Hoge penetratie van wind en zon mogelijk met minimale kosten voor netversterking

Bij grote hoeveelheden wind- en zonne-energie in het elektriciteitssysteem kan de variatie in elektriciteitsproductie van wind- en zonnegeneratoren problemen opleveren voor de werking van het elektriciteitsnet.  Bij mooi weer in de zomer leveren PV panelen ‘s middags zeer grote hoeveelheden elektriciteit. Indien we massieve hoeveelheden zonnepanelen installeren, kan dit ‘s middags leiden tot overproductie, vooral op het laagspanningsnet. In dat geval loopt de spanning van het net lokaal te hoog op en in het ergste geval moet men de injectie op het net van de panelen afschakelen om de spanning niet boven de toegestane limiet te laten oplopen. Maar bij welke hoeveelheden precies wordt dit probleem acuut? En zijn er simpele en goedkope oplossingen mogelijk om dit probleem binnen aanvaardbare grenzen te houden?

Recent werd een studie van EnergyVille gepubliceerd [1] waarin dit probleem werd doorgerekend voor het Belgisch elektriciteitsnet. Hierin wordt een voorstel gemaakt om grote hoeveelheden wind- en zonne-energie te gebruiken in het Belgisch elektriciteitsnet en de bovenvermelde problemen voor dit net te beperken.  De lokale overbelastingsproblemen op het laagspanningsnet werden in deze studie niet onderzocht, maar komen in een nieuw onderzoeksproject Bregilab wel aan bod.

Figuur: Groene staven: Percentage hernieuwbare energie in het Belgisch elektriciteitsverbruik als functie van wind- en zonnecapaciteit. Oranje staven: Percentage dat niet onmiddellijk kan verbruikt worden. In het referentiejaar 2016 was de geïnstalleerde capaciteit: 3 GWp PV, 0.7 GW offshore Wind en 1.5 GW onshore Wind (eerste kolom in de tabel) [1]

Naar een optimale balans voor wind- en zonne-energie in de energiemix 

In de studie wordt voor windenergie uitgegaan van een gemiddelde en realistisch te plaatsen windcapaciteit [2,3,4,5]. Voor offshore wind is gerekend met een capaciteit tot 4 GW (dit zijn ongeveer 800 tot 1000 windmolens). De eerste 2.3 GW aan windturbines is reeds langer vergund, de resterende hoeveelheid is het resultaat van een recente politieke beslissing. Voor het eerste deel is de connectiecapaciteit naar het hoogspanningsnet uitgewerkt, voor het tweede deel is de impact op het elektriciteitsnet nog ter studie. Voor windturbines op het land, wordt in de studie uitgegaan van 5 GW capaciteit, iets meer dan de helft van het potentieel in België.  Offshore wind wordt op het hoogspanningsnet aangesloten, terwijl de windturbines op het land veelal verbonden zijn met een lager spanningsniveau.

In de studie wordt ook nagegaan hoeveel PV capaciteit kan bijgeplaatst worden om mee te voldoen aan de totale elektriciteitsvraag, waarbij rekening wordt gehouden met de mogelijk hoge piekproductie van PV. Er is voor de plaatsing van PV panelen onderscheid gemaakt tussen residentiële systemen, die op individuele huizen geplaatst worden en aan het  laagspanningsnet worden gekoppeld, en de PV productiesites van grotere investeerders die op een hoger spanningsniveau met het net worden gekoppeld. Voor de residentiële panelen werd de injectie van de zonnepanelen op het net beperkt, zodat er nooit meer dan 6 GW in globo via het laagspanningsnet in het Belgisch net wordt geïnjecteerd. Deze 6 GW limiet komt neer op 1.5 kW per aansluitpunt in België. Dit is minder dan de 30% gelijktijdigheid van het totale aansluitingsvermogen op het laagspanningsnet. Dit laatste criterium wordt dikwijls gebruikt bij ontwerp van het laagspanningsnet, waarbij men aanneemt dat tegelijkertijd nooit meer dan 30% van het totale aansluitvermogen van de aansluitpunten wordt benut als verbruik. Voor de commerciële panelen werd in deze studie dezelfde injectielimiet gehanteerd als voor de residentiële.

In de figuur worden de resultaten van de studie getoond. 20 GWp zonnepanelen (15 GWp op laagspanningsnet en 5 GWp op middenspanningsnet) gecombineerd met de 9 GW windcapaciteit zorgen voor hernieuwbare elektriciteit dat bijna 50% van het totale elektriciteitsverbruik in België dekt. Voor deze ontplooiing van PV en wind zijn nog geen batterijen nodig om tot die 50% te komen. De injectielimiet van 0.4 kW per kWp geïnstalleerde PV panelen beschermt het laagspanningsnet voor overspanningen. We voorzien enkel sporadische netversterkingen met minimale investeringskost . Het enige nadeel van deze oplossing van de PV injectielimiet, is dat bij deze 20 GWp PV capaciteit ongeveer 10% van de PV potentiële energieproductie dient afgesneden te worden. Er wordt bestudeerd of deze  10% kan benut worden voor bijvoorbeeld sanitair warmwaterproductie in de huizen waar PV panelen zijn geplaatst. Hoe dan ook, de maximale meerkost van een injectielimiet komt neer op 10%  van de PV kost. Gezien geen andere grote meerkosten nodig zijn, zou dit een goedkope manier zijn om reeds 50% van het Belgisch elektriciteitsverbruik te genereren met wind en PV.

De rol van extra batterijcapaciteit

In een tweede fase, kan men de hoeveelheid PV panelen nog verder opdrijven. In de studie is er tot 60 GWp aan zonne-energie gesimuleerd. Om het laagspanningsnet te beschermen, zijn dan uiteraard lagere injectielimieten nodig. Hoe meer residentiële PV panelen worden geplaatst, des te lager de injectielimiet dient te zijn om de totale som van de injectie op het laagspanningsnet op 6 GW te houden. Door deze lagere injectielimieten geraakt steeds meer van de opgewekte energie van de PV panelen niet op het net. Het verlies aan PV productie loopt snel op tot meer dan 30%. Om dit euvel op te vangen, kan men batterijen bij de PV installaties plaatsen. Zelfs met een relatief kleine batterij-inhoud bij een PV installatie kan het verlies aan PV productie beperkt worden tot 10 à 20%.  Dit is zichtbaar in de figuur bij ontplooiing van resp. 30, 40, 50 en 60 GWp aan totale PV productie. In de studie is gekozen voor een optimale balans tussen injectielimiet om het laagspanningsnet te beschermen en de plaatsing van batterijcapaciteit. Per extra 10 GWp aan zonnepanelen wordt er 0.5 kWh/kWp batterijcapaciteit voorzien. De waarde kwam uit de studie [1] naar voor als een optimale combinatie. De batterij werd in deze studie tijdens de dag opgeladen als de PV productie boven de injectielimiet kwam en elke nacht volledig ontladen op het net, zodat ze de volgende dag aan een nieuwe cyclus kon beginnen.

Vanaf 20 GWp, kan men bij het plaatsen van een extra 10 GWp aan PV panelen, gecombineerd met 0.5 kWh/kWp aan batterijen, steeds ongeveer 7% meer hernieuwbare elektriciteit verbruiken. Bij een totaalcombinatie van 9 GW wind, 50 GWp PV en 1.5 kWh/kWp batterijen, kan men 70% van het elektriciteitsverbruik in België via hernieuwbare energie voorzien, zonder substantiële investeringen in netversterking. Boven de 50 GWp wordt het moeilijker en bij een verdere verhoging tot 60 GWp PV leidt de laatste 10 GWp maar tot een extra gebruik van hernieuwbare energie met 3% (ipv. 7%). Extra batterijcapaciteit plaatsen bij 60 GWp helpt niet meer. De hoeveelheid hernieuwbare energie dat kan verbruikt worden stijgt niet meer. Dit komt omdat alle batterijen in de studie ’s nachts tegelijk worden ontladen en bij die grote hoeveelheden komt de elektriciteit die via de batterij op het net wordt ontladen regelmatig in competitie met windproductie, wat uiteindelijk leidt tot een overproductie van hernieuwbare energie ten opzichte van het verbruik.

Praktische haalbaarheid

Voor wie bij deze hoge capaciteit aan wind en PV capaciteiten het hoofd duizelt, nog enkele weetjes die aantonen dat dit geen fictie hoeft te zijn. De plaatsing van windmolens op zee en land is reeds in een aantal plannen bekeken en realistisch bevonden [2,3,4,5]. Voor PV is er alleen in Vlaanderen reeds een totaal beschikbaar potentieel van 70 GWp op daken [6]. Voor heel België kunnen we dat extrapoleren naar een minimaal potentieel van 100 GWp op daken alleen. Indien we dus de helft van de daken in België voorzien van zonnepanelen, komen we reeds aan 50 GWp die we in een tweede fase voorstellen, dus exclusief grotere industriële parken.

Wat kostprijs betreft: in de Verenigde Arabische Emiraten is er in 2017 een zonne-energieproject gepland dat  elektriciteit zal leveren aan 2.99 c$/kWh [7] en in Marokko is er een onshore windproject goedgekeurd dat elektriciteit zal opwekken aan 3 cS/kWh [7]. Met de huidige wisselkoers komt dat op 2.6 cE€/kWh. De opbrengst van de PV installaties kan men in België 2x lager inschatten wegens minder beschikbaarheid van zon. Gelijkaardige veilingen kunnen dus prijzen opleveren in de ordegrootte van 5 a 6 c€/kWh, vergelijkbaar met de huidige prijs van elektriciteit in België.

Bron: Bloomberg New Energy Finance, 2017
PV is goed op weg om de goedkoopste energiebron te worden.

Bregilab

In het transitiefonds van de FOD economie, werd in 2018 het project Bregilab [8] goedgekeurd dat deze bevindingen nog veel kwantitiever en gedetailleerd zal uitwerken. Er worden verbeterde controle-algoritmes voor zowel injectielimieten en batterijsturing bestudeerd. De invloed van de inplanting van windturbines en zonnepanelen over het Belgisch grondgebied zal bekeken worden in functie van de netbelasting zodat kosten voor netversterking kunnen geminimaliseerd worden. Ook de invloed van toekomstige verbruikersprofielen, zoals elektrische wagens en warmtepompen, wordt meegenomen in de berekeningen.

Conclusie

Wind en PV zullen een belangrijke component zijn in de elektriciteitsmix. In een eerste fase kunnen het uitbouwen van wind en zon zorgen dat men kostefficiënt reeds 50% van het elektriciteitsverbruik opwekt.  

Referenties

[1] M. Meuris et Al., Prog Photovolt Res Appl. 2018;1–13., DOI: 10.1002/pip.3084

[2] Federaal planbureau (http://www.plan.be). Report on: Het Belgische energiesysteem in 2050: Waar naartoe? - Beschrijving van een Referentiescenario voor België (Oct 2014). (Dutch and French version)

http://www.plan.be/publications/publication-1388-en-het+belgische+energ… (2014) [accessed 20 dec 2017].

[3] Esch, L.V., Meynaerts, E., Vermeiren, K., Uljee, I., Janssen, L., Guisson, R., Engelen, G., Robeyn, H.H.e.N. “Hernieuwbare EnergieAtlas Vlaamse gemeenten”, VITO, TerraEnergy, Belgium (2016).

[4] Infrax, Eandis, Elia. “Onthaalcapaciteit decentrale productie in Vlaanderen 2011-2020”, Studie, Belgium, p. 133 (2012).

[5] Electricity scenarios for belgium towards 2050 - Elia’s quantified study on the energy transition in 2030 and 2040 (http://www.elia.be), http://www.elia.be/~/media/files/Elia/About-Elia/Studies/20171114_ELIA_… ;(november 2017) [accessed 20 dec 2017].

[6] Referentie van potentieel van daken via zonnekaart: https://www.energiesparen.be/zonnekaart

[7] Report: ’Global trends in renewable energy investment 2017’, UNEP, Bloomberg (2017),   https://europa.eu/capacity4dev/unep/documents/global-trends-renewable-e…;

[8] https://www.energyville.be/nieuws-events/groen-licht-voor-bregilab-proj…