www.ecn.nl

Rol van gas in het Nederlandse energiesysteemJeroen de Joode

‘s Hertogenbosch7 oktober 2014

ECN publicaties

• NEV 2014 – 7 oktober 2014 • P2G Systeemstudie – 30 september 2014

NEV 2014

• Feitelijke informatie over stand van zaken en verwachte ontwikkelingen energie en klimaat– Wat zijn de belangrijkste ontwikkelingen?– Wat is hun impact?

• Opdrachtgevers: Ministeries en Borgingscommissie Energieakkoord• Groeimodel: 2014 eerste van reeks• Consortium ECN – PBL – CBS – RVO waarin expertise is gebundeld• Twee projecties: - met vastgestelde acties en beleid

- met vastgestelde en voorgenomen acties en beleid

P2G Systeemstudie

• Welke rol speelt P2G in de toekomst, en wat zijn hiervoor de drivers en bottlenecks?

• Integrale analyse van NL energiesysteem: verkenning van mogelijkheden voor P2G op middellange en lange termijn

• Lessen voor lange termijn, strategische beslissingen door private en publieke partijen

• Duur project: november 2012 – februari 2014• In kader van TKI gas• Project uitvoerders: ECN en DNV GL

Gas in het Nederlandse energiesysteemInzichten uit Nationale Energie

Verkenning 2014

Meer hernieuwbare energie, minder aardgas

• NB: olie dominante energiedrager tussen 2025 en 2030

Bron: Hekkenberg en Verdonk (2014)

Ook tot 2030 vooral wind en biomassa

• Biomassa-inzet verschuift op termijn naar groen gas productie

• Prijs, beschikbaarheid biomassa en afzetmogelijkheden reststroom zijn kritische succesfactoren

Bron: Hekkenberg en Verdonk (2014)

Gasverbruik huishoudens blijft dalen

Bron: Hekkenberg en Verdonk (2014)

• Totale gasvraag daalt licht (zie slide 13)

• Compensatie van afname bij huishoudens door toename in industrie en transport

Elektriciteit: minder gas, meer zon en wind (capaciteit)

• Toename wind en zon

• Kolen gelijk• Gas neemt af

Bron: Hekkenberg en Verdonk (2014)

Maar de zon schijnt niet altijd (productie)

• Aandeel gas 60% tot 2011, in 2012 nog maar 50%

• Bezettingsgraad gascentrales in 2014 ca. 16% (1400 draaiuren)

• Verbetering tot 2023, daarna weer verschlechtering

Bron: Hekkenberg en Verdonk (2014)

Rond 2025 wordt Nederland netto gasimporteur

• Exclusief eventuele productie van schaliegas• Ontwikkelen van schaliegas leidt mogelijk tot beperkt uitstel

Bron: Hekkenberg en Verdonk (2014)

Rol gas op lange termijnInzichten uit Systeemstudie P2G

15

Wat en waarom Power-to-Gas?

• Gebruik van elektriciteit voor productie van een gasvormige energiedrager– Vaak wordt synthetisch aardgas bedoeld; CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O (Sabatier proces)– … maar eerste stap is altijd waterstof; 2H2O 2H2 + O2 (elektrolyse)

• Aandacht door ontstaan van overtollige elektriciteit (surplus elektriciteit) bij voortgaande inzet van wind- en zonne-energie via windturbines en zonnepanelen

• Maar P2G kan een bredere rol spelen voor energiesysteem

(Aard)gassysteem

Energy Storage 2012, Luxembourg, 29 Feb – 1 March 2012

Elektriciteitssysteem

Elek

tric

iteits

prod

uctie

H2 als chemische feedstock in

industrie

Rol P2G in energiesysteem

Bron: ECN

(Aard)gassysteem

Energy Storage 2012, Luxembourg, 29 Feb – 1 March 2012

Elektriciteitssysteem

Elek

tric

iteits

prod

uctie

H2 als chemische feedstock in

industrie

Electrolyse (P2G)

WATERSTOF (H2)Opslag, transport en

distributie

Rol P2G in energiesysteem

Het begint altijd met productie van

waterstof

Bron: ECN

(Aard)gassysteem

Energy Storage 2012, Luxembourg, 29 Feb – 1 March 2012

Elektriciteitssysteem

Elek

tric

iteits

prod

uctie

H2 als chemische feedstock in

industrie

Brandstofcelsystemen:Re-electrificatie

Electrolyse (P2G)

WATERSTOF (H2)Opslag, transport en

distributie

Rol P2G in energiesysteem

Bron: ECN

P2G als ‘opslag’ voor elektriciteitssysteem

Methanisering:2H2 + “C” = CH4

(Aard)gassysteem

Energy Storage 2012, Luxembourg, 29 Feb – 1 March 2012

Elektriciteitssysteem

Elek

tric

iteits

prod

uctie

H2 als chemische feedstock in

industrie

Brandstofcelsystemen:Re-electrificatie

Electrolyse (P2G)

WATERSTOF (H2)Opslag, transport en

distributie

Rol P2G in energiesysteem

Bron: ECN

P2G in enge zin: waterstof gassysteem

Bijmengen van H2:“Vergroenen gas”

Methanisering:2H2 + “C” = CH4

(Natural) Gas grid

Energy Storage 2012, Luxembourg, 29 Feb – 1 March 2012

Elektriciteitssysteem

Elek

tric

iteits

prod

uctie

(Aard)gassysteem

Bijmengen van H2:“Vergroenen gas”

H2 als brandstof in transportsector

H2 als chemische feedstock in

industrie

Brandstofcelsystemen:Re-electrificatie

Electrolyse (P2G)

WATERSTOF (H2)Opslag, transport en

distributie

Rol P2G in energiesysteem

H2 voor hoge temperatuur warmte-

vraag industrie

H2 via (lokale) netwerk(en)) voor

warmtevoorziening in gebouwde omgeving

Bron: ECN

P2G in brede zin: waterstof

eindverbruikers

Uitdaging voor de lange termijn vanuit systeemperspectief

• Kosten-optimaal invullen van klimaatdoelstellingen vanuit maatschappelijk perspectief– 80-95% CO2 emissie reductie in 2050

1. Hoe krijgen we de energiebalans kloppend?

2. Hoe houden we het energiesysteem in balans?

Conclusie P2G systeemstudie

• P2G kan bijdrage leveren aan benodigde flexibiliteit voor integratie van zon en wind in het elektriciteitssysteem, maar…

• … dit is onvoldoende voor een positieve business case– Technologie is zeer kapitaalsintensief, relatief veel draaiuren nodig

• Een mix van opties is kosten-efficienter:– Curtailment, vraagrespons, interconnectie met buitenland, flexibele electrificatie van

energievraag, back-up centrales, opslag (centraal en /of decentraal)

• P2G faciliteert vooral de verdergaande integratie van zon en wind in het energiesysteem– I.e. P2G als belangrijke schakeltechnologie

Observaties t.a.v. gasvormige energiedragers

• Aardgas i.c.m. CCS, bio-gas, waterstof, (groene) methaan spelen allemaal een rol in een Nederlandse energiehuishouding waarin een verregaande CO2 emissiereductie wordt gerealiseerd

• Omvang / importantie is sterk afhankelijk van:

1. Beschikbaarheid en acceptatie van CO2-vrije opties 2. Technologische ontwikkeling

Hoofdboodschappen

Hoofdboodschappen

• Meer hernieuwbare energie en minder aardgas in de energiemix

• Gasverbruik huishoudens blijft dalen

• Gasverbruik in elektriciteitsproductie neemt af, maar blijft belangrijk als back-up

• Nederland wordt netto-importeur van gas omstreeks 2025

• Gasvormige energiedragers zijn belangrijk bij verdergaande verduurzaming van het Nederlandse energiesysteem

• Belangrijkste rol P2G is niet opslag, maar faciliteren CO2-emissie reductie

Dank voor uw aandacht

ECNWesterduinweg 3 P.O. Box 11755 LE Petten 1755 ZG PettenThe Netherlands The Netherlands T +31 88 515 49 49 info@ecn.nlF +31 88 515 44 80 www.ecn.nl

Jeroen de Joodedejoode@ecn.nl088 515 8250

Extra slides NEV

Power-to-Gas: onderscheid elektriciteit en energie

• Bijdrage van sectoren aan bruto eindverbruik in 2012

• Gearceerde delen betreffen het elektriciteitsverbruik binnen de sectoren (ca. 17% van totaal)

Bron: Hekkenberg en Verdonk (2014)

Belangrijkste omgevingsfactoren

• Bevolking groeit verder• De economie groeit vanaf 2015 gemiddeld met 1,5 % per jaar• Prijzen van fossiele brandstoffen stijgen in de toekomst verder

– Volgens IEA World Energy Outlook 2013• De prijs van CO2-emissierechten zal weer geleidelijk stijgen• Nederland en andere Europese landen doelen, beleid en acties om

hun energiehuishouding te verduurzamen

Economie groeit iets minder snel, energieverbruik ontkoppelt

Veronderstelde prijzen voor CO2-emissierechten

Olieprijs stijgt in bescheiden mate

Gasprijs stijgt na 2017

Kolenprijs vanaf 2020 hersteld

Nationale ontwikkelingen: energie en broeikassen

• Forse groei hernieuwbare energie, maar met forse onzekerheden

• Afname aardgasverbruik

• Lichte daling energieverbruik van eindverbruikers tot 2020

• De dalende trends voor broeikasgassen zullen zich voortzetten

Meer hernieuwbare energie, minder aardgas

Energieverbruik neemt tot 2020 licht af en daarna licht toe

Daling energieverbruik bij huishoudens en verkeer, stijging bij industrie

Besparingsdoel Energieakkoord voor extra besparing wordt niet gehaald

Sector Energiebesparing (PJ) Doel

Industrie 7 – 14

Land- en tuinbouw 3- 9

Gebouwde omgeving 10 – 39

Totaal 19 - 61 100

Groei hernieuwbaar met grote onzekerheden omgeven

Ook tot 2030 vooral wind en biomassa

Uitstoot van broeikasgassen neemt af

Broeikasgasdoel 2020 (niet-ETS) wordt gehaald

Sectorale ontwikkelingen

• Hernieuwbare energie wordt steeds belangrijker voor de elektriciteitsproductie.

• Trendbreuk energieverbruik gebouwde omgeving en verkeer & vervoer; van stijgend energieverbruik in het verleden naar dalend verbruik het komende decennium.

Gasverbruik huishoudens blijft dalen

Apparaten worden zuiniger

Energieverbruik en CO2-emissies verkeer dalen licht

WKK glastuinbouw daalt sterk

• Figuur 4.15 Voorziening van de warmtevraag in de glastuinbouw

Energieverbruik industrie neemt toe

Elektriciteit: minder gas, meer zon en wind (capaciteit)

Maar de zon schijnt niet altijd (productie)

Elektriciteitsprijs blijft eerst laag, daarna werken grondstofprijzen door

• Figuur 4.21 Ontwikkeling gemiddelde groothandelsprijs elektriciteit

Rond 2025 wordt Nederland netto gasimporteur

Innovatie in het energiesysteem

• De publieke bestedingen aan energie RD&D in Nederland dalen sinds 2010. Het verloop van de private bestedingen in deze sector is over die periode onbekend.

• Innovatie speelt een belangrijke rol bij de kostenreductie van wind op zee. Partijen werken daar steeds meer in samen.

• In de afgelopen jaren is er een sterke prikkel geweest om innovaties in het personenvervoer te stimuleren.

Forse daling kosten wind op zee mogelijk

Groei en werkgelegenheid

• Energiegerelateerde activiteiten leveren een belangrijke bijdrage aan de Nederlandse economie. De bijdrage van de conventionele energiesector is groot, maar krijgt te maken met krimp.

• De werkgelegenheid van de energie exploitatie activiteiten is tussen 2005 en 2013 met 14 procent gestegen en blijft tot 2020 ongeveer gelijk. Er wordt hierin een verschuiving van conventionele naar hernieuwbare energie verwacht.

• De werkgelegenheid door investeringen in zonnepanelen en windturbines is hard gegroeid en zal naar verwachting verder blijven groeien.

Bijdrage energie aan bbp gaat sterk dalen

En daarmee de werkgelegenheid

Maar niet als we die breder zien

Want investeringen in energiebesparing en hernieuwbare energie nemen toe

De kernresultaten

• Sterke toename van hernieuwbare energie, maar doel wordt nog niet gehaald

• Afname van het aandeel van aardgas• Energieverbruik vervoer en gebouwen neemt af

• Energietransitie Nederland wordt zichtbaar

Extra slides P2G

ResultsP2G output sheets

Indicator

Unit

Explanation

CO2 emission level [Mton / yr]

CO2 reduction [1990 = 0%]

CO2 shadow price [€/ton] CO2 shadow prices needed to realize CO2 reductions1

Total energy system cost [Bln€/yr] Total annual energy system costs

Wind [GWe] Amount of installed wind-based electricity generation capacity

Wind [TWh/yr] Annual electricity production using Wind turbines

Solar PV [GWe] Amount of installed solar-based electricity generation capacity

Solar PV [TWh/yr] Annual electricity production Solar PV

Curtailment wind [TWh/yr] Amount of wind energy not realized due to switching off turbines

Curtailment wind [%] Percentage of wind energy not realized due to switching off turbines

Curtailment solar PV [TWh/yr] Amount of solar electricity not realized due to switching off solar panels

Curtailment solar PV [%] Percentage of solar electricity not realized due to switching off solar panels

Electrolysis [GWe] Amount of installed electrolysis capacity, expressed as electricity input

1 The CO2 shadow price is the price of avoiding the last ton of CO2 to realise the CO2 reduction target and reflects the costs of the CO2 emission

reduction option that is deployed for this purpose. As the target becomes stricter or the CO2 emission reduction options become more scares, the CO2 shadow price will increase accordingly. The CO2 shadow price cannot be simply compared to the CO2 price of the European Trading Scheme (ETS) as the ETS covers only a limited part of overall energy system demand. The CO2 shadow price should rather be compared with the implicit cost of policies aimed at reducing CO2 emissions in non-ETS sectors such as transport. For example, the Netherlands Court of Audit calculated that the implicit cost - in terms of CO2 emissions avoided - of a specific fiscal scheme aimed at growth in sustainable energy demand in the transport sector was about €1,000 per ton.

Indicator

Unit

Explanation

CO2 emission level [Mton / yr]

CO2 reduction [1990 = 0%]

Electrolysis [TWh/yr] (input)

Annual amount of electricity fed into electrolysis

Electrolysis [kton H2/yr] (output)

Annual amount of hydrogen generated via electrolysis

Electrolysis [hours] Full load hours for electrolysis

Electrolysis investment [M€/yr] Annual amount of capital investments for electrolysis

H2 demand [kton H2/yr] Total annual demand for hydrogen Gas network (H2

admixing) [kton H2/yr] Total annual amount of hydrogen

injected in the natural gas network

Transport [kton H2/yr] Total annual amount of hydrogen consumed by the transport sector

Other H2 demand [kton H2/yr] Hydrogen demand for other applications

Methanation [kton H2/yr] Amount of hydrogen used for methane generation

Electricity Storage (large-scale) [TWh/yr]

Annual amount of electricity stored using large scale storage facilities

Electricity Storage (small-scale) [TWh/yr]

Annual amount of electricity stored using electrical vehicles

Electricity imports / exports

[TWh/yr] The annual amount of imported and exported electricity (net exchange always equals zero)

Conclusion #1Deep CO2 emission reductions main driver P2G

Conclusion #1Deep CO2 emission reductions main driver P2G

Conclusion #1Deep CO2 emission reductions main driver P2G

Conclusion #2Need for flexibility insufficient driver for P2G

Mix of options is (more) cost-efficient• Temporary curtailment• Cross-border exchange of electricity• More flexible electricity demand (i.e. demand side response)• Flexible electrification of energy demand• Dispatchable electricity generation units• Electricity storage (large & small scale)• Flexible operation of electrolysis (P2G)

Use of these options implies increased system integration (e.g. P2H) and adoption of hybrid solutions (e.g. FC-EV, hybrid heat pumps)

IllustrationOptions contributing to system flexibility

IllustrationOptions contributing to system flexibility

Curtailments(≈ 9 TWh / yr)

IllustrationOptions contributing to system flexibility

P2G(≈ 7 TWh / yr)

IllustrationOptions contributing to system flexibility

Storage(≈ 12 TWh / yr)

IllustrationOptions contributing to system flexibility

Flexible electricity

demand

IllustrationOptions contributing to system flexibility

Back up capacity gas

IllustrationOptions contributing to system flexibility

Interconnection capacity(≈ 2 TWh / yr)

IllustrationOptions contributing to system flexibility

Increased nuclear flex