België, als lidstaat van de Europese Unie, moet ambitieuze doelstellingen vastleggen voor koolstofneutraliteit tegen 2050; deze ambitie vereist op zijn beurt een koolstofneutrale energievoorziening voor alle eindgebruiksectoren in België op hun respectieve trajecten naar een koolstofneutrale toekomst. Maar hoeveel hernieuwbare elektriciteit uit wind- en zonne-energie kan binnen de Belgische grenzen worden opgewekt?
EnergyVille/VITO heeft het technisch potentieel voor de opwekking van hernieuwbare energie uit fotovoltaïsche zonnepanelen op daken en onshore windinstallaties in België geraamd op 118 GW. De raming is gebaseerd op een ruimtelijke expliciete benadering om rekening te houden met het dakoppervlak en het ruimtebeslag van gedecentraliseerde elektriciteitsopwekking in een land waar ruimte schaars is. Daartoe wordt voortgebouwd op recente samenwerkingen met lokale en regionale overheden en hun beleidskaders en ambities.
In samenwerking met Imec en het Koninklijk Meteorologisch Instituut (KMI) brengt EnergyVille/VITO in kaart hoe de huidige beschikbaarheid van wind- en zonnestraling verdeeld is over België, en waar en hoeveel potentiële hernieuwbare wind- en zonne-energieopwekking (technisch) haalbaar is in België. De kracht van de gebruikte methode is dat (i) het uurlijkse hernieuwbare opwekkingsprofielen berekent met hoge ruimtelijke resolutie en (ii) dat het een ruimtelijke optimalisatie bevat die een optimale lokalisatie van wind en PV over België mogelijk maakt. De hoge geografische en temporele resolutie van de afgeleide dataset dient als waardevolle input voor langetermijnmodellen van het energiesysteem, de netcapaciteit en de markt.
De studie maakt deel uit van het BREGILAB-project (Balancing the Belgian electricity system for maximal use of Renewable Energy generation by a Grid Injection Limit Algorithm and optimal Battery deployment) waarin wordt onderzocht hoe in België tegen minimale kosten een evenwichtig elektriciteitssysteem tot stand kan worden gebracht.
De afgeleide dataset ondersteunt de beoordeling en analyse met een focus op:
Hoe realistisch is het om de regionale, nationale en internationale ambities inzake hernieuwbare energie te realiseren, gezien het technisch potentieel voor hernieuwbare energiebronnen?
Hoe kan worden gezorgd voor 1) voldoende ruimte om de productie van hernieuwbare energie op te voeren en 2) een overgang naar een tweede generatie windturbines via een proces van buitenbedrijfstelling/ontmanteling?
Hoe kan beter rekening worden gehouden met de flexibiliteit van het net om het hoofd te bieden aan een hogere penetratie van de energiemarkt met intermitterende energiebronnen, en om aan de nationale energiebehoeften te voldoen?
Het resultaat is even relevant voor beleidsmakers als voor bedrijven en kennisinstellingen, en daarom worden de aanpak en onze belangrijkste bevindingen hier gerapporteerd.
De Dynamische Energieatlas
De Dynamische Energieatlas (DEA, figuur 1) wordt gebruikt om zowel de huidige als de potentiële elektriciteitsproductie uit zon en wind in kaart te brengen en te analyseren. De softwaretool combineert ruimtelijke gegevens en ruimtelijke modellering met technologische en meteorologische gegevens om resultaten te produceren op een ruimtelijke resolutie van 100x100 meter voor het hele Belgische grondgebied - inclusief offshore.
We richten ons op energieproductie uit wind en zon op daken. De ruimtelijk expliciete inventarissen van momenteel geïnstalleerde wind- en PV-technologieën worden gebruikt om de elektriciteitsproductie per uur te berekenen. Het technisch potentieel voor bijkomende installaties wordt gemodelleerd door de beschikbare ruimte af te bakenen voor representatieve en beschikbare PV-modules en windturbines die vandaag op de markt zijn (voor onshore wind VESTAS V112 - 3,3MW; en PV SPR-MAX3-400 met 226 Wp per m² capaciteit). Het RMI levert ruimtelijk expliciete uurgegevens over windsnelheid (ALARO ERA5) en zonnestraling (Meteosat tweede generatie en ALARO ERA5) die worden gebruikt om de potentiële productie op elke locatie te berekenen.
Beleidsscenario voor windvermogen en -opwekking op land
Bouwvergunningen voor windturbines zijn onderworpen aan veiligheids- en beleidslimieten die tot doel hebben het risico op ongevallen, hinder of effecten op het milieu zo laag mogelijk te houden. Daarom moet bij het modelleren van de beschikbare ruimte voor extra windturbines rekening worden gehouden met een lijst van criteria die de afstand beperken (bv. afstand tot woningen, vervoersinfrastructuur) en no-go zones (bv. natuurreservaten). Niet alle aspecten van dit potentiële effect kunnen worden gevat met één enkele afstandsregel voor elk turbinetype of elke randvoorwaarde.
Een scenario biedt flexibiliteit ten aanzien van welke randvoorwaarden in aanmerking worden genomen en hoe strikt de afstandsregels worden vastgesteld bij het modelleren van de beschikbare ruimte voor extra windturbines (figuur 2). Het Bregilab-beleidsscenario combineert relevante randvoorwaarden en overeenkomstige afstandsregels voor de geselecteerde windtechnologie (VESTAS V112 - 3,3MW) zoals bepaald door beleidskaders en regelgeving op het niveau van de gewesten in België. Het weerspiegelt dus de huidige technologische mogelijkheden met betrekking tot de ontwikkeling van onshore wind. De output van dit scenario wordt gerapporteerd en gebruikt om een energiesysteemmodel op nationale schaal (TIMES Belgium) uit te voeren.
Figuur 2 Schematisch overzicht van de randvoorwaarden voor het beleid en een alternatief scenario voor de bouw van windturbines op land. Negatieve adviesgrenzen staan geen windturbines toe, binnen de positieve adviesgrens worden windturbines meestal vergund, en daartussen (oranje zone) is aanvullend effectonderzoek nodig voordat vergunning wordt verleend. In het Bregilab-beleidsscenario wordt alleen de negatieve adviesgrens als minimale afstand tussen windturbines en andere infrastructuur, gebouwen en aangewezen gebieden uitgesloten.
Technologie-aannames om zonnecapaciteit en -opwekking te beoordelen
Zonnetechnologie ontwikkelt zich snel en PV-modules vertonen voortdurend verbeterende rendementen. Voor de beoordeling van het extra potentieel op residentiële en commerciële daken is gekozen voor de SPR-MAX3-400 premium marktmodule (226 Wp per m²), die naar verwachting in de komende 5 tot 10 jaar gangbaar zal worden. Het blijft een voorzichtige raming omdat volgens de ITRPV-prognoses de PV-technologie naar verwachting zal evolueren tot rendementen die veel hoger liggen dan dat cijfer, aangezien nieuwe technologieën mainstream zullen worden (vb. tandemceltechnologie).
Traditioneel zijn residentiële daken meestal hellende daken, terwijl commerciële en zeker industriële daken meestal plat zijn. Bijgevolg zal de optimale configuratie van PV-modules verschillen naargelang de oriëntatie en hellingshoek van het gebouwtype. Voor residentiële daken wordt door het Internationaal Energieagentschap als vuistregel gehanteerd dat slechts 40% van het totale dakoppervlak dat technisch beschikbaar is, wordt gebruikt. PV-modules worden verondersteld een hellingshoek van 35° te hebben en proportioneel gespreid te zijn over het zuiden, westen en oosten om realistische dagprofielen te verkrijgen en de Belgische ambitie om het eigen verbruik te optimaliseren te ondersteunen. Op commerciële en industriële gebouwen worden PV-modules geïnstalleerd met een hellingshoek van 10° en symmetrisch gespreid over west - oost om de beschikbare oppervlakte te maximaliseren en operationele verliezen te beperken. Met een dergelijke configuratie kan 80% van het dakoppervlak met PV-modules worden bedekt.
Het potentieel voor PV op de grond, drijvende PV en gebouwgeïntegreerde PV (BIPV) bieden een belangrijke bijkomende mogelijkheid om het gebruik van PV in België te verhogen. Jammer genoeg bestaan er geen duidelijke beleidsrichtlijnen om voorrang te geven aan PV op de grond boven andere vormen van landgebruik (waterbekkens, landbouw of industriële complexen), noch om het technische potentieel voor BIPV op een ruimtelijk expliciete manier op een betrouwbare manier te evalueren, en daarom worden ze in deze studie nog niet geëvalueerd.
De resultaten
Om de totale extra capaciteit te beoordelen die technisch kan worden geïnstalleerd en de respectieve elektriciteit die per uur kan worden geproduceerd, worden de geïdentificeerde locaties voor wind en zonne-energie gecombineerd met technische parameters en meteorologische gegevens van het jaar 2017. Dit resulteert in een dataset van extra hernieuwbare capaciteit en de bijbehorende energieproductie per uur voor elke locatie in België. Figuur 3 en Tabel 1 rapporteren voor de gewesten de geïnstalleerde capaciteit en het technisch potentieel rekening houdend met toekomstige technologieopties voor de verschillende gewesten in België.
Tabel 1 Overzicht van geïnstalleerde (1/1/2018) en potentiële onshore wind- en dak-zonnecapaciteit (GW) op het niveau van de regio's.
1 Vestas V112 - 3.3MW werd gebruikt als representatief marktmodel voor een onshore windturbine
2 Trina Solar TSM-250-PC/PA05A PV-module met 152,7 Wp per m² capaciteit werd gebruikt als representatief voor de huidige geïnstalleerde basis voor zowel residentiële als commerciële en industriële daken.
3 SPR-MAX3-400 PV-module met 226 Wp per m² capaciteit werd gebruikt als representatief marktmodel voor PV-technologie voor zowel residentiële als commerciële en industriële daken.
Opgelet: De informatie in deze tabel is gebaseerd op de veronderstellingen die specifiek zijn voor het BREGILAB-project, informatie die door derden is verstrekt en onderworpen aan voortschrijdend inzicht in de loop van het onderzoeksproject (einddatum 2022).
Wind op land
België beschikt over een bijkomende technische capaciteit van 18,3 GW voor wind op land, verdeeld over Vlaanderen met 9,1 GW, Brussel met 0,02 GW en het Waalse Gewest met 11,4 GW (tabel 1). In vergelijking met de installaties anno 1/2018 kan de productiecapaciteit voor wind achtvoudig toenemen vanaf 2,3 GW en bedraagt ze momenteel 2,5 GW. De gerapporteerde capaciteiten gaan uit van de installatie van 3,3 MW windturbines (VESTAS V112) binnen de resterende beschikbare ruimte. Afhankelijk van de geografische locatie varieert de beschikbaarheid tussen 1000 en 3500 vollasturen of een potentiële extra energieproductie van ongeveer 33 TWh per jaar voor België.
De resulterende kaart (figuur 4) geeft aan dat de Antwerpse havenregio, het noordelijke deel van Oost-Vlaanderen en de zuidelijke delen van Luxemburg, Limburg en Henegouwen een groot potentieel hebben voor extra windenergieproductie op het vasteland. Brussel, de beide Brabantse provincies, de kuststreek en de noordelijke delen van Luik, Limburg en Henegouwen hebben een laag technisch potentieel.
Offshore windenergie
Het Bregilab-project beperkte zijn offshore bereik tot de bestaande concessies die op 1/1/2018 vergund en reeds gebouwd (1,01 GW) of gepland (1,24 GW) waren (tabel 1). België heeft de ambitie om de bestaande capaciteit te verhogen tot 5,8 GW met maximaal 3,5 GW extra tegen 2030 in het westelijke deel van de Noordzee[1]. In combinatie met de meteorologische gegevens van 2017 zullen de bestaande en geplande offshore windparken een beschikbaarheid hebben die groter is dan 3500 vollasturen per jaar of een potentiële energieproductie van ongeveer 20,3 TWh.
Zonne-energie
België heeft een bijkomende technische capaciteit van 99,6 GW op daken met een 50/50-verdeling tussen residentiële versus commerciële en industriële daken. Het Vlaams gewest heeft het hoogste bijkomend potentieel met 65 GW, gevolgd door het Waals gewest met 30 GW en Brussel met 4,2 GW (Tabel 1). Vergeleken met de installaties anno 1/2018 kan de PV-capaciteit alleen al op daken 26-voudig toenemen van 3,8 GW, en ligt momenteel op 4,8 GW. Gerapporteerde nieuwe capaciteiten in de studie gaan uit van dekking van de beschikbare dakruimte met een 226 Wp per m² PV-module (SPR-MAX3-400) bij gespecificeerde helling en oriëntatie per gebouwtype. De beschikbaarheid van PV varieert tussen 930 en 1060 vollasturen in België of een potentiële extra energieproductie van ongeveer 99,3 TWh per jaar.
Voor residentiële daken volgt het ruimtelijk potentieel duidelijk de verstedelijkingsgraad van de verschillende gewesten in België (Figuur 5). Het potentieel op commerciële en industriële daken is het grootst in de Vlaamse gewesten, maar geografisch eerder geconcentreerd rond grote industriële complexen gelegen langs autosnelwegen, bevaarbare waterwegen zoals Zuid-West-Vlaanderen en de as Maas-Samber dan in stedelijke centra.
Verwezenlijking van de energie- en klimaatactiedoelstellingen
Begin 2020 heeft België zijn geïntegreerd nationaal energie- en klimaatactieplan (NECP) uitgebracht, waarin onder meer de ambities inzake hernieuwbare energie voor 2030 worden gerapporteerd. In het 2030-scenario 'met aanvullende maatregelen' (WAM) wordt gestreefd naar 9600 GWh elektriciteitsproductie uit wind op land en 9750 GWh uit PV. Deze 2030 NECP-ambitie kan worden gedekt door gebruik te maken van ongeveer 6% van het in deze studie berekende technische potentieel voor PV op daken, en 17% van het beschikbare totale potentieel voor windturbines op land.
Een energiesysteemmodel met een spatial explicit technologierepresentatie zal toelaten om bijkomende inzichten te verschaffen in de meest kostenefficiënte benutting van beschikbare daken en windturbines door rekening te houden met regionale verschillen in beschikbaarheidsfactoren.
Op die manier willen we in volgende stappen evolueren van een technische potentieelanalyse naar een schatting van het economische en energetische potentieel van hernieuwbare energiebronnen in België.
Naar een spatial explicit aanpak voor het modelleren van energiesystemen
Decentrale energievoorziening vereist ruimte die in België al schaars en versnipperd is en die dus, afhankelijk van de keuze van de technologie, kan concurreren met een grote ruimtelijke vraag naar woningen, economische activiteiten, transportinfrastructuur, landbouw en natuurgebieden. De modellering van het energiesysteem binnen BREGILAB houdt rekening met de huidige beleidsbeperkingen inzake beschikbare ruimte, en optimaliseert het opwekkingspotentieel met de vraag, en de netcapaciteit en -flexibiliteit.
Uniek aan onze aanpak is dat via ruimtelijke modellering ook rekening kan worden gehouden met verwachte verschuivingen in de ruimtelijke criteria (verder verlies van open ruimte, toenemende verstedelijking op specifieke locaties) tijdens de langetermijnplanning. Zo laat het Vlaamse scenario voor veranderingen in landgebruik, dat uitgaat van een voortzetting van de huidige groeitrends van bebouwd land, een afname van de open ruimte zien van 9% in 2050 ten opzichte van 2013.
Als we daarentegen uitgaan van een realisatie van de Vlaamse beleidsdoelstelling om tegen 2040 "geen nettoruimtebeslag meer te nemen", dan resulteert dat in een verlies aan open ruimte van slechts 2,5% tegen 2050. Op dezelfde manier zal de dynamiek van de veranderingen in landgebruik een invloed hebben op het verwachte ontmantelings- en recommissioneringspotentieel van oude onshore windparken. De beslissingen die vandaag worden genomen, zullen een invloed hebben op de mate waarin het technisch potentieel over 30 jaar nog beschikbaar zal zijn.
Onze ruimtelijke beoordeling tracht een objectief beeld te geven van de potentiële rol van hernieuwbare energie in het toekomstige elektriciteitssysteem in België, en vormt een springplank om te onderzoeken hoe een evenwichtig systeem tot stand kan worden gebracht, rekening houdend met ruimtelijke beperkingen en mogelijkheden. Met deze kwantitatieve analyse wil EnergyVille/VITO de industrie en onze overheden ondersteunen en de meest recente objectieve gegevens verschaffen.
DISCLAIMER: De gerapporteerde informatie is gebaseerd op de veronderstellingen die specifiek zijn voor het genoemde BREGILAB-project en op informatie die door derden is verstrekt. De resultaten worden regelmatig herzien als onderdeel van voortschrijdend inzicht in de loop van het onderzoeksproject. Hoewel wij het gebruik van de resultaten voor andere doeleinden dan het BREGILAB-onderzoek aanmoedigen, benadrukken wij dat dit altijd moet gebeuren met de nodige zorgvuldigheid ten aanzien van het oorspronkelijke doel en door de auteurs van deze studie en het officiële financieringsagentschap (FOD economie) van het BREGILAB-project op de hoogte te brengen.
Key take-aways:
- België heeft een technisch potentieel voor hernieuwbare energieopwekkingscapaciteit van 118 GW uit PV op daken en windturbines op land, wat overeenkomt met een maximale theoretische elektriciteitsopwekking van ongeveer 132 TWh per jaar, en wat meer is dan de huidige vraag van ongeveer 80 TWh per jaar van België.
- De nationale en gewestelijke hernieuwbare energieambities voor 2030 zoals uiteengezet in het Nationaal Energie- en Klimaatplan (NECP) voor PV en wind op land kunnen worden gedekt door gebruik te maken van ongeveer 6% van het technisch potentieel berekend voor PV op daken, en 17% van het technisch potentieel voor windturbines op land.
- De Dynamische Energieatlas is een flexibel software-instrument dat ruimtelijke, technologische en meteorologische gegevens met een hoge resolutie combineert met ruimtelijke modellering om het potentieel voor de opwekking van hernieuwbare energie te beoordelen.
- Een spatial explicit aanpak geeft een objectief beeld van de potentiële rol van hernieuwbare energie in het toekomstige elektriciteitssysteem in België, en vormt een springplank om te onderzoeken hoe een evenwichtig systeem kan worden bereikt, rekening houdend met ruimtelijke beperkingen en opportuniteiten.
Referenties
[1] Verband Deutscher Maschinen und Anlagenbau (VDMA), 2020. International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) Ed.12, April 2021.
[2] International Energy Agency, 2002. Potential for Building Integrated Photovoltaics. IEA Report: PVPS T7-4, Paris
[3] The most common split in orientation of PV was chosen. North orientation is not included in this study since it is only observed for a very small percentage of installations.
[4] Based on Ministerraad van 15 oktober 2021 - Energie: productiecapaciteit van de Prinses Elisabeth-zone in de Noordzee published by FOD Kanselarij van de Eerste Minister - algemene directie Externe Communicatie
De auteurs
Geschreven door Wim Clymans, Karolien Vermeiren and Frank Meinke-Hubeny.
- Wim is onderzoeker binnen het team ruimtelijke modellering bij VITO. Hij richt zich op het modelleren van landgebruikdynamiek, duurzame energietransitie en milieubeheerprocessen.
- Karolien is business developer binnen het ruimtelijk modelleringsteam van VITO. Zij begeleidt de projectfocus van het team met betrekking tot duurzame verstedelijking, energietransitie en circulaire economie.
- Frank is projectmanager en senior onderzoeker op het gebied van energie- en klimaatstrategie. Hij richt zich op langetermijmenergiesysteemmodellering en scenarioanalyse bij EnergyVille/VITO.
