Energie-eilanden: de volgende stap in schaalvergroting van wind op zee

De succesvolle kostprijsreductie van wind op zee is te danken aan schaalvergroting: grotere turbines, grotere parken, dikkere kabels en grotere converterplatforms. Richting 2030 vindt opschaling plaats van het huidige 700 MW wisselstroomplatform naar het 2 GW gelijkstroomplatform. Energie-eilanden zullen in de loop van de jaren ’30 de volgende stap zijn in het behalen van schaalvoordelen bij wind op zee.

De windparken Borssele en Hollandse Kust liggen niet ver uit de kust. Ze zijn of worden gebouwd met het door Tennet gestandaardiseerde 700 MW wisselstroomplatform. Voor parken die verder uit de kust liggen is conversie naar gelijkstroom voordeliger. Gelijkstroomkabels hebben namelijk minder energieverliezen en zijn goedkoper per kilometer, maar het converterplatform is wel duurder. Bovendien hebben wisselstroomkabels op lange afstanden ook nog een tussenliggend platform nodig voor blindstroomcompensatie.

Bij het ontwerpen van het gestandaardiseerde gelijkstroomplatform heeft TenneT een schaalvergrotingsslag gemaakt naar 2 GW. IJmuiden Ver wordt het eerste park met deze HVDC platforms. Voor het aansluiten van een 2 GW windpark is hierdoor slechts één platform nodig in plaats van drie. Dat levert een substantiële besparing op aan benodigd staal voor de platforms en het aantal kabels dat moet worden gelegd. Wanneer ver uit de kust een groot windparkcluster wordt ontwikkeld, van bijvoorbeeld 10 GW, dan zijn er echter nog steeds vijf gelijkstroomplatforms nodig.

Een goedkoper aansluitconcept is om in het midden van dit windparkcluster een ‘energy hub’ of energie-eiland te bouwen, alle windturbines direct op dit eiland aan te sluiten en de converters op het eiland te plaatsen. Dit spaart vijf stalen platforms uit. Voor een zandeiland midden op de Noordzee is wel een sterke zeewering van betonblokken noodzakelijk vanwege de extreme golven.

Voor meerdere geplande windparken van 4 of 6 GW (bijvoorbeeld IJmuiden Ver en de in VAWOZ onderzochte windparken voor 10 GW extra in 2030) is een energie-eiland goedkoper geraamd dan meerdere losse platforms. Hierbij is echter de verwachting uitgesproken dat deze eilanden niet meer realiseerbaar zijn vóór 2030. Onder andere omdat zo’n eiland nog niet eerder is aangelegd en tijd vraagt voor de bepaling van de (milieu)effecten, de (vergunning)procedures en uitvoering. Na 2030 zijn zoekgebieden 6 en 7 door hun grote omvang van 8 à 10 GW, beiden naar verwachting zeer aantrekkelijk voor de ontwikkeling van energie-eilanden.

Tijdens de Noordzeetop in Esbjerg in mei 2022 is een verklaring getekend waarin Denemarken, Duitsland, België en Nederland aangeven meerdere energie-eilanden op de Noordzee te gaan bouwen. De landen willen intensiever gaan samenwerken om offshore-energie efficiënt te integreren in het energiesysteem.

Denemarken heeft inmiddels besloten om een energie-eiland te bouwen. Het is naar verwachting in 2033 gerealiseerd. Het eiland krijgt een vermogen van 3 GW met een verbinding naar land in Denemarken. Ook is een aansluiting voorzien naar een te ontwikkelen Belgisch eiland. De Denen lijken niet te kiezen voor een zandeiland, maar geven de voorkeur aan een caissoneiland. Dit zijn grote betonnen bakken die op de gewenste locatie worden afgezonken.

Hogere baten kunnen worden bereikt met het Hub & Spoke concept. Hub & Spoke betekent dat een energie-eiland (hub) met kabels (spaken) naar meerdere landen wordt aangesloten of naar andere energie-eilanden. De opgewekte windstroom gaat naar de hoogste bieder(s); de land(en) die de duurzame elektriciteit op dat moment het hardst nodig hebben. Verder functioneren de kabels als interconnectie tussen de landen, waardoor in het geval van weinig wind uitwisseling kan plaatsvinden tussen landen. Op dezelfde manier kunnen twee windparken met een gelijkstroomplatform ook onderling worden verbonden als ‘windconnector’, maar in dat geval heeft de hub maar twee spaken.

De eerdergenoemde verbinding tussen een Deens en Belgisch eiland lijkt wellicht op het eerste oog onlogisch vanwege de grote afstand, maar de correlatie tussen Belgische en Deense offshore windproductie is slechts 35 %, waardoor ze elkaar goed aanvullen. Bovendien heeft Denemarken genoeg ruimte op zee voor netto-export van windenergie, terwijl België op zee juist over te weinig ruimte beschikt voor de eigen energiebehoefte.

Eén van de configuraties die Nederland samen met Denemarken onderzoekt is het onderling verbinden van eilanden in Denemarken en Nederland, in combinatie met een verbinding van de Nederlandse hub/eiland naar het VK en een verbinding van het Deense eiland naar Noorwegen. Met dit netwerk kan overtollige windenergie worden opgeslagen in waterkrachtcentrales in Noorwegen die eventueel zijn omgebouwd naar pompopslagcentrales. Voor het VK geldt wederom dat het daar vaak waait als het aan deze kant van de Noordzee minder hard waait en andersom. Door meerdere energie-eilanden onderling en met verschillende landen te verbinden, ontstaat een vermaasd net op zee waardoor vraag en aanbod tussen de Noordzeelanden beter gebalanceerd kan worden. Er is nog wel de openstaande vraag hoe de elektriciteitsmarkt op zee gaat functioneren. Eén van de ideeën is dat offshore hubs elke een aparte biedzone worden.

Wanneer eenmaal besloten is tot de bouw van een eiland, dan is het in de ontwerpfase redelijk betaalbaar om het eiland enkele hectare groter te maken voor additionele functies. Zo is het praktisch om op het eiland naast een helikopterplatform ook een haven te realiseren voor het onderhoud van converterstation. Het eiland kan dan tevens functioneren als uitvalsbasis voor onderhoud van de omringende windparken en ook kunnen reserveonderdelen worden opgeslagen. Ook de accommodatie van onderhoudspersoneel op het eiland in plaats van op een Service Operation Vessel (SOV) zorgt voor een kosten- en comfortvoordeel.

Productie van groene waterstof op het eiland en transport via een pijpleiding naar land is bij voldoende schaalgrootte goedkoper dan alle energie met kabels naar land brengen in combinatie met waterstofproductie aan de kust. De maximale kabelcapaciteit is momenteel  2 GW met een 525 kV gelijkstroomkabel, terwijl een middelgrote 36-inch offshore pijpleiding 4 à 5 GW waterstof kan transporteren en grote 48-inch pijpleiding een capaciteit heeft van 13 GW. Belangrijke kanttekening: het kostenvoordeel verdwijnt als de elektrolysers niet op een eiland, maar op losse platforms worden geplaatst, want die ‘extra ruimte’ is namelijk flink duurder.

Op een hypothetisch energie-eiland met 10 GW windcapaciteit zouden drie kabels kunnen worden vervangen door een 6 GW elektrolyser en een middelgrote pijpleiding, om daarnaast dan nog met twee kabels op het land aan te sluiten. Afhankelijk van de locatie kan hergebruik van bestaande offshore aardgasleidingen ook nog een optie zijn. Een hybride eiland met zowel een waterstof- als elektriciteitsverbinding ligt het meest voor de hand, omdat de flexibiliteit om elektriciteit of waterstof te leveren, tot hogere baten leidt en voordelen heeft bij het balanceren van het energiesysteem.

Naast de bovengenoemde logische opties zijn er nog diverse additionele functies te bedenken, vaak met als uitgangspunt dat het infrastructuur uitspaart.

Met elektriciteitsopslag van middellange duur (tussen 4 en 200 uur), kan de kabelcapaciteit worden gereduceerd, de draaiuren van de elektrolyser worden geoptimaliseerd en levering worden verschoven naar de uren met piekvraag. Dit kan bijvoorbeeld met litihium-ion-batterijen of flowbatterijen op het eiland, maar theoretisch ook met een pompopslagmeer (geïnspireerd op Plan Lievense).

Met (ondergrondse) offshore waterstofopslag zou de waterstofpijpleiding beter kunnen worden benut, waardoor een grotere elektrolysecapaciteit mogelijk wordt op eenzelfde pijpleiding.

Onderzocht zou kunnen worden of het haalbaar is om op een eiland scheepvaartbrandstoffen te produceren en eventueel een offshore tankstation voor schepen te realiseren. Een ander ‘out of the box’ idee is om blauwe waterstofproductie op het eiland te realiseren, waarbij aardgas uit een naburig veld wordt gewonnen en CO₂ ook direct offshore weer onder de grond wordt opgeslagen.

Windparken kunnen tot een afstand van 30 km direct op het eiland worden aangesloten met 66 kV zogeheten intra-array wisselstroomkabels vanaf de windturbines. Voor aansluitingen op grotere afstand zijn tussenliggende wisselstroomplatforms nodig, wat het kostenvoordeel van het eiland ondermijnt.

Na de eerdere overstap van 33 naar 66 kV intra array kabels, bereidt de Nederlandse offshore windsector zich voor op de stap naar 132 kV intra-array kabels, waarmee directe aansluiting tot 40 km afstand van het eiland mogelijk zou worden. Hierdoor kan meer windcapaciteit op een eiland aangesloten worden zonder tussenliggende wisselstroomplatforms. Een soortgelijke schaalvergrotingsmogelijkheid is mogelijk ook haalbaar voor de kabels vanaf het eiland van en naar land. Met de intrede van het 2 GW gelijkstroomplatform wordt al de overstap van 320 kV HVDC naar 525 kV HVDC gemaakt. Een toekomstige doorgroei naar een 640 kV HVDC à 3 GW kabelsysteem lijkt eveneens haalbaar. Het ligt niet voor de hand dat TenneT hiervoor wederom een gestandaardiseerd platformconcept voor ontwikkelt, maar voor energie-eilanden is dit wel degelijk denkbaar.

Grote energie-eilanden leveren een aanzienlijke kostenbesparing op ten opzichte van meerdere platforms voor het ontsluiten van offshore wind op grote afstand van de kust. Toepassing van het Hub & Spoke concept leidt verder tot hogere baten en een beter gebalanceerd energiesysteem voor landen rondom de Noordzee. Additionele kostenbesparende functies zoals een onderhoudshaven en offshore waterstofproductie, kunnen de kersen op de taart zijn. De belangrijkste sleutel tot succesvolle realisatie is een goede samenwerking tussen de landen en de betrokken partijen. Essentieel is dat landen de knop omzetten van optimalisatie van de energietransitie op de eigen postzegel naar een collectief efficiënte en goedkope energietransitie op Noordwest-Europese schaal. Daarbij horen soms ook investeringen die vooral in een ander land tot baten leiden. De Esjberg-verklaring is alvast een goede start.