan worden opgeslagen, moeten het geleverde en het gevraagde vermogen voortdurend in balans zijn. Opwekkers elders in het net moeten dus harder werken of gas terugnemen zodra de wind afneemt of aanzwelt. Gasgestookte centrales, die in Nederland toch al de voorkeur hebben, reageren aanzienlijk sneller en efficiënter dan kolencentrales. Verder leveren ook kleinschalige (warmtekracht) installaties en in tijd te verschuiven elektriciteitsvraag een bijdrage aan de balanshandhaving. Netbeheerder TenneT contracteert een deel van zijn reserve ruim van tevoren bij industriële afnemers.
Voorspellen is de kunst
Goed regelbare centrales zijn toch al nodig, want de consumptie van elektrisch vermogen varieert ook. Het ritme van dag en nacht, de tijd van het jaar, veranderende weersomstandigheden en onverwachte gebeurtenissen zorgen ervoor dat TenneT zich nooit hoeft te vervelen. Verder blijft ook de conventionele productie van elektriciteit niet vanzelf constant. Onderhoud is altijd wel ergens gaande, storingen komen voor. En een deel van al die variatie is niet voorspelbaar – net zomin als de wind.
Met andere woorden, het opnemen van windturbines in de stroomvoorziening brengt geen fundamentele verandering in de gang van zaken. Het betekent slechts meer van hetzelfde. Wat telt is de mate waarin de variatie onzeker is, want dat bepaalt de hoeveelheid vermogen die in reserve moet zijn.
Wiskundige wind
Brand: "De vraag was, welke reserve is nodig om te kunnen leven met een gegeven vermogen aan windturbines? En dat zijn twee vragen, want het gaat enerzijds om het verschil tussen de voorspelling van gisteren en de wind van vandaag, en anderzijds om de variabiliteit – de willekeurige afwijkingen rond een correct voorspeld gemiddelde."
Om daaraan te kunnen rekenen werd een universeel wiskundig model opgezet en voorzien van lokale informatie. Het KNMI leverde windmetingen afkomstig van zestien meetstations; zes offshore, vier langs de kust en zes op het vasteland. Daaruit werd een jaar wind voor elke plek in het relevante gebied afgeleid, en omgerekend naar de ashoogte van de windturbines.
Windvariatie per kwartier, per uur en per zes uur. De variatie per kwartier valt buiten het bereik van voorspellingen. Een reserve van ±14 procent is nodig om de ergste uitschieters te compenseren (Illustratie: ECN).
Ruimte en tijd
"Onze methode toont de juiste correlaties in ruimte en tijd," zegt Brand. "Het model laat zien in hoeverre de variaties in windsterkte elkaar opheffen of juist niet, afhankelijk van de onderlinge afstanden." Het model bevat ook de windturbines verdeeld over de parken zoals voorzien in het scenario voor 2020.
ECN beschikt over grote datasets van windsnelheden en de elektrische vermogens die windturbines in werkelijkheid produceren, doordat voor een aantal windparken de dagelijkse windvermogenvoorspellingen worden verzorgd. Daarom hield Brand zich vooral bezig met de voorspellingen binnen het model, rekening houdend met de structuur van de balancerende markt.
Een dag van tevoren
In Nederland werkt de netbeheerder samen met 'programma-verantwoordelijke partijen' (PV's) die energie inkopen voor de leveranciers, die op hun beurt de bedrijven en consumenten van stroom voorzien. De PV's leveren dagelijks hun 'e-programma's' voor de volgende dag in bij TenneT, schema's waarin van kwartier tot kwartier de te produceren en consumeren megawatturen worden voorspeld. Op de dag zelf ontstaan afwijkingen tussen de e-programma's en de werkelijkheid. De PV's zijn elk voor zich aansprakelijk. Waar ze het zelf niet oplossen wordt er door TenneT met ze afgerekend; elektrische onbalans wordt gemeten in geld.
"In het model zien we duidelijk het nadeel van rekenen per individuele PV," zegt Brand. "Ze hebben elk slechts een of enkele windparken in hun portfolio van opwekkers, en daardoor veel last van correlatie; de windafname in dat ene park wordt niet gecompenseerd door een toenemende wind elders." Daarom werden telkens twee getallen berekend. Een optelling van afzonderlijke reserves per PV, en ook een reserve voor het geheel, waarbinnen windvariaties meer kans hebben om elkaar glad te strijken.
Resultaten
Windturbines veroorzaken onbalans door het verschil tussen het gerealiseerde en het voorspelde vermogen. De vereiste reserve is gelijk aan dat verschil, en komt in het model uit op +58 en -56 procent van het geïnstalleerde vermogen als per PV wordt gerekend. Voor het systeem als geheel was de uitkomst +56 en -53 procent. 7,8 GW aan windturbines verdeeld over parken zoals verwacht in het scenario vragen dus in het beste geval een reserve die 4,4 GW kan opregelen, en 4,1 GW kan minderen.
Verder ontstaat onbalans door variabiliteit, korte schommelingen rond een gemiddelde. Rekenend per PV moet daar ± 16 procent van het geïnstalleerde vermogen voor in reserve worden gehouden, terwijl het systeem als geheel genoeg heeft aan ± 14 procent.
Termijnhandel
"Het zijn forse extra reserves," geeft Brand toe. "Maar het onderzoek laat ook zien hoe het met minder zou kunnen. Als de PV's op de dag zelf nog energie kunnen in- en verkopen, dan ligt de horizon van de windvoorspelling waar ze mee werken veel dichterbij, en wordt de fout half zo groot!"
Intussen bestaat die 'intra-day' markt, en binnenkort wordt hij grensoverschrijdend. Op 9 juni dit jaar tekenden de Amsterdamse APX-ENDEX, Belpex en Nord Pool Spot voor een markt die Noorwegen, Zweden, Finland, Estland, Denemarken, Duitsland, Nederland en België gaat omvatten. Ook de infrastructuur wordt snel uitgebreid. Een kabel tussen de Eemshaven en Noorwegen (NorNed) ligt er al sinds 2008, de BritNed-kabel tussen de Maasvlakte en Engeland wordt komend jaar in gebruik genomen, en er zijn plannen voor nieuwe kabels naar Denemarken en Duitsland.
Schaalvoordeel
"Het gaat erom zowel de markt als de infrastructuur door te trekken van de Oostzee tot de Middellandse Zee," zegt Brand. "Op die schaal zullen ook de voorspelfouten elkaar enigszins compenseren." Een onverwacht gebrek aan wind hier laat zich dan opvullen met een meevaller ergens anders, zodat minder conventionele reserves nodig zijn. De methode van Brand en zijn collega's is heel geschikt om hieraan te rekenen, als de informatie over het totale gebied erin wordt verwerkt. "Dat zou kwantitatief inzicht geven in de vraag wat de bijdrage van windparken aan de basislast kan zijn" mijmert hij.
Contact
Arno Brand
ECN Windenergie
Tel. 022 456 4775
E-mail: Arno Brand
Tekst: Steven Bolt
Info
Variability and Predictability of Large-Scale Wind Energy in the Netherlands
Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/
