Green Deal Monitor #2 - Silo’s doorbreken: de revolutie in het Europese energiesysteem

De Green Deal, de routekaart van de Europese Commissie naar een CO2-neutrale en circulaire economie in 2050, vereist dat we de manier waarop we energie produceren en verbruiken veranderen. Het vereist een energietransitie die alleen mogelijk is als systemen in de energiesector integreren. De Europese Commissie heeft onlangs haar strategie voor een dergelijke systeemintegratie gepresenteerd. Wat zijn de aspecten om rekening mee te houden bij de integratie van energiesystemen?

Elektrificatie is niet de oplossing voor alle sectoren

Onder Energie Systeemintegratie verstaan we het coördineren van de werking en planning van (internationale) energiesystemen om een betrouwbare, kosteneffectieve en milieuvriendelijke energielevering tot stand te brengen.¹ Systeemintegratie richt zich op zaken als het koppelen en optimaliseren van de infrastructuur voor productie, transport en opslag van energie.² Het betekent dat de verschillende energiedragers - elektriciteit, warmte, koude, gas, vaste en vloeibare brandstoffen - met elkaar en met de eindgebruikers worden verbonden.

Klimaatverandering is voor een groot deel het gevolg van energieverbruik. Het beperken van de klimaatverandering hangt daarom af van de mate waarin energieverbruik verminderd kan worden en/of energie vrij van CO₂ uitstoot kan worden gemaakt. Systeemintegratie heeft tot doel om het energiesysteem als geheel te optimaliseren in plaats van elke afzonderlijke sector koolstofarm en/of efficiënter te maken.³ Het systeem als geheel staat centraal, niet de specifieke onderdelen.

Het opwekken van hernieuwbare elektriciteit en het elektrificeren van de vraagzijde zijn belangrijke factoren in het CO₂-vrijmaken van het Europese energieverbruik in 2050. Deze spelen een vitale rol in het verduurzamen van elektriciteitsverbruik in de bebouwde omgeving en in (delen van het) wegtransport en de industrie. Voor andere bedrijfstakken is elektrificatie geen oplossing. Zo hebben de maritieme en luchtvaartsector behoefte aan energiedragers met hoge energiedichtheid. Bepaalde industriële processen, zoals staalproductie, behoeven hoogwaardige warmte. In die sectoren zullen hernieuwbare en koolstofarme brandstoffen waarschijnlijk de oplossing voor decarbonisatie worden.

Hier komt systeemintegratie om de hoek kijken: het integreren van verschillende energiesystemen, maakt emissiereductie mogelijk in sectoren waar dat moeilijk is. De oplossing ligt hier in het sluiten van kringlopen, het voorkomen van ongebruikte restwarmte en (waar elektrificatie niet mogelijk is) het gebruik van schone(re) brandstoffen. Systeemintegratie is op zich geen oplossing, maar een effectief middel om klimaat- en energiedoelstellingen op een kosteneffectieve manier te bereiken. Hierbij wordt gebruik gemaakt van bestaande infrastructuur en oplossingen die dwars door de bestaande silo’s van het energiesysteem heengaan.

_{¹International Institute for Energy Integration, Energy Systems Integration: Defining and describing the value proposition, 2016.

²NWO, Energiesysteemintegratie

³European Commission, EU strategy on energy system integration}

Het doorbreken van de verticale lijnen

Ons energiesysteem is jarenlang gebouwd op verschillende verticale waardeketens die naast elkaar bestaan en die specifieke energiebronnen nauw verbinden met hun specifieke eindgebruikers. Tot op zekere hoogte bestaan deze silo’s nog steeds. Aardolieproducten domineren als brandstof voor de transportsector en als grondstof voor de industrie. Elektriciteits- en gasnetten worden onafhankelijk van elkaar gepland en beheerd. Voor verschillende sectoren gelden verschillende, specifieke marktregels.⁴

Het ontstaan van de silo’s is historisch gezien logisch omdat de energieproductie plaatsgebonden was. Steenkool, en later olie, werd lokaal gedolven en verwerkt en ook het eindgebruik was lokaal. Toen transportkosten daalden, werd infrastructuur opgebouwd om deze energiedragers over grotere afstanden te vervoeren. Dit betekende het opschalen van dezelfde verticale waardeketens om schaalvoordelen mogelijk te maken. De stroom werd opgewekt uit steenkool of uit gas, maar niet uit beide, omdat generatoren maar één soort brandstof aankonden.

In het verleden was schaarste niet de basis voor de totstandkoming van energieprijzen, maar werden deze vastgesteld door nationale regeringen. De gasprijs was kunstmatig gekoppeld aan de olieprijs en aan CO₂ hing helemaal geen prijskaartje. In deze omgeving was er geen reden om verschillende bronnen in één systeem te combineren of te integreren. Energievoorziening was in hoge mate een politieke kwestie.

De afgelopen decennia hebben we hierin veranderingen gezien. Tegenwoordig is het mogelijk om op grote schaal tussen bronnen te schakelen, in ieder geval voor industriële doeleinden en voor stroomproductie. Olie kan op land, in zee en in gesteente (schalie) gewonnen worden, om maar een paar voorbeelden te noemen, Globalisering en technologische vooruitgang hebben geleid tot marktintegratie, en er zijn nu prikkels voor bedrijven om te zoeken naar businesscases waarin verschillende energiebronnen en systemen zijn geïntegreerd.

_{⁴COM (2020), Powering a climate-neutral economy: An EU Strategy for Energy System Integration.}

Figuur 1: Van een lineair, verticaal energiesysteem naar een geïntegreerd en circulair systeem

Bron: Europese Commissie

Een nieuw energiesysteem

Sectorkoppeling
Energiecirculariteit
Grensoverschrijdende en clustersamenwerking
De rol van waterstof

Sectorkoppeling

Sectorkoppeling is een belangrijk element van de integratie van energiesystemen. Oorspronkelijk had sectorkoppeling vooral betrekking op het koppelen van de energievraag (bijvoorbeeld vervoer, huishoudelijke verwarming en industriële warmte en stoom) aan hernieuwbare stroomopwekking. Omdat het echter onwaarschijnlijk is dat alle vraag volledig kan worden geëlektrificeerd, verwijst sectorkoppeling ook naar het geïntegreerde beheer van de elektriciteits- en gassector, inclusief de infrastructuur ervan. Hiervoor is samenwerking nodig tussen de beheerders (TSB's) van de gas- en elektriciteitsnetten. Het doel van deze sectorkoppeling is het optimaliseren van het evenwicht tussen elektrificatie en koolstofarme brandstoffen om aan de energievraag te voldoen tegen de laagste maatschappelijke kosten. Dit betekent dat elektrificatie de oplossing wordt waar dit het meest efficiënt is, maar dat koolstofarme brandstoffen worden gebruikt waar dit het meest efficiënt is. Elektriciteits- en gasnetwerken zouden dan in wisselwerking moeten staan met alle verbruikerscategorieën, zoals verwarming, vervoer, stroomverbruik, grondstofgebruikers etc.

Sectorkoppeling leidt tot reductie van CO₂-emissies omdat het aanbod beter afgestemd kan worden op de vraag. Dit zou het hele energiesysteem ten goede komen in termen van efficiëntie. Sectorkoppeling vermindert ook de behoefte aan nieuwe infrastructuur door conversietechnologieën, zoals power-to-gas-installaties op de juiste locaties te introduceren.⁵ Dan kunnen bestaande gasleidingen worden gebruikt in plaats van het elektriciteitsnetwerk uit te breiden met hoogspanningskabels.

Om succesvol te zijn, zou sectorkoppeling moeten plaatsvinden op lokaal, nationaal en internationaal niveau.

_{⁵Infrastructure Outlook 2050, TenneT & Gasunie, 2019}

Energiecirculariteit

Energiecirculariteit verwijst naar het concept van hergebruik van restwarmte en afval voor energiedoeleinden. Dit kan niet zonder integratie van energiesystemen die energiedragers - elektriciteit, warmte, koude, gas, vaste en vloeibare brandstoffen - met elkaar en met verschillende eindgebruikers verbinden. Dit gebeurt al in warmtekrachtkoppelingsinstallaties (WKK), die de restwarmte die overblijft na elektriciteitsproductie (uit fossiele of biobrandstoffen) opvangt en gebruikt. Maar het gebeurt ook door het gebruik van afvalstromen om energie op te wekken, zoals biogas uit organisch afval.

Een groot, maar vaak onbenut potentieel is het hergebruik van afvalwarmte van industrieterreinen, datacentra of andere bronnen. Maar liefst 29 procent van de door de industrie gebruikte energie gaat verloren als restwarmte. Hergebruik van energie kan ter plaatse gebeuren, bijvoorbeeld door herintegratie van proceswarmte in een fabriek, of via een stadsverwarmingsnetwerk. Tot op heden ontstaat restwarmte vaak op locaties waar er geen vraag naar is en/of waar hergebruik duur en inefficiënt transport vergt. Bovendien is de temperatuur van de restwarmte vaak te laag voor gebruik in industriële processen.

Een goed voorbeeld van hergebruik van restwarmte is de Zweedse stad Luleå die de warmte die wordt geproduceerd in de plaatselijke staalfabriek heeft aangesloten op het het stadsverwarmingsnet van de stad. Deze restwarmte voorziet in de vraag naar verwarming bij temperaturen boven de -10 graden Celsius en dat leidt ertoe dat Luleå de goedkoopste stadsverwarming in Zweden heeft.⁶

Er is echter nog meer potentieel, bijvoorbeeld in energie die wordt geproduceerd uit bio-afval van de landbouw-, voedsel- en bosbouwsector of uit afval van afvalwaterzuiveringsinstallaties.

_{⁶Luleå kommun, 2014}

Grensoverschrijdende en clustersamenwerking

Elektriciteitssystemen werken steeds meer over de grenzen heen, voornamelijk om economische redenen. Grensoverschrijdende samenwerking is echter ook belangrijk voor de volledige integratie van energiesystemen, aangezien geen enkele marktpartij of land in staat zal zijn de energietransitie-uitdaging alleen op te lossen. Aangezien de hele EU CO₂-neutraal moet worden, zullen landen moeten samenwerken om dit doel te bereiken

Onlangs is een nieuwe drijfveer voor grensoverschrijdende systeemintegratie relevanter geworden: de toenemende integratie van hernieuwbare energiebronnen. Dit gebeurt echter nog steeds veelal op kleine schaal en vooral in de elektriciteitssector. Om echt tot een volledig geïntegreerd Europees energiesysteem te komen, zou grensoverschrijdende integratie het hele energiesysteem moeten omvatten. Dat wil zeggen gasnetwerken, slimme netinfrastructuur, betere toeleveringsketens en brandstof- en elektrische laadpunten voor transport. Hiervoor is een regelgevend kader nodig dat administratieve belemmeringen wegneemt en zorgt voor een gelijk speelveld binnen de Europese Unie.

Grensoverschrijdende samenwerking leidt tot een meer optimaal gebruik van bestaande activa (statische efficiëntie), maar ook tot gerichtere (en meer optimale) investeringen in productiecapaciteiten en netwerken (dynamische efficiëntie). Meer efficiëntie leidt onder andere tot lagere operationele kosten, lagere brandstofkosten en lagere balanceringskosten (kosten die ontstaan doordat vraag en aanbod van energie niet altijd gelijk zijn).

Samenwerking gaat ook over het optimaliseren van middelen. Industriële clusters zijn groepen van vaak gespecialiseerde bedrijven en andere publieke of private partijen die op een locatie nauw samenwerken. Bij nauwe samenwerking, waarbij de onderlinge partijen allemaal hun eigen competenties en expertise inbrengen in energieprojecten, zullen zij innovatiever zijn. Hier hebben zij allemaal voordeel van.

De rol van waterstof

Waterstof, en met name groene waterstof die wordt geproduceerd uit hernieuwbare energie⁷ heeft veel potentie voor het decarboniseren van sectoren die moeite hebben hun uitstoot terug te dringen, bijvoorbeeld omdat elektrificatie geen alternatief is (zoals de eerder genoemde maritieme en de luchtvaartsector of de staalindustrie). Waterstof vereist systeemintegratie om een levensvatbare, alternatieve, koolstofarme energiebron te worden.

Bovendien kan overtollige energie uit windturbines en zonnepanelen omgezet worden in waterstof. Daarmee wordt waterstof, naast batterijen, een belangrijke manier om hernieuwbare energie op te slaan. Waterstofopslag zorgt op deze manier voor een backup voor seizoensvariaties (batterijen zijn daarvoor niet geschikt) en kan zo ook productielocaties verbinden met verder weggelegen vraag.

In tegenstelling tot de vergroening van elektriciteit - die in grote lijnen op schema lijkt te liggen - blijft de verdere ontwikkeling van van meer koolstofarme brandstoffen zoals waterstof achter. Brandstoffen zijn de ruggengraat van het Europese energiesysteem en zullen dat waarschijnlijk in 2050 ook nog zijn. Om de doelstelling van de EU voor 2050 te halen, is de transformatie naar koolstofarme brandstoffen de belangrijkste beleidsprioriteit voor de komende tien jaar. In een volgende editie van onze Green Deal Monitor gaan we hier verder op in.

_{⁷Het bekendste proces is elektrolyse, waarbij met groene stroom water (H2O) wordt gesplitst in waterstof (H2O) en zuurstof (O2).}

Hoe verder?

Het creëren van een geïntegreerd Europees energiesysteem gaat niet van de ene op de andere dag gebeuren. Er zijn goede redenen waarom de energiesector in silo's is georganiseerd, maar het is ook duidelijk dat dit historische erfgoed barrières opwerpt voor een volledige integratie. Hoewel energiesystemen nu meer met elkaar verweven zijn dan voorheen, is er nog een weg te gaan.

Zo vormen het verdeelde eigendom en de tegengestelde belangen binnen de energiesector een barrière. De elektriciteitssector is bijvoorbeeld lange tijd in publieke handen geweest, terwijl de olie- en gassector werd gedomineerd door grote private multinationals. De afstemming van belangen binnen de elektriciteitssector is de afgelopen decennia moeilijker geworden door de de privatiseringsstrategie die Europa en een groot deel van de wereld heeft gevolgd om de concurrentie te bevorderen. Regelgeving over de scheiding van productie- en handelsactiviteiten heeft de complexiteit verder vergroot.

Wat moet er dus gebeuren?

Om deze barrières te overwinnen, moeten bedrijven en overheden samenwerken. De rol van regeringen en de EU is om een speelveld te creëren waarin belangen op één lijn liggen en externe (milieu)effecten worden beprijsd, terwijl concurrentie wordt gestimuleerd. Bedrijven moeten verder durven kijken dan hun eigen (korte termijn) winst- en verliesrekening en in plaats daarvan hun creativiteit inzetten om op een gemeenschappelijke basis projecten op gang te brengen. Alleen door het perspectief te verruimen, kunnen de maatschappelijk optimale oplossingen worden gerealiseerd.

De infrastructurele uitdagingen waarmee we worden geconfronteerd, zijn niet nieuw. Europa is al eerder zeer succesvol geweest in het realiseren van grote particuliere initiatieven, die grote welvaart brachten voor bedrijven en de samenleving. De spoorwegen en gas- en elektriciteitsnetten zijn allemaal voorbeelden van particuliere infrastructuurontwikkeling die pas later gereguleerd en eigendom van de overheid werden.

In de kapitaalintensieve en soms zeer competitieve energiesector kunnen Europese bedrijven alleen met enige moed succesvolle spelers worden in nieuw opkomende gebieden. Nieuwe kansen nastreven in een tijd waarin de toekomst onzeker is, maar gedreven door de wens om grote dingen te realiseren. Denk aan de Amerikaan die tegen alle verwachtingen in volledig voor elektrische auto's ging in een zeer competitieve en kapitaalintensieve industrie. Tegenwoordig is Tesla een van de meest waardevolle bedrijven ter wereld. Het zet alle andere autofabrikanten onder druk om de ontwikkeling en productie van elektrische auto's te versnellen en het bedrijf wordt algemeen erkend als de grote motor achter innovatie in elektrische voertuigen. Soms betalen gedurfde stappen zich groots uit.

Twee voorwaarden voor versnelling van systeemintegratie

De financiering van innovatie

Bedrijven moeten lef hebben om buiten de gebaande paden te denken om met nieuwe ideeën te komen en vastbesloten zijn om de ‘valley of death’ te overbruggen wanneer ze nieuwe businessmodellen ontwikkelen en testen. Ze moeten ook hun perspectief verbreden en een gemeenschappelijke basis vinden om samen te werken met andere bedrijven of organisaties. Gezamenlijk zijn ze beter in staat uitdagingen aan te gaan en daarvoor financiering aan te trekken. In die zin is financiering altijd het grootste probleem.
Bedrijven, overheden en de financiële sector moeten daarom ook creatief zijn in het zekerstellen van de financiering van de grote investeringen die nodig zijn voor de energietransitie. Voor projecten die grote investeringen vergen en die niet kunnen worden terugverdiend door hogere inkomsten op korte termijn, zou het opzetten van een Europees fonds met (enige) publieke startfinanciering een alternatief kunnen zijn. Bijkomend voordeel is dat dit ten dele kan voorzien in de grote vraag naar effecten met een laag risico en een stabiele kasstroom. Institutionele beleggers krijgen hiermee tevens een kans om deel te nemen aan duurzame projecten met een hoge maatschappelijke waarde.

Regulering die de transitie faciliteert

Nationale regeringen en de EU moeten zorgen dat zogenoemde externe effecten (klimaatverandering veroorzaakt door emissies) adequaat beprijsd worden. Bovendien hebben deze overheden een rol in het oplossen van coördinatieproblemen tussen particuliere marktpartijen. Zij kunnen bijvoorbeeld aanbestedingen organiseren, subsidies en (andere) financiering aanbieden aan consortia die oplossingen bieden voor bestaande knelpunten. Op deze manier kunnen kostenvoordelen behaald worden en krijgt innovatie een impuls. De succesvolle tenders voor offshore-windenergie zijn daar goede voorbeelden van.
De huidige onafhankelijk van elkaar werkende netbeheerders (TSO's) in Europa moeten gedreven worden door vergelijkbare belangen. Regelgevers moeten nauwere samenwerking tussen gas- en elektriciteitsnetbeheerders aanmoedigen om een zo efficiënt mogelijke infrastructuur tot stand te brengen. Een vergelijkbare eigendomsstructuur voor die entiteiten zou bijvoorbeeld zorgen voor een beter gecoördineerde langetermijnplanning.