Kosten van opslag zon en wind

Inhoudsopgave onderwerpen

Windmolens en zonneweides produceren elektriciteit als het waait en als de zon schijnt. In de periodes zonder zon en wind moeten die productiegaten worden opgevuld. Als dat niet gebeurt kunnen zon en wind geen baseload vormen voor de vraag. Die productiegaten moeten dan met fossiele centrales worden opgevuld.

Opslagcapaciteit voor het leveren van baseload


We de definiëren de baseload als het continue vermogen dat beschikbaar moet zijn van een zonneweide of van een windmolen. Deze baseload is de totale jaarproductie gedeeld door 8760 (het aantal uren per jaar)

Schermafbeelding 2019-04-14 om 08.36.02

Baseload opslag zonnepanelen

Productie van zonne-energie in januari week 1, jaar-baseload 120 watt, locatie Lauwersoog.
Per m2 valt per jaar in Lauwersoog 1051 kWh;- gemiddeld per uur dus 120 watt


Baseload juli zon week 26

Productie van zonne-energie in juli week 26;- jaar-baseload 120 watt;- locatie Lauwersoog.
In de zomer wordt de opslag gebruikt voor nachtuur-suppletie en wordt er opgeslagen voor de winterperiode.


Opslagsystemen moeten in staat zijn het piekvermogen op te slaan en energie te bevatten om in geval van geen of te weinig productie aan te vullen tot baseload niveau.

Opslagcapaciteit voor zon

Toelichting bij grafiek: Vulling en onttrekking voor zonne-energie betrokken op 1 m2 instraling.
De vereiste maximale opslagcapaciteit bedraagt voor 100 % dekking van de baseload van 120 watt bedraagt 333 kWh. Het volume dat via opslag aan het net moet worden geleverd bedraagt voor zonne-energie in ons land ruim 62% van de jaarproductie.

Voor wind op zee op 100 m hoogte is de vereiste opslagcapaciteit 12,7% van de jaarproductie. Voor 5 MW turbine met een productie van 17.642 mwh per jaar en dus een baseland van 2.014 kW, moeten we een accupakket hebben van 2,235 mwh. Een grote Tesla heeft 60 kWh aan boord.
We hebben dan nodig het aantal batterijen dat in 37.000 Tesla’s zit.
Het volume dat via opslag aan het net moet worden geleverd bedraagt voor zonne-energie in ons land ruim 37,8% van de jaarproductie.
Bron: KNMI winduur-gegevens van weerstation EURO 321 op zee geprojecteerd op een 5 MW windturbine.



Methodes van opslag


Uitvlakking

  • Netwerk uitvlakking (mondiaal nog niet aan de orde); Europees wordt aan netwerk uitwisseling gewerkt vraagt veel investeringen in Infrastructuur en complexe tarief afspraken;

Europees:
Voor zon levert dat niet veel op, omdat de instraling van noord tot zuid parallel loopt.
Voor wind uitvlakken levert dat ruim 30% minder opslagcapaciteit op.

  • Combinatie van zon en wind voor uitvlakking (verlaagt de vereiste opslag capaciteit met 40%)

Opslag opties
  • Hydropower in Nederland bijvoorbeeld door peilverhoging in het IJsselmeer opslag kosten per kWh >> 20 cent per kWh.
  • Hydropower uit Noorwegen. Naar Noorwegen kosten transport heen en terug 4,5 - 5,5 cent per kWh;- daarnaast gebruik van spaarbekkens en turbines kosten 5,6 - 8 cent per kWh - verlies 10 -14%;- waarmee integrale kosten komen op 11,2 tot 15,3 cent per kWh.
  • Perslucht (geschikt voor kleinere vermogens en kort cyclisch; prijzen 5 tot 18 cent per kWh)
  • Chemische binding (broom/ waterstof systemen beloven 5 - 8 cent per kWh).
  • Waterstof naar stroom. In dat geval zijn er 2 conversies vereist. Met de wind- of zonnestroom moet er eerst waterstof gemaakt worden met electrolyzers. En van die waterstof moet stroom gemaakt worden met brandstofcellen. Om 1 kWh stroom via deze methode via opslag weer in het net te krijgen is 2,87 kWh wind- of zonnestroom nodig bij de huidige stand der techniek.
  • Accuopslag (Indien de accuprijs de grens van € 100 per kWh bereikt dan kost een opgeslagen kWh 10 cent. Dit omdat accu’s maximaal 1000 cycli aankunnen voordat deze ernstig degraderen. Prijzen zijn nu nog € 150 - € 180 per kWh.

Kosten van opslag met panelen:


Laten we het praktisch maken en kijken naar één zonnepaneel.
Stel het paneel levert per jaar 300 kWh.
Dan is de vereiste minimale opslag capaciteit om een basislast te kunnen maken 33% van die hoeveelheid; dat is 100 kWh.
De kosten van een batterij bedragen anno 2019 € 150 per kWh; Experts verwachten dat de kosten gaan dalen tot € 100 per kWh. Dan hebben we per paneel 100 kWh x €100 = € 10.000 nodig. Een voor een huis met 20 panelen € 200.000.
Gelukkig geldt dat niet voor een gezin in de praktijk, want de stroom die geproduceerd wordt zullen we grotendeels zelf direct kunnen gebruiken. Maar dit rekenvoorbeeld toont aan dat seizoensopslag vreselijk duur is.

Ontwikkelingen van bedrijf Elestor opslagkosten;- Elestor claimt een kWh prijs van 5 cent per opslagcyclus

Rapport TNO/ECN over de ontwikkeling van de kosten van waterstof 2020 - 2050

Rapport van wind naar waterstof ECN Energy Valey en anderen
in dit rapport wordt het kostenverhogende effect in de CAPEX van omzetting naar waterstof door de deellast van de electrolyzers niet in beschouwing genomen. Het rapport stelt zelfs date molens in vermogen minder snel afgetopt hoeven met directe waterstof productie en dat daarmee de productie 12% zou kunnen stijgen. Worden electrolyzers op dit hogere vermogen uitgelegd, dan stijgt de CAPEX dramatisch. Dit vanwege twee effecten: De minimate productie (de cut-in) is aan de onderzijde bij hogere vermogens pas mogelijk, terwijl de investering is toegenomen. Daarmee wordt per kW geïnvesteerd vermogen minder kg waterstof geproduceerd.

Kosten van stroom uit fossiele bronen en duurzaam waarvan uit windmolens en zonnepanelen met opslag in waterstof

Stacks Image 160
Toelichting bij de bovenstaande tabel

Windmolens en zonneweides kunnen geen basislast leveren. Hiervoor is opslag nodig. Dat kan met waterstof. Echter voor het produceren van 1 kg waterstof is 55 kWh stroom nodig en het omzetten van waterstof in stroom gaat met een rendement van 57%. Je houdt dan 19,1 kWh over aan stroom die het net in kan. Per saldo heb je 55/19,1 = 2,87 kWh nodig om 1 kWh stroom aan het net te leveren.

Tevens houdt dat in dat de effectieve productie voor windmolens en zonneweides ook lager zal worden; immers er is veel extra stroom nodig voor de opslag cyclus. Voor een basislast hebben we dan 3 x zoveel zonneweides of windmolens nodig.
Stacks Image 179
Wensscenario

We hebben bij de de opslag via waterstof € 1.00 per kg in rekening gebracht voor de investeringskosten (capex) en operationele kosten (opex) € 0,50 in electrolyzers en in brandstofcellen. Dit is vanuit het wensscenario geredeneerd, gepostuleerd door de innovationBoard van Noord Nederland.

Die aanname is gerechtvaardigd bij een constant stroomaanbod. Electrolyzers kosten € 1.000 - € 1.500 per aangesloten vermogen en gaan circa 4,8 = - 7,2 jaar mee (fabrikant opgave van stacks 40.000 - 60.000 uur). Dat is het geval voor stroom inname van 8.760 kWh per kW aangesloten vermogen. En dus een potentiële waterstofproductie van (8.760 x 95%)/47 = 1877 kg (met 5% stilstand voor onderhoud). Per kg waterstof varieert de Capex 1000/(177 x 7,2) = € 0,78 tot 1000/(177 x 4,8) = € 1,17.

Voor zonneweides is het aanbod niet constant en dat leidt tot onderstaand inzicht. We zien dat de kosten sterk stijgen omdat de investering over veel minder bedrijfsuren en wordt omgeslagen en vanwege het feit dat de maximale productie een groot deel van het jaar niet wordt benut. Onderstaande berekening is gemaakt met een efficiency van 47 kWh per kg waterstof.

Wordt voor een zonneweide een elektrolyseer ingezet met 5,3% van het vermogen van de zonneweide dan zijn er uiteraard meer vollast uren en daarmee wordt de Capex lager, te weten: 1,76 per kg geproduceerde waterstof. Indien de elektrolyseer wordt uitgelegd op het volledige vermogen, dan stijgt de Capex naar 6,19 per kg geproduceerde waterstof. Dus afhankelijk van het vermogen van de elektrolyseer, wordt de integrale prijs van 3,67 tot 8,10 per kg.

Voor windmolens laat de analyse aan eenagoog beeld zien. Echter minder dramatisch, omdat windmolens ten opzichte van zonneweides gelijkmatiger stroom produceren

Schermafbeelding 2019-06-03 om 11.19.19

Met opslag levert een 5 mW molen op zee met opslag voor basislast 5.571.000 kWh. Om 120 miljard kWh te produceren hebben we dan 21.538 windmolens nodig.

Opmerking: 1 In de berekeningen zijn de stilstand verliezen van de molens, electrolyzers en brandstofcellen meegenomen.

Opmerking: 2
Om de stroom productie van fossiele centrales te vervangen is opslag een vereiste. Aan die kosten ontkomen we niet. Voor de productie van waterstof voor het wegvervoer en voor verwarming is de conversie naar stroom niet nodig. Opslag met accu’s lijkt goedkoper te kunnen worden echter dat vraagt idioot veel li-ion batterijen. Zoveel is op wereldschaal niet eens voorradig. Die optie is dus niet reëel.

Opmerking: 3 De CO2 heffing hebben we niet in rekening gebracht, omdat dit een belasting maatregel is en geen operationele kosten betreft.
Stacks Image 183

Windmolens op zee met en zonder waterstofproductie
optie 1: stroom leveren naar het land zonder opslag
optie 2: stroomlevering door waterstof te maken en daarna stroom met elektrolyse maken en transporteren naar het land
optie 3: met winstroom waterstof onder druk maken en dit met buizen aan land brengen

De verwarmingsoptie met waterstof:
Aardgas bevat 9,77 kWh per m3 op bovenwaarde. 1 m3 kost bij een kale gasprijs van 19 cent: = 1,95 cent/kWh.
Met “groene” waterstof verwarmen kost 9,7 cent per kWh.

Waterstof heeft nog geen accijnzen en energiebelasting, aardgas wel, waardoor de aardgasprijs voor consumenten stijgt naar 5 cent per kWh (excl. BTW).
Per saldo is het verwarmen met waterstof (zonder accijns) voor woonhuizen ruim 2 x zo duur bij een waterstof prijs van € 4,30 per kg.


Stacks Image 226

Kosten van waterstof anno 2018

Productiekosten van waterstof via elektrolyse als functie van bedrijfstijd voor een brede set aan condities wat betreft:

  • investeringskosten: 1220 €/kW
  • efficiency: 55 kWhe/kg H2,
  • elektriciteitsprijs: 70 €/MWh

Bron: Routekaart waterstof

Stacks Image 233

Kosten van waterstof per kg wensscenario

Productiekosten van waterstof via elektrolyse als functie van bedrijfstijd voor een brede set aan condities wat betreft:

  • investeringskosten: 300 €/kW
  • efficiency: 47 kWhe/kg H2
  • elektriciteitsprijs: 30 €/MWh

Bron: Routekaart waterstof

Commetaar bij het wensscenario

Writing in Markdown format is a simple and fast way to add styled text to your web pages.

  • Energieprijzen Bij de research naar electriciteitsprijzen komen wij nergens prijzen tegen van € 30 per MWh. De enige kandidaten die in de buuurt komen zijn kerneregie en hydropower in berggebieden.
  • Vollasturen De kapitaalkosten voor deellast zijn veel hoger dan bij vollasturen. Electrolysers tipgepast bij zonneweides en windmolens zullen altijd in deellast draaien en helemaal als de piek moet worden afgevangen. De Capex zal daarom hooog zijn voor waterstof bij wind op zee.
  • Investeringskosten De investeringskostenvan € 300 per kW voor elctrolysers zijn prognoses die pas over 20 jaar hopelijk behaald worden. Het opzetten van een waterstoffabriek is echter een stuk prijziger dan allen de invesetrng in elecetrolysers, vanwege het proces van demiwater, tot opslag en de veiligheidseisen.

Back-up kosten gascentrales stijgen door zon- en windparken

Door de toename van wind en zonne-energie zullen met name gascentrales minder gaan produceren. Tevens zullen deze centrales ook snel moeten opschakelen om de productiegaten te vullen als het niet waait of als er wolken voor de zon verschijnen.

In Duitsland worden dit type centrales gebruikt voor backup met 400 - 600 vollast uren;- bekijk rapport van het Fraunhofer instituut

Overzicht van elektriciteit centrales in Nederland

Hieronder hebben we deze gevoeligheid in beeld gebracht voor een gascentrale met de volgende gegevens:

  • Vermogen 350 megawatt (Type STEG (Stoom-gas turbine) EC7 te Eemshaven)
  • Levensduur 30 jaar
  • Investering 210 miljoen euro (rente 4% over financiering rente en aflossing)
  • Vast onderhoud € 7 miljoen per jaar (€ 20/KW)
  • Variabel onderhoudscomponent € 0,003 per kWh
  • Prijs per m3 gas € 19 per MWH
  • Rendement centrale 56% op onderwaarde

Opmerking: veel van de gascentrales staan inmiddels stil in de Eemshaven.
Stacks Image 198