Men denkt bij de overstap naar duurzame energiebronnen vaak alleen aan de reductie in uitstoot die dit moet opleveren. Het veranderen van een energievoorziening gebaseerd op brandstof naar een energievoorziening gebaseerd op krachten die niet direct op oproep beschikbaar zijn heeft echter nog meer fundamentele gevolgen, waarvoor de juiste oplossingen nog niet altijd voorhanden zijn. In de huidige samenleving is de levering van elektriciteit essentieel. De energietransitie moet daarom zodanig worden vormgegeven dat de leveringszekerheid gegarandeerd kan blijven worden. Tegelijkertijd dringt de tijd voor de gestelde doelen om de opwarming van de aarde te beperken en moet de uitstoot door met name fossiele brandstoffen zo snel mogelijk worden teruggedrongen. Precies in het midden van deze afweging kan biomassa, mits op de juiste manier toegepast, de balans bewaken tussen het terugdringen van schadelijke uitstoot enerzijds en het bewaken van onze stroomvoorziening anderzijds.
1. Ontwikkeling van de leveringszekerheid in Nederland
Stroomtekort in Nederland van 1 mei 2018
TenneT, de netbeheerder in Nederland, verwacht dat Nederland omstreeks 2023 van import van elektriciteit afhankelijk zal worden. Ook nu al doen er zich situaties voor waarin een stroomtekort dreigt, waardoor buitenlandse capaciteit moet worden ingekocht. In de ochtend van 1 mei 2018 leidde een gebrek aan zon en wind in Nederland, tezamen met een onverwacht hogere vraag naar stroom voor verlichting, ertoe dat TenneT honderden megawatt moest inkopen uit het buitenland. Eind 2017 bestond nog slechts iets meer dan 8% van de in Nederland opgewekte elektriciteit uit windenergie.
Het vervangen van energie uit fossiele brandstoffen door energie uit duurzamere bronnen is een geleidelijk proces. De Nederlandse overheid stuurt aan op deze overgang door middel van afspraken zoals in het Energieakkoord van 2013 (14% hernieuwbare energie in 2020, 16% in 2023), subsidies voor duurzaam opgewekte energie (SDE+) en milieubelastingen. Ook kunnen er wetswijzingen worden doorgevoerd waardoor bepaalde vervuilende energiecentrales noodgedwongen moeten sluiten: in het regeerakkoord van 2017 staat het voornemen om voor 2030 alle kolencentrales gesloten te hebben. Bij de ontmoediging van vervuilende energieopwekking enerzijds en de ondersteuning van de aanleg van schonere energiebronnen anderzijds moet de leveringszekerheid bewaakt worden. Als er te snel en teveel conventionele energiecentrales sluiten zonder dat daar voldoende alternatieven voor beschikbaar zijn, ontstaan er tekorten.
TenneT, de netbeheerder van het Nederlandse stroomnetwerk, berekende dat Nederland, mede door de ontmoedigingsmaatregelen ten opzichte van conventionele elektriciteitscentrales, vanaf 2023 deels van import afhankelijk zal worden. Deze importafhankelijkheid hoeft geen probleem te vormen, maar er moet bij het instellen van maatregelen zoals een nationale minimum CO₂-prijs wel op gelet worden of de geïmporteerde stroom niet veel schadelijker is opgewekt dan de uitstoot die er in eigen land mee werd voorkomen. Klimaatverandering is een mondiale kwestie, waarbij alleen de afbouw en niet de verschuiving van emissies bijdraagt aan een oplossing. Wanneer er geen garanties zijn voor de herkomst van de geïmporteerde stroom, heeft een verduurzaamde en voldoende opwekkende eigen stroomvoorziening de voorkeur boven import.
Naast de aanleg van windmolenparken en zonnepanelen worden ook maatregelen genomen voor de verduurzaming van de bestaande infrastructuur. In veel bestaande energie-infrastructuur, waaronder die voor kolen en aardgas, kan bijvoorbeeld ook biomassa worden ingepast. De biomassa bijstook in kolencentrales is hier een voorbeeld van. Het gebruik van biomassa kan zo helpen om de energievoorziening direct te verduurzamen, terwijl er intussen voldoende nieuwe alternatieven zoals windmolens en zonnepanelen worden aangelegd. Zeker in combinatie met CCS (CO₂-afvang en -opslag), kan op de juiste manier toegepast gebruik van biomassa de al aanwezige hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer zelfs laten afnemen. Critici zien de inpassing van (gesubsidieerde) biomassa in onder meer kolencentrales echter als een verkapte manier om de conventionele energiecentrales langer open te houden. Ook zouden de in 2015 vastgestelde duurzaamheidseisen niet voldoende zijn of niet altijd nageleefd worden. In het regeerakkoord van 2017 is mede daarom het voornemen opgenomen om na 2024 geen SDE+ subsidie meer te geven voor de bijstook van biomassa.
1.1 Weersafhankelijke energiebronnen: leveringszekerheid tijdens Dunkelflaute
De vervanging van conventionele energiebronnen door grotendeels windmolens en zonnepanelen levert, ook wanneer deze overgang evenredig aan elkaar verloopt en geen productiecapaciteitstekorten oplevert, nog steeds een probleem op voor de leveringszekerheid. De elektriciteitsproductie van windmolens en zonnepanelen is namelijk afhankelijk van de weersomstandigheden. Een voorraad van windmolens en zonnepanelen die gezamenlijk een vermogen hebben dat voldoende is om aan de gehele elektriciteitsvraag te voldoen, betekent door wisselende wind- en zonnekracht dus niet dat ze dit daadwerkelijk altijd zullen opwekken. In 2017 stonden er volgens het CBS windmolens in Nederland die bij elkaar per uur 4201 megawatt konden opwekken. Er vanuit gaande dat er ongeveer 8766 uur in een jaar zitten, konden deze windmolens in theorie in een jaar tijd bijna 37 miljoen MWh opwekken. Uit dezelfde cijfers van het CBS komt naar voren dat er in werkelijkheid ongeveer 10.6 miljoen MWh werd opgewekt door deze windmolens in 2017. Minder dan 30% van het opgestelde vermogen werd dus daadwerkelijk benut.
Als men uitgaat van zulke jaarlijkse gemiddelden dan zal men dus windmolens moeten opstellen die gezamenlijk een piekvermogen hebben dat de gemiddelde vraag ver overstijgt. Daarmee is het probleem van de leveringszekerheid helaas nog steeds niet opgelost. Er bestaat namelijk een fenomeen dat men in Duitsland ‘Dunkelflaute’ noemt. Een Dunkelflaute is een periode van samenvallende duisternis en windstilte, waardoor de elektriciteit die met windmolens en zonnepanelen opgewekt kan worden minimaal is. Ieder jaar worden perioden van Dunkelflaute waargenomen, met name in de winter wanneer het langer donker is en de vraag naar energie juist hoger is. Een periode van Dunkelflaute zonder back-up zou betekenen dat er geen elektriciteit beschikbaar is. Om een elektriciteitsvoorziening te kunnen hebben die is gebaseerd op wind- en zonne-energie moet er een manier worden gevonden om dergelijke weersextremen het hoofd te bieden, zonder daarbij terug te vallen op fossiele brandstoffen.
2. Behouden van de netbalans: reservecapaciteit, systeemcentrales, opslag, power-to-gas, stuurbare vraag
Responstijd
Trends in het stroomverbruik worden door de netbeheerder tot maximaal een week vooruit voorspeld (de voorspellingshorizon). Toch kan er tussentijds een plotselinge stijging of daling van de vraag plaatsvinden. Bij plotselinge veranderingen wordt als eerste een signaal gegeven aan de energiebronnen die het snelst kunnen op- of afschakelen. Dit zijn meestal gascentrales, waterkrachtcentrales, en wind of zon (indien het weer dit toestaat). Kern-, olie- en kolencentrales zijn over het algemeen trager (worden ingezet voor basislast), hoewel de modernste kolencentrales tegenwoordig over een responstijd van een kwartier kunnen beschikken.
Om de leveringszekerheid van elektriciteit te kunnen garanderen wanneer het niet hard genoeg waait en/of wanneer het bewolkt is, moeten er voldoende alternatieve middelen achter de hand zijn om deze tekorten op te vangen. Op dit moment kunnen de conventionele thermische centrales (kolen, gas, etc.) nog voldoende opwekken om schommelingen in het in het aanbod van weersafhankelijke duurzame elektriciteit op te vangen. Wanneer deze centrales onder druk van verschillende factoren in grote aantallen worden gesloten of tijdelijk buiten gebruik worden gesteld (in vakjargon: ‘in de mottenballen worden gezet’), kan het punt bereikt worden dat de leveringszekerheid in het gedrang komt. Om deze situatie te voorkomen wordt er naar verschillende oplossingen gezocht.
Deze oplossingen zijn bovendien niet uitsluitend gericht op het opvangen van tekorten, maar juist ook op situaties met teveel stroom. Het is namelijk zo dat er altijd een balans moet zijn op het stroomnetwerk: de netbalans. Wat er wordt opgewekt moet ook daadwerkelijk worden verbruikt en wat er wordt gevraagd, moet ook worden opgewekt. Op het elektriciteitsnet wordt het aanbod daarom altijd zo nauwkeurig mogelijk op de vraag afgestemd. Met conventionele elektriciteitscentrales kan dit zeer nauwkeurig worden gedaan en kan men desgewenst meer of minder stroom opwekken. Met het vervangen van conventionele centrales door weersafhankelijke energiebronnen is niet meer alleen de vraag variabel, maar ook het aanbod. De netbalans komt veel sneller in gevaar, omdat de momenten waarop de meeste stroom wordt opgewekt meestal niet meer samenvallen met een even hoge vraag. Op een gemiddelde dag wordt de meeste stroom gebruikt in de ochtend en aan het begin van de avond. In Nederland zijn dit in de winter juist tijdstippen waarop er geen zonne-energie wordt opgewekt, omdat het nog donker is. Midden op de dag met de zon bovenaan de hemel ligt de vraag naar elektriciteit meestal juist veel lager. Ook het feit dat windmolens het grootste deel van de tijd slechts een percentage van hun totale capaciteit opwekken, betekent dat wanneer ze wel op hun maximale vermogen draaien er een groot overschot kan ontstaan. Dit overschot zorgt voor een verstoring van de netbalans en moet ergens naartoe worden afgevoerd.
2.1 Oplossingen voor de leveringszekerheid
2.1.1 Internationaal elektriciteitsnet
Noord-Atlantische Oscillatie (NAO)
Het Europese winterweer wordt deels bepaald door de Noord-Atlantische Oscillatie (NAO). Met dit meteorologische fenomeen wordt het verschil in luchtdruk tussen twee drukgebieden boven de Atlantische oceaan aangeduid. Wanneer dit luchtdrukverschil groot is, is er doorgaans sprake van zachte en natte winters in West-Europa. Bij een klein verschil in luchtdruk zijn de winters hier koud en droog, met weinig wind. Tegelijkertijd is het weer in Zuid-Europa dan juist onstuimig. Het gebrek aan wind in Noord-Europa kan in zo’n situatie lastig worden opgevangen door Zuid-Europa, omdat daar door het bewolkte weer juist weinig zon is, en dus weinig wind geëxporteerd kan worden. Zo kunnen weersomstandigheden ook op Europese schaal de energieopwekking met wind en zon bemoeilijken.
Een belangrijke ontwikkeling op het gebied van elektriciteit in Europa is de uitrol van een groot internationaal stroomnetwerk. Tussen de verschillende landen worden elektriciteitsverbindingen aangelegd of uitgebreid. De overschotten in een gebied kunnen zo worden ingezet om de tekorten in een ander gebied op te vullen. Hoewel de kans zo kleiner wordt dat wind en zonlichttekorten niet kunnen worden opgevangen, bestaat de kans dat een Dunkelflaute zich op teveel plekken tegelijk voordoet nog steeds. Wie de meteorologische statistieken van de afgelopen jaren natrekt ziet bijvoorbeeld dat er in 2006 al eens sprake was van gelijktijdig zwakke wind en zon door heel Europa. Ook met een optimaal internationaal netwerk waarin overschotten en tekorten elkaar overal kunnen oplossen (dat voorlopig nog niet voldoende is aangelegd), kunnen dus nog steeds probleemsituaties ontstaan.
2.1.2. Reservecapaciteit en systeemcentrales
Capaciteitssystemen
Een elektriciteitsnet dat grotendeels van stroom wordt voorzien door windmolens en zonnepanelen heeft, bij het ontbreken van voldoende opslagmogelijkheden, voldoende back-up vermogen nodig. Het probleem is dat het voor een conventionele energiecentrale lastig is te concurreren met (gesubsidieerde) goedkope wind- of zonnestroom en het niet rendabel is om een groot deel van de tijd uitgeschakeld te zijn. Om ervoor te zorgen dat toch voldoende centrales volledig onderhouden en bemand op stand-by staan, hebben diverse landen regelingen getroffen waardoor energiebedrijven van tevoren van bepaalde inkomsten verzekerd worden, zodat zij een bepaald aantal centrales open houden, ook als deze een groot deel van de tijd zijn uitgeschakeld.
Omdat veel landen de noodzaak inzien dat een bepaalde reservecapaciteit nodig is om onafhankelijk van de weersomstandigheden toch op ieder moment voldoende elektriciteit te kunnen genereren, zijn er in die landen verschillende capaciteitssystemen ingevoerd die moeten waarborgen dat er een minimum aantal benodigde conventionele centrales als back-up beschikbaar blijft. Onder meer het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, België en Duitsland hebben dergelijke systemen, Nederland (nog?) niet. Naast de onafhankelijkheid van het weer moeten dergelijke reservecentrales of ‘systeemcentrales’ ook over de eigenschap beschikken om heel snel op- of af te kunnen schakelen. Zo kan er direct worden gereageerd op een plotselinge afname of toename van zon of wind. Een probleem met deze systeemcentrales is dat men al snel weer uitkomt bij fossiele brandstoffen, waar men juist van af wil. Om die reden kan biomassa, ter ondersteuning van de elektriciteitsvoorziening door windmolens en zonnepanelen, een belangrijke rol spelen. Biomassa kan worden ingezet in veel bestaande infrastructuur, zodat er geen nieuwe centrales gebouwd hoeven te worden. Zeker op de korte tot middellange termijn is biomassa daarom een zeer praktisch alternatief voor fossiele brandstoffen bij het leveren van een reservecapaciteit tijdens de energietransitie, waarbij de uitstoot van CO₂ buiten de huidige koolstofkringloop wordt voorkomen.
2.1.3. Opslag van elektriciteit: pompcentrales en power-to-gas
Metal Fuels (metaalbrandstoffen)
Aan de TU Eindhoven wordt gewerkt aan een nieuwe techniek die het mogelijk maakt om bepaalde soorten metalen, zoals ijzer, als brandstof in te zetten. Deze metal fuels bevatten meer energie dan fossiele brandstoffen en bij verbranding komt geen CO₂ vrij. Na verbranding blijft geoxideerd metaal (roest) over, dat door middel van energie weer omgezet kan worden naar metaal dat opnieuw verbrand kan worden. Zo kan er een circulair systeem opgezet worden, waarbij de metaalbrandstof tijdens energietekorten wordt verbrand, en de geoxideerde metalen ten tijde van een overschot aan duurzame energie weer in nieuwe metaalbrandstof wordt omgezet. Er worden proeven uitgevoerd om de inzet van metal fuel in bestaande kolencentrales mogelijk te maken.
De behoefte naar reservecapaciteit, systeemcentrales en internationale verbindingen komt voor een groot deel voort uit het feit dat men stroom altijd op het moment dat deze wordt gevraagd moet opwekken. Als het moment waarop de elektriciteit wordt gegenereerd minder belangrijk wordt, kunnen veel problemen worden opgelost. De techniek voor het opslaan van elektriciteit is echter nog niet voldoende ontwikkeld om de hoeveelheden op te slaan die nodig zijn om een heel land van voldoende stroom te voorzien. Elektriciteit wordt bovendien altijd opgeslagen doormiddel van een omzetting, waarbij meestal een percentage van de energie verloren gaat. Opslag heeft daarom alleen de voorkeur als er geen andere directe toepassing voor de stroom te vinden is. De grootschalige opslagmethode die nu het meeste wordt toegepast is het gebruik van pompcentrales. Het idee achter deze techniek is eenvoudig en werkt met water en zwaartekracht. Bij een overschot aan elektriciteit wordt met deze stroom water omhoog gepompt naar een hoger gelegen reservoir, bij een tekort laat men dit water vervolgens weer naar beneden stromen langs een turbine, zoals bij een gewone stuwdam. Hoewel deze methode goed werkt, ontbreekt in Nederland van nature het benodigde hoogteverschil.
Een andere opslagmethode die sterk in ontwikkeling is, heet power-to-gas of power-to-X. Het inzetten van overschotten aan elektriciteit voor de vorming van gassen of vloeistoffen zorgt ervoor dat men de opgewekte energie gemakkelijker kan opslaan. Een belangrijke gasvorm waar verschillende bedrijven in Nederland proeven mee doen is waterstof. Door middel van elektrolyse kan met elektriciteit waterstof uit water worden gewonnen. Deze waterstof kan later direct worden ingezet als energiebron of kan worden gebruikt om weer elektriciteit mee op te wekken. Net als bij de inzet van biomassa geldt dat ook waterstof in veel gevallen in bestaande elektriciteitscentrales kan worden ingezet. De techniek voor het winnen van de waterstof zelf is echter nog niet ver genoeg ontwikkeld, zodat de kosten nog zeer hoog zijn. Behalve uit water kan waterstof ook uit biomassa worden gewonnen. Biomassa zelf kan ook in een gas worden omgezet, de Nederlandse Gasunie verwacht dat mede door het gebruik van dit groene gas als back-up tijdens piekvraag het aandeel biomassa voor primair energiegebruik met meer dan 100% zal toenemen richting 2050.
2.1.4. Smart Grids en stuurbare vraag
Tot slot zoekt men ook naar oplossingen op het gebied stuurbare vraag. Nu bij de meeste hernieuwbare energiebronnen het aanbod zelf niet meer goed te regelen is, wordt het aantrekkelijker om de vraag af te stemmen op het aanbod, in plaats van andersom. Dit kan onder meer met variabele tarieven voor gebruikers en met slimme technologie (‘smart grids’). Op kleine schaal betekent dit dat een wasmachine of een boiler pas aan gaat als er veel elektriciteit wordt opgewekt en de kosten dus laag zijn. Op grotere schaal kan dit ook voor elektriciteitsverbruikende industrieën die hun productie bijstellen aan de hand van het aanbod. Dit soort maatregelen zijn echter niet altijd toepasbaar, er is een bepaalde minimum basisbehoefte aan stroom die altijd geleverd moet worden. Deze basislast wordt nu geleverd door energiecentrales die langzaam op- of afschakelen, omdat ze dan constant op hetzelfde niveau kunnen leveren. Biomassa kan ook in de toekomst een duurzame brandstof zijn voor dergelijke centrales die aan deze basislast bijdragen, terwijl het variabele deel van de stroomvraag met een combinatie van sturing en opslag wordt ingevuld.
3. Samenvatting en rol biomassa voor leveringszekerheid
Hieronder worden de belangrijkste aandachtspunten over de leveringszekerheid van elektriciteit tijdens de energietransitie op deze pagina samengevat. Daarbij wordt ook extra aandacht besteed aan de rol die biomassa hierin zou kunnen spelen.
- Wanneer conventionele elektriciteitscentrales die op fossiele brandstoffen draaien sneller worden gesloten dan er nieuwe duurzame capaciteit voor in de plaats is gezet, wordt Nederland voor de leveringszekerheid afhankelijk van import. Vanaf 2023 is dit volgens netbeheerder TenneT al deels het geval. Bij de geïmporteerde elektriciteit bestaat de kans dat deze stroom vervuilender is opgewekt dan in de gesloten Nederlandse centrales (bijvoorbeeld doordat deze in inefficiënte Duitse/Poolse bruin/steenkoolcentrales is opgewekt).
Biomassa kan de fossiele brandstoffen in veel bestaande elektriciteitscentrales in Nederland vervangen. Zo blijft Nederland de controle houden over de eigen leveringszekerheid en uitstoot. Daarbij is wel noodzakelijk dat de biomassa daadwerkelijk aan de strenge eisen in Nederland voldoet, voordat deze als duurzaam mag worden aangemerkt. Idealiter wordt daarbij ook CCS toegepast, zodat negatieve emissies ontstaan. - Een afhankelijkheid van weersafhankelijke energiebronnen betekent een afname van de leveringszekerheid. Tijdens een periode met weinig tot geen zonlicht en wind, een Dunkelflaute, wordt dan weinig elektriciteit opgewekt. Windmolens en zonnepanelen hebben daarom de ondersteuning nodig van niet-weersafhankelijke energiebronnen. Daarbij gaat de voorkeur uit naar alternatieven voor fossiele brandstoffen. Biomassa kan onafhankelijk van het weer worden ingezet om bij te springen wanneer elektriciteit uit andere duurzame bronnen tekort schiet. Voldoende andere duurzame alternatieven zijn er op dit moment nog niet, de infrastructuur om de biomassa in te zetten is er al wel. Zo kan ook de reservecapaciteit op een duurzame manier worden ingevuld.
- Een afhankelijkheid van weersafhankelijke energiebronnen betekent eveneens dat er soms juist teveel elektriciteit opgewekt wordt. Omdat elektriciteit altijd direct gebruikt moet worden, kunnen ook overschotten voor problemen zorgen op het elektriciteitsnet. Er zijn verschillende ideeën om aanbod en vraag weer beter op elkaar af te stemmen. Voor de vraag naar elektriciteit geldt echter dat er altijd een ondergrens is: de basislast. Waar slimme technologieën en variabele stroomprijzen een bijdrage kunnen leveren aan het afvlakken van schommelingen in de vraag, en opslagtechnieken overschotten en tekorten op het elektriciteitsnet verder kunnen verwerken, is er voor de basislast een stabiele en constante levering van elektriciteit nodig. Systeemcentrales die niet van het weer afhankelijk zijn en snel kunnen op- of afschakelen kunnen een stabiele levering van de ondergrens garanderen wanneer deze in gevaar komt, waarbij biomassa de voorkeur heeft boven fossiele brandstoffen als brandstof.