Wat leert de covid-19-pandemie ons over de energietransitie naar hernieuwbare energie?

Dit wordt ook weerspiegeld in de elektriciteitsprijzen die we momenteel waarnemen. In dit artikel neemt Hakan Ergun (EnergyVille / KU Leuven) de veranderende stroomopwekking, vraag en elektriciteitsprijzen onder de loep en vergelijkt deze met enkele voorgaande jaren. 

De corona-pandemie heeft een impact op de hele samenleving: ons privéleven, maar ook alle industriële en dienstensectoren worden beïnvloed. Als gevolg van de verlaagde economische activiteit door de maatregelen om het coronavirus in te perken, zien we een grote verandering in onze elektriciteitsproductie en verbruikspatronen. Dit wordt ook weerspiegeld in de elektriciteitsprijzen die we momenteel waarnemen.

Elektrische energie is de drijvende kracht achter bijna elke activiteit in ons dagelijks leven. We zijn er sterk afhankelijk van en beschouwen het als vanzelfsprekend. Een betrouwbare stroomvoorziening is in de huidige situatie echter steeds belangrijker om de gezondheidszorg en de voedselvoorziening ononderbroken te blijven garanderen.

In deze analyse gaan we de veranderende stroomopwekking, vraag en elektriciteitsprijzen nader bekijken en vergelijken met een aantal voorgaande jaren. Op basis van deze vergelijking zullen we proberen te begrijpen hoe deze veranderingen de betrouwbaarheid van onze energievoorziening kunnen beïnvloeden, niet alleen in de komende dagen en weken, maar ook in de toekomst wanneer het aandeel hernieuwbare energie nog uitgebreider zal zijn en Europa een volledig hernieuwbaar energiesysteem ambieert tegen 2050. Voor deze analyse vertrouwen we op de gegevens van het Entso-e transparantieplatform [1].

Laten we eerst even kijken naar de stroomvraag in België. Figuur 1 geeft de vraag per uur weer tussen 31 maart en 24 april over de jaren 2017-2020. We kunnen zien dat de elektriciteitsvraag in België aanzienlijk is afgenomen ten opzichte van de voorgaande jaren. De gemiddelde vraag in deze periode over de afgelopen vier jaar is weergegeven in tabel 1. We kunnen zien dat de gemiddelde vraag doorheen de jaren 2017-2019 ongeveer tussen 9500 en 9700 MW lag en in 2020 gedaald is tot 7973 MW, wat overeenkomt met een afname van 18%. De volatiliteit van de vraag is echter niet wezenlijk veranderd in 2020. Tabel 1 geeft de verhouding weer tussen de maximale en de minimale vraag die in deze periode is opgetekend: de dynamiek veranderde niet.

Figuur 2 toont de mix van elektriciteitsproductie in België tussen 31 maart en 24 april. Hoewel de curves op het eerste zicht sterk op elkaar lijken, zijn er enkele interessante verschillen waar te nemen. We stellen vast dat de gemiddelde energieopwekking uit kerncentrales en gascentrales in België in deze periode aanzienlijk hoger was in 2019. De gemiddelde energieopwekking in 2020 (8088 MW) is daarmee hoger dan in de jaren 2017 en 2018 waar beperkte nucleaire capaciteit beschikbaar was (tabel 2). Het aandeel gemiddelde hernieuwbare energieopwekking is in 2020 (1651 MW) aanzienlijk hoger dan in 2018 (998 MW), voornamelijk veroorzaakt door een hogere PV-opwekking en een hoge offshore windopwekking gedurende een aantal dagen. Dit verschil komt vooral tot uiting in de energieopwekking van de aardgascentrales. Gemiddeld was de energieopwekking van kernenergie in 2020 (4105 MW) iets hoger dan in 2018 (3875 MW) voor deze specifieke periode.

We kunnen ook vaststellen dat het aandeel hernieuwbare opwekking uit zon- en windenergie binnen de totale energieopwekking de 20% heeft overschreden in 2020 als gevolg van een hogere stroomtoevoer van PV en wind, zoals weergegeven in tabel 2.

De combinatie van een lage vraag en een hoog aandeel hernieuwbare energieopwekking heeft de elektriciteitsprijzen sterk beïnvloed. Figuur 3 toont de day-ahead elektriciteitsprijzen die in België en de buurlanden werden waargenomen voor de periode van 31 maart tot 24 april. We kunnen zien dat in alle landen de day-ahead-prijzen tijdens het weekend negatieve waarden bereiken vanwege de zeer lage stroomvraag en de hoge opwekking van hernieuwbare energie. Hoewel ook in 2019 day-ahead-prijzen rond en onder nul werden vastgesteld, zijn de day-ahead-marktprijzen binnen deze periode gemiddeld minder dan de helft van de prijzen van de voorgaande jaren, zoals weergegeven in tabel 3. Met uitzondering van Duitsland, waar als gevolg van een hoog aandeel van hernieuwbare energiebronnen vaker negatieve prijzen optreden, zijn negatieve prijspieken veel frequenter en uitgesproken in 2020, aangezien er niet genoeg vraag is om de hernieuwbare energieopwekking op te vangen. We zien ook dat België meer dan Frankrijk en Nederland wordt getroffen door de negatieve prijspieken rond 20 april als gevolg van de hoge windaanvoer in Duitsland en een hoger aandeel hernieuwbare energieopwekking in België in die periode. Hoewel negatieve day-ahead-prijzen een ​​gebrek aan flexibiliteit aangeven, wordt het ook veroorzaakt door een streng hernieuwbaar curtailmentbeleid [2, 3, 4]. Als zodanig zal in een door hernieuwbare energie gedomineerde toekomst grootschalige inzet van een flexibele vraag en opslag cruciaal zijn. Dit in combinatie met een reorganisatie van de elektriciteitsmarkt zoals wij die momenteel kennen.

De elektriciteitsprijzen worden heel vaak bepaald door de hoeveelheid opgewekte hernieuwbare energie, vooral afkomstig uit Duitsland. Figuur 4 toont de productiemix in Duitsland en tabel 4 geeft de gemiddelde energieopwekking in Duitsland en het aandeel van hernieuwbare energiebronnen. We kunnen zien dat in Duitsland het aandeel hernieuwbare energie vergelijkbaar was met het jaar ervoor in de eerste helft van april. In de tweede helft van april, met toenemende windenergieopwekking in Duitsland, zijn de day-ahead-prijzen gedaald, wat resulteert in de grote negatieve pieken die we in Europa kunnen waarnemen.

In de komende dagen en weken zal de betrouwbare werking van transmissieaspecten een zeer belangrijke rol spelen om levensnoodzakelijke diensten te blijven garanderen. Als de door het Covid-19-virus veroorzaakte lage vraag en de hoge periode van hernieuwbare energieopwekking voortduurt, kunnen we meer druk verwachten op de interconnectoren, zelfs als de vraag naar elektriciteit laag is. Europese black-outs in het verleden zijn voornamelijk waargenomen op momenten met een lage vraag en werden veroorzaakt door het niet halen van dynamische stabiliteitscriteria, vaak op interconnectoren die leidden tot cascade-uitval [5,6] of problemen met de spanningsstabiliteit [7].

Het onweerseizoen in Centraal-West-Europa vindt typisch plaats tussen mei en augustus [8]. Onweersbuien zijn een veelvoorkomende oorzaak van stroomuitval en korte onderbrekingen. Uitval van sterk overbelaste hoogspanningslijnen kan leiden tot trapsgewijze uitval als gevolg van een hoge hernieuwbare toevoer en een lage vraag in combinatie met een lage inertie van het systeem en een gebrek aan kortsluitvermogen. Als zodanig moeten voldoende stabiele en dynamische veiligheidsmarges voorzien worden om een ​​continue elektriciteitsvoorziening te garanderen. De ervaring en kennis over dergelijke situaties groeit bijvoorbeeld in het oosten van Duitsland, waar 50 Hertz, de dochteronderneming van Elia, het grootste relatieve aandeel van hernieuwbare energiebronnen in een bepaald TSO-gebied in Europa verwerkt.

Als gevolg kunnen we de huidige situatie zien als een kleinschalig experiment van een door een hernieuwbare generatie gedomineerde toekomst in 2050 en een aantal conclusies trekken over hoe we het energiesysteem kunnen verbeteren om toekomstbestendig te zijn.

1. De combinatie van een lage vraag en een relatief hoog aandeel hernieuwbare energieopwekking heeft geresulteerd in zeer lage en zelfs negatieve day-ahead marktprijzen, wat op zich niet vaak wordt waargenomen. In de toekomst, met een veel groter aandeel hernieuwbare energieopwekking, moet de organisatie van elektriciteitsmarkten opnieuw worden bekeken om een ​​goed functionerende elektriciteitsmarkt te garanderen.

2. In een door hernieuwbare energieopwekking gedomineerde toekomst zullen een flexibele vraag en verschillende vormen van opslag op korte en lange termijn een sleutelrol spelen bij het in evenwicht brengen van hernieuwbare energieopwekking en vraag over verschillende tijdframes.

3. Vooral in de tweede helft van april zagen we een groot aandeel hernieuwbare energieopwekking met een gemiddelde stroomopwekking van 20% in België en bijna 40% in Duitsland. Desalniettemin is dit een bescheiden aandeel in vergelijking met de in 2050 verwachte opwekking van hernieuwbare energie. In de toekomst kan dit leiden tot aanzienlijke spanningen op de interconnectoren die enerzijds leiden tot ernstige congestie, en aan de andere kant een hoger risico op problemen met de systeemstabiliteit als gevolg van de lagere systeeminertie veroorzaakt door het gebrek aan klassieke generatie. Het gebruik van flexibele transmissieactiva en opslagsystemen is nodig om het systeem operationeel te houden.

Referenties

[1] Entso-e Transparency Platform, http://transparency.entsoe.eu/, last accessed April 24th, 2020.

[2] The German Renewable Sources Act EEG 2017 states that if the prices on the day-ahead spot market are negative for at least 6 consecutive hours, the renewable support is suspended within these hours, giving renewable energy sources incentive to curtail [3].

[3] Kristof De Vos, Negative Wholesale Electricity Prices in the German, French and Belgian Day-Ahead, Intra-Day and Real-Time Markets, The Electricity Journal, Volume 28, Issue 4, 2015, Pages 36-50, ISSN 1040-6190, https://doi.org/10.1016/j.tej.2015.04.001.

[4] Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien, Erneuerbare- Energien-Gesetz – EEG 2017, Ausfertigungsdatum: 21.07.2014, https://www.gesetze-im-internet.de/eeg_2014/EEG_2017.pdf

[5] Final Report of the Investigation Committee on the 28 September 2003 Blackout in Italy, UCTE, http://www.rae.gr/old/cases/C13/italy/UCTE_rept.pdf

[6] Final Report System Disturbance on 4 November 2006, UCTE 2007, http://ecolo.org/documents/documents_in_english/blackout-nov-06-UCTE-re…

[7] R., van den Damme, “The incident of August 4th 1982 of the Belgian Electricity System”, Intercom, September 12.

[8] D. Piper, M. Kunz, Spatio-temporal variability of lightning activity in Europe and the relation to the North Atlantic Oscillation teleconnection pattern, Nat. Hazards Earth Syst. Sci. Discuss., doi:10.5194/nhess-2017-35, 2017.