Energiescenario’s en energiemodellen

Met energiescenario’s worden mogelijke ontwikkelingen van een energiesysteem in kaart gebracht en de effecten daarvan bepaald. Hierbij wordt onder meer gekeken naar energie-aanbod, energiegebruik, klimaat en milieu (bijvoorbeeld CO₂-emissies), ruimtegebruik en economische aspecten. Voor het opstellen van een energiescenario wordt eerst een logisch samenhangende beschrijving gemaakt van mogelijke toekomstige ontwikkelingen en gebeurtenissen. Denk hierbij aan de verwachte economische groei en technologische ontwikkelingen en hoe die kunnen inwerken op keuzes en beslissingen voor het energiesysteem.

Omdat de onzekerheden over de mogelijke toekomstige ontwikkelingen groot zijn, worden vaak meerdere toekomstscenario’s gemaakt. Drie bekende benaderingen hierbij zijn:

• Referentie- en alternatieve scenario’s: één energiescenario wordt gebruikt als referentie waarmee resultaten van één of meerdere alternatieve scenario’s worden vergeleken. Het referentiescenario kan bijvoorbeeld een business as usual (BAU) scenario zijn en het alternatief een scenario met nieuw overheidsbeleid.
• Verkennende scenario’s: er worden meerdere scenario’s gemaakt die een gebied bestrijken waarbinnen de mogelijke toekomst van het energiesysteem zou kunnen liggen. Vaak wordt ervoor gekozen om twee belangrijke, maar onafhankelijke, onzekerheden te variëren, bijvoorbeeld economische groei (laag-hoog) en afhankelijkheid energie-import (weinig-veel). Door het combineren van deze onzekerheden ontstaan vier scenario’s. Het voordeel van deze benadering is dat het een breed spectrum aan mogelijke toekomsten bestrijkt. Wel legt het de nadruk op uitersten, waardoor het lastig kan zijn een goed beeld te krijgen over plausibele toekomsten die er tussenin liggen.
• Backcasting: Er wordt een energiescenario opgesteld voor een toekomstig energiesysteem met daarin een energiebalans en de technologie-opties die hiervoor nodig zijn. Vervolgens wordt onderzocht welke veranderingen nodig zijn en wanneer investeringsbeslissingen moeten worden genomen om het toekomstige energiesysteem te realiseren. Het huidige systeem geldt daarbij als vertrekpunt.

Met behulp van rekenmodellen kan een beeld van een toekomstig energiesysteem worden verkregen. Hiervoor worden fysieke parameters gebruikt, zoals energieproductie, energiegebruik, capaciteit van energieproductie-installaties, CO₂-emissies, etc., en economische parameters, zoals investeringen en kosten. Deze rekenmodellen gebruiken algoritmen die de samenhang van het systeem berekenen evenals de manier waarop keuzes worden gemaakt voor in te zetten technologieopties. Hierbij kan onderscheid worden gemaakt tussen verschillende benaderingen:

• Input-output: Hierbij wordt het model gevoed met de keuzes voor de in te zetten technologieopties en energiemix in de verschillende vraagsectoren, zoals gebouwde omgeving, transport, landbouw en industrie. Het model construeert daaruit een toekomstige energiebalans waarin de verwachte vraag naar energie wordt ingevuld door verschillende energiedragers. Deze energiedragers worden geproduceerd uit energiebronnen of verkregen door omzetting van andere energiedragers. Hiermee kan de mix worden bepaald waarmee aan de vraag wordt voldaan. Ook kunnen de CO₂-emissies en de kosten van het energiesysteem worden berekend.
• Simulatie: Uitgaande van het bestaande energiesysteem wordt een simulatie gemaakt van de ontwikkelingen en keuzes die burgers en bedrijven maken. Deze methode is met name geschikt voor het analyseren van de effecten van beleid en beleidsinstrumenten, waarbij zo’n 10 tot 20 jaar vooruit wordt gekeken. Het is mogelijk toekomstprojecties goed te laten aansluiten op realisaties uit het verleden.
• Optimalisatie: Met een optimalisatiemodel kan een toekomstig energiesysteem worden gevonden dat aan één of meerdere criteria voldoet, bijvoorbeeld een energiesysteem met een bepaalde maximale CO₂-uitstoot en minimale maatschappelijke kosten. Het optimalisatiemodel bepaalt op basis van kosten en randvoorwaarden (bijvoorbeeld maximum potentieel van een energiebron) met welke energiebronnen en technologieën de energievraag wordt gedekt. Optimalisatiemodellen worden gebruikt bij langetermijn-projecties (10 tot 30 jaar vooruit en soms verder), maar de resultaten sluiten minder goed aan op realisaties uit het verleden.

Elk jaar stelt het PBL de Klimaat- en energieverkenning (KEV) op. Uit de KEV blijkt in hoeverre met het overheidsbeleid de doelstellingen worden gehaald voor de emissiereductie van broeikasgassen, het aandeel duurzame energie en energiebesparing. Daarbij wordt onderscheid gemaakt in vastgesteld, voorgenomen en geagendeerd beleid. De kwantitatieve resultaten van deze verkenning beslaan een periode van 10 tot 20 jaar in de toekomst en worden berekend met een set van simulatie- en optimalisatiemodellen.

Door verschillende partijen worden energiescenario’s opgesteld die een transitie van het Nederlandse energiesysteem beschrijven. Dit betreft zowel integrale scenario’s voor het gehele energiesysteem als scenario’s en prognoses voor een deel daarvan. De II3050-studie, uitgevoerd in opdracht van de netbeheerders, beschrijft vier energieperspectieven voor Nederland tot 2050. De inzet van technologieopties vormen input voor het hierbij gebruikte Energietransitiemodel. De kwantitatieve resultaten worden door de netbeheerders gebruikt voor het bepalen van de toekomstige capaciteitsbehoefte van de elektriciteits- en gasnetten.

Elke twee jaar voert TNO een verkennende scenariostudie uit waarbij twee scenario’s (ADAPT en TRANSFORM) worden doorgerekend met het OPERA-model. Dit is een optimalisatiemodel voor het Nederlandse energiesysteem. OPERA berekent het energiesysteem en de bijbehorende emissies met de laagste maatschappelijke kosten. Een reductiedoelstelling voor broeikasgasemissies en bepaalde randvoorwaarden, zoals het beschikbare ruimtelijk potentieel voor wind en zonne-energie, vormen hierbij het uitgangspunt. Het model optimaliseert op kosten tussen verschillende concurrerende technologie-opties (inclusief netinfrastructuur), energiebronnen en energiedragers. In de berekeningen wordt rekening gehouden met technologieverbetering en kostenverlagingen en met import uit en export van energie naar het buitenland. Op kosten geoptimaliseerde scenario’s zijn relevant voor het energiebeleid, omdat dit beleid streeft naar een energiesysteem dat tegen de laagste maatschappelijke kosten voldoet aan de gestelde klimaat- en andere doelen. Een klimaatneutraal energiesysteem voor Nederland OPERA: A new high-resolution energy system model for sector integration research

Uitgeschreven tekst

De figuur laat projectie s zien voor toekomstige elektriciteitsproductie in Nederland volgens de TNO-energiescenario’s ADAPT en TRANSFORM. De projecties zijn gemaakt voor de jaren 2030, 2040 en 2050. Het basisjaar voor de projectie is 2019. De figuur laat het aantal TWh elektriciteit zien dat is opgewekt met aardgas, steenkool, olie, kernenergie, afval, biomassa, zon PV, wind op land en wind op zee en de omvang van import en export van elektriciteit. Daarnaast is het aandeel van elektriciteit in het totale energie-aanbod getoond. Het ADAPT-scenario laat een minder grote stijging van het aandeel elektriciteit in de Nederlandse energievoorziening zien dan het TRANSFORM-scenario. Dit aandeel stijgt bij ADAPT van 16% in 2030 tot 35% in 2050, en bij TRANSFORM van 19% in 2030 tot 63% in 2050. In beide scenario’s komt in 2050 zo’n 86% van het elektriciteitsaanbod uit wind en zon.

Voor het berekenen van effecten van klimaatbeleid worden optimalisatiemodellen gebruikt: Integrated Assessment Models (IAM). Door verschillende nationale en internationale onderzoeksinstituten wordt bijgedragen aan de assessment reports van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) over mitigatie van klimaatverandering. Voor het berekenen van de effecten op het klimaat reiken de IPCC-projecties tot 2100. Het TIAM-ECN-model is het IAM waarmee TNO bijdraagt aan de analyses van het IPCC. PBL doet dat met het IMAGE model. Het IEA publiceert jaarlijks de World Energy Outlook met enkele energiescenario’s tot 2040 voor de hele wereld en verschillende regio’s en landen. De Europese Commissie laat ten behoeve van het Europese klimaat- en energiebeleid om de vier jaar een referentiescenario opstellen. Het meest recente referentiescenario loopt tot 2050. Voor de Europese Green Deal zijn daarnaast 3 beleidsscenario’s opgesteld.

Uitgeschreven tekst

De figuur laat emissiepaden zien voor wereldwijde broeikasgasemissies bij verschillende scenario’s voor de periode van 2000 tot 2100. Er worden scenario’s getoond die overeenkomen met verschillende ambitieniveaus: geïmplementeerd beleid, opwarming tot 2°C en opwarming tot 1,5°C. Voor elk scenario wordt een bandbreedte getoond van de geprojecteerde emissies. Alleen voor het scenario waarbij gestreefd wordt de opwarming tot 1,5°C te beperken zal na 2050 sprake kunnen zijn van negatieve broeikasgasemissies. In het scenario met opwarming tot 2°C zijn de broeikasgasemissies wel sterk gedaald, maar niet tot nul. In het scenario met geïmplementeerd beleid kunnen de emissies zowel dalen als stijgen ten opzichte van het niveau in 1990. De bron is het zesde assessment report van het IPCC.

Verkenningen van de toekomstige ontwikkeling van het energiesysteem kunnen ook worden uitgevoerd op een kleinere geografische schaal, bijvoorbeeld voor een provincie, RES-regio of gemeente. Deze verkenningen zijn nuttig om bijvoorbeeld inzicht te krijgen in de lokale ruimtelijke effecten van de energietransitie of de consequenties voor de netinfrastructuur (gas, warmte, elektriciteit) en ondersteunen het maken van lokale keuzes en plannen.

Ten slotte worden energiescenario’s opgesteld met modellen die een deel van het energiesysteem beschrijven, bijvoorbeeld de elektriciteitssector, de gebouwde omgeving of de industriesector. Het kan hierbij zowel gaan om beleidsondersteunende analyses als analyses voor ondersteuning bij het maken van keuzes en plannen.

Netbeheer Nederland heeft een overzicht met kenmerken opgesteld van een groot aantal energiemodellen voor Nederland, zowel integrale nationale modellen als regionale en sectormodellen. Enkele modellen hebben ook een internationale dimensie.

Voor een goede scenario-analyse is de kwaliteit van de gebruikte invoerdata belangrijk, bijvoorbeeld het gebruik van de meest recente techno-economische data van technologie-opties. Hiervoor kan gebruik gemaakt worden van technologie datasheets die TNO hierover opstelt. Ook zullen energiemodellen voortdurend moeten worden aangepast aan nieuwe inzichten. De energietransitie zorgt immers voor introductie van nieuwe technieken en veranderingen in het energiesysteem . De resultaten van energiescenario’s kunnen verder worden verbeterd en worden verrijkt met meer informatie door energiemodellen te koppelen aan andere modellen, zoals economische modellen of ruimtelijke planningsmodellen.

Regionale- en sectormodellen zijn vaak gedetailleerder dan integrale modellen die het hele Nederlandse energiesysteem omvatten. Ook hier kan het onderling koppelen van verschillende modellen meer en betere resultaten opleveren. Een regionaal model of een sectormodel koppelen aan een integraal nationaal model kan helpen bij het consistent maken van de scenario’s met de ontwikkeling van het nationale energiesysteem. Het koppelen van een regionaal model aan een ruimtelijk planningsmodel zorgt voor extra informatie die van nut is voor regionale- en lokale besluitvorming.