Windenergie, ook wel windenergie genoemd, is het middel om wind te benutten en deze om te zetten in elektriciteit. De gemiddelde windefficiëntie van turbines ligt tussen 35-45%.
Productie van windenergie
Wind wordt geproduceerd in de atmosfeer van de aarde als gevolg van verschillen in de temperaturen op aarde, lokaal of op regionale en mondiale schaal. Wanneer warm verwarmd wordt, stijgt het en verlaat het de plaats met een lage luchtdruk; lucht uit koelere streken met een hogere luchtdruk beweegt naar binnen om de luchtdruk gelijk te maken.
Windmolens en turbines profiteren van de kinetische energie of 'bewegingsenergie' die lucht of wind van de ene plaats naar de andere verplaatst en omzet in elektriciteit. Windturbines worden op winderige plaatsen geplaatst, zodat de wind de bladen van turbines kan bewegen. Deze bladen draaien een motor, en tandwielen verhogen de rotaties voldoende om elektriciteit te produceren. Verschillende ontwerpen van turbines zijn geschikt voor verschillende omstandigheden.
Windefficiëntie en windcapaciteitsfactor
Windefficiëntie is niet hetzelfde als de windcapaciteitsfactor, wat wordt besproken als mensen denken aan energie-efficiëntie. Wind Watch legt het verschil tussen de twee verschijnselen uit.
Windefficiëntie en zijn limiet
Windefficiëntie is de hoeveelheid kinetische energie in de wind die wordt omgezet in mechanische energie en elektriciteit. Natuurkundige wetten beschreven door Betz Limit zeggen dat de maximale theoretische limiet 59,6% is. De wind heeft de rest van de energie nodig om langs de wieken te waaien. Dit is eigenlijk goed. Als een turbine 100% van de energie zou opsluiten, zou de wind stoppen met waaien en kunnen de bladen van een turbine niet draaien om elektriciteit te produceren.
Het is momenteel echter voor geen enkele machine mogelijk om alle opgesloten 59,6% van de kinetische energie om te zetten van wind in elektriciteit. Er zijn grenzen vanwege de manier waarop generatoren worden gemaakt en ontworpen, waardoor de hoeveelheid energie die uiteindelijk in stroom wordt omgezet nog verder afneemt. Het gemiddelde bedraagt momenteel 35-45%, zoals hierboven vermeld. Volgens Wind Watch zou het maximum bij topprestaties 50% kunnen bereiken. Een Australisch overheidsdocument (NSW) is het er ook over eens dat 50% de maximale windefficiëntie is die kan worden verkregen (pag. 3).
Energie-efficiëntie varieert niet zoveel als de windcapaciteitsfactor, die in grote mate afhankelijk is van de locatie en de weersomstandigheden.
Windcapaciteitsfactor
De windcapaciteitsfactor is de hoeveelheid energie die door een generator wordt geproduceerd, vergeleken met wat deze zou kunnen produceren als deze de hele tijd op piekcapaciteit zou functioneren, aldus Green Tech Media. De windcapaciteitsfactor varieert van plaats tot plaats en op verschillende tijdstippen van het jaar, zelfs met dezelfde turbines, omdat deze afhankelijk is van de windsnelheid, de dichtheid en het bestreken gebied dat afhangt van de grootte van de generator, aldus Open EI. De windcapaciteitsfactor kan worden geoptimaliseerd door plaatsen te kiezen waar ideale windomstandigheden het hele jaar of een groot deel van het jaar heersen. Het is dus belangrijk om rekening te houden met de windcapaciteitsfactor en de omstandigheden die deze beïnvloeden om de stroomopbrengst te maximaliseren.
- Windsnelheidminder dan 30 mijl per uur produceert volgens Wind Watch weinig energie. Zelfs kleine snelheidsverhogingen kunnen zich volgens Open EI vertalen in een substantiële toename van het opgewekte vermogen. De opgewekte elektriciteit is de derde macht van de windsnelheid, legt Wind EIS uit.
- De luchtdichtheid is groter in koelere streken en op zeeniveau dan in de bergen. De ideale plaatsen met een hoge winddichtheid zijn dus zeeën met koudere temperaturen volgens Open EI. Dit is een van de redenen voor de grootschalige uitbreiding van de opwekking van windenergie op zee.
- Grotere en hogere turbines kunnen profiteren van meer wind hoger boven de grond en door de grotere spanwijdte van hun bladen. Economische overwegingen worden hier dus belangrijk.
De capaciteitsfactor wordt voortdurend verhoogd met verbeterde technologie. Windturbines gebouwd in 2014 bereikten volgens Green Tech Media een capaciteitsfactor van 41,2%, vergeleken met 31,2% voor turbines gebouwd tussen 2004-2011. De capaciteitsfactor van wind wordt echter niet alleen beïnvloed door de technologie, maar ook door de beschikbaarheid van wind zelf. Zo lag de capaciteitsfactor van de turbines in 2015 onder het gemiddelde van voorgaande jaren als gevolg van "winddroogte", legt Green Tech Media uit.
Vergelijking met andere stroombronnen
De energie-efficiëntie van wind is beter dan de energie-efficiëntie van steenkool. Slechts 29-37% van de energie in steenkool wordt omgezet in elektriciteit en gas heeft bijna hetzelfde rendement als windenergie, aangezien 32-50% van de energie in gas kan worden omgezet in elektriciteit.
In termen van capaciteitsfactoren presteerden fossiele brandstoffen echter beter dan windenergie in de VS in 2016 volgens de Amerikaanse Energy Information Administration (EIA).
-
hernieuwbaar versus fabrieken Kolencentrales in de VS draaiden op 52,7% van hun capaciteit.
- De capaciteitsfactor voor gascentrales was 56% in de VS.
- Kernenergie had een capaciteitsfactor van 92,5%, volgens EIA-cijfers voor niet-fossiele brandstoffen.
- De capaciteitsfactor van waterkracht was 38%.
- De capaciteitsfactor van windenergie was 34,7%.
Bij het vergelijken van het vermogen van verschillende energiebronnen is het beter om niet alleen rekening te houden met de capaciteitsfactor, maar ook met hun energie-efficiëntie. Dit maakt het vergroten van de energieopwekking uit windenergie concurrerend en haalbaar in vergelijking met fossiele brandstoffen, die ook last hebben van de vervuilingsproblemen die ze veroorzaken.
Intermittentie beïnvloedt de opbrengst van windenergie
Windenergie heeft last van wisselvalligheid, omdat wind niet altijd beschikbaar is en met verschillende snelheden kan waaien, wat betekent dat energie op inconsistente niveaus wordt opgewekt. Energie-intermittentie is het fenomeen waarbij energie niet continu beschikbaar is vanwege vele factoren die mensen niet kunnen controleren. Daarom is er variatie in het aanbod.
Oplossingen voor onderbrekingen
Aangezien de energieopwekking door windturbines van uur tot uur of zelfs van seconde tot seconde fluctueert, moeten energieleveranciers over grotere energiereserves beschikken om aan een consistent niveau van energievoorziening te kunnen voldoen en deze op peil te houden, legt de American Scientist uit. Onderbreking betekent niet alleen tekorten, maar ook perioden van excessen; dit biedt dan ook een mogelijke oplossing. The American Scientist legt uit dat naarmate het aantal bronnen van windenergie toeneemt, lokale verschillen in weer- en windomstandigheden tekorten en excessen kunnen compenseren.
Verbeterde weersvoorspellingen en modellering maken het ook gemakkelijker om rekening te houden met zelfs kortetermijnveranderingen in windenergie. Een mix van bronnen is ook nodig om dagelijkse of seizoengebonden verschillen in de opwekking van windenergie te compenseren.
Ongeacht de wisselvalligheid hebben wijdverbreide nieuwe windparken in de VS feitelijk geholpen de stroomvoorziening te stabiliseren, vooral tijdens extreem weer in Texas volgens Clean Technica.
Kosten
In 2017 kondigde The Independent aan dat de productie van energie uit wind goedkoper was dan uit fossiele brandstoffen. In 2017 kostte het $50 om een megawattuur (MWh) te produceren. Dankzij de verbeterde technologie blijven de kosten dalen, waardoor deze aantrekkelijker wordt dan conventionele vervuilende energiebronnen. De VS hopen deze beweging te stimuleren door overheidsstimulansen te bieden, om het aandeel windenergie te vergroten dat volgens EIA in 2016 6% van de elektriciteit opleverde.
Wind EIS merkt op dat 80% van de kosten kapitaalkosten zijn die betrokken zijn bij het installeren van de turbines, en dat 20% operationeel is. Omdat er echter geen brandstofkosten aan verbonden zijn, en rekening houdend met de energie die tijdens de gehele levenscyclus wordt opgewekt, is windenergie concurrerend.
Koolstofvrije energie
Windenergie is een van de efficiëntere alternatieven voor energie uit fossiele brandstoffen. Er wordt voorspeld dat in 2050 139 landen die momenteel 99% van de energie in de wereld gebruiken, 100% hernieuwbare energie zouden kunnen gebruiken. Volgens een World Forum Report uit 2017 zouden wind- en zonne-energie samen maar liefst 97% van deze energie kunnen leveren. Dit kan ertoe bijdragen dat de opwarming van de aarde onder de 1,5 graden Celsius blijft. Of het nu gaat om een windpark op een heuvel of langs een kustlijn, windturbinetechnologie biedt een veel efficiëntere manier om bruikbare elektriciteit op te wekken dan niet-hernieuwbare traditionele bronnen.
