Energietransitie – vijftig jaar tegenwind

Civis Mundi Digitaal #132

door Erik Jansen

Anders dan de titel van het boekje van Frans van der Loo suggereert, is het vijftig jaar ploeteren geweest om de transitie van fossiele brandstoffen naar duurzame energiewinning op de rit te krijgen. Door de luxe van ons goedkope aardgas waren de diverse regeringen decennialang zeer terughoudend in het leveren van een financiële bijdrage aan de ontwikkeling van zonne- en windenergie. Ook de planvorming en de inpassing met wettelijke en praktische maatregelen is decennialang achtergebleven.

Het is vooral te danken aan de pioniers in het bedrijfsleven en in de wetenschap dat de transitie uiteindelijk wel op gang is gekomen. Dat was ook mede te danken aan de voortvarendheid in Duitsland en Denemarken om de Energiewende serieus aan te pakken. Dat heeft de doorslag gegeven in het verlagen van de kostprijs. De productiekosten van zon en windenergie zijn nu competitief met fossiele energie.

De volgende opgave is om voor 2050 een energiesysteem te ontwikkelen dat volledig CO2-uitstootvrij is. Met de zeer wisselende opbrengst van zonne- en windenergie vraagt dit niet alleen een sterker elektriciteitsnet maar ook voldoende buffercapaciteit om periodes zonder zon en wind (de zgn. donkerluwte) te overbruggen.

In deze bespreking volgen we twee boeken en een rapportje. Het boekje Met de wind mee van Frans van der Loo gaat vooral in op de bestuurlijke perikelen bij de aanleg van de windenergieparken. Het bevat twee cases (‘wind op land’ en ‘wind op zee’) en daarnaast interviews met een twaalftal pioniers. Het boekje Donkerluwte van Henk Tolsma maakt een inschatting van de benodigde elektriciteit in 2050 (vermoedelijk twee tot driemaal de huidige vraag) en de netcapaciteit, en bespreekt een aantal mogelijkheden voor energieopslag. Het KIVI-plan EnergyNL2050 van Eric Persoon presenteert een concreet plan voor het overbruggen van de periodes met donkerluwte met behulp van waterstof als buffer.

Politieke luwten
Net als het verhaal over 50 jaar Grenzen aan de groei (zie bespreking van het boekje Wij waren gewaarschuwd van Jaap Tielbeke elders in dit nummer) kenmerkt de ontwikkeling van zonne- en windenergie zich door de afwisseling van periodes van urgentie en nieuw klimaat elan met periodes van politieke windstilte of zelfs tegenwind. In de jaren zeventig draaide de discussie in eerste instantie om energiebesparing en het al of niet inzetten van kernenergie. Anders dan de steile prognoses van het ministerie van Economische Zaken die een verdubbeling van het elektriciteitsverbruik voorzagen, bood het CE-scenario van Theo Potma [1] een alternatief door stevig in te zetten op energiebesparing en op de aanwending van duurzame energie. Door de economische malaise van de jaren tachtig verdween echter het politieke elan en waren het alleen de pioniers die op eigen initiatief en met kleine onderzoeksubsidies windmolens en zonnecollectoren ontwikkelden. Met het Brundlandt rapport Our Common Future in 1988 herleefde de belangstelling voor duurzame energie. Echter nu was het de nieuwe ideologie van de marktwerking en de daaraan gekoppelde splitsing van energieleveranciers in producenten enerzijds en distributeurs anderzijds, die voor een aantal jaren roet in het eten gooide. De lokale distributeurs werden al snel opgekocht door grote buitenlandse partijen als Vattenfall en RWE. De marktwerking leidde er wel toe dat (fotovoltaïsche) zonnepanelen en windturbines snel goedkoper werden, mede dankzij de stimulerende politiek in Denemarken en Duitsland. Nederland bleef ver achter met als dieptepunt het eerste kabinet Balkenende met de LPF die het klimaatbeleid op een laag pitje zette. Pas toen na de klimaattop van Kopenhagen de eerste concrete streefcijfers voor beperking van de CO2 uitstoot werden geformuleerd, en we van Europa een minimum van 14% duurzame energie moesten regelen, greep het vierde kabinet Balkenende alsnog terug op de inzet van zonne- en windenergie in eigen land. Vervolgens bleef Rutte I – mede door de bankcrisis – toch weer aarzelen om ruime subsidies voor wind op zee in te zetten, uit vrees voor te veel belangstelling en budgetoverschrijdingen. Pas met het energieakkoord in 2014 en de belofte van de leveranciers en installateurs om een kostprijsreductie van 40% op termijn te realiseren, kwam de regering over de brug. Vervolgens was de kostprijsreductie in korte tijd gerealiseerd en vanaf 2018 was er helemaal geen subsidie meer nodig voor de windparken op zee. Vanaf dat moment ging het hard.

Wind op land
Frans van der Loo was zelf vanuit de centrale overheid betrokken bij de besluitvorming rond een windpark aan de randen van de Noordoostpolder. Aanvankelijk kochten in de jaren negentig enkele agrariërs windmolens voor eigen gebruik. De gebruikte windmolens van Lagerweij schaalden geleidelijk op van 80kW naar hogere molens van 250 en 400kW (ashoogte 50m). Toen de eerste 600kW windturbines verschenen, rezen er bezwaren bij de omwonenden en zocht de gemeente Noordoostpolder naar een meer planmatige aanpak. De aanleg van nieuwe molens werd in 1998 stilgelegd en de gemeente stelde na een inspraakronde een nieuw Integraal beleid Windenergie op met locaties aan de rand van de polder. Geïnteresseerde partijen konden vervolgens met elkaar in overleg over een nadere indeling van deze locaties. In 2003 was er een gezamenlijk convenant en plan. Na goedkeuring van de gemeenteraad moest het plan nog wel ingepast worden in de ruimtelijke ordening van de IJsselmeer polders, de planologische Integrale Visie 2030. Vervolgens kon de MER-procedure gestart worden, waarvoor de koepel Windenergie Noordoostpolder werd opgericht. In 2007 was de MER afgerond. Nu konden de vergunningsprocedures gestart worden. Er moesten 34 vergunningen worden aangevraagd bij 7 verschillende instanties. Toen het kabinet Rutte I aantrad met gedoogsteun van het PVV (“Geen klimaatbeleid meer!”) hing het lot van NOP-wind nog even aan een dun draadje, maar het proces was gelukkig al zover dat het niet meer teruggeschroefd kon worden. Wel werd de gemeente Urk nu wakker. Urk is de enige andere gemeente in de NOP en vormt een klein eilandje linksonder in de polder. Urk verzette zich tegen de windmolens in het zicht van de haven. De rechter schrapte daarop 7 molens voor Urk en in 2012 gaf de Raad van State uiteindelijk definitief groen licht. In 2014 kon de bouw beginnen. In 2017 draaiden de molens. Twintig jaar van planvorming, politieke besluiten, en rechterlijke uitspraken. Pfff.

Wind op zee
Wind op zee verscheen in 1999 voor het eerst in de beleidsnota’s in de vorm van een 100MW demonstratiepark voor de kust van Egmond aan Zee. In 2007 werd dit Nearshore Windpark geopend. Ondertussen werd gewerkt aan het opheffen van bestuurlijk-juridische belemmeringen voor de aanleg van grotere offshore-windparken, verder verwijderd van de kust. De regering wilde de resultaten van het demonstratiepark eerst afwachten alvorens op te schalen, maar de windbedrijven waren ongeduldig en dienden meteen al vergunningsaanvragen in voor meer parken. De overheid aarzelde met het aanwijzen van nieuwe gebieden, maar uiteindelijk kwam de overheid met regels voor de veiling van de arealen die echter werden verworpen door de Raad van State. Het locatie-uitgiftesysteem was niet voldoende uitgewerkt. Toen dat verholpen was, ontving de overheid 77 vergunningsaanvragen en wist niet goed wat daar mee aan te vangen. De subsidie uit het potje Milieukwaliteit ElektriciteitsProductie (MEP) dreigde zwaar overtekend te worden. De overheid wilde een ‘gefaseerde’ ontwikkeling van wind op zee, al lag er nu wel een doelstelling van 20% duurzame energieopwekking voor 2020. In 2009 werden uiteindelijk enkele nieuwe locaties aangewezen en de eerste tenderprocedure kon van start. De MEP-subsidie was vervangen door de nieuwe Subsidie Duurzame Energie (SDE), waarvan een beperkt deel beschikbaar was voor wind op zee. Rutte I en de bankcrisis in 2009 deden de ambities weer verschrompelen en de doelstelling voor duurzame opwekking werd verlaagd tot het minimum van wat Europa vroeg, nml. 14%, en alles kwam weer stil te liggen. Met het aantreden van Rutte II in 2013 werden de ambities weer wat opgeschroefd naar 16% en werd in overleg met het veld een hoofdlijnenakkoord gesloten om te komen tot 4.450MW wind op zee in 2023 te realiseren via jaarlijkse aanbestedingen van 450MW te beginnen in 2015. Voor de implementatiefase vond de overheid het echter nodig om de locatie strategie nog een keer te herzien en de al gegeven vergunningen terug te nemen. Ook de SDE+ subsidie werd stopgezet, uit angst voor budgetoverschrijdingen. Een nieuwe wet Windenergie op zee (WOZ) werd door de kamer geloosd en Tenet werd gevraagd om de aansluitingen te regelen. De leveranciers konden vanaf dat moment een bod doen op basis van kostprijs. Dat was een groot succes en leidde tot een enorme prijzenslag. In 2018 was de prijs nul, hetgeen betekende dat de windturbines rendabel waren ook zonder subsidie, en er alleen geld van de overheid nodig was voor de kosten van de aansluiting en de netstructuur. De ambitie voor 2030 is recent nog verhoogd van 11,5GW naar 21GW, met mogelijk 70GW in 2050. Dat is goed voor ca. 300TWh aan elektriciteit. Ter vergelijking het huidige elektriciteitsverbruik is momenteel ca. 120TWh en het totale energieverbruik incl. fossiele brandstoffen, is ca. 3000PJ wat overeenkomt met ca. 830TWh.

Tegenwind
Een groot deel van de stroperigheid zat hem in het ontwerpen van nieuwe procedures en aanbestedingen. Waar voorheen alles centraal via de Samenwerkende Elektriciteits-Productiebedrijven (SEP) werd gepland en uitgerold, is er nu een decentraal aanbod van energieproductie met heel andere eigenschappen en minder voorspelbaar gedrag. De elektriciteitswereld zat daar in eerste instantie niet op te wachten. Het veld van de aanbieders was ook te versnipperd door de vele kleine spelers en pas na de vorming van de brancheorganisaties Nederlandse Wind Energie Associatie (NWEA) en Nederlandse Vereniging Duurzame Energie (NVDE) vond de overheid een geschikt aanspreekpunt voor overleg. Het was natuurlijk gunstiger geweest als de wat grotere energiebedrijven als Shell en Esso in de beginjaren wat meer gewicht in de schaal hadden gelegd, maar die zagen de duurzame energie eerder als een bedreiging dan een kans (momenteel neemt Shell wel deel aan verschillende windparken). Verder werkte ook het koor van klimaatontkenners, die in Elseviers weekblad en de Telegraaf alle ruimte kregen om hun kritiek op de windenergie te uiten, natuurlijk niet erg mee. Pas dankzij de concrete doelstellingen van Parijs zag de overheid in dat zonne- en windenergie net als in Duitsland ook in Nederland een centrale rol moest en kon spelen.

Een ander probleem was de toenemende lokale weerstand tegen windmolens wegens het lawaai en schaduwhinder. Er zijn niet al te veel plekken op land waar windmolens ongestoord kunnen draaien. Het is dus van belang de bevolking en de direct omwonenden nauw te betrekken bij de planfase. Er is een gedragscode opgesteld voor ontwikkelaars waarin lokale participatie centraal staat. In het klimaatakkoord van 2019 is zelfs opgenomen dat nieuwe duurzame energieprojecten voor minstens 50 procent eigendom van omwonenden moeten zijn. Regionale participatie gaat nu via het RES-proces (Regionale Energie Strategieën) waar de regio’s en provincies momenteel mee bezig zijn (zie verder). Of dit voldoende locaties oplevert is zeer de vraag. De huidige elektriciteitsvraag is ca. 110TWh en de opbrengst aan duurzame energie is momenteel ca. 13TWh van wind op land, 9TWh van wind op zee, en 17TWh zonne-energie, waarmee ongeveer een derde van de elektriciteitsproductie is gedekt. Tot 2030 zal het aandeel stijgen naar ca. 80-90%. Zoals eerder opgemerkt zal dat niet zomaar kunnen.

Netbelasting

Het boekje Donkerluwte van Henk Tolsma [2] kijkt vooruit naar de ontwikkeling van een elektriciteitssysteem op basis van duurzame energie zonder dat een beroep op aardgas of kolen hoeft te worden gedaan. Ten aanzien van biomassa en kernenergie is de schrijver ambivalent. Het uitfaseren van aardgas voor woningverwarming en het installeren van (hybride) warmtepompen zal een stijging van het elektriciteitsgebruik betekenen van 3000kWh per jaar per woning. Huizen en kantoren worden in toenemende mate uitgerust met airco’s. Dat levert ook een extra vraag van 150kWH, die gelukkig voor een deel samenvalt met de piek aan zonne-energie. Als alle benzineauto’s worden vervangen door elektrische auto’s betekent dat eveneens gemiddeld een extra verbruik van 250kWh. Voor het snelladen zijn overigens hoge capaciteiten nodig (tot 350kW).

De meeste groei in het elektriciteitsverbruik zit bij de industrie die van het aardgas af moet. Voor de kleinere bedrijven betekent dat vervanging door elektriciteit, voor de grotere industrie kan een deel van de warmte en vraag naar koolwaterstoffen worden ingevuld met ‘groene’ waterstof (gemaakt met duurzame energie).  Het omzettingsrendement van stroom in waterstof H2 met een ‘electrolyzer’ is helaas niet hoog ca. 60%.

Totaal zal de elektriciteitsvraag volgens Henk Tolsma met een factor drie toenemen. Om tegemoet te komen aan deze groei zal ook het aanbod moeten groeien door de aanleg van meer zonneparken en meer windenergieparken, vooral op zee. Dat zal leiden tot meer congestie op het net, want nu moet er meer energie over en weer vervoerd worden. Dat vraagt om een verzwaring van het net, zodat de extra vraag gematched kan worden met het grotere aanbod. Tenet heeft al plannen om miljarden te investeren in het oplossen van deze knelpunten.

Wisselvallige opbrengst
Er is echter ook een structureel probleem met duurzame energie en dat is het grillige en onvoorspelbare karakter van de opbrengst. Wind- en zonne-energie vullen elkaar goed aan in de zin dat er vaak wind is als er minder zon is en veel zon als er weinig wind is. Maar er zijn ook periodes met veel zon en veel wind, en periodes met geen wind en geen zon (de zgn. donkerluwte). Dan moet er een backup voorziening zijn.

Ook zullen er periodes zijn dat er te veel energieopwekking is. Dat geldt met name als het aandeel van duurzame energie in de totale energiemix verder oploopt. Met de huidige 30% duurzaam is er maar enkele dagen per jaar sprake van een energieoverschot, en bij 40% zoals in Duitsland en Denemarken is het ook nog wel te managen, maar bij 50% en hoger gaat dat niet meer lukken. Dan is de keuze om de overtollige energie op te slaan in accu’s of andere opslagmedia, of tijdig extra vraag te regelen (bv. het opladen van auto’s rond het middaguur) of er moet ‘curtailing’ (aftopping) worden toegepast in de vorm van het afschakelen van windvermogen (molen uit de wind zetten) of door de omvormer van de zonnepanelen terug te schakelen. Omdat de piek van zonne-energie vooral midden op de dag ligt, is het gunstig als ook oost-west daken met panelen worden belegd. Dat spreidt de opbrengst beter over de dag, aan de oostzijde meer energie in de ochtend en aan de westzijde in de namiddag. Ook grote zonneparken kunnen daarom beter een oost-west oriëntatie krijgen.

Door import en export van stroom kan ‘s morgens overtollige energie van Duitsland naar Nederland vloeien  als de zon hier nog laag staat, en in de namiddag kan energie terugvloeien naar de oosterburen als het daar donker wordt. Dat vraagt wel een hoge bandbreedte tussen de landen.

Opslag
Een eerste kandidaat voor ‘peak shaving’ (afromen van te hoge opbrengst en terug leveren in mindere tijden) is eenbackup systeem op basis van een accubatterij, een One Day Storage (ODS) systeem. Afgedankte batterijen uit elektrische auto’s kunnen hier een tweede leven vinden door ze als batterij te installeren tussen de zonnepanelen en de omvormer. Het verschil in vraag en aanbod gedurende een etmaal kan in het algemeen goed met een accu worden overbrugd, maar de capaciteit is niet voldoende voor meerdere dagen en ook niet om seizoenverschillen te overbruggen.

Het temperatuurverschil tussen dag en nacht in de winter kan benut worden door overdag – als de warmtepomp efficiënt werkt – extra warmte aan te maken en op te slaan in een buffervat dat aangesproken wordt als de buitentemperatuur daalt en het rendement van de warmtepomp terugloopt. Ten slotte kan het vermogen van het net worden aangevuld met elektriciteit opgewekt met waterstof dat eerder gemaakt is uit wind op zee.

Een werkgroep van KIVI heeft een voorstel gemaakt voor een systeem ‘EnergyNL2050’ dat gebruik maakt van waterstof als backup systeem [3]. De overtollige energie van wind op zee die niet aan het net of de industrie kan worden geleverd wordt toegevoerd aan electrolysers, die de stroom omzetten in waterstof. Dat gas kan worden opgeslagen in lege aardgasvelden onder de Noordzee. Als er vraag is kan de waterstof via pijpleidingen naar de regio’s worden getransporteerd en daar via brandstofcellen (ter grootte van brandstofcellen die in auto’s worden toegepast) omgezet worden in elektriciteit die aan het net kan worden geleverd ter aanvulling van de duurzame opwekking. Zowel bij de omzetting van stroom naar waterstof (verlies 30-40%) komt veel warmte vrij, als ook bij de omzetting van waterstof naar elektriciteit (verlies 50%), die lokaal gebruikt kan worden in warmtenetten. Juist als de warmtepompen extra elektriciteit vragen zal er ook een grote warmtevraag zijn van de warmtenetten. Hier kunnen dus mooie combinaties gemaakt worden. Door het waterstof backup systeem hoeft de hoeveelheid duurzame energieopwekking op land niet zo hoog te zijn. Wel gaat een deel van de windenergie op zee dan in de vorm van waterstof gebruikt worden voor elektriciteitsproductie voor het algemene net. Daardoor blijft er minder waterstof over voor de industrie en voor het vervoer. Waterstof moet dan ook aangevuld worden met import uit zuidelijker landen. De KIVI-werkgroep heeft het systeem gemodelleerd en doorgerekend zowel op prestaties als kosten. Met in achtneming van de ETS-besparing is het systeem kostendekkend. Bij de industrie gaat de werkgroep wel uit van een substantiële energiebesparing/efficiëntieverhoging bij de overgang van aardgas op elektriciteit.

Nationaal Plan Energiesysteem
Momenteel loopt er een breed overlegproces van overheden, netbeheerders en marktpartijen, ondersteund door brede participatie en advisering, om te komen tot een Nationaal Plan Energiesysteem (NPE), dat eind 2023 klaar moet zijn [4]. Dit proces is nu nog in een verkennende fase, maar zoals met veel van dit soort ‘tafels’ met veel insprekers wordt er meer gesproken over de maatschappelijke randvoorwaarden dan over de architectuur en technische invulling. Vooralsnog is alleen aangegeven dat waterstof een belangrijke rol zal gaan spelen. De Regionale Energie Strategie (RES) plannen die nu door 30 regio’s worden opgesteld zullen in dit NPE worden meegenomen. Hoezeer de ontwikkelingen elkaar inhalen blijkt al uit de doelstelling van de eerste versie van de RES 1.0 (de plannen zullen periodiek worden bijgesteld) dat spreekt in 2021 over een duurzame energieopwekking op land van 30TWh in 2030 als ‘haalbaar’. Momenteel is dat al 30TWh en moet ten minste 85TWh worden in 2050, en misschien wel 120-150TWh als we de groei van het elektriciteitsverbruik hoger inschatten (zie Bijlage stroomverbruik 2050). Er moeten nog heel veel windmolens op land bijkomen. Misschien onderwerp voor de gesprekken met de krimpregio’s over het op peil houden van het voorzieningenniveau?

Conclusies
Er moet snel duidelijkheid komen over de te volgen strategie in de komende jaren. Het vermogen aan windenergie van zee groeit hard en botst straks op de grenzen van het net. Het uitrollen van een nieuwe infrastructuur zoals een H2-leidingsysteem vraagt vele jaren. De politiek, nationaal en lokaal, moet nu keuzes maken en vooral ook helder en transparant communiceren. Tot 2030 zijn er weliswaar veel plannen, maar over de periode 2030 en 2050 zijn die plannen nog niet concreet. Henk Tolsma verwacht dat het elektriciteitsverbruik in 2050 drie keer zo hoog zal zijn als nu, vanwege de elektrificatie van de woningverwarming, van het vervoer, maar ook voor de verduurzaming van de industrie. Dat lijkt een reeële schatting. De KIVI-werkgroep heeft ten slotte met veel deskundigheid een “haalbaar en betaalbaar” systeem ontworpen gebaseerd op een backup met waterstof. Het zou aan te bevelen zijn het KIVI-plan meteen maar als input te nemen voor het NPE.

De twee boekjes en het KIVI-rapport zijn misschien niet voor iedereen zo interessant om te lezen, maar het is toch wel van belang dat iedereen met de algemene strekking, zoals in deze bespreking beschreven, bekend zou moeten zijn. Zie ook [5].

Noten

[1] Theo Potma, Het CE-scenario, een realistisch alternatief, Centrum voor Energiebesparing, Delft, 1982

[2] Henk Tolsma, Donkerluwte, Ombouw van de stroomvoorziening, Sycorax, 2021.

[3] Eric Persoon, Loek Boonstra, Steven Luitjens, Koen Huizer, Design of a Dutch carbon-free energy system, EnergyNL2050, KIVI, 2020. Pdf.

[4] RVO, Energiesysteem 2050, web.

[5] Bart van de Weijer, Is Nederlandse stroom in 2030 volledig groen? Dat wordt nog lastig. Volkskrant, 7 maart 2023.

Bijlage  Stroomgebruik 2050 volgens KIVI-plan [3]

Dit is Table 2.1 in het KIVI-plan [3]. De fossiele brandstoffen van 2015 zijn omgezet naar benodigde elektriciteit en waterstof in 2050. De ‘high temperature heat’ is vooral industrie en daarvoor is waterstof nodig. Duidelijk is wel dat de KIVI-werkgroep uitgaat van een behoorlijke besparing bij de overgang van aardgas naar elektriciteit en waterstof. Verder is ook bij het reguliere gebruik (basic electrical demand) een beperkte opschaling ingepland. In de tabel staan al het extra gebruik voor warmtepompen (+25TWh), industrieel gebruik (+26TWh), elektrisch vervoer (+28TWh) genoemd. Henk Tolsma noemt nog datacenters (+25TWh) en een miljoen nieuwe woningen/huishoudens (+5TWh). Dan komen we uit op ca. 240TWh.

Naast het directe waterstofgebruik van 60TWh+47TWh is nog 27TWh nodig voor de elektriciteitsopwekking ter overbrugging van de donkerluwte periodes. De totale waterstofproductie vraagt dan, met een conversieverlies van ca. 40%, ca. 200TWh aan windenergie van zee. De total opbrengst van wind van zee is ca. 270 TWh en daarvan is dan nog 70TWh direct beschikbaar voor het net. Met de opwekking van elektriciteit door waterstof van 16TWh, en een opbrengst van zon op land van 70TWh, is er dan nog ca. 80-90TWh wind op land nodig, afhankelijk van de hoeveelheid energiebesparing.

Het KIVI-rapport stelt dat er geen significante groei van het aantal windmolens op land (nu 13TWh) nodig is, maar we ontkomen denk ik niet aan een behoorlijke uitbreiding van windenergie op land. Het is beter om het vermogen op zee voor de waterstofproductie te reserveren en het directe gebruik van het algemene elektriciteitsnet vooral op land te genereren. Het is natuurlijk mooi dat de RES-plannen vooral meer zonnepanelen willen inplannen, maar gezien het variabele karakter van de zonne-energie is dat zonder veel en krachtige ODS-systemen tussen paneel en omvormer niet mogelijk. Ook als opslag wel lukt, dan blijven meer windmolens op land noodzakelijk om de variabiliteit van de zonne-energie voor een deel te ondervangen, en de totaal gevraagde capaciteit vol te maken.