Elektrisch Rijden, Peak Load en CO2‐ Uitstootreductiepotentieel 24 juni 2012 Auteur: Pirre Dormans Studentnummer: 6150217 Universiteit van Amsterdam Begeleider: Prof. Dr. J. G. de Wit Coordinator: Dr. F. M. Bridoux
ABSTRACT In deze thesis wordt door middel van scenario planning onderzoek gedaan naar de gevolgen van een gehele transitie door de transportindustrie naar elektrisch rijden. Door het opstellen van drie scenario’s met een hoge, middelmatige en lage CO2 intensiteit en kijkend naar de invloed van een smart grid, wordt onderzocht wat de gevolgen zijn op het elektriciteitsverbruik van Nederland en de uitstoot van CO2 door de transportindustrie. Uit de resultaten blijkt dat het CO2 uitstoot reductie potentieel alleen benut kan worden als er gebruik wordt gemaakt van CO2 extensieve energiebronnen voor de opwekking van elektriciteit. Daarnaast blijkt dat de impact op de peak load groot is. Het implementeren van een smart grid heeft grote invloed op die impact, door het energieverbruik te verplaatsen naar de daluren.
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Management Samenvatting De overheid en verschillende gemeentes zetten in op de ontwikkeling van de elektrische auto om klimaatverandering te beperken en de energiezekerheid te beperken. Ook het bedrijfsleven ziet toekomst in de elektrische auto. Maar zijn de gevolgen van grootschalig elektrisch rijden al voldoende in kaart gebracht? Deze scriptie onderzoekt twee aspecten van een gehele transitie naar elektrisch rijden die niet voldoende onderzocht zijn: de potentiële reductie van de uitstoot van CO2 en het effect op het elektriciteitsverbruik. Om deze aspecten te onderzoeken zijn drie scenario’s ontwikkeld met elk een energiemix met verschillende CO2 intensiteit: “Zwart”, “Grijs” en “Wit”. “Zwart” heeft een CO2 intensiteit van 680 g CO2/kWh door het gebruik van fossiele brandstoffen als enige energiebron. In “Grijs” is de elektriciteitsvoorziening voor de helft afhankelijk van fossiele brandstoffen en voor de helft van duurzame‐ en/of kernenergie, waardoor de CO2 intensiteit daalt naar 340 g CO2/kWh. Het scenario “Wit” gebruikt alleen duurzame‐ en/of kernenergie voor de opwekking van elektriciteit. Hierdoor is de CO2 intensiteit van dit scenario 0 g CO2/kWh. Uit het onderzoek komt dat het CO2‐uitstootreductiepotentieel voor de scenario’s respectievelijk 3,2 (32%), 6,6 (66%) en 10,0 (100%) miljoen ton CO2 per jaar is bij gebruik van elektriciteit uit de energiemix. Bij gebruik van marginale energie is het CO2‐ uitstootreductiepotentieel direct afhankelijk van de bron: kolen: 0,5 (5%), olie: 3,0 (30%), gas: 6,0 (60%) en duurzame‐ en/of kernenergie: 10,0 (100%) miljoen ton CO2 per jaar. Het effect op het elektriciteitsverbruik is een verhoging van 10 miljard kWh per jaar, een verhoging van 11,11 %. Het effect op de peak load is aanzienlijk groter. Dat loopt uiteen van 11,97 tot 68,4 GW, wat een verhoging van 65,2 % tot 427,5 % tot gevolg zou hebben. De invloed van een smart grid op het CO2‐uitstootreductiepotentieel is een vergroting van 3,2 naar 6,0 miljoen ton CO2 per jaar in “Zwart” en 6,6 naar 100 miljoen ton CO2 per jaar in “Grijs”. In het scenario “Wit” is er geen verschil in potentieel. De invloed van een smart grid op de verhoging van de peak load is groot door verplaatsing van het oplaadmoment van piekuren naar daluren. Hierdoor verdwijnt de verhoging van de peak load in zijn geheel, van 65,2‐427,5 % naar 0 %. Een smart grid lijkt hierdoor een vereiste te zijn voor een transitie naar elektrisch rijden.
2
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Inhoudsopgave Management Samenvatting ................................................................................................ 2 Tabellen en figuren ............................................................................................................. 4 Introductie .......................................................................................................................... 5 Maatschappelijke relevantie..........................................................................................................................................5 Wetenschappelijke relevantie ......................................................................................................................................6
Probleemstelling en Onderzoeksvraag ................................................................................ 7 Literatuur Overzicht ............................................................................................................ 8 Elektrisch rijden .................................................................................................................................................................8 CO2‐uitstoot reductie ..................................................................................................................................................... 10 Interactie met de energiemarkt ................................................................................................................................ 11 Smart grids......................................................................................................................................................................... 12
Conceptueel Model ........................................................................................................... 14 Transitie .............................................................................................................................................................................. 14 Elektrische auto ............................................................................................................................................................... 14 Conventionele auto ........................................................................................................................................................ 15 Aantal auto’s ...................................................................................................................................................................... 15 Gereden kilometers ........................................................................................................................................................ 16 Energieverbruik Elektrische auto ............................................................................................................................ 16 Energiemix ......................................................................................................................................................................... 17 Elektriciteitsverbruik van Nederland ..................................................................................................................... 17 Marginale energieproductie ....................................................................................................................................... 18 CO2 Intensiteit................................................................................................................................................................... 18 CO2‐Uitstootreductiepotentieel ................................................................................................................................. 20 Peak load ............................................................................................................................................................................ 20 Oplaadvermogen ............................................................................................................................................................. 21 Het oplaadmoment ......................................................................................................................................................... 21 Aantal auto’s ...................................................................................................................................................................... 22 De benodigde energie .................................................................................................................................................... 22
Methodologie ................................................................................................................... 24 Scenario’s ......................................................................................................................... 25 “Zwart” Scenario .............................................................................................................................................................. 25 “Grijs” Scenario ................................................................................................................................................................ 25 “Wit” Scenario................................................................................................................................................................... 26
Resultaten ........................................................................................................................ 27 “Zwart” Scenario .............................................................................................................................................................. 27 “Grijs” Scenario ................................................................................................................................................................ 29 “Wit” Scenario................................................................................................................................................................... 30 Effect op de Peak Load .................................................................................................................................................. 31 Smart Grid .......................................................................................................................................................................... 32
Conclusie .......................................................................................................................... 33
3
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Discussie en Beperkingen .................................................................................................. 36 Toekomstig onderzoek ...................................................................................................... 37 Referenties ....................................................................................................................... 38
Tabellen en figuren Tabel 1:Gemiddelde CO2 uitstoot van elektrische auto’s per land ………………..…………… 10 Figuur 1: Aantal personenenauto’s in Nederland 2000‐2012 .…………………………………... 14 Figuur 2: Aantal gereden kilometres door personenenauto’s in Nederland 1990‐2010 ……………………………………………………………………….. 15 Figuur 3: Totaal elektriciteitsverbruik in Nederland 2005‐2010 ………………………………. 16 Figuur 4: CO2 intensiteit van elektriciteit uit verschillende soorten fossiele
energiebronnen ………………………………………………………………………………… 18
Figuur 5: Gemiddeld dagelijks verloop van het elektriciteitsverbruik in Nederland in
2006‐2008 ………………………………………………………………………………………... 19
Figuur 6: Visualisatie verbanden CO2‐uitstootreductiepotentieel ………………..………….. 21 Figuur 7: Visualisatie verband smart grids – peak load …………………………………………….. 21 Tabel 2: CO2 intensiteit “Zwart” ……………………………………………………………...………………. 23 Tabel 3: CO2 intensiteit “Grijs” …………………………………………………......…………………………. 23 Tabel 4: CO2 intensiteit “Wit” …………………………………………………..…………………………...… 24 Tabel 5: CO2‐uitstootreductiepotentieel “Zwart” ………………………..…………………………... 26 Tabel 6: CO2‐uitstootreductiepotentieel “Grijs” ………………………..…………………………...... 28 Tabel 7: CO2‐uitstootreductiepotentieel “Wit” ………………………..…………………………........ 29 Tabel 8: Verhoging peak load ………………………...…………………………........……………………….. 29 Tabel 9: Smart grid – CO2‐uitstootreductiepotentieel ………….......……………………….......... 30 Tabel 10: Smart grid‐ peak load ………………………...…………………………........……………………. 30
4
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Introductie Elektrisch rijden wordt al tijden gezien als een van de manieren om de uitstoot van broeikasgassen terug te dringen en de economie schoner en duurzamer te maken. Het zou volgens vele de toekomst van persoonlijk transport moeten zijn. Maar wat zou er gebeuren als iedereen elektrisch rijdt?
Maatschappelijke relevantie Sinds de Club van Rome het boek “Grenzen aan de Groei” publiceerde in 1972 is klimaatverandering een maatschappelijke zorg. Zij kaartten naast een aantal grote problemen als de eindigheid van grondstoffen een nieuw probleem aan. Door de uitstoot van broeikasgassen, waar CO2 er een van is, zou het wereldwijde klimaat uit evenwicht kunnen raken en veranderen. Deze broeikasgassen komen vrij bij verbranding van fossiele brandstoffen, de belangrijk energiebron van onze maatschappij (Meadows, Meadows, Randers & Behrens 1972). Daarnaast zijn fossiele brandstoffen niet oneindig beschikbaar. De schattingen die voorspellen voor hoe veel jaar er nog voldoende fossiele brandstof is lopen uiteen. De Hubbertpiek, de piek in wereldwijde olieproductie, wordt door vele voor 2025 verwacht. Na deze piek kan het aanbod de vraag niet meer bijhouden en zal de prijs van olie stijgen Door het economisch vraag‐aanbod mechanisme zullen oliebronnen die tot voorkort te duur was om te exploiteren, exploiteerbaar worden (Stichting Peakoil Nederland, 2012). Voor de wegtransportsector lijkt de toekomst te liggen in elektriciteit. Elektrisch rijden is een van de belangrijke punten in het duurzaamheidsbeleid van de overheid. De overheid wil op termijn naar een elektrisch wagenpark en experimenteert met verschillende projecten op het gebied van oplaadinfrastructuur. De kennis die hier mee opgedaan wordt zal volgens de overheid in de toekomst van grote waarde kunnen zijn voor de kenniseconomie van Nederland (Min ELenI, Min IenM & Min BZK 2011). Daarnaast moet elektrisch rijden bijdragen aan het behalen van de 20‐20‐20 doelstellingen die Nederland zich gesteld heeft in europees verband: 20 procent reductie van de uitstoot van broeikasgassen ten opzichte van 1990, 20 procent van de
5
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
energie moet duurzaam worden opgewekt en de energie‐efficiënte moet met 20 procent zijn verbeterd (EC 2008, EC 2010). Ook de autofabrikanten zien potentie in de elektrische auto. De eerste elektrische modellen waren hybride, ze hadden en een verbrandingsmotor en een elektrische motor. Na een aantal mislukte pogingen van verschillende fabrikanten was Toyota de eerste met een succesvol model: de Prius. De laatste tijd is vooruitgang geboekt in de techniek van elektrische motoren en de batterijen, waardoor er nu ook volledig elektrische modellen te koop zijn (Elektrische Auto, 2012).
Wetenschappelijke relevantie Er wordt veel wetenschappelijk onderzoek gedaan naar elektrisch rijden, waarover verder wordt uitgewijd in hoofdstuk 2: Literatuur overzicht. De meeste onderzoeken richten zich op de technische aspecten van elektrische auto’s en vergelijken deze met auto’s met verbrandingsmotoren. Ook zijn er veel marketing onderzoeken die ingaan op de kijk van de consument op elektrisch rijden. Er is weinig onderzoek gedaan naar de manier waarop de elektrische auto moet worden geïntegreerd in de infrastructuur. De transitie naar elektrisch rijden kan grote gevolgen hebben voor de elektriciteitsvraag. Door nu vooruit te kijken naar de mogelijke gevolgen van elektrisch rijden en de implicaties daarvan voor de infrastructuur en de energiemarkt kunnen onvoorziene problemen voortijdig geïdentificeerd worden. Potentiële problemen kunnen verder worden onderzocht en oplossingen kunnen worden bedacht zonder dat het probleem plaats hoeft te vinden.
6
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Probleemstelling en Onderzoeksvraag Door de transitie in de transportsector van rijden op fossiele brandstof naar rijden op elektriciteit zal de vraag naar elektriciteit toenemen en kan de dagelijkse piek in het verbruik van elektriciteit groter worden. Hoe in deze grotere vraag voorzien zal worden is een van de grote vraagstukken, de klimaatdoelstellingen in ogenschouw nemend. Dit onderzoek schetst door middel van scenario planning een aantal scenario’s waarin het effect van de transitie op de energiemarkt gekwantificeerd wordt. Door de ontwikkeling van verschillende trends te extrapoleren en door een aantal aannames te maken zal er een antwoord worden gegeven op de vraag: Wat zijn de effecten van de transitie naar elektrisch rijden op het Nederlandse elektriciteitsverbruik en de uitstoot van CO2 door de transportsector? Een van de aannames die gemaakt moeten worden om antwoord te geven op deze vraag is dat de transportsector een gehele transitie van rijden op fossiele brandstof naar rijden op elektriciteit doormaakt. Bij deze onderzoeksvraag zijn een aantal subonderzoeksvragen van belang:
Wat is het CO2‐uitstootreductiepotentieel van het elektrische autopark ten opzichte van het conventionele autopark?
Wat is het effect van de elektriciteitsbehoefte van het elektrische autopark op de peak load?
Wat is de invloed van een smart grid op het CO2‐uitstootreductiepotentieel
Wat is de invloed van een smart grid op het effect van de elektriciteitsbehoefte op de peak load?
De scenario’s zijn gevormd door een tweetal dimensies te manipuleren:
De energiemix; de verhouding tussen energieopwekking door middel van verbranding van fossiele brandstoffen, kernenergie en hernieuwbare bronnen (wind‐ en zonne‐energie/waterkracht).
Een smartgrid; of er in de scenario’s een smart grid aanwezig is dat het oplaadgedrag van gebruikers van elektrische auto’s beïnvloedt.
7
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Literatuur Overzicht In dit hoofdstuk wordt een overzicht van relevante literatuur op verschillende onderzoeksgebieden van elektrisch rijden en de energiemarkt gegeven.
Elektrisch rijden Elektrische auto’s zijn al een tijd beschikbaar voor consumenten, maar het aandeel elektrische auto’s in het huidige autopark is nog erg klein. In het onderzoek van Hoen & Koetse (2012) in opdracht van het Planbureau voor de Leefomgeving wordt ingegaan op de vraag hoe de Nederlandse autobezitter verschillende soorten alternatief aangedreven auto’s (AFV(Alternative Fuelled Vehicle)) waardeert, wat de grootste barrières zijn en welke doelgroepen het meest kansrijk zijn wanneer de overheid het aandeel elektrische auto’s wil vergroten. De resultaten laten zien dat alle soorten AFV’s lager gewaardeerd worden dan de conventionele auto’s. De elektrische auto wordt het laagst gewaardeerd door zowel de particuliere autokopers als de zakelijke rijders. Ook bij sterke technische verbeteringen op gebieden als oplaadtijd en actieradius blijft de elektrische auto het laagst gewaardeerd, terwijl met deze verbeteringen sommige andere AFV’s hoger gewaardeerd worden dan de conventionele auto’s (door zakelijke rijders) (p. 49). Vaak worden de personen die veel kilometers rijden gezien als de meest kansrijke groep voor AFV’s omdat zij relatief veel brandstofkosten zouden kunnen besparen door elektrisch te rijden. Bovendien zouden de meerkosten van de verschillende soorten AFV’s minder belemmerend zijn omdat deze doelgroep vaak in grote duurdere auto’s rijdt. Het onderzoek toont aan, in tegenstelling tot deze verwachting, dat juist hoe meer kilometers een persoon rijdt, hoe minder de waardering voor AFV’s is. De kleinere actieradius is hier de grootste reden voor. Dit is een van de barrières voor de transitie naar elektrisch rijden. In het onderzoek wordt ook aangetoond dat de oplaadtijd een rol speelt. Met een oplaadtijd van 8 uur wordt de elektrische auto lager gewaardeerd dan de conventionele auto. Als deze oplaadtijd verkort wordt naar 30 minuten, wordt de elektrische auto beter gewaardeerd dan de conventionele auto, mits er niet langer dan 15 minuten
8
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
omgereden hoeft te worden om de auto op te laden. Dit vormt een van de barrières die overkomen moet worden als de transitie naar elektrisch rijden plaats zou vinden. In een “Discussion Paper” voor het International Transport Forum (Crist, 2012) wordt onderzoek gedaan naar de meerkosten van elektrische auto’s voor de maatschappij en voor de consument. Crist berekent de meerkosten door de kosten van auto’s met een verbrandingsmotor en elektrische auto’s, die redelijk overeenkomen qua grootte en technische eigenschappen, over hun hele levensduur te meten. Uit het onderzoek blijkt dat, met de huidige subsidies en fiscale regelingen in Frankrijk, een elektrische auto de maatschappij 7 to 12 duidend euro meer kost dan een auto met verbrandingsmotor. Daarnaast kost een elektrische sedan of compacte auto consument 4 tot 5 duizend euro meer, maar een elektrisch busje 4 duizend euro minder (p. 25‐26). Deze hogere kosten vormen nog een barrière voor de transitie naar elektrisch rijden. De kosten van elektrisch auto’s zullen omlaag moeten voordat een transitie plaats zou kunnen vinden. Voor dit onderzoek zijn een aantal keuzes gemaakt met betrekking tot o.a. de kosten van fossiele brandstof en elektriciteit. Gelet op de onzekerheid van deze variabele kunnen de meerkosten afwijken. Crist merkt op dat elektrische auto’s vaak worden gezien als uitstootloze voertuigen en gebruikt in scenario’s voor duurzame CO2‐arme economieën. Elektrische auto’s hebben echter een verplaatste uitstoot omdat de opwekking van elektriciteit vaak nog uitstoot van CO2 en andere vervuilende stoffen tot gevolg heeft. Over de hoeveelheid CO2‐ uitstoot die bespaart wordt zegt hij: “Exactly how much less depends on the carbon intensity of marginal electricity production used to charge electric vehicles, the full lifecycle emissions (including production) of comparable electric and fossil‐fuel powered vehicles (and their fuels) and the relative energy efficiencies of those vehicles.” (p. 5)
9
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
CO2‐uitstoot reductie Elektrische auto’s hebben geen directe CO2‐uitstoot, maar de elektriciteit die zij verbruiken is wellicht gegenereerd op CO2 intensieve manieren. In een analyse van de toekomst van de elektrische auto door Book, Groll, Mosquet, Rizoulis & Stichter (2009) wordt uiteengezet hoe de potentiële reductie van CO2‐ uitstoot in elkaar zit. De uitstootvrije elektrische motor van de auto zorgt ervoor dat de auto zelf geen uitstoot heeft, maar bij de opwekking van de elektriciteit die de motor verbruikt vindt wel uitstoot plaats. De reductie van de CO2‐uitstoot is afhankelijk van de samenstelling van verschillende manieren van elektriciteitsopwekking. Book et al. stellen daarom dat het reductiepotentieel van de elektrische auto in China en India negatief is. De uitstoot van CO2 zou toenemen bij een overstap, omdat de samenstelling van de elektriciteitsopwekking in China en India sterk CO2 intensief is. In Europa daarentegen is het reductie potentieel 55 tot 60 % dankzij de schonere samenstelling van de brandstof voor de elektriciteitsopwekking. In de studie van de European Association for Battery Electric Vehicles (2009) wordt de CO2‐uitstoot van conventionele auto’s en elektrische auto’s berekend en vergeleken, met als basis de gemiddelde Europese samenstelling van de elektriciteitsopwekking (443 gram CO2 voor elk kWh geproduceerd en getransporteerd). De studie vergelijkt grootte van de uitstoot voor elke auto door te berekenen wat de netto CO2‐uitstoot is voor 1 naar de wielen getransporteerd kWh aan energie. Door de gehele bron‐tot‐wiel (well‐to‐wheel) cyclus van energie te gebruiken in de vergelijking kan de netto CO2‐ uitstoot vergeleken worden tussen beide soorten auto’s. De resultaten laten zien dat voor elk naar de wielen getransporteerd kWh benzineauto’s met ongeveer 1490 gram CO2 de hoogste uitstoot hebben, gevolgd door dieselauto’s met 1380 gram CO2. Elektrische auto’s zijn het schoonst met 738 gram CO2 per naar de wielen getransporteerd kWh voor auto’s met een loodbatterij en 616 gram CO2 voor auto’s met een lithiumbatterij. Daarnaast wordt er in de studie berekend hoe de CO2‐ uitstoot verschilt voor een aantal Europese landen.
10
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Tabel 1: Gemiddelde CO2 uitstoot van elektrische auto’s per land (EABEV, 2009 pagina. 13) Country
gCO2/kWh Average CO2/km for electric cars
Sweden
40
5
France
90
11
Belgium
290
35
EU15
443
54
Germany
600
73
Netherlands & UK 640
78
Denmark
840
102
Luxemburg
1080
131
Hierbij komt duidelijk naar voren hoe sterk afhankelijk het CO2‐ uitstootreductiepotentieel is gegeven de CO2 intensiteit van de samenstelling van de elektriciteitsopwekking.
Interactie met de energiemarkt Kintner‐Meyer, Schneider & Pratt(2007) onderzoeken in hoeverre de ongebruikte elektriciteitsproductie capaciteit van de Verenigde Staten in de energiebehoefte van de “light duty vehicles” (LDV) kan voorzien. Zij gaan uit van een transitie naar plug‐in hybrid electric vehicles (PHEV), die op elektriciteit en fossiele brandstof kunnen rijden. Hun resultaten tonen aan dat 84 % van de energiebehoefte van alle auto’s, pick‐ups en SUV’s zou kunnen worden voldaan met de huidige productie capaciteit. In het onderzoek houden zij echter geen rekening met de gebruik‐ en oplaadtijden van de gebruikers. De ongebruikte capaciteit zou beschikbaar kunnen zijn op momenten dat er minder vraag naar elektriciteit is vanuit de andere sectoren. Daarnaast worden de gevolgen van deze transitie op de uitstoot van broeikasgassen onderzocht. Voor de VS als geheel zou de uitstoot terug worden gebracht met 27 %. De uitstoot van “volatile organic compounds” (VOC) en koolstof monoxide (CO) zou worden terug gebracht met respectievelijk 93 % en 98 %, door het verdwijnen van het grootschalig gebruik van de interne verbrandingsmotor.
11
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Hadley (2006) doet onderzoek naar de invloed van de energiebehoefte van “plug‐in hybrid vehicles” (PHEV) op het elektriciteitsnetwerk. Het belang van verschillende variabelen als het oplaadvermogen, oplaadtijd en oplaadmoment wordt duidelijk, omdat deze alle invloed hebben op het karakter van de energiebehoefte. De analyse toont aan dat zonder economische prikkels, de meeste auto’s opgeladen zullen worden op het moment van thuiskomst. Dit zou een verhoging van de “peak load” tot gevolg hebben, wat het netwerk kan overbelasten. Het oplaadvermogen van de batterijen heeft een grote invloed op de energieconsumptie. Het oplaadvermogen is een product van het voltage en de ampère, die afhankelijk van de aansluiting op het elektriciteitsnet zijn. Bij een groter oplaadvermogen wordt de batterij sneller opgeladen, maar kost het opladen ook meer elektriciteit per tijdseenheid. Een groot oplaadvermogen gecombineerd met samenvallende oplaadmomenten (bij thuiskomst) zou een korte maar grote piek in de elektriciteitsvraag kunnen veroorzaken.
Smart grids Morgan (2012) beschrijft de invloed van smart grids op het gebruik van elektrische auto’s. Het opladen van elektrische auto’s legt beslag op een deel van het totale elektriciteitsaanbod. Als de hoeveelheid elektrische auto’s sterk zou toenemen, zou de druk op de elektriciteitsvoorziening ook sterk toenemen. Het elektrische autopark zou een substantieel deel van de totale elektriciteitbehoefte kunnen gaan uitmaken en de “peak load” kunnen vergroten. “Peak load” is een piek in elektriciteitconsumptie die vaak dagelijks rond 6 uur plaats vindt, op het moment dat mensen thuis komen. Als men op dat moment er ook nog voor zou kiezen de elektrische auto op te laden, zou deze piek sterk kunnen toenemen. Smart grids zouden deze piek kunnen afvlakken. “A smart grid is an electricity network that incorporates a suite of information, communication and other advanced technologies to monitor and manage the transport of electricity from all generation sources to meet the varying electricity demands of end‐ users.” (p. 8) Door smart grids te gebruiken bij het opladen van elektrische auto’s, kan deze verhoogde piek voorkomen worden. Bovendien kan het gebruik van smart grids de
12
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
uitstoot van CO2 bij de elektriciteitsproductie voor elektrische auto’s minimaliseren, door de auto’s op te laden in de daluren, wanneer de elektriciteit minder CO2 intensief is (Morgan, 2012). Daarnaast beschrijft Morgan hoe elektrische auto’s zouden kunnen helpen met het afvlakken van de “peak load”. Als de auto opgeladen is en aangesloten is op het elektriciteitsnet zou er ook elektriciteit terug worden gestuurd het net op: “Vehicle‐to‐Grid”. Op deze manier zou een huishouden tijdens de piekuren gebruik kunnen maken van de opgeslagen elektriciteit in de auto, zodat de druk op het netwerk afneemt en de piekcapaciteit vergroot wordt.
13
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Conceptueel Model In dit hoofdstuk wordt de conceptuele basis beschreven waarop de scenario’s gebaseerd zijn. Een aantal concepten worden gedefinieerd en de verbanden worden aangegeven. Daarnaast worden een aantal aannames uitgelegd en onderbouwd, waardoor de grenzen van dit onderzoek in kaart worden gebracht. Gezien de onzekerheid in de termijn waarop de barrières voor de transitie overkomen kunnen worden maakt het onderzoek geen gebruik van een tijdshorizon. Een aantal aannames wordt gemaakt op basis van gegevens uit het recente verleden, met de wetenschap dat het verleden de toekomst niet voorspelt.
Transitie De basisaanname van dit onderzoek is dat er een transitie plaats vindt van rijden op fossiele brandstof naar rijden op elektriciteit, waardoor het gehele autopark elektrisch wordt.
Elektrische auto Er zijn verschillende soorten auto’s met een elektrisch aandrijfsysteem. De meest bekende en succesvolle in de afgelopen jaren is de hybride auto, met als best verkopend model de Toyota Prius. Een hybride auto heeft een verbrandingsmotor en een elektromotor. De batterij die de elektromotor aandrijft wordt opgeladen door de verbrandingsmotor op dezelfde manier als een dynamo de conventionele accu oplaadt. Daarnaast wordt de batterij ook opgeladen door het opslaan van de bewegingsenergie bij het remmen. Een ander soort elektrische auto is de Plug‐in Hybrid (Electric) Vehicle (PHEV). Dit systeem werkt het zelfde als een hybride, met als toevoeging dat de batterij ook opgeladen kan worden door de auto aan te sluiten op een externe elektriciteitsbron. Hierdoor is het mogelijk om de auto uitsluitend op elektrische energie aan te drijven.
14
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Tenslotte is er de volledig elektrische auto, Battery Electric Vehicle (BEV), die enkel een elektromotor heeft. De batterij is daardoor alleen op te laden door de auto aan te sluiten op een externe elektriciteitsbron. De rest van dit onderzoek is gebaseerd op de BEV, om een aantal redenen. Ten eerste is deze soort de focus van de Nederlandse overheid en vele onderzoeken. Daarnaast is het uitstootcontrast tussen conventionele auto’s met een verbrandingsmotor en BEV’s groter dan het contrast tussen conventionele auto’s en de andere soorten elektrische auto’s. Daardoor leent de BEV zich beter voor het verkennen van de grenzen bij een volledige en optimale transitie. Bovendien zijn het verbruik en de efficiëntie van de auto duidelijker meetbaar bij BEV’s dan bij de hybride auto’s, waardoor de projecties van de energiebehoefte en het CO2‐uitstootreductiepotentieel preciezer zijn.
Conventionele auto Om het CO2‐uitstootreductiepotentieel te kunnen kwantificeren moet de uitstoot van de conventionele auto ook vastgesteld worden. De efficiëntere huidige auto’s hebben een uitstoot tussen de 90 en 200 gram CO2 per kilometer, waarbij de nieuwe modellen zich onderin dit bereik bevinden. Er van uitgaande dat de technologische vooruitgang van de verbrandingsmotor de komende jaren doorzet, wordt er uitgegaan van een gemiddelde uitstoot van 100 gram CO2 per kilometer (RDW, 2012).
Aantal auto’s Als het gaat om de grootte van het wagenpark van Nederland wordt er in dit onderzoek alleen gekeken naar het aantal personen auto’s, omdat daar de focus van het onderzoek ligt. Het aantal personenauto’s in Nederland laat sinds Figuur 1: Aantal personenauto’s in Nederland 2000 een tamelijk constante stijgende
2000‐2012 (CBS, 2012)
15
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
trend zien. De verwachting is dat in de toekomst het aantal gesloopte auto’s en het aantal nieuwe auto’s in evenwicht zal zijn, waardoor het totaal aantal stabiliseert. In het kader van dit onderzoek wordt gekozen om er van uit te gaan dat er in totaal 9 miljoen personenauto’s in Nederland gebruikt worden.
Gereden kilometers Het aantal gereden kilometers in Nederland door Nederlandse voertuigen laat tot aan 2008 een stijgend trend zien tot ongeveer 100 miljard kilometer per jaar, waarna het aantal licht afneemt tot iets onder de 100 miljard (Figuur 2). Gezien de economische
Figuur 2: Totaal aantal gereden kilometers door personenauto’s in Nederland 1990‐2010 (CBS, 2012) situatie van de afgelopen jaren en de verschillende voorspellingen over hoe de economie zich zal ontwikkelen in de komende jaren wordt 100 miljard kilometer per jaar gekozen als waarde voor de factor aantal gereden kilometers.
Energieverbruik Elektrische auto Het energieverbruik van de elektrische auto wordt uitgedrukt in kilometer per kilowattuur of kilowattuur per 100 kilometer. Het huidige verbruik van de meeste elektrische auto’s ligt tussen 10 en 20 kWh per 100 kilometer (Crist, 2012). Uitgaande van technologische vooruitgang in efficiëntie van batterijen en rekeninghoudend met het energieverlies tijdens transport en distributie van 7,5 %
16
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
(EABEV, 2009) wordt voor dit onderzoek aangenomen dat de elektrische auto gemiddeld 10 kilometer per kilowattuur rijdt, ofwel 10 kilowattuur per 100 kilometer.
Energiemix Elektriciteit kan op een aantal verschillende methoden worden opgewekt, waarbij de verbranding van fossiele brandstoffen (kolen, olie en gas) de meest gebruikte is. Maar ook door kernsplijting, zon‐, wind‐ en waterkracht kan elektriciteit worden gegenereerd. De elektriciteit die uiteindelijk door het netwerk stroomt is gegenereerd door een mix van de verschillende methoden. Deze mix kan sterk verschillen per land, maar kan ook fluctueren in de tijd. Als de energiemix grotendeels bestaat uit de verbranding van fossiele brandstoffen, is de energiemix koolstofintensief ofwel CO2 intensief, omdat bij deze verbranding CO2 en andere vervuilende stoffen vrij komen. Bij kernsplijting komen deze stoffen niet vrij, maar blijft er wel nucleair kernafval over dat nog lang radioactief blijft. Zon‐, wind‐ en waterkracht hebben deze restproducten ook niet, maar zijn nog relatief dure opwekkingsmethoden.
Elektriciteitsverbruik van Nederland Het elektriciteitsverbruik van Nederland is de som van de afname van verschillende sectoren in Nederland. Het elektriciteitsverbruik van Nederland inclusief wegverkeer heeft de afgelopen jaren tussen 85 en 94 miljard kWh geschommeld. Uit de onderstaande tabel kan worden opgemaakt dat het aandeel van de particuliere huishoudens redelijk constant is. Het verbruik van de landbouw, visserij en dienstverlening laat een dalende trend zien, waar het verbruik van het railverkeer een licht stijgende trend laat zien. Het verbruik van de nijverheid fluctueert sterk en lijkt conjunctuurgevoelig te zijn. Voor de scenario’s wordt een energieverbruik gekozen van 90 miljard kWh exclusief wegverkeer.
17
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Figuur 3: Totaal elektriciteitsverbruik in Nederland 2005‐2010 (CBS, 2012)
Marginale energieproductie Op het moment dat het gebruik van elektriciteit toeneemt, moet er meer elektriciteit geproduceerd worden. De methode die gebruikt wordt om aan deze vraag te voldoen kan verschillen met de methoden die gebruikt zijn voor de rest van het elektriciteitsaanbod. Een eenvoudig fictief voorbeeld: het elektriciteitsgebruik is 100 MW en wordt volledig voorzien door een windmolenpark met een capaciteit van 100 MW. Op het moment dat de vraag stijgt, doordat er een aantal forensen thuis aankomen en hun elektrische auto’s opladen, moet er een nieuwe opwekkingsbron worden ingeschakeld om deze toename op te vangen. Deze marginale energieproductiemethoden is vaak een olie‐ of kolencentrale en de elektriciteit die wordt gebruikt om de auto’s op te laden is daardoor CO2 intensief, terwijl de energiemix dat niet is vanwege het gebruik van het windmolenpark (Crist, 2012). De samenstelling van de marginale energieproductie is van belang omdat hierdoor het CO2‐uitstootreductiepotentieel, van elektrische auto’s in vergelijking met conventionele auto’s met verbrandingsmotoren, sterk beïnvloed kan worden.
CO2 Intensiteit Bij de opwekking van elektriciteit kan CO2 als afvalproduct worden geproduceerd, door verbranding van fossiele brandstof. Per opwekkingsmethode verschilt die hoeveelheid
18
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
CO2, afhankelijk van de soort fossiele brandstof (i.e. kolen, olie of gas) en de efficiëntie van de elektriciteitscentrale. Bovendien wordt er onderzoek gedaan naar nieuwe technologieën die het mogelijk maken de CO2 uitstoot af te vangen en op te slaan, Carbon Capture and Storage systems (CCS). Hierdoor neemt de uitstoot van CO2 af en daardoor de CO2 intensiteit ook. Kortom, CO2 intensiteit is de hoeveelheid CO2‐uitstoot per opgewekt kilowattuur en wordt uitgedrukt in gram CO2 per kWh. In figuur 5 wordt de CO2 intensiteit van de drie belangrijkste fossiele brandstoffen weergegeven. Voor dit onderzoek zal de waarde berekend op methode 1, “power and heat”, worden gebruikt, omdat er rekening gehouden moet worden met technologische vooruitgang en de gezamenlijke opwekking van elektriciteit en warmte een van de eerste stappen lijkt te
Figuur 4: CO2 intensiteit van elektriciteit uit verschillende soorten fossiele energiebronnen (Graus & Worrel 2010, p. 629) zijn (Graus & Worrell 2010). Bij methode 5, Exergy, wordt gebruik gemaakt van exergie die vrij komt bij de verbranding van de brandstof. Dit is de theoretische maximale hoeveelheid arbeid. Omdat de exergie nooit volledig benut kan worden, wordt deze methode niet gebruikt. is De gemiddelde CO2‐intensiteit van elektriciteit opgewekt door middel van gas, Aardolie en kolen stellen wij vast op respectievelijk 400, 700 en 950 gram per kWh.
19
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
CO2‐Uitstootreductiepotentieel Conventionele auto’s met een verbrandingsmotor die werkt op fossiele brandstof stoten CO2 uit. Elektrische auto’s stoten zelf geen CO2 uit, maar bij de opwekking van de elektriciteit die zij verbruiken kan er wel CO2‐uitstoot plaats vinden. De hoeveelheid CO2‐uitstoot wordt bepaald door de hoeveelheid elektriciteit die verbruikt wordt en de CO2‐intensiteit van die elektriciteit. Het verschil tussen de CO2‐uitstoot van conventionele auto’s en elektrische auto’s is het CO2‐uitstootreductiepotentieel.
Peak load Peak load is de dagelijkse piek in elektriciteitsverbruik. Deze piek vindt vaak plaats rond 1700 uur, omdat de meeste mensen dan thuis komen en de huishoudelijke elektrische apparaten aan gaan, maar dit kan verschillen per seizoen. Als de bezitters van elektrische auto’s besluiten hun auto’s tegelijk met deze piek op te laden, zou deze piek sterk kunnen toenemen. Deze grotere piek zou grote investeringen
Figuur 5: Gemiddeld dagelijks verloop van het elektriciteitsverbruik in Nederland in 2006‐ 2008 (Van Vliet, Brouwer, Kuramochi, van der Broek, & Faaij 2010).
20
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
in het productie‐, transport‐ en distributienetwerk vereisen. Als deze investeringen niet op tijd gedaan worden zou het netwerk overbelast kunnen raken en de energiezekerheid in het geding kunnen komen (Kintner‐Meyer et al. 2007). Voor dit onderzoek gaan we uit van een gemiddelde piek van 16 GW in de zomer en 18 GW in de winter, exclusief het opladen van elektrische auto’s. Het effect van het opladen van de elektrische auto op de peak load hangt af van het oplaadvermogen van de batterij en het aansluitpunt, het oplaadmoment, de benodigde hoeveelheid energie en het aantal auto’s.
Oplaadvermogen Het oplaadvermogen wordt bepaald door de eigenschappen van de batterij van de auto en het aansluitpunt met het elektriciteitsnet. De batterij kan bijna altijd meer vermogen aan dan dat het aansluitpunt kan leveren. Het aansluitpunt is dus de beperkende factor. In het onderzoek van van Vliet et al. (2010) wordt uiteen gezet dat Nederlandse huishoudens waarschijnlijk een van twee soorten aansluitpunten zullen gaan gebruiken: 1‐fase en 3‐fase, met respectievelijk een vermogen van 3,5 en 10 kW. 1‐fase is een aansluiting op een regulier stopcontact en 3‐fase is een speciaal geïnstalleerd oplaadcontact met een duidelijk hoger vermogen. Dit onderzoek zal gebruik maken van beide soorten om de impact van dit verschil te kunnen kwantificeren.
Het oplaadmoment Het oplaadmoment van de meeste auto’s zal plaats vinden bij thuiskomst na het werk, als er geen invloed op wordt uitgeoefend door een prijssysteem of smart grid. Onder invloed van een van deze systemen zou het oplaadmoment kunnen verschuiven naar een ander moment op de dag. Wij gaan er van uit dat zonder coördinatie, alle auto’s rond het zelfde moment opgeladen worden, zodat een precieze piek te berekenen is. De waarschijnlijkheid dat dit in de toekomst werkelijk gebeurt is klein, aangezien het niet zo kan zijn dat iedereen op het zelfde moment thuis komt. Voor het verkennen van de grenzen is deze aanname het interessantst en gerechtvaardigd.
21
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Aantal auto’s Een gemiddelde auto rijdt rond de 40 km per dag (CBS, 2012 en CBS, 2006). In dit onderzoek nemen we daardoor aan dat gemiddeld 6,84 miljoen auto’s per dag gebruikt worden (100 miljard km / 365 dagen / 40 km per dag). Omdat een gemiddelde niet correct weergeeft hoe het dagelijks gebruik van een auto verloopt, gebruiken we daarnaast het aantal van 3,42 miljoen auto’s, met een gemiddelde afgelegde afstand van 80 km per dag.
De benodigde energie Om het elektrische autopark per jaar 100 miljard kilometer af te laten leggen, is per dag gemiddeld 27,397 GWh nodig (100 miljard km X 0,1 kWh/km / 365 dagen). Per auto is gemiddeld daardoor, afhankelijk van gemiddelde afgelegde afstand, 4 kW of 8 kW per dag nodig.
22
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Verbanden Tussen de hiervoor uiteengezette concepten bestaan verbanden. Het energieverbruik van Battery Electric Vehicle’s samen met de CO2‐intensiteit van de energiemix en vooral de marginale energieproductie bepalen het CO2‐uitstootreductiepotentieel van elektrische auto’s ten opzichte van conventionele auto’s met een verbrandingsmotor.
Figuur 6: Visualisatie verbanden CO2‐uitstootreductiepotentieel Daarnaast is het effect van het opladen op de peak load te verklaren door het aantal elektrische auto’s maal het oplaadmoment en het oplaadvermogen van de batterij en de invloed van een eventueel smart grid op die twee factoren.
Figuur 7: Visualisatie verband smart grids – peak load
23
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Methodologie Om het effect van de transitie naar elektrisch rijden op de energiemarkt te onderzoeken wordt er gebruik gemaakt van scenario’s, op eenzelfde methode als in het onderzoek voor BERR & DfT (2008). Het is van belang om aan te geven dat scenario’s geen voorspellingen zijn. Sinds de jaren 70 gebruikt Shell scenario’s om de toekomst te verkennen en voorbereid te kunnen zijn op grote veranderingen (Conrelius, Van de Putte en Romani, 2005). Ged Davis (2002), hoofd van Shell’s Scenarios Team: “Scenarios are not projections, predictions or preferences. Rather they are coherent and credible stories, describing different paths that lead to alternative futures. The process of producing and using scenarios is as important as the scenario stories themselves. Building and using scenarios is about asking questions and not just providing answers. The process is intended to widen our perspectives, helping us to understand issues and events as significant that we might otherwise dismiss as unimportant, or just not see at all.“ (p. 1) Daarnaast worden scenario’s gebruikt om de grenzen van een systeem op te zoeken en te verkennen. In dit onderzoek worden de scenario’s gebruikt om verschillende trends te projecteren en de gevolgen en grenzen daarvan in kaart te kunnen brengen. De variabelen die worden gemanipuleerd zijn de samenstelling van de energiemix en het al dan niet aanwezig zijn van een smart grid. Om de scenario’s te kunnen doorrekenen en de gevolgen voor de elektriciteitsmarkt en de CO2‐uitstoot te kunnen kwantificeren hebben we een aantal factoren vastgesteld in het conceptueel model. Dit is gebeurd door naar de ontwikkeling van deze factoren over de afgelopen decenia te kijken en een aanname te maken hoe deze factoren in de toekomst verder ontwikkelen. Deze factoren zijn in alle scenario’s gelijk.
24
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Scenario’s “Zwart” Scenario In dit scenario is de energiemix zeer CO2 intensief doordat er alleen gebruik wordt gemaakt van fossiele brandstoffen voor de opwekking van elektriciteit. De energiemix is opgebouwd uit 40 procent elektriciteit van gas, 20 procent van olie en 40 van procent kolen. De CO2 intensiteit van de energiemix in dit scenario is 680 g CO2/kWh. Tabel 2: CO2 intensiteit “Zwart” Brandstof
CO2 intensiteit
Aandeel
Gas
400 g CO2/kWh
40 %
160 g CO2/kWh
Olie
700 g CO2/kWh
20 %
140 g CO2/kWh
Kolen
950 g CO2/kWh
40 %
380 g CO2/kWh
CO2 intensiteit energiemix
100 %
680 g CO2/kWh
“Grijs” Scenario Dit scenario schetst een maatschappij met een energiemix met middelmatige CO2 intensiteit. De helft van de elektriciteit wordt opgewekt zonder uitstoot van CO2 door het gebruik van duurzame energiebronnen en kernenergie. De CO2 intensiteit van de energiemix in dit scenario is 340 g CO2/kWh. Tabel 3: CO2 intensiteit “Grijs” Brandstof
CO2 intensiteit
Aandeel
Duurzame‐ en/of kernenergie
0 g CO2/kWh
50 %
0 g CO2/kWh
Gas
400 g CO2/kWh
20 %
80 g CO2/kWh
Olie
700 g CO2/kWh
10 %
70 g CO2/kWh
Kolen
950 g CO2/kWh
20 %
190 g CO2/kWh
CO2 intensiteit energiemix
100 %
340 g CO2/kWh
25
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
“Wit” Scenario In dit scenario is de energiemix zeer CO2 extensief. Voor de opwekking van elektriciteit wordt enkel nog maar gebruik gemaakt van duurzame energiebronnen of kernenergie. Doordat deze energiebronnen een CO2 intensiteit van 0 g CO2/kWh hebben, is de CO2 intensiteit van de energiemix ook 0 g CO2/kWh. Tabel 4: CO2 intensiteit “Wit” Brandstof
CO2 intensiteit
Aandeel
Duurzame‐ en/of kernenergie
0 g CO2/kWh
100 %
0 g CO2/kWh
CO2 intensiteit energiemix
100 %
0 g CO2/kWh
Naast de drie genoemde scenario’s wordt bekeken wat de invloed van een smart grid zou zijn op het CO2‐uitstootreductiepotentieel en op het effect van de transitie op de peak load. Het is van belang op te merken dat de ontwikkelingen in Carbon Capture Systems grote invloed kunnen hebben op het CO2‐uitstootreducitepotentieel. Deze systemen vangen de CO2 direct af bij de elektriciteitsopwekking. Hierdoor vindt er geen uitstoot plaats. Bij algehele toepassing van deze systemen zou elk scenario gelijk worden aan “Wit”, omdat de energiemix en de verschillende soorten energiebronnen geen uitstoot zouden hebben.
26
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Resultaten In dit hoofdstuk wordt er dieper ingegaan op de scenario’s en de doorrekeningen daarvan. Voor het onderzoek zijn er drie scenario’s gevormd: hoge CO2 intensiteit, middelmatige CO2 intensiteit en lage CO2 intensiteit. We gaan voor elk scenario in op het CO2 uitstootreductiepotentieel. Het CO2‐uitstootreductiepotentieel wordt berekend door de totale uitstoot van het elektrische autopark te vergelijken met de uitstoot van het conventionele autopark. De uitstoot van het elektrische park verschilt per scenario, maar de uitstoot van het conventionele park is constant: 100 g CO2/kWh X 100 miljard km/jaar = 10 miljoen ton CO2/jaar Daarnaast is de groei van de vraag naar elektriciteit per scenario constant, omdat het aantal gereden kilometers en het energieverbruik van de elektrische auto constant is. De elektriciteitsbehoefte van het elektrische autopark is: 0,1 kWh/km X 100 miljard km/jaar = 10 miljard kWh per jaar Het elektriciteitsverbruik van Nederland zou daarmee groeien met 11,11 % van 90 miljard kWh naar 100 miljard kWh per jaar.
“Zwart” Scenario De berekening van de uitstoot van het elektrische autopark is ingewikkelder doordat deze afhankelijk is van de CO2 intensiteit van de gebruikte elektriciteit. In het scenario met hoge CO2 intensiteit is de CO2 uitstoot als volgt, bij het gebruik van de gemiddelde CO2 intensiteit: 680 g CO2/kWh X 0,1 kWh/km X 100 miljard km/jaar = 6,8 miljoen ton CO2/jaar
27
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
De CO2 uitstoot is ook te berekenen met de CO2 intensiteit van de marginale energieproductie. De CO2 uitstoot van het elektrische park is, met elektriciteit uit gas, olie en kolen, respectievelijk: 400 g CO2/kWh X 0,1 kWh/km X 100 miljard km/jaar = 4,0 miljoen ton CO2/jaar 700 g CO2/kWh X 0,1 kWh/km X 100 miljard km/jaar = 7,0 miljoen ton CO2/jaar 950 g CO2/kWh X 0,1 kWh/km X 100 miljard km/jaar = 9,5 miljoen ton CO2/jaar In dit scenario is de CO2 intensiteit van de energiemix 680 g CO2/kWh, wat tot gevolg heeft dat het elektrische autopark een CO2 uitstoot van 6,8 miljoen ton per jaar heeft. Ten opzichte van het conventionele autopark, met een uitstoot van 10 miljoen ton per jaar), biedt het elektrische autopark dan een CO2‐uitstootreductiepotentieel van 3,2 miljoen ton per jaar, ofwel 32 %. Kijkend naar de verschillende soorten marginale energieopwekking en de bijbehorende CO2 intensiteit, is het CO2‐ uitstootreductiepotentieel bij het gebruik van elektriciteit afkomstig van kolen, olie en gas respectievelijk 0,5 miljoen ton per jaar (5 %), 3,0 miljoen ton per jaar (30 %), 6,0 miljoen ton per jaar (60 %) Tabel 5: CO2‐uitstootreductiepotentieel “Zwart” CO2 uitstoot (mln
Elektrische park CO2‐
ton CO2/jaar)
Conventionele
uitstootreductiepotentieel park
Energiemix
6,8
3,2 (32 %)
10
Gas
4,0
6,0 (60 %)
10
Olie
7,0
3,0 (30 %)
10
Kolen
9,5
0,5 ( 5 %)
10
28
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
“Grijs” Scenario In dit scenario is het aandeel van de duurzame‐ en/of kernenergiebronnen 50 % van het totale elektriciteitsaanbod, waar de onderlinge verhouding van de fossiele energiebronnen gelijk blijft. Daardoor is de CO2 intensiteit van de energiemix 50 % lager: 340 g CO2/kWh. De CO2 uitstoot van het elektrische park is: 340 g CO2/kWh X 0,1 kWh/km X 100 miljard km/jaar = 3,4 miljoen ton CO2/jaar De CO2 uitstoot berekend op basis van de marginale energieproductie is afhankelijk van de bron van energie gebruikt voor die marginale energie. In dit scenario zijn er vier verschillende bronnen: Duurzame‐ en/of kernenergie 0 g CO2/kWh X 0,1 kWh/km X 100 miljard km/jaar = 0 miljoen ton CO2/jaar Gas 400 g CO2/kWh X 0,1 kWh/km X 100 miljard km/jaar = 4,0 miljoen ton CO2/jaar Olie 700 g CO2/kWh X 0,1 kWh/km X 100 miljard km/jaar = 7,0 miljoen ton CO2/jaar Kolen 950 g CO2/kWh X 0,1 kWh/km X 100 miljard km/jaar = 9,5 miljoen ton CO2/jaar Dit scenario heeft een energiemix met een CO2 intensiteit van 340 g CO2/kWh. Hierdoor heeft het elektrische autopark een CO2 uitstoot van 3,4 miljoen ton per jaar. Vergelijkend met de CO2 uitstoot van het conventionele autopark biedt dit een CO2‐ uitstootreductiepotentieel van 6,6 miljoen ton per jaar, wat neer komt op een reductie van 66 %. Voor de verschillende soorten marginale energieopwekking loopt het CO2‐ uitstootreductiepotentieel sterk uiteen. Voor het gebruik van elektriciteit afkomstig van kolen, olie en gas blijft het reductie potentieel respectievelijk 0,5 miljoen ton per jaar (5 %), 3,0 miljoen ton per jaar (30 %), 6,0 miljoen ton per jaar (60 %). Voor elektriciteit
29
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
afkomstig van duurzame‐ en/of kernenergie is het CO2‐uitstootreductiepotentieel 10 miljoen ton CO2 per jaar, wat neer komt op een reductie van 100 %. Tabel 6: CO2‐uitstootreductiepotentieel “Grijs” CO2 uitstoot (mln
Elektrische park CO2‐
ton CO2/jaar)
Conventionele
uitstootreductiepotentieel park
Energiemix
3,4
6,6 (66 %)
10
Duurzame‐ en/of
0
10 (100 %)
10
Gas
4,0
6,0 (60 %)
10
Olie
7,0
3,0 (30 %)
10
Kolen
9,5
0,5 ( 5 %)
10
kernenergie
“Wit” Scenario De elektriciteitopwekking is geheel CO2 uitstoot vrij door het gebruik van enkel duurzame‐ en/of kernenergie. Hierdoor is de CO2 uitstoot van het elektrische autopark nul: 0 g CO2/kWh X 0,1 kWh/km X 100 miljard km/jaar = 0 miljoen ton CO2/jaar Omdat duurzame‐ en/of kernenergie de enige bron van elektriciteit is, is dit ook de bron van energie voor de marginale energieopwekking. Daardoor is de CO2 uitstoot bij het gebruik van elektriciteit opgewekt met marginale energiebronnen ook nul: 0 g CO2/kWh X 0,1 kWh/km X 100 miljard km/jaar = 0 miljoen ton CO2/jaar Doordat de energiemix opgebouwd is uit enkel duurzame‐ en/of kernenergie, is de CO2 intensiteit 0 ton CO2 per jaar, evenals de marginale energieopwekking in dit scenario. Hierdoor is in beide gevallen het CO2‐uitstootreductiepotentieel 10 miljoen ton CO2 per jaar, ofwel 100
30
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Tabel 7: CO2‐uitstootreductiepotentieel “Wit” CO2 uitstoot (mln
Elektrische park CO2‐
ton CO2/jaar)
Conventionele
uitstootreductiepotentieel park
Energiemix
0
10 (100 %)
10
Duurzame‐ en/of
0
10 (100 %)
10
kernenergie
Effect op de Peak Load Het effect van de transitie naar elektrisch rijden op de Peak Load is afhankelijk van het oplaadvermogen, het oplaadmoment, het aantal auto’s en de benodigde energie. De verhoging het elektriciteitsverbruik is te berekenen door het oplaadvermogen te vermenigvuldigen met het aantal auto’s: 10 kW X 6,84 miljoen auto’s = 68,4 GW 10 kW X 3,42 miljoen auto’s = 34,2 GW 3,5 kW X 6,84 miljoen auto’s = 23,84 GW 3,5 kW X 3,42 miljoen auto’s = 11,97 GW Als het oplaadmoment samen valt met de dagelijkse piek tussen 17:00 en 19:00, neemt de piek sterk toe: Tabel 8: Verhoging peak load Verhoging
Zomer piek (percentuele
Winter piek (percentuele Oplaadduur
verhoging)
verhoging)
68,4 GW
84,4 GW (427,5 %)
86,4 GW (380 %)
0,4 uur
34,2 GW
50,2 GW (213,75 %)
52,2 GW (190 %)
0,8 uur
23,84 GW
39,84 GW (149 %)
41,84 GW (130,4 %)
1,15 uur
11,97 GW
27,97 GW (74,5 %)
29,97 GW (65,2 %)
2,29 uur
31
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Smart Grid Een smart grid kan verschillende invloed hebben op het elektriciteitsverbruik door het oplaadmoment van de elektrische auto’s te verplaatsen naar daluren. Hierdoor kan de elektrische auto worden opgeladen met CO2 extensieve elektriciteit. Het CO2 reductie potentieel neemt daardoor toe van het gemiddelde van de energiemix naar, in het beste geval, de waarde van de meest CO2 extensieve energiebron. Tabel 9: Smart grid – CO2‐uitstootreductiepotentieel CO2‐uitstootreductiepotentieel
Zonder smart grid
Met smart grid
“Zwart”
3,2 (32 %)
6,0 (60 %)
“Grijs”
6,6 (66 %)
10 (100 %)
“Wit”
10 (100 %)
10 (100 %)
Scenario
Daarnaast kan een smart grid grote invloed hebben op de Peak Load. Zoals hierboven te zien is neemt de Peak Load bij ongecoördineerde, en daardoor samenvallende, oplaadmomenten toe met 65,2 tot maximaal 427,5 %. Onder invloed van een smart grid zou het oplaadmoment van de auto’s verplaatst kunnen worden naar en verspreid kunnen worden over de daluren. Gemiddeld is elke dag 27,397 GWh nodig. Wanneer de auto’s verspreid over de daluren, van 00:00 tot 07:00, opgeladen zouden worden, zou er een vermogen van 3,9 GW nodig zijn. Dit is een forse toename van het totale verbruik, dat zonder dit verbruik tussen 10 en 12 GW schommelt. Dit zou een toename van 32,5 tot 39 % van het totale energieverbruik in de daluren betekenen, maar zal ten hoogste gelijk zijn aan de grootte van de reguliere piek bij thuiskomst van de meeste werkende. Dit betekent dat met het bestaande vermogen het gehele elektrische autopark voorzien zou kunnen worden van elektriciteit en de Peak Load niet vergroot wordt. Tabel 10: Smart grid‐ peak load
Zonder smart grid
Met smart grid
Toename Peak Load
65,2 – 427,5 %
0 %
32
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Conclusie In dit hoofdstuk worden de conclusies van dit onderzoek gepresenteerd en beantwoorden we de onderzoeksvragen. De transitie naar elektrisch rijden kent op dit moment nog een aantal barrières die overkomen moeten worden, wil er een transitie plaats vinden. De actieradius van de huidige generatie elektrische auto’s is te klein in vergelijking met de actieradius van conventionele auto’s. Daarnaast duurt het nog te lang om de batterij op te laden. Bovendien zijn de totale kosten van elektrisch rijden nog groter dan de kosten van conventionele auto’s. Bij een algehele transitie van rijden op fossiele brandstoffen naar rijden op elektriciteit door middel van een overstap van conventionele auto’s naar elektrische auto’s zou het jaarlijkse elektriciteitsverbruik van Nederland toenemen met 10 miljard kWh. Door deze toename zou het jaarlijkse elektriciteitsverbruik van Nederland stijgen tot 100 mijard kWh per jaar, ofwel 100 duizend GWh per jaar, een stijging van 11,11 procent. Het is duidelijk geworden dat het CO2‐uitstootreductiepotentieel sterk afhankelijk is van de CO2 intensiteit van de energiemix en de marginale energieopwekking. We hebben drie scenario’s opgesteld met een hoge, een middelmatige en een lage CO2 intensiteit: “Zwart”, “Grijs” en “Wit” respectievelijk. In het scenario “Zwart” is duidelijk te zien dat er enkel gebruik wordt gemaakt van fossiele energiebronnen voor de elektriciteits‐ opwekking. Het CO2‐uitstootreductiepotentieel bij gebruik van elektriciteit uit energiemix is 3,2 miljoen ton CO2 per jaar (32%). Bij gebruik van marginale elektriciteit uit de verschillende energiebronnen is het CO2‐uitstootreductiepotentieel 0,5 miljoen ton CO2 per jaar (5 %) voor kolen, 3,0 miljoen ton CO2 per jaar (30%) voor olie en 6,0 miljoen ton CO2 per jaar (60%) voor gas. In het scenario “Grijs” wordt er voor 50 % van de elektriciteitsopwekking gebruik gemaakt van duurzame‐ en/of kernenergie, waardoor het CO2‐uitstootreductiepotentieel bij gebruik van elektriciteit uit de energiemix toe neemt tot 6,6 miljoen ton CO2 per jaar (66 %). Omdat er gebruik wordt gemaakt van een nieuwe energiebron is er naast die hiervoor genoemde reductie potentiëlen voor kolen, olie en gas ook een CO2‐uitstootreductiepotentieel van 10
33
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
miljoen ton CO2 per jaar (100 %) bij het gebruik van duurzame‐ en/of kernenergie voor de opwekking van de marginale elektriciteit. In het scenario “Wit” wordt enkel gebruik gemaakt van duurzame‐ en/of kernenergie voor de opwekking van elektriciteit. Het CO2 reductie potentieel voor de energiemix en de marginale energiebronnen is daardoor voor beide 10 miljoen ton CO2 per jaar (100 %). Om het CO2‐uitstootreductiepotentieel van elektrische auto’s ten opzichte van conventionele auto’s zo veel mogelijk te benutten is het dus van belang zo veel mogelijk gebruik te maken van CO2 extensieve bronnen voor de elektriciteitsopwekking, met als beste bron duurzame‐ en/of kernenergie. Als er gebruik gemaakt wordt van een CO2 intensieve energiebron als kolen wordt de uitstoot van CO2 nauwelijks gereduceerd, met maar 5 procent. Het is zelfs niet onwaarschijnlijk dat met een kleine verandering in de aannames die ten grond slag liggen aan de scenario’s het conventionele autopark minder CO2 uitstoot dan het elektrische autopark, wanneer deze enkel gebruik maakt van elektriciteit opgewekt met de energie uit kolen. Het effect van de transitie op de Peak Load is erg groot gebleken. Het effect is, afhankelijk van het oplaadvermogen en het aantal op te laden auto’s, 11,97 GW tot 68,4 GW. Bij het samenvallen van het oplaadmoment en de dagelijkse piek tussen 17:00 en 19:00 zou de piek verhogen ten minste 27,97 GW en maximaal 86,4 GW. Vergelijkend met het totaal geïnstalleerd vermogen, dat in 2010 26,64 GW bedroeg, zijn deze toenames enorm (65,2 tot 427,5 %). Het lijkt ons hoogst onwaarschijnlijk dat het Nederlandse elektriciteitsnetwerk een piek van meer dan 40 GW aan kan binnen een aantal decennia. De invloed van een smart grid op het CO2‐uitstootreductiepotentieel en de Peak Load kan groot zijn. Bij coördinatie van het oplaadmoment zou het CO2‐ uitstootreductiepotentieel kunnen toenemen van het potentieel bij gebruik van elektriciteit uit de energiemix naar het potentieel bij het gebruik van de meest CO2 extensieve marginale energiebron. In “Zwart” is dat een toename van 2,8 miljoen ton CO2 per jaar (28%), in “Grijs” een toename van 3,4 miljoen ton CO2 per jaar (34%) en in “Wit” blijft het potentieel gelijk, namelijk 10 miljoen ton CO2 per jaar (100%). Daarnaast zou coördinatie van het oplaadmoment het effect van de transitie op de Peak Load kunnen beïnvloeden. Door het oplaadmoment te verschuiven naar daluren in het
34
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
dagelijks elektriciteitsverbruik is het mogelijk het gehele elektrische autopark te voorzien van elektriciteit zonder een piek in het elektriciteitsverbruik te creëren groter dan de al bestaande piek. Ontwikkeling van een smart grid blijkt uit ons onderzoek dus een vereiste om een transitie naar elektrisch rijden haalbaar te maken, omdat zonder smart grid het CO2‐ uitstootreductiepotentieel in twee van de drie scenario’s niet geheel benut wordt, maar vooral omdat zonder coördinatie van het oplaadmoment een enorme toename in de Peak Load blijkt te ontstaan.
35
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Discussie en Beperkingen In dit onderzoek zijn een groot aantal aannames gemaakt. Ten grondslag aan deze aannames liggen keuzes die gemaakt worden, waar discussie over kan zijn. Dit is een van de grote beperkingen van dit onderzoek, maar is een directe consequentie van de keuze om scenario planning te gebruiken. Het is niet mogelijk deze vorm van toekomstverkenning te gebruiken zonder bepaalde aannames te maken. De keuzes die gemaakt zijn in dit onderzoek beïnvloeden de uitkomst er van in zekere mate, en vormen daardoor een discussiepunt. Als er andere keuzes gemaakt worden, kan de cijfermatige uitkomst afwijken van de cijfermatige uitkomsten van dit onderzoek. Daarom is ook aangegeven dat de uitkomst van dit onderzoek, met deze methode, geen voorspelling van de toekomst is, maar in grote lijnen het effect van de transitie naar elektrisch rijden in kaart brengt. Daarbij kijkt dit onderzoek vooruit naar de problemen die zouden kunnen ontstaan, de verhoging van de peak load, en naar het effect op de CO2 uitstoot, het CO2‐uitstootreductiepotentieel. De beperking van dit onderzoek ligt in de sterke afhankelijkheid van de kwantificering van de CO2 uitstoot reductie en de verhoging van de peak load van de aannames die gemaakt zijn. Het is hoogst onwaarschijnlijk dat de aannames in de toekomst werkelijkheid zullen worden, waardoor de precieze percentages en cijfers die uit het onderzoek zijn gekomen hoogst waarschijnlijk naast de werkelijk percentages en cijfers van de toekomst zitten. De kracht van dit onderzoek zit dan ook in de grote lijnen die geschetst worden en de verkenning van het speelveld van de transitie naar een elektrisch autopark. Het is duidelijk dat, wil het elektrische autopark een CO2 uitstoot reductie opleveren, er snel moet worden overgestapt op CO2 extensieve bronnen voor de elektriciteitopwekking, zoals duurzame‐ en/of kernenergie. Daarnaast lijkt de transitie een overbelasting van het elektriciteitsnet teweeg te brengen, tenzij er een smart grid geïmplementeerd wordt die coördinatie van het oplaadmoment verzorgt. Deze uitkomsten zijn veel minder sterk afhankelijk van de aannames die ten grondslag liggen aan het onderzoek, waardoor het waarschijnlijk is dat ze dicht bij de werkelijkheid van de toekomst liggen.
36
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Toekomstig onderzoek In dit hoofdstuk worden aanbevelingen gedaan met betrekking tot toekomstig onderzoek. Uit het onderzoek is duidelijk naar voren gekomen dat een transitie naar elektrisch rijden alleen haalbaar is als er barrières overkomen worden en technologieën worden ontwikkeld. Naar de barrières van de elektrische auto zelf wordt al vol op onderzoek gedaan. Onderzoek naar smart grids is nog nodig om tot een mechanisme te komen waarbij de gebruikers de batterij opladen in de daluren. Men kan daarbij denken aan een prijsmechanisme dat het gedrag van de gebruikers beïnvloedt door middel van financieel‐economische prikkels. Maar toekomstig onderzoek met behulp van gedragsexperimenten moet uitwijzen wat voor systeem het best werkt om het oplaadpatroon te reguleren. Smart grids bieden in potentie nog meer functies, waarnaar onderzoek gedaan moet worden. Het gebruik van restenergie in de batterijen van elektrische auto’s tijden piekuren om de piek af te vlakken is een voorbeeld van een mogelijke functie van een smart grid. Daarnaast zullen smart grids een grote rol spelen in een maatschappij die grotendeels afhankelijk is van duurzame energiebronnen, door de fluctuatie in het energieaanbod van deze bronnen.
37
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Referenties Book, M., Groll, M., Mosquet, X., Rizoulis, D. & Stichter, G. (2009), The comeback of the electric car? How real, how soon, and what must happen next. Boston Consulting Group Centraal Bureau voor de Statistiek (2006), Auto’s rijden gemiddeld 42 kilometer per dag. Bekeken op 12 juni, op http://www.cbs.nl/nl‐NL/menu/themas/verkeer‐ vervoer/publicaties/artikelen/archief/2006/2006‐1912‐wm.htm Centraal Bureau voor de Statistiek (2012), Personenauto’s rijden gemiddeld 37 kilometer per dag. Bekeken op 12 juni, op http://www.cbs.nl/nl‐NL/menu/themas/verkeer‐ vervoer/publicaties/artikelen/archief/2012/2012‐3579‐wm.htm Centraal Bureau voor de Statistiek (n.d.), Statline, bekeken op 7, 11 en 13 juni, op http://statline.cbs.nl/statweb/ Cornelius, P., Van de Putte, A., Romani, M. (2005), Three decades of scenario planning in Shell. California Management Review Volume 48 Number 1. Crist, P. (2012), Electric vehicles revisited – Cost, subsidies and prospects., Discussion Paper 2012‐03. Paris, France: International Transport Forum. Pagina 25‐26. Davis, G. (2002), Scenarios as a tool for the 21st century,. London, England: Shell. Pagina 1. Department for Business Enterprise & Regulatory Reform en Department for Transport (2008), Invesitgation into the scope for the transport sector to switch to electric vehicles and plug‐in hybrid vehicles. Elektrische Auto (2012), Elektrische Auto’s, 22 Modellen. Bekeken op 9 mei 2012, op http://www.elektrischeauto.nl/modellen/
38
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
European Association for Battery Electric Vehicles (2009), Energy consumption, CO2 emissions and other considerations related to battery electric vehicles. Europeese Commisie (2008), 20 20 by 2020, Europe’s climate change opportunity, COM (2008) 30. Final, Brussel. Europeese Commisie (2010), Energy 2020, A strategy for competitive, stustainable and secure energy, COM (2010) 639. Final, Brussel. Graus, W. & Worrell, E. (2010), Methods for calculating CO2 intensity of power generation and consumption: A global perspective. Utrecht: Nederland, Copernicus Institute of Sustainable Development, Utrecht University. Hadley, S.W. (2006), Impact of plug‐in hybrid vehicles on the electic grid. Oak Ridge, V.S.: Oak Ridge National Laboratory. Kintner-Meyer, M., Schneider, K. & Pratt, R. (2007), Impact assessment of plug-in hybrid vehicles on electric utilities and regional U.S. power grids, Part 1: Technical Analysis. Pacific Northwest National Laboratory. Meadows, D. H., Meadows, D. L., Randers, J. & Behrens III, W. W. (1972). The Limits to Growth. New York: Universe Books. Ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie, Ministerie van Infrastructuur en Milieu en Ministerie van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties (2011), Elektrisch rijden in de versnelling, Plan van aanpak 2011‐2015. Den Haag, Nederland. Morgan, T. (2012), Smart grids and electric vehicles: Made for each other?, Discussion Paper 2012‐02. United Kingdom: International Transport Forum. Rijks Dienst Wegverkeer (2012), Brandstofverbruiksboekje. Zoetermeer, Nederland: Rijks Dienst Wegverkeer.
39
Elektrisch Rijden
Universiteit van Amsterdam
Pirre Dormans
Stichting Peakoil Nederland. (n.d.), Wat is Peakoil? Hoeveel olie is er nog? Bekeken op 9 mei 2012, op http://www.peakoil.nl/wat‐is‐peakoil/ Van Vliet, O., Brouwer, A. S., Kuramochi, T., van der Broek, M. & Faaij, A. (2010), Energy use, cost and CO2 emissions of electric cars. Journal of power sources.
40
