05-06-04 TNO2021 R11125 Finalreport OPVIS 20 technisch rapport

25

Voorbeeld: www.ecovat.eu

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

3

23 / 114

Scenario’s en modellen

Deze studie onderzoekt hoe de vraag naar ondergrondse energieopslag zich in de periode 2030 tot 2050 kan ontwikkelen aan de hand van recent gepubliceerde studies (zie Hoofdstuk 1) die gebruik maken van energiesysteem-modellen. In de rest van het rapport worden de volgende afkortingen gebruikt om de studies aan te duiden: • BK: Berenschot/Kalavasta, 2020: Klimaatneutrale energiescenario’s 2050. • ETS: Energy Transition Studies TNO, 2020: Scenario’s voor klimaatneutraal energiesysteem (Towards a sustainable energy system for the Netherlands in 2050). • LSES: TKI – Large Scale Energy Storage, 2020. Dit hoofdstuk geeft een overzicht van de gebruikte studies op de onderdelen i) doel, scope en context van de studies, ii) beschrijving en karakterisering van de gebruikte modellen, iii) beschrijving van de onderzochte energie- en klimaatscenario’s en bijbehorende gevoeligheden, en iv) specificatie van de uitkomsten. Specifieke details zullen alleen benoemd worden indien deze relevant zijn voor de uitkomsten van de voorliggende studie. Voor de rest wordt verwezen naar de achterliggende rapporten die via onderstaande links toegankelijk zijn: BK ETS LSES

https://www.berenschot.nl/media/hl4dygfq/rapport_klimaatneutrale_energie scenario_s_2050_2.pdf http://publications.tno.nl/publication/34636734/bgfjKg/TNO-2020P10338.pdf https://publications.tno.nl/publication/34637699/Xi7BTQ/TNO-2020P11106.pdf

Naast de bovengenoemde energie- en klimaatstudies worden in dit rapport diverse andere studies en publicaties beschouwd die een nadere duiding geven van de verwachte ontwikkelingen in het toekomstige energiesysteem (bijvoorbeeld nationale beleidsstudies en routekaarten voor specifieke technologieën) en/of technische specificaties en randvoorwaarden voor de onderzochte technologieën. De invloed van de ontwikkelingen in het toekomstige energiesysteem op de vraag naar en de mogelijkheden voor opslag zullen worden toegelicht in de paragrafen waar deze aan bod komen.

3.1

Vergelijking op hoofdlijnen

Paragraaf 3.2, 3.3 en 3.4 geven een inhoudelijke beschrijving van de studies, scenario’s en gebruikte modellen. Deze paragraaf geeft een beknopte samenvatting van de belangrijkste overeenkomsten en verschillen tussen de studies van BK, ETS en LSES. 3.1.1 Uitgangspunten en scope: • Alle gebruikte energiesysteemstudies verkennen in de eerste plaats de keuzes voor de inrichting van het toekomstige energiesysteem in 2050. Daarbij wordt uitgegaan van de doelstelling om de uitstoot van CO2 te reduceren met 95-100% alsmede de randvoorwaarde dat vraag en aanbod van energie met elkaar in balans zijn. • Alle studies evalueren daarnaast de inrichting van het energiesysteem en bijbehorende energievraag en -aanbod in 2030 waarbij de randvoorwaarden worden

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

•

•

24 / 114

gegeven door het huidige Nationale Klimaatakkoord 26 (NKA). Bij BK en ETS is de 2030-situatie tevens het startpunt voor de berekening van de 2050-scenario’s. Bij LSES staat het 2030 scenario (eveneens volgens het klimaatakkoord) los van het 2050 scenario. ETS rapporteert als enige de situatie op 2040 maar alle gebruikte modellen in de onderzochte studies zijn in principe in staat om de situatie voor ieder tussenliggend jaar weer te geven. De scope en primaire doelstellingen van de studies verschillen: o BK onderzoekt hoe energievraag en -aanbod binnen het toekomstige energiesysteem van 2050 (startend vanuit situatie 2030) in balans kunnen worden gebracht, gegeven een viertal scenario’s waarin energievraag en technologieopties vooraf extern zijn vastgesteld en daarmee volgens naar inzicht van betrokken partijen de hoekpunten van het speelveld definiëren. o ETS verkent hoe het energiesysteem van 2050 (met tussenstappen) kostenoptimaal kan worden ingericht om de klimaatdoelen en energiebalans in 2050 te realiseren, waarbij de gekozen systeemopties binnen een extern bepaalde set randvoorwaarden (bijvoorbeeld limieten in vermogens, capaciteiten, aantallen installaties) moeten blijven die worden vastgesteld door de gehanteerde scenario’s.

o LSES onderzoekt de benodigde inzet flexibiliteitopties (inclusief ondergrondse opslag) in het energiesysteem van 2030 en 2050, waarbij eveneens kostenoptimalisatie en een vooraf vastgestelde set randvoorwaarden het uitgangspunt vormen. Voor 2050 wordt uitgegaan van één van de scenario’s in BK (“Nationale Sturing”).

3.1.2 Scenario’s en varianten • Iedere studie definieert eigen scenario’s (maatschappelijke verhaallijnen die de ontwikkeling van het toekomstige energiesysteem bepalen) en variaties in randvoorwaarden om bandbreedte en afhankelijkheden in technologie-opties te onderzoeken. LSES heeft daarbij een aantal randvoorwaarden uit één van de BK scenario’s (“Nationale Sturing”) overgenomen als uitgangspunt voor de eigen energiesysteemmodellering. • Uit alle scenario’s in de verschillende onderzochte studies zijn grofweg twee hoofdrichtingen te herleiden: o Sterke inzet op zelfvoorzienendheid met een groot aandeel productie wind, zon, geothermische bronnen en omgevingswarmte/restwarmte. CCS heeft een zeer beperkte rol. o Sterke inzet op gebruik en import van (deels hernieuwbare) brandstoffen (waterstof, aardgas, biomassa), naast wind, zon, geothermie en omgevingswarmte/restwarmte als primaire binnenlandse bronnen. CCS heeft een significante rol en is essentieel voor het behalen van het klimaatdoel. Dit type scenario is niet opgenomen in de LSES-studie. • BK heeft alle vier de scenario’s doorgerekend voor twee verschillende typen weerjaren die sterk de vraag en aanbod van energie beïnvloeden.

Naast het standaard weersprofiel volgens het jaar 2015 (base case) is het weersprofiel volgens het jaar 1987 (lange perioden zonder wind, tegenvallende opbrengst uit zon en extreem koude perioden in de winter) als extreme tegenhanger genomen (zie Figuur 3.1a en b). De andere studies beschouwen geen varianten voor het base-case weersprofiel.

26

EZK 2019. https://www.rijksoverheid.nl/onderwerpen/klimaatverandering/klimaatakkoord

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

•

25 / 114

ETS en LSES beschouwen een aantal varianten waarmee de gevoeligheden voor kostenontwikkelingen en afwijkende systeemrandvoorwaarden (bijv. interconnectie, rol van vraagsturing, aangenomen vermogen van zon/wind) worden doorgerekend.

3.1.3 Modellen • De studies maken gebruik van verschillende energiesysteemmodellen. Deze modellen verschillen sterk in hun aanpak en hebben daarmee ook een grote invloed op de uitkomst (ook de inzet van opslag en andere flexibiliteitopties). • Alle studies maken gebruik van zg. backcasting modellen en scenario’s. Daarbij is het einddoel (klimaat-neutraal in 2050) leidend. Op basis hiervan zijn vervolgens verschillende energie-opties gekozen om dat doel te realiseren. De energiesysteemmodellen berekenen vervolgens wat er aan aanbod en flexibiliteit nodig is om aan de vraag te voldoen. • De wijze waarop de modellen keuzes maken verschilt sterk. o Het Energie Transitie Model (ETM) gebruikt door BK stelt de gebruiker zelf in staat om (extern) per toepassing en per verbruikssector in het energiesysteem vraag naar energie en het opgesteld vermogen te kwantificeren en te relateren aan onderliggende processen (bevolkingsgroei, toepassing nieuwe technieken, etc.). o LSES en ETS maken beide gebruik van het OPERA-model. Dit model maakt zelf keuzes om het energiesysteem tegen laagste kosten in te richten terwijl voldaan wordt aan opgelegde doelen (CO2-reductie, energiebalans) en systeemrandvoorwaarden (technologiebeperkingen, vraagaanbodkarakteristieken, etc.). o LSES heeft aanvullend gebruik gemaakt van het COMPETES-model.

Dit model neemt ook het internationale energiesysteem mee door optimalisatie (minimalisatie) van sociale kosten en economische afzet (dispatch) van energie tussen landen onderling. • De modellen omvatten ieder een breed palet aan technologie-opties waarmee het energiesysteem kan worden beschreven. Deze opties zijn grotendeels overlappend, maar er zijn ook enkele verschillen. Zo hebben het OPERA-model en COMPETESmodel geen opties voor warmtebuffering. COMPETES daarentegen heeft weer aanvullende opties om internationale energieafzet te berekenen • De kosten van technologie-opties zijn deterministisch bepaald. Innovaties en opschaling kunnen deze kosten beïnvloeden en daarmee ook de modeluitkomsten. 3.1.4 Uitkomsten • Alle studies geven een overzicht van de primaire en finale energievraag alsmede het aanbod van energie in de verschillende sectoren. • Alleen BK en LSES rapporteren hoeveel energieopslag het toekomstige energiesysteem omvat. Qua ondergrondse opslag rapporteert BK zowel waterstofopslag als (groen) gasopslag. Warmtebuffering is tegenwoordig wel opgenomen als keuzetechnologie in het ETM-model maar is als zodanig niet gebruikt of beschreven in het BK-rapport. Perslucht is in alle modellen meegenomen als technologie maar wordt niet ingezet binnen de scenario’s vanwege extern opgelegde keuzes of als resultaat van kosten-optimalisatie (bijv.

omdat het een nichetechnologie betreft met meerdere goedkopere alternatieven)27. • ETS rapporteert geen waarden voor opslag, maar deze gegevens maken wel onderdeel uit van het gebruikte OPERA model. Deze zijn apart aangeleverd. 27

CAES kan wel degelijk een interessante (niche) optie zijn omdat het meerdere systeemdiensten kan combineren waardoor het aantrekkelijk wordt voor private partijen om er in te investeren.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

•

• •

•

26 / 114

BK en ETS gaan uit van opslag die in Nederland wordt aangelegd en voor het Nederlandse energiesysteem wordt ingezet. Er wordt geen opslag in een bredere internationale context beschouwd. In de huidige situatie zijn bijvoorbeeld gasopslagen in Duitsland aangelegd (bijv. Epe) die specifiek de Nederlandse vraag bedienen. Daarnaast bedienen Nederlandse gasopslagen de vraag uit het buitenland (bijv. Bergermeer). LSES neemt met het COMPETES-model wel opslag in buitenlandse pompaccumulatiemeren mee. LSES berekent alleen de opslag die nodig is om vraag en aanbod in het energiesysteem te balanceren voor een standaard weerjaarsituatie. Strategische opslagbehoefte of reserves voor uitzonderlijke weerssituaties vallen niet binnen de scope. BK rapporteert eveneens de opslag die nodig is voor vraag-aanbodbalans (in het rapport aangeduid als “seizoensopslag”), maar geeft daarnaast ook een indicatie van benodigde (strategische) opslagvoorraad voor het opvangen van uitzonderlijke omstandigheden (aanbodzekerheid). Enerzijds betreft dit opslagreserves die incidenteel nodig zijn in jaren met een extreem weersprofiel, waarbij het totale jaaraanbod uit eigen productiemiddelen lager is dan de vraag (in het rapport aangeduid als “weersafhankelijke opslag”). Anderzijds gaat het om opslagreserves die nodig zijn om evt.

verstoring van import op te vangen (in het rapport aangeduid als “strategische opslag”).

Figuur 3.1a: Vergelijking van opbrengst zon en wind in 2050 volgens het BK-scenario NAT2050 bij een standaard weerjaar (volgens 2015, in blauw) en een extreem weerjaar (volgens 1987, in oranje). Het 1987-type weerjaar laat duidelijk langdurige perioden zien waarbij wind en zon een lage opbrengst hebben (eind januari, november en december). De gemiddelde jaaropbrengst is eveneens beduidend lager.

Figuur 3.1b: Vergelijking van warmtevraag van huishoudens in 2050 volgens het BK-scenario NAT2050 bij een standaard weerjaar (volgens 2015, in blauw) en een extreem weerjaar (volgens 1987, in oranje). Het 1987-type weerjaar heeft duidelijk een hogere warmtevraag in de maanden januari en december.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

3.2

27 / 114

Studies

3.2.1 Berenschot/Kalavasta: Klimaatneutrale energiescenario’s 2050 In 2019 en 2020 heeft BK vier mogelijke toekomstbeelden voor een klimaatneutrale energievoorziening in 2050 uitgewerkt en doorgerekend. Deze studie betreft de eerste fase van het overkoepelende project “Integrale Infrastructuurverkenning 2030-2050”28 (hierna II3050) dat in het kader van het Klimaatakkoord wordt uitgevoerd door de netbeheerders (onder leiding van Netbeheer Nederland) met de gezamenlijke inbreng van het Ministerie van EZK, de industrie, de duurzame sector, de energiebedrijven en diverse andere actoren binnen de Nederlandse energievoorziening. Tijdens fase 2 van II3050 (in bewerking) wordt de resulterende vraag naar flexibiliteit verder uitgewerkt en gekwantificeerd naar benodigde infrastructuur. De derde fase (in bewerking) staat in het teken van de ontwikkeling van infrastructuurpaden tussen 2030 en 2050. In dit rapport worden alleen de uitkomsten van de eerste fase meegenomen. Het doel van de studie van BK is het opstellen en doorrekenen van vier mogelijke toekomstbeelden (scenario’s) voor een volledig CO2-neutrale energievoorziening in 2050. De uitkomsten zijn bedoeld om de ruimtelijke en maatschappelijke implicaties van de toekomstige energievoorziening te evalueren en ontwikkelpaden voor de aanleg van benodigde energie-infrastructuur tussen 2030 en 2050 op te stellen.

De nadruk ligt hierbij op het evalueren van de flexibiliteit die nodig is om het aanbod van energie onder variërende omstandigheden aan te laten sluiten op de energievraag binnen de verschillende sectoren. De studie van BK omvat een integrale analyse van vrijwel alle energiedragers en alle sectoren in de Nederlandse samenleving. Er wordt eveneens rekening gehouden met industriële grondstoffen en brandstoffen voor luchtvaart en internationale scheepvaart (bunkers). Het Klimaatakkoord en de daaruit volgende ontwikkelingen tot 2030 vormen het startpunt. Om klimaatneutraliteit te bereiken, wordt een breed scala aan opties meegenomen die emissies kunnen reduceren (o.a. CO2-vrije opwek van energie, circulariteit, afvang en opslag van CO2). De uitstoot van CO2 wordt alleen berekend over de productie en verbruik van energie die binnen de grenzen van Nederland plaatsvindt. De geografische scope is beperkt tot het energiesysteem binnen de Nederlandse grenzen. Het ETS model kan tot op gemeente- en buurtniveau het energiesysteem doorrekenen. De analyses in de BK studie beschouwen weliswaar import en export van energie uit/naar het buitenland maar koppelen dit niet aan een bredere analyse van het internationale energiesysteem.

3.2.2 TNO ETS: Scenario’s voor klimaatneutraal energiesysteem In 2019 en 2020 heeft de ETS-studie van TNO twee scenario’s opgesteld en doorgerekend die belangrijke veranderingen in het Nederlandse energiesysteem verkennen in de periode na 2030. De scenariostudie is uitgevoerd in het kader van het kennisinvesteringsprogramma van TNO. Eerdere studies concluderen dat met doelgerichte innovatie en een goed gecoördineerde aanpak de kosten van de energietransitie beheersbaar blijven. In veel van de in de afgelopen jaren gepubliceerde scenario’s over de Nederlandse energietransitie blijft het kostenaspect

28

https://www.netbeheernederland.nl/_upload/Files/Toekomstscenario%27s_64_5c3eab73b6.pdf

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

28 / 114

echter onderbelicht. Er is een grote verscheidenheid aan mogelijke toekomstige energiesystemen maar wat de uitkomsten stuurt, is vaak onvoldoende duidelijk. Met de ETS-studie worden inzichten gepresenteerd die met scenario-analyses zijn verkregen die het hele energiesysteem omvatten (alle sectoren inclusief industriële grondstoffen en bunkers). Hierin zijn effecten van technologische en beleidsveranderingen op de kosten van het Nederlandse energiesysteem geëvalueerd. Op basis hiervan zijn de elementen van het energiesysteem ingevuld zodat de klimaatdoelen worden behaald tegen laagst mogelijke maatschappelijke kosten en met de voorwaarde dat energievraag en -aanbod in balans zijn. De geografische context is het Nederlandse energiesysteem met een onderverdeling in 7 hoofdregio’s op land en 7 regio’s op zee. Hiermee kan de ruimtelijke verdeling van vraag en aanbod binnen de energienetten worden gemodelleerd. 3.2.3 TKI-LSES: Large Scale Energy Storage De LSES-studie is uitgevoerd onder de TKI Geo-Energy call van 2018 in opdracht van RVO. Er zijn twee hoofddoelen: 1. Vergroten van inzicht in de rol van grootschalige ondergrondse opslag in het leveren van flexibiliteit (balans) in het veranderende energiesysteem. 2.

Evalueren van techno-economische uitdagingen, identificeren van maatschappelijke en/of beleidsmatige knelpunten, en het onderzoeken van risico’s die verbonden zijn met persluchtopslag (CAES) en de ondergrondse opslag van waterstof in cavernes en in lege gasvelden. Het onderzoek is uitgevoerd door TNO in samenwerking met projectpartners EBN, Gasunie, Gasterra, NAM en Nouryon. De LSES-studie omvat meerdere werkpakketten en rapporten. Het rapport van Werkpakket 1 beschrijft de resultaten van de energiesysteemstudie en bepaling van de vraag naar (ondergrondse) opslag. De rol van energieopslag is, net als bij de andere studies, onderzocht vanuit een breed en geïntegreerd nationaal-energiesysteemperspectief. Daarnaast kijkt LSES, anders dan de studies van ETS en BK, ook naar energie-handelsrelaties met buurlanden (inzet van Europese interconnectie om elektriciteitsbalans met omliggende landen te realiseren). De nadruk van LSES ligt op het onderzoeken van de rol van persluchtopslag en ondergrondse waterstofopslag. De rol van deze technologieën wordt afgezet tegen andere flexibiliteitopties zoals batterijen, vraagsturing, interconnectie met buitenland, etc. Hiertoe zijn twee scenario’s gedefinieerd: één voor 2030 (op basis van het Nationale Klimaatakkoord) en één voor 2050 (deze laatste afgeleid van het BK-scenario “Nationale Sturing”).

De LSES-studie kijkt hoe flexibiliteit tegen de laagste kosten kan worden gerealiseerd. Het onderzoeken van leveringszekerheid of aanbodzekerheid onder bijzondere omstandigheden (bijvoorbeeld afwijkende weerjaren of verstoring van import) vormt geen onderdeel van de scope.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

3.3

29 / 114

Scenario’s, varianten en gevoeligheden

3.3.1 BK-studie De hoofdcontouren van de BK-scenario’s zijn afgeleid van vier energiescenario’s die in “Net voor de Toekomst” zijn gebruikt29. Voor deze studie zijn de scenario’s per sector verder uitgediept (inclusief industriële grondstoffen en bunkerbrandstoffen voor luchtvaart en internationale scheepvaart). De definitie omvat een breed palet aan opties met o.a. energiedragers als aardgas/groengas, elektriciteit, warmte, waterstof en resultante stoffen als CO2. De toekomstbeelden schetsen het energiesysteem op zowel landelijk als regionaal niveau en gaan uit van het verbruik binnen de grenzen van Nederland. Import wordt meegenomen, maar de modellen en scenario’s laten in het midden of deze import ook daadwerkelijk beschikbaar is. Alle scenario’s voor 2050 gaan uit van 100% reductie van CO2 uitstoot. Het startpunt (2030) gaat uit van de doelstellingen van het Nationale Klimaatakkoord (49% CO2 reductie). Het is belangrijk te vermelden dat scenariokeuzes vooraf deterministisch zijn bepaald in dialoog met verschillende industriepartijen en energiepartijen die een rol spelen binnen de Nederlandse energievoorziening30. De betrokken partijen schetsen daarmee hun visie van de hoekpunten van het toekomstige speelveld waarbinnen de energietransitie zich mogelijk kan ontwikkelen. Er worden geen conclusies verbonden aan wat de beste klimaatneutrale toekomst is.

Met de definitie van de scenario’s is niet gezegd dat de toekomst zich ook precies volgens één van deze beelden ontwikkelt. In werkelijkheid zal er waarschijnlijk een mix van de elementen uit de verschillende scenario’s ontstaan. Hieronder wordt een korte typering van de vier gebruikte scenario’s gegeven. Scenario “Regionale Sturing” (REG2050) Dit scenario wordt gekenmerkt door regionale energieprojecten die decentraal worden aangestuurd (lokale en regionale overheidsorganen). Hierbij wordt verondersteld dat Nederland geheel zelfvoorzienend is in de energievraag. Er is een sprake van krimp van energie-intensieve industrie, minder consumptie en meer circulariteit van goederen en voedselproductie. Het primaire aanbod van energie kent een groot aandeel zon, wind en geothermie. Energienetten hebben deels een regionaal karakter (o.a. een grote rol voor warmtenetten). Voor het balanceren van variabele hernieuwbare bronnen wordt op grote schaal elektrolyse i.c.m. waterstofopslag en Power-to-Heat ingezet. Netto-import van energie als flexibiliteit- of aanbodoptie wordt uitgesloten. Scenario “Nationale Sturing” (NAT2050) Dit scenario lijkt qua primair energieaanbod veel op het scenario “Regionale Sturing” maar wordt in dit geval gekenmerkt door nationaal en centraal aangestuurde energieprojecten. Ook hier is Nederland geheel zelfvoorzienend in de vraag naar energie.

De omvang van energieintensieve industrie blijft min of meer gelijk aan de huidige situatie met focus op circulariteit van goederen en voedselproductie. Inzet van CCS is (beperkt) mogelijk om de CO2reductiedoelen te behalen. Het primaire aanbod van energie kent een groot aandeel zon en wind (o.a. op zee). Er is een sterke mate van elektrificatie met een grootschalige netverzwaring. Voor het balanceren van variabele hernieuwbare bronnen wordt op grote schaal elektrolyse i.c.m. waterstofopslag en in mindere mate Power-to-Heat ingezet. Nettoimport van energie als flexibiliteit- of aanbodoptie blijft uitgesloten.

29

CE-Delft, 2017. Net voor de Toekomst Berenschot en Kalavasta in samenwerking met werkgroep integraal Netwerk en Energiesysteem van de Toekomst (iNET) van Netbeheer Nederland 30

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

30 / 114

Scenario “Europese CO2-sturing” (EU2050) In dit scenario heeft de markt (en maatschappij) veel vrijheden om de energievoorziening in te richten (beperkte nationale sturing). Heel Europa haalt de klimaatdoelen en bereikt dit door het instellen van een algemene CO2-heffing voor alle sectoren. Deze heffing neemt progressief toe richting 2050 en maakt de inzet van CO2-emitterende producten en processen onaantrekkelijk. Nederland wordt sterk afhankelijk van import (stimulering vrije handel en wereldwijde markt voor waterstof en biomassa, import van aardgas). Deze bronnen zijn onder andere nodig om de groeiende vraag in de energie-intensieve industrie te bedienen. Er ligt een nadruk op het gebruik van biogas/biomethaan en aardgas in de diverse sectoren inclusief bijbehorende opslag om vraag en aanbod te balanceren. CCS krijgt veel ruimte en is essentieel voor het behalen van de klimaatdoelen. Waterstof heeft een beperkter aandeel in de energievoorziening en wordt hoofdzakelijk geïmporteerd. Scenario “Internationale Sturing” (INT2050) Dit scenario lijkt op het EU2050-scenario met het belangrijke verschil dat het gebruik van fossiele brandstoffen over de hele wereld sterk wordt ingeperkt om de klimaatdoelen op globaal niveau te behalen.

Ook hier is Nederland hoofdzakelijk afhankelijk van import met een stimulering van vrije handel in waterstof en biomassa, en is er een groeiende vraag binnen de energie-intensieve industrie. Er ligt in dit geval een nadruk op het gebruik waterstof (en bijbehorende opslag) binnen de diverse sectoren. Het meeste daarvan wordt geïmporteerd met een beperkte rol voor binnenlandse productie via elektrolyse. CCS is nodig om de klimaatdoelen te behalen. Varianten voor andere weerjaren Ieder scenario is doorgerekend aan de hand van vier verschillende typen weerjaren. Overige gevoeligheden en invloeden zijn niet meegenomen. De twee belangrijkste weerjaren die in het BK-rapport worden benoemd zijn: • Het standaard (referentie)jaar 2015 met een normale verdeling van wind- en zonneenergie (geen omstandigheden die de opwek significant reduceren zoals bijvoorbeeld lange windstiltes). Er is sprake van een normale winter zonder lange perioden met extreme koude. • Het meest extreme jaarprofiel, dat is afgeleid van het weerjaar 1987. Hierin is sprake van lange perioden (tot 2 weken) waarin niet of nauwelijks de wind waait. Verder is er een extreem koude periode in januari. De andere twee typen weerjaren (1997 en 2004) betreffen varianten die binnen deze bandbreedte liggen.

Het 2004-weerjaar wordt gekenmerkt door een periode met heel weinig en een periode met heel veel opgewekte energie uit wind en zon. Deze weerjaren kunnen worden bekeken in ETM maar worden hier buiten beschouwing gelaten omdat ze weinig toevoegen aan de bandbreedte van de uitkomsten. 3.3.2 TNO-ETS-studie De twee scenario’s van TNO-ETS beschrijven onderscheidende richtingen in de energietransitie en verschillen in de manier waarop de doelen gehaald worden, met name door het verschil in intrinsieke motivatie van burgers en bedrijven (doorvoeren van grote veranderingen of voortbouwen op het bestaande systeem). Beide scenario’s dringen stapsgewijs de emissies van broeikasgassen in Nederland terug van 49% in 2030 tot een niveau dat in 2050 minimaal 95% lager ligt in dan in 1990. Scenario ADAPT (AD2050) In het ADAPT-toekomstbeeld bouwt Nederland voort op zijn huidige sterktes (industrie, transportsector, betrouwbare elektriciteit- en warmtevoorziening), maar zorgt het er wel voor

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

31 / 114

dat de CO2-emissies in 2050 met 95% dalen. Nationale en lokale overheden nemen het voortouw en geven sturing aan burgers en bedrijven bij het maken van keuzes ten aanzien van de energietransitie. Hierbij staat behoud van bestaande zekerheden en comfort centraal. Duurzaamheid wordt minder belangrijk gevonden. Energiedragers lijken op wat we nu hebben (zowel fossiele als groene brandstoffen), en worden op CO2-neutrale wijze ingezet (bijvoorbeeld door inzet van CCS). Het huidige systeem wordt aangepast en geoptimaliseerd, terwijl de impact op energie-verbruikende sectoren wordt beperkt. Nederland zal een belangrijk deel van zijn energievraag invullen via import (met name biomassa, biobrandstoffen). TRANSFORM (TR2050) In het TRANSFORM-toekomstbeeld lopen Nederland en Europa voorop ten opzichte van andere delen van de wereld in de strijd tegen klimaatverandering en voor duurzaamheid. De energievraag neemt sterker af, o.a. door een minder energie-intensieve industrie. Nieuwe technologieën worden enthousiast omarmd waarbij de overheid vooral stimuleert en randvoorwaarden schept. Er is meer elektrificatie en inzet van eigen productiemiddelen (zon, wind, geothermie). Er is minder import van biomassa en fossiele brandstoffen. Er is weinig/geen draagvlak voor CCS. Varianten en gevoeligheden De ETS-studie werkt niet met verschillende weerjaren zoals BK.

Wel wordt gekeken wat de invloed is van andere systeemrandvoorwaarden (bijv. andere prijsontwikkelingen voor technologie-opties en energiedragers, het aandeel CCS, het aandeel wind-op-zee) op de inzet van technologieën en resulterende kosten van energievoorziening. Deze variabele randvoorwaarden zijn meegenomen in de modellering om te kijken hoe dit mogelijk leidt tot veranderingen in de ontwikkeling van technologie-opties. 3.3.3 LSES-studie LSES heeft twee scenario’s geëvalueerd: • CA2030: Een scenario voor het jaar 2030 waarbij het Nationale Klimaatakkoord de uitgangspunten definieert. • NM2050: Een scenario voor het jaar 2050 waarbij het NAT2050-scenario van BK is gekozen als basis. Beide scenario’s zijn doorgerekend met twee modellen: OPERA en COMPETES. Bij het laatste model is ook de internationale context (elektriciteit) meegenomen. Scenario “National Management” (NM2050) Alhoewel dit scenario is afgeleid van NAT2050 van BK, zijn er enkele belangrijke verschillen. Voor de doorrekening in OPERA en COMPETES is de energievraag en de bijbehorende data overgenomen uit BK. Voor aanbod en productie en inzet van flexibiliteit maken OPERA en COMPETES echter deels eigen keuzes om klimaatdoelstelling en energiebalans te bereiken tegen de laagste kosten en optimale sociale welvaart.

Het berekende aandeel hernieuwbare elektriciteit in OPERA is vergelijkbaar met BKNAT2050, maar er is minder zon PV en meer wind-op-zee. In COMPETES is de productie van hernieuwbare bronnen direct overgenomen uit BK. Wat daarbij opvalt is dat de inzet van binnenlands geproduceerde elektriciteit voor de Nederlandse energievoorziening in COMPETES lager uitkomt dan bij BK-NAT2050. Er wordt meer geëxporteerd. De (binnenlandse) productie van waterstof in OPERA is vergelijkbaar met BK-NAT2050. In COMPETES is de waterstofproductie lager. Waar beide modellen duidelijk verschillen met

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

32 / 114

BK-NAT2050 is dat ze een minimale inzet van waterstof in de productie van elektriciteit zien. In de doorrekening van het NM2050-scenario in OPERA en COMPETES wordt geen rekening gehouden met de onzekerheden in productie van hernieuwbare elektriciteit (wind en zon). Op grond van efficiency wordt in dit geval dan ook geen noodzaak gezien om de relatief dure optie van waterstof in te zetten voor elektriciteitsproductie. In plaats daarvan wordt o.a. gekozen voor meer vraagsturing en uitwisseling van elektriciteit met het buitenland. Indien het energiesysteem wel rekening houdt met onzekere productie van hernieuwbare elektriciteit (door afwijkende, extremere weersprofielen), kan de rol van waterstof en behorende opslag mogelijk veranderen (bijvoorbeeld door een grotere discrepantie tussen vraag en aanbod, veranderende energie-handelsrelaties tussen landen).

3.4

Gebruikte modellen

3.4.1 Energie Transitie Model (ETM) De scenario’s zijn doorgerekend met het Energie Transitie Model (ETM). Het ETM laat de gebruiker per sector kwantitatieve keuzes invullen omtrent de productie en het verbruik van energie. Hierbij kunnen onderliggende processen worden gespecificeerd zoals bevolkingsgroei, nieuwbouw/sloop van huizen, efficiëntieverbeteringen, toepassing nieuwe technieken, etc. Aanbod en verbruik van energiedragers (elektriciteit, gas en waterstof) wordt uiteindelijk op uurbasis doorgerekend en gebalanceerd (zowel volumes als totale vermogens). Het ETM omvat een zeer uitgebreide definitie van energiesysteemelementen en sectoren. Daarnaast kunnen verschillende jaarprofielen worden geselecteerd om de invloed van weersomstandigheden over het jaar te analyseren. Het ETM omvat onder andere ook kosten en emissiegegevens van technologieën, maar gebruikt deze, in tegenstelling tot OPERA en COMPETES, niet voor het maken van systeemkeuzes. De uitkomsten van het ETM zijn gecategoriseerd naar aanbod/verbruik per sector en energienetwerk, kosten van energievoorziening en CO2-emissies. Een volledige beschrijving is te vinden op de ETM website31. Voor het BK-rapport zijn aanvullende berekeningen meegenomen buiten ETM. Hierdoor wijken de online ETM-resultaten enigszins af van de waarden in het rapport.

Daarnaast zijn sinds het verschijnen van het rapport enkele nieuwe versies van het ETM-model verschenen, waaronder de meest recente aanpassingen van juni 2020 die ook zijn beschouwd in dit rapport. Om deze reden worden de uitkomsten (ondergrondse opslag) van ETM apart van de uitkomsten uit het rapport gepresenteerd. 3.4.2 OPERA De scenario’s van ETS en LSES zijn doorgerekend met behulp van het integrale energiesysteemmodel OPERA. Het model is een optimalisatiemodel en rekent het energiesysteem en de bijbehorende emissies uit, gegeven bepaalde doelen (bijv. broeikasgasreductiedoel) en randvoorwaarden (bijvoorbeeld capaciteit van bepaalde technologieën), tegen de laagste maatschappelijke kosten. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de nationale kosten-batenanalysemethode.

31

https://quintel.com/etm

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

33 / 114

Het model bestrijkt alle sectoren van Nederland inclusief uitwisseling met het buitenland en houdt rekening met beperkingen in energietransport tussen verschillende regio’s in Nederland. Bij het bepalen van investeringen wordt rekening gehouden met investeringen die gedaan zijn in voorgaande jaren. Voor de techno-economische optimalisatie gebruikt het model technische en economische data van meer dan 650 technologie-opties waaruit het model kan kiezen. Er wordt rekening gehouden met leereffecten, bijvoorbeeld resulterend in daling van technologiekosten en verbeterende prestaties als gevolg van innovatie en het op steeds grotere schaal toepassen van de technologie. Verder bevat het model prijzen van energie en energiedragers die worden geïmporteerd (olie, gas, kolen, biomassa, etc.) en de omvang van vraag naar energie (warmte, elektriciteit) van de verschillende eindverbruikerssectoren, productievolumes in de industrie (staal, ammoniak, chemicaliën) en vervoerskilometers in de transportsector. 3.4.3 COMPETES COMPETES (‘Competition and Market Power in Electric Transmission and Energy Simulator’) is een optimalisatie- en economisch dispatchmodel voor het Europese elektriciteitssysteem waarin de elektriciteitsbalans wordt berekend tegen minimale maatschappelijke kosten en binnen een set geldende techno-economische specificaties en randvoorwaarden (bijv.

de interconnectie-capaciteit tussen landen en nationale beleidsdoelen en beperkingen). COMPETES omvat twee hoofdmodules die worden gebruikt voor simulaties op uurbasis over: • Uitbreiding van transmissie- en opwekcapaciteit. • Economische dispatch. Het COMPETES-model omvat alle EU-lidstaten en enkele Europese landen buiten de EU.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

4

34 / 114

Classificatie opslagbehoefte

In dit hoofdstuk wordt een definitie gegeven voor de indeling van ondergrondse energieopslag naar nut en noodzaak. In deze studie wordt dit gedefinieerd vanuit het oogpunt van leveringszekerheid (flexibiliteit en balans vraag-aanbod) en aanbodzekerheid (strategische reserves). Ondergrondse opslag onderscheidt zich in dit opzicht van bovengrondse opslagtechnologieën door met name de grootschaligheid (zowel volume als vermogen), maar ook doordat in principe alle drie de hoofdmodaliteiten (gassen, warmte en elektriciteit) kunnen worden opgeslagen. Flexibiliteitopties anders dan opslag (bijv. interconnectiviteit en vraagsturing) kunnen vergelijkbare volumes en vermogens leveren, maar zijn vaak meer beperkt in het type energiedrager (bijvoorbeeld alleen elektriciteit), fasering in tijd (bijvoorbeeld overbruggen van periode tussen aanbodpiek en vraagpiek), en locaties of sectoren die geconcentreerd zijn op één locatie.

4.1

Nut en noodzaak

Een belangrijke vraag voor beleid omtrent toekomstige ondergrondse opslag is of een bepaalde vorm van opslag noodzakelijk is, of dat opslag slechts raadzaam (nuttig) is vanuit een technisch, economisch en/of maatschappelijk perspectief. In het geval van noodzaak is de keuzeruimte voor beleid uiteraard beperkter, maar er dient ook een norm te worden gesteld om “noodzaak” als zodanig te definiëren. Hieronder geven we enkele argumenten om nut en noodzaak van elkaar te onderscheiden. 4.1.1 Nut Voor een groot deel zal ondergrondse opslag kunnen worden gedefinieerd als “nuttig”. Belangrijke criteria voor deze definitie zijn: • Ondergrondse opslag wordt ingezet voor niet-essentiële (systeem)diensten en toepassingen, of: • Ondergrondse opslag bedient een essentiële dienst of toepassing die ook op andere wijze (via een alternatief) kan worden gerealiseerd. Enkele voorbeelden waarbij de inzet van ondergrondse opslag als nuttig kan worden geclassificeerd zijn: • Het bieden van (aanvullende) flexibiliteit: ondergrondse opslag dient in dit geval ter ondersteuning van een goedwerkend energiesysteem en heeft één of meer praktisch inzetbare alternatieven (bijv. interconnectiviteit, vraagsturing, bovengrondse opslag).

Het nut ligt besloten in het feit dat opslag deze dienst onder gunstigere randvoorwaarden kan bieden dan het alternatief (goedkoper, minder ruimtelijke impact, veiliger, effectievere bijdrage aan klimaatdoelen). • Benutten van economisch voordeel: ondergrondse opslag dient in dit geval primair een economisch doel, bijvoorbeeld door gebruikmaking van prijsschommelingen voor energie (intradag tot zomer-winterspreiding), het bieden van commerciële maar niet noodzakelijke systeemdiensten, of het faciliteren van internationale energiehandel die via Nederland naar andere landen loopt. In de gebruikte scenariostudies is vooral gekeken naar opslag (en flexibiliteit in het algemeen) als ondersteunende dienst voor het energiesysteem (balans tussen energievraag en aanbod). Opslag met een puur commercieel en/of privaat oogmerk is buiten beschouwing gelaten en zal ook niet nader worden gekwantificeerd in dit rapport.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

35 / 114

4.1.2 Noodzaak Noodzaak voor ondergrondse opslag hangt samen met de volgende twee belangrijke criteria: i) De technische, maatschappelijke en/of economische gevolgen van het nietbeschikbaar-zijn van ondergrondse opslag zijn onacceptabel (norm-overschrijdend) en ii) er zijn geen alternatieven voor ondergrondse opslag die dezelfde dienst redelijkerwijs zouden kunnen bieden. Alternatieven voor ondergrondse opslag kunnen in bovenstaande zin o.a. ontbreken omdat: • Het alternatief technisch of praktisch onrealiseerbaar is (bijvoorbeeld vanwege de benodigde omvang, extreem hoge kosten voor aanleg en bedrijfsvoering, beperkende locatie-specifieke randvoorwaarden en/of grote veiligheidsrisico’s). • Het alternatief geen toekomstperspectief heeft (bijvoorbeeld omdat de voorgenomen veranderingen in het energiesysteem de inzet van het alternatief binnen aanzienlijke termijn onmogelijk maken). Het ontbreken van “noodzakelijke” ondergrondse opslag kan forse economische, maatschappelijke en/of technische consequenties hebben. Noodzaak is derhalve dan ook gekoppeld aan de mate waarin deze gevolgen aanvaardbaar zijn. Dit is afhankelijk van beleidskeuzes en risiconormen die moeten worden vastgesteld.

Indien ondergrondse opslag essentieel is voor de reguliere werking van het energiesysteem onder normale omstandigheden (bijvoorbeeld om het reguliere aanbod van energie te verbinden met de vraag), dan is noodzaak voor de hand liggend (i.e. de consequentie is een algemeen falend energiesysteem). Dit criterium is in principe het uitgangspunt voor dit rapport om ondergrondse opslag als noodzakelijk te bestempelen. Indien ondergrondse opslag bedoeld is om de werking van het energiesysteem te garanderen onder uitzonderlijke omstandigheden, dan is er feitelijk sprake van een (strategische) verzekering of reserve. Noodzaak zal in dit geval afhangen van de risiconorm en daarmee ook van de omvang en aard van het risico.

Hieronder geven we enkele argumenten die in dit geval kunnen meewegen in de vaststelling van noodzaak: • Betreft het een economisch risico (bijvoorbeeld door mogelijk stilvallen van industrie, schade aan infrastructuur), een gezondheidsrisico (bijvoorbeeld kans op lichamelijke en geestelijke klachten of overlijden omdat burgers geen toegang hebben tot energie), of een maatschappelijk risico (bijvoorbeeld ontwrichting van de samenleving)? • Wat is de kans dat er een situatie ontstaat waarbij ondergrondse opslag nodig is om het risico te voorkomen (bijvoorbeeld internationale conflicten, perioden met extreme weersomstandigheden die het totale (jaar)aanbod beïnvloeden, uitval van kritieke energie-infrastructuur) • Wat is de kans op herhaling (frequentie) en hoe voorspelbaar is het risico (regelmaat)? • Hoe lang houdt de verstoring van de energievoorziening aan, en zijn de gevolgen redelijkerwijs te mitigeren (bijvoorbeeld financieel, technisch)? • In welke mate zal de ondergrondse opslag het risico mitigeren en hoe verhoudt de aanleg van een gegeven ondergronds opslagvolume zich tot het risico dat je wilt vermijden (bijvoorbeeld kosten/impact van aanleg van ondergrondse opslag vs.

kosten/impact die samenhangen met tijdelijke verstoring van de energievoorziening)? Een opslagreserve wordt beschouwd als een capaciteit of volume die wel direct toegankelijk (winbaar) is maar in de praktijk slechts incidenteel wordt aangesproken (bijvoorbeeld eens in

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

36 / 114

de zoveel jaar). Conform het rapport van BK voor II3050 maken we daarbij onderscheid tussen weersafhankelijke reserves (lange onderbreking van hernieuwbare opwek, extreme vraag tijdens strenge winters) en strategische reserves (onderbreking van geïmporteerde bronnen waarvoor binnenlandse productiemiddelen ontbreken). Dit rapport geeft een indicatie van de mogelijke omvang van opslagreserves die nodig zouden kunnen zijn om het aanbod in bijzondere situaties veilig te stellen. Deze indicatie is echter niet nader onderbouwd door een gedetailleerde risicoanalyse of normstelling.

4.2

Aanbodzekerheid of leveringszekerheid?

Bij het evalueren van de betrouwbaarheid van energievoorziening wordt onderscheid gemaakt tussen aanbodzekerheid en leveringszekerheid. Alhoewel de termen soms door elkaar worden gebruikt, zijn ze wezenlijk verschillend vanuit het perspectief van flexibiliteit en energieopslag. Hieronder beschrijven we kort de definities die in deze studie worden aangehouden. 4.2.1 Aanbodzekerheid Bij aanbodzekerheid gaat het over de vraag of een benodigde energiedrager in voldoende mate (volume en vermogen) geproduceerd of geïmporteerd kan worden om in het totale verbruik over een heel jaar te voorzien. Hieronder volgen enkele voorbeelden die betrekking hebben op aanbodzekerheid in de komende 10 – 30 jaar: • Aardgas: Het totale volume aardgas dat we tot onze beschikking hebben middels binnenlandse aardgasreserves en/of importgaranties, en daarmee samenhangend de aardgasproductiecapaciteit van productieputten en capaciteit van internationale transportleidingen of LNG-terminals om aanbod te beleveren. • Hernieuwbare elektriciteit: Het opgestelde vermogen in windparken en zon-PV, gekoppeld aan de totale verwachte hoeveelheid elektrische energie die daarmee redelijkerwijs over een geheel jaar kan worden geproduceerd (weersafhankelijk).

• Waterstof: Het opgestelde productievermogen (van grijze, blauwe en groene waterstof), en/of de importgaranties en toegang tot voldoende primaire bronnen om deze waterstof voor een gegeven vraagperiode te kunnen produceren. Aanbodzekerheid komt in het gedrang wanneer de totale aanvoer van primaire energiebronnen (via productie, import en/of opslag) over het jaar tekortschiet. Hieronder worden twee typische voorbeelden gegeven: • Wanneer de binnenlandse aardgasproductie verder daalt en we meer afhankelijk worden van import, dan kunnen we in de situatie komen dat de aanvoer verstoord raakt (bijvoorbeeld door geopolitieke conflicten). Ondanks voldoende transportcapaciteit binnen het distributienet en de beschikking over aardgasopslag voor het balanceren van reguliere vraagschommelingen tussen zomer en winter, kan dan niet worden voorzien in de vraag. In dit geval kan een strategische opslagreserve nodig zijn om de onderbreking van aanbod uit productie en import op te vangen. • Bij grote afhankelijkheid van variabele hernieuwbare elektriciteit kan het aanbod tekortschieten als er gedurende een langere periode weinig of geen zon en wind is en/of de gehele jaarproductie lager uitkomt dan verwacht. Flexibiliteitsopties die afgestemd zijn op de reguliere variaties (uur-dag) zijn dan ontoereikend.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

37 / 114

Gegeven deze definitie, kan aanbodzekerheid op verschillende manieren worden geboden (afhankelijk van de energievorm of energiedrager). De belangrijkste opties zijn: • Aanleg van extra (strategische/weersafhankelijke) opslagreserves. • Aanleg van extra productiecapaciteit (elektriciteit via waterstof/aardgas centrales (back-up)). • Differentiëren van aanvoerroutes (import) of afspraken over aanvullende importgaranties met bijbehorende internationale transportcapaciteit. Bij al deze opties is er feitelijk sprake van beleidsmatige keuzes die overheden, netbeheerders en energieproducenten moeten maken. De aanleg van reserves in ondergrondse opslag (capaciteit, vermogen) gaat gepaard met extra kosten (zowel economisch als maatschappelijk). Deze kosten/gevolgen zullen moeten worden afgewogen tegen de kosten/gevolgen van eventueel falende aanbodzekerheid. 4.2.2 Leveringszekerheid Bij leveringszekerheid geldt het uitgangspunt dat er in de basis voldoende aanbod van de benodigde energievorm is (netto jaarverbruik), en dat de distributie van dit aanbod op alle tijdstippen kan voorzien in het gevraagde vermogen bij individuele eindgebruikers. In dit rapport houden we de volgende definitie voor leveringszekerheid aan: • De transportcapaciteit van de hoofdnetten en regionale distributienetten is in staat om variaties in aanbod- en vraagvermogen te accommoderen.

• Het energiesysteem omvat voldoende middelen (flexibiliteit/opslag) om ervoor te zorgen dat het aanbodprofiel en vraagprofiel (lokaal/nationaal) in termen van volume in balans zijn en de energievoorziening voldoet aan de gestelde kwaliteits- en veiligheidsnormen (bijv. frequentie en voltage in het elektriciteitsnet, gasdruk in het aardgasdistributienet). De leveringszekerheid kan in het gedrang komen wanneer: • Productie en levering van energie niet gelijktijdig is met de energievraag (en vice versa). • Energieproductie en/of energievraag tijdelijk de maximale capaciteit van de hoofdnetten of lokale distributienetten overtreffen. • Delen van het energiesysteem verstoord raken of uitvallen. Dit kan met name een probleem worden wanneer de leveringszekerheid afhangt van één centraal infrastructuurelement. In al deze gevallen zal aanbodzekerheid geen oplossingen bieden, immers: het probleem zit in energietransport/distributie en verschuiving (in tijd) van energievraag en -aanbod. Niet in het totaal geproduceerde volume of maximaal opgestelde vermogen om deze energie te produceren. Er is een breed palet aan opties om te voorzien in voldoende leveringszekerheid. De meest genoemde en -gebruikte opties zijn: • Productieregulering (bijvoorbeeld op/afschakelen van elektriciteitscentrales, afschakelen van wind/zon).

• Vraagsturing (bijvoorbeeld tijdelijk inschakelen van industriële processen bij energieoverschotten, uitsmeren van piekvraag in huishoudens) of smart grids. • Conversie (bijvoorbeeld elektriciteitsoverschotten omzetten in waterstof of warmte). • Opslag (tijdelijk opslaan van energie, uitstellen van levering). • Interconnectie (mogelijkheid om tijdelijk vermogen uit te wisselen tussen landen en regio’s).

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

38 / 114

De energiesysteemmodellen die in dit rapport zijn geëvalueerd, geven inzicht in de benodigde productie/conversiemiddelen en de inzet van opslagtechnologieën en flexibiliteitopties om in de energievraag te voorzien en daarbij de leveringszekerheid te garanderen. In principe is het totale pakket aan in te zetten opties daarmee ook een noodzaak om het energiesysteem goed te laten functioneren. De noodzaak voor individuele opties hangt af van de mate waarin ze kunnen worden vervangen door alternatieven.

4.3

Samenvatting van opslagdoeleinden in deze studie

Dit rapport onderscheidt de volgende doeleinden voor opslag: • Opslag ter ondersteuning van leveringszekerheid: Dit is de primaire categorie die in deze studie kwantitatief wordt beoordeeld. Het uitgangspunt is dat het totale energieaanbod (volume/vermogen) over het hele jaar voldoende is om in de totale vraag te voorzien. De inzet van opslag is in dit geval gericht op het balanceren van aanbod- en vraagprofielen (reguliere variaties, o.a. bij opwek uit wind/zon, seizoensgebonden warmtevraag, basislast productie). Evaluatie van in te zetten opslag volgt uit de gebruikte energiesysteemstudies. • Opslag ter ondersteuning van aanbodzekerheid: Deze categorie betreft m.n. de (beleids)keuze om opslagreserves aan te leggen die eventuele tekorten aan energieaanbod kunnen opvangen die ontstaan door onverwachte gebeurtenissen (bijv. stilvallen van import om geopolitieke redenen of door verstoringen in internationale transportnetten, wegvallen van binnenlandse productie- en conversieinfrastructuur, extreme weersscenario’s), en die niet kunnen worden opgevangen met de opslagcapaciteit en flexibiliteitsopties voor reguliere balancering. Voor deze categorie zijn geen specifieke modelstudies beschikbaar die de situatie in 2050 evalueren. Enkele inzichten worden geboden in de BK-studie op basis van extreme weerjaarscenario’s en mogelijke onderbreking van buitenlandse aanvoer/import.

In dit rapport worden enkele aanvullende indicaties gegeven. De studie gaat niet verder in op de inzet van ondergrondse opslag voor commerciële doeleinden. Deze categorie kan weliswaar bijdragen aan leveringszekerheid of aanbodzekerheid, maar is niet primair voor dat doel aangelegd. De ontwikkeling van deze groep zal sterk afhangen van private initiatieven en eventuele (strategische/economische) beleidskeuzes om Nederland te positioneren als internationale energie-hub.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

5

Waterstofopslag

5.1

Inleiding

39 / 114

De studies van BK en LSES geven inzicht in de hoeveelheid (ondergrondse en bovengrondse) waterstofopslag die naar verwachting in 2030 en 2050 nodig is om vraag en aanbod in het toekomstige energiesysteem in balans te houden (leveringszekerheid). ETS heeft geen opslagbehoefte benoemd in de rapportage, maar er zijn voor deze studie wel waarden verkregen uit het OPERA-model32. Bij BK zijn verschillende berekeningen voor waterstof-opslagbehoefte beschikbaar, nl. i) de waarden zoals opgenomen in het rapport 33 en ii) de waarden zoals die direct volgen uit het ETM-model en waarvan online verschillende versies (model en scenario-definitie) zijn gepubliceerd. De waarden die in het rapport zijn weergegeven, volgen uit een ETMmodel/scenarioversie van december 2019 34. Omdat er voor het rapport enkele aanvullende bewerkingen op de ETM-resultaten zijn uitgevoerd, wijken de resultaten enigszins af. In dit hoofdstuk worden de uitkomsten van het BK-rapport, en de laatste gecorrigeerde ETMmodelversie inclusief gereviseerde scenario’s (update 28 juli 202035) gebruikt en als twee afzonderlijke resultaten beschouwd. Het rapport wordt als een meer formele bron beschouwd, terwijl de uitkomsten uit het ETM-model meer inzicht geven in de oorzaken van verschillen tussen de studies.

Paragraaf 5.2 evalueert eerst de berekende opslagcapaciteit die volgens de drie onderzochte studies nodig is voor vraag-aanbodbalans (leveringszekerheid). Hierbij wordt toegelicht waardoor de belangrijkste verschillen worden veroorzaakt (voortkomend uit scenariodefinities dan wel de werking van het gebruikte model). Paragraaf 5.3 presenteert enkele redenatielijnen en inschattingen voor aanvullende (strategische) opslagreserves die een mogelijk tekort aan aanbod moeten opvangen. Hierbij worden, naast eigen inzichten, ook inschattingen uit het BK-rapport besproken. LSES en ETS laten dit verder buiten beschouwing. Paragraaf 5.4 geeft een korte samenvatting en herevaluatie van de theoretische en technische opslagcapaciteit waarbij de OPVIS getallen zijn bijgewerkt met nieuwe inzichten uit de LSES-studie. Paragraaf 5.5 geeft inzicht in de praktisch realiseerbare opslagcapaciteit (rekening houdend met diverse beperkingen voor aanleg van opslaglocaties in zoutcavernes en gasvelden). Dit is het uitgangspunt voor de inpassing. Paragraaf 5.6 analyseert diverse scenario’s voor het inpassen van gevraagde opslagvolumes binnen de praktisch realiseerbare capaciteit in zoutcavernes en gasvelden in Nederland. Paragraaf 5.7 vertaalt alle inzichten en uitkomsten uit Paragraaf 5.2 t/m 5.6 naar vier ontwikkelpaden voor waterstofopslag tussen nu en 2050.

32

pers.comm. TNO-ETS, https://www.berenschot.nl/actueel/2020/april/nederland-klimaatneutraal-2050/ 34 https://pro.energytransitionmodel.com/scenarios/405526 (en 606411, 606415, 606418, 606388) 35 https://pro.energytransitionmodel.com/saved_scenarios/9436 (en 9437, 9438, 9439, 9340) 33

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

40 / 114

Paragraaf 5.8 vat de belangrijkste bevindingen en conclusies samen.

5.2

Opslag in het kader van leveringszekerheid

In deze paragraaf kijken we eerst naar de waterstofopslagcapaciteit en het in totaal geproduceerde waterstofvolume (uit opslag) op jaarbasis die volgens de verschillende modellen en scenario’s nodig zouden zijn om de balans tussen vraag en aanbod te bewaken (leveringszekerheid). Daarbij geldt dus het uitgangspunt dat er over het hele jaar in principe voldoende aanbod is uit eigen productiemiddelen (wind, zon, omzetting aardgas) en uit buitenland (import). In de ETM-modelrealisaties en het BK-rapport worden meerdere typen weerjaren (of weerprofielen) onderzocht. Deze weerprofielen beïnvloeden enerzijds de vraag naar waterstof in een jaar, bijvoorbeeld grotere tijdelijke tekorten aan elektriciteit of warmte, en daarmee de opslag die nodig is voor balancering/leveringszekerheid. Anderzijds kunnen extreme weerprofielen leiden tot een tekort in het totale aanbod van waterstof over een jaar, bijvoorbeeld omdat de productie uit zon en wind lager uitkomt dan in een gemiddeld weerjaar. Deze veranderingen in vraag en aanbod leiden mogelijk tot een vergroting van de jaarlijkse opslagbehoefte (zie Paragraaf 5.3). De 2030-scenario’s (afgeleid van het Nationale Klimaatakkoord) gaan allemaal uit een groeiende maar nog steeds beperkte inzet van waterstof in het energiesysteem. Deze scenario’s worden gekenmerkt door een vlak aanbodprofiel (productie uit aardgas) en een vlak vraagprofiel (m.n.

voor transport en industriële grondstoffen) wat resulteert in een beperkte vraag naar waterstofopslag. Hierdoor zijn er slechts kleine verschillen tussen de verschillende studies. Eventuele verschillen in benodigde opslagcapaciteit zijn bijna geheel toe te schrijven aan keuzes die binnen de modellering zijn gemaakt (o.a. inzet flexibiliteitopties). Bij de bepaling van de vraag naar waterstofopslagcapaciteit in 2050 zijn er, naast modelkeuzes, ook grote verschillen in de scenario-definities. Er zijn scenario’s die worden gekenmerkt door een groot aandeel van waterstof in de totale energievraag, waarvan sommigen een zeer sterk variabele vraag- en aanbodprofielen kennen36. En er zijn scenario’s waarin waterstof een meer ondergeschikte rol speelt 37 of waar het vraag- en/of aanbodprofiel veel vlakker is38. Dit maakt de bespreking van verschillen complexer. Om dit toch goed te kunnen duiden, is voornamelijk gekeken naar het NAT2050-scenario van BK en het NM2050scenario van LSES die min-of-meer dezelfde uitgangspunten gebruiken om de vraag naar waterstofopslag te berekenen. De vraag naar waterstofopslag kan worden gekarakteriseerd als: 1. Opslagcapaciteit (in GWh of TWh): Het totale geïnstalleerde en beschikbare werkvolume waterstof in opslaglocaties. 2. Opslagjaarvolume (in GWh of TWh): Het totale volume waterstof dat per jaar uit opslaglocaties wordt geproduceerd.

Vaak is dit volume groter dan de geïnstalleerde opslagcapaciteit omdat er over meerdere cycli waterstof wordt geïnjecteerd en geproduceerd.

36

LSES: NM2050, ETS: TR2050, BK: REG2050, NAT2050 BK: EU2050 38 BK: INT2050, ETS: AD2050 37

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

3.

4.

5.

41 / 114

Full Cycle Equivalent (het aantal FCE): Het totale aantal cycli van volledig laden en weer ontladen dat theoretisch nodig zou zijn om het gehele opslagjaarvolume te produceren met de beschikbare opslagcapaciteit (oftewel het opslagjaarvolume gedeeld door de geïnstalleerde opslagcapaciteit). Maximaal productievermogen (in GW): De maximale hoeveelheid waterstof in energie per tijdseenheid dat uit de beschikbare opslaglocaties kan/moet worden geproduceerd. Maximaal injectievermogen (in GW): Idem als productievermogen maar dan gerelateerd aan injectie van waterstof in de opslag.

5.2.1 Waterstofopslag in 2030 De grafieken in Figuur 5.1a-c en Tabel 5.1 presenteren voor iedere studie de voorspelde vraag naar waterstofopslag in het jaar 2030 in termen van opslagcapaciteit, opslagjaarvolume en het aantal FCE. Alle resultaten zijn gebaseerd op de randvoorwaarden zoals opgesteld in het Klimaatakkoord. Het is belangrijk om te vermelden dat het rapport van BK geen waarden geeft voor waterstofopslag in 2030. De hier getoonde waarden voor BK-KA2030 zijn allemaal verkregen uit het online gepubliceerde ETM-model39. De opslagwaarden voor het TR2030-scenario zijn eveneens niet officieel gepubliceerd in het ETS-rapport en op verzoek herleid uit de OPERAmodelresultaten.

Figuur 5.1a: Totale opslagcapaciteit waterstof in 2030 volgens de scenario’s berekend in LSES, ETS en BK. Normaal: standaard weerpatroon. Extreem: weerpatroon met Dunkelflaute en strenge winter.

39

https://pro.energytransitionmodel.com/saved_scenarios/9436

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

42 / 114

Figuur 5.1b: Totaal opslagjaarvolume waterstof in 2030 volgens de scenario’s berekend in LSES, ETS en BK. Normaal: standaard weerpatroon. Extreem: weerpatroon met Dunkelflaute en strenge winter.

Figuur 5.1c: Totaal aantal FCE voor waterstofopslag in 2030 volgens de scenario’s berekend in LSES, ETS en BK. Normaal: standaard weerpatroon. Extreem: weerpatroon met Dunkelflaute en strenge winter.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

43 / 114

Tabel 5.1: Overzicht benodigde waterstofopslag in 2030 volgens de scenario’s berekend in LSES, ETS en BK. Normaal: standaard weerpatroon. Extreem: weerpatroon met Dunkelflaute en strenge winter.

Hieronder volgt een toelichting op de meest opvallende bevindingen en verschillen: • De vraag naar de opslagcapaciteit van waterstof zal in 2030 nog gering zijn (variërend tussen ca. 42 en 475 GWh, oftewel ca. 14 – 160 miljoen m3). Alle scenario’s gaan ervan uit dat de productie van groene waterstof nog in een vroeg stadium van ontwikkeling is (beperkte elektrolysecapaciteit). Productie van waterstof gebeurt dus m.n. door aardgasconversie (bijv. SMR) in combinatie met CO2-opslag. Dit resulteert in een vlak aanbodprofiel. Verder is er sprake van een relatief vlak vraagprofiel dat gedomineerd wordt door inzet van waterstof in de transportsector (brandstof) en industrie (grondstof). Dit beperkt ook de noodzaak voor inzet van flexibiliteit/opslag. • De schattingen omtrent het totale opslagjaarvolume komen vrijwel overeen (ca. 0,9 – 1,2 TWh). Het OPERA- en COMPETES-model gaan weliswaar uit van een lagere geïnstalleerde opslagcapaciteit, maar deze capaciteit wordt hier (i.h.k.v. kostenoptimalisatie) meer cyclisch ingezet (bovengronds en ondergronds) waardoor een vergelijkbaar jaarvolume wordt bereikt. Het hogere aantal cycli bij LSES en ETS (totaal) wordt deels ook verklaard door de significante bijdrage van bovengrondse opslagtanks in de totale geïnstalleerde capaciteit en het geproduceerde jaarvolume.

• Een belangrijk verschil tussen LSES en BK is dat het OPERA-model in 2030 voornamelijk waterstof produceert uit aardgas conform de huidige productie. In het ETM-model van BK wordt waterstof grotendeels uit offshore wind geproduceerd, hetgeen tot grotere variabiliteit in aanbod en daarmee tot een grotere vraag naar flexibiliteit (injectie/productie cycli), en ook extra opslagcapaciteit voor waterstof leidt. • Opvallend is dat het extreme weerscenario in BK-KA2030 minder waterstofopslagcapaciteit vraagt dan het standaard weerscenario. Dit kan worden verklaard door het feit dat in dit geval de productie van waterstof uit offshore windenergie veel lager is (o.a. Dunkelflaute). Om dit tekort te compenseren, wordt er voor extra import van waterstof gekozen (1,46 TWh/jaar in een extreem weerjaar t.o.v. 0,28 TWh in een standaard weerjaar). Per saldo resulteert dit in een vlakker aanbodprofiel. Omdat waterstof in dit scenario niet of zeer beperkt wordt ingezet voor ruimteverwarming, hebben de extreme koude-pieken geen noemenswaardige (seizoensgebonden) invloed op het vraagprofiel.

TNO PUBLIEK

TNO PUBLIEK | TNO-rapport | TNO2021 R11125

44 / 114

5.2.2 Waterstofopslag in 2050 Uitkomsten De grafieken in Figuur 5.2a-c en Tabel 5.2 presenteren de benodigde waterstofopslag in het jaar 2050 (volgens de verschillende scenario’s en modellen in LSES, ETS en BK). In tegenstelling tot de 2030-scenario’s, zijn er in dit geval grote verschillen in de randvoorwaarden en aannames. In combinatie met de verschillende modelkenmerken leidt dit tot een grote bandbreedte in de resultaten.