Omzetting primaire energiedragers in elektriciteit

De omzetting van de energiedragers naar elektriciteit wordt hier in hoofdlijnen beschreven.

Energiebronnen elektriciteitsproductie Nederland

In Nederland worden hoofdzakelijk fossiele bronnen gebruikt voor de elektriciteitsproductie. In 2022 bedroegen aardgas, steenkool en olie samen ca 55% van de productie. (CBS 2022w). Van de hernieuwbare bronnen zijn biomassa en windenergie het belangrijkst. In figuur 1 staat een overzicht van alle energiebronnen.


Figuur 1. Aandeel energiebronnen in de productie van elektriciteit in Nederland. Data over 2022, gemeten in TWh (miljoen MWh). Bron: CBS 2022w

Bij de omzetting van primaire energie in elektriciteit treden diverse verliezen op. Bij thermische centrales wordt de warmte weggekoeld en de efficiency van de centrale is daarmee afhankelijk van de verbrandingstemperatuur en de koelwatertemperatuur. Tevens verschilt de inzet van verschillende centrales. Zo worden kolencentrales normaliter eerder ingezet dan gascentrales vanwege hun (variabele) brandstofkosten. In tabel 1 staat een overzicht van richtcijfers voor efficiency en inzet en de voornaamste redenen daarvoor. Normaliter kennen nieuwere centrales een hogere efficiency en worden die daardoor eerder ingezet.


Energiebron Elektrische efficiëntie Efficiency bepaald door Typische inzet Reden voor inzet
Aardgascentrale 45-60% Stoomdruk/-temperatuur en inrichting koeling, type centrale 30-70% Pieklast, hoge variabele kosten, goed regelbaar
Kolencentrale 30-45% Stoomdruk/-temperatuur en inrichting koeling, type centrale 80-90% Basislast, lage variabele kosten, lastig regelbaar
Kernenergie 30-35% Stoomdruk/-temperatuur en inrichting koeling, type centrale 80-90% Basislast, erg lage variabele kosten, lastig regelbaar
Biomassa 20-40% Afhankelijk van de bron, vaak meegestookt in kolencentrale 10-20% Beperkte meestook mogelijk in kolencentrale zonder aanpassingen, variabele kosten afhankelijk van de bron van biomassa
Windenergie ~30% Beperkt door hoe wind op wordt gevangen 10-30% Off-shore hoger dan op land, beperkt door locatie en windsterkte, geen variabele kosten.
Zonnecellen 10-15% Technologiespecifeke beperking 10-30% Afhankelijk van de locatie en zonnesterkte, geen variabele kosten
Concentrated solar power ~30% Wegkoelen warmte 10-30% Afhankelijk van de locatie en zonnesterkte, geen variabele kosten
Waterkracht - Afhankelijk van technologie 10-30% Afhankelijk van regenval/waterstroom, geen variabele kosten
Tabel 1. Richtlijnen voor efficiency en inzet van energiebronnen. Dit zijn typische cijfers, er bestaan ook minder meer efficiënte centrales en onder omstandigheden kan de inzet van centrales anders zijn.


Nederlandse producenten met thermische centrales

In Nederland zijn de volgende producenten actief met thermische centrales:

Elektriciteitsproducent Aardgas (MW$_e$) Kolen (MW$_e$) Kern (MW$_e$) Totale capaciteit (MW$_e$)
Electrabel 4.455 590 0 5.046
Essent 2.396 1.285 0 3.681
Nuon 2.584 899 0 3.483
E.On Benelux 746 1.070 0 1.816
InterGen 1238 0 0 1.238
EPZ 0 408 504 912
Delta 576 0 0 576
EDF 456 0 0 456
Eneco 260 0 0 260
AES 240 0 0 240
Totaal 12.950 4.252 504 17.706
Tabel 2. Thermische centrales van Nederlandse elektriciteitsproducenten (hernieuwbare energie niet meegenomen). Data van 2010.

Sinds 2016 is E.On's nieuwe kolencentrale op de Maasvlakte operationeel (zie in figuur 2 een foto van 2011, toen deze nog in aanbouw was).


Figuur 2. Centrale Maasvlakte (in aanbouw) (bron: Wikimedia Commons)

Locaties van elektriciteitscentrales

De technologie om primaire energie in stroom om te zetten zijn uiteenlopend. De stroomsector kent zich traditioneel door grote thermische centrales. Het eerste beeld wat bij veel mensen opkomt is dat van koeltorens (zie de foto hieronder) en dat beeld wordt veelal gekoppeld aan kernenergie. Maar dit is een met koeltorens gekoelde kolencentrale. Alle thermische centrales hebben een grote behoefte aan koeling: omdat koeltorens relatief duur zijn, staan de centrales daarom waar mogelijk dichtbij rivieren of de zee.


Figuur 3. De koeltorens bij E.ON's kolencentrale 'Ratcliffe on Soar' in het VK. (bron: Wikimedia Commons)

Factoren die locatiekeuze beïnvloeden

Er zijn meer factoren die van invloed zijn op de keuze voor een locatie van een elektriciteitscentrale. Uit empirisch onderzoek naar investeringsbeslissingen van elektriciteitsproducenten in Nederland blijkt dat een aantal aspecten een grote rol spelen (gebaseerd op Groot 2013):
• Technische vereisten: centrales kennen elk hun eigen technische vereisten. Thermische centrales vereisen veel koeling en staan daarom veelal dichtbij rivieren of de zee. Daarnaast is een goede aanvoer van energiebron een vereiste. Kolencentrales staan om die reden vaak bij een haven.
• Aansluiting op het hoogspanningsnet: centrales vereisen een goede aansluiting op het hoogspanningsnet.
• Risico voor vergunningen: elektriciteitsproducenten lopen het risico dat er juridische problemen ontstaan gedurende de vergunningsprocedure en de bouw van de elektriciteitscentrale. Deze juridische problemen kunnen de bouw vertragen, aangezien locale partijen en overheden inspraak hebben in de vergunningsprocedure en het verlenen van een vergunning kunnen aanvechten in de rechtbank. Elektriciteitsproducenten proberen locaties te vermijden met een hoog risico op problemen met de vergunningverlening. Veelal dichtbevolkte, rijkere gebieden hebben een grotere kans op protesten en procedures tegen het verlenen van een vergunning voor een elektriciteitscentrale, dat bekend staat als het ‘not in my backyard (NIMBY)’ fenomeen.

Beschikbare locaties in Nederland

Er is een beperkt aantal locaties in Nederland beschikbaar voor elektriciteitscentrales (zie figuur 4, Paling 2013). In Nederland worden de locaties voor elektriciteitscentrales bepaald door de bevoegde overheidsorganen. Hierin wordt onderscheid gemaakt tussen elektriciteitscentrales met een capaciteit boven en onder de 500 MW.

De locaties voor elektriciteitscentrales met een capaciteit van boven de 500 MW worden bepaald in de Derde Structuurvisie Elektriciteitsvoorziening (SEVIII) (Rijksoverheid 2009). Deze structuur visie wordt om de 10 jaar aangepast en meerdere malen in de looptijd geëvalueerd. De structuurvisie wordt opgesteld door het Ministerie van Economische Zaken. Op de meeste van locaties bevinden zich al elektriciteitscentrales.


Figuur 4. Locatievoorkeuren voor grote elektriciteitscentrales in Nederland. Bron: Paling 2013, achtergrond kaart: Jan-willem van Aalstw

Voor de potentiële locaties van elektriciteitscentrales onder de 500 MW (zoals windturbines en kleinere thermische centrales) zijn provincies en gemeenten verantwoordelijk. Een vergunningaanvraag voor een elektriciteitscentrale op een locatie zal worden beoordeeld, waarna toestemming voor de bouw en exploitatie gegeven zal worden. De locaties moeten worden opgenomen in de bestemmingsplannen.

Om een vergunning te krijgen moeten er in alle gevallen (onder en boven de 500 MW capaciteit) milieucompensatiemaatregelen genomen worden. Dit kan gedaan worden met bijvoorbeeld het aanleggen van parken of creëren van natuur. De effecten van een potentiële elektriciteitscentrale worden geanalyseerd in een milieu-effectrapportage waarna wordt besloten of en hoeveel natuur compensatie er nodig is.

Eenheden

Grote elektriciteitscentrales worden in eenheden gebouwd (zie bijv. info over de Clauscentrale in Maasbrachtw). Op locatie kunnen centrales worden uitgebreid of gemoderniseerd door nieuwe eenheden bij te bouwen, oude eenheden te sluiten of eenheden te vervangen. Normaal kunnen delen van de installatie blijven staan. Het vermogen van centrales kan door het samennemen van diverse eenheden erg groot zijn; moderne centrales zijn opgebouwd uit eenheden van 400-1000 MW$_e$.

Energiebronnen en conversietechnologiën

Elke elektriciteitscentrale is uniek en wordt ontworpen en gebouwd naar de laatste standaarden, waarbij gebruik gemaakt wordt van een scala aan conversietechnologiën. Omdat thermische centrales lang blijven staan (sommige meer dan 40 jaar), is er een heel scala aan moderne en ouderwetse installaties, elk met hun eigen kenmerken, zoals efficiency, regelbaarheid en eisen aan de brandstof. De toegepaste technologiën in Nederland staan in tabel 3, met daarbij de energiebronnen die worden gebruikt en de productie van 2011 en capaciteit. Ook staat het aantal eenheden vermeld.


Conversietechnologie Productie (TWh) Capaciteit (MW$_e$) Gebruikt voor Opmerkingen
STEG eenheid 37,47 13.608 63 Steenkool, aardgas, biomassa Zeer hoge efficientie
Stoomturbine 28,89 6,970 62 Steenkool, aardgas, biomassa, concentrated solar power Hoge efficientie
Gasmotor 9,29 3.350 Aardgas Lage efficientie, klein
Gasturbine 3,22 918 Aardgas, biomassa Evt vergassing van de energiebron
Kerncentrale 4,16 512 Kernenergie Aparte categorie, maar ook een STEG eenheid
Windturbine 21,4 8.755 Wind
Zonnecellen 17,08 19.600 Zon
Waterkrachtcentrales 0,05 38 Water
Tabel 3. Conversietechnologieën, Bron van data productie, capaciteit en aantallen eenheden (over 2022): CBS 2023ew

De hernieuwbare bronnen windenergie, zonne-energie en waterkracht hebben hun specifieke conversietechnologie die is besproken bij de energiebron zelf. De zogenoemde thermische centrales (met een gasmotor, stoomturbine of gasturbine) worden gebruikt voor alle fossiele bronnen, voor biomassa, voor kernenergie en voor concentrated solar power. Deze technologiën worden op hoofdlijnen besproken.

Thermische conversietechnologiën


Stoomturbine

Bij een conventionele stoomturbine, een condensatieturbine, wordt met de inzet van fossiele brandstof of nucleaire energie in een ketel (boiler) stoom opgewekt die onder hoge druk in een stoomturbine (steam turbine) wordt ingebracht. De turbine-as drijft een generator aan waarin elektriciteit wordt opgewekt terwijl de stoom wordt gereduceerd naar atmosferische druk en een lage temperatuur. Het retourcondensaat wordt als ketelwater naar de stoomketel teruggeleid. De omzettingsrendementen van deze installaties liggen onder de 40%, en is hoofdzakelijk afhankelijk van de verbrandingstemperatuur. Hoewel bij enkele condensatieturbines een mogelijkheid is aangebracht om in geringe mate stoom af te tappen, zijn condensatieturbines bijna nooit ontworpen om als warmtekrachtinstallatie te fungeren.

Gasturbine

Bij gasturbines wordt gasvormige brandstof in een hogedrukverbrandingskamer gespoten waar deze wordt verbrand. De hete uitlaatgassen worden door een gasturbine geleid. Deze drijft een generator aan voor elektriciteitsopwekking. Meestal worden gasturbines gebruikt voor de productie van processtoom in een afgassenketel. Bij gasturbine-installaties zijn vermogens gerealiseerd van 500 kW$_e$ tot 250 MW$_e$. Biomassa wordt eerst in een gasgenerator vergast waarna het gas in de gasturbines wordt geleid.

STEG

STEG eenheden - SToom En Gascentrales, zijn een combinatie van een stoomturbine en een gasturbine (zie figuur 5 hieronder). Daarmee kunnen hogere omzettingsrendementen worden gehaald (tot tegen de 60% voor een moderne gascentrale). STEG eenheden worden ook vaak als warmte-kracht-installatie ingericht: het apparaat wordt dan niet alleen voor elektriciteitsproductie geoptimaliseerd, maar voor een balans tussen elektriciteitsproductie en bruikbare warmteproductie. Vermogens van STEG eenheden variëren. De typische grootte van een STEG eenheid is 400-1000 MW$_e$.


Figuur 5. Geoptimaliseerde STEG eenheid met een stoom-cycles en een gasturbine. (bron: Wikimedia Commons)

Gasmotor

Gasmotoren zijn zuigermotoren die als brandstof meestal aardgas en soms fermentatiegas gebruiken (Gasmotorw). De gasmotor drijft rechtstreeks een generator aan waarmee de elektriciteit wordt opgewekt. De uitlaatwarmte wordt meestal voor verwarmingsdoeleinden gebruikt. Gasmotoren worden vaak toegepast in de glastuinbouw en in de gezondheidszorg. De vermogens van gasmotoren variëren van enkele kW$_e$ tot ongeveer 2 MW$_e$.

Bronnen

CBS 2022w, CBS Statline - Elektriciteit; productie naar enegiebron, geraadpleegd 11 januari 2024
CBS 2023ew, CBS Statline - Elektriciteit; productie en productiemiddelen, geraadpleegd 21 december 2023
Groot 2013, Groot, D. T. (2013). Power plant investment processes. Master thesis, Delft University of Technology
Paling 2013, Jeroen Paling (2013) Assessing the impact of power plant siting on the long term development of the power sector, Master thesis, Delft University of Technology
Rijksoverheid 2009, Rijksoverheid (2009) Derde Structuurschema Elektriciteitsvoorziening (SEVIII)

Laatste wijziging: 15-01-2024
Creative Commons-Licentie
Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.