De mogelijkheden van hernieuwbare energie ten volle benutten

Belangrijkste inzichten

  • Gedecentraliseerde productie van hernieuwbare energie vormt een uitdaging voor de huidige structuur van de elektriciteitsmarkt. Die markt gaat immers uit van een voortdurende balans tussen vraag en productie, maar de productie van zonne-energie piekt overdag, wanneer veel gebruikers niet thuis zijn.
  • Dit doctoraatsonderzoek past het bestaande concept van vraagrespons bij gebruikers voor het eerst toe op het niveau van de elektriciteitsmarkt.
  • De introductie van het concept van vraagrespons op de groothandelsmarkt kan de totale exploitatiekost van het energiesysteem verminderen, maar er is nog veel discussie en onduidelijkheid rond de vergoeding van vraagrespons.
  • Om hernieuwbare energiebronnen écht te integreren in het huidige elektriciteitssysteem moet de groothandelsmarkt worden opengesteld voor gebruikersparticipatie.

Beleidswijzigingen en technologische ontwikkelingen hebben ervoor gezorgd dat de geïnstalleerde capaciteit aan hernieuwbare energiebronnen, zoals windenergie en zonne-energie, flink is toegenomen. Het gevolg daarvan is dat we heel wat meer (variabele en gedecentraliseerde) hernieuwbare elektriciteit produceren. Consumenten worden steeds vaker prosumenten. De huidige structuur van de elektriciteitsmarkt maakt het echter erg moeilijk om met de gevolgen van deze verschuiving om te gaan. Hoe kunnen we écht profiteren van hernieuwbare energie? In haar doctoraatsthesis maakt Ariana Ramos een kwalitatieve en – wat vooral belangrijk is – een kwantitatieve analyse van de uitdagingen, en geeft ze een aantal mogelijke oplossingen.

Het evenwicht wordt bedreigd

Ons elektriciteitsnet werd ontwikkeld om te allen tijde in balans te zijn: we moeten dus evenveel energie produceren als er wordt verbruikt. Dit bijzondere aspect van het net zien we ook terug in de manier waarop de groothandelsmarkten voor elektriciteit werken (zie kadertekst). Maar dit balanssysteem komt steeds meer onder druk te staan door de opkomst van gedecentraliseerde bronnen voor hernieuwbare energie en slimme nettoepassingen. Ariana legt uit: “Bij hernieuwbare energiebronnen zijn aanbod en vraag niet altijd met elkaar in evenwicht. De productie van zonne-energie piekt overdag, wanneer we niet thuis zijn. En als dan we 's avonds thuiskomen, willen we de wasmachine aanzetten of onze elektrische auto opladen.”

Vraagrespons

“Met mijn onderzoek wil ik het concept ‘vraagrespons’ introduceren in het marktontwerp. Vraagrespons betekent dat gebruikers reageren op signalen dat hernieuwbare energie beschikbaar is. Ze passen hun consumptiepatronen dus aan volgens bepaalde signalen. Die signalen, en de reacties erop, kunnen automatisch verlopen – denk maar aan een thermostaat die de temperatuur aanpast naargelang het tijdstip van de dag. Maar ze kunnen evengoed een actie van de gebruiker vragen. Zo kun je bijvoorbeeld de was 's avonds laat doen, wanneer de elektriciteit goedkoper is.”

Vraagrespons is al eerder bestudeerd, maar de nadruk lag tot nog toe vooral op het activeren van gebruikers. De thesis van Ariana is een van de eerste publicaties met een ruimere invalshoek: zij past het concept toe op de context van de elektriciteitsmarkt. “Ik heb het probleem geanalyseerd op twee niveaus: eerst op het niveau van de bestaande groothandelsmarkt, en daarna op het niveau van de mogelijke lokale markten in de toekomst.”

De rol van de aggregator

Hoe kan vraagrespons worden geïntegreerd in de groothandelsmarkt (day-ahead), en hoe beïnvloedt dat de verschillende marktdeelnemers? “Voor een efficiëntere organisatie kan de vraagrespons worden geaggregeerd. Je maakt dan gebruik van een tussenpersoon of aggregator, die de flexibiliteit van verschillende consumenten samenbrengt en verkoopt op de day-aheadmarkt”, legt Ariana uit. “Maar consumenten hebben nu al contracten met retailers, die op basis van bepaalde veronderstellingen en voorspellingen energie verhandelen in naam van de consument. Op die manier kunnen er natuurlijk conflicten ontstaan. In mijn kwantitatieve analyse ga ik na wat het effect is van de aggregator op de retailer, en op welke manier het gedrag van de consument of de gebruiker erdoor wordt beïnvloed.”

Het arbitrage-effect

Ze gaat verder: “Er is al heel wat discussie geweest over de vergoeding van vraagrespons. Moet vraagrespons worden beschouwd en betaald als een dienst (dus een vergoeding voor een flexibiliteitsdienst die de consument levert aan de markt)? En als je besluit ervoor te betalen, hoe hoog moet die vergoeding dan zijn? En moet de retailer een vergoeding ontvangen van de aggregator, of niet? Verschillende landen hebben daarin verschillende keuzes gemaakt. Ik heb een kwantitatief optimalisatiemodel ontwikkeld om de verschillende vergoedingsmogelijkheden te analyseren, en ik heb vastgesteld dat vraagrespons een hoog arbitrage-effect heeft. Voor de huidige marktdeelnemers, zoals de retailers, kan dit mechanisme dan ook erg winstgevend zijn.”

Ze wacht even en gaat verder: “Het is dan ook een beetje vreemd dat er nog geen gebruik wordt gemaakt van vraagrespons. Hoe komt dat? Ik kan alleen maar gissen naar het antwoord op die vraag. Een mogelijke verklaring is dat ook de retailers beschikken over portefeuilles voor de opwekking van energie. Het lijkt erop dat ze de voorkeur geven aan die productiebronnen, in plaats van te proberen om energie zo goedkoop mogelijk aan te kopen. Maar dat moet nog detail worden bestudeerd.”

Congestie als gebruikscasus

De lokale markt is nog grotendeels onontgonnen terrein. “De vragen die ik probeerde te beantwoorden, kan ik als volgt samenvatten: ‘Wat is de lokale vraag naar flexibiliteit, en hoe kun je een lokale markt voor flexibiliteit organiseren?’ Er bestaat nog geen consensus over welke partij verantwoordelijk moet zijn voor lokale flexibiliteitscontracten. Is dat de taak van de transmissienetbeheerder (TSO), de distributienetbeheerder (DSO), een onafhankelijke aggregator of een derde partij?”

De verschillende mogelijkheden werden zowel kwalitatief als kwantitatief geanalyseerd. Ariana ontwikkelde een methode en empirische modellen om de lokale vraag naar flexibiliteit te analyseren. Ze gebruikte netcongestie als een gebruikscasus en ging na hoe congestie kan worden opgelost met behulp van flexibiliteit. De prijs- en vraagcriteria werden gedefinieerd vanuit het oogpunt van de distributienetbeheerder.

De distributienetbeheerder heeft de touwtjes in handen

In een eerste casestudy is de DSO de enige operator. Hij koopt flexibiliteit van consumenten tegen kostprijs, om te vermijden dat het elektriciteitsnet moet worden versterkt. “Traditioneel zou een DSO de congestie oplossen door extra lijnen toe te voegen. We kunnen er dus van uitgaan dat een DSO nooit meer zal betalen voor flexibiliteit dan de kostprijs van een extra lijn. Bij flexibiliteitscontracten bestaat immers het risico dat de flexibiliteitsaanbieder niet levert, terwijl alle noodzakelijke ingrepen voor een netversterking volledig onder de controle van de DSO vallen. De analyse toont aan dat flexibiliteitscontracten een enorm kostenbesparingspotentieel hebben: de DSO zou de investeringen in de netuitbreiding met meer dan 60% kunnen verminderen.”

Flexibiliteit en lokale concurrentie

In een tweede casestudy wordt het flexibiliteitsprobleem op een andere manier opgelost. Nu concurreren de DSO en een retailer met elkaar voor de aankoop van flexibiliteit die door een aggregator wordt aangeboden. In dit scenario is de aggregator de enige leverancier van flexibiliteitsbronnen, die hij verkoopt aan de hoogste bieder. En wat blijkt uit de analyse? Als de aggregator in staat is om een monopolieprijs vast te stellen, valt deze bilaterale aanbesteding voor flexibiliteit minder voordelig uit voor de DSO dan het eerste scenario. De bereidheid tot betalen van de DSO is groter dan die van de retailer, en dus wint de DSO de aanbesteding in de meeste gevallen. Daardoor kan de DSO de investeringskosten met minder dan 20% verminderen. De retailer kan op zijn beurt de balancingkosten licht verminderen: dit zijn de geldboetes die worden opgelegd bij het verhandelen van flexibiliteit op de balancingmarkt (zie zijbalk).

Algemene conclusies

Wat waren de algemene conclusies en bevindingen?

  • Vraagrespons introduceren in de groothandelsmarkt zou het sociale welzijn kunnen vergroten. Als gebruikers reageren op beschikbaarheidssignalen, en gebruikmaken van goedkopere middelen wanneer die beschikbaar zijn, zou dat de totale exploitatiekosten van het energiesysteem verminderen. Dit effect is ruimschoots gedocumenteerd in de literatuur.
  • Er wordt nog te weinig geprofiteerd van vraagrespons. Gezien het hoge arbitrage-effect van vraagrespons, moeten eventuele tegenstrijdige belangen van de retailers evenwel nog verder worden onderzocht.
  • Het is belangrijk dat vraagrespons op de groothandelsmarkt wordt gestimuleerd. Op dit moment zijn er immers bepaalde factoren die de markttoegang belemmeren: een aggregator moet op voldoende grote schaal opereren om deel te kunnen nemen aan de markt, en flexibiliteit leveren kost geld.
  • Om hernieuwbare energiebronnen écht te integreren in het huidige elektriciteitssysteem moet de groothandelsmarkt worden opengesteld voor gebruikersparticipatie.
  • De lokale markt zou in grote mate gebruik kunnen maken van flexibiliteitsdiensten, maar alleen als er aan de leverings- of aggregatorzijde sprake is van voldoende concurrentie om een monopoliepositie te vermijden. Om de markt aan te zwengelen, kunnen we dus beter beginnen met een semigereguleerde markt, waarbij de DSO als enige flexibiliteitsdiensten inkoopt. Naarmate de markt zich verder ontwikkelt, kunnen we dan evolueren naar een meer open en concurrerende markt.

Hoog tijd voor actie

Congestie is nu nog niet echt een probleem, maar dat wordt binnenkort anders. Het aantal elektrische voertuigen, zonnepanelen en slimme apparaten neemt immers voortdurend toe. “Ik heb een eerste poging gedaan om het probleem te kwantificeren, maar de meeste DSO's hebben geen flauw idee van de gegevens die ik in mijn simulaties gebruik. Zo weten ze bijvoorbeeld helemaal niet hoeveel zonne-energie de gebruikers met zonnepanelen opslaan op het net! Ze tasten in het duister, en dat maakt hen reactief in plaats van proactief. De distributienetbeheerders zullen in de toekomst een meer actieve rol moeten opnemen, en zullen nauw moeten samenwerken met de TSO. De coördinatie tussen alle belanghebbenden is essentieel, vandaar ook de titel van mijn thesis”, glimlacht Ariana.

De cijfers spreken klare taal

De partij met de grootste mond heeft haar zaakjes doorgaans ook het best voor mekaar, maar beleidsmakers zouden er goed aan doen om Ariana's thesis te lezen. “We bevinden ons op een kritiek punt in het debat dat het toekomstige energielandschap zal vormgeven. Eind vorig jaar publiceerde de Europese Commissie het maatregelenpakket ‘Schone energie voor alle Europeanen’, dat de consument centraal stelt in het energiesysteem. De voorgestelde wetgeving omvat maatregelen om de betrokkenheid van de consument te verhogen en aanbevelingen voor het vergoeden van de vraagrespons. Zoals verwacht, heeft dit veel stof doen opwaaien. Discussie- en lobbygroepen aarzelen niet hun opvattingen en meningen te ventileren, maar een echte kwantitatieve analyse laat nog steeds op zich wachten. Ik vind het belangrijk om een academische, objectieve stem te laten horen in dit debat – en dat is wat ik met mijn doctoraatsthesis wil bereiken.”

Ariana's boodschap aan de elektriciteitsconsument? “Wie meer betrokkenheid toont, zal daar de vruchten van plukken. Als gebruikers gaan deelnemen aan de elektriciteitsmarkt, zal dat de energieprijzen op de groothandelsmarkt flink naar beneden halen.”

Hoe werkt de groothandelsmarkt voor elektriciteit?
Zoals eerder vermeld, is het elektriciteitsnet zodanig ontworpen dat de opwekking op elk moment gelijk is aan het verbruik. De eindverantwoordelijke voor het behoud van dat evenwicht is de TSO – in België is dat Elia. Maar er zijn ook andere deelnemers op de groothandelsmarkt voor elektriciteit, met elektriciteitsgeneratoren en retailers zoals Electrabel. Er bestaan bovendien verschillende soorten elektriciteitsmarkten:

  • De termijn- en futuresmarkt is een langetermijnmarkt waar partijen elektriciteit verhandelen tot drie jaar voor de daadwerkelijke levering. Zo beperken ze de kwetsbaarheid voor prijsschommelingen.
  • Op de day-aheadmarkt, die ieder uur wordt geruimd, wordt elektriciteit één dag voor de daadwerkelijke levering verhandeld. Dit is de belangrijkste markt. Aan het einde van de dag wordt een gedetailleerd plan van opwekking en verbruik (nominaties) voorgelegd aan de TSO.
  • Op de leveringsdag zelf wordt elektriciteit verhandeld op de intradaymarkt, die continu wordt geruimd. Deze markt stelt alle partijen in staat om te corrigeren voor afwijkingen van hun day-aheadnominaties. Deze afwijkingen kunnen het gevolg zijn van een onverwachte stroomuitval, betere windverwachtingen enzovoort.
  • Eventuele onevenwichten tussen opwekking en vraag in reële tijd worden opgelost door de TSO: die houdt het systeem in balans door de reserves te activeren. Reserves worden verhandeld op de balancingmarkt.

Bron: ‘Coordination of Flexibility Contracting in Wholesale and Local Electricity Markets’ door Ariana Ramos. Thesis gepresenteerd in gedeeltelijke vervulling van de eisen voor de graad van Doctor in de Ingenieurswetenschappen aan de KU Leuven in 2017. Promotor: professor Ronnie Belmans (KU Leuven en Vlerick Business School). Het onderzoek werd mogelijk gemaakt door VITO - Vlaams Instituut voor Technologisch Onderzoek.

Accreditaties
& rankings

Equis Association of MBAs AACSB Financial Times