Lange Termijn EOS-onderzoeksprogramma s

Lange Termijn EOS-onderzoeksprogramma’s

Augustus 2007

1

Inhoudsopgave Inleiding ................................................................................................................................. 5 1 Energie-efficiëntie in de industriële en agrarische sector........................................... 13 Inleiding ............................................................................................................................... 13 1.1 Beschrijving ............................................................................................................. 14 1.1.1 Het aandachtsgebied......................................................................................... 14 1.1.2 Kennisinfrastructuur in Nederland ................................................................... 15 1.1.3 Internationaal perspectief ................................................................................. 15 1.1.4 Kennisafnemers ................................................................................................ 16 1.1.5 Energietransitie................................................................................................. 16 1.2 Onderzoeksterreinen en –doelstellingen .................................................................. 17 1.2.1 Visie ................................................................................................................. 17 1.2.2 Afbakening ....................................................................................................... 19 1.2.3 Onderzoeksterrein 1A: Systeembenadering in de industrie ............................. 21 1.2.4 Onderzoeksterrein 1B: Systeembenadering in de glastuinbouw...................... 22 1.2.5 Onderzoeksterrein 2A: Reageren en scheiden, membraantechnologie ............ 23 1.2.6 Onderzoeksterrein 2B: Reageren en scheiden, multifunctionele reactoren ..... 24 1.2.7 Onderzoeksterrein 3A: Thermische processen, warmtehuishouding............... 25 1.2.8 Onderzoeksterrein 3B: Thermische processen, behandelingsprocessen .......... 26 1.3 Sociaal-wetenschappelijk onderzoek ....................................................................... 26 1.4 Referenties................................................................................................................ 28 2 Biomassa.......................................................................................................................... 31 Inleiding ............................................................................................................................... 31 2.1 Beschrijving ............................................................................................................. 32 2.1.1 Het aandachtsgebied......................................................................................... 32 2.1.2 Biomassaprogramma's in Nederland ................................................................ 33 2.1.3 Kennisinfrastructuur in Nederland ................................................................... 34 2.1.4 Internationaal perspectief ................................................................................. 34 2.1.5 Energietransitie................................................................................................. 36 2.2 Onderzoeksterreinen en – doelstellingen ................................................................. 36 2.2.1 Visie ................................................................................................................. 36 2.2.2 Drijfveren voor biomassa-energieonderzoek ................................................... 37 2.2.3 Ambitie voor 2040 ........................................................................................... 37 2.2.4 Afbakening ....................................................................................................... 39 2.2.5 Onderzoeksterrein Bioraffinage ....................................................................... 40 2.2.6 Onderzoeksterrein Elektriciteit en Warmte uit Biomassa ................................ 43 2.2.7 Onderzoeksterrein Vergassing, gasreiniging, -conditionering en syngasproductie ................................................................................................................ 47 2.3 Sociaal-wetenschappelijk onderzoek ....................................................................... 49 3 Nieuw Gas / Schoon Fossiel ........................................................................................... 53 Inleiding ............................................................................................................................... 53 3.1 Beschrijving ............................................................................................................. 54 3.1.1 Het aandachtsgebied......................................................................................... 54 3.1.2 Lopende programma’s en activiteiten .............................................................. 56 3.1.3 Internationaal perspectief ................................................................................. 56 3.1.4 De kennisafnemers ........................................................................................... 57 3.1.5 Energietransitie................................................................................................. 57 3.2 Onderzoeksterreinen en –doelstellingen .................................................................. 57 2

3.2.1 Visie ................................................................................................................. 57 3.2.2 Afbakening ....................................................................................................... 59 3.2.3 Onderzoeksterrein CO2 .................................................................................... 60 3.2.4 Onderzoeksterrein Waterstof............................................................................ 64 3.2.5 Onderzoeksterrein Gasnetwerken en geavanceerde conversie......................... 69 3.3 Sociaal-wetenschappelijk onderzoek ....................................................................... 74 3.4 Referenties................................................................................................................ 76 4 Gebouwde omgeving ...................................................................................................... 77 Inleiding ............................................................................................................................... 77 4.1 Beschrijving ............................................................................................................. 79 4.1.1 Het aandachtsgebied......................................................................................... 79 4.1.2 Kennisinfrastructuur in Nederland ................................................................... 81 4.1.3 Internationaal perspectief ................................................................................. 82 4.1.4 De kennisafnemers ........................................................................................... 84 4.1.5 Energietransitie................................................................................................. 84 4.2 Onderzoeksterreinen en –doelstellingen .................................................................. 85 4.2.1 Visie, doelstelling en strategie ......................................................................... 85 4.2.2 Afbakening ....................................................................................................... 86 4.2.3 Onderzoeksterrein 1: Systeembenadering in de gebouwde omgeving: integrale concepten.......................................................................................................................... 88 4.2.4 Onderzoeksterrein 2: Systeembenadering in de gebouwde omgeving: innovatieve systemen en componenten ............................................................................ 90 4.3 Sociaal-wetenschappelijk onderzoek ....................................................................... 94 4.4 Referenties................................................................................................................ 96 5 Opwekking en Netten..................................................................................................... 97 Inleiding ............................................................................................................................... 97 5.1 Beschrijving ............................................................................................................. 98 5.1.1 Het aandachtsgebied......................................................................................... 98 5.1.2 Kennisinfrastructuur in Nederland ................................................................. 100 5.1.3 Internationaal perspectief ............................................................................... 101 5.1.4 Kennisafnemers .............................................................................................. 101 5.1.5 Energietransitie............................................................................................... 102 5.2 Onderzoeksterreinen en –doelstellingen ................................................................ 102 5.2.1 Visie ............................................................................................................... 102 5.2.2 Afbakening ..................................................................................................... 104 5.2.3 Speerpunt Windconversie offshore ................................................................ 106 5.2.4 Thema Netten ................................................................................................. 108 5.2.5 Elektriciteitsopslag ......................................................................................... 111 5.3 Sociaal-wetenschappelijk onderzoek ..................................................................... 112 5.4 Referenties.............................................................................................................. 114

3

4

Inleiding

Inleiding Dit document bevat de onderzoeksprogramma’s voor het lange termijn onderzoek binnen de vijf aandachtsgebieden van de Energie Onderzoek Strategie (EOS). Deze programma’s beschrijven het onderzoek dat in het kader van het ‘Besluit Subsidies Lange Termijn energieonderzoek ingediend kan worden’. EOS In 2001 startte het Ministerie van Economische Zaken (EZ) met de herziening van het onderzoeksbeleid. Hiervoor waren verschillende redenen zoals de liberalisering van de energiemarkt, toenemende internationalisering en een veranderende positie van de overheid. De herziening leidde tot een nieuwe Energie Onderzoek Strategie (EOS). De belangrijkste hoofdlijnen van deze strategie zijn: 1. focus van het publiek gefinancierde energieonderzoek op een beperkt aantal thema's; 2. efficiëntere inzet van de beschikbare middelen; 3. versterking van de internationale samenwerking. Deze hoofdlijnen zijn in december 2001 met de Tweede Kamer besproken en goedgekeurd1. In 2002 is begonnen met de uitwerking ervan. R&D-portfolio In 2002 heeft EZ aan marktpartijen en kennisinstellingen gevraagd wat de speerpunten van het energieonderzoek zouden moeten zijn. De vraag was hoe goed een zestigtal door betrokkenen zelf onderscheiden onderzoeksgebieden scoorden op de criteria: • bijdrage aan een duurzame energiehuishouding (in 2010 en 2030); • kennispositie voor deze optie in Nederland. Deze marktconsultatie heeft de gegevens gegenereerd voor het indelen van de ruim 60 energieonderzoeksgebieden in de EOS-matrix2: Bijdrage duurzame energiehuishouding

Groot Kennispositie Nederland

Hoog Speerpunten

Kennisimportthema’s

Laag

Kennisexportthema’s Geen R&D thema’s

Laag

Na verwerking van de gegevens van de marktconsultatie is de R&D-portfolio opgesteld. Die bestaat uit speerpunten, kennisimportthema’s, kennisexportthema’s en thema’s waarvoor geen lange termijn R&D nodig is.

1

Nota Energie Onderzoek Strategie; (Kamerstukken II 2001/2002, 28 108, nr.1). Een geïnformeerd beleid. Consultatie van het veld over de waarde van het publiek gefinancierde energieonderzoek in Nederland;Van de Bunt, oktober 2002.

2

5

Inleiding

Het publiek-gefinancierde energieonderzoek wordt geconcentreerd op speerpunten. Speerpunten zijn die onderzoeksgebieden die uit het oogpunt van een duurzame energiehuishouding een grote bijdrage leveren én waar Nederland een goede kennispositie heeft. Ten aanzien van die gebieden die wel van belang zijn maar waarvoor de kennispositie onvoldoende is, de kennisimportthema’s, wordt kennisimport gefaciliteerd. Om de R&D-portfolio beter hanteerbaar te maken zijn de speerpunten en importthema’s gegroepeerd in vijf aandachtsgebieden: • Energie-efficiëntie in de industriële en agrarische sector • Biomassa • Nieuw Gas / Schoon Fossiel • Gebouwde omgeving • Opwekking en netten Als voorbereiding op de onderzoeksprogrammering is een voorverkenning uitgevoerd3. De opgestelde R&D-portfolio is voorgelegd aan een groot aantal marktpartijen. Per aandachtsgebied is een afbakening van het aandachtsgebied opgesteld, zijn de belanghebbende actoren en initiatieven binnen deze aandachtsgebieden in kaart gebracht en zijn aanbevelingen opgesteld voor het programmeringsproces. Energietransitie4 Marktpartijen, maatschappelijke organisaties en de overheid werken sinds 2001 samen aan de energietransitie. Het project “Lange Termijn Visie op de Energievoorziening” (LTVE, maart 2001) legde de basis voor deze transitie. De energietransitie zorgt binnen 50 jaar voor een duurzame energievoorziening: betrouwbaar, doelmatig. Bovendien moet deze de klimaatproblemen oplossen die door inzet van fossiele brandstoffen ontstaan. Voor deze transitie naar een duurzame energiehuishouding blijkt draagvlak te bestaan bij de overheid, bedrijfsleven, onderzoekswereld en maatschappelijke organisaties. Er wordt een optimale voedingsbodem gecreëerd voor duurzame systeeminnovaties. Op 29 april 2004 heeft de Minister van Economische Zaken het rapport “Innovatie in het Energiebeleid” aan de Tweede Kamer aangeboden met daarin de stand van zaken op dat moment. De VROM-raad en de Algemene Energieraad (AER) hebben begin december 2004 het rapport “Energietransitie, Klimaat voor nieuwe Kansen” aangeboden aan de Minister van EZ en de Staatssecretaris van VROM. Het rapport geeft de noodzaak van de Energietransitie aan. Eind 2005 is in Den Haag de Interdepartementale Directie Energietransitie (IDE) van start gegaan. Zes ministeries bundelen hun krachten om van energietransitie een succes te maken: EZ, VROM, Verkeer en Waterstaat, Financiën en Buitenlandse Zaken. In januari 2005 is de Taskforce Energietransitie (TFE), ingesteld door de Minister van EZ, officieel geïnstalleerd. De TFE bestaat uit vertegenwoordigers uit het bedrijfsleven, de onderzoekswereld, maatschappelijke organisaties en de overheid. De Taskforce is opgericht naar aanleiding van aanbevelingen van het Innovatieplatform en de VROM-raad en de AER.

3

Resultaten Voorverkenning EOS2, SenterNovem, juni 2003; www.energieonderzoek.ez.nl Voor meer informatie over de meest recente ontwikkelingen in EnergieTransitie en daaraan gerelateerde documenten en (beleids)notities, zie: www.energietransitie.nl

4

6

Inleiding

De opdracht aan de TFE is om een nationaal Transitieactieplan op te stellen dat concreet en in operationele termen aangeeft: - welke rol duurzame energie kan spelen in het realiseren van een gewenste toekomstige energievoorziening; - welke technologieën die rol kunnen ondersteunen; - welke kansen dat biedt voor Nederlandse bedrijven en hoe die kunnen worden gerealiseerd en benut. Op 8 mei 2006 heeft de TFE, ingesteld door de Minister van EZ het “Transitie Actie Plan” uitgebracht. De transitie naar een duurzame energiehuishouding verloopt langs drie sporen: inzet van hernieuwbare energiebronnen, energiebesparing, schoon fossiel en het gebruik van geavanceerde technologie. De ‘transitiepaden’ geven aan hoe we naar die duurzame energiehuishouding gaan komen. Demonstratieve projecten die op de erkende transitiepaden liggen, worden ondersteund vanuit de Unieke Kansen Regeling (UKR). De paden zijn gebundeld tot zes thema’s, die richting geven aan het lange termijn energiebeleid in Nederland. Het innovatie- en energiebeleid zal zich de komende jaren steeds meer concentreren op deze thema’s: Groene grondstoffen. In de toekomst zullen wij meer en meer gebruik maken van plantaardige grondstoffen om te voorzien in onze behoefte aan energie, transportbrandstoffen, chemicaliën en materialen. Groene grondstoffen heeft betrekking op de productie van groene grondstoffen en op de omzetting daarvan in de gewenste toepassingen. De ambitie van het platform Groene Grondstoffen is om in 2030 30% van de grondstoffen in de totale Nederlandse energievoorziening te vervangen door groene grondstoffen. Het platform neemt daarbij aan dat het energieverbruik in 2030 gelijk is aan dat van 2000, namelijk 3000 PJ. Kortom, in de visie is een inspanning op energiebesparing cruciaal. Daarnaast neemt het platform aan dat de biomassa grotendeels (60-80%) geïmporteerd zal moeten worden omdat in Nederland onvoldoende biomassa beschikbaar zal zijn (reststromen en eigen productie) om aan de vraag van 1000 PJ te voldoen. Het gebruik van groene grondstoffen is in vier toepassingsgebieden te verdelen en de uiteindelijke vervanging van fossiele grondstoffen (voor 30%) door groene grondstoffen is volgens het platform Groene Grondstoffen in 2030 per toepassingsgebied als volgt: - 60% biobrandstoffen - 25% chemie/materialen/producten - 25% elektriciteit - 17% warmte Duurzame Mobiliteit. Overgang op alternatieve motorbrandstoffen en aanpassingen van voertuigtechnologie is niet alleen noodzakelijk, maar wordt al toegepast en is ook op korte termijn commercieel haalbaar. In het verkeer wordt zo’n 25 procent van onze energie verbruikt. Het doel is een versnelde marktintroductie van alternatieve brandstoffen, zoals aardgas, biobrandstoffen of waterstof en nieuwe schone voertuigen. Het platform Duurzame Mobiliteit concentreert zich op de versnelde marktintroductie van duurzame brandstoffen en voertuigtechnologie, vooral op commercieel haalbare mogelijkheden voor Nederland in de komende twee tot vier jaar. Deze snelle ontwikkeling heeft drie voordelen: - Toekomstige problemen met de huidige brandstoffen worden vermeden. - Nederlandse ondernemers hebben de kans marktleiders op dit gebied te worden. - De meest kansrijke routes naar duurzame mobiliteit worden snel duidelijk.

7

Inleiding

Activiteiten van het platform zijn met name gericht op de katalyse van concrete experimenten, verdere ontwikkeling van de transitiepaden, het opzetten van internationale samenwerkingsverbanden en advies over het beleidskader om eventuele belemmeringen weg te nemen en de experimenten verder te stimuleren. De deelnemers zijn divers. Ze komen uit de betrokken ministeries, de olie- en transportsector, lagere overheden en belangenverenigingen. Ketenefficiency. De Nederlandse industrie heeft een grote voorsprong in efficiency. Dat komt door de jarenlange samenwerking tussen het bedrijfsleven en de overheid. Door het energieverbruik op niveau van productieketens aan te pakken kunnen we weer profiteren van een efficiency-slag. Efficiency kan zich ontwikkelen tot een speerpunt van de Nederlandse industrie. Vanuit Ketenefficiency ondernemen we stappen om energiebesparing te realiseren door productieketens slimmer te organiseren. Ambitie is een extra efficiencyverbetering van 20% voor Nederland in 2020. Nieuw Gas. Nederland behoort als gasproducerend land tot de wereldtop. We hebben de potentie uit te groeien tot het meest innovatieve en schone gasland. Om aardgas te kunnen blijven gebruiken, zoeken we naar efficiëntere toepassingen van aardgas. Ook zijn er mogelijkheden van biogas en waterstof. Daarnaast wordt gezocht naar schone toepassingen van fossiele brandstoffen (schoon fossiel). De missie van het platform is: “In een continue dialoog met stakeholders een kader creëren dat een zodanig vertrouwen en betrokkenheid schept, dat partijen op de Nederlandse gasmarkt hun aandeel nemen in de overgang naar een duurzame toekomst. Dit kader moet voor marktpartijen een uitnodiging en stimulans zijn om kansen om te zetten in marktconforme initiatieven”. De belangrijkste uitdagingen in de komende periode zijn: - Opstellen van goed onderbouwde en door stakeholders breed gedragen visies en werkprogramma’s voor de transitiepaden van het Platform Nieuw Gas die geconcretiseerd zijn door inspirerende en illustratieve experimenten; - Beïnvloeden van de (beleid)omgeving, zodat deze stimulerend werkt voor de realisatie van de transitiepaden en experimenten. Duurzame Elektriciteitsvoorziening. Nederland is een ervaren bouwer van offshoreconstructies en van windenergiemolens. Er liggen kansen voor het aanleggen van Offshore windparken. Ook hebben we een sterk logistiek netwerk en een gunstige ligging voor de raffinage van biobrandstoffen en het gebruik ervan. Het platform Duurzame elektriciteit ontwikkelt nieuwe, schone en betrouwbare bronnen van elektriciteit, zoals offshore windenergie en energie uit biomassa. Het Platform Duurzame Elektriciteitsvoorziening onderscheidt een viertal complementaire hoofdroutes, waarlangs de Nederlandse elektriciteitsvoorziening duurzaam te maken is: - Vergroten aandeel hernieuwbare energiebronnen - Verduurzamen traditionele elektriciteitsopwekking (o.a. door CO2-opslag en WKK) - Aanpassen elektrische infrastructuur - Elektriciteitsbesparing Energie in de gebouwde omgeving. Bijna 25 procent van onze energie gaat op aan verwarming en koeling van gebouwen. We werken aan nieuwe technologie om dit energieverbruik te verduurzamen en klimaat-neutraal te maken. Met behulp van de zon en ondergrondse opslag van water wordt dan volledig voorzien in warmte- en koudebehoefte. Directe winst is te behalen door extra isolatie aan te brengen. Deze investering verdient zich

8

Inleiding

in korte tijd terug. Isolatiemaatregelen reduceren het energiegebruik in gebouwen met tientallen procenten. In 2004 zijn de eerste transitie-experimenten uit deze erkende transitiepaden gestart. Deze markeren het begin van de 'energietransitie' naar een duurzame energiehuishouding die in de komende decennia gestalte moet krijgen. Juist vanwege het belang van de Energietransitie zijn de onderzoekselementen uit de transitiepaden samen met de resultaten van de voorverkenning en de eerdergenoemde R&D-portfolio gebruikt als startpunt voor het opstellen van de meerjaren onderzoeksprogramma’s. De transitiethema’s Groene Grondstoffen, Duurzame Mobiliteit, Ketenefficiency, Duurzame Elektriciteitsvoorziening, Nieuw Gas en Gebouwde Omgeving hebben raakvlakken met de vijf EOS-aandachtsgebieden. Getracht wordt om een goede aansluiting te maken tussen onderzoeksonderwerpen die uit de visies van de transitiethema’s naar voren komen, en de onderzoeksprogramma’s van de Lange Termijn aandachtsgebieden. De specifieke raakvlakken tussen een aantal aandachtsgebieden en energietransitie zijn in elk hoofdstuk kort beschreven. Voor de meest actuele informatie over ontwikkelingen op het gebied van de Energietransitie en die van de afzonderlijke transitiethema’s wordt u verwezen naar: www.energietransitie.nl. EOS Programmeringsproces Het Ministerie van Economische Zaken heeft voor elk van de vijf aandachtsgebieden een voorzitter aangesteld. In overleg met EZ en SenterNovem hebben deze voorzitters experts uit het veld gevraagd om zitting te nemen in programmavoorbereidingscommissies (PVC). EZ had een waarnemer in elke PVC en elke PVC werd ondersteund door een coördinator vanuit SenterNovem. De leden van de vijf PVC’s zijn vermeld in de inleiding bij elk hoofdstuk. De vijf programmavoorbereidingscommissies hadden als opdracht om voor de vijf aandachtsgebieden de lange termijn onderzoeksprogramma’s op te stellen. Uitgaande van het bovengenoemde materiaal hebben de PVC’s visies voor de lange termijn opgesteld voor de geselecteerde onderzoeksterreinen. Uitgaande van deze visies zijn onderzoeksdoelstellingen geformuleerd waaraan de komende jaren gewerkt moet worden om de gewenste toekomstige ontwikkelingen te realiseren. Tevens zijn de doelstellingen toegelicht met (niet-uitputtende) lange termijn onderzoeksitems. De conceptprogramma’s zijn voorgelegd aan een groot aantal relevante stakeholders uit de markt voor commentaar. De PVC’s hebben hun programma’s aangeboden aan de Minister van EZ die deze programma's heeft vastgesteld. In 2006 heeft de Energie Advies Commissie (EAC) aan EZ geadviseerd deze onderzoeksprogramma’s te actualiseren (mid term review). Dit advies baseert de EAC op ervaringen van SenterNovem, reacties op de programmering uit de markt, kwaliteit en kwantiteit van ingediende subsidieaanvragen en de voortschrijdende ontwikkeling van de Energietransitie (zie hieronder). EZ heeft dit advies van de EAC overgenomen en SenterNovem de onderzoeksprogramma’s te laten aanpassen conform het advies. Vanaf de zesde EOS: Lange Termijn tender beschrijven deze programma’s het onderzoek dat in het kader van het ‘Besluit subsidies lange termijn energieonderzoek’ ingediend kan worden. Het lange-termijn EOS- programma Het programma is beschreven in hoofdstuk 1 tot en met 5. De programma’s bevatten: - een beschrijving van het aandachtsgebied met onder andere een beschrijving van de Nederlandse kennisinfrastructuur en het internationaal perspectief; 9

Inleiding

- een lange termijn onderzoeksvisie gericht op 2020-2030; - beschrijving van de onderzoeksdoelen waaraan de projectvoorstellen moeten bijdragen; - een opsomming van de niet-technische aspecten. Daarnaast zijn de diverse bijlagen gebundeld in één bijlage bij dit rapport. Alle hoofdstukken beginnen met de weergave van de EOS R&D-portfolio. Alleen de speerpunten en importthema’s zijn binnen de programma’s uitgewerkt en komen voor subsidie voor lange termijn energieonderzoek in aanmerking. Op een deel van de onderzoeksthema’s kan alleen ECN indienen (jaar- en meerjarenprogrammering ECN), of consortia waar ECN deel van uitmaakt. Het resterende deel staat open voor indiening door iedereen5. Voorstellen voor niet-technologisch onderzoek kunnen ingediend worden, mits deze (een beperkt) onderdeel uitmaken van een onderzoeksvoorstel inzake de speerpunten of importthema’s. Het spreekt voor zich dat sociaal-economisch onderzoek dat wordt uitgevoerd in het kader van fundamenteel onderzoek, niet voor industriële of commerciële doeleinden kan worden ingezet. Als sociaal-economisch onderzoek in het kader van industrieel onderzoek wordt verricht, dan gelden daarvoor de voorwaarden die behoren bij industrieel onderzoek. In beide gevallen moeten de resultaten ver verwijderd van de markt liggen en mogen specifieke marktpartijen er geen specifiek voordeel mee kunnen behalen. Subsidieregeling lange termijn onderzoek en overige instrumenten De programma’s vormen een wezenlijk element voor de formele en inhoudelijke beoordeling van projecten die worden ingediend in het kader van de nieuwe subsidieregeling ‘Besluit subsidies lange termijn energieonderzoek’. Volgens deze regeling moeten onderzoeksvoorstellen passen in de programma’s. Bovendien zal een adviescommissie na een inhoudelijk-technische beoordeling de voorstellen rangschikken naar de mate waarin deze een bijdrage leveren aan de doelstellingen van de programma’s. Aangezien de programma’s zijn opgezet op basis van de technologieopties zoals gekozen aan de hand van de eerdergenoemde basiscriteria van de energieonderzoekstrategie (duurzame energiehuishouding en kennispositie) liggen deze basiscriteria ten principale ten grondslag aan de rangordening. De rangschikking van voorstellen is daarom in beginsel afhankelijk van de mate waarin de resultaten van het onderzoek naar verwachting meer bijdragen aan het realiseren van een duurzame energiehuishouding en het in stand houden of verbeteren van de relatieve kennispositie. Meer specifiek gaat het om de mate waarin het voorstel bijdraagt aan het realiseren van de in de onderzoeksprogramma's per aandachtsgebied geformuleerde doelstellingen per (cluster van) technologieoptie(s). Naast de subsidieregeling voor het lange termijn onderzoek bestaan de volgende ondersteuningsregelingen voor energie- en transitieprojecten: - ECN: (meer)jarenprogrammering ECN-onderzoek volgens onderdelen van de EOS: Lange Termijn onderzoeksprogramma’s; - EOS-NEO: Nieuw Energie Onderzoek regeling, als ‘kraamkamer’ voor nieuwe ideeën en verkennend onderzoek naar lange termijn onderzoeksonderwerpen; - ES: Energie en Samenwerkingsprojecten regeling, voor onderzoek en ontwikkeling waarvan de resultaten op middellange en korte termijn bijdragen aan de duurzame energiehuishouding van Nederland; - EOS-DEMO: Demonstratieprojecten regeling;

5

De verdeling van de onderzoeksthema’s over ECN, ECN-consortia en open tender is vastgesteld in een ministeriële regeling van 21 december 2005, zie: www.senternovem.nl/eos.

10

Inleiding

-

UKR: Unieke Kansen Regeling, voor implementatieprojecten op de erkende transitiepaden (Energietransitie).

In onderstaande figuur zijn de instrumenten van het energieonderzoek schematisch weergegeven: universiteiten instituten Uitvoerder

bedrijven ECN:

adviesbureaus

Speerpunten EOS

EOS - Demo Energie en Samenwerkingsprojecten

EOS: Lange Termijn EOS speerpunten en kennisimportthema’s

Aandachts gebieden

Aandachtsgebieden

UKR

Financiële

Transitie paden

instrumenten

EOS - NEO Niet conventioneel, risicovol onderzoek lang

Preconcurrentieel

Afstand tot marktintroductie

Concurrentieel kort

11

Inleiding

12

Energie-efficiëntie in de industriële en agrarische sector

1 Energie-efficiëntie in de industriële en agrarische sector Inleiding De R&D-portfolio van het aandachtsgebied ‘Energie-efficiëntie in de industriële en agrarische sector’ is als volgt samengesteld: Speerpunten

-

Kennisimportthema’s Kennisexportthema’s Geen R&D-thema’s

-

-

Thermische behandelingsprocessen Membraantechnologie (anorganisch en organisch) Warmtehuishouding in industrie Systeembenadering in de glastuinbouw, inclusief warmtehuishouding Multifunctionele reactoren en vloeistofscheiding via geavanceerde destillatie Systeembenadering in de industrie Eind/hergebruik restwarmte in de industrie en gebouwde omgeving, warmtepompen Elektrochemie, chemische en galvanische industrie Biocatalyse

De programmavoorbereidingscommissie (PVC) voor het oorspronkelijke aandachtsgebied ‘Energie-efficiëntie in de industriële en agrarische sector’ bestond uit onderstaande personen. Deze PVC heeft daarmee destijds de basis gelegd voor het onderzoeksprogramma, dat in 2006 op advies van de Energie Advies Commissie (EAC) is geactualiseerd (mid term review). EZ heeft dit advies van de EAC overgenomen en de onderzoeksprogramma’s aangepast. Dr. Ir. G.E.H. Joosten Ir. P.T Alderliesten Ing. W.J. Diekhuis Ing. A. Jolman Prof. Dr. Ir. J.A.M. Kuipers Ir. B. Ph. ter Meulen MSc. Ir. E.J. Postmus Dr. Ir. A.F.M. van Velsen MSc. Drs. S.M. Koomen Ir. J.W. Nijdam Ir. M. Dieleman

voorzitter ECN Siemens, NAP DACE Productschap Tuinbouw Universiteit Twente MolaTech, NL GUTS Gasunie Trade and Supply Royal Haskoning, NAP DACE Ministerie van Economische Zaken, waarnemer SenterNovem, coördinator SenterNovem, ondersteuning

Vanaf de zesde EOS: Lange Termijn tender beschrijven deze programma’s het onderzoek dat in het kader van het ‘Besluit subsidies lange termijn energieonderzoek’ ingediend kan worden.

13


1.1 Beschrijving 1.1.1 Het aandachtsgebied De overgang naar een duurzame energiehuishouding begint met het terugdringen van de energievraag, dus energie zo efficiënt mogelijk gebruiken. Vervolgens duurzame bronnen inzetten, zoals zon, wind en biomassa. En tenslotte, zolang ze nog niet kunnen worden gemist, de fossiele brandstoffen zo schoon mogelijk aanwenden. Deze driestappen aanpak voor het bereiken van de duurzame energievoorziening wordt wel de trias energetica genoemd. Efficiëntieverbetering is een breed begrip. Het omvat niet alleen energie-efficiënter produceren maar ook zuiniger omgaan met grondstoffen, flexibeler en compacter produceren en minder afvalproducten. Efficiëntieverbetering is goed voor het milieu maar kan ook de productiekosten verlagen en zelfs tot productinnovatie leiden. Belangrijke drijfveren voor efficiëntieverbetering zijn: • Energiekosten. Door de stijgende kosten voor energiedragers als brandstof of als feedstock kan het financieel interessant zijn om productieprocessen energie-efficiënter te maken. • Milieubeleid en –wetgeving. Niet alleen vanwege het Kyoto verdrag is er een incentive om energie te besparen maar ook de afvalstromen die ontstaan leveren steeds meer een milieuprobleem op. Ook kan de noodzaak tot maatschappelijk verantwoord ondernemen een drijfveer tot efficiëntieverbetering zijn. • Internationale concurrentie. Bedrijven concurreren mondiaal. Deze concurrentie dwingt tot ontwikkeling van nieuwe en efficiëntere processen en procesintensificatie. Beleid De beleidsinstrumenten voor besparing zijn te onderscheiden in: • Regulering (isolatienormen, Wet Milieubeheer/vergunningen, etc.). • Financiële stimulering aanschaf (EIA, VAMIL, EPR, etc.). • Financiële stimulering gebruik (MEP, etc.). • Financiële stimulering ontwikkeling (EDI, IS, etc.). • Vrijwillige afspraken (MJA, convenant Benchmarking, de transitieteams Modernisering Energie Ketens, MEK en Duurzaam Rijnmond, R3). • Toekomstig beleid (verhandelbare CO2 emissierechten, etc. ). Doelgroep De doelgroep van het aandachtsgebied energie-efficiëntie in de industrie en agro is breed. Op basis van het energiegebruik is de doelgroep nader te definiëren. In tabel 1.1 wordt een overzicht gegeven van de gerealiseerde verbruiksontwikkeling, in primaire termen voor eindverbruikers [11]. Industrie Tabel 1.1 laat een stijging zien van het primaire industriële energieverbruik van 11% in de periode 1990–2000. Dit is minder dan de stijging van het totale primaire energieverbruik (18%). Binnen de industrie is de chemie verantwoordelijk voor ca. 44%, de basismetaal en de voedingen genotsmiddelenindustrie zijn elk verantwoordelijk voor ca. 15% en de papier- en kartonindustrie en de apparatenbouw zijn elk verantwoordelijke voor ca. 7% van het totale industriële primaire energieverbruik [7]. Het aandachtsgebied voor de doelgroep industrie is daarom vooral gericht op de bovengenoemde sectoren.

14


Tabel 1.1.

Gerealiseerde verbruiksontwikkeling, teruggerekend naar primaire termen voor eindverbruikers (in PJ). 1990 1995 2000 Industrie 1.167 1.243 1.298 Land- en tuinbouw 186 211 232 Huishoudens 518 569 604 Handel, diensten, overheid 418 443 542 Transport 414 464 510 Totaal 2.703 2.930 3.186

Agro Binnen de landen tuinbouw is de glastuinbouw verantwoordelijk voor 80% [7] van het energieverbruik. Het aandachtsgebied is voor de agro dan ook gericht op de glastuinbouw. 1.1.2 Kennisinfrastructuur in Nederland In Nederland doen verschillende kennisinstellingen onderzoek op dit aandachtsgebied. Dit zijn universiteiten (UTwente, TU Delft, TU Eindhoven, Universiteit Utrecht, Rijks Universiteit Groningen, Wageningen Universiteit en Researchcentrum, etc.), instituten (TNO, NIZO, ECN, etc), (semi-) private ondernemingen zoals Gasunie Research, KEMA en Gastec en researchafdelingen van een aantal (grote) ondernemingen. Naast EOS bestaan er diverse andere R&D programma’s die relevant zijn voor energieefficiëntie in de glastuinbouw en industrie. • Advanced catalytic technologies for sustainability (ACTS, onderdeel van NWO). Dit programma is gericht op kennisontwikkeling ten behoeve van katalyse. Met katalyse zijn productieprocessen efficiënter, schoner en sneller te maken. • Op het gebied van scheidingstechnologie zijn de kennisleveranciers en kennisafnemers gezamenlijk bezig om een Technologie Roadmap Scheiding op te stellen. Dit proces wordt ondersteund door EZ (DG Innovatie). Binnen het thema ‘Opkomende Technologie’ heeft NWO een programma gericht op scheidingstechnologie. In het verleden is een IOP reeds actief geweest op een deelgebied van scheidingstechnologie: het IOP-Membraantechnologie. Dit IOP liep in de jaren tachtig en heeft een duurzame afstemming tussen de kennisinfrastructuur en het bedrijfsleven gerealiseerd • GLAMI (Glastuinbouw en Milieu) Convenant. Samen met het Productschap Tuinbouw (PT) financiert het Ministerie van LNV onderzoeksprojecten, voorlichtingsactiviteiten en demonstratieprojecten die moeten bijdragen aan het halen van de energiedoelen van het Convenant Glastuinbouw en Milieu in 2010. 1.1.3 Internationaal perspectief Gezien de grote diversiteit aan onderzoeksonderwerpen in dit programma en de soms brede omschrijving van sommige onderzoeksterreinen is het niet mogelijk een uitputtend overzicht van internationale ontwikkelingen en vooraanstaande kenniscentra te geven. In bijlage 1.1 is daarom een niet limitatieve lijst van internationale referenties voor een aantal onderzoeksopties gegeven.

15


Het IEA (International Energy Agency) stimuleert de overgang naar een duurzame energiehuishouding door o.a. het stimuleren en coördineren van energieonderzoek door middel van Implementing Agreements. (IA’s) Op het gebied van energie-efficiëntie verbetering zijn verscheidene IA’s actief zoals: energy conservation through energy storage, procesintegration, pulp and paper, etc. 1.1.4 Kennisafnemers Industrie Betrokken bij de toepassingen van innovaties in de procesindustrie zijn in hoofdlijnen: • Eindgebruikers (procesindustrie); • Ontwerpers van nieuwe processen (ingenieursbureaus); • Technologieleveranciers (leveranciers van processen/apparatuur én operationele kennis); • Apparatenbouwers (leveranciers van apparaten/onderdelen); • (Utiliteits)bouw. De gehele keten van eindgebruikers - toeleveranciers - kennisinstituten is vertegenwoordigd in de Stichting NAP (Centre of Competence for the Process Industry) en DACE (Dutch Association of Cost Engineers). Daarnaast zijn speciaal voor scheidingstechnologie een groot aantal eindgebruikers verzameld in het kennisnetwerk NL GUTS (Group of Users of Technology for Separation in the Netherlands). Eindgebruikers zijn in Nederland sterk vertegenwoordigd in de sectoren olie/gas, (petro/fijn)chemie, metaal, waterzuivering, afvalverwerking (AVI’s) en voedingsmiddelenindustrie. Daarnaast zijn sectoren als papier- en kartonindustrie en de tapijtindustrie van belang. Diverse belangrijke, internationaal opererende ingenieursbureaus ondersteunen de activiteiten van deze sectoren. Voor wat betreft de technologieleveranciers en apparatenbouwsector kent Nederland op het gebied van de scheidingstechnologie enkele belangrijke buitenlandse spelers en een aantal kleinere Nederlandse bedrijven (b.v. op gebied van filtratie). Op het gebied van de membraantechnologie is in Nederland, mede door impulsen vanuit het IOP-membranen een sterke (kennis)infrastructuur ontstaan met enkele belangrijke (internationale) spelers. Op het gebied van zeer selectieve scheidingen (bv. voor toepassing in de biotechnologie) zijn een aantal veelbelovende starters opgericht. Glastuinbouw Betrokkenen bij de innovatieve toepassingen voor de glastuinbouw zijn in hoofdlijnen: • De tuinders als eindgebruikers; • Voorlichters als intermediair tussen onderzoekswereld en de tuinder; • Toeleveranciers zoals kassenbouwers, leveranciers van klimaatcomputers, teelt/ kassystemen en installaties. 1.1.5 Energietransitie Het transitiethema Ketenefficiency heeft raakvlakken met het aandachtsgebied Energieefficiëntie in de industriële en agrarische sector. De visies van EnergieTransitie en EOS zijn voor dit thema vergelijkbaar voor wat betreft de doelen die zij nastreven (bescherming van het milieu en CO2-emissiereductie), en het verbeteren van de procesefficiëntie in de industrie en

16


agrarische sector. Voor meer informatie, de actuele stand van zaken en voorbeeldprojecten van Ketenefficiency zie: www.energietransitie.nl. Voorbeeldprojecten van het aandachtsgebied Energie-efficiëntie in de industriële en agrarische sector staan op: www.senternovem.nl/eos.

1.2 Onderzoeksterreinen en –doelstellingen 1.2.1 Visie In het Nationaal Milieubeleidsplan 4 staat dat een duurzame energiehuishouding verwezenlijkt kan worden door een ontkoppeling te realiseren tussen economische groei en het energiegebruik. Het forceren van een trendbreuk vergt een grote inspanning zowel op technologisch gebied (EOS) als ook bestuurlijk (transitiemanagement). Een groot aantal productieprocessen moet fundamenteel herzien worden. De overgang naar een duurzame energiehuishouding heeft als doel een energievoorziening te ontwikkelen die (langdurig) betrouwbaar en doelmatig is én de klimaat- en milieuproblemen voorkomt die door verbranding van fossiele brandstoffen ontstaan. Om deze doelstelling te bereiken zijn duidelijk nog sprongsgewijze technologische verbeteringen nodig. De onderzoeksvisie voor energie-efficiëntie in de agro en industrie is dat er technologische doorbraken gerealiseerd worden naar productieprocessen die een factor twee tot vijf efficiënter zijn. Deze doorbraken moeten op grote schaal technisch uitvoerbaar, economisch haalbaar en maatschappelijk acceptabel zijn op een termijn van 10 tot 20 jaar. Er is nog veel onderzoek en ontwikkeling nodig om dit daadwerkelijk op deze termijn mogelijk te maken. Voor de succesvolle toepassing van een nieuwe technologie is naast technologisch onderzoek ook sociaal-wetenschappelijk onderzoek noodzakelijk (zie 1.3). Industrie In het afgelopen decennium zijn forse inspanningen verricht om de efficiëntie te verbeteren. Uit cijfers blijkt dat desondanks het finale energieverbruik in 2000 met ca. 11% is gestegen ten opzichte van 1990. Ook blijkt dat de fysieke groei in dezelfde periode gestegen is met ca. 12%. Hieruit blijkt dat geen ontkoppeling is bereikt. Deze ontkoppeling is dé uitdaging voor de toekomst. Over het algemeen zijn de besparingstechnieken die als stand der techniek gelden inmiddels wel geïmplementeerd. Om een trendbreuk te forceren is het noodzakelijk onderzoek te verrichten naar nieuwe technologieën die leiden naar sprongsgewijze technologische verbeteringen, die kansrijk zijn voor aanzienlijke energiebesparingen en waarvan verwacht kan worden dat deze op de langere termijn (>10 jaar) geïmplementeerd zullen worden. Glastuinbouw In de glastuinbouw heeft de energie-efficiëntie index (EEI, de hoeveelheid energie per eenheid product) zich in de periode 1995-2002 als volgt ontwikkeld (bron: LEI). (1980 = 100).

17


energie-efficientie index (%)

Werkelijke en geplande energie-efficientie index periode 1995-2002

65 60 55 werk elijk

50

gepland

45 40 35 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 jaar

Figuur 1.1. Ontwikkeling EEI voor de glastuinbouw. In het kader van het Convenant (Glami) wordt voor 2020 een verbetering van de EEI met 65% nagestreefd t.o.v. het basisjaar 1980. Over het jaar 2002 is de EEI uitgekomen op 50%punt (zie figuur 1.1). In dezelfde periode is de fysieke productie gestegen van ca. 36 euro (1980)/m² naar ca. 39 euro (1980)/m². Daarmee is de glastuinbouw een van de weinige industriële bedrijfssectoren die een absolute daling van de CO2-uitstoot heeft weten te realiseren (5% t.o.v. 1990). Tot 2010 moet een verdere EEI-daling gerealiseerd worden van 50 naar 35%-punt. Het beleid van de tuinbouwsector is gericht op 100% verduurzaming bij nieuw te bouwen kassen in 2020. Om deze doelstellingen te bereiken zijn duidelijk nog sprongsgewijze technologische verbeteringen nodig. Potentiële onderzoeksgebieden daartoe zijn o.m. systeembenadering, kassenbouw, klimatisering en optimale energieconversie.

18


1.2.2 Afbakening In Figuur 1.2 zijn de speerpunten en importthema’s, gegroepeerd in vier onderzoeksterreinen, gepresenteerd. Grondstoffen

Productie

Functies/onderzoeksvelden

1. Systeembenadering in de industrie (I)

Producten/ halffabrikaten • Keramiek • Papier

Licht water Nutriënten Uitgangsmateriaal

2.Scheiden/reageren : • vast/vloeistof • vloeistof/vloeistof • gas/gas • chemische technologie • katalyse • destillatie .

Multifunctionele reactoren en geavanceerde destillatie (S)

• koelen • vriezen • blancheren • drogen • etc

• Glas • Bulkchemie • Farmacie

Membraantechnologie - anorganisch - organisch (S)

3.Thermische processen :

• Voedsel • Kunststof • Etc.

Thermische behandelingsprocessen (S) Warmtehuishouding in de industrie Biomassa:

glastuinbouw

(S) 1.Systeembenadering in 1. Systeembenadering in de industrie (I)

Glastuinbouw

Energie efficiëntie verbetering Industrie

Grondstoffen/ Feedstock Energie

(S)

4. Klimatiseren • Verwarmen • CO2 dosering • Belichten • Koelen/ ontvochtigen

• Bloemen • Planten • Groente • Fruit

Figuur 1.2. Onderzoeksterreinen voor het aandachtsgebied (S: speerpunt; I: importthema) Onderzoeksterrein 1: Systeembenadering Systeembenadering heeft betrekking op de analyse van productieketens en energieketens. Dit onderzoeksterrein beschouwt alle productieprocessen en -ketens in de industrie en de agro. Er kunnen drie niveaus van benadering worden onderscheiden: a) systeembenadering op bedrijfsniveau, binnen één proces, b) systeembenadering op het niveau van meerdere processen op één of meerdere lokaties, c) systeembenadering op macroniveau waarbij productieketens van grondstof tot eindproduct en hergebruik worden beschouwd: ketenbenadering. Samen vormen zij het onderzoeksterrein Systeembenadering. De resultaten van systeemanalyse dienen als vertrekpunt voor het onderzoek dat gedaan wordt aan de individuele procestappen zoals thermische behandeling, warmte, (membraan)scheiding en klimatisering in de glastuinbouw. Op deze wijze kan het gehele proces energie-efficiënter worden. Een resultaat van de analyse is bijvoorbeeld procesintensivering door toepassing van multifunctionele reactoren. In deze reactoren worden verschillende processtappen zoals scheiding, reactie en warmtewisseling gecombineerd. Voor de procesindustrie is systeemanalyse van groot belang om in de nabije toekomst tot een (sterk) verbeterd herontwerp van de bestaande processen te komen en tevens om in de verdere toekomst de 19


ontwikkeling van nieuwe (geïntegreerde) processen te realiseren. Momenteel is de kennis in Nederland op het gebied van de systeembenadering in de industrie versnipperd, op onderdelen verouderd en nieuwe benaderingsmethoden zijn nog niet operationeel beschikbaar. Voor een bestendige aanpak van de energiebesparing in Nederland vindt de PVC dat dit onderzoeksterrein zich van een importthema tot een speerpunt zou moeten ontwikkelen. In de glastuinbouw is deze kennis meer ontwikkeld en daarom is systeembenadering in de glastuinbouw een speerpunt. Door middel van systeembenadering in de glastuinbouw worden bouwstrategieën, functiecombinaties, regelingen, invang van zonlicht en systeemintegratie in hun samenhang geanalyseerd. Resultaat is een identificatie van veelbelovende onderzoeksgebieden om tot een minimalisatie van de energievraag te komen. Twee voorbeelden van uitkomsten van de systeembenadering zijn onderzoek naar warmteopslag voor de ontkoppeling van energieaanbod en -vraag naar tijd en plaats en het ontwikkelen van energieoptimale en groeispectrum-specifieke assimilatiebelichting. Onderzoeksterrein 2: Reageren en scheiden. Dit onderzoeksterrein omvat het speerpunt Membraantechnologie (vloeistofscheiding, gasscheiding, anorganische membraantechnologie) en het importthema Multifunctionele reactoren. De twee gebieden hebben op een aantal punten nauwe verwantschap. Substantiële besparing van energie in de procesindustrie is in principe te behalen op een tweetal hoofdgebieden: sprongsgewijze verbetering van de conventionele scheidingstechnologie én de combinatie van reactoren scheidingstechnologie waarbij gebruik gemaakt kan worden van de synergie tussen reactie en scheiding. Onderzoeksterrein 3: Thermische processen Dit onderzoeksterrein omvat de speerpunten Thermische behandeling, Warmtehuishouding in de industrie en glastuinbouw en het importthema Koudetechniek. Dit onderzoeksterrein sluit nauw aan bij het transitiepad Warmtetransitie van het transitieteam Modernisering Energie Ketens. Bij de industrie is vaak een groot warmteoverschot aanwezig op een temperatuursniveau dat in beginsel goed is toe te passen in de glastuinbouw, industrie of utiliteits- en/of woningbouw. Toch komt het potentieel aan hergebruik van (rest)warmte niet tot ontwikkeling. Een groot aantal factoren is daar debet aan, zoals de ongelijktijdigheid van vraag en aanbod, de (vaak grote) afstand tussen plaats van vrijkomen en van hergebruik, het verschil in temperatuur bij het vrijkomen (lage temperatuur) en de vereiste temperatuur bij hergebruik (midden temperatuur), het verschil in investeringshorizon in de gekoppelde processen etc. Door (lange termijn) onderzoek kan bij een aantal van deze factoren doorbraken worden gerealiseerd. In dit onderzoeksterrein wordt technologie ontwikkeld waarmee thermische processen (zowel verhitten als koelen) energie-efficiënter uitgevoerd kunnen worden, evenals technologie om lage temperatuur restwarmte op te waarderen naar hogere temperaturen, grote vermogens aan warmte gedurende een bepaalde periode op te slaan, en vervolgens met een hoge energieintensiteit te kunnen transporteren voor hergebruik. Koudetechniek heeft betrekking op opwekking, transport en gebruik van koude en is een techniek die breed in de procesindustrie en de agro food keten wordt toegepast en veel energie verbruikt. Deze optie richt zich op ontwikkeling van efficiëntere koelmachines, optimalisatie procesregelingen, ontdooien en bestrijkt bijvoorbeeld de gehele koudeketen voor voedsel. Onderzoeksterrein 4: Klimatisering in de glastuinbouw Uitgangspunten voor het lange termijn onderzoek bij de glastuinbouw zijn de groeifactoren (functies): temperatuur, vochtigheid, licht, CO2. Het benodigde klimatiseringsysteem kent 20


daarom de energiefuncties verwarmen, koelen/ontvochtigen, CO2-doseren en belichten. Energie bepaalt nu voor 15 – 25% de productiekosten van de glastuinbouw. Onderzoek naar deze energiefuncties kan een significante verbetering van de energie-efficiëntie opleveren. Het feitelijke onderzoek is beschreven bij onderzoeksterrein 1: Systeembenadering in de glastuinbouw en bij onderzoeksterrein 3: Warmtehuishouding in de industrie en glastuinbouw. Het uiteindelijke doel is het (grotendeels) sluiten van energiekringlopen binnen de kassen onder bedrijfseconomische randvoorwaarden. De biomassa die als restproduct vrijkomt kan ingezet worden voor duurzame energieproductie. Dit aspect wordt verder uitgewerkt bij het aandachtsgebied Biomassa. 1.2.3 Onderzoeksterrein 1A: Systeembenadering in de industrie Importthema Systeembenadering in de industrie Doelstelling: Ontwikkeling en toepassing van kennis m.b.t. systeemstudies en technologieverkenningen ten behoeve van selectie en beoordeling van kansrijke onderzoeksgebieden gericht op substantiële energie- en emissiereductie in de industrie. Het lange termijn onderzoek (procesherontwerp) dient gericht te zijn op: • Uitwerking van de ketenbenadering voor processen en procesketens en kwantificering van het besparingspotentieel; • Uitwerking in concrete programmarichtingen en realisatietrajecten (roadmaps) voor de lange termijn met tijdpaden en indicatie van de omvang tot en met implementatie. Aspecten als nationale en internationale inbedding/partners, early-market introduction etc. moeten worden meegenomen; • Gebruik van de systeembenadering voor het herontwerp van processen; • Gebruik door de overheid van systeembenadering voor het eventueel herwaarderen van de speerpunten en importthema’s van het lange termijn energieonderzoeksprogramma. In het algemeen kan de systeembenadering informatie aanreiken over de potentiële mogelijkheden van nieuwe technologie, bijv. in termen van mogelijke energiebesparing, rendementen, etc. Behalve potentiëlen wordt doorgaans ook andere informatie gegenereerd, zoals verwachte kosten, fase van ontwikkeling, maatschappelijke effecten, technologische barrières en andere factoren die relevant zijn voor de slaagkans van een nieuwe technologie. Bovendien geeft zij inzicht in de status van de ontwikkelingen wereldwijd, de concurrentiepositie van de Nederlandse kennis op het betreffende gebied en het potentiële draagvlak voor verder onderzoek en ontwikkeling. Dit kan ook belangrijk zijn voor het in de toekomst beoordelen en eventueel herwaarderen van de speerpunten en importthema’s van het lange termijn energieonderzoeksprogramma. Dit onderzoeksgebied is van groot belang en zou op korte termijn moeten uitgroeien tot een speerpunt. Voor de korte termijn wordt aan de volgende activiteiten gedacht: (kennis verzamelen): • Identificatie van de internationale stand van zaken m.b.t. systeemstudies en technologieverkenningen gericht op substantiële energie- en emissiereductie in de industrie; • Verankering van kennis in een of twee centra in Nederland;

21


•

Het zo spoedig mogelijk toepassen van de expertise t.b.v. het in kaart brengen van het energiegebruik van de belangrijkste processen in Nederland, zo mogelijk met identificatie van de in dit opzicht belangrijkste processtappen en unitoperaties. Vergelijking met de internationale stand van zaken.

Voor de middellange termijn wordt gedacht aan: (kennis toepassen): • Uitgroei tot internationaal topcentrum op het gebied van de systeemanalyse; • Ontwikkeling van een beoordelingssystematiek voor de keuze van kansrijke opties binnen het EOS-programma. Criteria als energiebesparing, exergetisch rendement, vermindering milieubelasting, innovatiepotentieel, relatieve en te behalen positie t.o.v. internationale ontwikkelingen, draagvlak, omvang en aard van barrières, beleidsrelevantie, etc. dienen hierbij (kwantitatief) te worden uitgewerkt; • Ontwikkeling en implementatie van voorstellen voor strategische (programmatische) nationale en internationale samenwerking. 1.2.4 Onderzoeksterrein 1B: Systeembenadering in de glastuinbouw Speerpunt Systeembenadering in de glastuinbouw, inclusief warmtehuishouding Doelstelling: Het realiseren van een kas die op een kosteneffectieve wijze energieneutraal is of energie levert. Tijdspad: 2020 ontwikkelde technologie marktrijp. In de glastuinbouw is 90% (in 2004) van het energiegebruik nodig voor het klimatiseren van de kas (verwarmen, koelen/ontvochtigen, CO2-dosering, verlichten). Om de genoemde doelstellingen te kunnen bereiken is een intensieve systeembenadering van de processen in de kas en tussen kassen noodzakelijk. Deze moet de aangrijpingspunten identificeren die resulteren in een minimale energievraag en maximaal gebruik van duurzame energiebronnen. Hierbij geldt als essentiële randvoorwaarde dat de nieuw te ontwikkelen technologieën bijdragen aan de gewenste bedrijfsontwikkelingen, teeltintensivering per m2 en verhoging van teeltopbrengst. Inmiddels worden de eerste stappen op weg naar een energieleverende kas gezet. Om de genoemde doelstelling te bereiken zijn er echter nog doorbraken nodig omdat: • de geleverde energie uit de kassen nu vaak nog van een te lage kwaliteit is voor levering aan derden; • nu (in 2004) nog 25% van het natuurlijk licht verloren gaat door transmissieverliezen en • niet al de invallende zonne-energie kan effectief worden gebruikt voor het productieproces in de kas en de productie van duurzame energie. Globaal zal onderzoek gericht moeten zijn op het maximaal invangen van zonne-energie, opslag ervan, energieoptimale en groeispectrum-specifieke assimilatiebelichting, isolatie, bouwstrategieën, regelingen en integratie met andere systemen. Hierbij gaat het vooral om functiecombinaties die op alle factoren van het klimaatsysteem (warmtehuishouding: verwarmen, CO2-dosering, belichting en koelen/ontvochtigen) worden betrokken. Doorbraken: • maximaliseren van de nuttige toepassing van de invallende zonne-energie voor toepassing

22


•

in de kas en voor derden; kosteneffectieve energie-uitwisseling met derden.

1.2.5 Onderzoeksterrein 2A: Reageren en scheiden, membraantechnologie Speerpunt membraantechnologie (anorganisch en organisch) Doelstelling: 80% reductie (ten opzichte van 2004) van het energieverbruik voor specifieke scheidingsprocessen bij gelijke kosten. Tijdspad: 2015 technologie marktrijp. 2025 toepassing grote schaal. Het energiegebruik van de chemische industrie in Nederland wordt geschat op circa 580 PJ/jaar. Scheidingsprocessen zijn verantwoordelijk voor naar schatting ongeveer 200 PJ/jaar. Dit zijn vooral processen die processtromen scheiden die gemengd zijn op moleculair niveau. Door inzet van membranen zowel in combinatie met reactoren als voor de scheidingsprocessen alleen (bijvoorbeeld in combinatie met destillatie en voor bepaalde toepassingen ter vervanging hiervan) zijn substantiële energiebesparingen mogelijk. Voor de bovengenoemde specifieke processen moet gestreefd worden naar 80% reductie van het energieverbruik in 2025 door inzet van membraantechnologie bij gelijke of lagere kosten (investering + operationeel) voor de nieuwe technologie. Aangezien voor de meeste scheidingen en combinaties van reactie en scheiding in de procesindustrie omstandigheden van hoge druk (> 20 bar) en temperatuur (> 120ºC) in combinatie met (agressieve) organische media aan de orde zijn, vereist dit voor de inzet van membraantechnologie het gebruik van speciale materialen, welke operationeel bestendig zijn tegen dergelijke omstandigheden. Vooralsnog lijken anorganische membranen de beste keuze voor dergelijke toepassingen. Gezien de ontwikkelingen op het gebied van organische materialen, worden deze in dit onderzoeksprogramma ook opgenomen. Van belang is om primair de functionele aspecten van de te ontwikkelen technologie te beoordelen. Specifieke toepassingen van membraantechnologie die zich richten op energie-efficiëntere moleculaire scheiding: • Nanofiltratie (NF) van organische oplosmiddelen: bijvoorbeeld voor terugwinning van homogene katalysatoren, voor terugwinning van oplosmiddelen, afscheiding van reactanten; • Pervaporatie (PV) en damppermeatie (VP): bijvoorbeeld voor ontwatering van organische oplosmiddelen, voor scheiding van azeotropen, voor verschuiving evenwichten bij veresteringen, voor optimalisering/verbetering van destillatieve scheidingen; • Gasscheidingen: vooral in combinatie met reactoren, voor afvoer of dosering van reactanten, en voor terugwinning van componenten uit procesgasstromen. Voor ontwikkeling en implementatie van nieuwe membraantechnologie voor de procesindustrie zijn naast de scheidingsprestaties vooral ook flexibiliteit, betrouwbaarheid, robuustheid, veiligheid en onderhoud van belang. Voor implementatie op grote schaal dienen zowel de technologie als de leverancier hiervan de status van ‘bewezen’ te hebben. Onderzoek moet dan ook gericht zijn op: • basisonderzoek naar nieuwe membraanmaterialen en membranen voor bovengenoemde scheidingen; onderzoek naar nieuwe dragerstructuren;

23


• • •

ontwikkeling van nieuwe modulen voor specifieke toepassingen eventueel in combinatie met katalysatoren; ontwikkeling van opschalings- en fabricagetechnologie van de nieuwe membranen/ modulen; ontwikkeling van toepassingsmogelijkheden van specifieke membranen en modulen in de (chemische) procesindustrie en voedingsmiddelenindustrie waarbij via systeembenadering de essentiële rol van deze procesoperatie evident wordt.

Doorbraken: Membraantechnologie die toepasbaar is bij hoge druk (> 20 bar), hoge temperatuur (>120ºC), bestand is tegen agressieve milieus en waarbij de standtijd van de membranen voldoet aan de geldende industriële criteria. 1.2.6 Onderzoeksterrein 2B: Reageren en scheiden, multifunctionele reactoren Speerpunt Multifunctionele reactoren en vloeistofscheiding via geavanceerde destillatie Doelstelling: Het ontwikkelen van procesapparatuur die meerdere functies combineert en/of bestaande functies intensiveert. Tijdpad: 2015: kennisontwikkeling (ook door internationale samenwerking). 2025: toepassen. Van multifunctionele reactoren wordt gesproken wanneer meerdere functies in een reactor worden gecombineerd dan wel de primaire functies worden geïntensifieerd. Gedacht kan worden aan de volgende verdere concretisering: • toepassing van membranen in combinatie met chemische omzettingen waarbij producten selectief worden afgescheiden en/of reactanten selectief, of op gecontroleerde wijze aan het reactiemengsel worden toegevoerd; • toepassing van gestructureerde reactoren waarbij een effectiever contact tussen de fasen (gas-vloeistof, gas-vast en gas-vloeistof-katalysator) bewerkstelligd kan worden; • toepassing van dynamisch of cyclisch geopereerde reactoren waardoor compressie, expansie en warmte-uitwisseling geïntegreerd kan worden en/of operatie bij optimale katalysatorcondities gerealiseerd kan worden. Doorbraken: Het ontwikkelen en opschalen van nieuwe reactorconcepten. Vloeistofscheiding door middel van destillatie is de grootste energieverbruiker in de Nederlandse Industrie. In Nederland is kennis aanwezig van nieuwe concepten van destillatie, waarbij aanzienlijke energiebesparing mogelijk zou kunnen zijn. In de roadmap scheidingstechnologie, uitgevoerd in opdracht van het ministerie van EZ wordt onder andere warmtegeïntegreerde destillatie genoemd als belangrijke ontwikkeling op dit gebied. Naast warmteintegratie kan ook gedacht worden aan andere oplossingen zoals extractieve destillatie met designer solvents of High-gravity destillatie. Onderwerpen als reactieve destillatie en destillatie-membraan hybride scheiding passen binnen de trend naar geïntegreerde, meer compacte en hybride systemen. Onderzoek naar energie-efficiëntie te behalen door middel van vloeistofscheiding via geavanceerde destillatie is in dit speerpunt opgenomen. Doorbraken: Het ontwikkelen en opschalen van geavanceerde destillatieconcepten. Onderzoek naar multifuncitonele reactoren en/of geavanceerde destillatietechnieken moet gericht zijn op:

24


• • •

experimenteel basisonderzoek naar de technische mogelijkheden en de haalbaarheid van geavanceerde destillatie; modelvorming inclusief experimentele validatie van de modellen op laboratoriumschaal om industriële haalbaarheid te evalueren; ontwikkeling en opschaling van nieuwe technologieën.

1.2.7 Onderzoeksterrein 3A: Thermische processen, warmtehuishouding Speerpunt Warmtehuishouding in de industrie Doelstelling: Het ontwikkelen van kosteneffectieve technologieën die het grootschalig en met grote capaciteit en dichtheid opslaan en transporteren van warmte realiseren, evenals technologieën die de technische opwaardering van warmte mogelijk maken. Tijdspad: 2015 ontwikkeling van de technologie gereed. 2025 implementatie op middelgrote schaal. In Nederland bestaat meer dan 70% van het industriële energiegebruik uit warmte. Uiteindelijk wordt deze warmte grotendeels als industriële restwarmte weggekoeld naar de omgeving. Door opslag, opwaardering en transport van deze thermische energie kan vraag en aanbod in principe beter op elkaar afgestemd worden. Onderbouwde schattingen leren dat 50% besparing in 2050 haalbaar moet kunnen zijn. Warmtetransport heeft momenteel een beperkte actieradius (max. 15 km) en flexibiliteit. Tevens is warmtetransport kostbaar vanwege isolatie, onderhoud en warmteverliezen. Het buiten de poort gebruiken van deze warmte is vaak minder effectief (kosten en energieverlies) dan het zelf gebruiken ervan. Daarnaast is ook het gebruik van warmte tussen twee verschillende gebruikers organisatorisch en juridisch complex. Om restwarmte direct te benutten moeten systemen ontwikkeld worden die geschikt zijn om de restwarmte op te waarderen met een voldoende temperatuurlift om boven de pinchtemperatuur van de lokatie te komen. Warmteopslag kan ingedeeld worden in lange termijn en korte termijn opslag en in actieve en passieve systemen. De werkingsprincipes kunnen onderverdeeld worden in voelbare warmte, latente warmte en chemische warmte. Met de beschikbaarheid van een technologie voor hoge temperatuur warmteopslag, worden de mogelijkheden vergroot om de restwarmte nuttig te gebruiken. Daarbij ligt het in de verwachting gebruik te maken van warmteopslagtechnologie op basis van latente warmte of zelfs reactiewarmte, om behalve het hogere temperatuurniveau van de opslag, ook de opslagdichtheid en tijdsduur van de warmteopslag te vergroten. Gezien de lokale beperkingen met betrekking tot aquifers vraagt bovengrondse warmteopslag om een doorbraak naar hoge opslagcapaciteit per volume eenheid met minimale warmteverliezen. Belangrijk knelpunt voor introductie zijn de investeringen operationele kosten. De energiebehoefte aan koude, zoals die door de processen wordt gevraagd, bedraagt ongeveer 28 PJ koude per jaar, verdeeld over 12 PJ voor de voedings- en genotmiddelenindustrie en 16 PJ voor de (petro)chemie en aardgasindustrie. Nederland heeft als doorvoerland relatief veel koelen vriescapaciteit. De trend is dat deze behoefte toeneemt. Onderzoek kan gericht zijn op: • nieuwe opslag- en transportsystemen;

25


• • • • •

opwaardering van warmte tot boven de pinchtemperatuur van de afnemer of omzetting in andere vormen van energiedragers; hoge temperatuur opslag (60-150 ºC); grote opslagcapaciteiten/dichtheid; kostenverlaging; ontwikkeling van nieuwe koudetechnische concepten.

Doorbraken: • Kostenverlaging tot het niveau dat het systeem technisch en economisch haalbaar is; • Opslag met hoge capaciteit per volume eenheid met minimale warmteverliezen. 1.2.8 Onderzoeksterrein 3B: Thermische processen, behandelingsprocessen Speerpunt Thermische behandelingsprocessen Doelstelling: Tijdspad:

Het ontwikkelen van nieuwe thermische behandelingsprocessen die een sprongsgewijze energiebesparing realiseren. 2015 ontwikkeling van nieuwe concepten. 2025 implementatie op medium schaal.

Onder thermische behandeling wordt een veelheid aan processen verstaan waarbij warmte wordt toegevoegd om bepaalde scheidingen, fysische, eventueel biologische en/of chemische veranderingen aan producten teweeg te brengen. Het betreft processen waarbij de warmte vaak middels aardgas wordt opgewekt en ingebracht, soms worden andere warmtebronnen, brandstoffen of elektriciteit ingezet. Het energieverbruik in de Nederlandse industrie is aanzienlijk op deze gebieden. Binnen de thermische processen zijn als voorbeelden de volgende functies te benoemen: drogen, blancheren, steriliseren, smelten, etc. Deze functies zijn ook nu gemeengoed in de industrie. Het onderzoek moet gericht zijn op technologieën die substantiële, sprongsgewijze energiebesparing realiseren. Hierbij valt te denken aan technieken als: • gerichte verhitting; • pulserende verhitting; • sono-luminisentie; • toepassing van hoge drukken; • pulserende elektrische velden; • hoge intensiteit verlichting; Doorbraken: De ontwikkeling van nieuwe concepten voor thermische behandelingsprocessen die een factor 2 tot 3 efficiënter zijn.

1.3 Sociaal-wetenschappelijk onderzoek Het Ministerie van Economische Zaken is van mening dat alleen technologisch energieonderzoek niet leidt tot succesvolle (toegepaste) innovaties. Voor een succesvolle toepassing van innovaties is ook sociaal-wetenschappelijk energieonderzoek belangrijk. Doelstelling van sociaal-wetenschappelijk energieonderzoek De doelstelling voor sociaal-wetenschappelijk energieonderzoek binnen EOS Lange Termijn is: Het sociaal-wetenschappelijk onderzoek verbetert, geeft richting aan en versnelt de 26


ontwikkeling en toepassing van nieuwe en bestaande energietechnologie ten behoeve van een duurzame energiehuishouding. Sociaal-wetenschappelijk energieonderzoek kan een belangrijke schakel zijn bij de succesvolle introductie van nieuwe energietechnologie. Het ministerie van Economische Zaken heeft daarom als doelstelling dat het aandeel sociaal-wetenschappelijk onderzoek wordt vergroot. Dit onderzoeksprogramma is een van de middelen om deze doelstelling te realiseren. Scope van het sociaal-wetenschappelijk onderzoek De onderzoeksprogramma’s van EOS bestaan uit vijf aandachtsgebieden (biomassa, energieefficiency in de industriële en agrarische sector, gebouwde omgeving, nieuw gas/schoon fossiel, opwekking en netten). Deze aandachtsgebieden zijn weer opgebouwd uit speerpunten en importthema’s, dat zijn concrete technologieën. Alleen onderzoek dat aansluit bij deze speerpunten en kennisimportthema’s komt in aanmerking voor subsidie. Deze speerpunten en importthema’s zijn technologische onderzoeksgebieden en zijn bepaald aan de hand van de stand van de techniek en de kennispositie in Nederland en in het buitenland. De technologische vooruitgang met betrekking tot deze speerpunten en importthema’s moet Nederland verder helpen naar een duurzame energiehuishouding. Het sociaal-wetenschappelijk onderzoek moet bijdragen aan de doelstelling van de onderzoeksprogramma’s van EOS en daarom moeten: -

Sociaal-wetenschappelijke onderzoeksvragen gekoppeld zijn aan een speerpunt of kennisimportthema van EOS, óf Sociaal-wetenschappelijke onderzoeksvragen gekoppeld zijn aan één of meer aandachtsgebieden van EOS.

Bewijslast Het Ministerie van Economische Zaken gaat er vanuit dat er in beginsel bij ieder onderzoek van een nieuwe technologie ook sociaal-wetenschappelijke aspecten spelen. Als een aanvrager van mening is dat dit niet het geval is, moet hij dit in het projectplan aantonen. Ook dient de aanvrager aan te tonen op welke wijze de kennisoverdracht geborgd is. In de volgende alinea staan de sociaal-wetenschappelijke onderzoeksvragen verwoord. Deze vragen zijn opgesteld door een aparte programmavoorbereidingscommissie voor het sociaalwetenschappelijk energieonderzoek. Voor het opstellen van de teksten is gebruik gemaakt van interviews met de markt (afnemers én aan bieders van sociaal-wetenschappelijk onderzoek) en een workshop. De conceptteksten zijn ter commentaar verstuurd aan de deelnemers van de workshop en de interviews. Onderzoeksvragen Voor de 1) verbetering, 2) sturing en 3) versnelling van de ontwikkeling en implementatie van nieuwe en bestaande energietechnologie zijn de volgende onderzoeksvragen van belang. 1.

Sociaal-wetenschappelijke kenmerken van een techniek, concepten of systemen: Met welke sociaal-wetenschappelijke aspecten moet rekening gehouden worden bij de implementatie van een nieuwe technologie, concept of systeem in de maatschappij?

27


Toelichting Voor de succesvolle introductie van een nieuwe technologie is het niet voldoende om alleen een goede technologie te ontwikkelen. Voor de succesvolle toepassing is het belangrijk dat al in een vroeg stadium inzichtelijk wordt gemaakt met welke (toekomstige) sociaalwetenschappelijke randvoorwaarden de technologie geconfronteerd wordt. Tijdige aanpassing van de technologie of beïnvloeding van de randvoorwaarden kan bepalen of een nieuwe technologie een succes wordt of kan het succes van een nieuwe technologie versterken. Voorbeelden zijn: studies naar architectonische inpassing, studies naar ontwerptechnische vereisten en mogelijkheden, studies naar gebruikersvoorkeuren (mens-techniek interactie), studies naar ruimtelijke inpassing, studies naar inpassing in de energie-infrastructuur, studies naar leveringszekerheid van grondstoffen, draagvlakstudies, marketingtechnische studies, studies naar de (eventuele) impact op de gezondheid, studies naar de veiligheid van de technologie, duurzaamheidsstudies en studies naar juridische aspecten. 2.

Toekomstverkenningen: Hoe past de technologische ontwikkeling in de maatschappelijke omgeving op lange termijn en vice versa?

Toelichting De nieuwe technologie zal worden toegepast in een situatie die niet gelijk is aan de huidige situatie. Sociaal-wetenschappelijk onderzoek kan een bijdrage leveren aan het scheppen van een beeld van de toekomstige situatie en een inschatting geven hoe de nieuwe technologie hier in zou kunnen passen. Ook kunnen forecasts inschatten op welke wijze de technologie de toekomstige situatie zal beïnvloeden. Voorbeelden van onderzoek zijn onder andere technology assesment studies, leercurve studies, studies naar lock-in/lock-out-aspecten, backcastingscenario’s en studies die macro-ontwikkelingen aan toekomstige markten. 3.

Innovatieproces: Welke actoren en processen beïnvloeden het succes van de technologische innovatie?

Toelichting: De ontwikkeling van een nieuwe technologie wordt beïnvloed door een groot aantal invloedsfactoren (institutioneel, stakeholders) binnen en buiten de organisatie. Sociaalwetenschappelijk onderzoek kan een bijdrage leveren aan het in kaart brengen van deze krachten en kan helpen bij het organiseren van die krachten op een dusdanige manier dat ze ondersteunend of in ieder geval niet belemmerend zijn voor de ontwikkeling van de technologie. Voorbeelden zijn het in een vroeg stadium betrekken van stakeholders (producenten, gebruikers, beleidsmakers), het systematisch en reflexief monitoren en evalueren, de organisatie van leerprocessen en het opzetten van transitie-experimenten.

1.4 Referenties 1. Een geïnformeerd beleid. Consultatie van het veld over de waarde van het publiek gefinancierde energieonderzoek in Nederland;Van de Bunt, oktober 2002. 2. Resultaten Voorverkenning EOS2; SenterNovem, juni 2003. 3. Referentieraming energie en CO2 2001-2010. Ybema et al. ECN en RIVM, 2002. 4. Met energie naar Duurzaam produceren. Visie, transitiepaden, experimenten en overzicht van 2003. Energietransitie MEK II. Ministerie van Economische Zaken, december 2003.

28


5. Groen manifest. Op weg naar een groene procestechnologie. Intentieverklaring van de onderzoekschool procestechnologie. 6. Scheidingstechnologie. Innovatieverkenning Richard blad et al, Ministerie van Economische Zaken, juni 2003. 7. Monitoring energy efficiency indicators in the Netherlands in 2000. ECN. December 2000. 8. Statline CBS, energiegebruik. 9. Niet technologische aspecten bij innovatie. Senter Beleidsinteractie. 2001 10. Bouwstenen voor een energiezuiniger en duurzame glastuinbouw, Notitie van het Productschap Tuinbouw en LNV ten behoeve van de aansturing van het energieonderzoek Glami 2003 t/m 2008, mei 2003. 11. Besparingstrends 1990-2000, ECN, maart 2002 12. Email Bonekamp ECN 2004.

29


30

Biomassa

2 Biomassa Inleiding De R&D-portfolio van het aandachtsgebied ‘Biomassa’ is als volgt samengesteld: Speerpunten

Kennisimportthema’s

Kennisexportthema’s

Geen R&D-thema’s

- Biomassa, gasreiniging en -conditionering (incl. syngasproductie uit stookgas) - Bioraffinage - Biomassaconversie, mee- en bijstoken in E-centrales - Voorbehandeling/voeding voor biomassaconversie - Toepassing van biofuels in de transportsector - Biochemische conversie - Biomassa primaire conversie, thermochemische conversie - Biomassawinning - Biomassa conversie, energie uit reststromen - Biomassa, procesregeling en -besturing

De programmavoorbereidingscommissie (PVC) voor het oorspronkelijke aandachtsgebied ‘Biomassa’ bestond uit onderstaande personen. Deze PVC heeft daarmee destijds de basis gelegd voor het onderzoeksprogramma, dat in 2006 op advies van de Energie Advies Commissie (EAC) is geactualiseerd (mid term review). EZ heeft dit advies van de EAC overgenomen en de onderzoeksprogramma’s aangepast. Dr. Ir. T. van Herwijnen Dr. K.D. van der Linde Dr. J. Sanders Dr. Ir. M. Steijns Prof. Dr. Ir. W.P.M. van Swaaij Prof. Dr. H. Veringa Dr. W. Willeboer Ir. G.C. van Uitert Ir. K. Kwant Ir. J. Reijnders, Ir. R. de Reu

ETC Energy Technology, voorzitter Afval Energie Bedrijf Gem. Amsterdam A&F, WUR DOW Universiteit Twente ECN Essent Ministerie van Economische Zaken, waarnemer SenterNovem, coördinator SenterNovem, ondersteuning


31

Biomassa

2.1 Beschrijving 2.1.1 Het aandachtsgebied Het aandachtsgebied Biomassa is veelomvattend, door het grote aantal verschijningsvormen van biomassa (teelt, bos, afval, etc.), het grote aantal technologieën voor de omzetting en het grote aantal toepassingsmogelijkheden als energiebron: warmte, elektriciteit, transportbrandstoffen en gas als tussenproduct. Om tot een duurzaam systeem te komen dient de toepassing van biomassa altijd in een keten van biomassaproductie, transport, conversie en benutting met de daarbij ontstane reststromen en emissies beschouwd te worden. EOS Biomassa

Kernelementen biomassa

GRONDSTOFFEN

WINNING

PRETUSSEN- PRIMAIRE CONVERSIE PRODUCT CONVERSIE

verbranden teeltconcepten

Droge biomassa

biomassa

reststromen

PRODUCT

mee-/ bijstoken in E-centrales Elektriciteit (S)

biomassa winning

pyrolyse vergassen

sizing en opslag

PRODUCT SECUNDAIRE CONVERSIE

biomassa conversie: voorbehandeling / voeding (I)

bioraffinage van biomassa/ reststromen (S)

Stoom

Biodiesel H 2/methanol

syngas / stookStookgas gasconversie (CO/H2/..) (FT) (S)

gasreiniging/ -conditionering (S)

Synthetisch aardgas Chemicaliën

fermentatie Natte biomassa

Bioethanol Biogas (CH4/CO2)

EOS speerpunten (S) kennisimportthema’s (I)

Ketenbenadering Het aandachtsgebied Biomassa strekt zich uit over de gehele energieketen van 'winning' tot eindgebruik. Onder 'winning' van biomassa wordt inzameling, teelt of import verstaan. Ook de verantwoorde inzet van rest- of afvalstoffen van organische oorsprong wordt gerekend tot biomassa. Huisvuilverbranding en het bij- en meestoken in kolencentrales is hier een goed voorbeeld van. Ook voorbehandelingen zoals drogen, verkleinen en scheiden worden gerekend tot het aandachtsgebied biomassa. Bij de uitwerking van de Biomassaprogrammering zal rekening worden gehouden met de andere EOS-aandachtsgebieden zoals de Gebouwde omgeving, Opwekking en netten en Nieuw Gas / Schoon Fossiel. De eerste twee gebieden hebben hun raakvlakken met Biomassa, daar waar zij op het terrein komen van (de)centrale energieleveringen aan de gebouwde omgeving en decentrale opwekking van elektriciteit. Er is ook een duidelijk raakvlak met Nieuw Gas / Schoon Fossiel daar waar het gaat om groen- of biogas, inmenging van SNG in het bestaande aardgasnet of CO2-afvangst en -opslag.

32

Biomassa

2.1.2 Biomassaprogramma's in Nederland Overzicht anno 2003 Sinds 1990 is biomassa als duurzame grondstof voor energie en chemie steeds meer naar voren gekomen en zijn er vanuit de overheid initiatieven en programma's gestart waarmee deze ontwikkeling wordt ondersteund. Het biomassaonderzoek in Nederland kent bij de verschillende universiteiten en industrieën een lange geschiedenis. Sinds het begin van de 90-er jaren is het accent vooral gelegd op energie uit afval middels het EWAB-programma. In 2000 is dit opgegaan in het meer

Overheids initiatieven en programma’s voor biomassa EET biochemie NWO

biofuels

ICES /KIS NEO

ECN TNO EOS SDE doel subs

bioenergie

Transitie GAVE Biomassa

DEN

Fundamenteel onderzoek

CO2 red. Ministerie van Financiën Financiële Actie onderPlan steuning Biomassa plan

Onderzoeken Demonstratie Marktintroductie Commerciële Ontwikkeling toepassingen

generieke programma: Duurzame Energie Nederland en zijn er daarnaast ook andere generieke programma's gestart. Tussen 1997 en 2003 heeft het EET-programma bestaan, vanaf 1998 loopt het SDE-programma en vanaf 2002 het NEO-programma. Specifiek voor de CO2-neutrale brandstoffen is in 1997 het GAVE-programma gestart, in 2001 het ACTSprogramma voor katalyse en in 2004 het B-Basic-project meer gericht op de biotechnologie. Specifiek voor biomassa heeft ook in 2002 en 2004 het Biomassatransitieproject gelopen, waarmee de richting voor biomassa via transitiepaden is bepaald. In Bijlage 2.1 staat meerinformatie over de bovengenoemde programma's. Afstemming Vanwege het grote aantal nationale programma's waarin biomassa een rol speelt is afstemming vereist. Enerzijds omdat de thans lopende programma's als DEN, SDE en EET nog projecten in beheer hebben die de komende jaren (tot en met 2006) resultaten op zullen leveren die voor het lange termijn onderzoek van belang zijn. Anderzijds richt dit programma zich op het lange termijn onderzoek biomassa en dient er te worden doorverwezen naar de Innovatiesubsidie Samenwerkingsprojecten (IS-regeling) voor projecten waarbij de marktintroductie dichterbij ligt dan 10 jaar. Tot slot zijn er een aantal aanpalende programma's waarmee het EOS-biomassaprogramma afstemming dient te zoeken om tot een goede uitvoering te komen. Voor de komende jaren is dat met name het onderzoek dat vanuit NWO gefinancierd wordt en beheerd door ACTS, zoals in het B-BASIC-programma. 33

Biomassa

2.1.3 Kennisinfrastructuur in Nederland Overheid Vanuit de overheid wordt bioenergie- en biomassaonderzoek en ontwikkeling via een aantal ministeries ingevuld. Met name het Ministerie van Economische Zaken is betrokken bij het DEN-, BSIK- en NEO-programma en de energietransitie Daarnaast is VROM betrokken bij het Klimaat en milieuonderzoek en LNV bij het landbouwtechnologisch onderzoek. Via OC &W wordt via NWO fundamenteel onderzoek gefinancierd. Ook zijn er een aantal gezamenlijke programma's, zoals BSIK en ACTS. Kennisinstituten Kennisinstituten spelen een belangrijke rol in de kennispositie van Nederland. Opgebouwde kennis kan zowel nationaal als internationaal op de markt worden gebracht. Zowel TNO-MEP te Apeldoorn, ECN te Petten en A&F in Wageningen hebben een groot pakket aan projecten op het gebied van biomassaonderzoek. Bij TNO ligt de nadruk op energie uit afval, bij ECN op de ontwikkeling van nieuwe technologieën en A&F richt zich vooral op bioraffinage. Naast deze drie onderzoeksinstituten, spelen de universiteiten een belangrijk rol. Op alle technische universiteiten, Delft, Twente, Eindhoven, maar ook Groningen, en Utrecht zijn grote afdelingen bezig met onderzoek op het gebied van biomassa en bioenergie. Adviesbureaus Adviesbureaus en ontwerpers zijn de katalysator en daarmee een belangrijke schakel in het proces van ambitie tot uitvoering. Over het algemeen vindt er bij de adviesbureaus geen lange termijn onderzoek plaats, maar meer onderzoek en ontwikkeling, gericht op toepassing. Diverse adviesbureaus hebben afdelingen waarin specifiek bioenergie- en biomassakennis aan de orde is en verder wordt ontwikkeld. Industrie Ook bij de bedrijven vindt kennisopbouw plaats. Niet alleen primair bij de maakindustrie, maar ook bij de toepassers (secundair). In Nederland bestaat geen specifieke maakindustrie op het gebied van biomassa en bioenergie. Voor speciale deelsegmenten zoals anaërobe waterzuivering wel. Qua toepassing zijn met name de energiebedrijven en afvalbedrijven een sterke partij waar ook de nieuwe technologie wordt toegepast voor afvalverbranding en meeof bijstoken. 2.1.4 Internationaal perspectief Het biomassa onderzoek in Nederland neemt momenteel in vergelijking met andere landen een kwalitatief hoogwaardige plaats in. Gedurende het afgelopen decennium is het zowel in kwantiteit als kwaliteit aanmerkelijk vooruit gegaan. Dit wordt onderbouwd met het groeiende aantal publicaties van Nederlandse promovendi. Op het 2e Wereldcongres Biomassa in mei 2004 te Rome is 10% van de papers en presentaties door Nederlandse vertegenwoordigers geleverd waarmee Nederland als land de grootste inbreng had. Binnen het totale biomassaonderzoek werkt Nederland selectief aan een aantal specifieke onderwerpen en laat een aantal andere onderwerpen aan zich voorbijgaan. In houtrijke landen als bijvoorbeeld Finland, Zweden en Oostenrijk vormt de teelt in bossen en gebruik van hout voor productie van warmte in grote ketels of kleine pelletkachels een belangrijk onderzoeksitem.

34

Biomassa

In Nederland ligt het accent veel meer op de benutting van reststromen uit de industrie, agrarische sector of huishoudelijk afval en op de productie van elektriciteit. De laatste vier jaar is daar de productie van transportbrandstoffen bijgekomen. Qua toepassing is Nederland sterk in afvalverbranding, het bij- en meestoken in kolencentrales en vergisting van afvalwater en GFT. € mln / year 70 Industry projects outside programmes 60 50

Public projects outside programmes Industry programmes Public programmes oefalg04001-2.1

40

© JOANNE UM RESEA RCH

30 20 10 0

Onderzoeksbudgetten bioenergie in diverse EU landen (Bron: ERA Bioenergy) Binnen het EU project ‘ERA Bioenergy’, (ENK5-CT-2001-80526), heeft Novem meegewerkt aan het in kaart brengen van het Europese onderzoeksveld bioenergie6. Binnen Europa zijn een zestal landen aan te wijzen met een grote biomassa R&D-activiteit, waar Nederland er een van is. Tevens blijken onderzoeksinstituten en universiteiten in alle landen in meer of mindere mate aan de gehele range van bioenergie-onderzoeksactiviteiten te werken. Om de internationale samenwerking te verbeteren zijn er een aantal belangrijke bewegingen gaande. Binnen de EU wordt vanuit de European Research Area gedachte een aantal nieuwe instrumenten ingezet om die samenwerking te bevorderen. Dit gaat via grote Integrated Projects, waarin diverse industrieën en onderzoeksinstituten samenwerken, alsook door middel van Networks of Excellence met virtueel geïntegreerde onderzoeksinstituten. In het NoE Bioenergy, dat per 1 januari 2004 is gestart, neemt vanuit Nederland het ECN deel naast instituten uit Zweden, Finland, Polen, Frankrijk, Oostenrijk en UK. Een op de overheden gericht instrument is het ERANET, waarbinnen afstemming en integratie van nationale programma's wordt nagestreefd en waar een consortium met SenterNovem een voorstel voor een ERANET-Bioenergie heeft opgesteld. Dit project gaat per 1 oktober 2004 van start. De deelnemende landen zijn, naast Nederland, vooralsnog: Finland, Zweden, UK, Oostenrijk en Duitsland. Behalve in Europa, wordt op het gebied van bioenergie ook wereldwijd samengewerkt. Door een twintigtal landen gebeurt dit sinds 1978 binnen IEA Bioenergy. Naast een aantal EU landen, doen hier ook de VS, Canada, Brazilië, Japan, Australië en Nieuw Zeeland mee. Binnen een aantal taken, met 3-jarige werkplannen, werken onderzoekers en programma6

Het eindrapport is beschikbaar op www.joanneum.at/ief/erabioenergy.

35

Biomassa

managers uit een aantal landen samen en wisselen met name onderling kennis uit over vorderingen en prioriteiten en werken samen aan een aantal specifieke activiteiten. De taken waaraan Nederland vanaf 2004 deelneemt zijn: 32 Combustion and Cofiring, 33 Gasification, 36 Anaerobic Digestion, 38 Green house Gases, 39 Liquid Biofuels en 40 Biomass Trade7. Op het gebied van bioenergieonderzoek bestaat een bilaterale samenwerking met Japan, die door het NWO is georganiseerd, en waar met name naar thermische katalytische conversies wordt gekeken. In de hierboven genoemde landen is, evenals in het programma dat in dit document voor Nederland wordt gepresenteerd, een verschuiving gaande van meer technologisch georiënteerde programma's als Biomassa Vergassing of Pyrolyse, naar meer geïntegreerde programma's onder de koepel: Bioraffinage. Dit speelt in Oostenrijk, maar ook in de VS8, waar men sinds 2002 een dergelijk programma heeft lopen. Samenwerking met de VS op dit gebied zal zeer zinvol zijn. 2.1.5 Energietransitie Het transitiethema Groene Grondstoffen heeft raakvlakken met het aandachtsgebied Biomassa. De visies van EnergieTransitie en EOS zijn voor dit thema vergelijkbaar. Beide benadrukken de maatschappelijke belangen voor grootschalige toepassing van biomassa in verschillende sectoren, en de behoefte om in de toekomst grote hoeveelheden biomassa te importeren. Wel moet hier de kanttekening worden geplaatst dat EOS zich alleen richt op de productie van biobrandstoffen, mee- en bijstook van biomassa en niet op de procutie van groene chemicaliën. De onderzoeksvisie van dit EOS-aandachtsgebied is gebaseerd op de Biomassa transitievisie waardoor op de aangewezen onderzoeksterreinen een goede aansluiting is verkregen tussen het lange termijn onderzoek binnen EOS en het Biomassa transitietraject. Ook het transitiethema Duurzame Elektriciteitsvoorziening heeft raakvlakken met het aandachtsgebied Biomassa. Alleen op het onderwerp biofuels uit het transitiethema Duurzame Mobiliteit is er aansluiting met het EOS-aandachtsgebied Biomassa, en wel in het speerpunt Bioraffinage. Voor meer informatie, de actuele stand van zaken en voorbeeldprojecten van Groene Grondstoffen, Duurzame Elektriciteitsvoorziening en Duurzame Mobiliteit zie: www.energietransitie.nl. Voorbeeldprojecten van het aandachtsgebied Biomassa staan op: www.senternovem.nl/eos.

2.2 Onderzoeksterreinen en – doelstellingen 2.2.1 Visie De visie op het onderzoek in het EOS-aandachtsgebied Biomassa is gebaseerd op de visie die het project Transitie Biomassa heeft geformuleerd. Kenmerkend voor die visie is de brede, grootschalige toepassing van biomassa voor energie, brandstoffen en producten, vooral 7 8

Voor een compleet overzicht zie: www.ieabioenergy.com . zie: www.bioproducts-bioenergy.gov

36

Biomassa

gebaseerd op geïmporteerde biomassa. Biomassa als grondstof voor duurzame energie is ook als robuust element uit Lange Termijn Visie Energievoorziening (LTVE) naar voren gekomen. De onderzoeksvisie heeft als uitgangpunt dat biomassa een breed toepassingsgebied zal hebben. Langs meerdere verwerkingsroutes zal een rijke keuze aan biomassagrondstoffen worden omgezet in eindproducten voor verschillende marktsegmenten. Om de onderzoeksgelden met de juiste focus in te zetten zijn binnen dit brede veld duidelijke keuzes gemaakt. Voor de succesvolle toepassing van een nieuwe technologie is naast technologisch onderzoek ook sociaal-wetenschappelijk onderzoek noodzakelijk (zie 2.3). 2.2.2 Drijfveren voor biomassa-energieonderzoek De potentie voor het gebruik van biomassa als grondstof voor duurzame energie is zeer groot: Biomassa is de basis voor hernieuwbare energiedragers en draagt bij aan reductie van het broeikasprobleem. Ten opzichte van andere hernieuwbare energiebronnen als wind en zon heeft biomassa het voordeel dat het opgeslagen zonne-energie is en te allen tijde inzetbaar. Gebruik van biomassa in de energiesector binnen de Europese Unie levert op termijn een belangrijke bijdrage aan de voorzieningszekerheid door een gereduceerde afhankelijkheid van geopolitiek gevoelige regio’s en een alternatief voor uiteindelijk schaarse fossiele brandstoffen. Voor de kenniseconomie en innovatie is een opmaat naar grootschalige inzet van biomassa in al zijn facetten een belangrijke aanjager. Er bestaan in dit veld grote kansen op basis van de positie in handel, economie (energie, chemie, agro-industrie), wetenschap en ontwikkeling. Op veel onderdelen van het biomassacomplex heeft Nederland nu al een goede kennispositie. Biomassa gebaseerde productieprocessen verbreden het spectrum van grondstoffen waarmee een belangrijke flexibiliteit wordt gerealiseerd. Het produceren van biomassa kan nieuwe kansen genereren voor rurale ontwikkeling, met name in ontwikkelingslanden, maar ook in de Europese Unie. Hiervoor wordt verder verwezen naar hoofdstuk 2.3. 2.2.3 Ambitie voor 2040 Transitie Biomassa stelt dat in 2040 bio-energie 30% van het totale energieverbruik in Nederland kan verzorgen ofwel 600 tot 1000 PJ9 in een scenario met aanmerkelijke energiebesparing. Dit streefcijfer wordt gezien als een goede balans tussen het streven naar een fundamentele verandering van de energievoorziening (transitie) enerzijds en het stellen van een werkelijk realiseerbare doelstelling anderzijds. Biomassa aanbod Het aanbod van biomassa wordt in 2040 uit vele verschillende bronnen betrokken. Reststromen biomassa worden benut voor hergebruik voor energietoepassingen en er vindt 9

Ter verduidelijking: 30% wordt een haalbare maar zeker ook een zeer ambitieuze doelstelling geacht. Afhankelijk van de in 2040 gerealiseerde reductie van het energieverbruik zal dan 30% van de nationale energiebehoefte overeenkomen met 1000 PJ of mogelijk zelfs 600 PJ in geval van een zeer significante reductie van het totaal. Hierbij dient niet alleen aan efficiënter gebruik van energie gedacht te worden maar ook aan energiezuinige alternatieve routes bijvoorbeeld voor mobiliteit of chemische producten.

37

Biomassa

biomassateelt plaats, met name in het buitenland. Nederland betrekt haar vraag naar biomassa uit de internationale markt. Vanuit duurzaamheidsoogpunt bestaan er voor biomassateelt randvoorwaarden op het punt van voedsel, natuurbehoud, biodiversiteit en respect voor lokale condities in ontwikkelingslanden. Het sluiten van kringlopen wordt daarbij nagestreefd. De productieketens van bioproducten zijn zo ingericht dat zij worden getypeerd door zeer lage emissies en een absolute benutting van alle componenten. Het aanbod uit reststromen is in absolute termen flink gestegen en er is een markt ontstaan voor biomassahalffabrikaten waarbij biomassa, veelal om logistieke redenen, is omgezet in een geconcentreerde vorm. Deze halffabrikaten worden dichter bij de markt omgezet in de eindproducten zoals stroom, transportbrandstof, gas of andere producten die thans op basis van fossiele energie worden gemaakt. Ook kan met de productie van een halffabrikaat met het oog op verdere verwerking de brede variatie in biomassa-eigenschappen worden gereduceerd. Producten en markten Biomassaproducten worden in 2040 op herkenbare en gecertificeerde manier aan de markt gepresenteerd en hebben een positief imago bij de consument en maatschappelijke partijen. Er bestaat bij consumenten en maatschappelijke partijen geen twijfel over de duurzaamheid van deze producten. Elektriciteit en warmte, gas, transportbrandstoffen en chemicaliën worden efficiënt geproduceerd en geconsumeerd, en zijn voor de consument gewaardeerde alternatieven voor eindproducten uit fossiele brandstoffen. Energie Onderzoek Biomassa Om de bovenstaande ambitie te realiseren is het lange termijn energieonderzoek van groot belang. Brede inzet van biomassa wordt vertaald in het bioraffinage concept waarmee de hoogst mogelijke toegevoegde waarde kan worden gerealiseerd, zowel milieutechnisch als economisch. Het gaat daarbij om structurele veranderingen in de energiesector en chemische industrie resulterend in economisch concurrerende verwerking met bijvoorbeeld minimale omzetverliezen en zeer lage emissies. Biologische conversieprocessen bij lage temperatuur zijn evenzeer van belang als omzetting bij hoge temperatuur zoals verbranding en vergassing gecombineerd met gasreiniging bijvoorbeeld voor de productie van syngas. In de energiesector blijft op de lange termijn de vraag naar elektriciteit, warmte en brandstoffen cruciaal voor een stabiele samenleving en biomassa zal daarbij een belangrijke bijdrage gaan leveren. Het aandachtsgebied Biomassa wordt opgedeeld in drie onderzoeksterreinen: 1 Bioraffinage: Hier ligt de focus op de uiteenrafeling van biomassa en toepassing in de productie van transportbrandstoffen en de chemie. 2 Elektriciteit en Warmte: Hier ligt de focus op de duurzame productie van elektriciteit en warmte, mogelijk doch niet noodzakelijk in combinatie met fossiele brandstoffen. 3 Vergassing, gasreiniging, conditionering en syngasproductie: Hier ligt de focus op de ontwikkeling van technologieën tot fabricage van gasvormige halffabrikaten waarmee efficiënt elektriciteit en warmte, transportbrandstoffen en ‘nieuwe gassen’ zoals SNG en waterstof kunnen worden geproduceerd. Tevens zijn de productgassen inzetbaar als grondstof voor chemische toepassingen. 38

Biomassa

2.2.4 Afbakening Het Biomassa onderzoeksprogramma zal worden beschreven vanuit de drie onderzoeksterreinen: • Bioraffinage • Elektriciteit en Warmte • Vergassing, gasreiniging, conditionering en syngasproductie Schematisch zijn deze onderzoeksterreinen in de generieke biomassaketen als volgt te plaatsen:

Positionering van de EOS-Biomassa onderzoeksterreinen

GRONDSTOFFEN

WINNING

PRETUSSEN- PRIMAIRE CONVERSIE PRODUCT CONVERSIE

PRODUCT SECUNDAIRE CONVERSIE

PRODUCT

Elektriciteit en Warmte

Vergassing, gasreiniging, conditionering en syngas productie

Bioraffinage

Kenmerkend voor het biomassaveld is de grote samenhang tussen verschillende elementen. Zelfs een beperking tot energietoepassingen geeft nog een breed scala aan routes en (alternatieve) processtappen. Het gaat daarbij om een keten waarin de groei van biomassa, verzamelen (oogst), transport en logistiek, conversie naar halffabrikaten of eindproducten aan de orde is. Tijdens dit proces ontstaan reststromen en na gebruik afvalproducten die ook alle weer inzetbaar zijn (cascadering en bioraffinage). Daarom kunnen onderzoeksvoorstellen nooit in isolatie gepresenteerd worden maar dienen aangeboden te worden als element in een keten die het totale traject van grondstof naar marktproduct toont. De eis tot het tonen van deze ketensamenhang impliceert niet dat de keten in zijn geheel dient te worden gedetailleerd of geëvalueerd. Van belang is dat het betreffende onderzoeksvoorstel als onderdeel van de keten een belangrijke bijdrage kan leveren aan het realiseren van de keten. Het ontwikkelen en evalueren van ketens is een gebied op zich. Voor thermische routes is nationaal en internationaal reeds zeer veel gepubliceerd. Voor bioraffinageroutes daarentegen kan wel degelijk innovatief onderzoek plaatsvinden hetgeen zijn uitdrukking heeft gevonden in het Bioraffinage onderzoekspunt 1: Integrale aspecten. Voorts is het van belang te benadrukken dat EOS-Biomassa lange termijn onderzoek entameert. Maatgevend hierbij is de eis dat commerciële exploitatie van onderzoeksresultaten redelijkerwijs niet binnen 10 jaar te verwachten is.

39

Biomassa

2.2.5 Onderzoeksterrein Bioraffinage Afbakening Het onderzoeksterrein Bioraffinage omvat het geheel aan processen die het fractioneren van de grondstof biomassa in deelcomponenten langs biologische, (bio-)chemische, fysische en/of thermo-chemische weg omvat. Dit is een breed terrein en omvat processen die voorkomen in de chemie, biotechnologie en voedseltechnologie. Met bioraffinage kunnen bestaande productieprocessen energetisch verbeterd worden, kunnen nieuwe producten worden gemaakt en kunnen producten als energiedrager fungeren. Bioraffinage speelt derhalve zowel een rol aan de zijde van energiebesparing in de industrie, als bij de productie van nieuwe duurzame energiedragers. Bioraffinage biedt de kans om op efficiënte wijze met een minimaal verlies aan massa en energie te komen tot vervanging van fossiele grond- en brandstoffen dan wel volledig nieuwe markttoepasbare ‘producten’ die direct gebruik maken van de biomassa functionaliteit. Uitsluitend projecten gericht op een duurzamere energiehuishouding komen binnen dit onderdeel van EOS aan de orde. Definitie: Bioraffinage is het fractioneren van biomassa in verschillende ‘producten’ die al dan niet na een verdere biologische, (bio-)chemische, fysische en/of thermo-chemische bewerking en scheiding afzonderlijk af te zetten zijn. Onderzoeksdoelen Doel is het fractioneren van de grondstof biomassa in hoogwaardige deelcomponenten voor toepassing in de chemie en de energiesector waarbij het aantal omzettingsstappen en verliezen tussen de grondstof en het product wordt geminimaliseerd en exergetisch geoptimaliseerd. Het onderzoek moet daarbij enerzijds voor bestaande productieprocessen veel energiezuiniger bioraffinage alternatieven leveren, als anderzijds biofuels efficiënter en goedkoper produceren. Targets - Demonstratie op pilotplant schaal van de vervanging van een chemisch productieproces door een bioraffinageproces voor producten met een onderbouwd marktperspectief met een potentieel van 100 PJ energiereductie wereldwijd in 2020; - Productie van biofuels tegen een kostprijs van van 400 Euro/ton (15 – 20 Euro/GJ) rond 2010 en 250 Euro/ton ( 8 – 10 Euro/GJ) rond 2020; - Commerciële productie van ethanol uit houtachtige gewasdelen. Speerpunt en importthema's De volgende speerpunten en kennisimportthema’s worden binnen dit onderzoeksterrein meegenomen: Speerpunt: Importthema’s:

Bioraffinage, grondstoffen uit biomassa en reststromen Voorbehandeling/voeding voor biomassaconversie Toepassing biofuels in transportsector

Bij het formuleren van het onderzoek in dit onderzoeksterrein zijn de volgende zaken van belang: - Het onderzoek geeft uitzicht op de lange termijn benodigde technologische ontwikkeling in relatie met de daarmee verbandhoudende niet-technische aspecten die te maken hebben met publieke acceptatie en implementatie; 40

Biomassa

-

Dit onderzoeksterrein wordt opgesplitst in primaire bioraffinage (het uiteenrafelen van de biomassa) en secondaire bioraffinage (het maken van een product) en tevens in de biologische routes en de thermische routes. Primaire bioraffinage Primair product 1 Primair product 1

Secundaire bioraffinage

Primaire producten bestaan uit specifieke componenten als eiwitten, vezels, vetten, koolhydraten of mengsels hiervan

Product 3 Product 3

Product 4 Product 4

Intermediate Intermediate

2e 2econversie conversie

De eerste ontsluiting/ scheiding kan eenvoudig op het land zijn (graan combine) tot zeer complex. Bijvoorbeeld raffinage analoog aan een suikerfabriek.

Secundaire Secundairescheiding scheiding

Tussen-product Tussen-product

Conversie Conversiec.q. c.q.ontsluiting ontsluiting

Primaire Primairescheiding scheiding

Ontsluiting Ontsluiting

Biomassa Biomassa

Primair product 2 Primair product 2

Product 5 Product 5

De conversie kan biologisch of thermo/chemisch zijn en verschillende producten cq intermediates opleveren die na scheiding individueel af te zetten zijn of na een tweede conversie een eindproduct vormen

Bioraffinage (Naar A&F, Wageningen in Transitie Biomasa) Lange termijn onderzoek De volgende onderzoekspunten dienen binnen het lange termijn onderzoek te worden opgelost: 1. Integrale aspecten Gezien de reikwijdte van het bioraffinageonderzoek dient steeds gezocht te worden naar de optimale inbedding van de resultaten in de gangbare chemie en energieproductie. Tevens dient gezocht te worden naar een maximale valorisatie van de biomassa over de gehele keten met zijn wereldwijde vertakkingen. Via analyses van bestaande processen en toekomstige ketens zullen de speerpunten getraceerd worden en gemaakte keuzes worden beoordeeld. Systemen dienen qua technologie ontwikkeld te worden, maar dienen ook in de maatschappelijke context geplaatst te worden, waarmee de bottlenecks worden geïdentificeerd en geadresseerd die hun terugkoppeling krijgen naar het technologische onderzoek. Belangrijke punten van aandacht zijn de niet-technische aspecten zoals concurrentie met voedselproductie, biodiversiteit, water, nutriënten uitputting en erosie. Daarmee is onderzoek naar integrale aspecten een kern van het lange termijn EOS-biomassaonderzoek en biedt het een referentie voor gemaakte en te maken keuzes. Zie ook hoofdstuk 2.3. Onderzoeksitems: Het ontwikkelen van geavanceerde, geïntegreerde (bio-chemische en thermo-chemische) raffinageconcepten. Hierbij dient aandacht besteed te worden aan:

41

Biomassa

•

•

Procesanalyse: onderzoek dient gericht te zijn op exergetische analyses van industriële processen ter identificatie van ‘aangrijpingsplaatsen’ waar biomassa gerelateerde ‘producten’ het best kunnen worden ingezet. Daarbij gaat het om fossiele grondstof of brandstof substitutie waarmee maximale energiebesparing en CO2-reductie gerealiseerd wordt. Onderdeel hiervan is de logistieke keten, waaronder aanvoer en beschikbaarheid, Focus ligt op de optimalisatie van de toekomstige industriële biomassa infrastructuur over de gehele keten die wereldwijd vertakkingen heeft. Ketenanalyse: Onderzoek dient plaats te vinden op de optimalisatie binnen de keten ten aanzien van exergie en energie alsook CO2-reductie en milieu (LCA-analyses). Over de gehele keten dient een maximale valorisatie van alle componenten van de biomassa gerealiseerd te worden en iedere reststroom dient benut te worden.

2. Primaire bioraffinage Hoewel de primaire raffinage van biomassa voor een deel reeds gangbare technieken betreft, dient hier via aanvullend onderzoek gezocht te worden naar substantiële efficiëntie verbetering (factor 2) en kostprijsverlaging afgezet tegen de huidige technische risico's. Dit onderzoek is nodig om de secundaire raffinage mogelijk te maken. Onderzoeksitems: • Voorbewerken en scheiden van ‘ruwe’ biomassa in componenten. Hierbij gaat het om processen met een verdubbeld rendement die bijdragen aan het mogelijk maken van conversieprocessen en/of secundaire bioraffinageprocessen die meer specifieke producten opleveren. 3. Secundaire thermo-chemische raffinage De thermo-chemische raffinage, al dan niet vooraf gegaan door een primaire bioraffinage, kan van relatief eenvoudig (biomassa – torrefactie – chemicaliën) tot zeer geavanceerd (biomassa – torrefactie – vergassing – gasreiniging – synthese – benutting restfracties) worden uitgevoerd, waarbij op diverse plaatsen gewenste ‘producten’ worden afgescheiden. Uitsluitend de thermo-chemische raffinage, als onderdeel van bioraffinage is hier aan de orde. De thermo-chemische raffinage sec is al eerder als exportthema gekwalificeerd en valt niet binnen dit lange termijn programma. Dus niet de conversie stap is leidend, maar het raffinage proces dat leidt tot de gewenste producten waarbinnen deze conversie een rol kan spelen. Onderzoeksitems: • De proces- en ketenanalyse met thermo-chemische raffinage valt onder de integrale aanpak, punt 1 hierboven; • Technologisch onderzoek aan thermo-chemische omzettingen dient substantiële verbeteringen in opbrengst en economische efficiency na te streven. Voor vergassing wordt verwezen naar het corresponderende onderzoeksterrein (zie 2.2.7). 4. Secundaire biologische raffinage De onderzoeksitems zijn op te splitsen in de ontwikkeling van specifieke conversies en de optimalisatie van de procescondities waaronder die conversies plaatsvinden. Uitsluitend de biologische raffinage, als onderdeel van bioraffinage is hier aan de orde. Dus niet de conversie stap is leidend, maar het raffinage proces, dat leidt tot de gewenste producten, waarbinnen deze conversie een rol kan spelen. Onder het thema secundaire biologische raffinage past ook onderzoek naar energie via microbiologie (micro-organismen).

42

Biomassa

Onderzoeksitems: • Conversie van biomassafracties (hemicellulose, cellulose, eiwit en/of suikers) tot energiedragers en bulkchemicaliën met als randvoorwaarde dat over de gehele keten een energiebesparing (fossiel en biomassa) van minstens 50% gerealiseerd wordt in vergelijking met het alternatief. • Biologische productie van waterstof (met/zonder fotosynthese) met een energierendement van 40%. • Reactor en procestechnologie: Optimalisatie van conversieprocessen en condities (o.a. reductie van eindproduct remming, verhoging van de reactiesnelheid, procesintegratie etc.). 5. Toepassing van Biofuels in transportsector (importthema) Onderzoek naar de productie van biofuels is een integraal onderdeel van dit onderzoeksterrein, waarbij zowel de biologische productie van biofuels (ethanol uit cellulose houdende gewassen), als de thermochemische productie (syngas -> methanol of FT diesel) een belangrijke route zal worden. Om tot een goede toepassing te komen is afstemming met de internationale transportsector noodzakelijk en zal het onderzoek gericht moeten zijn op de uitwisseling met buitenlandse onderzoekers en/of samenwerking met Europese en Amerikaanse biorefinery-programma’s, waarbij de toepassingskant van de biofuels zal worden ingebracht. 2.2.6 Onderzoeksterrein Elektriciteit en Warmte uit Biomassa Afbakening onderzoeksterrein Het onderzoeksterrein Elektriciteit en Warmte uit Biomassa omvat alle processen waarbij biomassa en aanverwante stoffen (waaronder biologische reststoffen) worden omgezet in elektriciteit en warmte. Dit is een breed terrein en omvat processen zoals verbranding, vergassing, pyrolyse en andere thermische processen inclusief gasreiniging. Hieronder vallen mee- en bijstookinstallaties, afvalverbrandingsinstallaties (AVI's), installaties die specifiek zijn toegesneden op de omzetting van biomassa in elektriciteit en 'multifuel' installaties die met een hoog rendement mengsels van biomassa, kolen en reststoffen kunnen omzetten. Bij de opwekking van elektriciteit ontstaat onvermijdelijk ook warmte. Teneinde een hoog ketenrendement te kunnen bereiken wordt naast een hoog elektrisch rendement een maximale benutting van warmte nagestreefd. Ook toekomstige kleinschalige decentrale installaties waarbij de nadruk meer ligt op een hoog ketenrendement dan op alleen elektrisch rendement behoren tot het onderzoeksterrein. Het onderzoeksdeelterrein 'CO2 afvangst en -opslag' wordt hier niet behandeld omdat dit valt onder het aandachtsgebied Nieuw Gas / Schoon Fossiel. Een combinatie van Schoon Fossiel met Elektriciteit uit Biomassa is wel in veel gevallen mogelijk. Duurzame productie van elektriciteit en warmte met biomassa zal in de aanloop naar een volledig hernieuwbare energievoorziening in veel gevallen in combinatie met fossiele brandstoffen plaatsvinden. De inzet van biomassa kan hier 'profiteren' van de hoogrendementtechnieken die ontwikkeld zijn voor fossiele brandstoffen en van de stabiele bedrijfsomstandigheden die met fossiele brandstoffen worden bereikt. Tevens is er een overlap met 'Bioraffinage', omdat een deel van de reststromen uit de bioraffinage uiteindelijk decentraal voor elektriciteit en warmte ingezet kan worden.

43

Biomassa

Algemeen onderzoeksdoel Het algemene onderzoeksdoel is het verhogen van het aandeel biomassa bij de opwekking van elektriciteit en warmte met een zo hoog mogelijk rendement en zo laag mogelijke emissies. Specifieke onderzoeksdoelen Hiervan afgeleid kunnen per specifiek proces afgeleide doelen worden geformuleerd. Voor mee- en bijstook in kolencentrales wordt gestreefd naar een bijmengpercentage van 40 % biomassa en een elektrisch rendement van meer dan 50 % in 2040. Voor AVI's geldt een elektrisch rendement van 40 % als streefdoel. Een mengpercentage is moeilijk als doel te definiëren, momenteel bestaat ruim helft van ons afval uit stromen van biologische oorsprong. Bij 'multifuel' installaties wordt gestreefd naar een elektrisch rendement boven de 50 % waarbij het rendement bij een hoog aandeel biomassa slechts enkele procentpunten lager is dan bij 100 % fossiele brandstoffen. Bij kleinschalige decentrale installaties wordt gestreefd naar een rendement van elektriciteit én warmte van meer dan 85 %. Naast rendement telt ook een hoge bedrijfszekerheid en flexibiliteit omdat grootschalige inzet van biomassa ook economisch haalbaar moet zijn. Inzet van reststoffen dient bij voorkeur plaats te vinden bij die processen die het maximale rendement halen uit deze reststoffen. Hiervoor wordt ook verwezen naar het onderzoeksterrein 'Vergassing' (2.2.7). Tenslotte dienen de omzettingen met minimale emissies en maximaal hergebruik van restproducten gerealiseerd te worden. Targets 2020: - Mee- en bijstook mengpercentage is 25 % op energiebasis; - Completering van de technologie voor de bouw van een 100 MWth vergasser waarbij het stookgas in een STEG wordt ingezet voor een maximale elektriciteitsproductie; - Alle afvalstoffen zijn herinzetbaar; - 20 % elektriciteit wordt opgewekt uit biomassa en afvalstoffen; eerste benutting restwarmte bij decentrale units. 2040: - 40 % elektriciteit opgewekt uit biomassa en afvalstoffen; - Mee- en bijstook mengpercentage is 40 % op energiebasis; - Conversierendement kolen + biomassa naar elektriciteit > 50 %, volledige benutting restwarmte bij decentrale units; - Meerdere biomassa-STEG-installaties operationeel. In 'Biomassa 2040' wordt als doelstelling voor 2040 genoemd dat 30 % van de totale energiehuishouding wordt verzorgd door biomassa. Omdat de omzetting naar elektriciteit voorloopt op de energiehuishouding als totaal en verwacht wordt dat dit zo blijft is gekozen voor een hoger getal dan de 30 % van de doelstelling uit Biomassa 2040. De kolencentrales en AVI's hebben het potentieel deze doelstelling waar te maken. Dit impliceert evenwel ook dat de inzet van warmte onmisbaar is om de doelstelling van 30 % van de totale energiehuishouding waar te maken. De afzet van restwarmte wordt binnen dit onderzoeksterrein niet onderzocht. Hiervoor wordt verwezen naar de aandachtsgebieden 'Gebouwde omgeving' en ‘Energie-efficiëntie in de industriële en agrarische sector’.

44

Biomassa

Speerpunt en importthema's De volgende speerpunten en importthema’s worden binnen dit onderzoeksterrein meegenomen: Speerpunt:

Biomassa, gasreiniging en –conditionering (incl. syngasproductie uit stookgas) Biomassa conversie, mee- en bijstook in E-centrales

Importthema:

Biomassaconversie, voorbehandeling en voeding

Gasreiniging- en conditionering (speerpunt) Voor onderzoek op dit gebied wordt verwezen naar het onderzoeksterrein Vergassing (2.2.7). Biomassaconversie, mee- en bijstook in E-centrales (speerpunt) en voorbehandeling en voeding( importthema) Nederland loopt voorop als het gaat om mee- en bijstook van biomassa en afvalstoffen ten behoeve van elektriciteit en warmte. Uit oogpunt van de bijdrage aan het aandeel duurzame energie is mee-/bijstook en de verbranding van afval in AVI's zeer belangrijk: al jarenlang wordt bijna driekwart van de duurzame energie op deze wijze opgewekt. De AVI's behoren qua rendement en emissies tot de meest vooruitstrevende ter wereld. Ook de kennispositie van Nederland op dit punt is zeer goed. Bij diverse onderzoeksinstituten lopen projecten waarbij fundamenteel onderzoek wordt verricht om nieuwe biomassa- en afvalstromen in te zetten en de emissies verder te verlagen. Vorig jaar is een vakgroep op dit gebied opgericht en is een proefketel gebouwd. Ook op het gebied van implementatie zijn mede door het Kolenconvenant al grote stappen gezet. Biomassa kan met deze technologie een belangrijke bijdrage leveren aan de voorzieningszekerheid. Met de installatie als de 250 MWe vergasser in Buggenum heeft Nederland op korte termijn een unieke kans om nieuwe wegen te bewandelen om reststoffen met een hoog rendement om te zetten in elektriciteit. Op langere termijn kan biomassa aardgas gaan vervangen in moderne STEG-centrales met een hoog rendement. Kennis omtrent voorbehandeling en voeding van afvalstoffen is niet in het buitenland te verkrijgen omdat het hier vaak voor Nederland specifieke mengstromen betreft. Op met name bijstookgebied en de voorbehandeling/voeding van hout kan Nederland leren van de ervaringen in Scandinavische landen. Het onderzoek kan de volgende kennisimport aspecten bevatten: -

Inventarisatie kennisimportdeelgebieden; Inventarisatie kennisbezitters; Bijwonen relevante congressen; Bezoek buitenlandse kennisinstituten en extern kennisnetwerk opbouwen; Bepalen 'kennisimporteur' in Nederland en de bijbehorende toepassende marktpartijen; Gerichte inkoop kennis (licenties/octrooien/…); Samenwerking met buitenlandse partner.

45

Biomassa

Lange termijn onderzoek De volgende onderzoekspunten dienen binnen het lange termijn onderzoek te worden opgelost; 1. Voorbehandeling van specifieke mengstromen Voor de Nederlandse procescondities is voorbehandeling van de afval- of brandstof noodzakelijk. Tot het onderzoek behoren de thermische en mechanische voorbehandelingen zoals die genoemd worden bij het onderzoeksterrein 'Vergassing'. Voorbehandeling is een kennisimportthema, waarvoor aansluiting bij het buitenland dient te worden gezocht. Echter, AVI’s stellen specifieke eisen ten aanzien van menging en structuur. Met name voor de inzet van afvalstoffen is het afscheiden van inerte bestanddelen en het beheersen van de structuur en het vochtpercentage ten behoeve van het mengen met b.v. kolen punt van onderzoek. 2. Onderzoek ten behoeve van het verbeteren van de prijs/prestatieverhouding Grootschalige inzet van biomassa vraagt om een innovatieve aanpak in zowel bestaande als nieuwe installaties. Onderzoek ten behoeve van het verbeteren van de prijs/prestatie-verhouding bij met name AVI's kan voorstellen omvatten die het rendement verhogen, de kosten verlagen of reststoffen zoals vliegas beter benutten. Slimme combinaties van processen en het nuttig gebruik van de warmte kunnen de opbrengst verhogen. Ook het beheersen van slakvorming en -depositie (Slagging & Fouling) en beperking van emissies door 'in-line' maatregelen vallen onder dit onderwerp omdat ze integraal zowel de prijs als de prestatie beïnvloeden. 3. Nieuwe multifuel-installaties Momenteel zijn hoogrendement installaties in ontwikkeling die steenkool en biomassa in variabele verhoudingen kunnen verstoken. Specifiek voor Nederland is onderzoek nodig hoe ook afvalstoffen in deze installaties kunnen worden meegestookt. Onderzoek is nodig naar een variabele mengverhouding om het mogelijk te maken een variërend aanbod van brand- en afvalstoffen aan te kunnen en tevens het prijsniveau van elektriciteit constant te houden. Ook het bijstoken van stookgas in aardgas-STEG-installaties behoort tot dit onderzoekspunt. 4. Kleine decentrale units met hoog totaalrendemt Onderzoek naar nieuwe decentrale units waarmee het mogelijk wordt in te kunnen spelen op de wisselende elektriciteits- en warmtevraag bij stedelijke gebieden en waarmee de restwarmte nuttig kan worden ingezet voor ruimteverwarming. De nadruk bij het onderzoek ligt op het kunnen variëren van het vermogen en de inzet van warmte en niet zozeer op alleen een hoog elektrisch rendement. 5. Emissies/hergebruik/reststoffen Het onderzoek dient zich in eerste instantie te richten op 'in-proces' maatregelen om emissies en reststoffen tot een minimum te beperken. Hergebruik van reststoffen zoals (vlieg)as t.b.v. de cement- en wegenbouw kan deel uit maken van het onderzoek evenals 'end of pipe' maatregelen en nascheidingstechnieken.

46

Biomassa

2.2.7 Onderzoeksterrein Vergassing, gasreiniging, -conditionering en syngasproductie Afbakening onderzoeksterrein Het onderzoeksterrein omvat de processen waarbij biomassa wordt omgezet tot een gasvormig product dat kan worden aangewend voor directe energieproductie door verbranding, of kan worden opgewerkt tot een hoogwaardige intermediaire brandstof voor vervanging van fossiele brandstoffen dan wel toepassingen in geavanceerde systemen voor elektriciteitsopwekking als brandstofcellen. Het basisproces is een thermische ontleding van biomassa bij hoge temperatuur door reactie met zuurstof of een ander reagens. Het verkregen gas wordt als regel ter plekke dan wel na transport over een korte afstand omgezet in een marktconforme energiedrager. Voor stationaire toepassingen zijn dat warmte, elektriciteit, waterstof of synthetisch aardgas. Voor mobiele toepassingen kan het gas omgezet worden naar Fischer-Tropschdiesel, methanol, ethanol, waterstof, synthetisch aardgas maar ook zwaardere zuurstofhoudende verbindingen komen in aanmerking. Gezien het feit dat de laatstgenoemde producten ook aan de basis staan voor de chemische industrie zijn er duidelijk kansen voor synergie tussen duurzame energie en duurzame chemie. Echter, de chemische toepassingen worden niet tot het EOS-domein gerekend. Middels vergassing kunnen in feite alle drie de energiemarktsegmenten worden bediend: (a) gasvormige brandstoffen, (b) elektriciteit en warmte en (c) transportbrandstoffen. Algemeen onderzoeksdoel: Het efficiënt omzetten van biomassa naar een hoogwaardig productgas dat qua samenstelling voldoet aan de eisen voor de daaropvolgende energieopwekking en/of het syntheseproces naar hoogwaardige vloeibare of gasvormige energieproducten. Deze omzetting dient aan hoge milieueisen te voldoen. Specifieke onderzoeksdoelen: Middels vergassing wordt biomassa breed inzetbaar als bron van duurzame energie in de verschillende marktsegmenten. Voor EOS-Biomassa worden de volgende doelen nagestreefd: Toepassingsdoelen: - Productie van schoon stookgas (‘productgas’) dat op efficiënte wijze wordt omgezet in warmte en/of elektriciteit bijvoorbeeld in een geïntegreerde warmte-kracht centrale; - Bereiding van schoon synthesegas met een CO/H2 verhouding die het geschikt maakt voor katalytische omzetting naar brandstoffen voor zowel stationaire als mobiele toepassingen; - Bereiding van synthetisch aardgas (SNG) en/of waterstof op basis van biomassa. Verdere doelen: - Ontwikkelen van efficiënte, betrouwbare vergassingssystemen die mogelijk onbemand bedreven kunnen worden; - Ontwikkelen van grootschalige vergassers (100-en tonnen voeding per dag en groter); - Ontwikkelen van kleinschalige vergassers (10-tallen tonnen voeding per dag); - Ontwikkelen van passende technologieën om het geproduceerde gas te koelen, te reinigen van componenten die toepassing van het gas belemmeren, alsmede het op specificatie brengen van de gassamenstelling in afhankelijkheid van de gewenste toepassing; - Onderzoek ter verbetering van kwaliteit en verbreding van de toepassingsmogelijkheden van de geproduceerde reststoffen.

47

Biomassa

Targets De vergassing dient energetisch efficiënt en milieutechnisch naar de hoogste standaard ontwikkeld te worden. - Efficiency: in de toepassing moet het energierendement op gecombineerde warmte- en krachtproductie meer dan 85% (kunnen) bedragen; het energierendement op productgas of synthesegas moet meer dan 75% kunnen zijn; - De mineralen kringloop moet gesloten kunnen worden; - Op termijn moet de toepassing potentieel concurrerend kunnen zijn met fossiele energiebronnen. Als tijdpad wordt gestreefd naar: - 2015: demonstratie van biosynthesegasproductie op een schaal van 10 ton droge stof biomassa intake per dag; - 2020: commerciële toepassing van vergassing in installaties voor de productie van transportbrandstoffen; - 2010: commerciële beschikbaarheid van kleinschalige vergassers. Speerpunt en importthema’s De volgende speerpunten en importthema’s worden binnen dit onderzoeksterrein meegenomen: Speerpunt: Import thema’s:

Biomassa, gasreiniging en –conditionering (incl. syngasproductie uit stookgas) Voorbehandeling en voeding voor biomassaconversie Toepassing biofuels in transportsector

Lange termijn onderzoek De volgende onderzoekspunten dienen binnen het lange termijn onderzoek te worden opgelost: 1. Voorbehandeling van de biomassa Afhankelijk van de toegepaste vergassingstechnologie dient biomassa in mindere of meerdere mate te worden voorbewerkt. Daarbij kan gedacht worden aan : Thermische voorbehandeling van biomassa voor vergassing, dwz. thermisch: drogen, torrefactioneren, verkolen, pyrolyse etc.; Thermomechanische voorbehandeling van biomassa dwz. verkleinen, pelletiseren briketteren, mengen etc.; Vanuit een breed spectrum van voedingsspecificaties nieuwe meer uniforme voedingscomponenten voor vergassing ontwikkelen. Deze stappen zijn als kennisimportthema aangemerkt omdat in houtrijke landen solid fuel handling vergaand ontwikkeld is. Voorzover hierbij aansluiting wordt gerealiseerd middels kennisimport biedt het echter in samenhang met vergassing ruimte voor origineel onderzoek. 2. Vergassing en gasreiniging Met een vereiste productgassamenstelling en kwaliteit als doel kan uit een breed spectrum van technologieën worden gekozen vanaf processen die vandaag al commercieel worden toegepast tot technologieën die alleen nog maar op papier bestaan. Alle mogelijke routes zijn in kaart gebracht en vergeleken op basis van ontwikkelingsstatus en beoogde productgas48

Biomassa

samenstelling. Met het oog op ambitieuze, lange termijn onderzoeksdoelstellingen beperkt het EOS-vergassingsonderzoeksterrein zich tot die categorieën waarop nog veel lange termijn onderzoek nodig is: (a) Vergassing in een fluid bed met lucht, verrijkte lucht of zuurstof voor de productie van midden- en hoog calorisch gas dan wel biosyngas, bijvoorkeur onder druk. Toepassing van in situ katalyse kan dit concept verder ondersteunen. Gasreiniging en aanpassingen in gassamenstelling maken het gas geschikt voor de downstream toepassing van het gas welke kan variëren van opwekking van stroom en warmte tot katalytische synthese processen. (b) Vergassing in een reactorsysteem bestaande uit één eenheid voor vergassing en één eenheid voor warmteopwekking door verbranding die ruimtelijk van elkaar gescheiden zijn. Voor beide eenheden zijn verschillende configuraties en reactortypen mogelijk. Deze technologie, mits onder druk bedreven (min 5 bar, bij voorkeur 20 bar), leent zich voor de productie van synthesegas. In situ katalyse kan bijdragen aan deze technologie. Gasreiniging en aanpassingen in gassamenstelling maken het gas geschikt voor de downstream toepassing van het gas welke kan variëren van opwekking van stroom en warmte tot katalytische synthese processen. (c) Entrained flow vergassing onder druk van voorbewerkte biomassagrondstof met zuurstof voor de productie van synthesegas. Reiniging van het gas en aanpassing van de gassamenstelling voor het downstream proces zijn essentiële elementen van deze technologie. (d) Vloeistoffase hoge druk vergassing (sub/superkritisch) voor de productie van methaan en/of waterstofrijk gas. Katalyse biedt hier mogelijkheden voor processturing en intensivering. Het productgas dient gereinigd te worden en opgewerkt. Coproductie van waterstof en SNG is een optie hoewel ook volledige omzetting naar waterstof enerzijds of SNG anderzijds tot de toepassingsmogelijkheden behoort.

2.3 Sociaal-wetenschappelijk onderzoek Het Ministerie van Economische Zaken is van mening dat alleen technologisch energieonderzoek niet leidt tot succesvolle (toegepaste) innovaties. Voor een succesvolle toepassing van innovaties is ook sociaal-wetenschappelijk energieonderzoek belangrijk. Doelstelling van sociaal-wetenschappelijk energieonderzoek De doelstelling voor sociaal-wetenschappelijk energieonderzoek binnen EOS Lange Termijn is: Het sociaal-wetenschappelijk onderzoek verbetert, geeft richting aan en versnelt de ontwikkeling en toepassing van nieuwe en bestaande energietechnologie ten behoeve van een duurzame energiehuishouding. Sociaal-wetenschappelijk energieonderzoek kan een belangrijke schakel zijn bij de succesvolle introductie van nieuwe energietechnologie. Het ministerie van Economische Zaken heeft daarom als doelstelling dat het aandeel sociaal-wetenschappelijk onderzoek wordt vergroot. Dit onderzoeksprogramma is een van de middelen om deze doelstelling te realiseren.

49

Biomassa

Scope van het sociaal-wetenschappelijk onderzoek De onderzoeksprogramma’s van EOS bestaan uit vijf aandachtsgebieden (biomassa, energieefficiency in de industriële en agrarische sector, gebouwde omgeving, nieuw gas/schoon fossiel, opwekking en netten). Deze aandachtsgebieden zijn weer opgebouwd uit speerpunten en importthema’s, dat zijn concrete technologieën. Alleen onderzoek dat aansluit bij deze speerpunten en kennisimportthema’s komt in aanmerking voor subsidie. Deze speerpunten en importthema’s zijn technologische onderzoeksgebieden en zijn bepaald aan de hand van de stand van de techniek en de kennispositie in Nederland en in het buitenland. De technologische vooruitgang met betrekking tot deze speerpunten en importthema’s moet Nederland verder helpen naar een duurzame energiehuishouding. Het sociaal-wetenschappelijk onderzoek moet bijdragen aan de doelstelling van de onderzoeksprogramma’s van EOS en daarom moeten: -


Bewijslast Het Ministerie van Economische Zaken gaat er vanuit dat er in beginsel bij ieder onderzoek van een nieuwe technologie ook sociaal-wetenschappelijke aspecten spelen. Als een aanvrager van mening is dat dit niet het geval is, moet hij dit in het projectplan aantonen. Ook dient de aanvrager aan te tonen op welke wijze de kennisoverdracht geborgd is. In de volgende alinea staan de sociaal-wetenschappelijke onderzoeksvragen verwoord. Deze vragen zijn opgesteld door een aparte programmavoorbereidingscommissie voor het sociaalwetenschappelijk energieonderzoek. Voor het opstellen van de teksten is gebruik gemaakt van interviews met de markt (afnemers én aan bieders van sociaal-wetenschappelijk onderzoek) en een workshop. De conceptteksten zijn ter commentaar verstuurd aan de deelnemers van de workshop en de interviews. Onderzoeksvragen Voor de 1) verbetering, 2) sturing en 3) versnelling van de ontwikkeling en implementatie van nieuwe en bestaande energietechnologie zijn de volgende onderzoeksvragen van belang. 1.


Toelichting Voor de succesvolle introductie van een nieuwe technologie is het niet voldoende om alleen een goede technologie te ontwikkelen. Voor de succesvolle toepassing is het belangrijk dat al in een vroeg stadium inzichtelijk wordt gemaakt met welke (toekomstige) sociaalwetenschappelijke randvoorwaarden de technologie geconfronteerd wordt. Tijdige aanpassing van de technologie of beïnvloeding van de randvoorwaarden kan bepalen of een nieuwe technologie een succes wordt of kan het succes van een nieuwe technologie versterken. Voorbeelden zijn: studies naar architectonische inpassing, studies naar ontwerptechnische vereisten en mogelijkheden, studies naar gebruikersvoorkeuren (mens-techniek interactie), 50

Biomassa

studies naar ruimtelijke inpassing, studies naar inpassing in de energie-infrastructuur, studies naar leveringszekerheid van grondstoffen, draagvlakstudies, marketingtechnische studies, studies naar de (eventuele) impact op de gezondheid, studies naar de veiligheid van de technologie, duurzaamheidsstudies en studies naar juridische aspecten. 2.





51

Nieuw Gas / Schoon Fossiel

52


3 Nieuw Gas / Schoon Fossiel Inleiding De R&D-portfolio van het aandachtsgebied ‘Nieuw Gas / Schoon Fossiel’ is als volgt samengesteld: Speerpunten

-

Kennisexportthema

-

Kennisimporthema

-

Geen R&D-thema’s

-

-

CO2-opslag ondergronds CO2-afscheidingstechnologie (membranen, solvents, sorbents) Brandstofcel (PEMFC en SOFC) Reforming van koolwaterstoffen naar H2 Geavanceerde kolenconversie met CO2afscheiding Waterstofinfrastructuur: opslag en transport Gasnetwerken, infrastructuur en gaskwaliteit Reforming van aardgas naar H2 (grote installaties) Aargasconversie, gasturbine technologie CO2-opslag middels minerale vastlegging Aardgas, conversie naar eindgebruik, nageschakelde emissie-reductietechnologieën Aardgasconversie, productie van H2 met CO2-afvangst

De programmavoorbereidingscommissie (PVC) voor het oorspronkelijke aandachtsgebied ‘Nieuw Gas / Schoon Fossiel’ bestond uit onderstaande personen. Deze PVC heeft daarmee destijds de basis gelegd voor het onderzoeksprogramma, dat in 2006 op advies van de Energie Advies Commissie (EAC) is geactualiseerd (mid term review). EZ heeft dit advies van de EAC overgenomen en de onderzoeksprogramma’s aangepast. Dr. E.A. Breunesse Dr. N. Bolt Dr. F.A. de Bruijn Ir. O. Florisson Dr. W.K. Heidug Dr. I. Ritsema Drs. S.M. Koomen Ir. F.J.R. Denys Ir. P.J. Stollwerk

Shell Nederland, voorzitter KEMA ECN Gasunie Research Shell International Exploration TNO-NITG Ministerie van Economische Zaken, waarnemer SenterNovem, coördinator SenterNovem, ondersteuning

Vanaf de zesde EOS: Lange Termijn tender beschrijven deze programma’s het onderzoek dat in het kader van het ‘Besluit subsidies lange termijn energieonderzoek’ ingediend kan worden. 53


3.1 Beschrijving 3.1.1 Het aandachtsgebied Dit aandachtsgebied bestaat in feite uit twee gebieden. Vanwege de grote overlap tussen deze gebieden zijn deze samengevoegd. Bij Schoon Fossiel gaat het om het zo emissievrij (CO2) als mogelijk (klimaatneutraal) maken van fossiele energiedragers (voorzieningsketen). Nieuw Gas is gericht op het realiseren van een duurzame gasinzet. Op de lange termijn kan dit een omschakeling betekenen naar andere duurzame brandstoffen en de waterstofeconomie. Afbakening Schoon Fossiel Voor de afbakening van Schoon Fossiel in dit rapport gebruiken we de definitie zoals opgesteld in de Beleidsnotitie Schoon Fossiel [3]. Het begrip Schoon Fossiel omvat: ‘De winning, het transport en het omzetten van koolstofhoudende stoffen in energie en/of andere stoffen, zodanig dat daarbij zo weinig mogelijk uitstoot van CO2 naar de atmosfeer plaatsvindt’. Het begrip Schoon Fossiel kan nationaal noch internationaal rekenen op een eenduidige afbakening of definitie. Meestal wordt gedoeld op het klimaatneutraal maken van energiedragers die een fossiele oorsprong hebben. Sommigen wijzen erop dat schoon fossiel óók andere emissies betreft zoals die van verzurende en toxische stoffen. Er zijn echter goede redenen om deze andere milieuverstorende stoffen hier niet mee te nemen. De ontwikkeling van zowel het beleid als de stand der techniek tussen de bestrijding van de ‘conventionele’ emissies en de emissiereductie van broeikasgassen, en CO2 in het bijzonder, kent grote onderlinge verschillen. Technieken die ‘conventionele’ emissies tegengaan zijn veelal uitontwikkeld, betrouwbaar en redelijkerwijs betaalbaar. In het algemeen zal het gaan om fossiele stoffen, maar ook andere koolstofhoudende stoffen, zoals biomassa, zijn niet uitgesloten, omdat vanuit het perspectief van het klimaat/milieu de bron van het CO2 niet relevant is. Meestal gaat het ook om energiedragers maar er is vanuit milieuoogpunt geen reden om andere bronnen of processen uit te sluiten. Er zijn in Nederland een aantal chemische processen waarbij grote en geconcentreerde CO2-stromen vrijkomen. Tot slot is het van belang om Schoon Fossiel te zien vanuit een ketenperspectief. Bij energiedragers betekent dit dat gekeken moet worden naar het effect van maatregelen van de winning tot en met de opslag van het CO2. De schoonfossiele keten bestaat uit: •

•

Winning: idealiter zouden fossiele brandstoffen bij de winning uit hun ondergrondse reservoirs ontkoold moeten worden. Naast de al toegepaste technologie van CO2afscheiding bij de olie- en gaswinning ligt deze toepassing nog ver weg. Het dichtst hierbij komen concepten waarin er uiteindelijk minstens zoveel koolstof terug het reservoir in gaat. In Nederland zou dat kunnen door kooldioxide in gasvelden of aquifers op te bergen, of methaan te winnen uit kolenlagen onder gelijktijdige CO2-injectie. Preconversie: koolstof kan ook uit fossiele brandstoffen verwijderd worden vóór de finale omzetting in bruikbare energie. Er vindt dan productie van waterstof plaats die vervolgens aan eindgebruikers wordt aangeboden als transportbrandstof, voor chemische toepassingen en voor stationaire toepassingen. De extra CO2 die ontstaat door de CO2afscheiding zal vervolgens weer opgeborgen moeten worden om het geheel klimaatneutraal te maken.

54


• • •

•

Conversie: schoonfossiele voorzieningsketens vergen vernieuwde conversiesystemen. Voor de conversie van fossiele bronnen in elektriciteit zónder CO2-uitstoot zijn verschillende concepten zoals de nulemissiekolencentrale in ontwikkeling. Postconversie: al dan niet geïntegreerd met het conversiesysteem kan ook na de energieomzetting CO2-afscheiding plaatsvinden uit rookgassen om die vervolgens op te bergen. Infrastructuur: in de schoonfossiele voorzieningsketens is de infrastructuur, het energiedistributiesysteem (inclusief de pijpleidingen en opslag) van enorm belang. Het moet zijn toegesneden op nieuwe energiedragers zoals waterstof, en ook kan een infrastructuur voor CO2-retourstromen noodzakelijk worden. Gebruik: aan het eind van de keten vinden we het gebruik van finale energiedragers zoals gas, elektriciteit en transportbrandstoffen. Gebruikers krijgen te maken met nieuwe energiedragers (waterstof) en nieuwe eindconversie technieken (brandstofcellen).

Op welk moment het CO2 ook aan de voorzieningsketen onttrokken is, het zal altijd moeten worden opgeborgen of hergebruikt. Afbakening Nieuw Gas Nieuw Gas is gericht op de inzet van andere dan de huidige gasvormige energiedragers bij de transitie naar een duurzame energiehuishouding [4]. Gas wordt steeds belangrijker. Nu gaat het nog om het traditionele gebruik van aardgas, dat voor het klimaatbeleid als voordeel heeft dat het relatief koolstofarm is ten opzichte van kolen en olie. Maar de beschikbaarheid van Europees aardgas neemt de komende decennia af. De hele gassector bezint zich op de te voeren strategie in een geliberaliseerde gasmarkt. Daarbij past het streven naar een duurzame gasinzet om zo de overgang naar een duurzame energievoorziening te versnellen. Op de lange termijn kan dit een omschakeling betekenen naar de waterstofeconomie. De logische stappen om dit te bereiken zijn: • •

• • •

•

Efficiëntie maatregelen: de stijgende totale gasvraag, en daarmee de emissies, kunnen op korte termijn substantieel worden verminderd via energiebesparing; Mobiele toepassing van aardgas: het rijden op aardgas heeft op korte termijn voordeel in verband met de CO2-reductie, op de middellange termijn, wanneer zich mogelijkheden gaan voordoen voor de inzet van biogas en waterstof vormt het een opstap naar mobiele toepassingen van biogas en waterstof; Decentrale elektriciteitopwekking: verdergaande verduurzaming is mogelijk door de mogelijkheden te benutten van de meer energie-efficiënte en milieueffectieve decentrale energieopwekking (elektriciteit en warmte) in de consumentenmarkt; Gasproductie: de productie van onconventioneel gas uit bijvoorbeeld biomassa en/of uit kolenlagen kan zorgdragen voor emissiereductie in de gasketen; Bijmengen: het introduceren van menggas kan een belangrijke schakel naar de waterstofeconomie gaan vormen. Waterstofgas kan op twee manieren worden getransporteerd: gemengd met aardgas of in zuivere vorm. Menggas kan wellicht in de huidige infrastructuur worden getransporteerd en tot op zekere hoogte in de huidige apparatuur worden ingezet; Het gebruik van waterstof: op de zeer lange termijn is een volledige overgang naar een door waterstof gevoede gasvoorziening denkbaar, waarbij de waterstof duurzaam is opgewekt dan wel, door middel van CO2-afvangst en sequestratie, CO2-vrij aan het net wordt aangeleverd.

55


Integratie Nieuw Gas en Schoon Fossiel Schoon Fossiel kent een duidelijke ketenbenadering. Vanaf de winning van de grondstof tot en met het gebruik ervan wordt de emissie van CO2 naar de atmosfeer zoveel mogelijk voorkomen. Bij Nieuw Gas gaat het om een aantal ontwikkelingen waardoor men stappen zet in de richting van de waterstofeconomie (transitie). Iedere stap heeft op zich al waarde vanuit het perspectief van de verduurzaming van de gasinzet. Bovendien kunnen de ontwikkelingen elkaar onderling versterken. De integratie van Schoon Fossiel en Nieuw Gas levert een veld op met een duidelijke consistentie en synergie. Dit is goed te zien in figuur 3.1 die gemaakt is uitgaande van de hierboven beschreven afbakening. Op de verticale as wordt onderscheid gemaakt tussen Nieuw Gas, Schoon Fossiel, en een complementair gebied. Op de horizontale as is de keten voor de winning van brandstoffen tot en met het gebruik van de energie weergegeven. Alle technologieën, stappen en ontwikkelingen die genoemd worden bij Schoon Fossiel en Nieuw Gas zijn in de figuur opgenomen. De integratie is weergegeven midden in de figuur. Aandachtsgebied Nieuw Gas / Schoon Fossiel Winning

Preconversie

Conversie elektriciteit

Product & Gebruik

Postconversie

toepassing aardgas, biogas, waterstofgas

infrastructuur nieuwe energiedragers en retourstromen

Nieuw Gas duurzame winning

niet conventioneel gas

Integratie Nieuw Gas aardgas uit biomassa & Schoon Fossiel ondergrondse kolenvergassing

minimaliseren en verhandelbaar maken emissies en reststromen

energiebesparing bijmengen duurzame bronnen, waterstof

verbetering efficiëntie brandstofcellen

reformen van diverse koolwaterstoffen tot waterstof

Schoon Fossiel

geavanceerde conversie (verbeterd rendement, minder emissie)

ENERGIE

geavanceerde decentrale energie-/warmteopwekking

Opslag & Infrastructuur

opslag van waterstof enhanced gas recovery efficiente afscheiding van CO2 nageschakelde emissiereducerende technologieën

nieuwe eindconversietechnieken gebruiker

opslag van CO2 infrastructuur nieuwe energiedistributiesystemen enhanced oil recovery enhanced coal bed methane recovery

Figuur 3.1. Integratie Nieuw Gas / Schoon Fossiel in de voorzieningsketen. 3.1.2 Lopende programma’s en activiteiten In bijlage 3.1 is een uitgebreid overzicht opgenomen van de nationale initiatieven en programma’s die gericht zijn op Nieuw Gas / Schoon Fossiel. 3.1.3 Internationaal perspectief In bijlage 3.2 is een overzicht gegeven van een aantal toonaangevende internationale initiatieven.

56


3.1.4 De kennisafnemers De kennisafnemers zijn te onderscheiden in een aantal categorieën. Overheid De ontkoling van fossiele brandstoffen zal ten opzichte de huidige inzet van brandstoffen extra geld en extra energie gaan kosten. Vooral de industrie zal in eerste instantie niet enthousiast zijn om in R&D te investeren. De overheid kan in deze fase de rol van kennisafnemer spelen. Kennisinstituten en universiteiten De opgebouwde kennis kan zowel nationaal als internationaal op de markt gebracht worden. Industrie De ontwikkeling van nieuwe technologie zal leiden tot marktkansen. De ontwikkelde technologie kan bedrijven in staat stellen om milieuvriendelijker en meer economisch te opereren. NGO’s en het Nederlandse publiek Een belangrijk aspect binnen het thema Nieuw Gas / Schoon Fossiel is de maatschappelijke acceptatie. De NGO ’s zijn voor het Nederlandse publiek een geloofwaardige partner. 3.1.5 Energietransitie Energietransitie heeft veel synergie met het aandachtsgebied Nieuw Gas / Schoon Fossiel. In de meeste transitieplatformen speelt waterstof of schoon fossiel een belangrijke rol. Het transitiethema Nieuw Gas (en in zeker mate ook Duurzame Mobiliteit) heeft raakvlakken met het aandachtsgebied Nieuw Gas / Schoon Fossiel. De visies van EnergieTransitie en EOS voor dit thema wijzen in dezelfde richting, maar hun doelen zijn verschillend. De visie van Energietransitie benadrukt meer de behoefte aan een duurzame gasketen, terwijl de visie van EOS zich meer richt op de introductie van waterstofproductie (fossil fuel reforming en brandstofcellen). Met het opnemen van de speerpunten op het gebied van waterstoftransport en –opslag en aardgasnetwerken en gaskwaliteit is de aansluiting tussen beide thema’s (in 2006) verstevigd. Voor meer informatie, de actuele stand van zaken en voorbeeldprojecten van Nieuw Gas en Duurzame Mobiliteit zie: www.energietransitie.nl. Voorbeeldprojecten van het aandachtsgebied Biomassa staan op: www.senternovem.nl/eos.

3.2 Onderzoeksterreinen en –doelstellingen 3.2.1 Visie De visie is gebaseerd op de bestaande visies van Team Nieuw Gas [4] en van de Beleidsnotitie Schoon Fossiel [3]. Fossiele energiebronnen zullen nog lang een hoofdrol spelen in de energiehuishouding. De schone en efficiënte inzet van fossiele brandstoffen wordt gezien als de overbruggingsoptie naar een volledig duurzame energievoorziening (hernieuwbare bronnen) op de lange termijn. Op dit moment is duurzame energie uit 57


hernieuwbare bronnen nog duur en niet op grote schaal inzetbaar. De prijs van fossiele brandstoffen zal waarschijnlijk de komende jaren laag blijven. De voorraad fossiele brandstoffen die technisch gewonnen kan worden is ruim voldoende voor een lange termijn verzekerde energievoorziening. Naast leveringszekerheid, betrouwbaarheid en betaalbaarheid is een doelstelling van de overheid om de milieuverontreiniging en klimaatverandering als gevolg van het grootschalige gebruik van fossiele brandstoffen te keren. Vooral de emissie naar de atmosfeer van het broeikasgas CO2 zal zoveel mogelijk voorkomen moeten worden. In paragraaf 3.1.1 zijn de zes transitiepaden beschreven die deel uitmaken van Nieuw Gas. Het Team Nieuw Gas [4] heeft voor ieder transitiepad een visie geschreven (zie ook Bijlage 3.3). Voor dit aandachtsgebied is de visie op het gebied van waterstof als energiedrager het meest relevant omdat de verduurzaming van de energiehuishouding kan versnellen door de introductie van waterstof in het energiesysteem. Deze visie is door het Team Nieuw Gas [4] als volgt geformuleerd ‘Stapsgewijze introductie van waterstof in de Nederlandse energievoorziening, waarbij gebruik wordt gemaakt van specifieke Nederlandse karakteristieken, aansluiting wordt gehouden bij internationale ontwikkelingen en de economische en maatschappelijke haalbaarheid centraal staan. Stapsgewijze introductie van waterstof en waterstof gerelateerde technologie kan worden gerealiseerd door waterstof te mengen met aardgas en door de toepassing van zuiver waterstof in marktniches te stimuleren.’ Efficiënte en schone inzet van fossiele brandstoffen voorziet in omzetting van deze fossiele brandstoffen in waterstof onder afscheiding en opslag van CO2. De eindconversie van waterstof vindt idealiter elektrochemisch plaats. De route naar de nagestreefde eindtoestand kan volgens twee wegen lopen, zoals in onderstaande figuur 3.2 is weergegeven. waterstof

Verbrandingsprocessen op waterstof

Brandstofcellen op waterstof

Brandstofcellen Met reforming van fossiele brandstoffen fossiel thermisch

elektrochemisch

Figuur 3.2. Efficiënte en schone inzet van fossiele brandstoffen. Gelijktijdige vervanging van brandstof en conversietechnologie is onwaarschijnlijk vanwege economische redenen en voorzieningszekerheid. Het EOS-thema Nieuw Gas / Schoon-Fossiel geeft aandacht aan beide transitieroutes. Voor de succesvolle toepassing van een nieuwe technologie is naast technologisch onderzoek ook sociaal-wetenschappelijk onderzoek noodzakelijk (zie 3.3).

58


In bijlage 3.3 zijn de visies van de overige transitiepaden van Nieuw Gas zoals opgesteld door Team Nieuw Gas opgenomen. 3.2.2 Afbakening Het realiseren van de in de vorige paragraaf beschreven onderzoeksvisies is een enorme technologische en economische uitdaging, en er is veel onderzoek nodig om dit daadwerkelijk te verwezenlijken. Binnen het aandachtsgebied Nieuw Gas / Schoon Fossiel zijn de voor Nederland relevante onderzoeksdoelen bepaalt die ons dichter bij de visie moeten brengen. De speerpunten en de kennisimportthema’s binnen dit aandachtsgebied zijn ingedeeld in drie onderzoeksterreinen: CO2, Waterstof en Geavanceerde conversie. In tabel 3.1 zijn de onderzoeksterreinen met de bijbehorende speerpunten en kennisimportthema’s weergegeven. Onderzoeksterrein Speerpunt of kennisimportthema CO2

Speerpunt

CO2-opslag ondergronds CO2-afscheidingstechnologie

Waterstof

Speerpunt

Brandstofcel (PEMFC, SOFC) Reforming van koolwaterstoffen naar waterstof Waterstofinfrastructuur: opslag en transport

Gasnetwerken en geavanceerde conversie

Speerpunt

Geavanceerde kolenconversie met CO2-afscheiding Gasnetwerken, infrastructuur en gaskwaliteit

Kennisimportthema Aardgasconversie, gasturbinetechnologie Tabel 3.1. Onderzoeksterreinen Nieuw Gas / Schoon Fossiel. Het CATO-project (ondersteund door het BSIK-programma) is gericht op CO2-afvangst, transport en -opslag. De onderzoeksactiviteiten van CATO kunnen overeenkomen met de onderzoeksactiviteiten binnen het onderzoeksterrein CO2 en de gamma-aspecten (zie 3.3). Door af te stemmen met het projectplan van CATO kan eventuele dubbelling in de onderzoeksactiviteiten worden voorkomen. Hetzelfde geldt ook voor het ACTS Sustainable Hydrogen Programme. In de bijlages 3.4 en 3.5 zijn de beschrijvingen van ACTS Sustainable Hydrogen en CATO opgenomen. Het onderwerp ‘gaskwaliteit’, is een belangrijke voorwaarde op de weg naar een duurzame energiehuishouding. De gassamenstelling, en de daarmee samenhangende chemische en fysische eigenschappen, is een belangrijk aspect voor de productie, transport, distributie en gebruik van alle gassen binnen Nieuw Gas / Schoon Fossiel. Een match t.a.v. gaskwaliteit over de gehele gasketen is een voorwaarde om gas (w.o. biogas) binnen Nieuw Gas / Schoon Fossiel tot een succes te maken. De range van eigenschappen van het scala van brandbare gassen binnen Nieuw Gas / Schoon Fossiel is veel groter dan waar de huidige applicaties voor zijn gespecificeerd. Dit stelt eisen en legt beperkingen op aan de processen ‘winning van gas’, ‘preconversie’, ‘conversie’, ‘product & gebruik’ en ‘opslag & infrastructuur’. Zo bepalen bijvoorbeeld de gastoepassingen

59


dat ruwe biogassen voor gebruik tot een zeker minimaal kwaliteitsniveau dienen te worden opgewaardeerd. Om Nieuw Gas / Schoon Fossiel effectief te kunnen inzetten, zijn ontwikkelingen nodig om de flexibiliteit van genoemde processen ten aanzien van gaskwaliteit te vergroten. Bij de onderzoeksdoelen in de volgende paragrafen dient aangemerkt te worden dat de opsommingen niet uitputtend zijn en er in de loop van de tijd accentverschuivingen noodzakelijk kunnen zijn. De korte termijn onderzoeksdoelen zijn geen onderdeel van EOS worden hier alleen genoemd om een volledig beeld te schetsen. Een aantal onderzoeksdoelen worden op meerdere plaatsen opgevoerd. De reden is het presenteren van een samenhangend onderzoekspakket per onderzoeksterrein. 3.2.3 Onderzoeksterrein CO2 Het onderzoeksterrein CO2 bestaat uit de speerpunten CO2-opslag ondergronds en CO2afscheidingstechnologie. 3.2.3.1

CO2-opslag ondergronds

Het gebruik van fossiele energiebronnen zal, bij verregaande limiteringen van de CO2emissies, grootschalige toepassing van CO2-afvangst, transport en opslag technologie noodzakelijk maken. Deze infrastructuur zal met name gekoppeld worden aan grootschalige centrale energieconversie faciliteiten, zoals elektriciteitcentrales, staal- en cementindustrie en chemische fabrieken, zoals raffinaderijen, waterstof- en kunstmestfabrieken. Bij al deze grootschalige conversiefaciliteiten kan op grote schaal CO2 (en warmte, zie het aandachtsgebied Energie-efficiëntie in de industriële en agrarische sector) afgevangen, opgeslagen en mogelijk hergebruikt worden, waarmee de CO2-emissies met tientallen procenten kunnen worden gereduceerd. In gunstige omstandigheden kan dit transitiescenario al in 2014 in sommige regio’s grote toepassing vinden en in 2030 standaard zijn. In dit scenario passen decentrale, op waterstof gebaseerde, systemen voor vervoer en bewoning. Het voornaamste vraagstuk van dit thema is of CO2-opslag veilig en milieuvriendelijk kan plaatsvinden, zowel in de operationele fase van de opslagfaciliteit als op de lange termijn. Hiervoor zijn CO2-migratie risico-evaluatie- en beheersingstechnieken essentieel. Daarnaast is het vraagstuk wat de juiste technologie en de meest kosteneffectieve wijze van CO2-opslag is: EGR (Enhanced Gas Recovery), EOR (Enhanced Oil Recovery), ECBM (Enhanced Coalbed Methane) of opslag in aquifers. Wereldwijd wordt door internationale consortia en in door de overheid gesteunde programma’s uitgebreid onderzoek gedaan naar de opslag van CO2. Internationale samenwerking is essentieel voor het creëren van een draagvlak op nationaal, Europees niveau en op wereldschaal. Voorbeelden hiervan zijn het IEA GHG network, CO2 Sequestration Leadership Forum (CSLF), Carbon Capture and Storage Project (CCP) en de recent gestarte Europese geIntegreerde Projecten CASTOR en CO2SINK en het Network of Excellence CO2GeoNet. Nationaal spelen de CRUST-projecten (CO2 Re-use through Underground Storage) en het CATO-project (CO2-afvangst, -transport en -opslag) een rol. Afbakening CO2-opslagtechnologie heeft raakvlakken met CO2-afvangst (speerpunt), energiewinning (ECBM, EGR, EOR, kolenvergassing) en opslag van energiedragers (gas, waterstof, warmte).

60


Hieronder volgt een tabel met de technologieportfolio waaruit de afbakening te lezen is. Bij CO2-opslag wordt de minerale vastlegging/opslag van CO2 expliciet uitgesloten. Opslag methode

Injectie/productie Milieu en technologie systeem veiligheidsanalyse technologie Lage reservoir Migratieprocessen in EGR drukken en fase CO2 aards systeem, putten, Menging, smart wells breuken, bodembewegingen Optimalisatie olie Migratieprocessen in EOR productie versus CO2 aards systeem, putten, opslag, + thermisch, bodembewegingen smart wells Adsorptie/desorptiepro Migratieprocessen in ECBM aards systeem, putten, cessen, zwelling, +aquifers, smart wells bodembewegingen Karakterisatie Migratieprocessen in Aquifer afsluitende lagen, fluid aards systeem, putten, migratie, smart wells bodembewegingen Tabel 3.2. Technologieportfolio voor CO2-opslag.

Monitoring en remediatie technologie Geofysische sensing Geochemische sensing Extractie en remediation (oppompen) Geofysisch sensing Geochemisch sensing Extractie en remediation (oppompen) Geofysisch sensing Geochemisch sensing Extractie en remediation Geofysisch sensing Geochemisch sensing Extractie en remediation

De eerste kolom bevat onderzoek gericht op specifieke opslagmethoden. De laatste 2 kolommen betreffen onderzoek dat grotendeels hetzelfde is voor de verschillende type opslagsystemen, aangezien deze zich richten op de geologische lagen boven de CO2-opslag waar naartoe potentieel CO2 kan lekken. Doorbraak • CO2-opslag een veilige en geaccepteerde oplossing; • Goedkope en slimme puttten, kostenreductie van 50% (ten opzichte van 2004) voor productie, afvangst, conversie en injectie (downhole factory); • Grootschalige opslag in EGR of EOR. Onderzoeksdoelen Lange termijn (commerciële toepassing > 10 jaar) • Monitorings- en simulatietechnieken voor het garanderen van de veiligheid van ondergrondse CO2-opslag; • Lange termijn monitor infrastructuur voor Nederland (permanente geofysische en geochemische monitoring in ondergrond, aan oppervlakte), per gebied en niet per site; • Monitoring en beheersing van bijmengingen in de CO2-stroom; • Geïntegreerde grootschalige infrastructuur van afvangst en opslag van CO2; • Ontwikkeling en acceptatie van grootschalige opslag in EGR of EOR op grote schaal; • CO2-opslag in aquifers en lege gasvelden; • Gekoppelde CO2-migratieproces predictie modellen; • Meer dan 50 % kostenreductie (ten opzichte van 2004) m.b.t. zaken als: risico evaluatie technieken en flexibele putten voor zowel CO2-productie als injectie, • Integriteit huidige boringen en nieuwe boorgat/casing monitoring technieken voor operationele en post abandonnering fasen; • Ondergrondse afvangst- en energieconversie prototypes. 61


Voor de beeldvorming worden ook de korte termijn doelen genoemd (commerciële toepassing 0-10 jaar): Haalbaarheid schoon fossiel strategie, c.q. ondergrondse CO2-opslag, in geliberaliseerde markt; CO2-opslag in lege gas- en olievelden: injectieproblemen oplossen, putproces predictie software (CRUST en CATO); Verificatie en validatie van niet gekoppelde CO2migratieproces predictie modellen; Vaststelling haalbaarheid monitor strategieën en technieken off- en onshore; Kosten baten analyse land/zee dekkende versus opslag specifieke monitorstrategieën. 3.2.3.2

CO2-afscheidingstechnologie

Het gebruik van fossiele energiebronnen zal, bij verregaande limiteringen van de CO2emissies, de toepassing van CO2-afscheidingstechnologie noodzakelijk maken. Bij alle fossiele conversieroutes komt CO2 in geconcentreerde, nagenoeg zuivere, of in meer of minder verdunde vorm vrij. Ook bij het gebruik van biomassa en biofuels is dit het geval. De geconcentreerde CO2-stromen kunnen uiteraard onmiddellijk afgevoerd worden. Bij de verdunde CO2-stromen zal de CO2 of geconcentreerd of verwijderd moeten worden voordat ze opgeslagen kan worden. We kennen drie ontkolingsroutes: • Afvangst van CO2 uit rookgassen (post-combustion); • Afvangst van CO2 uit stookgassen (pre-combustion); • Stikstofloze conversie (denitrogenation of oxy-fuel); De afvangst uit rookgassen zal breed toepasbaar zijn als retrofit maar ook als nieuwe toepassing en als nageschakelde technologie. De laatste twee routes vragen de bouw van nieuwe conversiesystemen (vergasser, verbranding met zuurstof). Al deze routes vergen naast grote investeringen ook een grote, parasitaire, energieconsumptie voor de CO2-afscheiding. Naast de op dit moment meest gebruikte commercieel aangeboden technologie van absorptie vloeistoffen (MEA) zijn er nog andere opties zoals membranen. Het onderzoek zal zich richten op het ontwikkelen en commercieel beschikbaar maken van zaken zoals nieuwe absorptie technologieën en /of nieuwe absorptie vloeistoffen, nieuwe membraantechnologieën en proces integraties. De trendbreuk is gelegen in kostenverlaging. In onderstaande tabel is de technologieportfolio voor CO2-afvangst aangegeven voor de drie ontkolingsroutes. Capture method

Post-combustion processes

Pre-combustion processes

New solvents New solvents Contactors Contactors Process design Process design Membranes Membrane absorption, CO2/H2-separation: polymeric, ceramic, Ceramic, polymeric, FT, carbon palladium, membrane membranes absorption Lime carbonation Dolomite Sorbents Zirconates Tabel 3.3. Technologieportfolio voor CO2-afvangst. Solvents

Denitrogenation/oxyfuel O2/N2 absorbent

O2-conducting membranes

Chemical looping O2/N2 adsorbents

Voor de middellange termijn, waaronder het opbergen van CO2 uit minder CO2geconcentreerde – grootschalige rook- en stookgasproducenten in nabijgelegen gasvelden of 62


aquifers, is vooral de CO2-afscheiding uit die gassen een aandachtspunt. Kosten en energieverliezen daarvan zijn hoog en moeten fors omlaag. Hiervoor zijn nog substantiële technische ontwikkelingen nodig. Wereldwijd wordt door internationale consortia en in door de overheid gesteunde programma’s uitgebreid onderzoek gedaan naar de afvangst van CO2. Internationale samenwerking is essentieel voor de reductie van kosten en het vermijden van doublures. Voorbeelden hiervan zijn het IEA GHG capture test centre network en de recent gestarte Europese Integrated Projects CASTOR en ENCAP. CASTOR is gericht op afvangst uit rookgassen, terwijl ENCAP gericht is op afvangst uit stookgassen en stikstofloze conversie. Vooral Japan, Canada en USA lopen voorop. Afbakening CO2-afscheidingstechnologie heeft raakvlakken met een tweetal andere speerpunten, namelijk geavanceerde kolenconversie en reforming van koolwaterstoffen en biofuels energieproductie. Daarnaast zijn er ook links met kennisimportthema’s gericht op aardgasconversie. De integratie van CO2-afscheidingstechnologie met energieconversieprocessen maakt een zorgvuldige afstemming noodzakelijk. Ook de eisen die vanuit opslag en hergebruik van CO2 gesteld worden aan het CO2-productieproces zijn van belang. Onderzoek naar energieconversieprocessen valt niet onder dit speerpunt, de integratie van afvangsttechnologie met energieconversie valt wel onder dit speerpunt. Ook op dit punt is afstemming noodzakelijk. Doorbraak • De trendbreuk is gelegen in de verlaging van de kosten en het beperken van het energieverlies met minimaal 50% (ten opzichte van 2004). Onderzoeksdoelen Lange termijn (commerciële toepassing > 10 jaar) • ‘Zero-emission’ elektriciteitscentrales; • Energiezuinige en goedkopere afvangstprocessen op realistische schaal; • Integratie van afvangst en opslag van CO2; • CO2-afscheidingstechnologie uit rook- en stookgas: ontwikkeling van nieuwe absorptie technologieën, absorptie vloeistoffen, membraantechnologieën en procesintegratie; • CO2-afscheidingstechnologie: kostenreductie van meer dan 50% ten opzichte van 2004; • CO2-afscheidingstechnologie: reductie van energieverlies van meer dan 50% ten opzichte van 2004 (vernieuwing als doel); • Goedkopere technieken voor O2-productie (via scheiding met behulp van hoge temperatuur membranen, adsorbentia etc.); • CO2-afvangst in biofuel energieproductie; • Goedkopere technieken voor H2-afscheiding (keramische membranen etc.); • Integratie van afscheiding met energieconversieprocessen; Voor de beeldvorming worden ook de korte termijn doelen genoemd (commerciële toepassing 0-10 jaar): Reductie van de kosten en het energieverlies van minimaal 30%; CO2-hergebruik: optimaliseren van commercieel hergebruik; Multi-pollutant removal; Haalbaarheid schoon fossiel strategie, c.q. afvangst, in een geliberaliseerde markt.

63


3.2.4 Onderzoeksterrein Waterstof Het onderzoeksterrein waterstof bestaat uit de speerpunten ‘Brandstofcel’, ‘Reforming van koolwaterstoffen naar waterstof’ en ‘Waterstofinfrastructuur: opslag en transport’. Voor mobiele toepassingen is het achterliggende doel om de huidige verbrandingsmotor te vervangen door een schone en efficiënte conversietechnologie, de brandstofceltechnologie. Op de lange termijn zal waterstof de brandstof zijn, in de transitie naar deze situatie is onboard reforming van beschikbare brandstoffen een belangrijke schakel. Voor stationaire toepassingen kan grote winst behaald worden door de toepassing van warmteopwekking en krachtopwekking te combineren. Van de diverse technologische opties voor kleinschalige elektriciteitsopwekking heeft de brandstofcel het hoogste elektrische rendement. 3.2.4.1

Brandstofcel

PEMFC Het doel is de ontwikkeling van PEMFC-technologie voor de efficiënte conversie van brandstoffen als aardgas, transportbrandstoffen en waterstof tot elektriciteit, eventueel in combinatie met gebruikmaking van de gegenereerde warmte. Op stackniveau dient de PEMFC een elektrisch rendement van tenminste 50 % te hebben, gedefinieerd als de verhouding tussen DC-energie geleverd door de PEMFC-stack en de lagere verbrandingswaarde van de waterstof die aan de PEMFC-stack gevoed wordt. Voor mobiele toepassingen dient de verwachte levensduur ca. 5000 uur te bedragen, voor stationaire toepassingen ca. 40.000 uur. Afbakening Voor grootschalige toepassing van de PEMFC is het belangrijkste doel de bedrijfstemperatuur van de PEMFC (nu ca. 70 °C) te verhogen naar 100-150 °C. Enerzijds wordt hierdoor de resistentie tegen vervuilende componenten aanmerkelijk verbeterd. Anderzijds wordt de koeling van de PEMFC sterk verbeterd, hetgeen met name voor mobiele toepassingen een kritisch punt is. Voor stationaire toepassingen geldt dat een hogere kwaliteit van de restwarmte van belang is i.v.m. de toepassing voor tapwater en ruimteverwarming. Ook buffering van warmte behoort dan tot de mogelijkheden. Het elektrolytische membraan dat bedrijf bij 100-150 °C mogelijk moet maken is nog niet beschikbaar, de ontwikkeling van dit membraan heeft daarom de hoogste prioriteit, maar zal pas op lange termijn zijn vruchten afwerpen. Doorbraak • Op stackniveau PEMFC een elektrisch rendement van tenminste 50%; • Bedrijfstemperatuur PEMFC verhogen tot 100-150 ˚C; • Voor mobiele toepassingen een verwachte levensduur van circa 5000 uur; • Voor stationaire toepassingen een verwachte levenduur van circa 40.000 uur. Onderzoeksdoelen Lange termijn (>10 jaar) Een belangrijk doel is het rijp maken van de state-of-the-art PEMFC-technologie voor toepassing in combinatie met reformertechnologie: daartoe dient de robuustheid verbeterd en aangetoond te worden. Toepassing in stationaire en vervoerstoepassingen lopen bij de PEMFC-technologie grotendeels parallel.

64


Op celniveau: • Ontwikkeling en demonstratie hoge temperatuurmembranen; • Ontwikkeling van PEMFC-elektroden geoptimaliseerd voor bedrijf bij 100-150 °C, met nadruk op verlaging van de edelmetaalbelading; • Verlaging overpotentiaal van zuurstofreductie (rendementsverbetering); • Onderzoek naar elektroden zonder edelmetaal; • Onderzoek naar verlenging van levensduur brandstofcellen; • Verbetering van de resistentie tegen vervuilende componenten, met name CO en CO2. Op stackniveau: • Onderzoek naar geschiktheid van bestaande stackcomponenten en concepten voor bedrijf bij 100-150 °C; • Ontwikkeling van geavanceerde afdichtingsconcepten; • Ontwikkeling van goedkope separatorplaten, geschikt voor massaproductie. Op systeemniveau: • Systeemintegratie van PEMFC-stacks met reformers; • Ontwikkeling van regelsystemen voor stationaire toepassingen, met aandacht voor intelligente netkoppelling; Voor de beeldvorming worden ook de korte termijn doelen genoemd (commerciële toepassing 0-10 jaar): Alleen in een beperkt aantal niche-markten is commerciële introductie te voorzien binnen 10 jaar. SOFC Het doel is de ontwikkeling van SOFC-technologie voor efficiënte conversie van aardgas tot elektriciteit. Subdoelstelling is de demonstratie van een SOFC-stack met een elektrisch rendement van circa 48% (brandstof aardgas), en een totaal rendement, inclusief de geleverde warmte, groter dan 95%. De levensduur van het SOFC-conversiesysteem dient 40.000 uur te bedragen. De systeemkosten dienen tussen de 900 en 1500 Euro/kWe te liggen. Dit resulteert in een stackprijs van 300-500 Euro/kWe. Voor de conversiemodule dient primair gewerkt te worden aan de demonstratie van een betrouwbare (robuuste) SOFC-stack, op basis van materialen en fabricageprocessen die perspectief bieden op het behalen van de kostprijsdoelstelling bij grootschalige productie. Daartoe is ontwikkeling nodig ten aanzien van: • Stackontwerp; • SOFC-cel; • Interconnect (celscheidingsplaten). De identificatie en/of ontwikkeling van materialen voor de vereiste zuurstofgeleidende membranen, die een voldoende hoge zuurstofflux, chemische stabiliteit en mechanische integriteit bezitten is hier een eerste vereiste. Parallel aan, en sturend voor de materiaalontwikkeling, zal reactorontwerp plaats moeten vinden. Evenals voor de conversiemodule is ook hier de ontwikkeling van kostenefficiënte fabricageprocessen van essentieel belang voor het welslagen van de ontwikkeling.

65


Afbakening In beginsel zal het materiaalonderzoek en het reactorontwerp de eerste jaren parallel verlopen met een beperkte interactie. Ieder voor zich hebben de resultaten in beide ontwikkelingslijnen ook een aanzienlijke waarde voor het behalen van emissiedoelstellingen, omdat zij ook gecombineerd of zelfs geïntegreerd kunnen worden in andere energiesystemen. Wel zal vanaf het begin een parapluactiviteit lopen ten aanzien van systeemontwerp en systeemevaluatie, om bij voortduring de haalbaarheid te toetsen en eventueel de afzonderlijke ontwikkelingsactiviteiten bij te sturen. Lopende het ontwikkelingstraject zal de mate van interactie toenemen en in de laatste fase zal dit in een enkelvoudige geïntegreerde ontwikkelingsactiviteit resulteren. Doorbraak • SOFC-stack met een elektrisch rendement van circa 48% (brandstof aardgas) en een totaal rendement, inclusief de geleverde warmte, groter dan 95%; • De levensduur van het SOFC-conversiesysteem dient 40.000 uur te bedragen; • De systeemkosten dienen tussen de 900 en 1500 Euro per kWe te liggen. Dit resulteert in een stackprijs van 300-500 Euro/kWe. Onderzoeksdoelen Lange termijn (> 10 jaar) De gehele ontwikkeling is gericht op de introductie van de voorgestelde schone en efficiënte conversiesystemen op een termijn van 10 tot 20 jaar. De opsplitsing in subdoelstellingen is als volgt: • Kostenefficiënte, betrouwbare SOFC-(conversie)stack met een (verwachte)levensduur van circa 40.000 uur (10-12 jaar); • Geïntegreerde conversie/separatie module op basis van SOFC-technologie en membranen (15-20 jaar); • Ontwikkeling van celcomponenten, interconnects en aanverwante stackgerelateerde deelaspecten zoal gasafdichting, elektrische contactcoatings, etc. Voor de beeldvorming worden de korte termijn doelen genoemd (commerciële toepassing 010 jaar): Korte termijn doelstellingen gerelateerd aan (werkelijke, grootschalige) commerciële introductie worden niet haalbaar geacht binnen een termijn van 10 jaar. Voor de SOFCconversiemodule lijkt wel een beperkte introductie op zogenaamde nichemarkten haalbaar, waar het product zoveel meerwaarde vertegenwoordigt ten opzichte van conventionele oplossingen, dat een belangrijk hogere prijs geaccepteerd wordt. 3.2.4.2

Reforming van koolwaterstoffen naar waterstof

Grootschalige productie van waterstofgas is een volwassen industrieel proces. In Nederland is veel kennis en ervaring op dit terrein in de chemische industrie aanwezig. Dit speerpunt is gericht op kleinschalige reforming. Op korte termijn (de komende 10 jaar) is substantieel geen ‘duurzaam waterstof’ in Nederland beschikbaar. Lokaal is waterstof beschikbaar als industrieel restproduct en kan via reforming uit aardgas of via elektrolyse lokaal worden geproduceerd. Reforming uit koolwaterstoffen zal voor kleinschalige toepassingen zeker een grote rol gaan spelen, zowel voor stationaire als voor mobiele toepassingen.

66


Afbakening Voor de transportsector zijn de nu voor transport beschikbare brandstoffen van belang. In de visie van het Team Nieuw Gas zal aardgas ook voor de transportsector op aanzienlijke schaal gebruikt worden. Grootschalige inzet van aardgas in de vervoerssector biedt een extra stimulans voor de introductie van brandstofcelvoertuigen, vanwege het feit dat aardgas eenvoudiger is te reformen dan benzine en diesel. Voor grootschalige introductie van brandstofcelvoertuigen dienen reformers (fuel processors) ontwikkeld te worden die waterstof kunnen genereren uit aardgas, benzine of diesel. Het gaat hier om een tussenstap naar een duurzame energiehuishouding. In de stationaire sector is aardgas de brandstof bij uitstek. Verwacht mag worden dat een afname van het aanbod van Europees aardgas opgevangen zal worden door een toenemend aanbod uit andere delen van de wereld. Dientengevolge zal aardgas in de komende decennia de brandstof bij uitstek blijven voor huishoudelijk en industrieel gebruik. Voor de introductie van brandstofcellen in de stationaire, decentrale markten dienen reformers van aardgas naar waterstof ontwikkeld te worden die het mogelijk maken ook op kleine schaal (1-200 kW) met hoge efficiëntie waterstof te produceren uit aardgas. Doorbraak • Kleinschalige, betrouwbare en goedkope technologie voor de productie van waterstof (rendement tenminste 80%) uit fossiele bron voor mobiele en stationaire toepassing Onderzoeksdoelen Lange termijn (> 10 jaar) Voor vervoerstoepassingen dienen compacte en efficiënte fuel processors ontwikkeld te worden die benzine, diesel en vloeibare biobrandstoffen om kunnen zetten in waterstof, zowel voor mobiele toepassingen als voor nicheapplicaties. Weliswaar is waterstof vanuit het perspectief van systeemeenvoud te prefereren, maar door het ontbreken van zowel een waterstofinfrastructuur als ook een geschikte waterstofopslagtechnologie kan de optie van onboard reforming niet terzijde geschoven worden. De belangrijkste onderzoeksitems zijn: • Ontwikkeling van ontzwavelingstechnologie voor laag zwavelige benzine en diesel (<50 ppm S) in kleinschalige toepassingen. Technologie gebaseerd op directe selectieve absorptie of lage druk HDS-absorptie. Zwavelgehalte na ontzwaveling < 0.01 ppm; • Ontwikkeling van efficiënte (primaire) reformingstechnologie (ATR/SR) voor benzine, diesel en biobrandstoffen; - Optimalisatie reactorontwerp: robuuste verdamping van brandstof, optimalisatie van rendement door verbeterde warmte-integratie; - Optimalisatie van katalysatoren/ontwikkeling alternatieve katalysatoren: zwavel resistentie, verhoging van activiteit voor moeilijk converteerbare componenten (bijv. aromaten), verhoging selectiviteit (verhoging rendement), minimalisatie NMHC-slip (non-methane hydrocarbons), lange duur stabiliteit. • Ontwikkeling van katalysatoren voor gasreiniging; - Ontwikkeling van zeer actieve en stabiele katalysatoren voor water-gas shift en preferentiële oxidatie van CO. Verhoging van tolerantie voor (tijdelijk) lage concentraties van hogere koolwaterstoffen en zwavel; - Ontwikkeling van alternatieve kosteneffectieve edelmetaalvrije of -arme katalysatoren voor WGS, PrOx en afterburner.

67


Voor kleinschalige stationaire toepassingen zijn compacte en efficiënte fuel processors noodzakelijk. Deze reformers kunnen aardgas omzetten in waterstof. Deze technologie zou eventueel ook voor mobiele toepassingen opgezet kunnen worden. De belangrijkste onderzoeksitems zijn: • Ontwikkeling van efficiënte, goedkope ontzwavelingstechnologie; • Ontwikkeling van efficiënte fuel processoren voor de productie van waterstof met een rendement van tenminste 80 %. Efficiëntie verhoging kan worden behaald door optimale reactor ontwikkeling/ systeem integratie evenals de ontwikkeling van verbeterde katalysatoren; • Robuuste en kosteneffectieve water-gas shift katalysatoren. • Ontwikkeling alternatieve reformingstechnologie. Voor de beeldvorming worden ook de korte termijn doelen genoemd (commerciële toepassing 0-10 jaar): Kleinschalige reformers zullen niet binnen 5-10 jaar commercieel breed toegepast kunnen worden. 3.2.4.3

Speerpunt: Waterstofinfrastructuur: opslag en transport

Er zijn verschillende toekomstscenario’s mogelijk voor de productie, transport en opslag van waterstof. De productie kan decentraal en vlakbij het eindgebruik plaatsvinden, centraal in grootschalige fabrieken of decentraal op afstand van het eindgebruik. In de eerste twee scenario’s is er een behoefte aan grootschalige opslag van waterstof teneinde, net als bij aardgasopslag, pieken in vraag en aanbod op te kunnen vangen. Een van de opties, die onderzocht kunnen worden is het ondergronds opslaan van waterstof, bijvoorbeeld in lege gasvelden of zoutcavernes, en (voor de transitiefase) ook als mengsel met aardgas. Onderzoek is nodig naar het gedrag van waterstof onder hoge drukken en temperaturen in combinatie met verschillende gesteenten teneinde betrouwbare milieu-impactstudies te kunnen verrichten. Om in de toekomst waterstof een belangrijkere rol te geven in de energiehuishouding is het van belang dat we in staat zijn om waterstof op een efficiënte manier op te kunnen slaan. Hierdoor kan de afstemming tussen het aanbod en de vraag van energie verbeterd worden. De noodzaak van kleinschalige opslag voor mobiele toepassingen is evident. Op dit moment is gasvormige of vloeibare opslag vrij gangbaar maar erg energie-intensief. Een andere mogelijkheid is het opslaan van waterstof in metaalpoeder (metaalhydriden) maar er zijn ook andere vormen van fysisch-chemische opslag. Momenteel wordt via het ACTS Sustainable Hydrogen programma (NWO) door Nederlandse universiteiten fundamenteel onderzoek naar dit onderwerp gedaan. Nederland loopt in de wereld voorop op het gebied van grootschalige “gastransport en gasopslag”. Door dit speerpunt kan Nederland ook voorop gaan lopen op het gebied van grootschalige en kleinschalige “waterstofopslag en transport”, aangezien dit onderwerp in het buitenland nog niet in samenhang is opgepakt. Onderzoeksdoelen: Waterstofinfrastructuur: opslag en transport Lange termijn (> 10 jaar) • Vaststellen van de potentiële capaciteit in zout, olie en gasreservoirs, kolenlagen en aquifers ten behoeve van ondergrondse opslag van nieuw gas (waterstof of een mengsel daarvan); • Milieu impact evaluatie en risico kwantificeringmethoden en technieken, waaronder probabilistische simulatie programma’s;

68


• • • • •

Onderzoek naar nieuwe materialen voor fysisch-chemische opslag van waterstof en transport van waterstof; Validatie van ‘performance assessment’ hulpmiddelen met behulp van laboratorium experimenten; Validatie van ‘performance assessment’ hulpmiddelen met behulp van veldtesten Conversie en (de)conversieprocessen van waterstof in andere nieuwe vloeibare of gasvormige energiedragers die relatief eenvoudig te transporteren en minder vluchtig of corrosief zijn, mogelijk in huidige gasinfrastructuur; Veilige en betrouwbare nieuwgas (waterstof of een mengsel daarvan) pijpleidingen en compressiesystemen

Korte termijn (0-10 jaar) • Systeemstudies naar de mogelijke toekomstscenario’s van nieuw gas (waterstof) infrastructuur en opslag; • Haalbaarheidstudies (kosten baten analyse) van ondergrondse oplag van nieuw gas (waterstof) en transportinfrastructuren; • Scenario’s en beslisgereedschappen voor infrastructurele beslissingen (bv. centraal vs. decentraal) omtrent het inzetten van nieuw gas/schone fossiel in de energievoorziening, inclusief energie efficiëntie en kosten. 3.2.5 Onderzoeksterrein Gasnetwerken en geavanceerde conversie Het onderzoeksterrein Gasnetwerken en geavanceerde conversie bestaat uit de speerpunten “Gasnetwerken, infrastructuur en gaskwaliteit’ en ‘Geavanceerde kolenconversie met CO2afscheiding’. 3.2.5.1

Gasnetwerken, infrastructuur en gaskwaliteit

Het EOS Lange Termijn programma (EOSLT) richt zich op verschillende aandachtsgebieden. Deze verschillende aandachtsgebieden zijn of worden in de toekomst fysiek aan elkaar gekoppeld door verschillende infrastructuren. Er licht een enorme uitdaging om deze koppeling mogelijk te maken en hiervoor is EOS LT onderzoek noodzakelijk. In de afgelopen jaren is de belangstelling voor µWKK’s sterk toegenomen. De projecten op dit gebied betreffen de µWKK an sich, netwerken van µWKK’s en zogenaamde “virtuele centrales” op basis van µWKK’s. De volgende trend is waar te nemen: 1. De µWKK is en wordt een gegeven. 2. Het plaatsen van grotere aantallen met een onderlinge samenhang en communicatie (Virtual Power Plant, V.P.P.) is straks waarschijnlijk mogelijk. 3. Beginnend onderzoek naar de mogelijkheid om µWKK’s met energie uit het aardgasnet in positieve zin te laten bijdragen aan het optimaliseren van het elektriciteitsnet. Door µWKK wordt het elektriciteitsnet gekoppeld aan het gasnet. De µWKK zet energie uit aardgas om in warmte en elektriciteit. Een µWKK kan aan de ene kant lastig zijn en het elektriciteitsnet destabiliseren als ze door de vraag naar warmte met grotere aantallen aanslaat en “plotseling” elektriciteit aan het elektriciteitsnet levert. Aan de andere kant kan de µWKK, door de mogelijkheid van warmteopslag, het elektriciteitsnet helpen als daar behoefte aan is. Het aardgasnetwerk heeft invloed op het elektriciteitsnetwerk en omgekeerd.

69


In het EOSLT programma zijn onder het aandachtgebied “Opwekking en Netten” de onderzoeksvragen beschreven die de elektriciteitsnetten betreffen. Deze zijn: • Het handhaven van de stabiliteit van het elektriciteitsnet en van de voorzieningszekerheid in de elektriciteitslevering vormen een enorme uitdaging en vragen om een geheel nieuwe benadering. • De optimalisatie van het elektriciteitstransport strekt zich uit tot industriële netten, zoals het spoorwegennet. • Hoe zien de netten in de toekomst eruit met inbegrip van de industriële netten? In dit speerpunt kan onderzoek aan vergelijkbare onderzoeksvragen plaatsvinden met betrekking op het gasnet. Het tweede onderwerp in dit speerpunt is "gaskwaliteit". Gassamenstelling, en de daarmee samenhangende chemische en fysische eigenschappen, is een belangrijk aspect voor de productie, opslag, transport, distributie en gebruik van alle gassen binnen die aandachtsgebied. Een match ten aanzien van "gaskwaliteit" over de gehele gasketen is een voorwaarde om (bio)gas tot een succes te kunnen maken. Om de huidige aardgasinfrastructuur voor nieuwe gassen te gebruiken, dient vooraf zeker gesteld te zijn dat dit met acceptabele consequenties kan gebeuren. Sommige typen gassen bevatten (sporen)componenten die niet in aardgas voorkomen, en die het systeem kunnen aantasten en ook, al of niet na verbranding, een gevaar voor de gezondheid van eindverbruikers kunnen zijn (bijvoorbeeld dioxinevorming bij stortgassen). Verder onderzoek is nodig voor het opstellen van de specificaties die garanderen dat de nieuwe gassen of gasmengsels met acceptabele consequenties kunnen worden getransporteerd in het bestaande gasnet. Voor een veilig, efficiënt en qua emissies optimaal gebruik van brandbaar gas dienen de fysische en chemische eigenschappen van het gas en de eigenschappen van de applicaties waarin de latente energie van het gas wordt omgezet, op elkaar te zijn afgestemd. Belangrijke parameters zijn hierbij de gassamenstelling alsook de hiermee samenhangende Wobbe-index en verbrandingseigenschappen (bijvoorbeeld verbrandingssnelheid en ontstekingseigenschappen). Als deze afstemming niet optimaal is, kan dit leiden tot roetvorming, vlaminslag, overmatige CO- en NOx-emissies, oververhitting van branders en het afblazen van de vlam, met alle milieu, energie-efficiency en veiligheidsaspecten van dien. De range van eigenschappen van het scala van gassen binnen Nieuw Gas / Schoon Fossiel is veel groter dan waar het huidige aardgas opslag, transport, distributie systeem en de applicaties voor zijn gespecificeerd, en dit stelt eisen aan en legt beperkingen op aan de processen “winning van gas”, “preconversie”, “conversie”, “product & gebruik” en “opslag & infrastructuur”. Zo bepalen bijvoorbeeld de gastoepassingen dat ruwe gewonnen biogassen voor gebruik tot een zeker minimaal niveau dienen te worden opgewaardeerd. Om nieuw gas effectief te kunnen inzetten, zijn ontwikkelingen nodig om de flexibiliteit van genoemde processen ten aanzien van gaskwaliteit te vergroten. Hierbij valt te denken aan fundamentele kennis t.a.v. verbranding, strategie gaskwaliteitsbeheersing (gasinkoop, -transport, dag/nacht en winter/zomer), invloed van niet-aardgas componenten op systeem integriteit, en verbreding van de specificaties van de gasapplicaties t.a.v. gaskwaliteit. Naar mate “opgewaardeerde” gassen aan strengere eisen voldoen, stijgen de kosten en de voor opwaardering benodigde energie; deze eisen kunnen het verschil maken tussen “rendabel” en “onmogelijk”. Nederland loopt voorop in de wereld t.a.v. kennis op het gebied van “gaskwaliteit”, getuige de vooraanstaande rol in verschillende internationale activiteiten op dit gebied. 70


Onderzoeksdoelen: Gasnetwerken, infrastructuur en gaskwaliteit Lange termijn (commerciële toepassing > 10 jaar) • Nieuw apparatuur voor het verbruiken van een bredere range aan gassamenstelling, rekening houdend met het aanbod; • Efficiënte en economisch rendabele processen voor de winning, preconversie en evt. opwaarderen van duurzame/schone fossiel gassen, rekening houdend met de beperkingen van zowel infrastructuur als eindverbruiksapparatuur. • Koppeling en invloed van decentrale opwekking op het gasnetwerk, elektriciteitsnetwerk en andere netwerken. • Nieuwe methoden voor gasbehandeling (verwijdering spoorcomponenten, opwaarderen). Korte termijn (commerciële toepassing < 10 jaar) • Analyse van potentieel aanbod gassamenstelling, inclusief sporencomponenten; • Analyse technisch haalbaarheid/economische wenselijkheid van het opwaarderen van gaskwaliteit; • Vaststellen verbrandingseigenschappen van potentieel aangeboden gassen en hun mengsels, en de acceptabiliteit voor de eindgebruiker; • Vaststellen minimum eisen voor (spoor)componenten in gassen t.a.v. systeem integriteit, processen waarin gas als feedstock wordt gebruikt, verbrandingseigenschappen, veiligheid van de eindverbruiker en inclusief mogelijke mengregels voor het combineren van gassen van verschillende bronnen (bv. waterstof/biogas); • Scenario’s en beslisgereedschappen voor infrastructurele beslissingen (bv. centraal vs. decentraal) omtrent het inzetten van nieuw gas/schone fossiel in de energievoorziening, inclusief energie efficiëntie en kosten; • Nieuwe methoden voor gasbehandeling (verwijdering spoorcomponenten, opwaarderen) 3.2.5.2

Geavanceerde kolenconversie met CO2-afscheiding

Dit speerpunt is een verbijzondering, richting elektriciteitsproductie via geavanceerde kolenconversie, van het speerpunt CO2-afscheidingstechnologie. Voor de middellange termijn zijn de routes ‘kolenvergassing-shift-CO2-afscheiding’ en ‘O2kolenverbranding-CO2-afscheiding’ het meest kosteneffectief. Voor een betrouwbare en kostenaanvaardbare marktintroductie in de Nederlandse situatie zijn onderstaand de onderzoeksdoelstellingen aangegeven. Voor kolenverbranding met lucht lijkt de post-combustion-capture route op dit moment een relatief dure optie. De hier voor de hand liggende onderzoeksuitdaging is halvering van de kosten. Op de middellange en lange termijn (Post-Kyoto) in 2020 en 2040, zal het grootste deel van de brandstof voor de elektriciteitsopwekking nog uit gas, kolen en een fors toegenomen biomassa-aandeel bestaan. Het streefbeeld voor het transitiepad ‘biomassa en kolen/gas’ is dat er in 2040 naast een uitgebreid park van kleinschalige (duurzame) energieopwekkers een nieuwe generatie grootschalige kolen- en gasgestookte elektriciteitscentrales in Nederland in bedrijf is gekomen. Hierbij wordt 200PJ biomassa ingezet resulterend in 40% mee- en bijstook in kolengestookte centrales (en 30% bijstook in gasgestookte centrales). In 2040 zal er een mix van ‘zero-emissie’ en ‘near-zero emissie’ koleneenheden draaien. Near-zero emissie biomassa/kolen-eenheden met een hoog rendement (>50%) en een CO2-

71


uitstoot vergelijkbaar met die van moderne gasgestookte STEG-eenheden, zullen in 2020 bewezen technologieën zijn. Afbakening Schoonfossiele toepassingen zijn wellicht, om de gestelde CO2-reductie doelstellingen te realiseren, op middellange termijn al een noodzaak voor Nederland. Afhankelijk van de marktprijs voor CO2 en het halen van de doelstelling van dit EOS speerpunt (CO2-afscheiding met minimaal rendementverlies bij minimale kosten) zal vanaf 2015 geavanceerde kolenconversie met CO2-afscheiding in de demonstratiefase moeten zijn. Zodoende is, na bouw en demonstratie, de eerste generatie tegen 2020 een bewezen technologie. Voor de lange termijn (2040) vormen de doorbraaktechnologieën van nu de volgende generaties zeroemissie eenheden. Doorbraak • Het beschikbaar hebben van betrouwbare en goedkope kolenvergassing en verbrandingstechnologie met CO2-afscheiding voor full-scale demonstratie; • Halvering van de kosten in EUR/t CO2. Onderzoeksdoelen Precombustion kolenvergassing Lange termijn (>10 jaar): Betrouwbare en goedkopere kolenvergassing met CO2-afscheiding, beschikbaar voor demonstratie in 2015. Kritieke doorbraakitems zijn: • Gasturbine ontwikkeling gericht op H2-rijke gasverbranding (kennisimportthema); • Nieuwe methoden voor luchtscheiding; • Verbeterde oplosmiddelen voor fysische (CO2-)absorptie; • Nieuwe methoden voor CO2/H2-afscheiding; • Katalysator optimalisatie voor de water gas shift reactie. Voor de beeldvorming worden ook de korte termijn doelen genoemd (commerciële toepassing 0-10 jaar): Het onderzoek gefocust op de vergasserontwikkeling gericht op optimale syngasproductie naast maximaal rendement. Precombustion zuurstof-kolenverbranding (Oxyfuel combustion) Lange termijn (>10 jaar): Betrouwbare en goedkopere (zuurstof-)kolenverbranding met CO2-afscheiding, beschikbaar voor demonstratie in 2015. Kritieke doorbraakitems zijn: • Ontwikkeling efficiënte luchtscheiding (95% zuiver O2) voor grootschalige toepassing; • Optimalisatie (met name op warmteoverdracht) van de USC-eenheid voor O2-verbranding van kolen/biomassa; • Vervuiling, verslakking • Vaststellen van de NOx-vorming en eventuele vermindering; • Conditionering van de afgevangen CO2 ; • Chemical looping combustion; • Pressurised fluidised bed combustion.

72


Als parallel lopende tussenfase voor betrouwbare en goedkopere kolenverbranding met CO2afscheiding, beschikbaar voor demonstratie in 2015 kan de hoogrendementseenheid met ultra super critical stoomcondities worden gezien (USC). Lange termijnonderzoekstema’s zijn hiervoor: • Materiaalontwikkeling en lange duurgedrag; • Maximaliseren van biomassa inzet, zodanig dat de CO2-emissie onder die van de huidige beste STEG’s komt. Postcombustion CO2-capture Lange termijn (>10 jaar): Halveer de kosten per vermeden ton CO2 vergeleken met de huidige chemische absorbtie technologieën en maak beschikbaar voor demonstratie in 2015. Kritieke doorbraakitems zijn: • Reduceer warmteconsumptie bij regeneratie; • Ontwikkel post combustion capture techniek (membranen); • Reduceer (pomp)energieverbruik en installatiekosten door absorbens met hogere CO2beladingscapaciteit; • Reduceer degradatie van absorbents door SOx, NOx, O2, T; • Reduceer rookgasventilator energieverbruik door drukvalverlaging via efficiëntere sorbens packing. 3.2.5.3

Aardgasconversie, gasturbinetechnologie (Kennisimportthema)

De ontwikkeling van STEG’s met een rendement van >60% zal volledig door de OEM (Original Equipment Manufacturer) worden uitgevoerd. Kritieke componenten zijn hierbij de zogenoemde ‘heet gas pad’ componenten zoals de loopschoepen en verbrandingskamer. Voor introductie in Nederland zal de toekomstige exploitant over adequate conditiemonitoring van deze componenten willen beschikken om een betrouwbare en flexibele bedrijfsvoering te kunnen garanderen. Hier zal het onderzoek zich op focussen. De introductie van een gasturbine geschikt voor H2-rijke verbranding in een KV-STEG installatie met CO2afscheiding en van een gasturbine met integrale CO2-afscheiding is in consortiumverband voorzien. Afbakening Voor de ontwikkeling van STEG’s met een rendement van >60% zijn de grote OEM’s volledig geëquipeerd (zoals Alstom, GE, Siemens-Westinghouse). Voor de ontwikkeling van adequate conditiemonitoring is de US een vooraanstaande speler. Voor de ontwikkeling van de gasturbine met H2-rijke verbranding zijn dezelfde OEM’s leidend en voor die met integrale CO2-afscheiding zijn spelers binnen de EU actief. Hierbij wordt een geleidend membraan in de verbrandingskamer toegepast. Doorbraak • Verhoging van het STEG-rendement naar meer dan 60%; • Introductie van een gasturbine geschikt voor waterstofrijke verbranding; • Introductie van een gasturbine met geïntegreerde CO2-afscheiding. Onderzoeksdoelen Lange termijn (0>10 jaar) • Monitoring van de componenten in het hoge temperatuursgedeelte van geavanceerde gasturbines;

73


• • •

- Kennis van de degradatie van nieuwe materialen; - Geavanceerde en snelle inspectiemethoden; Inzet van waterstofgas-rijke verbranding; Beheersing van materiaaldegradatie in het hoge-temperatuursgedeelte van de geavanceerde gasturbine; Integrale CO2-afscheiding.

3.3 Sociaal-wetenschappelijk onderzoek Het Ministerie van Economische Zaken is van mening dat alleen technologisch energieonderzoek niet leidt tot succesvolle (toegepaste) innovaties. Voor een succesvolle toepassing van innovaties is ook sociaal-wetenschappelijk energieonderzoek belangrijk. Doelstelling van sociaal-wetenschappelijk energieonderzoek De doelstelling voor sociaal-wetenschappelijk energieonderzoek binnen EOS Lange Termijn is: Het sociaal-wetenschappelijk onderzoek verbetert, geeft richting aan en versnelt de ontwikkeling en toepassing van nieuwe en bestaande energietechnologie ten behoeve van een duurzame energiehuishouding. Sociaal-wetenschappelijk energieonderzoek kan een belangrijke schakel zijn bij de succesvolle introductie van nieuwe energietechnologie. Het ministerie van Economische Zaken heeft daarom als doelstelling dat het aandeel sociaal-wetenschappelijk onderzoek wordt vergroot. Dit onderzoeksprogramma is een van de middelen om deze doelstelling te realiseren. Scope van het sociaal-wetenschappelijk onderzoek De onderzoeksprogramma’s van EOS bestaan uit vijf aandachtsgebieden (biomassa, energieefficiency in de industriële en agrarische sector, gebouwde omgeving, nieuw gas/schoon fossiel, opwekking en netten). Deze aandachtsgebieden zijn weer opgebouwd uit speerpunten en importthema’s, dat zijn concrete technologieën. Alleen onderzoek dat aansluit bij deze speerpunten en kennisimportthema’s komt in aanmerking voor subsidie. Deze speerpunten en importthema’s zijn technologische onderzoeksgebieden en zijn bepaald aan de hand van de stand van de techniek en de kennispositie in Nederland en in het buitenland. De technologische vooruitgang met betrekking tot deze speerpunten en importthema’s moet Nederland verder helpen naar een duurzame energiehuishouding. Het sociaal-wetenschappelijk onderzoek moet bijdragen aan de doelstelling van de onderzoeksprogramma’s van EOS en daarom moeten: -


Bewijslast Het Ministerie van Economische Zaken gaat er vanuit dat er in beginsel bij ieder onderzoek van een nieuwe technologie ook sociaal-wetenschappelijke aspecten spelen. Als een

74


aanvrager van mening is dat dit niet het geval is, moet hij dit in het projectplan aantonen. Ook dient de aanvrager aan te tonen op welke wijze de kennisoverdracht geborgd is. In de volgende alinea staan de sociaal-wetenschappelijke onderzoeksvragen verwoord. Deze vragen zijn opgesteld door een aparte programmavoorbereidingscommissie voor het sociaalwetenschappelijk energieonderzoek. Voor het opstellen van de teksten is gebruik gemaakt van interviews met de markt (afnemers én aan bieders van sociaal-wetenschappelijk onderzoek) en een workshop. De conceptteksten zijn ter commentaar verstuurd aan de deelnemers van de workshop en de interviews. Onderzoeksvragen Voor de 1) verbetering, 2) sturing en 3) versnelling van de ontwikkeling en implementatie van nieuwe en bestaande energietechnologie zijn de volgende onderzoeksvragen van belang. 1.






75



3.4 Referenties [1] [2] [3] [4]

Een geïnformeerd beleid. Consultatie van het veld over de waarde van het publiek gefinancierde energieonderzoek in Nederland. Van de Bunt, oktober 2002. Resultaten Voorverkenning EOS2. SenterNovem, juni 2003. Beleidsnotitie Schoon Fossiel, september 2003. Wegen naar Nieuw Gas: ‘De eerste stap is een daalder waard’. Visie naar een duurzame gasinzet. Team Nieuw Gas, november 2003.

76

Gebouwde omgeving

4 Gebouwde omgeving Inleiding De R&D-portfolio van het aandachtsgebied ‘Gebouwde omgeving’ is als volgt samengesteld: Speerpunten

Kennisimportthema’s Kennisexportthema’s Geen R&D-thema’s

- Systeembenadering in de gebouwde omgeving: integrale concepten - Systeembenadering in de gebouwde omgeving: innovatieve systemen en componenten - Zonconversie PV, multikristallijn-silicium PV-technologie - Zonconversie PV, dunne-film PVtechnologie (anorganische en organische zonnecellen) - Zonconversie PV-zonthermische systemen - Eind/hergebruik restwarmte in de industrie en gebouwde omgeving, warmtepompen - Warmte en koude opslag in de gebouwde omgeving - Aardgasconversie via Stirling micro wkk

De programmavoorbereidingscommissie (PVC) voor het oorspronkelijke aandachtsgebied ‘Gebouwde omgeving’ bestond uit onderstaande personen. Deze PVC heeft daarmee destijds de basis gelegd voor het onderzoeksprogramma, dat in 2006 op advies van de Energie Advies Commissie (EAC) is geactualiseerd (mid term review). EZ heeft dit advies van de EAC overgenomen en de onderzoeksprogramma’s aangepast. Ir. J. de Leeuw Ir. J.J. Buitenhuis Prof ir. C. Duijvestein Prof.dr. W. Sinke Drs. C. Stap Drs. S.M. Koomen Ir. J. Verlinden Ir. P. Heijnen Ir. L. Bosselaar, Ir. P.G. Ramsak

SBR, Voorzitter DWA TU Delft, BOOM ECN Ecofys Ministerie van Economische Zaken, waarnemer VROM, waarnemer SenterNovem, coördinator SenterNovem, ondersteuning

Vanaf de zesde EOS: Lange Termijn tender beschrijven deze programma’s het onderzoek dat in het kader van het ‘Besluit subsidies lange termijn energieonderzoek’ ingediend kan worden. Binnen dit aandachtsgebied wordt onder het begrip’ Gebouwde omgeving’ verstaan het geheel van: • Fysieke gebouwen en de bijbehorende energie-infrastructuur; 77

Gebouwde omgeving

• • •

Lokale energieopwekking; Apparatuur voor niet-gebouwgebonden processen (kantoorapparatuur, consumentenapparatuur); Transport (voertuigen, infrastructuur, brandstoftankstations).

De aandachtsgebieden 'Opwekking en Netten' en 'Biomassa' hebben raakvlakken met de 'Gebouwde omgeving' op het terrein van (de)centrale energieleveringen. In onderstaand figuur is schematisch aangegeven hoe de samenhang is tussen de aandachtsgebieden, zoals deze binnen EOS zijn getraceerd en welke positie Gebouwde omgeving hierbij inneemt. Bij de verdere uitwerking worden in het voorliggende programma de onderdelen 'Apparatuur' en 'Transport' niet meegenomen. Tot het aandachtsgebied 'Gebouwde omgeving' behoren de werkterreinen: Systeembenadering, lokale energieopwekking, Gebruiksapparaten en Transport. Een apart benoemd terrein is elektriciteitsproductie met zonnecellen (PV), een belangrijke techniek voor lokale energieopwekking en een belangrijke component bij 'Systeembenadering'. 4 Gebruiks Apparaten

1 Systeem benadering

2a PV

2 Energie -voorziening

3 Transport

Schoon fossiel

Biomassa

Onderzoeksterrein gebouwde omgeving: 1 Systeembenadering 2 Energievoorziening: lokale opwekking, distributie, centrale opwekking, met PV als apart benoemde techniek - -------------------(niet binnen EOS GO programma) 3 Transport 4 Gebruiksapparaten

Opwekking en netten

Energie efficiëntie in de industriële en agrarische sector

78

Gebouwde omgeving

4.1 Beschrijving 4.1.1 Het aandachtsgebied Het aandachtsgebied Gebouwde omgeving strekt zich uit over nieuwbouw en de bestaande voorraad van woningen en gebouwen. Hierbij gaat niet alleen de aandacht uit naar de benadering van het individuele gebouw, maar vooral naar een integrale aanpak van clusters van gebouwen op meerdere schaalniveaus (wijk/stadsdeel) inclusief de bijbehorende energieinfrastructuur. Enkele cijfers Volgens het CBS was in 2000 het totaal primair energieverbruik in Nederland 3050 PJ. Het eindverbruik in de verschillende afnemerssectoren (Industrie, Transport, Huishoudens en Overige) bedroeg in dat jaar ca. 2400 PJ. [1] Van het totale energieverbruik in Nederland is ca 35 % toe te wijzen aan het gebruik in de gebouwde omgeving. Energieverbruikscijfers in de gebouwde omgeving in 2000 * Segment

Woningbouw Utiliteitssector

Primair energiegebruik totaal PJ 560 306

CO2-productie Direct (gas en warmte Mton 21,3 8.0

Indirect (electrisch) Mton 10,2 9,2

Totaal

Indirect (electrisch) Mton 12,9 11,5

Totaal

Mton 31,5 17,2

Verwachte energieverbruikscijfers in 2010 * Segment

Woningbouw Utiliteitssector

Primair energiegebruik totaal PJ 591 341

CO2-productie Direct (gas en warmte Mton 20,3 7,6

Mton 33,2 19,1

* Gebaseerd op Strategisch Kader CO2 reductie Gebouwde omgeving 2004 [2] en Update referentieraming [3] Enkele trends voor de toekomst Voor de energiehuishouding in de gebouwde omgeving is een aantal trends te bedenken. Enkele trends die waarschijnlijk worden geacht, hebben geleid tot de visie (zie 4.2.1). Op basis daarvan zijn vervolgens de onderzoeksterreinen geformuleerd. In de jaren naar 2030 zal een zeer geringe warmtebehoefte in nieuwbouw een vanzelfsprekendheid worden, dankzij de succesvolle perfectionering van goede schilisolatie, luchtdichtheid, sterk isolerende beglazing en hoog-rendement warmteterugwinning. Een gestage opmars van (geïntegreerde) zonneboilersystemen zal de energiebehoefte voor warm tapwater steeds verder reduceren.

79

Gebouwde omgeving

Ook in bestaande bebouwing zal de warmtebehoefte aanzienlijk slinken, als gevolg van HRbeglazing, na-isolatie met vacuümpanelen en dergelijke. Dit zal minder vérgaand zijn dan in de nieuwbouw. Elektriciteit wint aan belang als energiedrager ten opzichte van gas omdat elektriciteit decentraal kan worden opgewekt en universeel inzetbaar is. Bovendien is er een goede aansluiting bij centrale opwekking (wind, biomassa) en is het transport eenvoudig. Het zal de komende jaren nodig zijn de energetische samenhang tussen wonen, werken, ontspannen en verplaatsen meer in het oog te houden en naar synergie te streven met als doelstelling het verbruik van fossiele brandstoffen te verminderen. Keuzevrijheid en verantwoordelijkheid consument Woonconsumenten (individueel of verenigd), corporaties, gebouweigenaren en verhuurders hebben na de liberalisering van de energiemarkt alle vrijheid om eigen keuzes te maken. Als gevolg van steeds verder aangescherpte milieuregelgeving, op nationaal en Europees en wellicht mondiaal niveau, krijgen ze een toenemend belang bij inkoop of opwekking van duurzame energie. De waarde van duurzaam opgewekte energie neemt toe en daardoor groeit de investeringsruimte. In de gebouwde omgeving groeit het belang van lokale opwekking en opslag van elektriciteit en warmte. De zon is de voornaamste duurzame energiebron in de gebouwde omgeving en compacte, hoog-rendement opslag van elektriciteit of een afgeleide daarvan en van warmte is een noodzakelijke schakel om de eerder genoemde samenhang en synergie tussen functies in de wijk te bereiken. Opslag is nodig om de brug te slaan tussen opwekking op het ene moment en de vraag op een ander moment. In bestaande woningen zijn compacte modules nodig, die elektriciteit en warmte kunnen opwekken én bufferen. Inpasbaarheid en zorgvuldige implementatie zijn daar de sleutelbegrippen voor een betaalbare en succesvolle marktpenetratie. apparaten en IT de woningen en gebouwen in De huidige trend dat de elektriciteitverbruikende inventaris van een woning of utiliteitsgebouw een steeds groter aandeel in het totale energieverbruik inneemt, zal zich waarschijnlijk doorzetten. Door productontwikkeling (zuinigere apparaten) en door slimmer schakelen, regelen en terugkoppelen m.b.v. informatietechnologie valt hier echter in absolute zin nog besparing te bereiken. Door steeds toenemende interne warmtebronnen en de vraag naar comfort is de toepassing van koeling in woningen sterk in opmars. Deze vorm van energieverbruik zou kunnen toenemen, maar met behulp van bouwkundige middelen (passief koelen) kan al te sterke toename worden voorkomen. Positionering in de bouwsector De positie van de afnemer van een nieuw gebouw zal sterker worden, waardoor partijen die klantgericht bouwen en continu innoveren, in het voordeel zullen geraken en meer invloed zullen krijgen op de werkwijze en de organisatie van het bouwproces.

80

Gebouwde omgeving

4.1.2 Kennisinfrastructuur in Nederland Inleiding Voor het lange-termijnprogramma EOS is de aanwezige onderzoeksinfrastructuur als eerste van belang. De resultaten uit het met dit programma beoogde onderzoek zullen nog niet direct toepasbaar zijn in commerciële producten. Toch is het ook bij lange termijn onderzoek al van belang om in te spelen op de (toekomstige) context waarbinnen innovaties hun plek moeten krijgen. Voor de gebouwde omgeving zijn dat zowel de wijze waarop de fysieke gebouwde omgeving tot stand komt als de structuur van de sector. Kennisinfrastructuur energieonderzoek in de gebouwde omgeving Op het gebied van systeembenadering zijn diverse onderzoeksinstituten en adviesbureaus actief. Er wordt door onderzoekers veel samengewerkt met bedrijven in de sector en er worden op uitgebreide schaal praktijkexperimenten uitgevoerd. Veel onderzoeken en studies zijn gericht op de korte of middellange termijn. Internationaal bestaan nauwe contacten en samenwerkingsverbanden met o.a. International Energy Agency (IEA) en het International Council for Research and Innovation in Building and Construction (CIB). Daarnaast zijn er Europese netwerken op het gebied van decentrale energieopwekking en netinpassing. Het bouwproces en de sectorstructuur Koplopers zijn bezig in te spelen op veranderingen in de bouwmarkt. De vraag naar gebouwen is sterk aan het veranderen. De toekomstige gebruiker wordt steeds mondiger en veeleisender, de voortschrijdende technische wensen zorgen voor een steeds complexere ontwerpen uitvoeringsopgave en de naoorlogse kwantitatieve schaarste is veranderd in een kwalitatieve schaarste. Dit geldt voor zowel nieuwe als bestaande woningen en utiliteitsgebouwen. Het is aantrekkelijk om alvast in te spelen op mogelijke veranderingen, maar het gaat om een veranderingsproces, dat vele jaren zal duren. Bovendien zal een deel van de markt traditioneel blijven omdat het een prijsmarkt is en zich niet leent voor een innovatieve aanpak (een groot deel van de renovatie- en onderhoudsmarkt is zeer versnipperd, maar maakt qua volume een substantieel deel uit van het totale bouwvolume, zie o.a. publicaties van het Economisch Instituut voor de Bouwnijverheid (EIB)). Van groot belang is dat de besluitvorming over nieuwbouw en renovatie vooral bij beleggers, projectontwikkelaars, corporaties en particuliere opdrachtgevers ligt. De ontwerpende en uitvoerende bouw kan invloed uitoefenen op bijvoorbeeld het programma van eisen, maar dat moet niet overschat worden. Ook in de toekomst zullen deze beslissers, net als nu, zich primair laten leiden door een huisvestingsvraagstuk en secundair door algemene maatschappelijke belangen als duurzaamheid in de gebouwde omgeving en de klimaatproblematiek. De toepassing van technische innovaties wordt hierdoor eveneens zeer sterk bepaald. Het creëren van vraag naar innovaties bij de beslissers is de beste garantie voor succes. De houding van de uitvoerende bouw is hierin duidelijk: over het algemeen beschouwt men innovaties als risicovol en kostenverhogend, maar tegelijkertijd bestaat er de cultuur van ‘U vraagt en wij draaien, de klant krijgt alles wat hij wil’. In dit verband is ook de rol van de overheid van belang. De rijksoverheid treedt op als beleidsmaker (bijv. stimuleren van energiebesparing, subsidies), als regelgever (bijvoorbeeld het Bouwbeleid, etc.) en als opdrachtgever (wegen, water, gebouwen, etc.). De gemeentelijke overheid kan als beleidsmaker specifieke eigen accenten aangeven, kan dat ook als uitvoerder van regelgeving en is tevens in sommige gevallen opdrachtgever. Vooral in de sfeer van de ruimtelijke ordening heeft de gemeente een grote rol.

81

Gebouwde omgeving

Tenslotte, de kennisinfrastructuur binnen de bouwkolom vindt zijn verankering in een aantal erkende instituten. Via het CIB worden de internationaal contacten onderhouden. Relaties met lopende programma's Op het gebied van systeembenadering vinden er diverse studies plaats, ook in het kader van de Subsidieregeling milieugerichte technologie (SMT) van VROM. Deze studies beperken zich meestal tot gebouwniveau al dan niet in een collectieve aanpak. Deze regeling heeft in 2002 en 2003 een aantal projecten opgeleverd, waarbij innovaties zijn gestimuleerd op het gebied van energiezuinige concepten. Daarnaast lopen studies in samenwerking tussen bedrijven en onderzoeksinstituten. De TU/e heeft een aparte afstudeerrichting integraal ontwerpen. De TUD heeft een voor alle faculteiten en afstudeerrichtingen geldende aantekening (TiDO: Technologie in Duurzame Ontwikkeling). In het kader van de regeling Duurzame Energie Nederland (DEN) zien we voor gebouwgebonden duurzame energie dat bedrijven en instituten onderzoek doen naar nieuwe producten of optimalisaties van concepten (zonneboiler, PV, WP, opslag). Gemeenten en provincies doen studies naar de haalbaarheid van grotere projecten als windenergie op lokatie, het maken van beleidsplannen, etc. Binnen de subsidieregeling Energiebesparing door innovatie (EDI) zijn projecten gehonoreerd, waarbij een aantal nieuwe technieken (in productvorm) is ontwikkeld, of nog in ontwikkeling is. Het gaat hier voor de Gebouwde omgeving om verdampingskoeling (zeer laag energiegebruik) en gevelventilatie met warmteterugwinning. Binnen het NEO-programma loopt een aantal projecten van zowel universiteiten als individuele ‘innovators’, gericht op vernieuwende c.q. onconventionele concepten op het gebied van systeembenadering in de gebouwde omgeving, zowel op concept-, als op systeemen componentniveau. Vanuit Novem is veel (lange termijn) onderzoek aan duurzame energie in gebouwen gefinancierd vanuit de programma's Zon-thermisch, NOZ-PV, LTGO en het programma Warmtepompen. Deze programma's zijn in 2001 opgegaan in het programma DEN. Daarmee is de ruimte voor lange termijn onderzoek op het gebied van duurzame energie sterk teruggelopen. In het kader van de BSIK-regeling lopen er twee projecten, die een relatie hebben met systeemonderzoeken in de gebouwde omgeving, te weten ‘Next generation infrastructures’ en ‘Systeeminnovatie ruimtegebruik en gebiedsontwikkeling stad en land (Habiforum)’. 4.1.3 Internationaal perspectief Wereldwijd is een groot aantal organisaties (overheden, universiteiten, kennisinstituten, bedrijfsleven, NGO’s) bezig met onderzoek en ontwikkeling op het gebied van verduurzaming van de gebouwde omgeving. Participatie in internationale onderzoeksprojecten, internationale kennisuitwisseling en samenwerking is bij top-onderzoek een vereiste. Onderzoek dat wordt uitgevoerd 'op een eiland' mist de nodige referenties, kwaliteit en kaders. Op het gebied van systeembenadering in de gebouwde omgeving zien we echter in het verleden vooral onderzoeken naar bouwconcepten en/of demonstraties van concepten voor 82

Gebouwde omgeving

individuele gebouwen. Naast systeembenadering in gebouwen vinden er veel ontwikkelingen plaats op het gebied van installaties en hun onderlinge integratie, computergestuurde bedrijfsvoeringen, modelontwikkelingen, domotica-gerelateerde onderwerpen en inpassing van decentrale opwekking van elektriciteit. Veel van deze projecten betreffen studies over theoretische onderwerpen die uitmonden in richtlijnen, normalisatie-voorstellen, modelleringen, of haalbaarheidsstudies van technieken, die zich nog in een preconcurrentiële fase bevinden. Systeembenaderingsstudies lenen zich derhalve uitstekend om internationaal aan te pakken. Het moet dan ook als een uitdaging worden beschouwd om binnen het kader van EOS de voordelen van internationale samenwerking te benutten. Internationale samenwerking op gebied van componentontwikkeling is een ander verhaal. Zodra concrete productontwikkelingen meer in zicht komen, zullen bedrijven minder snel gegevens willen verstrekken uit oogpunt van commerciële belangen. Productontwikkeling zal zich dan ook minder goed lenen voor een internationale aanpak. Daar staat tegenover dat veel fabrikanten internationaal opereren. Een aantal onderzoeksinstituten en een select aantal adviesbureaus hebben hun weg gevonden in het Europese onderzoekscircuit (IEA, EU-programma's, ISO, CEN, etc). De Nederlandse overheid speelt een belangrijke rol bij de (aanvullende) financiering van Nederlandse participatie aan Europese (onderzoeks)programma's. Zeker bij onderwerpen, die door hun aard of door de fase waarin het onderzoek zich bevindt nog geen echte 'stakeholders' hebben, is overheidsfinanciering vaak de enige mogelijkheid om participatie mogelijk te maken. Onderstaand wordt een korte beschrijving gegeven van de belangrijkste aanknopingspunten voor internationale coöperatie op het gebied van systeembenadering en/of techniekontwikkeling. Op dit moment vindt internationale samenwerking binnen het aandachtsgebied Gebouwde omgeving met name plaats binnen het International Energy Agency (IEA) en binnen de programma's van de EU. Daarnaast zijn er diverse andere Europese en globale netwerken c.q. samenwerkingsverbanden actief. Voor onderzoek binnen het speerpunt systeembenadering in de Gebouwde omgeving is in IEA verband relevant het Implementing Agreement Energy Conservation in Buildings and Community Systems en het daaraan gekoppelde Future Buildings Forum. (zie bijlage 4.1). Verder vindt er relevant onderzoek plaats binnen de Implementing Agreements Solar Heating & Cooling, Heat Pumps, Energy Storage, Demand Side Management, District Heating and Cooling including CHP en PV-powersystems. Nederland participeert in al deze IA-s, behalve bij Energy Storage. Het werk van de Implementing Agreements wordt gecoördineerd binnen de Building Coördination Group (BCG) van het IEA. De voorzitters van de afzonderlijke Agreements zijn de leden van deze BCG. Verder spelen de Working Parties (van het IEA) voor Renewable Energy en Energy Conservation een rol bij de onderlinge afstemming. Het werk binnen deze Implementing Agreements is georganiseerd in diverse meerjarige annexen of tasks. De onderwerpen en de Strategische Plannen van de IA-s geven een goed beeld van de momentane (internationale) onderzoeksprioriteiten.

83

Gebouwde omgeving

Op Europees niveau vindt het meeste gezamenlijke onderzoek plaats binnen de door de EU ondersteunde kaders, zoals het 6e kaderprogramma. Een deel van de geprioriteerde onderwerpen komt overeen met die van EOS-Gebouwde omgeving. Het programma biedt ondersteuning van onderzoek op componentniveau (o.a. gebouwgebonden duurzame opties) alsook van projecten m.b.t. integrale systeembenadering op wijkniveau/stadsdeelniveau. Met name de recente CONCERTO-call (met ook enkele succesvolle Nederlandse voorstellen) sluit goed aan bij systeembenadering Gebouwde omgeving. Tenslotte ondersteunt het EU programma ERA-NET de voorbereiding van initiatieven, die leiden tot samenwerkingsverbanden of multinationale onderzoeksprogramma's. Verder bestaan er diverse internationale netwerken op het gebied van verduurzaming van de gebouwde omgeving, zoals bijvoorbeeld binnen het CIB, Enerbuild en LowExNet. Participatie hierin biedt veelal een low-cost mogelijkheid tot afstemming van nationale visies, kennisuitwisseling, en het genereren van ideeën aangaande onderwerpen die relevant zijn voor EOS-GO, met name voor het speerpunt systeembenadering. Voor Zonconversie-PV zijn in de afgelopen jaren diverse consortia actief geweest op het gebied van onderzoeksprogrammering en implementatiebeleid. In het kader van het EUproject PV-EC-NET is gewerkt aan benchmarking van nationale programma’s voor onderzoek, ontwikkeling en demonstratie op het gebied van PV. Doel is om op termijn te kunnen komen tot een gezamenlijke Europese aanpak en deze te verankeren in een roadmap. In het project PV-NET is een roadmap voor PV-R&D opgesteld (inclusief lange termijnonderzoek). De branche-organisatie EPIA, ten slotte, heeft een PV Technology Roadmap gepubliceerd, waarin de nadruk ligt op korte en middellange termijn onderzoek en beleidsmaatregelen, die voor de Europese PV- industrie en voor marktintroductie van cruciaal belang zijn. 4.1.4 De kennisafnemers Evenals gesteld bij ‘kennisinfrastructuur’ is het van belang bij de start van een onderzoek te weten welke kennisafnemers in het vervolgtraject een rol moeten gaan spelen. Het is zaak deze kennisafnemers tijdig bij het onderzoeksproces te betrekken om draagvlak te creëren voor de implementatie van de nieuwe ontwikkelingen of om op basis van de behaalde resultaten doorontwikkeling mogelijk te maken. Afhankelijk van het type product of systeem kan een onderzoek worden uitgevoerd door onderzoeksinstituten, universiteiten, industriële bedrijven, adviesbureaus, stedenbouwkundigen of uitvoerende partijen in de bouw. De noodzaak om in het onderzoeksproject al aantoonbaar rekening te houden met de afnemers van het onderzoeksresultaat, zal samenwerking bevorderen. Het gaat in EOS om het bereiken van een doelstelling, niet om de onderzoeksresultaten op zichzelf. 4.1.5 Energietransitie Bij de destijds uitgezette onderwerpen voor energietransitie was de Gebouwde Omgeving niet als thema aangewezen, ondanks pleidooien van stakeholders om dat wel te doen. Maar inmiddels is in 2006 het platform Gebouwde Omgeving ingesteld. Dit platform heeft vooralsnog geen generieke doelstellingen of toekomstvisie geformuleerd. Maar voorgesteld is te starten met de uitwerking van een beperkt aantal, concrete projecten, die door marktpartijen zijn ingebracht. 84

Gebouwde omgeving

Het transitiethema Gebouwde Omgeving heeft raakvlakken met het EOS-aandachtsgebied Gebouwde omgeving. De visies van EnergieTransitie richt zich hierin echter meer op ontwikkeling op wijkniveau en de financiële aspecten daarvan. EOS richt zich concreet op integratie van componenten in systemen in de gebouwde omgeving. Voor meer informatie, de actuele stand van zaken en voorbeeldprojecten van Gebouwde Omgeving zie: www.energietransitie.nl. Voorbeeldprojecten van het EOS-aandachtsgebied Gebouwde omgeving staan op: www.senternovem.nl/eos.

4.2 Onderzoeksterreinen en –doelstellingen 4.2.1 Visie, doelstelling en strategie De volgende visie is geformuleerd: Visie Met een aandeel van ca. 35 % van het energiegebruik van Nederland moet de Gebouwde omgeving een belangrijke bijdrage leveren bij de overgang naar een duurzame (betaalbare, betrouwbare en schone) energievoorziening in de toekomst. De bijdrage aan deze transitie wordt gerealiseerd door de introductie van geïntegreerde systemen, gericht op verschillende vormen van synergie, zoals tussen vraag en aanbod, tussen diverse technische componenten en tussen de Gebouwde omgeving en andere verbruikssectoren. Deze aanpak leidt onder meer tot warmte-neutrale gebouwen (gemiddeld over het jaar), waarbij de benodigde elektriciteit voor een substantieel deel duurzaam is opgewekt Doelstelling Doel van het EOS programma Gebouwde omgeving is het stimuleren van lange termijn onderzoek naar oplossingen die leiden tot een duurzame energiehuishouding die schoon, betaalbaar en betrouwbaar is. De onderzoeksdoelstelling voor de Gebouwde omgeving voor de lange termijn (> 10 jaar): Gebouwen moeten door een integrale aanpak (ontwerp, innovatieve concepten, intelligente systemen, etc ) duurzaam kunnen worden gebouwd of gerenoveerd. Het verbruik aan fossiele brandstoffen voor gebouwgebonden functies (verwarmen, koelen, ventileren) moet dan minimaal zijn. Voor nieuwbouw dient omzetting van gas of elektriciteit naar alléén warmte en koude in het algemeen achterwege te blijven; bij renovatie dient dit met tenminste 50% (ten opzichte van 2004) te worden gereduceerd. Het elektriciteitsverbruik in nieuwe gebouwen dient voor tenminste 60% lokaal te worden opgewekt uit duurzame bronnen. Voor de gebouwde omgeving als geheel geldt als doelstelling dat gemiddeld ten minste 10% van het elektriciteitsverbruik binnen de gebouwde omgeving duurzaam wordt opgewekt. Doelstellingen op lange termijn kunnen alleen worden gerealiseerd als op korte termijn ook al stappen worden gezet richting systeembenadering. Maar onderzoeken die op korte termijn al geïmplementeerd kunnen worden behoren niet tot de scope van dit EOS-programma.

85

Gebouwde omgeving

Strategie Om de doelstellingen te kunnen bereiken moet er volgens een strategie worden gewerkt, waarbij de doelstellingen voor energiebesparing worden geplaatst in een breed kader van sociale en economische aspecten van bouwen en wonen. Dit kader is als volgt te karakteriseren: • People: De onderzoeksresultaten moeten voldoen aan eisen met betrekking tot betrouwbaarheid, veiligheid en comfort. De kwaliteit van de leefomgeving moet met het onderzoek gediend zijn. • Planet: Toepassing van de Trias Energetica. Dit is de algemene strategie voor het maken van een schone energievoorziening. De drie stappen zijn: 1. Beperking van de behoefte aan energie; 2. Toepassen van vernieuwbare bronnen; 3. Efficiënte omzetting van fossiele brandstoffen t.b.v. de restbehoefte. Daarnaast geldt als algemeen uitgangspunt dat hoogwaardige energie (gas, elektriciteit) alleen wordt ingezet voor hoogwaardige toepassingen (aandrijving, warmtepompen, etc). • Profit: Er dient altijd gestreefd te worden naar betaalbaarheid en betrouwbaarheid van de oplossingen. Daarbij is het begrip 'betaalbaar' sterk afhankelijk van de context. Zonder dat aan deze twee voorwaarden is voldaan, zullen oplossingen nooit grootschalig in de markt geaccepteerd worden en zullen ze nooit een substantieel aandeel in de (duurzame) energievoorziening leveren. Het traject naar het warmteneutrale gebouw zal geleidelijk verlopen. Naar verwachting zullen de komende jaren vooral op componentniveau de nodige ontwikkelingen plaatsvinden. Daarmee moet de ruimte worden gemaakt om nieuwe componenten te integreren in systemen. Op termijn zal op grotere schaal geëxperimenteerd moeten worden met integrale concepten. Met de opgedane ervaring kan de stap worden gezet naar energieneutrale gebouwen en energiesystemen die met een fors lagere fossiele brandstofconsumptie en CO2-emissie alle energiefuncties in de gebouwde omgeving kunnen invullen. Implementatie van nieuwe technieken is alleen mogelijk bij een adequate kennisinfrastructuur en als opdrachtgevers en uitvoerende partijen in de bouw gestimuleerd worden nieuwe ontwikkelingen toe te passen. Daarnaast is voor de succesvolle toepassing van een nieuwe technologie naast technologisch onderzoek ook sociaal-wetenschappelijk onderzoek noodzakelijk (zie 4.3). 4.2.2 Afbakening Het EOS-programma voor het aandachtsgebied Gebouwde omgeving behandelt in essentie de synergetische relaties tussen gebouwen, (lokale) infrastructuur en gebruikersfunctie. Het programma is verder afgebakend door de volgende onderzoeksterreinen: 1.

Systeembenadering in de gebouwde omgeving thema 1: Integrale conceptuele studies naar concepten voor gebouwen of wijken definitie van ‘ concept voor een gebouw of wijk’: “het geheel van bouwkundige en installatietechnische onderwerpen, die in combinatie met andere, niet gebouwgerelateerde invloedsfactoren, het energieverbruik veroorzaken”

86

Gebouwde omgeving

2.

Innovatieve systemen met hun componenten thema 2.1: Innovatieve systemen definitie van ‘ systemen’: “het geheel van fysieke componenten, dat uiteindelijk de energetische prestatie van een wijk of gebouw moet leveren” thema 2.2: PV Zonconversie, nader onderverdeeld in: 2.2.1: Multikristallijn-silicium PV-technologie 2.2.2: Dunne-film PV-technologie inclusief organische cellen

Ad 1 Het onderzoeksterrein Systeembenadering in de gebouwde omgeving wil onderzoek stimuleren, waarin de nadruk ligt op de conceptuele behandeling van de totale energie infrastructuur, integraal opgenomen in het wijk- of gebouwconcept. Hierbij valt te denken aan: • Integratie van wonen en werken (mobiliteit) en de impact op leef- en woonconcepten, die uiteindelijk moeten bijdragen aan een meer efficiënt energiegebruik; • Energiegerelateerde aspecten, gecombineerd met aandacht voor comfort, gezondheid, binnenluchtkwaliteit, integrale milieuprestatie, bouwproces, esthetiek, gedrag en kosten; • Potentieelstudies naar of scenariostudies van combinaties van bouwkundige en installatietechnische maatregelen op het gebied van vraagreductie, opwekking van duurzame energie en inzet van schoon fossiele brandstoffen en het efficiënte gebruik ervan. Dit onderzoeksterrein bevat het volgende speerpunt, dat uit de EOS verkenning is gekomen: • (0.3) Systeembenadering in de gebouwde omgeving, inclusief domotica. Ad 2 Het onderzoeksterrein Innovatieve systemen met hun componenten wil onderzoek stimuleren, waarin de nadruk ligt op innovatieve componenten en hun inpassing in het systeem voor vraagreductie, (lokale) opwekking en distributie van duurzame energie, efficiënte en schone conversie van fossiele brandstoffen, alsook het benutten van duurzame bronnen met hulpenergie uit fossiele bronnen. Hierbij valt te denken aan: • Compacte, hoog-rendement opslagsystemen voor diverse energievormen, waardoor een ontkoppeling van vraag en aanbod mogelijk wordt; • Energiebesparing, cq. vraagbeperking via de aanpak van gebouwdelen, mits dit onderdeel uitmaakt van het systeem. Denk hierbij aan bijvoorbeeld geïntegreerde verlichtingssystemen, geavanceerde isolatiematerialen, etc; • Potentieelstudies naar of scenariostudies van welke combinaties van componenten onder welke omstandigheden (kwaliteit, marktsegment, nieuwbouw, bestaande bouw, prijs, etc) het meeste potentieel hebben om verder als fysiek systeem (onderverdeeld in zijn componenten) te worden uitgewerkt. Dit onderzoeksterrein bevat het volgende speerpunt, dat uit de EOS-voorverkenning is gekomen: • (0.2) Distributed electricity in de gebouwde omgeving;

87

Gebouwde omgeving

Daarnaast omvat dit onderzoeksterrein het onderwerp fotovoltaïsche conversie van zonneenergie (PV), gerepresenteerd door de speerpunten: • (30.1) Zonconversie: (multi)kristallijn silicium PV-technologie; • (30.2) Zonconversie, dunne film PV-technologie. Het oorspronkelijk als kennisimportthema ingedeelde gebied (30.3), de organische zonnecel, is toegevoegd aan het speerpunt Zonconversie, dunne film PV-technologie. Onderwerpen op het gebied van zonnecellen en -modules worden apart behandeld. 4.2.3 Onderzoeksterrein 1: Systeembenadering in de gebouwde omgeving: integrale concepten Doelstelling: ontwikkeling van integrale concepten die een CO2-reductie bewerkstelligen van meer dan 60% t.o.v. de huidige concepten, die passen bij de randvoorwaarden People, Planet en Profit Dit onderzoeksgebied focust op de synergetische relaties tussen gebouwen, (lokale) infrastructuur en gebruikersfunctie om uiteindelijk te komen tot een totaal concept waarmee CO2-reductie wordt bewerkstelligd, waarbij verschillende factoren tegen elkaar worden afgewogen zoals minimale kosten of maximale opbrengst, maximale betrouwbaarheid, minimale milieubelasting, etc. Hierbij valt te denken aan: • Potentieelstudies of scenario's naar wijken of gebouwen van de toekomst. Denk aan nieuwe visies op woningbouw, volkshuisvesting en stedenbouwkundig ontwerp, met als doelstelling uiteindelijk te komen tot energieneutrale of energieleverende wijken. Of aan lokale warmtevoorziening door zonne-energie, biomassa of omgevingswarmte, eventueel gekoppeld aan lokale netten; • Ontwikkeling van instrumenten benodigd voor de integrale ontwikkeling en/of systeembeoordeling van fundamenteel nieuwe concepten; • Aanbod en/of vraagsturing en informatie over actuele of toekomstige elektriciteitsprijzen binnen een nieuwe (elektriciteits)infrastructuur, in zoverre dat die ingrepen geen consequenties hebben voor vermogenskwaliteit of de balans van de (landelijke) energieinfrastructuur; • De inrichting van de ruimte (ruimtelijke ordeningsaspecten) en de consequenties voor mogelijke energie-infrastructuren; • Onderzoek naar randvoorwaarden voor ontwikkelingen van wonen, werken en bouwen na 2015 en de consequenties voor de energie-infrastructuur. Denk hierbij aan de combinatie van wonen, werken en verkeer, waarbij energiefuncties gekoppeld zijn: integratie van energiehuishouding voor mobiliteit met de energiehuishouding voor de gebouwde omgeving. Het gebouw of de woning wordt een onderdeel van een groter, geïntegreerd energienet, met lokale bronnen en de nodige lokale management- en controlesystemen; • Fundamentele heroverwegingen van duurzame comfortinstallaties en kwaliteit van wonen, gezien vanuit de gebruikersbehoefte (het individu centraal); • Bouwkundige en stedenbouwkundige conceptuele studies met 'intelligente' energiesystemen en installaties (smart buildings) voor vraagreductie, energieopwekking, energieopslag, communicatie en ICT voor afstemming van vraag en aanbod van energie;

88

Gebouwde omgeving

•

Optimale afstemming van de kwaliteit van het energieaanbod op de kwaliteit van de energievraag en lokale opslag (low-exergiegedachte). Op basis van de eerder uitgevoerde consultatie is van de volgende onderwerpen gezegd, dat ze geen R&D thema zijn, dus niet passen binnen dit EOS-programma: • Eind/hergebruik restwarmte in de industrie en gebouwde omgeving, warmtepompen; • Warmte en koude opslag in de gebouwde omgeving, betreffende conventionele systemen, zoals opslag in aquifers. In dit thema wordt uitsluitend onderzoek uitgenodigd dat een duidelijk verband heeft met de gebouwde omgeving. Er zijn veel raakvlakken met het aandachtsgebied “Opwekking en netten”, zie hiervoor hoofdstuk 5. Relatie met andere aandachtsgebieden Binnen het aandachtsgebied ‘Opwekking & Netten’ gaat het op de eerste plaats alleen om elektriciteitsnetten. Binnen het aandachtsgebied ‘Gebouwde Omgeving’ kunnen ook gas- en warmtenetten aan de orde zijn.

Binnen de (woning en utiliteits)bouw wordt gesproken van systeembenadering, wanneer het bouwkundige ontwerp en het installatieconcept optimaal met elkaar zijn afgestemd om te komen tot een zolaag mogelijk energieverbruik, uitgedrukt in MJ. Dit geldt voor zowel het individuele gebouw als voor bebouwing op wijkniveau. Onderzoeken binnen het aandachtsgebied ‘Gebouwde Omgeving’ zullen zich nu normaliter focussen op technieken, methodieken en maatregelen om energiebesparing en kostenreductie te bewerkstelligen, waarbij de kwaliteit van de aangeleverde energiestromen als een gegeven worden aangenomen. Kortom binnen het Gebouwde omgeving aandachtsgebied volgen we de Trias Energetica: besparen; inzet duurzame energie en efficiënte omzetting van (fossiele) energie. Binnen het gebouw of op wijkniveau kan er spraken zijn van intelligente schakelingen van energiestromen (vraag, levering en opslag). Deze schakelingen behoren eveneens tot de categorie systeembenaderingen en kunnen binnen het huidige Gebouwde omgeving aandachtsgebied worden ingebracht, zover het de gebouwgebonden apparatuur betreft. Huishoudelijke en kantoorapparaten vooralsnog niet onder het aandachtsgebied Gebouwde omgeving. Samengevat, projecten die energiemanagementonderwerpen behandelen zonder consequenties voor het (landelijke) net, behoren in principe te worden ingediend bij het aandachtsgebied Gebouwde omgeving. Onderzoeksvragen over de toelevering van elektriciteit tot aan de elektriciteitsmeter in de woning of verdeelkast in de wijk komen in principe binnen het aandachtsgebied ‘Opwekking en Netten’ aan de orde. Hier komen dan onderwerpen aan de orde als gewenste vermogens (P), de kwaliteit van energie (exergie?), constantheid van de energiestroom, een zo laag mogelijke stroom, de inpassing van lokaal opgewekte energie binnen het net, vermogenstromen >10kV, leveringszekerheden, etc. Ook komen binnen het aandachtsgebied Opwekking en Netten onderwerpen aan de orde, waarbij netwerken zodanig worden gekoppeld dat de beheerder(s) een potentiële energiepartij kunnen zijn. Samengevat, projecten waarbij het zwaartepunt ligt op energiekwaliteit en energiemanagement met consequenties voor het (landelijke) net, behoren in principe te worden ingediend binnen het programma Opwekking en Netten. 89

Gebouwde omgeving

4.2.4 Onderzoeksterrein 2: Systeembenadering in de gebouwde omgeving: innovatieve systemen en componenten Doelstelling: ontwikkeling van subsystemen of de inpassing van componenten, die nodig zijn om op de lange termijn duurzame en/of hoogefficiënte opwekking van energie op lokaal niveau op grote schaal te kunnen toepassen Dit onderzoeksgebied focust op het stimuleren van onderzoek waarin de nadruk ligt op innovatieve componenten en hun inpassing in het energiesysteem om vraagreductie te bereiken bij (lokale) opwekking, bij distributie en opslag, van (duurzame) energie, door efficiënte en schone conversie van fossiele brandstoffen, alsook op het benutten van duurzame bronnen met hulpenergie uit fossiele bronnen. 4.2.4.1

Thema 2.1: Innovatieve systemen

In dit thema gaat het erom door lange termijnonderzoek belangrijke problemen en beperkingen van componenten en technologieën binnen die systemen weg te nemen, zodat ze te zijner tijd op grote schaal, betrouwbaar en tegen aanvaardbare kosten inpasbaar zijn binnen een integraal systeem. Daarnaast kan het ook gaan om geheel nieuwe opties, waarbij nieuwe mogelijkheden worden benut. Hierbij kan aan de volgende onderwerpen worden gedacht: • Efficiënter gebruik van brandstof, het bereiken van betere beschikbaarheid, etc. door bijvoorbeeld warmtepompen en/of gecombineerde opwekking van meerdere energievormen (elektriciteit/warmte, elektriciteit/koude, warmte/koude en elektriciteit/warmte/koude) al dan niet in combinatie met energieopslag; • Systemen en componenten voor netinpassing van elektriciteitsopwekkers (micro-WKK, PV, etc.) met aanzienlijk lagere overall-kosten, hogere betrouwbaarheid of mogelijkheden voor combinaties met andere functies, zoals energie- en comfortmanagement; • Lokale voorzieningen om lokale energieopwekking, -conversie, en -opslag beter inpasbaar te maken in een grotere energie-infrastructuur met voordelen zoals hogere betrouwbaarheid, lagere overall-kosten, meer mogelijkheden voor energiemanagement; • De inzet van ICT, low-cost sensortechniek en technologie voor datatransport om energiegerelateerde informatiestromen te benutten, om de energiebehoefte te reduceren (uitschakelen van apparaten e.d.), om vraag en aanbod lokaal beter op elkaar af te stemmen, om onnodig hoge energieverbruiken op het spoor te komen, enzovoort; • Producten of oplossingen die een betere ‘inbedding’ van lokale energieopwekking, -conversie en -opslag in een gebouw of de gebouwde omgeving mogelijk maken met het oog op veiligheid, esthetica, uitvoerbaarheid, organisatorische stroomlijning, gezondheid, comfort en maatschappelijke of gebruikersacceptatie en dergelijke; • Compacte hoog-rendement opslagsystemen voor diverse energievormen, waardoor een ontkoppeling van vraag en aanbod mogelijk wordt; • Energiebesparing, cq. vraagbeperking via de aanpak van gebouwdelen, mits deze onderdeel uitmaken van het systeem. Denk hierbij aan bijvoorbeeld geïntegreerde verlichtingssystemen, geavanceerde isolatiematerialen, etc. Het (verder door)ontwikkelen van componenten sec, die verder geen deel uitmaken van een beoogd systeem, behoort niet tot dit EOS-programma.

90

Gebouwde omgeving

Relatie met andere aandachtsgebieden Vooral binnen het thema 2.1 is er een relatie met het aandachtsgebied 'Nieuw Gas / Schoon Fossiel', 'Biomassa' en 'Opwekking en Netten', daar waar distributiedelen een onderdeel gaan uitmaken van de gebouwde omgeving, zowel op wijkniveau als kleinschaliger voor (complexen van) gebouwen. 4.2.4.2

Thema 2.2: Zonconversie PV (Fotovoltaïsche conversie van zonne-energie)

Voor het thema Zonconversie (fotovoltaïsche conversie van zonne-energie, ofwel PV) sluit de visie aan op de PV-Roadmap voor Nederland die in 2002 door markten onderzoekspartijen is opgesteld en die in 2004 verder wordt uitgewerkt en wordt geactualiseerd. Deze Roadmap is op zijn beurt in lijn met Europese roadmaps (PV-NET, EPIA) en beleidsdocumenten (o.a. Vision Paper PV) die alle in 2004 zullen worden gepubliceerd. Het onderzoek is primair gericht op het (mogelijk maken van het) voortzetten van het leerproces voor PV-modules, zoals samengevat in de leercurve, waarin de marktprijs of de fabricagekosten van modules (€/watt-piek, Wp) worden weergegeven als functie van het cumulatief geproduceerde volume. Daarnaast richt onderzoek zich op aspecten die veelal niet in de leercurve tot uitdrukking komen, maar die wel van groot belang worden geacht voor succesvolle en verantwoorde grootschalige toepassing: omzettingsrendement, stabiliteit en levensduur, milieukwaliteit en toepasbaarheid. Sommige van deze aspecten hebben weliswaar geen directe relatie met de initiële kosten (aanschafprijs), maar wel met de opwekkosten van elektriciteit berekend over de levensduur van de module en met de acceptatie door de markt. Het onderzoeksterrein Zonconversie PV strekt zich uit van basismaterialen tot en met complete modules. Alle aspecten met betrekking tot de toepassing van PV-modules in complete systemen (de Balance-Of-System (BOS)) vallen buiten dit onderzoeksterrein. Waar ze passen binnen de lange termijn kaders van EOS, kunnen ze worden ingebracht in het onderzoeksterrein 1: Systeembenadering Gebouwde omgeving integrale concepten of thema 2.1: Innovatieve systemen. Modules vormen de basis van PV-systemen en maken op dit moment ongeveer 60% van de turn-key (referentie) systeemprijs uit. Doelstellingen en projecties ten aanzien van turn-key systeemprijzen worden in dit onderdeel van het programma gebruikt als indicator voor de benodigde prijsdalingen van modules. De verwachting (EPIA, 2004) is dat de turn-key systeemprijs kan zakken van 6 €/Wp nu naar 3~4 €/Wp in 2010, 2 €/Wp in 2020 en <1 €/Wp op zeer lange termijn (2030~2050). De bijbehorende prijsdaling van modules is dan ruwweg van 3,5 €/Wp nu naar 1,5~2,5 €/Wp in 2010, 1 €/Wp in 2020 en <0,5 €/Wp op de zeer lange termijn. De fabricagekosten van modules dienen uiteraard nog aanzienlijk onder deze bedragen te liggen. Het onderzoeksprogramma op het gebied van PV-modules is, in lijn met hetgeen hiervoor werd beschreven, gericht op drie probleemgebieden. Ieder project dient een bijdrage te leveren aan het oplossen van een probleem uit tenminste één van deze gebieden. Deze gebieden zijn: 1. fabricagekosten van cellen en modules; 2. prestaties van cellen en modules (omzettingsrendement, stabiliteit en levensduur); 3. milieukwaliteit (materiaalgebruik, energie-inhoud, recycling) en toepasbaarheid (met name in de gebouwde omgeving).

91

Gebouwde omgeving

De bijbehorende onderzoeksdoelen zijn uitgewerkt voor verschillende thema’s, waarbij het ontwikkelingsstadium en de aard van de belangrijkste problemen van de technologie bepalend zijn: 1. multikristallijn-silicium PV-technologie; 2. dunne-film PV-technologie; Figuur 4.1 in Bijlage 4 geeft een schematisch overzicht van de prijsdoelen die aan EOS ten grondslag liggen. De getallen dienen om het ambitieniveau aan te geven en zijn slechts indicatief. Werkelijke prijzen variëren met het systeemtype en zijn afhankelijk van productievolume, marktomstandigheden, etc. Het is op dit moment niet zeker hoe de verschillende PV-technologieën (overeenkomend met de onderzoeksthema’s) zich in de tijd zullen ontwikkelen. Echter het is wel mogelijk een ordening aan te geven. (Multi)kristallijn-silicium PV-technologie De kristallijn-silicium PV-technologie is sinds lange tijd in industriële productie en heeft een marktaandeel van ruim 90%. Multikristallijn silicium maakt hiervan het grootste deel uit. Op basis van de potentie voor prijsverlaging en prestatieverhoging wordt verwacht dat deze technologie nog lange tijd (20 jaar of meer) een belangrijke plaats in de markt zal kunnen behouden. Dunne-film PV-technologie Enkele dunne-film PV-technologieën (amorf silicium (a-Si) en koper-indium-diselenide CIS)) zijn reeds langere tijd in productie, zij het op bescheiden schaal. Opschaling daarvan zal naar verwachting het komende decennium geleidelijk plaatsvinden. Indien succesvol, zullen zij een volwaardige plaats naast kristallijn silicium kunnen gaan innemen. Andere dunne-film concepten (gesensibiliseerde oxides, super-hoog-rendementsstructuren, etc.) zijn nog in de ontwikkelingsfase, of volledig in de laboratoriumfase. Het prijspotentieel van nu reeds beschikbare dunne-filmtechnologieën (o.a. a-SI en CIS) ten opzichte van kristallijn silicium en in onderlinge vergelijking is een onderwerp van discussie, ook mondiaal. Binnen EOS worden daaromtrent geen aannames gedaan, maar worden de diverse opties uitgedaagd zich te ontwikkelen en te bewijzen. In een gedifferentieerde markt zal bovendien plaats zijn voor meerdere opties, wanneer die zich op andere aspecten dan prijs onderscheiden. Zonnecellen op basis van louter organische materialen (v.w.b. de actieve lagen) zijn nog in een pril stadium van ontwikkeling. Het is onzeker óf, en zo ja, wanneer en in welke vorm zij zullen kunnen voldoen aan de eisen voor professioneel gebruik. De belofte van zeer lage productiekosten en diverse nieuwe toepassingsmogelijkheden ten opzichte van andere dunne-filmtechnologieën maken organische zonnecellen een echte ‘high risk, high potential’ optie. Voor dergelijke nieuwe dunne-filmconcepten is een prijsschatting voorlopig nog niet aan de orde, daar gaat het in EOS-verband primair om prestaties en om het exploreren van nieuwe conversieroutes. Relatie met andere onderzoeksterreinen Voor de toepassing van PV zijn niet alleen de modulekosten van belang maar ook de overige systeemkosten. Overige systeemaspecten (integratie, elektriciteitsconversie, etc.) komen aan bod in het onderzoeksterrein ‘systeembenadering in de gebouwde omgeving’. De inpassing van PV-elektriciteit in het net past in het thema ‘innovatieve systemen’. Marktacceptatie, gebruikerservaringen, etc., zijn weer onderdeel van het gamma-onderzoek dat in 4.3 is aangegeven.

92

Gebouwde omgeving

Thema 2.2.1: Zonconversie: (multi)kristallijn-silicium PV-technologie Doelstelling voor de lange termijn: Het doel is om een PV-moduleprijs mogelijk te maken van 1 €/Wp of minder in 2020, bij een rendement van 18% of hoger (total area). Het gaat hierbij dus om onderzoek om de volledige potentie van deze technologie te benutten, in termen van prijs en van prestatie. Tevens wordt onderzoek gevraagd waarmee de milieuprestaties van modules substantieel kunnen worden verbeterd. Denk hierbij aan onderzoeksonderwerpen zoals (niet-uitputtende lijst): • innovaties op het gebied van basismateriaal (feedstock en wafers), leidend tot substantieel lagere siliciumkosten (per Wp); • deviceconcepten10 en nieuwe procestechnieken voor cellen met een zeer hoog rendement (>18%) en lage kosten; • nieuwe moduleconcepten (ontwerp en materiaalgebruik) en fabricagetechnieken voor modules met lage kosten en/of een sterk verbeterd milieuprofiel (dit laatste inclusief de cellen). Bij het milieuprofiel gaat het met name om alternatieven voor lood, zilver en koper, recyclingmogelijkheden en verlaging van de energie-inhoud. Thema 2.2.2: Zonconversie: dunne-film PV-technologie Doelstelling voor de lange termijn: Het doel is om een PV-moduleprijs mogelijk te maken van 1 €/Wp in 2020, bij een rendement van 15% of hoger (total area) . De levensduur en stabiliteit moeten voldoende zijn voor toepassingen in de bouw, dus meer dan 20 jaar bij een rendementsafname van minder dan 20%. De milieukwaliteit van modules dient in alle gevallen expliciet te worden geadresseerd. Voor de periode na 2020 is het doel om celconcepten te ontwikkelen voor een zeer hoog rendement (typisch >25% op moduleniveau, > 30% op celniveau). Het moet aannemelijk kunnen worden gemaakt dat de voorgestelde concepten t.z.t. kunnen worden vertaald naar modules die aan redelijke prijs- en levensduureisen voldoen .Voor deze periode is het tevens het doel celconcepten te ontwikkelen die potentieel nog aanzienlijk lagere kosten, of nieuwe toepassingsmogelijkheden met zich meebrengen (denk met name aan organische zonnecellen voor professioneel buitengebruik). Denk hierbij aan onderzoeksonderwerpen zoals (niet-uitputtende lijst): • materialen, devices en procestechnieken primair gericht op een lage kostprijs (perspectief modulerendement 15%); • devices en procestechnieken primair gericht op rendementsverhoging tot minimaal 15% op moduleniveau (perspectief moduleprijs 1 €/Wp); • duurzaamheidsaspecten en stabiliteit: vermijden van het gebruik van schaarse of schadelijke materialen, rendementsverlies minder dan 20% over 20 jaar; • overige innovaties die grootschalig gebruik van modules bevorderen; • deviceconcepten voor een modulerendement van minimaal 25% alsmede geavanceerde meettechnieken in dit kader. Voor organische zonnecellen zijn in verband met het stadium van ontwikkeling en de specifieke problematiek vooralsnog de volgende onderwerpen aan de orde: 10

Met “device” wordt niet een complete zonnecel bedoeld maar het kan bijvoorbeeld een Si p-n-structuur met spectrumconverter erop of eronder zijn, maar ook een strained multilayer als basis voor een zonnecel.

93

Gebouwde omgeving

• •

materialen t.b.v. devices met een sterk verbeterde stabiliteit en/of rendement (>10 jaar equivalente levensduur, 10% celrendement); deviceconcepten voor een sterk verbeterde stabiliteit en/of rendement (>10 jaar equivalente levensduur, 10% celrendement).

Internationale samenwerking en/of inbedding wordt in het bijzonder bij organische zonnecellen gestimuleerd. Onderzoek naar hoog-rendement tandemcellen op basis van galliumarsenide en verwante halfgeleiders is binnen EOS niet aangewezen als speerpunt of als kennisimportthema.



Bewijslast 94

Gebouwde omgeving

Het Ministerie van Economische Zaken gaat er vanuit dat er in beginsel bij ieder onderzoek van een nieuwe technologie ook sociaal-wetenschappelijke aspecten spelen. Als een aanvrager van mening is dat dit niet het geval is, moet hij dit in het projectplan aantonen. Ook dient de aanvrager aan te tonen op welke wijze de kennisoverdracht geborgd is. In de volgende alinea staan de sociaal-wetenschappelijke onderzoeksvragen verwoord. Deze vragen zijn opgesteld door een aparte programmavoorbereidingscommissie voor het sociaalwetenschappelijk energieonderzoek. Voor het opstellen van de teksten is gebruik gemaakt van interviews met de markt (afnemers én aan bieders van sociaal-wetenschappelijk onderzoek) en een workshop. De conceptteksten zijn ter commentaar verstuurd aan de deelnemers van de workshop en de interviews. Onderzoeksvragen Voor de 1) verbetering, 2) sturing en 3) versnelling van de ontwikkeling en implementatie van nieuwe en bestaande energietechnologie zijn de volgende onderzoeksvragen van belang. 1.






95

Gebouwde omgeving


4.4 Referenties 1. Statistisch jaarboek 2002; Centraal Bureau voor de statistiek. 2. Strategisch kader CO2 - reductie in de gebouwde omgeving 2004 (concept). 3. P. Boonenkamp et alt. 2003: Sectorale CO2- emissies tot 2010; Update referentieraming ten behoeve van besluitvorming over streefwaarden; (ECN/RIVM-studie). 4. Concurrentieanalyse van duurzame energietechnologieën (Novemstudie).

96

Opwekking en Netten

5 Opwekking en Netten Inleiding De R&D-portfolio van het aandachtsgebied ‘Opwekking en netten’ is als volgt samengesteld: Speerpunten - Windconversie offshore - Elektriciteitstransport, voorzieningszekerheid, netinpassing, vermogenselektronica - Elektriciteitsconversie, power quality, custom power, converters, EMC Kennisimportthema’s - Elektriciteitsopslag: individuele opslagtechnieken voor netkoppeling Kennisexportthema’s - Windconversie, land wind power systems - Windconversie, turbines in de gebouwde omgeving Geen R&D-thema’s - Windconversie, decentrale netgekoppelde systemen De programmavoorbereidingscommissie (PVC) voor het oorspronkelijke aandachtsgebied ‘Opwekking en Netten’ bestond uit onderstaande personen. Deze PVC heeft daarmee destijds de basis gelegd voor het onderzoeksprogramma, dat in 2006 op advies van de Energie Advies Commissie (EAC) is geactualiseerd (mid term review). EZ heeft dit advies van de EAC overgenomen en de onderzoeksprogramma’s aangepast. Ir. G.J.M. Prieckaerts Prof.ir. W.L. Kling Ir. G. Peppink Prof.dr. J.J. Smit Ir. P.T.M. Vaessen Drs. C.A. Westra Ir. G.C. van Uitert Ir. G.W. Boltje Ing. J.L. ‘t Hooft

Voorzitter TenneT ECN Technische Universiteit Delft Kema T&D we@sea (windenergieconsortium) Ministerie van Economische Zaken, waarnemer SenterNovem, coördinator SenterNovem, ondersteuning


97

Opwekking en Netten

5.1 Beschrijving 5.1.1 Het aandachtsgebied Het aandachtsgebied ‘Opwekking en netten’ heeft betrekking op de grootschalige elektriciteitvoorziening. Uit dit vakgebied wordt een beperkt aantal aspecten bij het aandachtsgebied betrokken, omdat EOS zich richt op de bijdrage aan de transitie naar een duurzame energievoorziening met een gewaarborgde voorzieningszekerheid. Rekening houdend met deze inperking is voor opwekking in Nederland windenergie de meest belovende optie. Aangezien windenergie op land een grotendeels uitontwikkelde optie vormt, is R&D alleen nog relevant voor vraagstukken die samenhangen met offshore toepassingen. Derhalve vormt windconversie offshore een speerpunt, dat hieronder nader wordt beschreven. De gevolgen van het dynamische karakter van enerzijds de decentrale opwekking en anderzijds de grootschalige offshore opwekking met windvermogen zijn verstrekkend. Het handhaven van de stabiliteit van transport- en distributienetten en de daarmee nauw samenhangende borging van de voorzieningszekerheid, vormen een enorme uitdaging. Enerzijds vergt dit een geheel nieuwe benadering voor de beheersing van het systeem van elektriciteitsnetten. Deze systeembenadering kan dankzij nieuw te ontwerpen regelalgoritmes leiden tot ‘intelligente’ netten. Anderzijds zal blijken dat een nieuwe generatie componenten onmisbaar is om het noodzakelijke intelligente karakter aan voornoemde netten te verschaffen. Vermogenselektronica vervult hier een sleutelrol. Hierbij gaat het niet alleen om het ontwerp van componenten, maar evenzeer om hun gedrag in het net, en de effecten die ze daarin teweeg brengen. In EOS heeft een viertal thema’s betrekking op de grootschalige elektriciteitsvoorziening, die ofwel een systeembenadering vormen, ofwel componenten betreffen. Zij worden hieronder nader omschreven. Speerpunt Windconversie offshore Een grote bijdrage van offshore windenergie zal onmisbaar zijn voor het bereiken van de Nederlandse doelstelling om in 2020 10% duurzame energie te gebruiken. Om dit te realiseren acht de Nederlandse overheid het noodzakelijk dat in 2020 in totaal 6000 MW offshore windvermogen is geïnstalleerd. De overheid dient daartoe de randvoorwaarden te scheppen, zoals financiële stimulering en ruimtelijk beleid. De ontwikkeling van windturbines is gericht op steeds grotere eenheden voor specifieke lokaties. De grootste commercieel beschikbare turbines hebben thans een vermogen van circa 3 MW. Ze worden, aangepast aan de omstandigheden op zee, in de eerste grote offshore windparken toegepast en hebben een toren van 70 tot 100 meter en een wiekdiameter van 65 tot 80 meter. In Duitsland en Denemarken zijn in 2003 prototypes gebouwd van 4,5 MW turbines en op het testveld van ECN staat vanaf 2004 een 2,75 MW prototype. Momenteel zijn twee offshore windturbineparken op het Nederlandse deel van de Noordzee in ontwikkeling: het windturbinepark Q7-WP van E-Connection en het Near Shore Windpark van Shell/Nuon. Het eerste park zal bestaan uit zestig turbines van elk 2 MW en wordt naar verwachting in 2007 gebouwd. Het tweede demonstratiepark van 108 MW is in 2006 gebouwd voor de kust bij Egmond aan Zee. Aan beide parken is een Meet- en Evaluatie Programma (NSW-MEP) verbonden. Dit programma moet gegevens en ervaring opleveren voor de bouw van grotere offshore windparken in dieper water op de Noordzee.

98

Opwekking en Netten

Nieuwe technieken moeten worden ontwikkeld om de nodige kostprijsreducties te realiseren en risico’s te minimaliseren.Vooral ontwikkelingen die de bouwkosten drukken en onderhoud minimaliseren zijn noodzakelijk voor een succesvolle implementatie van offshore windenergie. Vanwege het sterk variërend windaanbod zal de vermogensoutput van offshore windparken sterk fluctueren. De wijze waarop dit fluctuerend vermogen in het net kan worden ingepast bij een omvang zoals de overheid zich ten doel heeft gesteld is een belangrijk punt van onderzoek. Dit onderwerp komt in de volgende paragraaf aan de orde. Speerpunt Elektriciteitstransport: voorzieningszekerheid, netinpassing, vermogenselektronica Tot voor kort waren elektriciteitsnetten passief. De elektrische stromen zochten door het net hun eigen weg naar de verbruikers. Als de stromen steeds groter worden, treedt er op zeker moment ergens in het net overbelasting op, terwijl andere delen nog niet vol zijn belast. Uit de ‘Electricity Technology Roadmap’ [2] blijkt dat het aandeel van elektrische energie in de totale energieverzorging nog aanzienlijk toeneemt: de elektriciteitstransporten nemen in omvang toe. Dit vereist dus dat alle transportcapaciteit zo goed mogelijk moet worden benut. Door toepassing van vermogenselektronica worden elektrische stromen door het net stuurbaar. Het net kan dan optimaal worden gebruikt, waardoor in totaliteit meer elektrisch vermogen kan worden getransporteerd. Studies zijn nodig om vast te stellen hoe de netten in de toekomst er uit moeten zien en welke technieken daarvoor gebruikt kunnen worden. Het vraagstuk van de optimalisatie van de capaciteit van het elektriciteitstransport beperkt zich overigens niet tot transport- en distributienetten, maar geldt evenzeer voor industriële netten, zoals bijvoorbeeld het spoorwegnet. Naast de optie van bestuurbare netten dienen zich op het gebied van verkabelde hoogspanningsnetten nieuwe mogelijkheden aan, waarbij bijvoorbeeld gelijkstroom wordt getransporteerd (HVDC), al dan niet door supergeleidende kabels. Behalve de toenemende vraag naar transportcapaciteit heeft de toename van opwekking met behulp van kleinschalige productie-eenheden (zon, wind, warmte/kracht) belangrijke consequenties voor de elektrische infrastructuur. Dit vereist een solide systeembenadering om het transport- en distributienetwerk verder te moderniseren en uit te bouwen. De voorverkenning naar de implementatie van EOS2 [1] heeft ook al duidelijk gemaakt dat het aandachtsgebied ‘Opwekking en netten’ niet alleen gefocust moet worden op losse componenten: juist de ‘systeembenadering’ is erg belangrijk. Reeds is opgemerkt dat deze systeembenadering dankzij nieuw te ontwerpen regelalgoritmes kan leiden tot ‘intelligente’ netten. Om deze algoritmes te toetsen zijn simulatievoorzieningen noodzakelijk, daar bestaande netten nu eenmaal niet voor experimenten kunnen worden gebruikt. Om daarbij de rekentijden binnen aanvaardbare grenzen te houden zullen nieuwe rekenmethoden moeten worden ontwikkeld. Bij ‘intelligente’ netten is grootschalige vermogenselektronica de drager van het systeem, de sleuteltechnologie voor het aandachtsgebied ’Opwekking en netten’. Nederland is in een goede positie om op dit gebied hoogwaardig onderzoek uit te voeren. De expertise ontwikkelt zich snel dankzij unieke faciliteiten, waarbij niet alleen de componenten afzonderlijk worden getest op volle schaal, maar ook hun gedrag in het systeem van het net wordt onderzocht, en de effecten die ze daarin teweeg brengen.

99

Opwekking en Netten

Deze onderwerpen zullen worden ondergebracht in twee onderzoeksterreinen, die nader worden uitgewerkt in paragraaf 5.2.4. Speerpunt Elektriciteitsconversie, power quality, custom power, converters, EMC In het thema ‘Elektriciteitsconversie, power quality, custom power, converters, EMC’ zal het accent veel meer liggen op de distributie en het eindgebruik van elektriciteit dan bij het eerder genoemde speerpunt ‘Elektriciteitstransport: voorzieningszekerheid, netinpassing, vermogenselektronica’. Hierbij speelt leveringszekerheid een rol. Maar ook de kwaliteit van de voorziening en het in de toekomst op grote schaal inpassen van decentrale opwekkers ‘laag in de netten’ zijn van belang. Besturing, beveiliging en beheersing van de energiestromen vereisen niet alleen nieuwe componenten maar ook systeemaanpassingen in het openbare net (FACTS) en bij de gebruiker (custom power). Vermogenselektronische converters spelen een cruciale rol in de inpassing van duurzame bronnen. Dit vereist een nieuwe functionaliteit en flexibiliteit van de converters o.a. op het gebied van topologie, regelgedrag, communicatie en EMC. Kennisimportthema Elektriciteitsopslag: individuele opslagtechnieken voor netkoppeling Onderzoek naar elektriciteitsopslag kan plaatsvinden in een systeembenadering voor de beheersing van de elektriciteitsnetten of betrekking hebben op elektriciteitsopslag als component (de ontwikkeling van individuele opslagtechnieken). In een systeembenadering is elektriciteitsopslag van belang voor en vormt onderdeel van de drie eerdergenomende speerpunten. Elektriciteitsopslag als component is een kennisimportthema. In de toekomst kunnen opslagsystemen voor de afstemming tussen vraag en aanbod van elektriciteit onmisbaar blijken te zijn. Dit geldt vooral indien een steeds groter deel van de stroomvoorziening gebaseerd zal zijn op variabele bronnen, zoals zonne-energie en windenergie. Er is inmiddels een breed spectrum aan opslagtechnologieën bekend, grootschalig of kleinschalig, met veel of weinig energie-inhoud en met veel of weinig vermogen. Ook de opslagprincipes zijn heel divers. In het rapport van de studie van UCE (september 2006) wordt een overzicht van de verschillende vormen van elektriciteitsopslag gegeven. Daarnaast kunnen opslagsystemen diverse nevenfuncties vervullen die belangrijk zijn voor de voorzieningszekerheid en de kwaliteit van de stroomlevering. Tenslotte kunnen grootschalige opslagsystemen voor elektriciteit soms gecombineerd worden met geheel andere installaties, die weliswaar buiten dit aandachtsgebied vallen, maar die niettemin een grote invloed kunnen hebben op hun rentabiliteit. Hierbij kan o.a. worden gedacht aan opslag van aardgas of waterstof. Er is bij Nederlandse kennisinstituten in mindere mate kennis aanwezig op het gebied van techniek en toepassing van de opslagsystemen zelf. De onderzoeksrichting vormt daarom het kennisimportthema Elektriciteitsopslag: individuele opslagtechnieken voor netkoppeling. 5.1.2 Kennisinfrastructuur in Nederland De kennisinfrastructuur is uitgebreid beschreven en toegelicht in Bijlage 5.1. Ook wordt verwezen naar de studie van UCE (september 2006) [8].

100

Opwekking en Netten

5.1.3 Internationaal perspectief Tot nu toe behoort Nederland tot de koplopers in de wereld als het gaat om een betrouwbare en schone elektriciteitsvoorziening. Het vormt een belangrijk element voor het goede vestigingsklimaat voor bedrijven en kennisinstellingen. Met de start van het IOP-EMVT is er een coherent onderzoeksprogramma ontstaan bij de universiteiten en kennisinfrastructuur op het gebied van intelligente elektriciteits(distributie)netten en elektronische energieomzetters (converters, voedingen). Dit programma wordt onderschreven en actief gesteund door met name marktpartijen uit de elektriciteitswaardeketen en de keten van de machinebouw. De belangrijkste, voor Nederland relevante, drijfveren voor onderzoek op het gebied van EMVT zijn decentralisatie van energieopwekking, toenemende elektrificatie en efficiëntere omzetting van elektrisch vermogen in een voor de gebruiker geschikte vorm. ECN beschikt over een marktgericht en internationaal erkend modelinstrumentarium voor de analyse van ontwikkelingen in de Europese gas- en elektriciteitsmarkten en het op basis hiervan analyseren van knelpunten en verbeteringsopties voor het beleid ten aanzien van regulering en marktwerking. Daarnaast is KEMA bezig, samen met de Nederlandse kennisinfrastructuur, zijn unieke positie verder uit te bouwen als het grootste onafhankelijke testen ontwikkellaboratorium op het gebied van de (hoog)vermogenselektronica. Het doel is om ingebed in de bestaande KEMA-faciliteiten, een in de wereld unieke laboratoriumfaciliteit met voorzieningen te creëren, waarmee het mogelijk wordt de EMVT-applicaties te beproeven. De Nederlandse kennisinfrastructuur voor het ontwerp van offshore windturbines, windparken, het bedrijf en onderhoud daarvan is goed en hun positie uitstekend. Bij de ontwikkeling van offshore technologie is het Nederlandse bedrijfsleven betrokken. Nederlandse consortia zoals die van Shell/NUON, E-Connection en Evelop ontwikkelen windturbineparken op de Noordzee en voor de kust van Engeland. De Nederlandse offshore industrie is betrokken bij het aanleggen en de bouw van de grote offshore windparken Horns Rev, Nysted en Middelgrunden. De samenwerking tussen ECN en TU-Delft heeft geleid tot een uniek laboratorium voor het testen van windturbinebladen en materialen. ECN heeft voor het testen (meten) en ontwikkelen van offshore windturbines expertise, faciliteiten en een testveld beschikbaar. 5.1.4 Kennisafnemers Op basis van de databases van SenterNovem zijn aan de hand van trefwoorden bijna veertig partijen bekend die belang kunnen hebben bij onderzoek op de genoemde speerpunten. Hiervan is op basis van marktkennis bekend dat 24 partijen daadwerkelijk actief zijn op het gebied van deze thema’s. Naast kennisinstellingen (universiteiten en kennisinstituten) zijn dat industriële bedrijven en de dienstverlenende sector. Het merendeel van de kennisafnemers is reeds betrokken bij de uitvoering van twee thans lopende onderzoekprogramma’s: het IOP EMVT op het gebied van elektromagnetische vermogenstechniek en het BSIK-programma ‘Large-scale windpower generation offshore’ (WE@SEA).

101

Opwekking en Netten

5.1.5 Energietransitie De Lange Termijn Visie Energievoorziening (LTVE [3]), die vooraf ging aan de transitieaanpak, herkende twee elementen die in elk scenario voor een duurzame energievoorziening voorkomen. Dit waren de zogenaamde robuuste elementen: ‘wind offshore’ en ‘kwaliteit van de elektriciteitsvoorziening’. Destijds is echter besloten voor deze onderwerpen geen transitietraject te starten omdat er in de markt voldoende activiteiten bestonden, en omdat ze al goed door het lopend beleid werden bestreken. Inmiddels is ‘duurzame elektriciteit’ wel vastgesteld als vijfde hoofdroute van het beleid voor een transitie naar een duurzame energiehuishouding, zoals blijkt uit het rapport ‘Innovatie in het energiebeleid’ [7] dat door de minister van Economische Zaken op 29 april 2004 aan het parlement is aangeboden. Deze vijfde hoofdroute vormt reeds deel van het huidige beleid, dat is gericht op het stimuleren van de productie van duurzame elektriciteit. Voor meer informatie, de actuele stand van zaken en voorbeeldprojecten van Duurzame Elektriciteitsvoorziening zie: www.energietransitie.nl. Voorbeeldprojecten van het EOSaandachtsgebied Opwekking en Netten staan op: www.senternovem.nl/eos.

5.2 Onderzoeksterreinen en –doelstellingen 5.2.1 Visie De visie van het aandachtsgebied ‘Opwekking en netten’ voor de situatie in het jaar 2030 is gebaseerd op drie Nederlandse studies, die enige tijd geleden zijn afgerond: de Electricity Technology Roadmap van Kema [2], de Lange Termijn Visie Energievoorziening (LTVE 2050) [3] en de Inventarisatie inpassing in het elektriciteitsnet van 6000 MW offshore windvermogen in 2020 [4] van Kema en Technische Universiteit Delft. De uitwerking van de onderzoeksvisie start met de omschrijving van een drietal uitgangspunten. Vervolgens wordt de visie vervat in vijftien stellingen. Deze zijn gegroepeerd in zes rubrieken: brandstofinzet, opwekking, im- en export, infrastructuur, opslag, milieu. Uitgangspunten Bij het ontwikkelen van de visie is uitgegaan van een aantal veronderstellingen. Deze uitgangspunten zijn: 1. De groei in het elektriciteitsverbruik is doorgezet (met jaarlijks 2,2 – 2,5%) en het aandeel van elektriciteit in de energievoorziening is fors toegenomen van 14% van het finaal energiegebruik in 2000 naar circa 20 – 25% in het jaar 2030. 2. Het energiebeleid tussen de lidstaten van de Europese Unie is in hoge mate geconvergeerd. Overkoepelende EU-doelstelling in het energiebeleid is het bereiken van een duurzame energiehuishouding. De subdoelstellingen (betaalbaar, betrouwbaar, schoon) gelden onverkort, ook voor het elektriciteitsbeleid. Dit vertaalt zich in de praktijk vooral als volgt: • betaalbaar – er is een volledig vrije EU-markt voor elektriciteit ontstaan. • betrouwbaar – door de afgenomen gasvoorraden is de inzet van gas in de Nederlandse energievoorziening verminderd. Met het oog op de voorzieningszekerheid en het milieu is er nog steeds apart beleid ter stimulering van duurzame energie. • schoon – duurzaamheidvoorwaarden, waaronder CO2-reductie, zijn in het Europese marktsysteem op geharmoniseerde wijze geïnternaliseerd (via het belastingsysteem,

102

Opwekking en Netten

dan wel via systemen van verhandelbare rechten en plichten). Exergie is als uitgangspunt voor nieuwe energiesystemen algemeen geaccepteerd. 3. Het elektriciteitsnetwerk is in omvang gegroeid en meer landen zijn onderling gekoppeld; Noord Afrika en Oost Europa (inclusief Rusland) zijn verbonden met het Europese netwerk. Visie: kenmerken elektriciteitshuishouding tussen nu en 2030 brandstofinzet 1. Mede vanwege de invoering van emissiehandel (+ CO2-belasting) verandert de brandstofinzet bij een deel van de elektriciteitscentrales. Inzet van fossiele brandstoffen komt onder druk: • Steenkolen zijn deels vervangen door andere brandstoffen. Niettemin zijn er in 2030 nog kolencentrales, deels in de vorm van kolen en/of biomassavergassing, maar ook deels met bij-/ meestook van biomassa (zie het aandachtsgebied ‘Biomassa’). • De inzet van gas in de Nederlandse elektriciteitsvoorziening zal mogelijk verminderen, mede als gevolg van de afgenomen lokale gasvoorraden. Elders neemt de gasinzet echter nog aanzienlijk toe. 2. Het effect van het beleid ter ondersteuning van duurzame energie vertaalt zich in hoge mate naar elektriciteit, met name via inzet van wind en biomassa. Ongeveer 25 – 35% van de elektriciteit wordt duurzaam opgewekt. 3. De windparken op zee zijn volwassen. Na het bereiken van de overheidsdoelstelling van 6.000 MW in 2020 groeien deze daarna mogelijk nog verder door. opwekking 4. Wegens transportkosten en vermijding van netverliezen vindt elektriciteitsproductie zo dicht mogelijk bij de gebruiker plaats. De ontwikkeling van decentrale huishoudelijke systemen zoals micro-wkk en duurzame energiesystemen in de gebouwde omgeving (zie het aandachtsgebied ‘Gebouwde omgeving’) heeft zich doorgezet. Daardoor is de elektriciteitsproductie meer gedecentraliseerd. 5. Voor het overige vindt de elektriciteitsopwekking grootschalig plaats op daartoe geëigende vestigingsplaatsen aan de kust en offshore (windparken). import / export 6. Vanwege de lange termijn doorwerking van het gevoerde energiebeleid zijn er nog steeds grote verschillen in de brandstofinzet in de EU-lidstaten (bijv. in Frankrijk kernenergie). Ook klimatologische en geografische verschillen dragen bij aan deze verschillen. 7. Als gevolg van de verschillende kosten van opwekking binnen de (uitgebreide) EU leidt de rechtstreekse concurrentie tussen diverse brandstofopties tot bulktransporten van elektriciteit over grote afstand. In Nederland zal stroomuitwisseling met het buitenland plaatsvinden in de ordegrootte van tien procent van haar verbruik. infrastructuur/ netten 8. De hoofdstructuur van het net, de gekozen spanningsniveau’s en de gewenste redundantie in het net zullen mogelijk gewijzigd zijn. 9. De elektriciteitsnetten zijn sterk geautomatiseerd en voorzien van intelligente systemen waardoor ze zelfsturend zijn en waardoor de betrouwbaarheid zeer hoog is. 10. Het gedecentraliseerde vermogen wordt op een groot aantal punten in de netwerken ingevoed. Veelal zijn vermogenselektronische omzetters nodig om de diverse

103

Opwekking en Netten

energievormen te converteren. Bovendien is er speciale apparatuur (ook voor elektriciteitsopslag) die de stabiliteit garandeert. 11. De infrastructuur wordt in toenemende mate ondergronds uitgevoerd. 12. Zeekabelverbindingen worden aangelegd. Vanwege de omvang van de offshore windparken is een robuust netwerk met hoge transportcapaciteit nodig, waarschijnlijk in de vorm van HVDC. 13. De uitwisseling met Europese landen, die niet tot de EU behoren, kan een stempel drukken op het type transportnetwerk, dat wordt toegepast. Hiervoor bestaat een aantal opties met sterk verschillende eigenschappen. Het is thans onvoorspelbaar welke optie wordt gerealiseerd. opslag 14. Opslagsystemen kunnen mogelijk onmisbaar blijken te zijn voor de voorzieningszekerheid en de kwaliteit van de stroomlevering in systemen met een groot aandeel variabele bronnen. milieu 15. De noodzakelijk geachte veranderingen in de elektriciteitsvoorziening zijn niet alleen technisch en economisch realiseerbaar, maar worden ook door de maatschappij geaccepteerd vanwege het streven naar duurzaamheid. Dit betekent dat er wordt gestreefd naar minimalisatie van negatieve effecten op het milieu gedurende de gehele levenscyclus van technologieën (LCA). Niet alleen technische oplossingen zijn van belang, maar ook de vraag hoe deze in de maatschappij zullen worden beleefd. Sociaal-wetenschappelijk onderzoek 16. Voor de succesvolle toepassing van een nieuwe technologie is naast technologisch onderzoek ook sociaal-wetenschappelijk onderzoek noodzakelijk (zie 5.3). 5.2.2 Afbakening Om de visie uit de vorige paragraaf te realiseren moeten nieuwe technologieën worden ontwikkeld. Dit leidt tot de onderzoeksdoelen die in de volgende paragraaf nader worden gedefinieerd. Daarbij wordt alleen rekening gehouden met de technologie-opties die zijn beschreven in paragraaf 5.1.1. Binnen dit aandachtsgebied is ‘Opwekking’ beperkt tot één speerpunt: de windconversie offshore. Het gebied ‘Netten’ bevat de speerpunten ‘Elektriciteitstransport, voorzieningszekerheid, netinpassing, vermogenselektronica’ en ‘Elektriciteitsconversie, power quality, custom power, converters, EMC’. Ondersteunend aan de speerpunten uit de gebieden Opwekking en Netten is het thema ‘Elektriciteitsopslag’ met het kennisimportthema ‘Elektriciteitsopslag: individuele opslagtechnieken voor netkoppeling’. Deze vier thema’s zijn opnieuw afgebakend zodat er sprake is van complementariteit en aanvulling. Tevens wordt hierdoor overlap vermeden. Op deze wijze ontstaan vier onderzoeksterreinen binnen het aandachtsgebied ‘Opwekking en netten’, waarvan de samenhang is weergegeven in onderstaande figuur.

104

Opwekking en Netten

ontwerpkennis inpassing

componenten elektriciteitsopslag

technische transitie elektricteitsnetten

beheer & instandhouding

Figuur 5.1. Samenhang van de onderzoeksterreinen binnen het aandachtsgebied ‘Opwekking en netten’ Doordat het aspect opwekking louter betrekking heeft op windconversie offshore, is voor dit speerpunt met name de zeer hoge betrouwbaarheid en kosteneffectiviteit kenmerkend, die van nieuw te ontwikkelen technologie wordt geëist. Hieraan is het onderzoeksterrein ‘Ontwerpkennis’ gewijd. De opgewekte energie uit wind zal moeten worden opgenomen in het systeem. Door het sterk fluctuerende karakter is het een uitdaging om dit op economische wijze te laten verlopen. Hieraan is het onderzoeksterrein ‘Inpassing’ gewijd. Deze twee onderzoeksterreinen vormen samen het oorspronkelijke speerpunt windconversie offshore. Het bestaande landnet zal middels een technische transitie geschikt moeten worden gemaakt voor de toekomstige duurzame energievoorziening. Deze technische transitie elektriciteitsnetten vormt het derde onderzoeksterrein. Uiteraard heeft dit gevolgen voor het beheer en instandhouding, het vierde onderzoeksterrein. Op deze wijze zijn de twee laatste onderzoeksterreinen ontstaan in hun onderlinge samenhang voor het thema ‘Netten’. Aangezien er met name bij het gebied ‘Netten’ nauwe raakvlakken bestaan met het IOPEMVT heeft de programmavoorbereidingscommissie de speerpunten en importthema’s op dit gebied zodanig uitgewerkt dat sprake is van een goede afstemming. Dit geldt evenzeer voor het gebied ’Opwekking’ in relatie tot het BSIK-programma ‘Large-scale windpower generation offshore’. Samenvattend Opwekking bestaat uit één speerpunt ‘Windconversie offshore’ dat is opgedeeld in twee onderzoeksterreinen: - ontwerpkennis; - inpassing. Netten bestaat uit twee speerpunten en één kennisimportthema, die zijn uitgewerkt in de onderzoeksterreinen: - technische transitie elektriciteitsnetten; - beheer en instandhouding.

105

Opwekking en Netten

De speerpunten uit de thema’s ‘Opwekking’ en ‘Netten’ worden ondersteund door het thema ‘Elektriciteitsopslag’, welke is uitgewerkt in het kennisimportthema: elektriciteitsopslag: individuele opslagtechnieken voor netkoppeling. Onderzoeksterreinen De voorgaande afbakening heeft geleid tot vijf onderzoeksterreinen, waarbinnen projecten uitgevoerd moeten worden om nieuwe technologieën te ontwikkelen, die leiden tot realisatie van de visie. Het gaat hierbij in de eerste plaats om de ontwerpkennis voor offshore windparken, die windenergie concurrerend moet maken met fossiele opwekking op land in het jaar 2020, en die bovendien de inpassing in het landnet realiseert zonder instabiliteit te veroorzaken of nieuwe knelpunten introduceert. Daarbij is opslag van elektriciteit mogelijk een onmisbaar element. Daarnaast wordt een traject geformuleerd en worden oplossingen aangedragen om vanuit het bestaande landnet een net te realiseren dat toegesneden is op een duurzame energievoorziening in 2030. Deze onderzoeksterreinen worden in de volgende paragrafen nader gedefinieerd door beschrijvingen, waarbij doelstellingen en doorbraken expliciet zijn geformuleerd. 5.2.3 Speerpunt Windconversie offshore Binnen dit aandachtsgebied heeft ‘Opwekking’ betrekking op windconversie offshore, dat is opgedeeld in de onderzoeksterreinen ‘Ontwerpkennis’ en ‘Inpassing’.





5.2.3.1 Onderzoeksterrein Ontwerpkennis Doelstelling: Windconversie offshore is concurrerend (kostenniveau per geleverde kWh) met fossiele opwekking op land in 2020. Toekomstige offshore windparken worden ontworpen op specifieke, deels extreme offshore condities. Vanwege lagere kosten en eenvoudigere bouw en constructie zullen andere ontwerpen van turbines in beeld komen. Extreme betrouwbaarheidseisen vereisen windturbines met een minimum aan gevoelige onderdelen en dit zal leiden tot bijvoorbeeld de ontwikkeling van direct aangedreven generatoren met zeer grote vermogens. Ontwikkelingen in andere technologievelden (aërodynamica, sterke materialen, vermogenselektronica, EMVT, nanotechnologie, ICT) zullen kosteneffectieve concepten mogelijk maken, zoals magnetische lagers en grote, snellopende rotoren. De windparken zullen worden ontworpen op hoge opbrengst per turbine en de regelsystemen zullen de output van de gehele windenergiecentrale optimaliseren in de zin van elektriciteitsproductie,

106

Opwekking en Netten

'dispatchability', en belastingsfactor. De eisen aan de regelbaarheid van een windenergiecentrale en de kwaliteit van de opgewekte elektriciteit (blindstroomhuishouding, spanningsniveau, hogere harmonischen, dempen van korte termijn fluctuaties), zullen leiden tot de verdere ontwikkeling van vermogenselektronische omzetters en regelconcepten. Bij de bouw van zeer grote turbines (> 3 MW) in water moet ook rekening worden gehouden met typisch maritieme fysische verschijnselen zoals meteorologische verschijnselen en golfbelastingen, hetgeen eisen stelt aan ondersteuningsconstructies, assemblagetechnieken en onderhouden repareerbaarheid. De technologische doorbraak wordt gevormd door efficiënte bouwtechnieken en bedrijfsvoeringmethodieken. Richtingen van onderzoek die nodig zijn om deze doorbraak te realiseren betreffen met name: - nieuwe windturbine concepten, componenten en materialen; - assemblage-, bouwen transporttechnieken; - ondersteuningsconstructies; - onderhoud en reparatiemethoden; - regelstrategieën voor individuele omzetters en parkbedrijf als geheel. 5.2.3.2 Onderzoeksterrein Inpassing Doelstelling: Economische en betrouwbare inpassing van windparken in het Nederlandse net zonder dat hierdoor instabiliteit of knelpunten elders in het net ontstaan. Offshore windparken zullen een omvang hebben van 100 tot 500 MW en de output van meerdere parken zal tezamen gebracht worden op aansluitpunten van het hoogspanningsnet (inpassing). Naast het feit dat het vermogen moet worden afgevoerd vanaf de plaatsen waar het wordt opgewekt naar de inpassingsplaatsen, heeft de grootschalige inpassing van windvermogen ook systeemconsequenties. De output is namelijk sterk fluctuerend en nog nauwelijks stuurbaar. De balans tussen vraag en aanbod moet worden verkregen door bedrijfsmiddelen op het land via het vrije-marktmechanisme. Het gevolg is dan onherroepelijk dat bij meer windvermogen een betrouwbare voorspelling van het aanbod in relatie tot de vraag essentieel wordt. Tevens zijn technieken nodig die gericht de output kunnen aanpassen. Een andere aanpak om de balans te handhaven is door gebruik te maken van opslagtechnologie – buffering – waardoor het aanbodpatroon kan worden gewijzigd in een ‘vlakkere’ vorm. Hierdoor worden de verbindingen efficiënter benut en het beroep op regelvoorzieningen van bedrijfsmiddelen op het land verminderd. Omzetten van windenergie in een andere energievorm dan elektriciteit, die beter is op te slaan en die op de gewenste momenten kan worden gebruikt, is hierbij een optie. Opslagtechnieken worden daarmee onderdeel van de inpassing, waarvoor systeemonderzoek nodig is. Onder systeemonderzoek wordt hier verstaan onderzoek naar modellen, scenario’s, simulaties en beslisgereedschappen voor het inzetten van opslagsystemen in het elektriciteitsnet voor de inpassing van grote windparken, inclusief efficiëntie en kosten. Integrale systeemsimulaties geven inzicht in het gedrag van windconversiesystemen, al dan niet met opslagsystemen en met het net met de bestaande opwekkers. Hierbij zijn twee tijdschalen aan de orde: de korte termijn vermogensfluctuaties en verstoringen in het systeem (seconden – minuten) die tot instabiliteit in het systeem kunnen leiden, en de langere termijn fluctuaties (kwartieren – dagen) die de leveringszekerheid nadelig kunnen beïnvloeden. De juiste modellen, regelingen en signaleringsfuncties zijn vereist om het probleem te behandelen. De grootste verstoringen komen van kortsluitingen in het net dan wel van snelle 107

Opwekking en Netten

afval van grote hoeveelheden windvermogen, bijvoorbeeld door stormfronten of door storingen in het net op zee. De langere termijn vermogensfluctuaties zijn naast technisch ook organisatorisch van aard. Beurzen, procedures en routines spelen hierbij een rol. De technologische doorbraak wordt gevormd door de integrale systeemaanpak van inpassing van windvermogen. Richtingen van onderzoek die nodig zijn om deze doorbraak te realiseren betreffen met name: - integrale regelstrategie; - systeemonderzoek naar opslagsystemen; - consequenties voor bestaande productiecapaciteit op land; - consequenties voor bedrijfsvoering landnet (stabiliteit en capaciteit); - voorspelmethoden (vermogensaanbod in relatie tot de vraag), waaronder windvoorspelling. 5.2.4 Thema Netten Binnen dit aandachtsgebied heeft Netten betrekking op de twee onderzoeksterreinen: ‘Technische transitie elektriciteitsnetten’ en ‘Beheer en instandhouding’.





5.2.4.1 Onderzoeksterrein Technische transitie elektriciteitsnetten Doelstelling: Het formuleren van een evolutietraject met de beschikbaarheid over de noodzakelijke technologieën voor de overgang van het huidige naar het toekomstige net, dat een duurzame energievoorziening mogelijk maakt in het jaar 2030. Het onderzoeksdoel bevat elementen uit de thema’s ‘Elektriciteitstransport: voorzieningszekerheid, netinpassing en vermogenselektronica’ en ‘Elektriciteitsconversie, power quality, custom power converters, EMC’. Met name die aspecten/doorsnede uit de genoemde thema’s die leiden tot een integrale energiebenadering en een transitietraject naar een duurzame energievoorziening in 2030 vormen de kern van dit onderzoeksterrein. Tot dusverre ontbreekt een dergelijke benadering. In de visie van een duurzame energievoorziening is de leveringszekerheid gewaarborgd met een zekere economische efficiëntie en is deze ecologisch houdbaar. Het elektriciteitsnet, waarop deze duurzame energievoorziening is gebaseerd, zal in staat moeten zijn om grote

108

Opwekking en Netten

hoeveelheden capaciteit aan duurzame energiebronnen op te nemen, zowel geconcentreerd in het geval van grootschalige offshore windparken als gedistribueerd in de vorm van grote hoeveelheden kleinschalige decentrale bronnen zoals PV en micro-wkk. De bedrijfsvoering van het toekomstige net moet flexibel kunnen inspelen op (grote) fluctuaties van zowel vraag als aanbod en op het gebied van Power Quality de mogelijkheid bieden tot differentiatie van kwaliteit (naar behoefte van klanten). Aansluitend bij het advies van de Algemene Energieraad [5,6] over het net ‘evolutie of revolutie’ zal er een transitie moeten worden gerealiseerd van de bestaande huidige netstructuur (inclusief bedrijfsvoering) naar een voor de toekomst geschikt net dat door zijn robuustheid en flexibiliteit (grotendeels) onafhankelijk is geworden van de precieze economische en maatschappelijke ontwikkeling (de weg) die gevolgd wordt. Er wordt voorzien dat dit net qua ontwerp er nagenoeg zo uitziet als het huidige. De verschillen zullen voornamelijk gelegen zijn in de besturing, bewaking en beveiliging aangezien energiestromen deels anders gaan lopen. Er zullen specifieke nieuwe componenten worden opgenomen zoals vermogenselektronische oplossingen voor bijvoorbeeld vermogenssturing, spanningshandhaving, Power Quality en kortsluitstroombegrenzing. Het gaat daarbij ondermeer om opslagsystemen voor de beheersing van fluctuaties tussen vraag en aanbod en mogelijk hoge temperatuur supergeleidende applicaties voor het opheffen van knelpunten, maar ook ontkoppeling van netdelen middels DC-verbindingen ter vergroting van de robuustheid. Opslagtechnieken worden daarmee onderdeel van het net, waarvoor systeemonderzoek nodig is. Onder systeemonderzoek wordt hier verstaan onderzoek naar modellen, scenario’s, simulaties en beslisgereedschappen voor het inzetten van opslagsystemen in het elektriciteitsnet voor de inpassing van variabele bronnen, inclusief efficiëntie en kosten. Daarnaast zullen er compactere systemen ontstaan en zal een nog verdere verschuiving van het net naar de ondergrond plaatsvinden. Naast deze technische ontwikkelingen is het essentieel voor het slagen van deze transitie dat er inzicht ontstaat in het gedrag van marktpartijen en de gevolgen voor de netten als gevolg van marktwerking en regulering. Dit laatste is in feite leidend. Binnen het aandachtsgebied ‘Opwekking en netten’ verdient ‘Netten op zee’ aandacht. In de ‘Electricity Technology Roadmap’ [2] wordt een Noordzee Windfestival voorzien. De functie van netten op zee is het aansluiten van enerzijds de opwekkers zoals windparken op zee en anderzijds het aansluiten van verbruikers op land. Er bestaat nog nauwelijks een beeld van hoe een dergelijk net er conceptueel uit zou kunnen zien, wat de eisen zijn waar het aan moet voldoen, welke (nieuwe) componenten benodigd zijn, hoe de bedrijfsvoering zou moeten plaatsvinden en wat de bedrijfszekerheid ervan is. Ook de kosten van aanleg zijn nooit goed ingeschat. De technologische doorbraak is gelegen in de ontwikkeling van gereedschap voor de integrale multi-actor analyse. Richtingen van onderzoek die nodig zijn om deze doorbraak te realiseren betreffen met name: - hoe zien de netten er in de toekomst uit, met inbegrip van de industriële netten; - toepassing vermogenselektronica en gelijkstroom; - flexibiliseren en intelligent maken van het bestaande net; - nieuwe componenten die noodzakelijk zijn; - systeemonderzoek naar opslagsystemen als onderdeel van het net; - inrichting van de toekomstige beveiliging, besturing en bedrijfsvoering; - systeemontwerp: welke technologie voor netten op zee is toepasbaar; - nieuwe componenten en zeewaardig maken van componenten en systemen; - gedrag en regelstrategie DC-net. 109

Opwekking en Netten

5.2.4.2 Onderzoeksterrein Beheer en instandhouding Doelstelling: Maatschappelijk verantwoorde (sustainable) uitnutting van netten in capaciteit en tijd. Vanwege de essentiële rol van onderhoud en beheer, met een kostenaandeel van 35%, is ‘Beheer en instandhouding’ een belangrijk onderzoeksterrein. Anticiperend op de grote veranderingen in het energiescenario met veel decentraal werkende opwekeenheden en netten, zullen de prioriteiten liggen bij twee hoofdrichtingen: • procesgeoriënteerd technisch, economisch en sociaal onderzoek met het oog op efficiëntie, milieu en betrouwbaarheid; • systeemgeoriënteerd onderzoek naar het verkrijgen en verwerken van informatie voor kennisgeneratie, beslissingsondersteuning en uitwisseling met intelligente systemen. Om de betrouwbaarheid van de elektriciteitsvoorziening te garanderen bij hogere uitnutting van het net is inzicht in de relatie tussen de belasting van componenten en veroudering essentieel. Uitgaande van de beoogde ‘sustainability’ moeten voor transport- en distributienetten vele nieuwe technische concepten worden gevonden, omdat hier zowel economisch als ecologisch nog veel te verdienen valt door geavanceerde systemen met geïntegreerde sensoren, keuzes voor componenten en systemen met geringere milieubelasting (materialen, verliezen, geluid) toe te passen. Om technische, economische en ecologische informatie in de beslissingssystematiek op te nemen zijn geavanceerde hulpmiddelen, zoals in de componenten geïntegreerde ‘intelligentie’, nodig waarmee geautomatiseerd beheer op afstand in de toekomst mogelijk wordt. Beslissingsondersteuning op systeemniveau over individuele componenten, op basis van kennisregels en referentiegegevens in ondersteunende informatiesystemen, moet worden ontwikkeld. De technologische doorbraak is gelegen in het succesvol combineren van ecologie met efficiëntie. Richtingen van onderzoek die nodig zijn om deze doorbraak te realiseren betreffen met name: nieuwe ‘sustainable’ technieken, materialen en hulpmiddelen voor beheer en instandhouding toepasbaar maken van diagnostieken voor transport- en distributienetten en componenten

110

Opwekking en Netten

5.2.5 Elektriciteitsopslag Ondersteunend aan de speerpunten uit de aandachtsgebieden ‘Opwekking’ en ‘Netten’ is het thema ‘Componenten voor elektriciteitsopslag’.





5.2.5.1 Onderzoeksterrein Componenten voor elektriciteitsopslag Doelstelling: Economisch efficiënte en betrouwbare technieken voor elektriciteitsopslag die het balanceren van variabele vraag en aanbod mogelijk maken. Opslag van elektriciteit kan voor balanshandhaving in de toekomst, als onderdeel van een integrale systeemaanpak van de inpassing van windvermogen (maar ook van andere vormen van variabele opwekking), onmisbaar blijken te zijn. Dat geldt ook voor de technische transitie van de elektriciteitsnetten (zie paragraaf 5.2.4.1). Er is inmiddels een breed spectrum aan opslagtechnieken bekend, met een grote variëteit aan opslagcapaciteit en vermogens: technieken met grote energie-inhoud met vermogens van duizenden tot honderden megawatts voor enkele tot tientallen uren (zoals pompaccumulatie en Compressed Air Energy Storage); technieken met middelgrote energie-inhoud met vermogens van enkele megawatts tot tientallen kilowatts voor tientallen tot enkele uren (zoals flow batterijen en vliegwielen); en technieken met kleinere energie-inhoud zoals accu’s en SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage). Naar toepassingsgebied onderverdeeld zijn dat: - netgekoppelde opslagsystemen (pompaccumulatie, CAES, flow batterijen, vliegwielen, accu’s, SMES); - autonome opslagsystemen (batterijen en accu’s); - opslagsystemen in voertuigen (accu’s, vliegwielen, waterstof). Deze onderverdeling naar toepassingsgebied van de systemen, is gebaseerd op een inschatting over de omvang van de toekomstige bijdrage aan een duurzame energiehuishouding. Hun rol daarbij kan grootschalige toepassing zijn, zoals enkele systemen met grote energie-inhoud als onderdeel van het hoogspanningsnet tot vele honderdduizenden systemen met kleine energieinhoud in het laagspanningsnet, autonoom of in voertuigen. Van netgekoppelde opslagsystemen nemen we aan dat deze de grootste directe bijdrage kunnen leveren aan een duurzame energiehuishouding. Lange termijn onderzoek moet zich richten op (nieuwe vormen van) netgekoppelde opslagsystemen als individueel component van het net, waarvan aannemelijk is dat die in Nederland (bijvoorbeeld door geografische, geologische, economische impact) toegepast kunnen worden. Voor autonome systemen

111

Opwekking en Netten

nemen we aan dat de directe bijdrage aan de duurzame energiehuishouding klein is, en onderzoek daarnaar is binnen dit onderzoeksprogramma daarom niet mogelijk. De technologische doorbraak is gelegen in de toepassing van netgekoppelde, compacte, economisch efficiënte en betrouwbare opslagsystemen, die in Nederland toepasbaar zijn. Richtingen van onderzoek op het gebied van elektriciteitsopslag in dit importthema: - individuele opslagtechnieken voor netkoppeling



Bewijslast Het Ministerie van Economische Zaken gaat er vanuit dat er in beginsel bij ieder onderzoek van een nieuwe technologie ook sociaal-wetenschappelijke aspecten spelen. Als een 112

Opwekking en Netten

aanvrager van mening is dat dit niet het geval is, moet hij dit in het projectplan aantonen. Ook dient de aanvrager aan te tonen op welke wijze de kennisoverdracht geborgd is. In de volgende alinea staan de sociaal-wetenschappelijke onderzoeksvragen verwoord. Deze vragen zijn opgesteld door een aparte programmavoorbereidingscommissie voor het sociaalwetenschappelijk energieonderzoek. Voor het opstellen van de teksten is gebruik gemaakt van interviews met de markt (afnemers én aan bieders van sociaal-wetenschappelijk onderzoek) en een workshop. De conceptteksten zijn ter commentaar verstuurd aan de deelnemers van de workshop en de interviews. Onderzoeksvragen Voor de 1) verbetering, 2) sturing en 3) versnelling van de ontwikkeling en implementatie van nieuwe en bestaande energietechnologie zijn de volgende onderzoeksvragen van belang. 1.






113

Opwekking en Netten


5.4 Referenties 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8. 9.

Resultaten Voorverkenning EOS2; SenterNovem, juni 2003. Electricity Technology Roadmap – technologie voor een duurzame samenleving; Kema, april 2002. Energie en samenleving in 2050 – project Lange Termijn Visie Energievoorziening; Ministerie van Economische Zaken, Den Haag december 2000. Inventarisatie inpassing in het elektriciteitsnet van 6000 MW offshore windvermogen in 2020 – rapport 402.60104-TDC02-30160A, Kema en Technische Universiteit Delft, augustus 2002 Energie-infrastruktuur: tijd voor verandering?; briefadvies, vastgesteld op 30-01-2003; Algemene Energieraad, Den Haag. Transitie naar een duurzame energievoorziening 2050: evolutie of revolutie? rapportnummer ECN-C--02-078, ECN Beleidsstudies oktober 2002 Innovatie in het Energiebeleid – energietransitie: stand van zaken en vervolg; rapport van Ministerie van Economische Zaken, Den Haag 27 april 2004. UCE (Lysen, Van Egmond en Hagedoorn, september 2006) Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland, in opdracht van SenterNovem (NEO 026805-05-01-002)

114

Lange Termijn EOS-onderzoeksprogramma s

Recommend Documents