Elektriciteit op weg naar net-zero: uitdagingen en oplossingen
De uitdagingen als gevolg van de toenemende vraag naar elektriciteit kunnen niet worden opgelost op de conventionele manier, d.w.z. door het aanbod te vergroten en het netwerk uit te breiden. Het groeiende aandeel van hernieuwbare energie introduceert een extra uitdaging in de vorm van onregelmatigheidsproblemen. Om de mismatch tussen vraag en aanbod op te lossen zijn een aantal flexibiliteitsoplossingen nodig. Oplossingen zijn energieopslag, uitbreiding van de (Europese) netwerken en een flexibele vraag naar elektriciteit.
In deze publicatie bespreken wij de uitdagingen die voortvloeien uit de toenemende vraag naar elektriciteit. De uitdaging is niet alleen om het stroomaanbod te vergroten en de netcapaciteit uit te breiden, maar ook om vraag en aanbod in evenwicht te brengen. Flexibiliteitsoplossingen in de vorm van energieopslag, uitbreiding van de (Europese) netwerken en meer flexibiliteit van de vraag zullen een sleutelrol spelen bij het oplossen van de mismatch tussen vraag en aanbod. Dit is de laatste van een reeks van drie publicaties over de elektriciteitssector. In onze eerste nota hebben wij aangetoond dat de elektriciteitsvraag in de OESO-landen en de opkomende markten de afgelopen 10 jaar een verschillende ontwikkeling heeft gekend (). In onze tweede publicatie concluderen wij dat de vraag naar energie de komende jaren zal stijgen als gevolg van de decarbonisatie en het geven van prioriteit aan energiezekerheid ().
Netcongestie
De groeiende vraag naar elektriciteit is niet zonder uitdagingen. Als de vraag naar elektriciteit groter is dan de uitbreiding van het elektriciteitsnet, leidt dit tot congestie van het net. Wanneer de belasting groter is dan de capaciteit, kunnen de kabels en transformatoren door oververhitting verslechteren, worden de transportverliezen groter en is er een grotere kans op stroomuitval. De mismatch tussen vraag en aanbod is al duidelijk in Nederland, waar steeds meer plaatsen te maken krijgen met wachttijden voor een nieuwe aansluiting op het net. De linker figuur hieronder toont de huidige status van de netcapaciteit in Nederland. Gebieden in het rood wijzen op een structurele congestie, wat betekent dat nieuwe aanvragen voor zware aansluitingen (groter dan 3x80A) niet worden goedgekeurd. Dit is niet alleen een probleem in Nederland, maar dit speelt bijvoorbeeld ook in Duitsland en het Verenigd Koninkrijk.
Beperkingen van netuitbreiding
Cruciaal voor het elektriciteitsnet om de groeiende vraag naar elektriciteit aan te kunnen zijn aanzienlijke investeringen in de capaciteit. Dit betekent dat de capaciteit van de kabels en transformatoren moet worden verhoogd (netverzwaring) om ervoor te zorgen dat de belasting binnen het net blijft passen. Dit is echter duur, tijdrovend en het proces is kapitaal- en arbeidsintensief, terwijl de beschikbaarheid van kapitaal en arbeidskrachten beperkt is. Met andere woorden, dit zal het probleem niet snel oplossen, en het is ook geen kosteneffectieve oplossing voor de langere termijn.
Daarbij komt een nieuwe uitdaging
Het is niet alleen zo dat de vraag te groot is voor de netcapaciteit, maar ook dat vraag en aanbod niet in evenwicht zijn. Omdat de elektriciteit steeds meer zal worden opgewekt door hernieuwbare energiebronnen (zie de voorgaande rechterfiguur), is er geen sprake van een continue stroomvoorziening. De elektriciteitsvoorziening zal steeds meer afhangen van wanneer de zon schijnt of de wind waait. We hebben nu al gedurende de dag periodes waarin we meer opwekken dan we nodig hebben.
Om de verhouding tussen vraag en aanbod in balans te houden is een reeks flexibiliteitsoplossingen nodig. Oplossingen zijn er in de vorm van energieopslag, uitbreiding van de (Europese) netwerken en een flexibiliteit in de elektriciteitsvraag. Deze oplossingen worden hieronder in detail besproken.
Energieopslag
Het opslaan van energie wanneer er een aanbodoverschot is en op een later moment als er een tekort is weer ontladen, vormt een deel van de oplossing. Er zijn verschillende technologieën voor energieopslagsystemen. Volgens de European Association for Storage of Energy (EASE) kunnen we deze verschillende technologieën indelen in : chemisch, elektrochemisch, elektrisch, mechanisch en thermisch. Deze technologieën verschillen in batterijduur, van seconden tot een geheel seizoen.
Opslagsystemen op basis van lithium-ionbatterijen domineren momenteel nog de markt, maar deze technologie is meest kosteneffectief voor korte termijn opslag. De grootste uitdaging is het vinden van grootschalige werkende oplossingen voor energieopslag gedurende lange tijd (Long duration energy storage - LDES) dat zijn systemen waarmee gedurende 10 uur of langer energie kan worden opgeslagen. Deze technologieën bevinden zich in verschillende stadia van technologische ontwikkeling. In termen van energieopslag met lange looptijd is pompaccumulatie van waterkracht de benchmark. Wanneer er een overschot aan elektrische energie beschikbaar is, wordt het water opgepompt en opgeslagen in een hoger gelegen reservoir. Indien nodig kan het verplaatste water worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Volgens zal deze technologie de markt tot 2030 blijven domineren. Soortgelijke mechanische oplossingen omvatten de beweging van massa of compressie van lucht. Andere oplossingen betreffen nieuwe soorten batterijen, bijvoorbeeld thermische batterijen of flowbatterijen. Deze bevinden zich echter nog in een proeffase.
Langdurige energieopslag zal een sleutelrol spelen bij het bereiken van net-zero in 2050. De volgende stap is meer marktpenetratie, want zonder dat zal het onmogelijk zijn een net-zero elektriciteitsnet en een evenwichtig netwerk tot stand te brengen. Tijdens de COP26 in november 2021 werd de bevestigd. In het van de LDES-raad wordt geconcludeerd dat LDES tegen 2040 vier tot zeven keer de totale mondiale TWh aan lithium-ioncapaciteit zou kunnen vertegenwoordigen, wat een investering van USD 1 tot 3 biljoen zou vergen. Om dit te realiseren moet er nu zwaar ingezet worden op investeringen in opslagcapaciteit en moeten de regeringen een ondersteunend ecosysteem faciliteren.
Uitbreiding en verbetering van de Europese netwerken
De EU heeft een voor de lidstaten vastgesteld. Tegen 2030 moeten er voldoende internationale elektriciteitskabels zijn om ten minste 15% van de in een lidstaat geproduceerde elektriciteit naar de buurlanden te kunnen exporteren. Door betere internationale kabels kan Europa meer hernieuwbare energie in het systeem integreren. Door de Europese netwerken beter op elkaar aan te sluiten en de transmissiecapaciteit ervan te verbeteren, kunnen alle aangesloten regio's toegang krijgen tot meer diverse energiebronnen. Zo krijgen aangesloten regio's toegang tot overvloedige zonne-energie uit andere regio's waar de zon schijnt, of tot windenergie die wordt opgewekt waar het hard waait. Groot-Brittannië heeft bijvoorbeeld grote windmolenparken op zee. Periodes met stevige en lichte wind kunnen worden voorspeld. Hierdoor kunnen anderen op basis van de weersvoorspelling van Groot-Brittannië voorspellen hoeveel ze moeten importeren. Door de geografische diversiteit van hernieuwbare energiebronnen in Europa te ontsluiten, kan de regio als geheel het meest profiteren van de overvloedige beschikbaarheid in aangesloten gebieden. Net als bij het nationale netwerk kost het tijd om de capaciteit van de kabels te vergroten. De planning en bouw van windmolenparken en zonnepaneel parken verlopen doorgaans sneller dan de aanleg van hoogspanningslijnen over lange afstand.
Flexibele vraag
Door het patroon van het elektriciteitsgebruik te veranderen kunnen vraag en aanbod beter op elkaar worden afgestemd. Wij zijn gewend om op elk moment van de dag energie te gebruiken zonder na te denken over het beschikbare aanbod op dat moment. Dit is historisch gezien logisch als elektriciteit wordt opgewekt door centrales die kunnen worden in- en uitgeschakeld naar gelang van de vraag. Met steeds meer hernieuwbare energiebronnen is dit echter niet het geval. Daarom is het flexibiliseren van de vraag, in plaats van het aanbod af te stemmen op de vraag, een efficiënt onderdeel van de oplossing van de mismatch.
Dynamische elektriciteitsprijscontracten komen steeds meer beschikbaar voor consumenten. Eerst op de Scandinavische markten, maar momenteel ook op zoals Nederland, Spanje en het VK. Bij dynamische prijscontracten is de elektriciteitsprijs gekoppeld aan de groothandelsmarkt en wijzigt elk uur, half uur of zelfs 15 minuten, afhankelijk van de leverancier. Dit betekent dat tijdens piekmomenten de prijzen stijgen, terwijl tijdens daluren of wanneer de productie hoog is de prijzen dalen. De tarieven kunnen zelfs negatief zijn als er veel hernieuwbare energie beschikbaar is. Consumenten met een dynamisch contract worden dus gestimuleerd om op de juiste momenten energie te verbruiken om het net in evenwicht te helpen houden. Echter, de dynamische prijzen in combinatie met het afbouwen van de salderingsregeling betekent dat investeringen in zonnepanelen voor huiseigenaren minder aantrekkelijk wordt, zie . Een mogelijke oplossing hiervoor is het gebruik van thuisbatterijen. Het omzetten van de vraag in een meer flexibele vraag lijkt een oplossing voor een deel van de mismatch tussen vraag en aanbod.
Conclusie
De elektriciteitssector staat centraal in het decarbonisatieproces. Om tegen 2050 net-zero te bereiken, zal de sector zowel moeten decarboniseren als uitbreiden. Hiervoor zullen omvangrijke nieuwe investeringen nodig zijn in opslagcapaciteit, netverzwaring en uitbreiding van de distributie- en transmissienetwerken. Daarnaast zal ook de vraag zich moeten aanpassen. Verder zijn verbeteringen van de energie-efficiëntie vereist en is het belangrijk om de disbalans tussen vraag en aanbod op te lossen die wordt veroorzaakt door de opwek van onregelmatige hernieuwbare energie. Het belang van energie-efficiëntie is verankerd in de net-zero-scenario's zoals die van het IEA en de NGFS. Er zullen extra beleidsmaatregelen en investeringen nodig zijn om vraag en aanbod in evenwicht te brengen, bijvoorbeeld in de vorm van prijsprikkels en het verbinden van distributienetwerken over de grenzen van lokale, regionale en nationale overheden heen.