Duurzaam niet meer Alternatief Jos Beurskens Bijdragen van:
Wim Sinke (Zonne-energie, ECN) Jan Willem Erisman (Biomassa, ECN) ECN Windenergie Petten
Windunie Symposium; samen voor lokale energievoorziening Dronten, de Meerpaal, 17 november, 2011 Photos: Jos Beurskens
DE en de agrarische sector
Belangstelling voor duurzame energie door agrarische sector dateert van direct na de oliecrisis • Windenergie proefprojecten • Artikelen in Land en Tuinbouw • Stichting Energie en Landbouw (Emmeloord)
DE en de agrarische sector
DE op wereldschaal
Future scenarios
Source: Shell
DE
Duurzame energie = low carbon energy Duurzame energie: • Lokaal beschikbaar • Schoon (geen gevaarlijke emissies) • Conversie systemen zijn recycleerbaar, terwijl de kwaliteit van de oorspronkelijke materialen behouden blijft • Korte energie-terugverdientijd • Betaalbaar • Onuitputtelijk
DE
Use of fossil fuels and resources
Relevantie voor NL
Welke duurzame energiebronnen zijn relevant voor Nederland? • Zonne-energie • Windenergie • Biomassa • Geothermie • Waterkacht
Zonne-energie
Foto: Jos Beurskens
Zonne-energie Verschillende omzettingsmethoden van zonlicht in energie licht lage temperatuur warmte licht hoge temperatuur warmte electriciteit Concentrated Solar Power, CSP licht electriciteit photovoltaïsche conversie, PV licht brandstoffen productie foto(electro)chemische brandstoffen, kunstmatige photosynthese licht hoge temperatuur warmte brandstoffen thermochemische conversie (met CSP)
PV; werkingsprincipe zonnecel
zonlicht
electriciteit
Zonne-cel warmte
maximum electrical power out efficiency η = light power in
PV; rendementen
L. Kazmerski NREL, 2011
PV; cel & module technologieën (1)
Commercial: wafer-based silicon - monocrystalline - multicrystalline ribbons Module efficiencies 13 ~ 20% Stad van de Zon,NL
Commercial: thin films - silicon - copper-indium/gallium-diselenide (CIGS) - cadmium telluride (CdTe) Helianthos
Module efficiencies 7 ~ 13% Pilot production and laboratory: emerging and novel technologies super-low-cost concepts
ECN/Holst Centre
Amolf
super-high-efficiency concepts
PV; cel & module technologieën (2)
(FhG-ISE)
Commercial: multi-junction III-V semiconductors (and silicon)
Abengoa/Concentrix
Module rendementen 25 ~ 30%
PV; cel- en module productie
Cumulative installed capacity (IEA PVPS, 2011)
PV-systeem prijs ontwikkeling (Duitsland)
PV; “grid parity” van woningsystemen
PV – Kostenreductie Het gecombineerde effect van massaproducie en innovatie
Energie terugverdientijden
PV: maatschappelijke acceptatie ligt niet altijd voor de hand Oh my God, please help our country and send us a terrific and destructive hailstorm!
Courtesy Michael Marčák
PV is niet meer ‘alternatief’
Martin Braun @ EU PV TP General Assembly (Brussels, 2011)
Windenergie
Foto: Jos Beurskens
Windenergie Moderne toepassingen vandaag Elektriciteitsopwekking sinds 1980’s
NL:50 kW
NL: 18 x 600 kW
23
Windenergie Lancaster Betz Limiet (1926)
(= 0.593)
Windenergie
Energie productie van een windturbine wordt bepaald door:
•Energy output is determined by • Windsnelheid wind speed and rotor swept area • Bestreken rotor oppervlak and not by generator capacity !! • Niet door het generatorvermogen
Windenergie
Windsnelheid en opwekkosten
Ge ne ration cos t in € ce nts /k Wh
18 16 14 12 10
40m hub height
8
55m hub height
6
75 hub height
4 2 0 3
5
7
Annual average w ind speed at 50m height [m/s]
9
Wat hebben we tot nu bereikt (1)? • Rendement wind turbine systeem: x 3 in 10 jaar; nu stabiel • Kosten windelektriciteit: ÷ 3 in 10 jaar; nu minus 15% bij elke verdubbeling van opgesteld vermogen. Offshore begin leercurve. • Van een niet regelbare passieve eenheid, naar een intelligente elektriciteitsopwekker • Van 10 meter rotor diameter tot 126 m en binnenkort > 160 m • Windenergiecentrales van 1 tot 300/1000 MW • Wereldwijd staat meer als 200 GW opgesteld, in EU > 80 GW en in NL 2,3 GW. Groei 20 – 30% per jaar
Wat hebben we tot nu bereikt (2)?
• Van niets tot 5,3 % bijdrage aan Europese elektriciteitsbehoefte einde 2010, met maxima van > 35% in bepaalde provincies en regio’s • Toenemend inzicht in negatieve en positieve gevolgen voor natuur en milieu en hoe daar mee om te gaan • Ervaring met netkoppeling
Wat hebben we tot nu bereikt? Vestas 164 m/7 MW pm-ms-dd Nordex 150 m/6 MW pm-dd Bard
Up scaling
122 m/6.5 MW pm-hs-dg
200 m
2011
UpWind study (2011)
Alstom 150 m/6 MW pm-dd NPS
175 m/8 MW pm-dd
offshore
? ?
Jos Beurskens
‘11
Jos Beurskens
Wat hebben we tot nu bereikt? Product cycli van windturbines
Offshore
[DEWI]
Innovatie als middel tot kostenverlaging Opschalen
Voor de techneut: massa ~ (D³) doorsnede ~ (D²) spanning (= massa/doorsnede) ~ D
Voor de econoom: investering ~ (D³) energie productie ~ (D²) COE (~ investering/energie) ~ D
Ontwikkeling van geavanceerde materialen met hogere strerkte – massa verhouding
Innovatie als middel tot kostenverlaging
Wind field
Photo: Jos Beurskens
Innovatie als middel tot kostenverlaging
Thermoplastic blades
Innovatie als middel tot kostenverlaging
Classical drive train
Jos Beurskens Jos Beurskens
Permanent magnets
ENERCON
Jos Beurskens
Zephyros
Direct drive HTS (high temperature super conductivity)
Elektrische infrastructuur: mogelijke show stopper Shell-NUON 36 x Vestas 3MW V90 108MW 10 – 18 km from the coast 18 m water depth Monopiles 70 m above sea level, 30 m into seabed total investment appr. M€ 260
1: OWEZ (~10 km)
2: Princess Amalia (Q7) (~23 km)
•3: Future •(>120 3: Future km) (>120 km)
E-Connection Evelop 60 Vestas 2 MW V80 120 MW 23 km from coast 19 - 24 m water depth mono piles total investment appr. M€ 380
OWEZ
Q7
Elektrische infrastructuur: mogelijke show stopper
Source: EWEA
Marktontwikkeling Installed Wind Power in the World 40,000
200,000
35,000
175,000
30,000
150,000
25,000
125,000
20,000
100,000
15,000
75,000
10,000
50,000
5,000
25,000
0
0 1983
1990
1995
Year Source: BTM Consult - A Part of Navigant Consulting - March 2011
2000
2005
2010
Geïnstalleerd offshore windvermogen, eind 2010: 3,554 MW (= 1,2 % van totaal wind vermogen)
Cumulative MW
MW per year
- Annual and Cumulative -
Marktontwikkeling; offshore Acht 100x100 km offshore windparken kunnen 3,000 TWh produceren – equivalent aan de EU elektriciteitsvraag
Based on Siemens information
Marktontwikkeling; offshore
Sommige kengetallen (per 12-2010) • Total installed offshore wind power:
3554 MW
• Total number of projects:
43
• Average power per project:
83 MW/project
• Average power of 10 smallest projects:
8.1 MW/project
• Average power of 10 largest projects:
198 MW/project
Betere windparken Need for wind farm output optimisation, resource assessment, impact on regional climate U U0 Wind speed U
Down stream distance
Source: RisøDTU
Xseparation
Betere windparken
Windpark output en windrichting
Torben J. Larsen, Risø-DTU
Betere windparken Torben J. Larsen, Risø-DTU
Lay-out Horns Rev 2
Marktontwikkeling; offshore
Tijdassen zijn 16 jaar verschoven !
•Source: EWEA Oceans of Opportunity
Windenergie – Kostenreductie
WE: blijft maatschappelijke acceptatie een probleem?
Gaat meer windenergie ten koste van meer horizonvervuiling?
= 10 x
Windenergie al lang niet meer ‘alternatief’
NL
Biomassa
Biomassa = organisch materiaal van niet-fossiele oorsprong voor productie van energie en chemicalieën / materialen
Biomassa Duurzaamheidsaspekten van biomassa Cramer criteria: Een voldoende positieve broeikasgasbalans. Geen concurrentie met voedsel of andere lokale toepassingen zoals medicijnen of bouwmaterialen. Geen aantasting van kwetsbare biodiversiteit en milieu. Bijdrage aan de lokale welvaart, welzijn van werknemers en lokale bevolking
48
• CO2, water en mineralen kringloop • Verschuiving van landgebruik
Perslunch 5-10-2010
Biomassa
• Gekweekt • Mogelijk concurrentie met voedsel productie
• Drogen
• Hogere energiedichtheid • Transporteerbaarheid • Verkleinen
Voor vergassing en verbranden
• Uit afvalstromen
Torrefactie
• Karakterisering
• Reinigen
Conversie Voor alle processen
• Grote variëteit
Voorbewerking
Pyrolyse
Brandstoffen
• (Co)verbranding • Vergassing • Vergisting • UHTC • Alle soorten energiedragers kunnen worden geproduceerd • Optimaal warmtegebruik voor maximale efficiency
Biomassa - brandstoffen Biomassa – een zeer diverse energiebron (met consequenties !)
afval
hout
(landbouw) residuen energie gewassen aquatische biomassa
Biomassa Van biomassa naar eindproducten Waterstof
CO2
N2
Kunstmest
Planten (Biomassa)
Landbouw Industrie Huishoudens
Vergassing
Voorbewerking
Verbranding
Elektriciteit Warmte
(Torrefactie, pyrolyse,
Diesel
Biochar)
Organische reststromen
Groen gas
Vergisting
Bioraffinage
Methanol Chemicaliën Polymeren
51
Perslunch 5-10-2010
N
Biomassa - Conversie Eerste generatie ontwikkelingen: (co)verbranding
Gevaar: te lang in gebruik houden van verouderde vuile centrales door verkeerd overheidsbeleid
Biomassa - Conversie Biomassa bij- of meestoken: nut van torrefactie
Verhogen percentage biomassa Kolen- en gasgestookte centrales Bestaande en nieuwe centrales • + voorbewerking, warmtebenutting en CCS 53
Perslunch 5-10-2010
Biomassa - Voorbewerking Torrefactie: van biomassa/afval naar brandstof Woody biomass
Agricultural residues
Mixed waste Fuel powder
Fuel pellets 54
Perslunch 5-10-2010
Biomassa – Voorbewerkin & Conversie Tweede generatie ontwikkelingen: Thermo-chemische omzetting ECN
Biolake
Biolake
ECN
Torrefactie
Vergassing
Biomassa – Conversie Vergassing: technologie met mogelijkheden Ruwe biomassa
Voorbewerkte biomassa
Vergassing
Gasbehandeling
Syngas CH4, CO2, CO, H2 en H2O
4 Toepassingen voor syngas WKK
Elektriciteit / Warmte
Elektrisch rendement: 27-30%
Methanisering
SNG (Groen Gas)
Verwerking in aardgasnet
FischerTropsch
2e Generatie biobrandstoffen
Shift
Waterstof
Groen gas auto’s
in plaats van 15% lokale traditionele verbranding Korte termijn
Perslunch 5-10-2010
Middellange termijn
Lange termijn
56
Biomassa – Kostenreductie
•Electricity production costs in euro (2002)/kWh
Leercurve voor brandstoffen uit bossen in Zweden en Finland (1975-2003) en kosten van electriciteitsproduction
Junginger et al., 2005
Biomassa - brandstoffen
Broeikasgasbalans
Biomassa is niet meer ‘alternatief’ Status van de technologie Fundamenteel Basis R&D
Voorbewerking (olie, pellets) Verbranding Vergassing Groen gas: vergisting Groen gas vergassing/CO2 Biobrandstoffen: 1e generatie Biobrandstoffen: 2e generatie Bioraffinage
Demonstratie PreCommercieel commercieel
Samenvatting Bron
Progress ratio
Zon
78 %
Wind
> 81 %
Biomassa
85 - 92
Bron
Toename 2010
Cummulatief
PV (1)
24 GW
39 GW
Wind (2)
39 GW
200 GW
Biomassa (3)
?
>> 200 GW
(1) Capaciteits factor ordegrootte 10% (NL) (2) Capaciteitsfactor orde-grootte 25% (3) Capaciteitsfator >> 50%
Conclusies • Zonne-energie, windenergie en biomassa zijn zo ver ontwikkeld dat brede marktintroductie versneld kan en moet worden. • Voor wind op zee, PV zon en tweede generatie biomassa wezenlijke ondersteuning voor innovaties nodig voor verdere kostenreducties. • Verwezenlijking van een Europees elektriciteit transport net is een noodzakelijke voorwaarde voor grootschalige bijdrage aan energievoorziening • Energie besparings- en energie efficiency maatregelen dienen hand in hand te gaan met invoering DE • Grootschalige opslag van elektriciteit niet nodig als er internationale uitwisseling van elektriciteit mogelijk is • Voor DE (Z, W, B) is veel ruimte nodig en de agrarische sector heeft die. Dit is een uitgelezen mogelijkheid voor uitbreiding van taken.
Dank voor uw aandacht !
Photo: Jos Beurskens
