Europa is in de toekomst in staat de invoer van energie helemaal af te bouwen en in de eigen behoeften te voorzien met uitsluitend eigen, hernieuwbare energiebronnen, zoals wind- en zonne-energie. Dit hebben onderzoekers van de ‘Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) en de Technische Universiteit Delft aangetoond. Ze hebben een model ontwikkeld waarmee honderden scenario’s kunnen worden gegenereerd die leiden tot een Europees energiesysteem dat in 2050 volledig groen en zelfvoorzienend is.

Op dit moment is Europa voor ruim de helft van zijn energiebehoeften afhankelijk van import uit andere landen, grotendeels in de vorm van fossiele brandstoffen zoals olie en gas. Na de Russische inval in Oekraïne is nu ook duidelijk geworden dat deze afhankelijkheid niet alleen het klimaat, maar ook de Europese veiligheid in gevaar brengt.
Een nieuwe studie van ETH-onderzoeker Bryn Pickering en zijn twee coauteurs van de TU Delft, Francesco Lombardi en Stefan Pfenninger, maakten gebruik van een modelbenadering waarbij alternatieve technologieopties werden onderzocht.

“Veel meer ruimte dan we ooit dachten.”

“Er blijkt, meer dan we ooit dachten, veel meer ruimte te zijn voor flexibiliteit in de manier waarop we tegen 2050 een groen, onafhankelijk energiesysteem in Europa kunnen realiseren”, legt Pickering uit. Deze systeemontwerpen verschillen aanzienlijk in detail, maar ze hebben allemaal één ding gemeen: ze steunen op een massale en snelle uitbreiding van fluctuerende hernieuwbare energie, met name wind- en zonne-energie. In de studie wordt geen rekening gehouden met de mogelijkheid om het systeem aan te vullen met energie uit stabiele, niet-fluctuerende fossiele brandstoffen, maar wordt wel geconcludeerd dat er voldoende flexibiliteit is in een hele reeks andere technologieën voor de omzetting, opslag en distributie van energie.

Een open-source energiemodel voor Europa

Om de verscheidenheid aan beschikbare opties te belichten, hebben de onderzoekers een ‘high-resolution model’ voor het Europese energiesysteem ontwikkeld, dat zij openlijk beschikbaar hebben gesteld. Voor verschillende sectoren en regio’s brengt dit model zowel de vraag naar als het aanbod van hernieuwbare energie, geproduceerd met gevestigde en al commercieel beschikbare technologieën, in kaart. Over een gebied dat 35 landen bestrijkt, consolideert het model de fluctuerende stromen van elektriciteit, warmte, waterstof, synthetische koolwaterstoffen en biobrandstoffen op uurbasis over een heel jaar.

Een open-source online platform laat besluitvormers, industrie-analisten en onderzoekers de vele beschikbare mogelijkheden met elkaar vergelijken. Om de schommelende stroomopbrengst van wind en zon te helpen beheren, kunnen de gebruikers van het platform de afhankelijkheid van hun voorkeursysteem van een reeks flexibele technologieën en balanceringsmechanismen – zoals opslagcapaciteit, biobrandstoffen, intra-Europese energiedistributie en de elektrificatie van vervoer en warmte –aanpassen.
“Door deze factoren naar eigen wens te laten veranderen, kunnen gebruikers de complexe relaties en de bijbehorende afwegingen binnen het energiesysteem visualiseren”, zegt Stefan Pfenninger, assistent-hoogleraar aan de TU Delft en leider van het onderzoeksteam.

Afwegingen zichtbaar maken

Een besluit om het gebruik van biobrandstoffen te beperken bijvoorbeeld, vereist een volledige elektrificatie van zowel verwarming als vervoer, waarbij elektrische voertuigen worden opgeladen op tijdstippen van de dag waarop voldoende elektriciteit beschikbaar is.

Stel echter dat het slechts haalbaar wordt geacht 50% van het vervoer te elektrificeren, dan zou de vraag naar synthetische brandstoffen, afkomstig van zowel biobrandstoffen als elektrisch afgeleide waterstof, drastisch toenemen. Om zo kosteneffectief mogelijk aan deze vraag te voldoen, moeten synthetische brandstoffen dan in de eerste plaats worden geproduceerd in landen waar elektriciteit het goedkoopst is, zoals in het Verenigd Koninkrijk, Ierland of Spanje. Dit zou betekenen dat de elektriciteitsproductie en de productie van synthetische brandstoffen in specifieke regio’s worden geconcentreerd, wat inhoudt dat een groot deel van de Europese landen dan energie van elders op het continent zou moeten invoeren.
Verschillende opties hebben zeer uiteenlopende implicaties voor individuele landen. Er zijn bijvoorbeeld opties denkbaar waarbij een aanzienlijk deel van de waterstofproductiecapaciteit in Nederland wordt gesitueerd; maar er zijn ook scenario’s mogelijk waarbij Nederland het grootste deel van zijn brandstof, elektriciteit of beide importeert.

Grotere flexibiliteit voor regionale scenario’s

De resultaten van het model tonen ook een brede waaier van regionale en continentale opties wat betreft de plaats waar hernieuwbare energie en synthetische brandstoffen op kosteneffectieve wijze kunnen worden geproduceerd. In één denkbaar scenario zou een beperking van de energieopslagcapaciteit en een beperkt gebruik van biobrandstoffen een grote uitbreiding van de windkracht- en waterstofproductie in het Verenigd Koninkrijk en Ierland vereisen. Om de geproduceerde elektriciteit naar de rest van Europa te distribueren, zouden de transmissieverbindingen sterk moeten worden uitgebreid.
De behoefte aan opslagcapaciteit en het gebruik van biobrandstoffen zouden ook kunnen worden verminderd door een toename van zonne-energie in Zuid-Europa, op voorwaarde dat deze wordt aangevuld met windenergie van elders op het continent. Dit zou betekenen dat de waterstofproductie kan worden opgesplitst tussen noordelijke en zuidelijke hubs en dat de uitbreiding van het elektriciteitsnet gelijkmatiger kan worden verdeeld. “De mogelijkheid om de afwegingen tussen dergelijke verschillende alternatieven te vergelijken binnen één consistent analysekader is een van de voornaamste sterke punten van onze nieuwe methode”, zegt Francesco Lombardi, coauteur en ontwerper van het onderliggende gebruikte algoritme.