Door de energietransitie hangen de energieproductie en ook het -verbruik steeds meer af van de weersomstandigheden. Dat maakt de maatschappij op een nieuwe manier gevoelig voor de gevolgen van het weer.
Om verdere klimaatverandering te voorkomen moet de mondiale uitstoot van broeikasgassen drastisch omlaag. Een noodzakelijke stap om dat te bereiken is de overgang van fossiele brandstoffen als bron van energie naar hernieuwbare bronnen. Een van de problemen daarbij is dat de energieproductie uit wind en zon sterk afhankelijk is van het weer. En de introductie van warmtepompen – een ander aspect van de transitie – leidt juist tot extra stroomverbruik. En dus een grotere afhankelijkheid van het weer. Dit maakt de transitie ingewikkeld, want ook in periodes met ongunstig weer moet de levering van elektriciteit gegarandeerd zijn.
Analyse energietekort
Het KNMI onderzocht situaties met een groot ‘potentieel energietekort’, oftewel de dagen dat de energievraag de energieproductie uit wind en zon sterk overtreft. Als we deze situaties goed in beeld hebben, kunnen we daar rekening mee houden bij de inrichting van het toekomstige energienet. Want als de productie van windenergie op de Noordzee tegenvalt, of de vraag naar energie uitzonderlijk hoog is, mag de continue levering van elektriciteit niet in gevaar komen.
Onze analyse is gebaseerd op gegevens uit KNMI’s mondiale klimaatmodel EC-Earth, dat de toestand van atmosfeer, oceanen, zee-ijs en landoppervlak kan nabootsen. Een groot experiment met dit klimaatmodel heeft ons 2000 jaar aan gesimuleerd weer opgeleverd. Voor onze analyse hebben we de volledige 2000 jaar aan weerdata doorgerekend met een energiemodel en zo een schatting van 2000 x 365 dagen aan energieproductie en energievraag verkregen.
We kijken naar een groot West-Europees gebied (vijftien landen) en nemen aan dat elektriciteit direct over het hele gebied gedeeld en getransporteerd kan worden. De analyse laat zien onder welke (meteorologische) omstandigheden grote energietekorten kunnen optreden in een energiesysteem dat vooral wordt gevoed door hernieuwbare bronnen.
Jaarlijkse cyclus
De jaargemiddelde productie van hernieuwbare energie in ons energiemodel is 2,7 TWh/dag (1 TWh = 1 miljard kWh = 600.000 vaten olie). Doordat het ’s winters gemiddeld harder waait dan ’s zomers, wordt er in de winter gemiddeld meer energie geproduceerd (zwarte lijn in figuur 1A). Dit terwijl de dagen in de zomer langer zijn, waardoor zonne-energie ’s zomers rendabeler is dan in de winter. Voor het ontwerp van een stabiel energienet met een continue levering van elektriciteit is de variabiliteit van de energieproductie echter van groter belang dan de gemiddelde omvang van de productie. De mate waarin de productie van dag tot dag verschilt, oftewel de standaardafwijking van de hernieuwbare energieproductie is 1,1 TWh/dag. Ook deze variabiliteit is in de wintermaanden groter dan in de zomermaanden (zie verschil bandbreedte in figuur 1A).
De (gesimuleerde) energievraag is gemiddeld 7,9 TWh/dag en ligt ’s winters hoger dan ’s zomers door het hoge energieverbruik van verwarmingsinstallaties (figuur 1B). Deze energievraag is groter dan de (gesimuleerde) productie. Dit leidt tot een potentieel energietekort (figuur 1C) van gemiddeld 5,1 TWh/dag, met flinke uitschieters, vooral in de winter. We selecteren 200 dagen met een extreem potentieel energietekort (met een minimale herhalingstijd van eens in de tien jaar, gestreepte lijn in figuur 1C); deze vallen van november tot maart, dit zijn dus de kritische maanden.
Weersomstandigheden
Op dagen met een hoog potentieel tekort ligt er een groot hogedrukgebied over Centraal Europa (figuur 2), wat leidt tot lage windsnelheden in heel Europa (figuur 2A). Boven grote delen van het continent is de windsnelheid lager dan de snelheid waarbij windturbines stroom beginnen te leveren. In het Noordzeegebied, waar veel windmolens staan, is de windsnelheid veel lager dan normaal en is het energiepotentieel zo’n 63 procent lager. De totale productie van windenergie over het gebied is hierdoor minimaal.
Inkomende zonnestraling is lager dan normaal in het Middellandse Zeegebied, maar hoger in Centraal Europa (figuur 2B). In Zuid-Europa produceren zonnepanelen dus iets minder energie (3 procent) dan normaal, terwijl de productie in de wintermaanden sowieso al laag is door de kortere dagen. De heldere luchten over Centraal Europa leiden ’s nachts tot sterke afkoeling aan het aardoppervlak (de warmte kan ongehinderd opstijgen). In combinatie met aanvoer van kou uit het oosten geeft dit zeer lage temperaturen (figuur 2C). Het energieverbruik in Europa neemt hierdoor toe.
Dit mondt uit in een hoog potentieel energietekort. Het is een voorbeeld van een compound event: de combinatie van twee of meer gebeurtenissen die samen leiden tot een maatschappelijk of natuurlijk risico. Lage windsnelheden beperken de hernieuwbare energieproductie, terwijl lage temperaturen de energievraag opstuwen. Samen resulteert dit dan in een hoog potentieel energietekort.
Aanhoudende hogedrukgebieden
De meteorologische omstandigheden in figuur 2 gelden voor een 1-daags hoog potentieel energietekort. Zulke situaties zijn op te vangen in het energienet door gebruik te maken van opgeslagen energie (in batterijen, waterstofcentrales, waterkrachtcentrales, Tesla’s, enzovoort) of het energieverbruik te verschuiven (vraagsturing, dynamische energieprijzen, enzovoort). Wij hebben eenzelfde analyse uitgevoerd voor 7- en 14-daagse periodes van hoog potentieel energietekort. Meteorologisch gezien zijn de condities vergelijkbaar: een groot hogedrukgebied, lage windsnelheden over land en boven de Noordzee, en lage temperaturen. Maar als het hogedrukgebied lang aanhoudt op dezelfde plek, houdt ook het energietekort dagen aan. Dat is waarschijnlijk niet op te vangen met batterijen of vraagsturing. In zo’n geval moeten back-up energiecentrales met lage CO2-uitstoot soelaas bieden of andere hernieuwbare energiebronnen die niet zijn meegenomen in deze analyse. Alle situaties van hoog potentieel energietekort vallen in de wintermaanden (figuur 3).
Nieuwe risico’s
De KNMI-analyse laat zien dat de energietransitie leidt tot nieuwe maatschappelijke risico’s. Het toenemende aantal windturbines en zonnepanelen in Nederland en Europa maakt de productie van energie steeds meer weersafhankelijk. En door bijvoorbeeld de introductie van warmtepompen wordt ook het verbruik van elektriciteit in toenemende mate afhankelijk van het weer. Ongunstige weersomstandigheden kunnen dus leiden tot ongewenste situaties en in het slechtste geval stroomuitval. Er moet niet alleen voldoende capaciteit komen om gemiddeld genoeg energie te kunnen leveren. Het nieuw te bouwen energiesysteem moet ook kunnen leveren bij winterkou en lage windsnelheden. Alleen dan zal de energietransitie lukken.
BRON
