Kernenergie staat weer nadrukkelijk op de agenda in de discussie over de energietransitie in Nederland. Er wordt regelmatig verwezen naar een recent rapport van het MIT: met kernenergie zou een volledig CO2-vrije energievoorziening veel goedkoper zijn dan zonder en kernenergie zou flexibele ‘achtervang’ kunnen zijn voor als het niet waait en de zon niet schijn. Het leek mij hoog tijd het rapport zelf eens te lezen. In deze blog haal ik er een aantal punten uit die mij opvielen en me relevant lijken voor de discussie in Nederland (het is dus geen poging om het hele rapport samen te vatten).
In het kort:
- Het rapport gaat over de bijdrage van kernenergie op de lange termijn: de goedkoopste CO2-arme elektriciteitsproductie is voor een aantal regio’s berekend voor 2050.
- MIT constateert dat de kosten van nieuwe kerncentrales op dit moment hoog zijn en dat het in de VS en West-Europa nu geen aantrekkelijke investering is.
- Bij gematigde CO2-reductie is duurzame energie (wind en zon) volgens het MIT-rapport goedkoper dan kernenergie.
- Het rapport concludeert dat kernenergie een flinke rol kan spelen in een CO2-vrije elektriciteitsproductie, maar dat dat alleen economisch is als de kosten van nieuwe kerncentrales fors omlaag gaan.
- In regio’s in de Westerse wereld met veel wind en zon (zoals Texas) speelt kernenergie alleen een rol in de MIT-scenario’s met zeer lage CO2-uitstoot of als de kosten van nieuwe kerncentrales extreem laag worden.
- In China ziet MIT een grote rol voor kernenergie omdat de kosten van nieuwe kerncentrales daar veel lager zijn dan in het Westen.
- In de scenario’s van MIT speelt kernenergie geen rol als flexibele ’achtervang’ voor duurzame energie, maar produceren ze ’basislast’ waarbij de kerncentrales het grootste deel van de tijd op volle kracht draaien.
- MIT heeft naast kernenergie alleen gekeken naar batterijen als flexibele/regelbare CO2-vrije optie, niet naar waterstof, biogas of andere vormen van biomassa of biomassa met CO2-opslag. Windenergie op zee is in de studie ook niet meegenomen.
Nieuwe kerncentrales in het Westen zijn veel duurder dan benchmark uit vorige MIT rapport uit 2009
Het MIT overzichtsrapport over de status en toekomst van kernenergie heet ’The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World’ en verscheen in september van dit jaar. Het is een update van vergelijkbare rapporten uit 2003 en 2009.
In het vorige rapport uit 2009 stelde MIT de vraag: gaat het lukken om nieuwe kerncentrales op tijd en zonder grote kostenoverschrijdingen te bouwen? In de grafiek hieronder vergelijkt MIT de investeringskosten voor de nieuwe kerncentrales die in aanbouw zijn in Finland, Frankrijk, het Verenigd Koninkrijk en de VS met de benchmark uit het 2009 rapport. MIT concludeert dat de eerste nieuwe kerncentrales van de III+ generatie in het Westen ’spectaculair gefaald’ zijn voor deze test.
Het rapport constateert dat de kosten van nieuwe kerncentrales hoog zijn en dat het bouwen ervan in de VS en West-Europa op dit moment geen aantrekkelijke investering is. De bouw van de kerncentrale ‘V.C. Summer 2&3’ werd in 2017 gestopt vanwege de grote kostenoverschrijdingen.
MIT concludeert dat de bouw van nieuwe kerncentrales in Zuid-Korea en China veel goedkoper is dan in het Westen, zie de rechterhelft van de grafiek hieronder (links zijn de kosten van kerncentrales in het verleden). Volgens MIT komt dat deels doordat in het Westen lange tijd geen nieuwe kerncentrales gebouwd zijn en omdat het om nieuwe reactorontwerpen gaat (AP1000 en EPR) die geplaagd worden door ‘First of a Kind’ problemen. Daarnaast zijn de arbeidskosten in China en Zuid-Korea volgens MIT lager en de arbeidsproductiviteit hoger.
Het rapport stelt dat voor kostenreductie de focus niet moet liggen op het ontwerp van de reactor, maar vooral op de manier waarop de centrale wordt gebouwd en op het verkorten van de bouwperiode. Standaardisatie van het ontwerp en hetzelfde ontwerp vaak toepassen zou volgens MIT een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan lagere kosten. Hoofdstuk 2 van het rapport doet aanbevelingen hoe dat zou kunnen en stelt dat daarmee een kostenreductie van 25-30% haalbaar is voor nieuwe kerncentrales in de VS.
Scenario’s voor CO2-reductie elektriciteitsproductie in 2050
Met het computermodel GenX heeft het MIT de goedkoopste manier berekend om in 2050 elektriciteit te produceren bij verschillende doelstellingen voor de CO2-uitstoot. Deze analyse is uitgevoerd voor 2 regio’s in de VS (Texas en New England), 2 regio’s in China, het Verenigd Koninkrijk en Frankrijk. In de analyse zijn de volgende technologieën meegenomen: zonnepanelen, windenergie op land, kolencentrales met en zonder CO2-opslag, gascentrales met en zonder CO2-opslag, kerncentrales (LWR) en batterijen. Daarnaast is er voor elke regio een maximaal vermogen van 500 MW aan waterkrachtcentrales met pompaccumulatie opgenomen (mijn indruk is dat bestaande stuwmeren met pompaccumulatie zoals in Frankrijk niet zijn meegenomen). Ik vind het opvallend dat windenergie op zee, biomassa en waterstof niet zijn meegenomen. Daarover later meer.
Voor elke regio is de berekening uitgevoerd bij verschillende ambitieniveaus voor de CO2-uitstoot: 500, 100, 50, 10 en 1 gram CO2 per kilowattuur elektriciteitsproductie. Ter vergelijking: in Nederland is de CO2-uitstoot van elektriciteitsproductie op dit moment ongeveer 500 gram per kilowattuur en in Frankrijk ongeveer 90 gram/kWh (door de grote rol van kernenergie). Voor de ‘nominale’ kosten voor nieuwe kerncentrales in 2050 heeft MIT gerekend met een investering van $5500 per kilowatt vermogen. Merk op dat dat aanzienlijk lager is dan voor de nieuwe kerncentrales die momenteel in aanbouw zijn in de EU en VS ($6500-$8500/kW volgens MIT, zie figuur 2.3 hierboven). De goedkoopste elektriciteitsproductie is steeds berekend voor 5 scenario’s voor kernenergie.: geen kernenergie, kernenergie met ‘nominale’ kosten, met hoge kosten (+25% vergeleken met ‘nominaal’), met lage kosten (-25%) en met extreem lage kosten (-50%).
In Texas grote rol voor wind en zon
In Texas is veel wind en veel zon en daarom speelt duurzame energie uit wind en zon (geel in de grafiek hieronder) een grote rol in vrijwel alle scenario’s voor Texas. In het model is gerekend met een capaciteitsfactor van 35,6% voor windenergie op land in Texas en 26% voor zonne-energie. In de scenario’s met lage ambitie voor CO2-reductie (500 gram per kWh, vergelijkbaar met de huidige uitstoot in de VS) spelen conventionele aardgascentrales (oranje) een belangrijke rol. In de scenario’s met hogere CO2-ambities spelen CO2-opslag (groen) en energieopslag (blauw) ook een rol. In de scenario’s voor Texas speelt kernenergie bij ‘nominale’ kosten een bescheiden rol bij een doel van 10 gram CO2 per kWh en een grotere rol bij 1 gram CO2 per kWh. In de overige CO2-scenario’s speelt kernenergie alleen een rol als de kosten ervan laag of extreem laag worden.
Kernenergie maakt CO2-reductie in Texas alleen veel goedkoper als kosten nieuwe kerncentrales extreem laag worden of CO2-ambitie extreem hoog
De kosten van elektriciteitsproductie zijn voor de meeste scenario’s voor Texas in dezelfde orde van grootte, zie de grafiek hieronder. Kernenergie verlaagt de kosten van elektriciteitsproductie in Texas in 2050 volgens MIT alleen flink als de kosten van kernenergie extreem laag worden (groene balk in de grafiek hieronder) of als de CO2-uitstoot extreem laag moet zijn met 1 gram/kWh (rechts in de grafiek).
Regio New England zelfde beeld maar met veel minder duurzame energie
Voor de regio New England (in het Noordoosten van de VS) is het potentieel voor duurzame elektriciteit lager dan in Texas volgens MIT dat rekent met een capaciteitsfactor van 27% voor windenergie op land en 16% voor zonne-energie. Voor New Engeland zit er in het scenario met ‘nominale’ kosten meer kernenergie in de kostenoptimale mix voor de CO2-doelstelling van 10 en 1 gram CO2/kWh. Er zit ook meer CO2-opslag (groen in de grafiek hieronder) in de scenario’s. Hoewel verschillende staten in New England op dit moment werken aan windenergie op zee, is deze optie niet meegenomen in het model.
In China ziet MIT grote rol voor kernenergie
In de scenario’s voor de 2 geanalyseerde regio’s in China zit veel kernenergie en dat levert volgens het model een grote kostenbesparing op ten opzichte van het scenario zonder kernenergie. Dat komt door de lage kosten voor nieuwe kerncentrales in China in het model (factor 2 goedkoper dan in de VS). Deze uitkomst lijkt me voor Nederland niet zo relevant en laat ik hier verder buiten beschouwing. Voor de liefhebbers: zie figuur 1.7 en 1.8 in het rapport.
Voor Verenigd Koninkrijk ziet MIT-model grote rol voor CO2-opslag en kernenergie en bescheiden rol voor duurzaam
Voor het Verenigd Koninkrijk spelen CO2-opslag (groen) en kernenergie (grijs) een grote rol in de scenario’s. Alleen in het scenario zonder kernenergie speelt duurzame energie (zon en wind, geel in de grafiek hieronder) een grote rol. Dat is opmerkelijk omdat in 2017 al 28% van het elektriciteitsverbruik in het VK uit duurzame bronnen kwam. Ik sluit niet uit dat daarin meespeelt dat in het model de kosten voor windenergie op land voor het VK met $2142/kW flink hoger zijn ingeschat dan voor de VS ($1553/kW). Het is mij niet duidelijk waarom. Daarnaast speelt in het VK windenergie op zee een forse rol en die optie is niet meegenomen in het model.
In VK levert kernenergie alleen grote kostenbesparing op in scenario met meest ambitieuze CO2-reductie (1 gram CO2/kWh)
Het verschil in kosten met en zonder kernenergie is voor de meeste scenario’s voor het VK klein zoals de grafiek hieronder laat zien. Alleen als de CO2-uitstoot per kilowattuur lager moet zijn dan 1 gram is het verschil in kosten groot.
Frankrijk
De scenario’s voor Frankrijk laten een vergelijkbaar beeld zien, zij het dat er verrassend genoeg meer duurzame energie (geel in de grafiek hieronder) in de mix zit dan voor het Verenigd Koninkrijk. Het is mij niet duidelijk hoe dat komt. Ik kan in het rapport niet terugvinden met welke capaciteitsfactor voor zon en wind gerekend is voor het VK en Frankrijk. Ik probeer dat nog na te vragen bij de auteurs van het rapport. Mogelijk dat dat een deel van de verklaring is.
Uitkomst van model over kostenbesparing door kernenergie is gevoelig voor de aannames over kosten van duurzame energie en energie-opslag in 2050
Bij een model zoals GenX dat de energiemix optimaliseert op de laagste kosten wordt de uitkomst sterk bepaald door de aannames over de kosten van de verschillende technologieën. Het inschatten van de kosten van deze technologieën ver in de toekomst (2050) geeft grote onzekerheden. Denk maar aan de snelle kostenreductie die wind- en zonne-energie afgelopen jaren hebben doorgemaakt. In de studie wordt hieraan deels tegemoet gekomen door een gevoeligheidsanalyse voor Texas met andere inschattingen van de kosten van verschillende technologieën. De grafiek hieronder laat zien dat de kostenbesparing door de inzet van kernenergie bij het meest ambitieuze CO2-doel van 1 gram CO2 per kilowattuur bijna wegvalt in een variant met veel lagere kosten voor duurzame energie en opslag (‘Low Renewable/Storage Costs’, het meest rechtse staafje in de grafiek). Tegelijk valt de kostenbesparing door kernenergie bij dat ambitieuze CO2-doel veel hoger uit als duurzame energie en opslag duurder zijn (‘High Renewable/Storage Costs’). Omdat het zo moeilijk is om de kosten van energietechnologieën in te schatten voor een moment ver in de toekomst (2050), ben ik geneigd om voorzichtig te zijn met uitspraken op basis van een dergelijk model over hoe groot de kostenbesparing door inzet van een bepaalde technologie is.
Het zou de moeite waard zijn om de aannames in het model voor de kosten in 2050 van wind- en zonne-energie en batterij-opslag (zie de tabel hieronder) te vergelijken met andere inschattingen. Wie biedt?
Verder is mijn indruk dat de capaciteitsfactor voor wind en zon tot 2050 constant is gehouden. Voor windenergie zal deze de komende jaren verder toenemen doordat windturbines hoger worden (op grotere hoogte waait het harder) en doordat de wieken langer worden (waardoor de windturbine meer wind vangt).
‘Aanpak zonder kernenergie tot twee keer duurder’?
Recente stelde prof. Kloosterman dat het rapport van MIT laat zien dat een aanpak zonder kernenergie tot wel twee keer duurder is dan een volledig CO2-vrije energievoorziening mèt kernenergie. Die uitspraak moet gebaseerd zijn op de meest ambitieuze scenario’s met minder dan 1 gram CO2-uitstoot per kilowattuur. En zoals we hierboven zagen kan kernenergie deze kostenbesparing alleen waarmaken als nieuwe kerncentrales veel goedkoper worden dan de centrales die nu in aanbouw zijn. Daarnaast zijn in het model in mijn ogen een aantal belangrijke opties niet meegenomen.
Aantal belangrijke opties niet meegenomen in het model
- Windenergie op zee zit niet in het model, terwijl dat o.a. voor het Verenigd Koninkrijk (en Nederland) een belangrijke optie is waarvan de kosten afgelopen jaren spectaculair gedaald zijn.
- Biomassa zit niet in het model. Biomassa kan een belangrijke rol spelen als bron van regelbaar vermogen in scenario’s met zeer ambitieuze CO2-doelen (10 en 1 gram CO2/kWh). In die scenario’s kunnen gascentrales met CO2-opslag maar een beperkte rol spelen omdat daarbij maar 90% van de CO2 wordt afgevangen.
- Biomassa met CO2-opslag zit ook niet in het model. Zeker in een scenario met zeer hoge CO2-ambities kan die optie een rol spelen. Volgens sommige klimaatscenario’s moet de totale uitstoot van de elektriciteitssector in 2050 negatief zijn om klimaatverandering binnen de perken te houden. Dan zijn opties met negatieve uitstoot dus onmisbaar.
In de MIT-studie fungeert kernenergie niet als flexibele ‘achtervang’ voor duurzame energie maar als basislast
Stroomproductie uit wind en zon is afhankelijk van het weer. Inpassing van zeer grote hoeveelheden wind en zon kan daarom alleen als het energiesysteem voldoende flexibel is om de weersafhankelijke fluctuaties op te vangen. In de recente discussie in Nederland wordt voorgesteld dat kernenergie een rol als ‘achtervang’ voor wind en zon zou kunnen spelen. In de MIT scenario’s met veel kernenergie functioneren de kerncentrales echter niet of nauwelijks als achtervang, maar als basislast: centrales die vrijwel steeds op vol vermogen draaien. De grafiek hieronder illustreert dat voor een van de scenario’s voor Texas. De kerncentrales (oranje in de grafiek) produceren vrijwel de hele week die in de grafiek zichtbaar is op hetzelfde niveau. De flexibiliteit voor het opvangen van fluctuaties in de elektriciteitsvraag worden vooral opgevangen door gascentrales met (in groen) en zonder (in geel) CO2-opslag en door energie-opslag (grijs). Merk op dat de titel van de grafiek ook meldt ‘Nuclear provides reliable baseload generation’.
De rol van kerncentrales als basislast is nog beter te zien in het scenario met het meest ambitieuze CO2-doel (1 gram CO2 per kWh) waarin volgens MIT de kostenbesparing door kernenergie het grootst is. Zie de grafiek hieronder voor Texas. In dit scenario wordt energie-opslag gebruikt om elektriciteit uit kerncentrales op te slaan als de stroom niet nodig is (de oranje ‘hobbeltjes’ onderaan de grafiek, waarschijnlijk ’s nachts). Daardoor kunnen de kerncentrales meer uren op vol vermogen draaien. Op de momenten met de hoogste elektriciteitsvraag levert de energie-opslag de stroom weer terug aan het netwerk. Dat is economisch slim (en gebeurt volgens mij nu in Frankrijk al met opslag in stuwmeren) maar onderstreept dat kernenergie er uit economisch oogpunt baat bij heeft om als basislast te kunnen draaien. Kerncentrales zijn economisch niet erg geschikt als flexibele ‘achtervang’ voor wind en zon maar juist zelf gebaat bij andere opties die flexibiliteit leveren.
Merk ook op dat in dit scenario voor Texas relatief weinig duurzame energie zit (blauw in de grafiek hierboven) terwijl Texas uitstekende mogelijkheden heeft voor goedkope wind- en zonne-energie.
Gesmolten zout reactoren (MSR)
Als uitsmijter: In Nederland is een zeker enthousiasme voor een ander concept voor kernreactoren, namelijk met gesmolten zout (MSR), waarbij thorium vaak genoemd wordt als alternatieve splijtstof. In de MIT-studie is ook een analyse opgenomen van geavanceerde reactortechnologieën. Voor MSR verwacht MIT dat de eerste commerciële reactor pas na 2050 gebouwd kan worden. Zie voor meer informatie over thorium en gesmoltenzoutreactoren deze blog.
