De kracht van getijden energie: hoe eb en vloed ons van duurzame stroom kunnen voorzien

Bron: Change Inc.

Met de sloop van het Tidal Technology Center lijkt getijdenenergie (stroom opgewekt door eb en vloed) in Nederland in zwaar weer te verkeren. Maar internationaal wordt het idee steeds populairder, en ook in Nederland blijft deze innovatieve bron van duurzame stroom op de radar. SABINE SLUIJTERS

14 juni 2021, 14:20

Turbines zoals deze kunnen straks langs de kust genoeg stroom opwekken voor heel Zeeland | Beeld: Tocardo

Schuimend en sissend spoelen de golven rondom de 65 betonnen pijlers van de Oosterscheldekering. De dam is onderdeel van de Deltawerken en beschermt Zeeland sinds de afronding van de bouw in 1986 tegen hoogwater. Veiligheid, dat is waar de kering voor is gebouwd. Maar het waterwerk doet meer dan dat. Want onzichtbaar voor het oog en onhoorbaar voor het oor, wekt de dam energie op.

Enkele meters onder het kolkende wateroppervlak hangen vijf turbines tussen de kolossale pilaren. Daar trotseren zij het zoute water en laten ze zich ronddraaien door de stroming die ontstaat door eb en vloed. De energie die zij daarmee opwekken, gaat via een flexibele kabel naar het elektriciteitsnet op het vaste land. Gezamenlijk leveren de onderwatermolens elke dag genoeg stroom voor duizend huishoudens.

Onhoorbare opwekking

Getijdenenergie spreekt tot de verbeelding. Net als zon en wind, wordt een natuurverschijnsel gebruikt om energie op te wekken. Maar de techniek heeft een aantal grote voordelen ten opzichte van de andere methodes van duurzame energieopwekking. Om te beginnen is getijdenenergie voorspelbaar. De cyclus van de maan die het tij aanstuurt, kent weliswaar net als zon en wind een variabel patroon, maar in tegenstelling tot zon en wind is dat regelmatig. “En het is op de minuut te voorspellen”, zegt directeur Andries van Unen van Tocardo, het bedrijf dat de turbines in de Oosterschelde ontwikkelde en exploiteert. “Omdat de elektriciteitsvoorziening steeds afhankelijker wordt van variabele bronnen naarmate de energietransitie vordert, is dit een groot pluspunt.”

“In Zeeland zit genoeg energie in het water om alle huishoudens van stroom te voorzien.”

Daarnaast is het een onzichtbare en onhoorbare vorm van energie-opwekking. Ook dat is een groot voordeel, zeker in Nederland waar ruimte schaars is en de toename van duurzame energie-opwekking op groeiende weerstand stuit vanuit de samenleving. Naar het effect van de turbines van Tocardo op zeeleven is veel onderzoek gedaan en tot nu toe zijn er geen negatieve gevolgen gevonden. “Vissen en zelfs bruinvissen zwemmen erdoorheen of mijden de momenten dat het hard stroomt”, zegt Van Unen.

Energie met potentie

Getijdenenergie heeft dan ook veel potentie als aanvulling op wind en zon. De Europese Unie heeft als doelstelling om in 2025 100 MW geïnstalleerd vermogen in het water te hebben wat tot 2030 moet oplopen tot 1 GW en in 2050 tot 40 GW. De afgelopen jaren stijgt het aantal projecten. Vooral in het Verenigd Koninkrijk gaan de ontwikkelingen snel.

Zo werd dit jaar in Schotland met miljoenen overheidsgeld de krachtigste, drijvende centrale voor getijdenenergie geïnstalleerd. De Orbital 02 gebruikt de sterke stroming rond de Orkney eilanden ten noorden van Schotland om energie op te wekken en heeft een vermogen van 2 MW. Dat klinkt niet veel, maar zou het begin kunnen zijn van veel meer. Volgens experts herbergt het water in dit gebied een vermogen van 1200 MW aan getijdenenergie. Ook de stroming rond Wales en de Isle of Wight zouden heel geschikt zijn voor het opwekken van energie. Andere hotspots zijn de westkust van Frankrijk en rond de kanaaleilanden.

WIND ENERGIE

Bron: Wikipedia

Bioscoopjournaal uit 1980. Veehouder Henk van Butselaar uit het Gelderse Lunteren heeft zelf een windmolen gebouwd waarmee hij voldoende energie kan opwekken om in eigen gebruik te voorzien. De resterende stroom wordt overgeheveld naar het provinciale elektriciteitsnet.

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 rendabel in gebieden waar nog niet was geïnvesteerd in infrastructuur van elektriciteitstoelevering. In het Belgische Gistel liet de burgemeester Alfred Ronse in 1933 achter zijn kasteel Ter Waere een molen bouwen (de Meerlaan) die vooral bedoeld was om elektriciteit op te wekken. Met behulp van riemen over de conische gedeelten slaagde men er effectief in om elektriciteit te produceren. Ulrich Hütter bouwde, in 1957 in Duitsland, een 100 kW-horizontaleaswindturbine met aerodynamisch gevormde glasfiber vleugels met hoekverstelling (zie Windturbine-aerodynamica), het oermodel van de moderne windturbine.^[6] De jaren 60en 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.^[7] Nieuwe verticaleaswindturbines als de Darrieus– en de Savoniusrotorwerden onderzocht maar de vermogen/gewicht-verhouding bleek laag in vergelijking met de horizontaleas-windturbine.

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

Eind 2017 stond in de wereld 539 GW windcapaciteit opgesteld. Dit vermogen was in 5 jaar bijna verdubbeld. Van de 539 GW stond 188 GW in China, 169 GW in de Europese Unie en 89 GW in de Verenigde Staten.^[8] Windparken genereerden 1120 terawattuur (TWh); dat was 4,4% van de totale elektriciteitsopwekking in de wereld.^[9]

Opbrengst van windturbines

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

Ook wordt de term vollasturen gebruikt om de opbrengst van een windturbine in uit te drukken. Omdat de wind niet constant waait wordt de opbrengst hierin uitgedrukt. Levert een windmolen zijn nominaal vermogen dan is elk uur precies één vollastuur. Levert een molen bij lichte wind de helft van zijn nominaal vermogen dan is elk uur een half vollastuur.

Tijd die een windturbine kan draaien

Een windturbine gaat draaien vanaf windkracht 2–3 en wordt stilgezet boven windkracht 10 tot 12 (afhankelijk van het type) om overbelasting te voorkomen.

De draaitijd bepaalt niet de opbrengst omdat de turbine meestal niet op vol vermogen draait. Windturbines worden begin 21ste eeuw ontworpen op ca 4000 vollasturen per jaar.^[10] Dat betekent dat de opbrengst op die plaats met wisselende wind, even groot is als wanneer de turbine 4000 uur op vol vermogen zou draaien. Dit is een economisch optimum. Met grotere vleugels op een hogere mast kan de opbrengst van de turbine met dezelfde generator vergroot worden, dus meer vollasturen, maar dat kost onevenredig meer. Windmolens staan bijna nooit helemaal stil en draaien minstens 95% van de tijd.^[11]

Een offshore windmolen kan meer dan 4000 vollasturen leveren. Aan land levert een windturbine in de praktijk typisch 2500-3000 vollasturen.^[12] (Ter vergelijking een kerncentrale ongeveer 8000 vollastuur en zonnepanelen ongeveer 1000 vollastuur.)

Turbinevermogen en opbrengst

Windturbines worden steeds groter omdat dit een hogere efficiëntie met zich mee brengtZie Windturbinevermogen voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

De energieopbrengst van een windturbine is evenredig met het kwadraat van de rotordiameter en de derde macht van de gemiddelde windsnelheid. Windmolens met 3 wieken, met een diameter van 40 m en een masthoogte van 50 m, kan bij een optimale windsnelheid (windkracht 6) 500–750 kilowatt (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 megawatt (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 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 neemt mogelijk nog toe omdat de trend is dat molens steeds hoger worden; op grotere hoogten waait het immers meer. In de jaren 2000 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)%.^[14]De lage productiefactor wordt veroorzaakt door het verschijnsel dat het meestal niet hard genoeg waait om windturbines op volle toeren te laten draaien. Met de komst van grotere windmolens is de capaciteitsfactor in de jaren ’10 echter flink toegenomen: op land haalt men nu tot 40%, op zee 50%. Met nog grotere turbines op zee verwacht men in de toekomst boven de 60% te kunnen halen.

In 2009 was volgens het CBS het totaal geïnstalleerd vermogen in alle centrales circa 25,3 GW (2004: 21,5).^[15] Duurzame energie droeg in 2009 voor 3,9% bij aan de totale energievoorziening in Nederland (2004: 1,8%).^[16] De doelstelling van de overheid is dat 16% van alle verbruikte energie in Nederland in het jaar 2020 duurzaam opgewekt is.^[17]Als tussendoelstelling gold 5% in 2010.Voor een overzicht van (geplande) windmolenparken en hun opbrengst, zie Windturbines in Nederland

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.

Milieu- en hinderaspecten

Windmolens kunnen vogels doden, scheepvaart hinderen, geluids- en schaduwhinder geven voor de omwonenden, het microklimaat verstoren, en het landschap ontsieren. Op zee levert dit de extra problemen op, veel vissen kunnen niet tegen de trillingen en daardoor zullen sommige soorten naar een ander gebied emigreren. hierdoor zal de visserijsector ook in de problemen kunnen komen. De trillingen van de windmolens zorgt ervoor dat er slib los komt van de bodem en daardoor door de stroming meegevoerd word naar andere gebieden. Bijvoorbeeld de Waddenzee, waar hiervan onder andere de gevolgen merkbaar zijn. Los staat van dat alles dat er veel opofferingsmetaal bevestigd wordt op het deel dat onderwater zit. Dit metaal lost langzaam op in de zee en is hierdoor ook een gevaar voor het overige zeeleven.

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. De periode die een windturbine nodig heeft om dit energieverbruik terug te verdienen is afhankelijk van diverse factoren en kan daarom variëren van 2 maanden tot 15 jaar.

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 radarstralingabsorberende 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.

Vogels

Vogels kunnen schade ondervinden door botsingen met windturbines en door verdringing van het leef- en broedgebied. Met name de grotere roofvogels worden het slachtoffer. 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.^[18] 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 ligt 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.^[19] Mogelijk houden de vleermuizen de turbines voor bomen.^[20]

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 omstreden. 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 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.

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

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. Later werden 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.^[21] 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 weerstand gestuit, omdat het vlakke, rustige cultuurhistorische landschap erdoor zou 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 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 omvattende aantasting van het landschap.

Windmolens kunnen tegenwoordig ook worden geplaatst in bossen. Doordat masten van moderne turbines ver boven de gebruikelijke hoogte van bomen uitsteken, ondervinden ze geen hinder bij de windvang. 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 gezien steken ze wel duidelijk boven het profiel van het bos 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 maximale vermogen draait. Dit komt overeen met een windsnelheid van ongeveer 8 m/s op 10 meter hoogte, wat maar ongeveer 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 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 achtergrondgeluid 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 in de loop der 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.

Veiligheid

Een windmolen kan schade aanrichten wanneer de veiligheidssystemen falen. Het grootste gevaar treedt op wanneer de reminrichting faalt en de windmolen bij sterke wind op hol slaat. De wieken versnellen dan tot ze bezwijken onder de rotatiekrachten. Een rondvliegende wiek kan tot enkele honderden meters verder schade aanrichten. Het plaatsen van windturbines in weinig bevolkte gebieden en terreinen met ongevaarlijke industriële activiteiten reduceert het risico sterk. Door oververhitting of een elektrisch defect kan brand optreden. Bluswerken worden bemoeilijkt door de grote hoogte.

Regelgeving

Voor het plaatsen van windturbines moet een omgevingsvergunning worden verleend. Vaak zal ook een wijziging van het bestemmingsplan worden doorgevoerd.

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.

Integratie in het elektriciteitsnet

De vrees bestond dat de integratie van windturbines in het elektriciteitsnet bemoeilijkt wordt door de kwaliteit van de elektriciteit (frequentie), de beschikbaarheid van een geschikt elektriciteitsnet in de buurt, de variatie en beperkte voorspelbaarheid van de windsnelheid en ten slotte de beperkte opvang van de fluctuatie in elektriciteitsproductie door de conventionele centrales. In periodes van te veel of te weinig wind moet de energiebehoefte van het net geleverd worden met gas- of kolengestookte centrales. Met name bij het snel wegvallen van de wind moet een zogenoemde piekscheerder worden ingezet. Deze wordt aangedreven door een snelstartende gasturbines, die ongeveer de helft van het rendement heeft van een conventionele centrale. Er dient dan ook een goed evenwicht te bestaan in het energiesysteem tussen windturbineparken en conventionele centrales, bijv. niet te veel reservevermogen, om nog van een CO₂-voordeel te kunnen spreken. Een zeer kritische studie^[22] 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 in de grote Amerikaanse studie op dit gebied, van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van de VS,^[23] 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 een derde 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 vrijemarktmechanisme 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 was nog ongeschikt om van dit aanbod optimaal gebruik te maken. De elektriciteitsvoorziening is een 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^[24] veel tijd en aanpassing.

De scenariostudies zijn in de praktijk bevestigd. In Noord-Duitsland en Denemarken wordt meer dan een derde van de elektriciteit met zon en wind opgewekt, met behoud van de leveringszekerheid.

Kwaliteit van de elektriciteit[

Bij veel oudere windturbines is de generator direct aan het elektriciteitsnet gekoppeld (het Deense concept, zie Windturbine-aerodynamica). Dit heeft tot gevolg dat het rotortoerental en de netfrequentie in vaste verhouding staan. 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. Keerzijde van het AC/DC/AC schakelen om de netfrequentie te stabiliseren is dat het roterend vermogen in het net (denk aan het vliegwiel) kleiner wordt en hierdoor ook grilliger kan worden.

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

Een elektriciteitsnet met een hoog percentage aan hernieuwbare energiebronnen heeft over het algemeen een flexibelere opwekking nodig in plaats van basislastcentrales

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 boven op 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 weleens 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.

Beperkte opvang van de fluctuatie in elektriciteitsproductie door de conventionele centrales

Op dit moment^{[(sinds) wanneer?]} 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 procent 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 hoogspanningsgelijkstroomkabel 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.
• Opslag in accu’s, of ondergronds als gecomprimeerde lucht in lege gasvelden, zie 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.

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.^[bron?] Voor 7 dollarcent per kWh of minder kan het hele wereldelektriciteitsverbruik worden geleverd. (Hoogwijk 2004.^[25][bron?]) 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.^[26] De doelstelling voor de kostprijs voor het Windpark Borssele (dat gepland is in 2020) is 5,45 cent per kWh en daarmee zou de kostprijs van windenergie voor het eerst lager worden dan die van kolen.^[27] Kolenstroom kost anno 2017 7,5 cent per kWh.^[27]

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 59,3% 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 70-80%.^[28]

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 circa 4,5 GWh; de productiefactor komt daarmee op circa 22,5%.

Vergelijking met andere energiebronnen

Windenergie wordt ook beoordeeld op de hoeveelheid CO₂-uitstoot die ermee wordt vermeden. Reductie hiervan draagt vermoedelijk bij aan het afremmen van een toename van het broeikaseffect. Dit is de belangrijkste reden dat de regering vanuit het Kyoto-protocol 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.

Overheidsbeleid[

In 2001 is de Bestuursovereenkomst Landelijke Ontwikkeling Windenergie (BLOW-akkoord) gesloten. BLOW kwam rechtstreeks voort uit het Kyoto-protocol. Het doel: 1500 megawatt 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 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 erop 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 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 EEG-wet in Duitsland. Met de SDE-regeling is er geen aanschafsubsidie (uit de SDE) maar een subsidie op de teruggeleverde elektriciteit. De SDE-regeling is echter zeer onzeker door de vele soorten van herwaarderingsregels en de jaarlijkse aanpassing van de subsidie per teruggeleverde 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.^[33]

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.