Kernenergie als ‘achtervang’ voor wind en zon in Nederland?

Op 20 oktober schreef Ralf Bodelier een stuk in het Financieele Dagblad onder de titel ‘Kernenergie maakt groei zon en wind mogelijk’. Hij schrijft daarin dat kernenergie CO2-vrij is en dat forse opschaling van het aantal kerncentrales  de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen fors kan terugdringen. En dat kernenergie daarbij niet in plááts komt van energie uit zon en wind, maar sámen gaat met zon en wind. Als achtervang, wanneer ’s nachts de zon niet schijnt en wanneer op windstille dagen de molens niet draaien. Ik ben sceptisch omdat wind- en zonne-energie samen zo’n groot gedeelte van de tijd stroom kunnen leveren dat ik me afvraag of een kerncentrale in de rest van de tijd wel economisch zou kunnen draaien.

Ik ken kerncentrales vooral als ‘basislast’

Dat kernenergie nauwelijks CO2-uitstoot geeft is helder, maar kerncentrales als flexibele achtervang voor wind en zon is nieuw voor me. Voor zover ik weet worden kerncentrales vooral ingezet als basislast. Dat wil zeggen centrales die dag en nacht draaien. De bouw van een kerncentrale vergt een enorme investering die het beste terugverdiend kan worden als de centrale zoveel mogelijk draait. Het stilzetten van een kerncentrale als er minder vraag is naar elektriciteit levert weinig kostenbesparing op omdat de zogenaamde marginale kosten (vooral de brandstof) van een kerncentrale erg laag zijn. Dat is voor kolen- en vooral gascentrales anders, daar maken de brandstofkosten een aanzienlijk deel uit van de totale kosten.

Nederlandse beleid is gericht op 70% van het elektriciteitsverbruik uit wind en zon in 2030

Bij het huidige energiebeleid zijn wind- en zonne-energie volgens de laatste Nationale Energieverkenning (NEV-2017) in 2030 goed voor ongeveer 70% van het totale elektriciteitsverbruik in Nederland. De zon schijnt niet altijd en het waait ook niet altijd, dus het is een belangrijke vraag waar tegen die tijd de elektriciteit vandaan moet komen op momenten dat zon en wind weinig opleveren. Inpassing van zulke grote hoeveelheden wind- en zonne-energie vraagt om een flexibel energiesysteem. Heb ik iets over het hoofd gezien en kan kernenergie daarin een belangrijke rol spelen? Ik ben nieuwsgierig en besluit op zoek te gaan naar meer informatie. Op twitter krijg ik direct van verschillende kanten referenties aangedragen.

Meningen verschillen over technische flexibiliteit van kernenergie

• Craig Morris volgt de energietransitie vanuit Duitsland. Hij is sceptisch over de vraag of kerncentrales technisch gezien voldoende flexibel zijn om als achtervang voor wind en zon. Hij schreef er deze blog over.
• Jilles van den Beukel verwijst naar een Duits artikel dat stelt de het vermogen van kerncentrales op- en afgeregeld kan worden, maar niet onder de 50% van het maximale vermogen.
• Lenny Coel stelt dat Franse kerncentrales regelmatig terug geregeld worden tot 15-20% van hun maximale vermogen . Hij verwijst naar verschillende rapporten over dit onderwerp.

Ik weet niet voldoende over het onderwerp om te kunnen inschatten hoe groot de technische flexibiliteit van verschillende kerncentrales is en of ze die flexibiliteit ook jaar in jaar uit zonder problemen zouden kunnen leveren. Los van de kwestie of het technisch kan, vraag ik me vooral af wat het economisch voor een kerncentrale betekent om als achtervang te functioneren.

Studie van MIT: kernenergie kan helpen om meer zon en wind in te passen in het netwerk (van 18% naar 20%)

Via twitter wijst Ralf Bodelier me op de bron van zijn stelling, namelijk een nieuwsbericht van MIT over een recente studie van Jesse Jenkins en collega’s. Het is een interessante case studie waarbij ze gekeken hebben naar een elektriciteitsnetwerk in het ZuidWesten van de Verenigde Staten (Arizona). In het gebied zijn grote mogelijkheden voor zonne-energie en er staat een kerncentrale. Met een economisch model analyseren Jenkins c.s. welke bijdrage de kerncentrale kan leveren aan het inpassen van zonne- en windenergie. Ze gaan daarbij uit van een scenario waarbij zonne-energie maximaal 17,1% en windenergie maximaal 4.9% van de totale elektriciteitsvraag over het hele jaar kunnen leveren. Als de kerncentrale het hele jaar op vol vermogen draait kan hij 25,2% van de vraag leveren.

De conclusie van de studie is dat zon (+14%) en wind (+4%) meer elektriciteit kunnen leveren in het scenario met de meeste flexibiliteit van de kerncentrale (‘FullFlex’) dan in het scenario waarin de kerncentrale altijd draait (‘NoFlex’). Zie de tabel hieronder uit de studie. Doordat de kerncentrale minder vermogen levert als er veel zon en/of wind is, hoeven deze duurzame bronnen minder vaak terug geregeld te worden (‘curtailment’). Het aandeel van zon en wind in het totale elektriciteitsverbruik stijgt van 18% in het ‘NoFlex’ scenario naar 20% in het ‘FullFlex’ scenario.

Een aantal dingen vallen op als we deze case studie vergelijken met de toekomstige situatie in Nederland:

• Het aandeel zon en wind samen is in de case studie van MIT met maximaal 22% een stuk lager dan het verwachte aandeel in Nederland in 2030 (ca. 70%).
• In de case studie gaat het vooral om zonne-energie. Die heeft in Arizona volgens de bron die MIT gebruikt een capaciteitsfactor van ongeveer 22% (veel hoger dan in Nederland want er is meer zon in Arizona).
• In Nederland gaat windenergie op zee de grootste bijdrage leveren. De capaciteitsfactor van moderne windparken op de Noordzee is ongeveer 50%. Dat betekent dat deze windparken gemiddeld over een heel jaar 50% van hun maximale vermogen leveren. Terwijl de zonnepanelen in Arizona dus gemiddeld over een jaar 22% van hun maximale vermogen leveren.

De capaciteitsfactor van de kerncentrale blijft ook in het ‘FullFlex’ scenario hoog met 94,4%. Zie laatste kolom in de tabel hieronder uit de MIT studie.

Dat betekent dat de kerncentrale in dat scenario gemiddeld over een jaar op 94,4% van zijn maximale vermogen draait. De conclusie van de MIT studie is dat de kerncentrale deze flexibiliteit goed kan leveren en dat de financiële marge van de centrale zelfs hoger is dan zonder het leveren van de flexibiliteit. Dat is mooi, maar het is sterk de vraag hoe relevant dat is voor de situatie in Nederland waar we veel grotere hoeveelheden wind en zon willen gaan inpassen.

Wat zou de capaciteitsfactor van kernenergie als ‘achtervang’ in Nederland in 2030 zijn?

Ik vermoed dat de capaciteitsfactor van een kerncentrale die in Nederland in 2030 als achtervang gaat functioneren voor zon en wind behoorlijk laag zal zijn. Ik opperde op twitter dat de capaciteitsfactor van de totale ‘achtervang’ lager dan 50% zal zijn, maar kreeg daar de nodige kritiek op. Ik ben nieuwsgierig en wil daarom graag een iets betere inschatting uit een publiek toegankelijke bron dan de achterkant van mijn bierviltje. Op twitter zie ik (in een andere context) een bericht langskomen over het energietransitiemodel en ik besluit te proberen of dat een wat betere inschatting kan geven. Het model heeft een module die voor een heel jaar per uur berekent hoe elektriciteitsproductie eruit ziet en kan die inschatting dus wellicht geven.

Ik wil graag weten hoeveel een kerncentrale in 2030 zou draaien met de hoeveelheden wind- en zonne-energie zoals beschreven in de Nationale Energieverkenning 2017. Ik ga daarbij uit van de gegevens  voor wind zon voor 2030 die ik eerder in deze blog beschreef. Hieronder in de tabel samengevat. Het energietransitiemodel rekent zowel op land als op zee met windturbines van 3 MW. Dat is zeker voor windenergie op zee achterhaald omdat daar turbines inmiddels van 7-9 MW worden gebruikt. Voor de uitkomsten van het model heeft dat volgens mij geen effect omdat je het aantal vollasturen dat de windturbines per jaar draaien kunt aanpassen.

Bron	Vermogen (GW)	Vollasturen per jaar	Capaciteits ­factor	Stroomproductie (miljard kWh/jaar)
Wind op zee	11,5	4322	49%	49
Wind op land	7,0	2500	29%	18
Zonnepanelen	14,5	958	11%	14

Verder heb ik in het model het vermogen van alle types kolencentrales in 2030 op nul gezet  omdat het huidige Kabinet daartoe besloten heeft. Om het overzichtelijk te houden hebben ik verder in aangenomen dat er tussen 2015 en 2030 geen veranderingen optreden in de elektriciteitsvraag. Dat is natuurlijk niet realistisch, maar het gaat mij in eerste instantie om een ruwe inschatting van de elektriciteitsproductie van een kerncentrale in 2030. Hieronder de samenstelling van de elektriciteitsproductie in Nederland in 2015 en 2030 volgens het model.

Zonder nieuwe kerncentrales leveren gascentrales de meeste flexibiliteit

In dit scenario levert windenergie in 2030 de meeste elektriciteit. Zie ter illustratie hieronder de elektriciteitsproductie in een week in januari volgens het model. De flexibiliteit wordt vooral geleverd door gas (lichtblauw in de grafiek) en import (grijs in de grafiek) en export. Volgens het model heeft de kerncentrale Borssele in dit scenario in 2030 een capaciteitsfactor van 54%.

Nieuwe kerncentrales krijgen in het model een capaciteitsfactor van 48-54%

Om te kijken hoe kernenergie zou functioneren als achtervang voor zoveel wind- en zonne-energie, is meer nucleair vermogen nodig. Dat gaat in een model heel eenvoudig.  In werkelijkheid is het volgens het PBL door de lange bouwtijd niet realistisch dat er in 2030 in Nederland een nieuwe kerncentrale zou kunnen draaien. Met 4,95 GW aan kerncentrales in 2030 (het model rekent in centrales van 1,65 GW) wordt kernenergie zichtbaar als bron van flexibiliteit. Zie de donkerblauwe blokken in de grafiek hieronder die  ter illustratie een week in augustus weergeeft. Er zijn ook weken met veel wind waarin de kerncentrales in het model niet of nauwelijks draaien. In dit scenario hebben de kerncentrales volgens het model een capaciteitsfactor van 48%. Daarbij zal het een rol spelen dat er vrij veel ‘must-run’ warmtekrachtcentrales (7 GW) in het model zitten. Die draaien als er warmte nodig is en verminderen in het model ongetwijfeld de elektriciteitsproductie van de kerncentrales. Als ik alle warmtekrachtcentrales in de industrie en landbouw weghaal uit het scenario, dan stijgt de capaciteitsfactor van de kerncentrales naar 54%.

Volgens het energietransitiemodel zouden (nieuwe) kerncentrales in Nederland in dit scenario in 2030 een capaciteitsfactor in de orde van 48%-54% hebben. Een groot deel van de tijd zouden ze stil staan of in deellast draaien door de hoge productie van wind- en zonne-energie. Een groot deel van de tijd hebben wind en zon de achtervang niet nodig.

Atoomstroom is bij een capaciteitsfactor van 50% ongeveer twee keer zo duur

Voor een nieuwe kerncentrale betekent een capaciteitsfactor in de orde van 50% dat de totale productiekosten per kilowattuur elektriciteit ruwweg verdubbelen. De kosten van kernenergie worden immers gedomineerd door de kapitaalslasten van de bouw van de centrale die verdeeld moeten worden over de geproduceerde kilowatturen.

Voor de nieuw Hinkley Point C kerncentrale heeft de Britse overheid een garantieprijs van 11 cent per kilowattuur af moeten geven voor de eerste 35 jaar. Met daarbovenop inflatiecorrectie. Daarbij is ervan uitgegaan dat de centrale als basislast gaat functioneren en dus een hoge capaciteitsfactor krijgt. Als een vergelijkbare centrale gemiddeld maar de helft van de tijd zou draaien, dan zou de stroom uit die centrale meer dan 20 cent per kilowattuur gaan kosten. Het Franse energiebedrijf EDF heeft gezegd de volgende Britse kerncentrale met 20% lagere kosten te kunnen bouwen. Maar ook dan zou de stroom uit zo’n centrale met een lage capaciteitsfactor erg duur zijn vergeleken met stroom uit zon, wind of aardgas.

In de discussie op twitter zei Jesse Jenkins hierover:  “@Vision23 is right, operating a nuclear plant at 50% capacity factor does not make economic sense. My models never show nuclear + wind/solar resulting in that. But it does show nuclear at 70-85% capacity factor which allows ~50-60% nuclear and 40-50% wind/solar with battery help” 

Samenvattend denk ik dat kernenergie als achtervang voor wind in zon in Nederland om economische redenen niet erg geschikt is. Dat komt vooral door de hoge capaciteitsfactor van wind op zee. Het waait op de Noordzee zo vaak en hard dat de zogenaamde ‘achtervang’ maar een klein deel van de tijd nodig is. Daar komt zonne-energie nog bovenop die over het jaar heen een goede aanvulling is op windenergie. Het waait meer in de winter, terwijl er in de zomer meer zon is. Dat wil niet zeggen dat er geen achtervang, of beter gezegd: flexibiliteit nodig is.

Voor inpassing van veel wind en zon is meer flexibiliteit nodig

De inpassing van zoveel wind- en zonne-energie vergt zeker aanpassingen in het elektriciteitssysteem. Het systeem zal flexibeler moeten zijn om te reageren op de fluctuaties in de hoeveelheid wind en zon. Die flexibiliteit zal niet uit een bron komen, maar geleverd worden door een combinatie van bronnen van flexibiliteit. Mooi geïllustreerd in een rapport van de Europese brancheorganisatie Wind Europe.

Nederland heeft een goede uitgangspositie voor het inpassen van veel wind- en zonne-energie omdat we een goed elektriciteitsnetwerk en een goed functionerende elektriciteitsmarkt hebben:

• De beheerder van het nationale elektriciteitsnetwerk TenneT is al hard bezig om zich voor te bereiden op de energietransitie en een veel grotere bijdrage uit wind- en zonne-energie.  Datzelfde geldt voor de beheerders van de regionale netwerken.
• Nederland kan voor de inpassing van het fluctuerende aanbod gebruik maken van een grote capaciteit van verbindingen met de buurlanden (‘interconnection’). Op dit moment worden de verbindingen met Duitsland verder uitgebreid en wordt er een nieuwe verbinding met Denemarken gerealiseerd.
• Een deel van de fluctuerende productie van wind en zon kan opgevangen worden door het gebruik van elektriciteit waar mogelijk aan te passen aan het aanbod op dat moment (‘demand response’).
• Er zijn ook verschillende manieren in ontwikkeling om elektriciteit op te slaan (‘storage’), zie bijvoorbeeld dit artikel in het Algemeen Dagblad.
• Gascentrales (al dan niet deels op biogas of waterstof) zijn uitstekend geschikt als achtervang voor langere perioden met weinig wind en zon.Nederland heeft een groot park van flexibele gascentrales die naar behoefte snel meer of minder elektriciteit kunnen produceren.
• TenneT publiceert jaarlijks een monitor leveringszekerheid waarin wordt geanalyseerd of er extra maatregelen nodig zijn om de leveringszekerheid te garanderen. In 2017 was de conclusie ‘Leveringszekerheid van elektriciteit in Nederland blijft ook bij sterke groei zonne- en windenergie gewaarborgd‘.

In de lopende onderhandelingen voor een Klimaatakkoord wordt ook nadrukkelijk aandacht besteed aan de benodigde flexibiliteit en de noodzaak om regelbaar vermogen te ontwikkelen dat CO2-vrij is. Zie daarover bijvoorbeeld hoofdstuk 14 van de PBL analyse van de hoofdlijnen voor het Klimaatakkoord.