TU Delft-onderzoekers ontwikkelen model voor groen, energieonafhankelijk Europa

Onderzoekers van de ETH Zürich en de TU Delft hebben een model ontwikkeld waarmee honderden scenario’s kunnen worden gegenereerd die leiden tot een Europees energiesysteem dat in 2050 volledig groen en zelfvoorzienend is. De onderzoekers hebben hun resultaten beschikbaar gesteld op een interactief platform om een duidelijker beeld te geven van alle verschillende opties, en de afwegingen die daarbij zijn gemaakt. 

Op dit moment is Europa voor ruim de helft van haar energiebehoeften afhankelijk van import uit andere landen – grotendeels in de vorm van fossiele brandstoffen zoals olie en gas. Na de Russische inval in Oekraïne is nu ook duidelijk geworden dat deze afhankelijkheid niet alleen het klimaat, maar ook de Europese veiligheid in gevaar brengt. 

Zal Europa in de toekomst in staat zijn de invoer van energie helemaal af te bouwen? Zal het in zijn behoeften kunnen voorzien met uitsluitend eigen, hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie? Een nieuwe studie van ETH-onderzoeker Bryn Pickering en zijn twee coauteurs van de TU Delft, Francesco Lombardi en Stefan Pfenninger, toont aan dat dit mogelijk is. Gebruikmakend van een modelbenadering – waarbij alternatieve technologieopties worden onderzocht en wordt nagegaan waar deze het beste kunnen worden ingezet – somt de studie meer dan 400 kosteneffectieve, koolstofvrije en zelfvoorzienende Europese energiesysteemontwerpen op.

Een open-source energiemodel voor Europa

Om de verscheidenheid aan beschikbare opties te belichten, hebben de onderzoekers een high-resolution model voor het Europese energiesysteem ontwikkeld, dat zij openlijk beschikbaar hebben gesteld. Voor verschillende sectoren en regio's brengt dit model zowel de vraag naar als het aanbod van hernieuwbare energie, geproduceerd met gevestigde en reeds commercieel beschikbare technologieën, in kaart. Over een gebied dat 35 landen bestrijkt, consolideert het model de fluctuerende stromen van elektriciteit, warmte, waterstof, synthetische koolwaterstoffen en biobrandstoffen op uurbasis over een heel jaar.

Een open-source online platform laat besluitvormers, industrieanalisten en onderzoekers de vele beschikbare mogelijkheden met elkaar vergelijken. Om de schommelende stroomopbrengst van wind en zon te helpen beheren, kunnen de gebruikers van het platform de afhankelijkheid van hun voorkeursysteem van een reeks flexibele technologieën en balanceringsmechanismen – zoals opslagcapaciteit, biobrandstoffen, intra-Europese energiedistributie en de elektrificatie van vervoer en warmte – aanpassen. ‘Door deze factoren naar eigen wens te laten veranderen, kunnen gebruikers de complexe relaties en de bijbehorende afwegingen binnen het energiesysteem visualiseren,’ zegt Stefan Pfenninger, assistent-professor aan de TU Delft en leider van het onderzoeksteam.

Met dit openbaar toegankelijke visualisatie-instrument kunnen gebruikers verschillende scenario’s voor een groen en zelfvoorzienend energiesysteem met elkaar vergelijken.

Afwegingen zichtbaar maken

Een besluit om het gebruik van biobrandstoffen te beperken, bijvoorbeeld, vereist een volledige elektrificatie van zowel verwarming als vervoer, waarbij elektrische voertuigen worden opgeladen op tijdstippen van de dag waarop voldoende elektriciteit beschikbaar is. 

Stel echter dat het slechts haalbaar wordt geacht 50% van het vervoer te elektrificeren, dan zou de vraag naar synthetische brandstoffen, afkomstig van zowel biobrandstoffen als elektrisch afgeleide waterstof, drastisch toenemen. Om zo kosteneffectief mogelijk aan deze vraag te voldoen, moeten synthetische brandstoffen dan in de eerste plaats worden geproduceerd in landen waar elektriciteit het goedkoopst is, zoals in het Verenigd Koninkrijk, Ierland of Spanje. Dit zou betekenen dat de elektriciteitsproductie en de productie van synthetische brandstoffen in specifieke regio's worden geconcentreerd, wat inhoudt dat een groot deel van de Europese landen dan energie van elders op het continent zou moeten invoeren.

Verschillende opties hebben zeer uiteenlopende implicaties voor individuele landen. Er zijn bijvoorbeeld opties denkbaar waarbij een aanzienlijk deel van de waterstofproductiecapaciteit in Nederland wordt gesitueerd; maar er zijn ook scenario’s mogelijk waarbij Nederland het grootste deel van zijn brandstof, elektriciteit of beide importeert.

Grotere flexibiliteit voor regionale scenario's

De resultaten van het model tonen ook een brede waaier van regionale en continentale opties wat betreft de plaats waar hernieuwbare energie en synthetische brandstoffen op kosteneffectieve wijze kunnen worden geproduceerd. In één denkbaar scenario zou een beperking van de energieopslagcapaciteit en een beperkt gebruik van biobrandstoffen een grote uitbreiding van de windkracht- en waterstofproductie in het Verenigd Koninkrijk en Ierland vereisen. Om de geproduceerde elektriciteit naar de rest van Europa te distribueren, zouden de transmissieverbindingen sterk moeten worden uitgebreid (zie het plaatje hieronder). 

Voor elk scenario kan het interactieve visualisatie-instrument worden gebruikt om de energie- en technologiemix (links), de regionale spreiding van de waterstofproductie (midden) en de vereiste toename van interregionale elektriciteitstransmissielijnen te vergelijken.

De behoefte aan opslagcapaciteit en het gebruik van biobrandstoffen zou ook kunnen worden verminderd door een toename van zonne-energie in Zuid-Europa, op voorwaarde dat deze wordt aangevuld met windenergie van elders op het continent. Dit zou betekenen dat de waterstofproductie kan worden opgesplitst tussen noordelijke en zuidelijke hubs en dat de uitbreiding van het elektriciteitsnet gelijkmatiger kan worden verdeeld. ‘De mogelijkheid om de afwegingen tussen dergelijke verschillende alternatieven te vergelijken binnen één consistent analysekader is een van de voornaamste sterke punten van onze nieuwe methode,’ zegt Francesco Lombardi, coauteur en ontwerper van het onderliggende gebruikte algoritme.

Een beter begrip van mogelijke energietoekomstscenario's

Het model en het online platform stellen onderzoekers en besluitvormers in staat de voorwaarden voor de totstandbrenging van een groen en zelfvoorzienend energiesysteem voor Europa duidelijker te analyseren, alsook de verschillende opties en afwegingen die daarbij een rol spelen. Het is nu bijvoorbeeld gemakkelijker om zowel de voor- als de nadelen te beoordelen van een bundeling van de energieproductie in slechts enkele regio's, in vergelijking met een meer gelijkmatige regionale spreiding.  

‘De basisaannames van dit model zijn onderhevig aan een aantal onzekerheden,’ zegt Pickering. ‘De 441 opties zijn dus vooral illustratieve weergaven van mogelijke toekomstscenario's die kunnen helpen bij het nú nemen van beslissingen, en moeten niet worden opgevat als voorspellingen.’