The different roles of energy storage in highly renewable power systems

De toekomst van ons elektriciteitsnetwerk

“Gaat deze winter het licht uit?” Het is een wederkerende krantenkop de laatste drie jaar, maar is deze vrees ook gegrond?

Niemand zal ontkennen dat het elektriciteitsnetwerk voor grote uitdagingen staat. Onze huidige productiemiddelen voor de opwekking van elektriciteit hebben een groot aandeel in de totale uitstoot van broeikasgassen en werken zo de opwarming van de aarde in hand. De Europese Unie heeft daarom beslist dat we op lange termijn moeten overgaan naar propere en hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie. De omschakeling naar een elektriciteitsnetwerk dat steunt op hernieuwbare energie is volop aan de gang en Europa neemt hierin resoluut het voortouw. Echter, cijfers tonen aan dat de omschakeling naar hernieuwbare energiebronnen de betrouwbaarheid van onze elektriciteitsvoorziening weldegelijk in het gedrang brengt. De vrees voor een stroomtekort is dus gegrond.

Met deze problematiek in het achterhoofd is het uiterst belangrijk om in de toekomst de juiste investeringen te maken in het elektriciteitsnetwerk, om aldus een betrouwbare werking te blijven garanderen.

Probleemstelling
De overgang naar een duurzame samenleving vergt van het energiesysteem een omschakeling van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare energiebronnen. Deze hernieuwbare energiebronnen stoten geen broeikasgassen uit en zijn bovendien onuitputtelijk. Voor het elektriciteitssysteem kan deze overgang er sneller komen dan verwacht. In het kader van ambitieuze klimaatdoelstellingen heeft de EU immers opgelegd dat de elektriciteitsproductie tegen 2050 volledig klimaatneutraal dient te gebeuren.  Aangezien het niet eenvoudig is onze volledige productie van elektriciteit om te schakelen, is een termijn van 35 jaar erg kort en dient er volop actie ondernomen te worden. Dit laat zich reeds voelen, kijk maar naar de sterke toename van het aantal windturbines en zonnecellen.

De overgang naar hernieuwbare energiebronnen is aan de gang, maar dit op zich kan niet zorgen voor een acuut probleem in de energievoorziening. De problemen omtrent de betrouwbaarheid in het elektriciteitsnetwerk zijn het gevolg van twee sterk gekoppelde effecten.

Ten eerste leveren de hernieuwbare energiebronnen een variabel, gedeeltelijk onvoorspelbaar en oncontroleerbaar vermogen. Het is immers onmogelijk te controleren hoe hard de wind waait. Verder zal het de ene dag sterk waaien en de andere dag windstil zijn. Bijgevolg kan men niet al te afhankelijk zijn van windenergie om de productie van elektriciteit te verzekeren. Hetzelfde verhaal gaat op voor zonne-energie. Dit probleem wordt opgelost door voldoende andere elektriciteitscentrales in reserve te houden die wel volledig controleerbaar zijn, bijvoorbeeld gascentrales. Hier knelt het schoentje, de laatste jaren is het aantal controleerbare en flexibele centrales sterk afgebouwd.

Het tweede effect dat de hernieuwbare energiebronnen hebben op het elektriciteitssysteem is dat ze zorgen voor lage en sterk fluctuerende prijzen op de elektriciteitsmarkt. Bijgevolg is het uitbaten van een gascentrale niet langer rendabel en worden deze op grote schaal gesloten en nieuwe investeringen uitgesteld. De combinatie van deze twee effecten, een daling in het aantal betrouwbare en controleerbare centrales en de variabele productie van hernieuwbare energiebronnen zorgen voor de problemen qua energielevering.

Bijdrage van het onderzoek

De grote uitdagingen voor het elektriciteitsnetwerk hebben veel academici, bedrijven en officiële instanties aangezet om de impact van de vooropgestelde overgang te onderzoeken. Meestal gebeurt dit aan de hand van virtuele modellen die de werking van het elektriciteitsnetwerk simuleren, zogenaamde power system simulation models. Deze modellen laten toe om eenvoudig verscheidene toekomstige scenario’s te beschouwen en de impact van individuele maatregelen in te schatten. Echter, de huidige power system simulation models zijn beperkt in hun toepassingsgebied. Ze zijn oftewel enkel geschikt om de kortetermijn werking van elektriciteitsnetwerk te simuleren, m.a.w. nagaan wanneer welke centrale moet draaien. Hierbij wordt ook gedetailleerd nagegaan dat een betrouwbare werking gewaarborgd blijft. Daarnaast zijn er de investeringsmodellen. Deze berekenen hoe het elektriciteitsnetwerk optimaal dient uitgebouwd te worden op lange termijn. Ze zijn echter niet in staat om te controleren of er op een korte tijdsschaal (uren, dagen) ook een betrouwbare werking gegarandeerd kan worden. Daarom werd een nieuw model ontwikkeld dat de optimale investeringen in het elektriciteitsnetwerk bepaalt maar eveneens de kortetermijn werking gedetailleerd beschouwt. Op die manier wordt de impact van de hernieuwbare energiebronnen, en i.h.b. hun variabel, onvoorspelbaar en oncontroleerbaar gedrag, correct in rekening genomen in een lange termijn model. Bijgevolg is dit model beter in staat om de nodige investeringen voor het toekomstig elektriciteitsnetwerk op korte, middellange en lange termijn te bepalen. Hiermee levert dit onderzoek een unieke bijdrage aan het vakgebied van de power system simulation modellen.

Resultaten

Analyse van de resultaten van dit nieuwe model laat zien dat het introduceren van een gedetailleerde kortetermijn werking in een investeringsmodel weldegelijk een grote impact heeft op de bekomen oplossing. De uitdagingen om een groot aandeel hernieuwbare energiebronnen te integreren in het elektriciteitsnetwerk en een betrouwbare werking te blijven garanderen zijn groot, meer dan men kan inschatten met de traditionele investeringsmodellen. Zo gaat er steeds een aanzienlijk aantal flexibele en controleerbare centrales nodig zijn om vraag en aanbod in balans te houden, een noodzakelijke voorwaarde om een betrouwbare werking te garanderen. Deze flexibele centrales kunnen gascentrales zijn, maar ook energieopslag centrales zoals grote batterij opslag-eenheden of hydro pompcentrales. Van zodra het aandeel hernieuwbare energie boven 60% van de geleverde jaarlijkse energie stijgt, worden deze energieopslagcentrales absoluut noodzakelijk om een betrouwbare werking te verzekeren. Zowel kortetermijn opslag als seizoensopslag van energie vullen hierbij een belangrijke rol in. Het gebruik van biomassa voor de opwekking van elektriciteit maakt de doelstelling voor hernieuwbare energie eenvoudiger te halen en zorgt voor sterke daling van het totale kostenplaatje van een duurzaam energiesysteem.

Conclusie en actieplan

Het model toont aan dat duurzame en betrouwbare elektriciteitsvoorziening verenigbaar zijn en dat het mogelijk is om met de huidig gekende technologieën dergelijk elektriciteitssysteem op te bouwen. De toekomstige investeringen moeten echter niet enkel focussen op het uitbouwen van wind en zonne-energie, maar ook op het grootschalig implementeren van energieopslag en het behoud van een aanzienlijk aantal flexibele centrales. Een belangrijke rol is hierbij weggelegd voor beleidmakers en regulatoren, dewelke d.m.v het aansturen van de marktwerking, deze optimale investeringen kunnen aansturen. 

Meer weten? Volg de activiteiten en publicaties van het KULeuven energie-instituut https://set.kuleuven.be/ei/nederlands/ku-leuven-energieinstituut