Presentatie FVD Echte stand van zaken Duurzame Polder - deel 2
Tekst van het document
De Duurzame Polder 1
Plan A: Een doodlopende weg
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
2
Inhoud (Terugblik) stand van zaken Duurzame Polder Uitgangspunten, doelstellingen Concept Voorkeursalternatief
Fysica achter Windturbines, deel 2: Geprojecteerde opbrengst en reële opbrengst; Validatie in de praktijk: 7 locaties
Conclusie
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
3
Terugblik Stand van Zaken Duurzame Polder 6-10 IWT’s voorzien voor de Duurzame Polder Osse deel van de polder, Den Bosch heeft eigen doelstelling
Uitgangspunten: >= 2 km van de bebouwde kom van Osse kernen Max. 42 dB Lden op de gevels van bebouwing in omgeving
Voorziene opbrengst per IWT Type 1: 15 GWh/jaar Type 2: 23 GWh/jaar
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
4
Terugblik stand van Zaken Duurzame Polder Type 1 : onderlinge afstand 420-560 m Type 2 : onderlinge afstand 510-680 m
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
5
Duurzame Polder: VKA Binnen ontwikkeltraject Concept VKA Duurzame Polder gepresenteerd 5 varianten, verschillende opstellingen
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
6
Duurzame Polder: VKA Energieopbrengst voor varianten berekend Gebaseerd op: Opgave leverancier (Power curve) Meteorologische data (windrichting en distributie) Aannames verliesfactoren (Ruigheid ondergrond, afvang)
Uitsluiting van stilstand door: Mitigatie slagschaduw (kan ver reiken….) Vogels (via automatische detectie) Curtailment (geen stroom-afzet mogelijk)
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
7
Duurzame Polder: VKA Kanttekeningen bij uitsluiting mitigatie wegens slagschaduw: Hoogste punt zon windseizoen (half okt – half feb) 15 - 26 graden boven horizon Tussen 11:00 en 15:00 u zon 12 – 26 graden boven horizon
Tiphoogte 261 m geeft slagschaduw tot 535 m ver (26 graden) en tot 1227 m ver (12 graden) gedurende de zonnige uren met zon binnen een hoek van zo’n 70 graden rondom zuid. Harde wind gaat vaak gepaard met heldere hemel…
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
8
Duurzame Polder: VKA Energieopbrengst varianten resultaat (Bijlage 3 Concept VKA):
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
9
Duurzame Polder: VKA Kanttekeningen bij de berekening: 1. Windafvang: tussen 9,2 en 12,9 % van het vermogen
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
10
Duurzame Polder: VKA Kanttekeningen bij de berekening: 2. Omzettingsefficiëntie: tussen 39 en 40,5 %
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
11
Daarom nu eerst:
De Natuurkunde
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
12
Fysica achter windturbines: De prestatie-factor van een IWT
S
S Snelheid v1
Snelheid v2
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
13
Fysica achter windturbines: De prestatie-factor van een IWT Afleiding wet van Betz (https://nl.wikipedia.org/wiki/Wet_van_Betz): Kinetische energie gegeven door: ½ * m * v2
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
14
Fysica achter windturbines: De prestatie-factor van een IWT Afleiding wet van Betz: v2= 0,61 * v1 v2= 0,74 * v1
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
15
Fysica achter windturbines: De prestatie-factor van een IWT Gevolg voor IWT’s: de snelheid v2 van de wind direct achter de rotor is voor IWT’s met een Cp tussen 0,4 en 0,5: 0,61 * v1 tot 0,74 * v1
Door turbulentie-effecten (vermenging van langzamere lucht door de rotor met de snellere lucht langs de rotor) neemt dit na ongeveer 1,0 - 1,5 km weer toe tot ~ 0,85 * v1. Dit bepaalt de benodigde onderlinge afstand tussen IWT’s Opmerking: De maximale Cp is onafhankelijk van de uitvoering van de energieomzetting! Deze uitvoering brengt extra verliesfactoren met zich mee. Belangrijk: Naarmate de Cp dichter bij het maximum van 0,593 komt, daalt v2 verder naar 0,33 * v1. Dit betekent dat turbulentie-effecten achter de rotor veel verder reiken en ook sterker zijn, zodat de onderlinge afstand tussen IWT’s in zo’n geval nog groter moet zijn. Dus betere prestatie betekent verder uit elkaar.
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
16
Fysica achter windturbines: Kanttekening 1 opbrengstberekening VKA: 1700 m achter turbine-rij ~1 m/s minder windsnelheid t.o.v. ~11 m/s er voor (= meting). Dit is 9% minder windsnelheid, maar dus 25% minder vermogen!
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
17
Fysica achter windturbines: Afvang tussen 9 en 13% met onderlinge afstand +/- 1000 m? Dat betekent slechts 3-5% snelheidsverlies op ruim de helft van 1700 m afstand: niet realistisch
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
18
Fysica achter windturbines: Effect van afvang in beeld: de powercurve van de Vestas V172 (8 m/s, 7 m/s en 6 m/s)
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
19
Fysica achter windturbines (vorig TO) Betz limiet: Maximale hoeveelheid bewegingsenergie die ‘uit de lucht te halen is’, gelijk aan 59,3% (=16/27) Verliezen door een rotor vormen de belangrijkste energieverliezen. Het is belangrijk om deze dan ook zo klein mogelijk te maken. Moderne rotors hebben een Cp-waarde van ongeveer 40 tot 50%, ongeveer 70 tot 80% van wat theoretisch mogelijk is. Technische omzettingsefficiëntie van een generatorsysteem: tussen 35-45%, conservatief is met 40% gerekend.
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
20
Fysica achter windturbines (nieuw inzicht) Betz limiet in praktijk vrijwel niet haalbaar op land Verliezen door een rotor vormen de belangrijkste energieverliezen. Als uitgangspunt nemen we een optimistische Cp-waarde van ongeveer 50%, ongeveer 80% van wat theoretisch mogelijk is. Technische omzettingsefficiëntie van een generatorsysteem: tussen 45 en 50%, optimistisch is met 50% gerekend.
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
21
Fysica achter windturbines Cp en rendement IWT (kanttekening 2 opbrengstberekening VKA): Met deze iets gewijzigde opbouw komt de effectiviteit van de IWT op 24,3% uit, een fractie meer dan de eerdere 23,7% Het projectteam komt in het VKA uit op een effectiviteit van 40%, waarbij het rendement van de gear-box het verschil moet maken. Hiervoor moet deze gear-box (versnellingsbak) 69% tot 82% efficiënt zijn. Dit is niet realistisch, alleen al de geluidsproductie bedraagt 107 dB(A). Verder is smering nodig om slijtage te beperken, hetgeen ook veel energie kost.
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
22
De praktijk Productiegegevens verzameld van 7 locaties met IWT’s IWT-karakteristieken in het eerder gepresenteerde, gereviewde model gestopt en doorgerekend met Cp = 0,5 en ‘machine’-rendement van 48,5% Met gebruik van de hiervoor gegeven vermogensformule, met gemodelleerde winddata (https://globalwindatlas.info) Vermogensberekeningsformule voor het kinetisch vermogen dat een IWT raakt: P = 0,5 * A * r * v3 Waarbij: A = oppervlak rotor, in m2 r = dichtheid lucht, in kg/m3 v = windsnelheid, in m/s
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
23
De praktijk Windsnelheid op ashoogte via lineaire inter-/extrapolatie bepaald (afwijking t.o.v. niet-lineair verloop is klein) Variatie over modelperiode meegewogen (Windspeed index in Global Windatlas) Bandbreedte bepaald in onzekerheid windsnelheid via Wind Speed Variability (meestal 5-6% voor periode 2008-2017)
Werkelijke opwek berekend en vergeleken met gemeten opbrengst voor betreffende locatie (Referenties naar opbrengst en karakteristieken van de locaties beschikbaar)
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
24
De praktijk
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
25
De praktijk
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
26
De praktijk
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
27
De praktijk Resultaat:
Het in het vorige TO gepresenteerde rekenmodel is hiermee naast wetenschappelijk getoetst tevens gevalideerd met praktijkresultaten: De met datzelfde rekenmodel voorspelde (veel) grotere aantallen benodigde IWT’s voor het behalen van de 0,514 PJ doelstelling in het Osse deel van de Duurzame Polder zijn hiermee realistisch, want onderbouwd.
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
28
De praktijk 1 Sterk afwijkend resultaat validatie:
Park ligt op 2,5 km van zee, in de kop van Noord-Holland Hier is de Cp waarschijnlijk hoger dan 0,5 en zit echt op de Betz-limiet, ondanks kleinere IWT’s Het rendement van de ‘machine’ is niet hoger dan op de overige locaties (eerder lager, het park dateert uit 2013, de andere zijn recenter en veel groter) Uitkomsten op bovengrens van bandbreedte windsnelheid Vermogen IWT het kleinst van de gemeten locaties
Mogelijke verklaring: Ander profiel van windsterkte in tijd door nabijheid van zee => significant meer vollasturen (3100 i.p.v. 2100), maar geen 3500
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
29
De praktijk Berekening werkelijke en model-opbrengst per turbine, zonder en met afvang: Onderlinge afstand IWT’s ongeveer 1 km rondom, dus veel last van afvang! Hierdoor is de windsnelheid 10 - 20% lager bij ongunstige windrichting voor een groot deel van de IWT’s gezien hun beoogde opstelling 10% minder windsnelheid betekent 37% minder opbrengst! 20% minder windsnelheid betekent 49% minder opbrengst!
De hierna berekende benodigde aantallen zijn gebaseerd op een getoetst en gevalideerd model
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
30
De praktijk Werkelijk benodigd aantal turbines voor de RES doelstelling volgens gevalideerd model, zonder afvang: Turbines, zonder afvang
Lith type 1
Lith type 2
Elzenburg (aantal = vastgesteld op 4)
Geprojecteerd (volgens project, werkend op Betz-limiet)
10
6-8
4
Benodigd o.b.v. Global Wind Atlas en realistische parameters (Cp = 0,5 en rendement = 48,5%)
15
11
6
Werkelijk benodigd aantal turbines voor de RES doelstelling volgens gevalideerd model, met afvang (Hoe beter de Cp, des te groter de afvang!!): Turbines, met 20% afvang (v2 = 0,8 * v1)
Lith type 1
Lith type 2
Elzenburg (aantal = vastgesteld op 4)
Geprojecteerd (volgens project, werkend op Betz-limiet)
10
6-8
4
Benodigd o.b.v. Global Wind Atlas en realistische parameters (Cp = 0,5 en rendement = 48,5%)
19
13
7
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
31
Conclusies Met de beoogde aantallen IWT’s in het concept VKA gaat de RES doelstelling voor de duurzame opwek van 0,514 PJ in de Duurzame Polder zonder meer niet worden gehaald Het niet (willen) nadenken over een Plan B is hierdoor niet alleen onverstandig, maar in feite roekeloos De overige, reeds eerder genoemde, nadelige effecten van IWT’s, zoals: Omgevingsbelasting met (infra-)geluid* Trillingsbelasting EM-veldbelasting Vrijkomen van schadelijke stoffen (BPA, fijnstof, metalen, olieproducten) in de natuur
worden door (veel) grotere aantallen IWT’s eveneens veel erger. * Volgens opgave van Vestas produceert een V172 tot 107 dB(A) in de gondel (1 m), dat is 47 dB(A) op 1000 m en 42 dB(A) op 1780 m !
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
32
Aanbevelingen Dringend pas op de plaats maken en de gekozen aanpak / richting heroverwegen; Direct inspanning/energie steken in de ontwikkeling van een plan B/C/.. : Lokale opwek, kleinschalig: Opwek op daken, VAWT; Onderzoek naar geothermie versnellen / intensiveren; Participeren in nationale initiatieven: kernenergie, bijv. via thorium; Alternatieven onderzoeken: o.a. emissievrije stoomturbines;
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS
33
Vragen?
Ir. J.H.S. van der Worp, Fysicus, consultant RAMS