Systeemintegratie en flexibiliteit – Eindrapport Mix Fossiel/Duurzaam

  • looptijd: 2014 - 2015
  • locatie: Amsterdam, Noord-Holland
  • functie: Energiebewustzijn verhogen, meer flex

April 2015 – Onderzoeksrapport Topsector Energie – Systeemintegratie en flexibiliteit: de veranderende relatie tussen fossiele en hernieuwbare bronnen in de Nederlandse energievoorziening.

The main objective of this study is to review the implications of the need for energy system integration and flexibility due to an increasing share of (variable) renewables in the future energy system of the Netherlands. More specifically, it includes an assessment of the following elements:

  • The expected changes in the energy mix of the Netherlands up to 2050
  • The available flexibility options, in particular at the supply side of the energy system, in order to achieve an optimal integration of renewables in the energy system
  • The implications of more renewables and flexibility for the reliability and affordability of the energy system;  The specific role of biomass in enhancing the sustainability and flexibility of the energy system
  • The opportunities of more flexibility and system integration for companies and knowledge institutes in the Netherlands
  • The implications of more renewables and flexibility in the energy system for the program System Integration of the Top Sector Energy of the Netherlands.

Participating research partners: ECN en Ecofys

More information

  • You will find the complete report beneath ‘Projectdocumenten’
  • Or contact, Jos Sijm (sijm@ecn.nl; tel.: +31 (0)88 515 8255)

Partners: 

Systeemintegratie en de rol van energieopslag

Implicaties voor de betrouwbaarheid van het energiesysteem

Elektriciteitsproductie uit intermitterende, hernieuwbare bronnen – zoals zon en wind – is zowel variabel als onzeker, in tegenstelling tot stroomopwekking uit conventionele bronnen die zeker en controleerbaar is.

  • Dit betekent dat een toename van het aandeel zon en wind in het elektriciteitssysteem, zonder verdere maatregelen, in principe de betrouwbaarheid van het systeem zou verminderen, in het bijzonder de waarborging van de systeembalans op zowel de korte termijn (balancering van het systeem) als op de langere termijn, i.e. het beantwoorden van de piekvraag onder alle omstandigheden en gedurende alle perioden van het jaar (‘system adequacy’ of ‘voorzieningszekerheid’ van het systeem).
  • Daarnaast kan een toename van decentrale, hernieuwbare bronnen als zon-PV en biogas leiden lokale of regionale netwerkproblemen zoals congestie van het transport- en distributienetwerk, spanningskwaliteitsproblemen, of een onbalans van vraag en aanbod in termen van plaats (geografische locatie), tijd en kwaliteit (biogas).
  • Het mogelijk ongunstige effect van een toenemend aandeel zon en wind op de voorzieningszekerheid van het elektriciteitssysteem vloeit voort uit een combinatie van twee factoren.
    • Enerzijds voegt een toename van het opgestelde vermogen (capaciteit) zon en wind weinig toe aan het ‘zekere’ vermogen voor het waarborgen van de voorzieningszekerheid van het elektriciteitssysteem, in het bijzonder om aan de piekvraag naar elektriciteit te kunnen voldoen gedurende alle tijden en omstandigheden van het jaar (ook als zon en wind weinig tot niet actief zijn). Er dient dus voldoende andere, conventionele reservecapaciteit beschikbaar te zijn om het beantwoorden van deze piekvraag te kunnen waarborgen.
    • Anderzijds heeft een toenemende productie van elektriciteit uit zon en wind enkele negatieve effecten op het verdienmodel van conventioneel vermogen. Dit kan er, zoals gezegd, toe leiden dat bestaand vermogen wordt gesloten en niet meer in nieuwe conventionele capaciteit wordt geïnvesteerd waardoor, zonder nadere maatregelen, de voorzieningszekerheid van het elektriciteitssysteem wordt gereduceerd.

2017 – 2050

  • Op de korte termijn (2017-2020), i.e. bij een relatief beperkt aandeel zon en wind in de elektriciteitsopwekking, is er naar verwachting voldoende regel- en reservevermogen in Nederland om de systeembalans van de elektriciteitsvoorziening veilig te stellen.
  • Voor de middellange en lange termijn (2030-2050) laten diverse studies – voor Nederland en/of andere landen – zien dat ook bij hoge aandelen hernieuwbaar (in het bijzonder zon en wind) de betrouwbaarheid van de energie/elektriciteitsvoorziening kan worden gewaarborgd.
    • Dat wil zeggen, deze studies nemen het waarborgen van de energie/elektriciteitsvoorziening als randvoorwaarde of uitgangspunt voor hun analyses en laten vervolgens zien welke maatregelen zijn of (moeten) worden getroffen om aan die randvoorwaarde te voldoen.
    • Die maatregelen betreffen het realiseren van een scala aan mogelijke flexibiliteitsopties zoals meer flexibel conventioneel vermogen (al dan niet met CCS), meer flexibel hernieuwbaar vermogen (inclusief aftopping van hernieuwbare energieproductie), energieopslag, vraagsturing, uitbreiding en versterking van infrastructurele netwerken, en verbetering van markt- en systeemoperaties.
  • Voor het daadwerkelijk realiseren van deze opties dient echter aan de nodige condities en vereisten te worden voldaan waaronder adequate prijsprikkels en kostenallocaties; geschikte marktordening en tariefregulering; nieuwe verdienmodellen voor flexibel conventioneel vermogen en andere flexibiliteitsopties; en voldoende investeringen in onderzoek en ontwikkeling (energieopslag), interconnecties, transmissie- en distributienetwerken, slimme meters, dataverkeer en ICT management.
  • Het conventionele vermogen speelt een belangrijke rol in het waarborgen van de betrouwbaarheid en flexibiliteit van het elektriciteitssysteem, zowel op de korte termijn als – naar alle waarschijnlijkheid – op de lange termijn.
  • Het is daarom van belang dat er voldoende zicht ontstaat op het toekomstige verdienmodel van deze centrales .
  • Een belangrijke conditie hierbij is het bestaan van adequate prijsprikkels, i.e. voldoende hoge elektriciteitsprijzen over voldoende uren per jaar – vooral tijdens de pieklast – zodat investeringen terugverdiend kunnen worden.
  • In beginsel kan de huidige marktordening hier zelf zorg voor dragen in de zin dat een toenemende schaarste aan capaciteit tot hogere prijzen zal leiden.
    • Bij een hoog aandeel zon en wind bestaat echter het risico dat het aantal draaiuren van conventionele installaties zo beperkt wordt dat het steeds onzekerder wordt of de investeringskosten van deze installaties zullen worden terugverdiend uit elektriciteitsprijzen gebaseerd op marginale, korte-termijnkosten.
    • Dit geldt in het bijzonder voor conventionele centrales uitgerust met CCS.
    • Het is daarom van belang om nader te onderzoeken hoe een toekomstig verdienmodel voor conventioneel vermogen er uit kan zien – zowel zonder als met CCS – teneinde de betrouwbaarheid van het elektriciteitssysteem te waarborgen bij een hoog aandeel zon en wind.
    • Dit verdienmodel moet in samenhang worden bezien met de beschikbaarheid van – en interactie met – andere flexibiliteitsopties zoals energieopslag en vraagsturing.

Implicaties voor de betaalbaarheid van het energiesysteem

Een toename van het aandeel hernieuwbaar leidt op korte termijn tot hogere kosten van het energiesysteem, in het bijzonder van het elektriciteitssysteem.

  • Dit komt doordat zowel de totale productie- of opwekkingskosten (LCOE) – i.e. de totale investeringskosten (CAPEX) en operationele kosten (OPEX) – als de totale integratie- of inpassingskosten per eenheid product voor energie uit hernieuwbare bronnen doorgaans aanzienlijk hoger zijn dan uit conventionele bronnen.
  • Dat is dan ook de reden dat energie uit hernieuwbare bronnen veelal wordt gesubsidieerd teneinde de technisch-economische ontwikkeling en marktinzet van deze bronnen te bevorderen (‘leereffecten’).
  • Door de resulterende kostendalingen van deze leereffecten kan hernieuwbare energie op termijn – bij volle wasdom – net zo duur, of zelfs goedkoper, worden dan conventionele energie.
  • De huidige integratiekosten van hernieuwbare energie zijn vooral relatief hoog voor elektriciteit opgewekt uit variabele bronnen.
  • Meer in het bijzonder bestaan de integratiekosten van zon en wind op de korte termijn vooral uit additionele kosten voor
    • waarborging van de voorzieningszekerheid van het elektriciteitssysteem
    • uitbreiding en versterking van het net
    • en – in mindere mate – voor (iii) balancering van het systeem. Een vergelijking van diverse – internationale – studies wijst uit dat, bij een aandeel van 10-30%, de totale integratiekosten variëren van 10-30 €/MWh voor wind en van 25-50 €/MWh voor zon.
  • Als percentage van hun totale productiekosten (LCOE) komen deze bedragen overeen met circa 15-40% voor wind en 15-35% voor zon.
  • Daarmee zijn de totale integratiekosten van zon en wind aanzienlijk hoger dan de vergelijkbare kosten voor conventionele technologieën.
  • Dit vindt zijn oorzaak deels in het feit dat het huidige elektriciteitssysteem van oudsher is ingericht naar conventionele voorziening.
  • De integratiekosten van zon en wind hebben dus deels het karakter van ‘transitie-investeringen’.
  • Een recente studie van de IEA (2014a) laat zien dat deze integratiekosten voor zon en wind aanzienlijk lager uitvallen op de lange termijn, i.e. nadat allerlei aanpassingen in het systeem hebben plaatsgevonden.
  • Meer in het bijzonder laat de IEA studie zien dat, in een hypothetische modelsituatie met 15% zon-PV en 30% wind, de totale systeemkosten (i.e. productie- en integratiekosten) voor de opwekking en levering van elektriciteit met 40% stijgen ten opzichte van de uitgangssituatie (0% zon en wind).
  • Dit is een kostenstijging op de korte termijn, i.e. er vinden geen aanpassingen van het systeem plaats met uitzondering van een navenante afname van de elektriciteitsopwekking uit het resterende deel van het systeem.
  • Op lange termijn, i.e. na een volledige aanpassing – ‘transformatie’ – van het systeem, is deze kostenstijging echter veel geringer, i.e. circa 15%.
  • Deze transformatie omvat een brede reeks van opties zoals een structurele aanpassing van de conventionele brandstofmix (i.e. meer flexibele middenlast- en pieklasteenheden), een systeemvriendelijk inzet van zon- en windinstallaties (inclusief aftopping van productie), een aangepast netwerk, verbeterde systeem- en marktoperaties, en investeringen in andere, additionele flexibiliteitsopties.
  • Benadrukt dient te worden dat de eventueel hogere maatschappelijk kosten voor hernieuwbaar (in het bijzonder op de korte termijn, maar eventueel – zij het minder hoog – ook op de langere termijn) afgezet moeten worden tegenover de maatschappelijk baten van een toenemend aandeel hernieuwbaar in de energievoorziening, in het bijzonder het vermijden van de externe kosten van fossiele energiebronnen zoals de kosten van klimaatverandering en andere vormen van milieuvervuiling (die de uiteindelijke rechtvaardiging vormen voor de transitie van fossiele naar hernieuwbare energiebronnen).
  • Diverse studies laten zien dat, afhankelijk van de kostprijs van een ton CO2 – of andere eenheid milieuvervuiling – de maatschappelijke kosten van hernieuwbaar veelal lager liggen dan van fossiele bronnen als alle externe kosten van deze bronnen op een adequate wijze worden meegenomen.

ECN

  Frans Nieuwenhout   https://www.ecn.nl/nl/    nieuwenhout@ecn.nl    088-5154088