Op 3 mei organiseerde VITO/EnergyVille in samenwerking met het KMI een webinar over dunkelflaute, als onderdeel van de afronding van het EPOC-project. In het webinar werd het concept van dunkelflaute toegelicht en werden manieren besproken om periodes met weinig zon en wind te overbruggen. Francois Duchene (KMI) gaf een analyse vanuit een klimatologisch oogpunt en Partha Das (VITO/EnergyVille) besprak de impact van dunkelflaute op de back-up behoeften voor moleculen. Aangezien de impact van dunkelflaute ons allemaal aangaat, overlopen we in dit artikel de belangrijkste punten van het webinar.
Het klimaataspect
Het IPCC-rapport
Uit het IPCC-rapport van 2021 blijkt dat door menselijk toedoen het klimaat is opgewarmd in een tempo ongezien in de afgelopen 2000 jaar. Dit komt doordat ons energieverbruik vandaag nog steeds grotendeels afkomstig is van fossiele brandstoffen.
Tegen deze achtergrond vermeldt Duchene de Interactieve Atlas van het IPCC als een nieuw instrument voor flexibele ruimtelijke en temporele analyses van een groot deel van de waargenomen en voorspelde informatie over de klimaatverandering. Voor West-Europa voorspelt de Interactieve Atlas een stijging van de gemiddelde oppervlaktetemperatuur, extreme hitte, droogte, hevige regenval, zware stormen en rivieroverstromingen in het geval van een opwarming van 2°C. Bovendien zullen koude periodes, wintervorst en de gemiddelde windsnelheid afnemen.
Dunkelflaute: what's in a name?
“Dunkelflaute” betekent in feite dat er niet genoeg elektriciteit uit windturbines en zonnepanelen beschikbaar is om motoren te doen draaien. “Dunkelflaute” is de combinatie van twee Duitse woorden: “dunkelheit” wat duisternis betekent en “windflaute” wat zwakke wind betekent. Beide omstandigheden zijn duidelijk van invloed op de productie van hernieuwbare energie.
Volgens Duchene schuilt het probleem in het feit dat er in de wetenschappelijke literatuur geen consensus bestaat over een formele definitie van “dunkelflaute”. Toch zijn er in verschillende publicaties overeenkomsten op te merken in de definities: typisch zijn de grenswaarden met betrekking tot energieproductie, duur en ruimtelijke omvang.
De definitie van het KMI
Om een eigen definitie van dunkelflaute te formuleren, onderzocht het KMI hoe dunkelflautestatistieken afhangen van hun identificatiegrens aan de hand van een algemene aanpak. Ook werd gekeken naar de optimale PV/wind-mix in relatie tot de ernst en duur van dunkelflaute in en rond België. Ten slotte werd het effect van de klimaatverandering op dunkelflaute onderzocht.
Voor hun definitie vertaalde het KMI het algemene concept van een zeldzame gebeurtenis naar het bestuderen van zeer weinig voorkomende gebeurtenissen, variërend van 1 gebeurtenis per jaar tot 1 gebeurtenis per 30 jaar. Het KMI richtte zich voornamelijk op de gevolgen van de klimaatverandering, zonder aannames over opslagfaciliteiten, interconnecties, technologische verbeteringen of maatschappelijke veranderingen.
De dunkelflauten werden vervolgens gedefinieerd als de “balansgebeurtenissen” met de laagste terugkeerperiodes (van 1 gebeurtenis per jaar tot 1 gebeurtenis per 30 jaar). Voor de definitie vermeldde Duchene dat verschillende tijdsduren van dunkelflauten in aanmerking werden genomen, gaande van 6 uur tot een maand. Bovendien werden alle mogelijke combinaties van PV en wind en hun effect op de dunkelflaute onderzocht.
Het KMI-onderzoek
Voor hun onderzoek maakte het KMI gebruikt van gegevens met een hoge resolutie, bestaande uit klimaatgegevens en gegevens over de vraag naar elektriciteit. Wat betreft de ideale mix om het effect van een dunkelflaute te minimaliseren, hangt de optimale balans sterk af van de duur in termen van intensiteit. Dit wordt weergegeven in Grafiek 1. Het is duidelijk dat, afhankelijk van de duur, niet dezelfde hoeveelheid PV nodig is om een dunkelflaute te compenseren.
Maar wanneer treedt een dunkelflaute op? Volgens Duchene komt meer dan 70% van de dunkelflautes doorgaans voor in het winterseizoen. Maar de resultaten, weergegeven in grafiek 2, geven aan dat een door wind gedomineerde mix in alle vier de seizoenen gekenmerkt wordt door dunkelflaute, terwijl een door PV gedomineerde mix dunkelflaute vertoont in het winterseizoen. Een evenwichtige mix wordt dan weer gekenmerkt door dunkelflaute in de winter en de herfst. Uit deze resultaten concludeerde Duchene dat de beste manier om met dunkelflaute periodes om te gaan, is door niet terug te vallen op systemen met enkel PV of enkel windturbines.
De volgende vraag kan worden gesteld: als zich in België een dunkelflaute voordoet, kan dan elektriciteit worden geleverd vanuit de buurlanden? Het resultaat van het onderzoek, weergegeven in Grafiek 3, laat zien dat de meeste buurlanden op hetzelfde moment als België met een dunkelflaute te maken hebben. Aangezien zij in deze periode soortgelijke problemen ondervinden, ligt het niet voor de hand dat zij elektriciteit aan België kunnen leveren.
Wat het toekomstige klimaateffect betreft, werd de toegenomen intensiteit van dunkelflaute vooral geweten aan de verwachte afname van de windproductie in die periode, zoals blijkt uit Grafiek 4. In de nabije toekomst (2021-2050) kan een toename van dunkelflaute met 3% worden verwacht, en in de verre toekomst (2051-2080) met 10%. Duchene concludeerde dat het aantal dunkelflauten in onze regio’s dus licht zal toenemen.
Gevolgen voor de back-upvereisten voor moleculen
In het tweede deel van het webinar lichtte Partha Das (VITO/EnergyVille) toe hoe een dunkelflaute in het Belgische energiesysteem kan worden opgevangen. Er werd bijgevolg vanuit het oogpunt van de energiesysteemplanning gekeken naar een dunkelflaute.
Planning van het energiesysteem
De planning van energiesystemen betreft de activiteiten die worden uitgevoerd om toekomstige systeemportfolio’s te ontwerpen. Toekomstige trajecten worden geoptimaliseerd om beleidsdoelstellingen te bereiken.
Er zijn verschillende modellen beschikbaar voor de planning van energiesystemen, zoals TIMES, MESSAGE en OSeMOSYS. In het EPOC-project werd een TIMES-model ontwikkeld met drie regio’s voor België, namelijk Wallonië, Vlaanderen en Brussel.
Twee scenario's
Voor het onderzoek werden twee situaties overwogen bij beperkte beschikbaarheid van zon en wind. Das bestempelde het eerste scenario als Dunkelflaute, wat werd geïnterpreteerd als de ernstigste dunkelflaute-duur in het verleden, namelijk drie weken lang in 2004. Gedurende deze periode bedroegen de capaciteitsfactoren voor zon en wind slechts 3,5% en 13,5%. Het tweede scenario werd aangeduid met de term Extreme Dunkelflaute, en vertegenwoordigde een extreme situatie waarin zon en wind niet beschikbaar waren. In beide gevallen werd een beperkte mogelijkheid van stroomimport uit de buurlanden overwogen.
Resultaten
De dunkelflaute scenario’s kunnen worden overbrugd met behulp van verschillende technologieën, die zijn weergegeven in Grafiek 5.
Uit Grafiek 5 blijkt dat waterstof de meest interessante oplossing is om een dunkelflaute in 2050 te overbruggen. In het Dunkelflaute-scenario is er namelijk sprake van 8,75 GW H2-capaciteit en 42 TWh H2-capaciteit in 2050. In het scenario Extreme Dunkelflaute loopt dat op tot 13,6 GW aan H2-capaciteit en 54 TWh aan H2-capaciteit in 2050.
Uit de resultaten blijkt overigens dat elektriciteit uit biomassa ook kan bijdragen tot het overbruggen van een dunkelflaute. In het Dunkelflaute-scenario en het Extreme Dunkelflaute-scenario bedraagt de op biomassa gebaseerde capaciteit respectievelijk 2,3 en 2,1 GW.
Disclaimer
Das merkte in het webinar op dat nucleaire SMR-technologie ook zou kunnen bijdragen tot het overbruggen van een dunkelflaute, maar die technologie werd in deze studie niet gemodelleerd. De resultaten van het SMR-scenario zijn wel gepubliceerd in eerdere studies, die hier kunnen worden geraadpleegd.
Das benadrukte ten slotte dat deze studie vooral gericht was op België, een klein land op Europese schaal. Volgende stappen voor het onderzoek zijn onder meer het uitbreiden van de energiesysteemplanning met betrekking tot een dunkelflaute op een bredere ruimtelijke schaal.
Conclusie
Uit het webinar kunnen we concluderen dat een dunkelflaute onze elektriciteitsproductie negatief beïnvloedt. Het is dus van belang om te begrijpen wat een dunkelflaute is en hoe het kan worden aangepakt.
Laten we daarom de belangrijkste punten van het webinar nog eens samenvatten:
- De ernst van een dunkelflaute hangt sterk af van de duur. Afhankelijk daarvan is niet dezelfde hoeveelheid PV vereist om een dunkelflaute te overbruggen.
- Vertrouwen op systemen met alleen volledige PV of alleen volledige winturbines is niet de beste manier om met een dunkelflaute om te gaan.
- Als zich in België een dunkelflaute voordoet, is de kans groot dat buurlanden er ook last van hebben. Het is dus niet vanzelfsprekend dat zij België in dat geval van elektriciteit kunnen voorzien.
- In de nabije toekomst kunnen we een kleine toename van dunkelflauten verwachten.
- Verschillende technologieën kunnen worden gebruikt om een dunkelflaute te overbruggen, waarvan waterstof het meest interessant lijkt. Ook biomassa geproduceerde elektriciteit en nucleaire NSMR-technologieën kunnen helpen een dunkelflaute te overbruggen.
Het EPOC-project
Dit webinar maakt deel uit van de reeks webinars die EnergyVille organiseert ter afsluiting van het EPOC-project. In dit kader vond op 9 mei ook het EPOC Final Event plaats in Genk.
Binnen het EPOC-project hebben 13 onderzoeksinstellingen in België de afgelopen 4 jaar gewerkt aan energiesysteemmodellen met betrekking tot de continuïteit van de elektriciteitsvoorziening.
