Hoe kan de integratie van hernieuwbare energiebronnen de toekomstige energiemarkt hervormen?

In de wereld van de moderne energieproductie staat het ontwerp van de energiemarkt op het punt te veranderen. De nadruk ligt niet meer alleen op de traditionele opwekking van elektriciteit, maar ook op de flexibiliteit van het systeem, waarbij hernieuwbare energiebronnen (RES) en andere flexibele energieopties een grotere rol spelen. Om deze transitie te realiseren, moeten investeringsmogelijkheden worden verbreed om flexibele elektriciteitscentrales, zowel hernieuwbare als conventionele, energieopslagsystemen (ESS), vraagrespons (DR), netwerken voor transmissie en distributie (T&D) en aanvullende diensten te omarmen.

In moderne energiemarkten zijn dynamische prijsprikkels de belangrijkste stimulans voor het gedrag van marktdeelnemers. Het is daarom noodzakelijk om meer flexibiliteit in het bestaande energiesysteem te ontsluiten. Dit kan onder andere door de integratie van hernieuwbare energiebronnen te versnellen, met de focus op projecten van hoge waarde die de uitdagingen van netintegratie kunnen verminderen. Bovendien moeten nieuwe investeringen in de markt worden aangetrokken, vooral in markten die concurrerende prijzen voor elektriciteit hanteren op de kortere termijn, wat hernieuwbare energieproducenten aanmoedigt om deel te nemen aan de energiemarkt.

Flexibele energiecentrales kunnen worden beloond voor hun vermogen om snel in te spelen op de behoeften van het systeem, wat hen een belangrijke rol geeft in het toekomstige energieontwerp. De markt voor RES-geïntegreerde energiebevoorrading maakt gebruik van kortetermijnprognoses van de elektriciteitsproductie om prijsvoorspellingen te doen op basis van tijd en geografische locatie. Met een toenemend aandeel van RES in de energiemix, moet het marktdesign de operationele kosten van het systeem in de kortetermijn reflecteren, zodat het systeem in real-time in balans blijft.

Om dit doel te bereiken, moeten markten het volgende bevorderen: het verwijderen van barrières voor elektriciteitsprijzen in tijden van schaarste, het waarborgen van gelijke kansen voor alle marktspelers, het stimuleren van flexibiliteit in alle vormen (zoals opwekking, opslag, DSM, enz.), en het faciliteren van lange-termijncoördinatie tussen geografisch verspreide spelers. Ook moeten er nieuwe risicobeperkende strategieën worden ontwikkeld om hernieuwbare energieproducenten te helpen bij het doen van investeringen, en het creëren van een prosumermarkt die consistent is met zowel groothandels- als detailhandelsprijzen.

Modelleer- en simulatiestudies

Over de hele wereld worden momenteel uitgebreide studies uitgevoerd in zowel academische als industriële onderzoeksinstellingen om een nauwkeurige modellering van hernieuwbare energiebronnen en hun netintegratie mogelijk te maken. Al die aspecten van de uitdagingen die eerder werden besproken, worden bestudeerd met behulp van dergelijke modellen via zowel offline als real-time simulaties.

In dit kader worden wiskundige modellen gebruikt om de prestaties van verschillende RESs te simuleren, en er worden case-studies gepresenteerd die laten zien hoe een realistische RES-verbonden microgrid opereert. Zo wordt bijvoorbeeld de windturbinegenerator (WTG) gemodelleerd. Windenergie is de laatste decennia sterk in opkomst door de milieuvoordelen, maar het blijft afhankelijk van de onvoorspelbaarheid van de wind. De output van een WTG hangt sterk af van de windsnelheid, en de relatie tussen de output en de windsnelheid is niet-lineair.

De output van een WTG wordt in vier fasen geanalyseerd: van de stilstandsfase bij lage windsnelheden tot de maximale output wanneer de windsnelheid het nominale niveau bereikt, waarna de turbine zichzelf uitschakelt bij te hoge windsnelheden voor de veiligheid. De kostenfunctie van een WTG omvat directe kosten, boetes voor over- en onderschatting van beschikbare windenergie, evenals de reserveringskosten voor het niet optimaal benutten van windbronnen.

De prestaties van zonne-energie worden op een vergelijkbare manier gemodelleerd. Zonnepanelen zijn voornamelijk afhankelijk van de zonne-irradiatie en de temperatuurverschillen tussen het referentieniveau en de omgevingstemperatuur. De output van zonne-energie kan worden uitgedrukt in een wiskundige formule die rekening houdt met deze variabelen. Ook de kostenfunctie van een zonne-energieplant wordt in detail geanalyseerd en bestaat uit directe kosten, boetes en reserveringskosten.

In meer geavanceerde systemen wordt het zonne-PVT-paneel gemodelleerd, dat zowel elektriciteit als thermische energie produceert. Dit soort systemen biedt voordelen voor gebruikers die beide vormen van energie willen benutten, wat de return on investment aanzienlijk verbetert. De prestaties van PVT-panelen worden gemodelleerd door zowel elektrische als thermische output te berekenen, afhankelijk van omgevingsomstandigheden zoals zonnestraling en temperatuur.

Een ander belangrijk hernieuwbaar energieproduct is waterkracht, dat al eeuwenlang wordt gebruikt voor energieopwekking. Kleinere hydro-elektrische installaties, zoals mini-hydrocentrales, gebruiken de natuurlijke waterstroom van rivieren om turbines aan te drijven en zo elektriciteit op te wekken. De hoeveelheid opgewekte energie is afhankelijk van de waterstroom en de hoogte van de waterval. Dit systeem kan eenvoudig worden gemodelleerd met behulp van wiskundige vergelijkingen die de relatie tussen waterdebiet en opgewekte energie beschrijven.

Daarnaast wordt bio-energie, bijvoorbeeld door middel van de omzetting van afval naar energie, steeds relevanter. Bio-energie kan zowel warmte als elektriciteit opleveren, afhankelijk van de gebruikte technologie en het type biomassa. In het geval van afval-naar-energie wordt de opgewekte energie berekend op basis van de efficiëntie van de generatoren en het conversiepercentage van de gebruikte biomassa.

Belang van flexibiliteit en kostenbeheer in de energiemarkt

De verschuiving naar hernieuwbare energiebronnen vereist niet alleen technologische innovaties, maar ook een fundamentele heroverweging van het marktdesign en de manier waarop elektriciteitsprijzen worden vastgesteld. Flexibiliteit in het energiesysteem is essentieel om te reageren op fluctuaties in vraag en aanbod die het gevolg zijn van de onvoorspelbaarheid van hernieuwbare energiebronnen. Dit vraagt om een meer dynamisch en adaptief marktmechanisme waarin prijsprikkels effectief kunnen worden ingezet om het gedrag van zowel producenten als consumenten aan te passen.

Bovendien moeten er nieuwe mechanismen worden ontwikkeld om de onzekerheden die gepaard gaan met de integratie van RES te beheren, zoals de variabiliteit van de weersomstandigheden die de energieproductie beïnvloeden. Het benutten van geavanceerde voorspellingsmodellen en het implementeren van geoptimaliseerde markten voor flexibiliteit kan helpen om deze uitdagingen te overwinnen en tegelijkertijd de investeringsrisico’s voor hernieuwbare energieproducenten te verlagen.

Hoe duurzame energiebronnen en technologieën bijdragen aan de wereldwijde energietransitie

Geothermische energie is een belangrijke hernieuwbare energiebron, hoewel deze slechts op beperkte plekken beschikbaar is. De grootste kostenpost bij de productie van energie uit geothermische bronnen komt door het boren naar de bron van heet water of stoom. Dit proces lijkt veel op het boren dat wordt uitgevoerd bij de winning van olie uit olievelden. Een significant aantal olievelden produceert grote hoeveelheden heet water tijdens de fase van hoge waterproductie. Bovendien is er heet water beschikbaar in uitgeputte olievelden, waarbij geen extra boorkosten nodig zijn. Het benutten van geothermische warmte, zowel uit nieuwe olievelden als uit uitgeputte olievelden, kan een goede optie zijn voor de toekomst van energieopwekking.

Gebouwen verbruiken een aanzienlijk deel van de geproduceerde energie. Het opkomende concept van duurzame gebouwen maakt het mogelijk om gebouwen niet alleen energie-efficiënt te maken, maar ook te gebruiken voor gedistribueerde hernieuwbare energieopwekking. Toekomstige energie-efficiënte gebouwen zullen niet alleen energie verbruiken, maar ook hernieuwbare energie produceren als onderdeel van een gedistribueerd opwekkingssysteem. Real-time monitoring van dergelijke ‘slimme gebouwen’ vereist automatisering, ondersteund door data-analyse die geïntegreerd is met Internet of Things (IoT) en ondersteund door de juiste beslissingslogica. Een efficiënt gebouwbeheer dat hernieuwbare energie produceert, wordt verder onderzocht als een oplossing voor de verduurzaming van de gebouwde omgeving.

Het verschil tussen vraag en aanbod is een onvermijdelijk aspect van elke energieproductie en consumptie. Dit verschil wordt duidelijker wanneer de onzekerheid in de energieopwekking groter is, vooral bij hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie. Conventionele elektrochemische opslagapparaten kunnen dit verschil niet effectief compenseren. Pomphydro-opslag is een efficiënte oplossing voor grote periodes waarin er een discrepantie is tussen de opwekking en het verbruik. Verschillende aspecten van pomphydro-opslagsystemen worden besproken als een manier om meer gedistribueerde hernieuwbare energie in het hoofdnet te integreren.

De oceaan is een enorm potentieel voor hernieuwbare energie. Het winnen van energie uit golven is een haalbare optie voor gedistribueerde hernieuwbare energie. Hoewel een oscillierende waterkolom (OWC) in een kanaal met golven aan de ene kant en openlucht aan de andere kant een gebruikelijke optie is voor golven-energie, heeft het een lagere efficiëntie door de periodieke verandering van de stroomsnelheid en de richting van de golven. Een vloeistofdiode (FD), vergelijkbaar met een elektronische diode, wordt voorgesteld om de bidirectionele stroom om te zetten in een unidirectionele stroom met een variabele weerstand. Dit kan de efficiëntie van de technologie verbeteren. De vooruitzichten en uitdagingen van deze technologie worden verder onderzocht, evenals de resultaten van numerieke studies die de haalbaarheid van deze oplossing ondersteunen.

Modellering en simulatie zijn standaardprocessen bij de implementatie van nieuwe technologieën, omdat ze helpen om de verwachte prestaties van een systeem te schatten zonder het daadwerkelijk te bouwen. Op basis van de simulatie kunnen de optimale systeemconfiguraties worden ontwikkeld als prototype. Dit proces van modellering en simulatie is essentieel voor de ontwikkeling van engineeringtechnologieën, vooral voor opkomende systemen.

Biobrandstoffen, geproduceerd uit ligno-cellulosische biomassa (LCB) die rijk is aan lignine, zijn een veelbelovende optie voor de vervanging van fossiele brandstoffen. Om dit proces echter duurzamer te maken, is gedetailleerde procesmodellering noodzakelijk. De modellering van verschillende reactoren die worden gebruikt voor syngas-fermentatie voor bio-ethanolproductie wordt verder behandeld, waarbij de verschillende uitdagingen en mogelijke oplossingen worden besproken.

Duurzame energievoorziening op afgelegen locaties heeft te maken met fluctuaties aan zowel de vraag- als aanbodzijde. Het handhaven van een constante spanning en frequentie bij deze fluctuaties is een belangrijke uitdaging voor zulke systemen. Een zelfgeëxciteerde inductiemotor (SEIG) blijkt een effectieve oplossing voor het stabiliseren van spanning en frequentie in systemen met gedistribueerde hernieuwbare energieproductie. Simulatieresultaten van dergelijke systemen worden gepresenteerd voor een beter inzicht in de werking en prestaties van deze technologie.

Micro-waterkrachtcentrales zijn milieuvriendelijker omdat ze geen negatieve impact hebben op de lokale bevolking door de creatie van wateropslag boven de dam. Echter, fluctuaties in zowel de energieproductie als het energieverbruik kunnen een uitdaging vormen voor deze systemen. De simulatie van een SEIG met het stroomnet voor micro-waterkrachtcentrales wordt verder onderzocht in de MATLAB/Simulink-omgeving, waarbij de resultaten bruikbaar zijn voor de integratie van micro-waterkrachtcentrales in het elektriciteitsnet.

Een andere uitdaging voor gedistribueerde systemen is het beheersen van harmonischen, een slechte vermogensfactor, ongebalanceerde belasting en spanningsregulatie. Het gebruik van een shunt-actieve filter met een gemodificeerde P-Q controller wordt in simulaties getest en gepresenteerd als oplossing voor deze problemen.

De succesvolle toepassing en commercialisatie van nieuwe technologieën hangt van vele factoren af, waaronder de sociaal-economische context. Voor de toepassing van een gasificatiesysteem in India, bijvoorbeeld, zijn er specifieke socio-economische overwegingen die de effectiviteit van de technologie kunnen beïnvloeden. De implementatie van technologieën vereist bovendien een adequate beleidssteun en voortdurende evaluatie van de sociale impact.

In India is er een nationaal streven naar de versterking van zonne-energie. Beleid op nationaal en regionaal niveau ondersteunt de groei van zonne-energie, wat een belangrijke stap is in de energietransitie. De effecten van deze initiatieven, zoals de creatie van groene banen en plattelandsontwikkeling, worden verder onderzocht in de laatste hoofdstukken van dit boek.

Duurzame energiebronnen en technologieën kunnen bijdragen aan de wereldwijde energietransitie, maar om deze technologieën effectief in te voeren, moeten zowel technische als socio-economische aspecten zorgvuldig worden overwogen. Het succes van deze systemen hangt af van de integratie van innovatieve oplossingen, de juiste beleidsmaatregelen en de betrokkenheid van de gemeenschap.