Energie Princetonlaan 6 3584 CB Utrecht Postbus 80015 3508 TA Utrecht TNO-rapport www.tno.nl TNO 2014 R11291 Speurwerkprogramma 2015-2018 Thema Energie Uitwerking 2015 Datum 30 september 2014 Auteur(s) Dr. J.H. Brouwer Prof. Dr. G.B. Huitema Ir. R.S. Westerga Dr. H.M.E. Miedema Ir. J. de Koning Autorisatie Dr. M.J. van Bracht Managing Director Energie Aantal pagina's Aantal bijlagen 53 Projectnummer 056.02061/01.02 - Geo Energie - Duurzame Energie - Systeemintegratie - Energie Gebouwde Omgeving - Algemeen Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor opdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan. © 2014 TNO T +31 88 866 42 56 F +31 88 866 44 75 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 2 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 3 / 53 Inhoudsopgave 1 Inleiding .................................................................................................................... 5 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Vraaggestuurd Programma “Geo Energie” .......................................................... 9 Inleiding ..................................................................................................................... 9 Visie en ambitie ....................................................................................................... 10 Geschiedenis en relatie tot Topsector Energie ....................................................... 11 Programma 2015-2018 ............................................................................................ 13 Hoofdlijnen programma 2015 .................................................................................. 15 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Vraaggestuurd programma “Duurzame Energie” .............................................. 25 Inleiding ................................................................................................................... 25 Visie ......................................................................................................................... 25 Roadmap 2015-2018 ............................................................................................... 26 Relatie Topsector Energie ....................................................................................... 30 Hoofdlijnen programma 2015 .................................................................................. 33 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Vraaggestuurd programma “Systeemintegratie” ............................................... 39 Inleiding ................................................................................................................... 39 Visie ......................................................................................................................... 40 Roadmap 2015-2018 ............................................................................................... 42 Relatie Topsector Energie ....................................................................................... 45 Hoofdlijnen programma 2015 .................................................................................. 45 5 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 Vraaggestuurd Programma “Energie Gebouwde Omgeving” .......................... 47 Achtergronden ......................................................................................................... 47 Installaties: compacte energieconversie en thermische opslag .............................. 49 Gebouw en binnenmilieu ......................................................................................... 50 Wijk .......................................................................................................................... 50 Samenwerking en strategische partnering .............................................................. 51 6 Ondertekening ....................................................................................................... 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 4 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 1 Inleiding De TNO-wet geeft aan dat TNO eens in de vier jaar een Strategisch Plan moet opstellen, rekening houdend met het overheidsbeleid ter zake. Dit plan geeft een uitwerking van de algemene doelstelling op (middel)lange termijn en de voorwaarden die daartoe vervuld moeten worden. Eén van die voorwaarden is het uitvoeren van een Meerjarenprogramma. Voor u ligt het MeerJarenProgramma 2015-2018 van het thema Energie, één van de thema’s waarop TNO impact wil bereiken. Het meerjarenprogramma is gebaseerd op de ambities, keuzes en uitgangspunten van het TNO Strategisch 1 Plan 2015 – 2018, zoals dit is aangeboden aan de Nederlandse overheid . Daarnaast is een meer specifieke uitwerking voor het eerste jaar, 2015, gegeven. Het bouwt voort op de ingeslagen weg van de afgelopen jaren, zoals deze zich in het kader van de vraagsturing door de overheid, de Topsector Energie en in samenspraak met de relevante stakeholders heeft ontwikkeld. Het brengt daarbij ook nieuwe samenhang en een nieuw focus in de kennisontwikkelingen passend bij de problematiek die speelt op het gebied van de energievoorziening. Thema Energie: Van conventionele bronnen naar duurzame energiesystemen De energiesector bevindt zich wereldwijd in een ingrijpende transitiefase: van een gecentraliseerde, vooral op fossiele brandstoffen gebaseerd systeem naar een meer duurzame en meer decentrale energiehuishouding. De energievoorziening van de toekomst zal naar verwachting bestaan uit een complex systeem van lokale energiesystemen met duurzame bronnen van energie zoals zonne-energie, windenergie, geothermie. In de komende decennia zal de energievoorziening nog in belangrijke (afnemende) mate afhankelijk zijn van fossiele bronnen. Vooral aardgas zal een belangrijke rol vervullen als transitiebrandstof, vanwege haar flexibele inzetmogelijkheden en relatief lage CO2 emissies. Genoemde ontwikkeling bepaalt in belangrijke make het energiebeleid van Nederland. Belangrijke aspecten van dat beleid zijn: 1. De implementatie van het nationale energieakkoord, dat als doel heeft de energievoorziening van Nederland verder te verduurzamen (naar 14% duurzaam in 2020 en 16% duurzaam in 2023). Nederland wil deze doelen bereiken door een brede set aan acties, gericht op reductie van het energiegebruik en de introductie van duurzame energiebronnen zoals wind, zon, biomassa, aardwarmte. Afspraken zijn onder meer gemaakt voor de ontwikkeling van windparken op zee, het stimuleren van lokale energieinitiatieven en het sluiten van oude kolencentrales. 2. Het bewaken van de energievoorzieningszekerheid door het tot tenminste 2030 op peil houden van het huidige niveau van aardgasproductie middels het vergroten van de efficiëntie van de winning en het aanboren van nieuwe (conventionele en onconventionele) voorraden. Het thema Energie van TNO kan een bijdrage leveren aan het realiseren van genoemd beleid. Haar kennis, van duurzame bronnen (met name geothermie en 1 Zie “Trends, Transities, TNO Strategie 2015-2018”; www.tno.nl 5 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 zonne-energie), van lokale duurzame energievoorzieningssystemen (smart grids en smart sustainable energy systemen) én kennis met betrekking tot de volledige CCS keten en energiebesparing, is zeer relevant voor de realisatie van de onder 1) genoemde doelen. De TNO-kennis over de Nederlandse ondergrond in combinatie met kennis op het gebied van exploratie- en exploitatietechnieken, on- en offshore en de gasinfrastructuur, is van belang voor het onder 2) genoemde aspect. Tevens beschikt TNO over een brede portfolio aan economische, gedrags- en sociale wetenschappen, die noodzakelijk zijn voor de niet-technische innovaties die voor de realisatie van het beleid noodzakelijk zijn. Het thema werkt samen met partijen uit het bedrijfsleven, de overheid, universiteiten en kennisinstituten in zowel nationaal als internationaal verband, door het initiëren van samenwerkingsverbanden, het vormen van consortia en het (mede) zorg dragen voor een innovatieve, creatieve werkomgeving voor talentvolle onderzoekers en toepassingsgerichte ontwikkelaars. Vraagsturing/Topsector Het onderwerp Energie is door de overheid aangemerkt als één van de negen Topsectoren. TNO Energie neemt in Nederland actief deel aan de Topsector Energie . Dit door een substantiële bijdrage te leveren aan de realisatie van innovatiecontracten binnen de sector. Hierbij wordt intensief samengewerkt met de NERA partners en het bedrijfsleven . Alle kennisontwikkelingsactiviteiten van het 2 thema passen binnen de topsector . De innovatieagenda’s van de Gouden Driehoek beschrijven belangrijke onderwerpen voor deze samenwerking. TNO, de overige TO2 partners en NWO faciliteren in het opstellen van deze innovatieagenda’s. Met de topsector Energie zijn Vraaggestuurde Programma’s afgesproken. De innovatieagenda’s van de topsectoren en de strategische kennisagenda’s van de departementen zijn het vertrekpunt voor deze vraaggestuurde programma’s. Dit zijn (bij voorkeur) publiek-private meerjarige onderzoeksprogramma’s waarin de meerwaarde van onze rol tot uiting komt. TNO en Horizon 2020 Op 1 januari 2014 is het nieuwe kaderprogramma voor Europees onderzoek, Horizon 2020 van start gegaan. Het thema Energie zal nauw aansluiten op met name het programma “Secure, clean and efficient energy”. TNO wil de komende periode haar samenwerking intensiveren met andere Europese kennisinstellingen, met name met de partijen die opereren in EERA (European Energy Research Alliance) verband. Horizon 2020 biedt een uitstekende basis om met de beste Europese kennisinstellingen te werken aan oplossingen voor de uitdagingen van vandaag en morgen. Afstemming en samenwerking met onze Europese collega’s in joint programs vergroot de synergie tussen nationale en internationale onderzoeksprogramma’s waar het Nederlandse bedrijfsleven van kan profiteren. 2 Uitzondering daarbij is het onderwerp Geothermie dat tot heden niet in de programma’s van de Topsector is opgenomen. De (relatief beperkte) kennisontwikkelingsactiviteiten op dit gebied vinden plaats onder directe aansturing van EZ. 6 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 7 / 53 Vraaggestuurde Programma’s thema Energie 2015-2018 De voorgenomen kennisontwikkeling in de periode 2015-2018 is vastgelegd in de volgende Vraaggestuurde Programma’s (VP’s): • Geo Energie: Oprekken van de techno-economische grenzen voor de exploratie en productie van koolwaterstoffen op een veilige en duurzame wijze. • Duurzame Energie: Het slechten van de technische, economische en sociale belemmeringen voor het realiseren van een adaptief en flexibel duurzaam energiesysteem, met als doel het maximaliseren van de inzet van vernieuwbare energie tegen minimale investeringskosten. • Systeemintegratie: Concepten voor inpassing van duurzame energie in het energiesysteem naar een multicommodity systeem (gas, elektriciteit en warmte in de combinatie fossiel en duurzaam) vanuit het perspectief van producenten, gebruikers en netbeheerders. • Energie Gebouwde Omgeving: Technologieën voor installaties en gebouwen met als doel de energieconsumptie in de gebouwde omgeving drastisch te verlagen. Programmering 2015 2015 is het eerste jaar van de strategieperiode 2015-2018. De gewenste invulling van het programma 2015 is door de EZ-regievoerder van het thema Energie op hoofdlijnen vastgelegd in bijlage 3 van de brief “Programma 2015” van EZ aan TNO dd. 24 juli j.l.kenmerk DGBI-I&K4107985. Hierbij wordt de vraagsturing vanuit de Topsector Energie centraal gesteld. Dit geldt voor alle onderdelen van het TNO thema exclusief het onderwerp geothermie. Referentie VP-programma’s 2015 VP Geo Energie (excl. Geothermie) Referentie* TKI Gas Geo Energie onderdeel geothermie Duurzame Energie Energie Gebouwde Omgeving Systeemintegratie Separaat overleg EZ-TNO TKI Switch2SmartGrids (+ TKI Solar Energy) TKI EnerGO TKI overstijgend: Gas/S2SG/EnerGO * Voor nadere info zie de tekst van de VP-programma’s ** Zie bijlage 1 in dit rapport De inhoud van de VP-programma’s 2015 zijn dan ook tot stand gekomen in overleg met de betreffende TKI’s en passen derhalve dan ook binnen de genoemde TKI innovatiecontracten (excl. Geothermie, zie boven). Daarnaast is intensief contact geweest met de regievoerder EZ, met name over de specifieke invulling van het VP Geo Energie. Bij de selectie van de projecten is tevens rekening gehouden met reeds lopende projecten en aangegane verplichtingen. TNO-rapport | TNO 2014 R11291 8 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 2 Vraaggestuurd Programma “Geo Energie” Dr. J.H. Brouwer 2.1 Inleiding De doelstellingen van TNO zijn om innovatie en technologieontwikkeling te versnellen. Enerzijds door het beschikbaar stellen van onderzoeks- en ontwikkelingsmiddelen, anderzijds door het assisteren van onze stakeholders bij de implementatie van de ontwikkelde technologieën Binnen het vraaggestuurd programma “Geo Energie” (VP-GE) worden oplossingsrichtingen en nieuwe technologieën ontwikkeld om de transitie naar een energievoorziening uit hernieuwbare energiebronnen met gas als transitiebrandstof op een zo duurzaam en efficiënt mogelijke manier vorm te geven. Anders gezegd: Hoe kan ook in de toekomst aan de groeiende energievraag worden voldaan en op welke manieren kan, tijdens de transitieperiode naar 100% hernieuwbare energiebronnen, de huidige energievoorziening op meest effectieve wijze en zo mogelijk milieuvriendelijke manier worden gewonnen en geconsumeerd. Het vraaggestuurd programma “Geo Energie” richt zich op twee hoofdonderwerpen (deelprogramma’s) te weten Leveringszekerheid Gasproductie en Duurzame geoenergie ten behoeve van CO2 reductie. Het deelprogramma Leveringszekerheid Gasproductie is ondergebracht in de deelinnovatiecontracten “Upstream Gas” en “small scale LNG” en voor een klein deel in de deelcontracten Gas Acceptatie Samenleving (G.A.S.) en Groen Gas van van het TKI Gas van de topsector Energie. De activiteiten van dit deelprogramma betreffen met name de optimale uitputting van gasvelden (conventioneel en niet conventioneel) en de verdere ontwikkeling van LNG als brandstof. Het deelprogramma Duurzame geo-energie ten behoeve van CO2 reductie betreft het realiseren van CO2-reductie door (grootschalige) toepassingen van CO2 opslag en geothermie en is sinds 2014 wat betreft de activiteiten ten aanzien van afvang, transport, gebruik en opslag van CO2 ondergebracht in het deelinnovatiecontract CCUS van de topsector Energie. Het aan publieke perceptie gerelateerde werk in dit deelprogramma zal in nauwe afstemming binnen het deelcontract G.A.S. worden uitgevoerd. Het onderwerp Geothermie is op dit moment niet opgenomen in een van de 3 deelinnovatiecontracten. Hier voert het ministerie van EZ rechtstreeks de regie . Het VP-GE sluit aan op de Roadmap “Oil and Gas” van TNO. Deze Roadmap richt zich op een verantwoorde productie en verantwoord gebruik van fossiele brandstoffen en behelst: - Het vergroten van de efficiëntie van de opsporing en winning van fossiele brandstoffen middels verbeterde productie- en exploratietechnieken; 3 Voor de richtlijnen m.b.t. Geothermie, zie bijlage 3 van het schrijven van EZ aan TNO “Programma 2015”, dd 24juli 2014, kenmerk DGBI-I&K/14107985 9 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 - 2.2 Het vergroten van de veiligheid en betrouwbaarheid van productie, transport en gebruik van fossiele brandstoffen; Het vergroten van de duurzaamheid van cruciale delen van de (fossiele) energieketen. Visie en ambitie Klimaatverandering en energievoorzieningszekerheid (en –onafhankelijkheid) maken een verschuiving naar een groter gebruik van duurzame energiebronnen noodzakelijk. In de komende decennia zullen fossiele brandstoffen echter een belangrijke rol blijven spelen in onze energievoorziening en als grondstof voor onze industrie. De Nederlandse reserves nemen echter af. Naast een grotere afhankelijkheid van buitenlandse energiebronnen heeft dit een aanzienlijke impact op de staatsinkomsten uit royalties ( momenteel ca.€12 miljard per jaar) en in bredere zin op de economische bijdrage van de energie-intensieve industrie (inclusief belasting inkomsten ca. € 36 miljard per jaar). In het kader van de energievoorzieningszekerheid hebben partijen betrokken bij de olie- en gasproductie, de ambitie uitgesproken de productie uit kleine nationale velden tot het jaar 2030 op het huidige niveau van 30 bcm per jaar te houden (“3030 doelstelling”). Voor het realiseren van deze doelstelling is verlenging van de levensduur van conventionele olie- en gasvelden van cruciaal belang. Politieke en economische ontwikkelingen hebben daarnaast geleid tot een toegenomen interesse in de productie van onconventionele koolwaterstoffen, zoals schalie gas, schalie olie, zware olie en coalbed methaan. Klimaatverandering vereist dat, naast de verdere ontwikkeling van duurzame energiebronnen, de fossiele energiebronnen op zo duurzaam mogelijke wijze worden gewonnen en benut. Met name gas is gedurende de overgang naar duurzame energie een essentiële transitiebrandstof. Het is de ambitie van TNO om aan de noodzakelijke innovaties op het gebied van fossiele energie bij te dragen door het uitvoeren van het VP-GE 2015-2018. Hierbij is een aantal doelen geformuleerd: 1. Doelen ten aanzien van de leveringszekerheid: De ontwikkeling van innovatieve exploratie en productie technieken; Het adresseren van issues aangaande gaskwaliteit en gassamenstelling; De ontwikkeling van small-scale LNG; Het adresseren van publieke onrust ten aanzien van de winning van gas; 2. Doelen ten aanzien van een duurzame ontwikkeling: Het adresseren van mogelijkheden voor hergebruik van CO2; Het adresseren van mogelijkheden voor CO2 afvang, transport en opslag; De ontwikkeling van geothermie. Door de ontwikkeling en uitrol van technieken met betrekking tot de leveringszekerheid ondersteunt TNO de overheid in het realiseren van de “30-30 doelstelling”. Dit vergt zowel technologische vernieuwing als aanpassingen in de werkmethodes en moet bijvoorbeeld leiden tot concrete mogelijkheden voor de 10 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 exploitatie van moeilijk winbare reserves. Daarnaast zal er in de samenwerking met spelers in de energiesector worden gestreefd naar een meer gedeelde (precompetitieve) kennisopbouw. Een gezamenlijke verantwoordelijkheid van partners ten aanzien van de “30-30 ambitie” en de daarvoor benodigde kennisopbouw geeft Nederlandse spelers in de olie- en gassector een internationaal leidende positie met betrekking tot zowel de winning van onze conventionele reserves als de winning van onconventionele reserves. Met betrekking tot de duurzame ontwikkeling van ons energiesysteem is, naast energie-efficiency en inzet van duurzame energiebronnen, afvang en opslag van CO2 een belangrijke klimaat mitigatie optie: Energie scenario’s – zoals bijvoorbeeld ontwikkeld door IEA – zien CCS als een vereiste om aan de klimaatdoelen tijdens de energietransitieperiode te voldoen. Ook in verband met de energievoorzieningszekerheid worden “schone” kolen- en gasgestookte energiecentrales – voorzien van afvangtechnologie - gezien als noodzakelijk voor het opvangen van de schommelingen in vraag en aanbod van duurzame energiebronnen. In het verlengde van de ontwikkeling van CO2 afvang- en opslagtechnologie is ook het onderzoek naar nuttig gebruik van CO2 sterk in ontwikkeling zoals bijvoorbeeld in de glastuinbouw, de olie- en gasproductie en voor de productie van “solar fuels”. Naast de ontwikkeling van CCUS is de inzet van geothermische energie een optie voor een klimaat-neutraal gebruik van de ondergrond. Zowel ondiepe als diepe geothermische toepassing hebben bewezen reële opties voor duurzame energie te zijn. HSE (“Health, Safety, Environment)-kwesties zijn op elk punt in de waardeketen belangrijk: (1) tijdens de productie van conventionele reserves, vooral aan het einde van de levensduur van mature fields, (2) tijdens de productie van onconventionele reserves, in het bijzonder als chemicaliën worden toegepast, en (3) gedurende het transport, b.v. om de hoeveelheid uitlaatgassen van schepen te verminderen door toepassing van LNG als transportbrandstof. De verantwoorde productie van winbare reserves overeenkomstig de hierboven genoemde doelstellingen zullen de overheid in staat stellen om een essentiële bron van inkomsten veilig te stellen; om energiezekerheid voor Nederland te garanderen en om aan haar klimaatdoelen te voldoen. 2.3 Geschiedenis en relatie tot Topsector Energie Het vraaggestuurd programma “Geo Energie 2015-2018” is de voortzetting van het “VP-Energiebronnen in Transitie 2011-2014”. De uitvoering van laatstgenoemd VP is van groot belang geweest voor onze stakeholders b.v. door het wegnemen van knelpunten bij het onderzoek naar de productie van schaliegas, door het vergroten van kennis op het gebied van de aan de gasproductie gerelateerde seismiciteit en bodemdaling, door het oplossen van veiligheidskwesties gerelateerd aan het in gebruik nemen van small scale LNG en door de ontwikkeling nieuwe generatie CO2 afvangtechnologie. 11 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 12 / 53 Het VP-GE is een integraal deel van de TKI Gas met uitzondering van de activiteiten op het gebied van de Geothermie. Tot 2014 waren de programmalijnen “Upstream Gas” en “LNG” richtinggevend. In 2015 is er tevens aansluiting met de programmalijnen Groen Gas, G.A.S. en de in 2014 ingevoerde programmalijn 4 Carbon Capture, Use, and Storage (CCUS) . Onderzoeksactiviteiten betreffende de ontwikkeling van Geothermie maken wel deel uit van het VP-GE, maar zijn niet opgenomen onder de topsector Energie. De algemene scope van het VP-GE en de relatie tot de TKI-Gas programmalijnen is weergegeven in Tabel 1. VP-GE 2015, onderdeel TKI/programmalijn Zeker stellen van toekomstige energievoorziening Innovatieve Exploratie- en productietechnieken Gaskwaliteit en gassamenstelling Small Scale LNG Publieke betrokkenheid m.b.t. gas Gas/Upstream Gas/CCUS Gas/Groen Gas Gas/kleinschalig LNG Gas/CCUS Zeker stellen van duurzame ontwikkeling Hergebruik van CO2 Gas/CCUS CO2 afvang, transport en opslag Gas/CCUS Geothermale toepassingen Niet onder TKI Tabel 1. Scope van VP-GE in relatie tot TKI Gas programmalijnen. Financiering van de TNO activiteiten binnen de diverse TKI programmalijnen vindt 5 plaats vanuit de SMO middelen. Daarnaast stelt de TKI extra subsidies beschikbaar aan haar programmalijnen, die door alle onderzoekpartners binnen een programmalijn (inclusief TNO) kunnen worden ingezet. Zo werd in 2014 subsidie toegekend aan de programmalijnen Upstream Gas en Small scale LNG. In afwachting van een beslissing over het ROAD-project werd in 2014 geen financiering – anders dan SMO - beschikbaar gesteld voor de CCUS programmalijn. Een beslissing over de toekenning van extra subsidies voor 2015 wordt verwacht in november 2014. Projecten die worden uitgevoerd met extra TKI subsidie (zonder SMO) zijn opgenomen in het projectenoverzicht in tabel 4. Een aantal projecten uitgevoerd binnen het VP-GE wordt deels gefinancierd vanuit Europese FP7 en Horizon 2020 programma’s. Daarnaast vindt cofinanciering vanuit de industrie plaats. Totale cofinanciering vanuit de industrie en EC-programma’s bedroeg in 2014 meer dan 50% van het onderzoeksbudget. Er wordt verwacht, dat private en EC cofinanciering in 2015 op hetzelfde niveau blijven. Jaarlijks wordt een update van het VP-GE ingediend bij de TKI Gas. Goedkeuring van projecten met SMO subsidie vindt plaats door de TKI Gas en vervolgens door 4 Het advies van het Topteam energie over de omvang van het budget dat in 2015 aan het TKI Gas voor CCS beschikbaar wordt gesteld zal afhankelijk zijn van het al of niet doorgaan van het ROAD-project. De omvang en aard van de inzet van TNO op dit onderwerp wordt geacht hierbij aan te sluiten. Een besluit over ROAD wordt in het najaar van 2014 genomen 5 SMO: Samenwerkingsmiddelen Onderzoek: door de overheid aan TNO ter beschikking gestelde kennisinvesteringsmiddelen TNO-rapport | TNO 2014 R11291 het Topteam Energie. Goedkeuring van projecten met TKI-subsidie vindt na indiening middels een open “call for tender” plaats door de TKI Gas en RVO. 2.4 Programma 2015-2018 In het algemeen onderscheidt de positie van TNO zich van de concurrentie door de grote expertise ten aanzien van specifieke niches binnen het toepassingsgebied. Binnen deze niches komt TNO tot innovatieve oplossingen door deze unieke technologische expertise te combineren met kennis van andere markten waarin TNO actief is. TNO werkt op die gebieden waar standaardoplossingen niet beschikbaar of toereikend zijn en de meeste projecten zijn dan ook unieke, eenmalige opdrachten. 2.4.1 Aanpassingen ten opzichte van 2011-2014 De TNO activiteiten in het VP-GE sluiten aan bij TNO’s Roadmap Oil and Gas. Uitgangspunt van deze Roadmap is dat klimaatverandering en energievoorzieningszekerheid (en –onafhankelijkheid), een verschuiving naar een groter gebruik van duurzame energiebronnen noodzakelijk maakt. Met name gas is gedurende de overgang naar duurzame energie een essentiële transitiebrandstof. Figuur 1 Energietransitie Tegen deze achtergrond richt de roadmap (zie ook figuur 2) zich op een verantwoorde productie en verantwoord gebruik van fossiele brandstoffen: - Het vergroten van de efficiëntie van de opsporing en winning van fossiele brandstoffen middels verbeterde productie- en exploratietechnieken; - Het vergroten van de veiligheid en betrouwbaarheid van productie, transport en gebruik van fossiele brandstoffen; - Het vergroten van de duurzaamheid van cruciale delen van de (fossiele) energieketen. Het VP-GE 2015-2018 is het vervolg op het 2011-2014 Programma Energiebronnen in Transitie. Voor een deel keren de projecten die onder het 20112014 programma in uitvoering waren, terug in het programma Geo Energie 20152018. Daarnaast is als gevolg van vraagsturing door Topsector en overheid, een algemene verschuiving ingezet resulterend in een afname van gas gerelateerde 6 activiteiten. Het oorspronkelijk beschikbare SMO-budget is met 800 k€ verminderd . Met name het werk met betrekking tot de onzekerheden bij het schatten van de gasreserves wordt afgebouwd. Daarnaast zal meer aandacht worden geschonken aan (1) het nuttig gebruik van CO2, (2) de ontwikkeling van small scale LNG, (3) 6 Dat budget is ondergebracht in een nieuw te formuleren Vraaggestuurd programma “Systeemintegratie”. Zie hoofdstuk 4. 13 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 gaskwaliteit en gassamenstelling (in het bijzonder met betrekking tot “groen gas”) en (4) de publieke opinie met betrekking tot de productie van gas. Figuur 2 Producten afgebeeld op de drie in de roadmap onderscheiden impact goals. 2.4.2 Samenwerking Bij de uitvoering van het VP GE betrekt TNO diverse partijen waaronder operators, contractors, leveranciers, vervoerders, downstream industriële partners en de energieopwekkingsindustrie. Ook de overheid (nationaal en EU) behoort tot de belangrijkste TNO partners. De overheid en de EU financieren gezamenlijke onderzoeksprogramma’s in TNO’s portfolio. Samen met de industrie ondersteunen zij gecombineerde financieringsprogramma’s zoals TKI Gas (Upstream, CCUS en LNG). De operators onder de huidige klanten van TNO investeren in conventionele velden , alsmede de winning van onconventionele reserves (b.v. zware olie, schaliegas). Klanten van TNO maken gebruik van onze kennis ten aanzien van b.v. slimme en innovatieve exploratie- en productiemethodes en HSE instrumenten. Dienstverlenende bedrijven investeren in monitoring- en slimme productietechnieken. De leveranciers onder de klanten van TNO zijn voornamelijk betrokken bij onze activiteiten ten aanzien van de veiligheid en betrouwbaarheid (b.v. met betrekking tot compressoren, etc.) en de ontwikkeling van innovatieve industriële processen (b.v. technologie ontwikkeling voor CO2 afvang). TNO heeft sterke samenwerkingsverbanden opgebouwd met internationale onderzoeksinstituten en universiteiten voor de uitvoering van haar R& D-activiteiten. Onder deze instituten bevinden zich Sintef, IRIS en NTNU in Noorwegen, de Universiteit van Berkely, Texas A&M, MIT en de Stanford Universiteit in de 14 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 Verenigde Staten, CSIRO in Australië, GFZ Potsdam in Duitsland, IFPen in Frankrijk en de Universiteit van Turijn in Italië. Partners werken vaak langdurig samen met TNO op technologiegebieden waarin gedurende vele jaren expertise is opgebouwd .TNO vult haar unieke technologiepositie aan met de beschikbaarheid van geavanceerde testmogelijkheden zoals bijvoorbeeld op het gebied van blootstelling aan H2S, cryogenic loading, pressure burst testing, en thermisch mechanische belasting. TNO’s sterke kennispositie komt tot uiting in de succesvolle participatie in talrijke EC-programma’s, waaronder b.v. CO2GeoNet, EC SITECHAR, OCTAVIUS, ECCSEL, CGS-Europe, ECO2 en IMAGE. In een aantal van deze programma’s treedt TNO op als programma coördinator. TNO werkt intensief samen met andere TO2 instituten zoals ECN (bijvoorbeeld op het gebied van CCS in CATO2) en Deltares (gezien de gezamenlijke historie vindt hier op veel vlakken samenwerking plaats o.a. ten aanzien van monitoring- en modelleer technieken). 2.5 Hoofdlijnen programma 2015 2.5.1 Bouwstenen De TKI-Gas programmalijnen Upstream Gas, Small Scale LNG en CCUS en in mindere mate G.A.S. en Groen Gas zijn de basis voor het VP-GE (met uitzondering van de Geothermie activiteiten). Daarom wordt hier in het kort ingegaan op de algemene scope van deze programmalijnen. Figuur 3 Upstream Gas programmamatrix De TKI Programmalijn Upstream Gas is georganiseerd op basis van drie types olie- en gasvelden en zes thematische categorieën in een programmamatrix (zie Figuur 3). 15 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 De drie types olie- en gasvelden die dienen als basis voor onderzoek betreffen: Mature fields, met aandacht voor het verlengen van de levensduur van olie- en gasvelden en voor de ontwikkeling van alternatieve gebruiksmogelijkheden van lege velden; New Fields, bedoeld voor de ontwikkeling van verbeterde exploratietechnieken en het vinden van nieuwe gasvoorkomens in weinig onderzochte delen van het Nederlands territoir; Tough Gas & Stranded Fields, gericht op de winning van gas uit onconventionele reservoirs, zoals schaliegas en coal-bed methaan, alsmede op de gaswinning uit stranded fields. De thematische categorieën omvatten: Exploration and field development Production and Reservoir Management Infrastructure; HSE and Reliable Operation; Hardware (Sensing, Actuation, and Compression); en Societal Impact and Human Capital. De TKI programmalijn Small Scale LNG zet actief in op de benutting van LNG als transportbrandstof in Nederland. Hiermee creëert Nederland een kennisvoorsprong op dit gebied in Noord West Europa. Nederlandse bedrijven kunnen hun producten, kennis en diensten als het gaat om de LNG-benutting en de LNG-infrastructuur in gaan zetten ter ondersteuning van andere landen die willen overstappen op LNG als transportbrandstof. LNG is makkelijk te transporteren en resulteert in minder uitstoot van CO2 en andere broeikasgassen dan het gebruik van veel andere fossiele brandstoffen. De transportsector, met name wegtransport en scheepvaart, wordt geconfronteerd met moeilijk haalbare uitstoot-eisen van de EU. LNG gebruikt als brandstof kan in deze gevallen voordelig zijn, aangezien het de uitstoot van broeikasgassen beperkt. Daarnaast resulteert LNG in een stillere motor. De TKI-Gas programmalijn CCUS (CO2 afvang, transport, utilization en opslag) werd in 2014 opgenomen onder de TKI-Gas als vervolg op het Nederlandse Nationale CCS programma CATO-2. De programmalijn omvat Werkpakketten voor: Afvang; Gebruik; Opslag, Monitoring en Veiligheid; Transport en Ketenintegratie; Policy, Wet- en regelgeving; en Publieke Perceptie en Publieke Communicatie. CCUS wordt van vitaal belang geacht om de doelstellingen voor CO2 emissies in 2030 en daarna te halen. Zonder de wijdverspreide inzet van CCUS zullen kolenen gasgestookte centrales, samen met een reeks industriële processen, de komende tientallen jaren belangrijke bronnen blijven van CO 2-uitstoot. Om klimaat doelstellingen te halen dient een succesvolle demonstratiefase (mede gefinancierd door nationale overheden en de EU) te worden gevolgd door een succesvolle commerciële uitrol van CCUS vanaf 2020. Echter, ondanks prijzenswaardige pogingen om CCUS technologie te ontwikkelen door middel van 16 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 demonstratieprojecten binnen het 2015-202 tijdschema, loopt de inzet van Europa achter op die van andere regio’s/landen. Dit is voornamelijk te wijten aan de hoge kosten van CCUS vergeleken met ETS prijzen en de beperkte publieke support voor CCUS. Andere economieën maken belangrijke vorderingen bij de ontwikkeling van CCUS, vooral Australië, Canada, China, Noorwegen en de Verenigde Staten van Amerika. Verwacht wordt dat de Nederlandse regering in de herfst van 2014 een visiedocument over CCUS zal presenteren. De TKI-Gas programma lijn G.A.S (Gas Acceptatie Samenleving) spitst zich toe op de license to operate van de gasvoorziening, en kijkt vooral naar de publieke issues rond gas en de daarmee samenhangende institutionele aspecten van draagvlak. Cruciaal is de factor vertrouwen (trust): kan de samenleving erop vertrouwen dat een ontwikkeling, in dit geval van de gasvoorziening, leidt tot wat nodig en gewenst is? Kan de samenleving die ontwikkeling aan de sector en aanpalende organisaties toevertrouwen? Kan erop worden vertrouwd dat private en overheidsregulering voldoende borgen dat wordt geleverd wat wordt verwacht? En last but not least: biedt gas een propositie die herkend en erkend wordt als antwoord op de wensen, ideeën en behoeften die in de samenleving leven? Of moeten proposities en werkwijzen van de gassector wezenlijk veranderen? De TKI-Gas programma lijn Groen Gas beoogt de ontwikkeling van Groen Gas als een ideale transitiebrandstof. Groen Gas bestaat al 25 jaar en heeft een goed imago. Groen Gas maakt gebruik van het distributienet van aardgas en de opslagcapaciteit helpt om vraag en aanbod van duurzame energie uit te middelen. “Geothermale energiesystemen” verschaffen een duurzame energievoorziening zonder emissie van CO2. Internationale roadmaps (bijvoorbeeld die van IEA, IPCC, en EERA) identificeren geothermie als een belangrijke duurzame energiebron met het potentieel om in 5% van de mondiale energiebehoefte in 2050 te voorzien. Voor elektriciteitsopwekking betekent dit een toename van ongeveer 12 GW geïnstalleerd vermogen nu tot 300 GW in 2050 In de lente van 2011 werd het “actieplan aardwarmte” gepresenteerd om bestaande marktinitiatieven met betrekking tot het gebruik van geothermale warmte uit aquifers te stimuleren. Hierbij speelt bijvoorbeeld het adresseren van onderzoeksvragen betreffende de coproductie van koolwaterstoffen en ondersteunen van de praktische ontwikkeling van geothermale toepassingen (kosten, injecteerbaarheid) een belangrijke rol. TNO ondersteunt de industrie bij deze ontwikkeling en verschaft hiervoor het wetenschappelijke framework. Bovendien kijkt TNO naar opties voor diepe geothermale toepassingen (> 4 km) inclusief fraccing kwesties en daaraan verbonden risico’s. 17 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 2.5.2 18 / 53 Hoofdlijnen VP-GE 2015 Het onderzoek binnen het VP-GE wordt uitgevoerd binnen een 7-tal programmaonderdelen. Deze worden in tabel 2 verder uitgewerkt naar onderwerpen op hoofdlijnen. Invulling van de programmalonderdelen vindt plaats middels de uitvoering van een 12-tal onderzoeksprojecten (zie tabel 3). Deze projecten zijn gericht op de ontwikkeling van specifieke – maar hoofdlijn overstijgende - technologie. In de tabel is aangegeven welke projecten specifiek bijdragen aan de diverse programmaonderdelen. Programma-onderdeel Onderwerpen 2015 (hoofdlijnen) Energievoorzieningszekerheid en gas: exploratie en productie Deze hoofdlijn sluit aan bij de deelinnovatiecontracten Upstream Gas en CCUS onder de TKI-Gas met bijdragen uit de projecten: Innovative Production Techniques Innovative Exploration Techniques Geomechanica Offshore Production Systems Gas Transport & Storage Monitoring Game Changer Instrumentation Well Integrity Energievoorzieningszekerheid en gas: gassamenstelling Deze hoofdlijn sluit aan bij het deelinnovatiecontract Groen Gas onder de TKIGas met bijdragen uit de projecten: Gas Transport & Storage (GTS) Offshore Production Systems Game Changer Gas/Small Scale LNG Deze hoofdlijn sluit aan bij het deelinnovatiecontracten Small Scale LNG onder de TKI-Gas met bijdragen uit de projecten: Gas Transport & Storage (GTS) Game Changer Offshore Production Systems Ontwikkeling van technologie ter verlenging van de levensduur van bestaande kleine velden, leidend tot een hoger percentage geproduceerd gas Verbetering van exploratie- en productie technieken voor niet conventioneel gas. Fundamenteel onderzoek mbt gasproductie uit zgn ‘Tight Sands’ Ontwikkeling van monitoring technologie (ten aanzien van bijvoorbeeld seismiciteit en leakage) voor veilige productie van gas Gasbehandeling: gericht op upgradingsen verwijderingstechnieken (CO2 en H2S) Gaskwaliteit en veranderende gassamenstelling o Invoering biogas in gasnetwerken o modelleren veranderende gassamenstelling in complexe gas netwerken o online meting van gassamenstelling o Slimme aansturing voor maximale flexibiliteit in het gassysteem ten gevolge van meerdere invoerpunten met verschillende gassamenstelling o strategie toekomstige switch naar hoogcalorisch gas Ontwikkeling van technologie en adresseren van economische issues (zoals verbeterde business modellen) en specifieke zaken in de regelgeving (lopende projecten i.o.m. RVO) Reductie van methaan slip en GHG emissies bij gebruik van gas in transport Gastransport en -opslag Risicomanagement en veiligheid van Small scale LNG Public engagement TNO-rapport | TNO 2014 R11291 19 / 53 Programma-onderdeel Onderwerpen 2015 (hoofdlijnen) Gas/Acceptatie samenleving Deze hoofdlijn sluit aan bij het deelinnovatiecontract G.A.S. onder de TKI-Gas met bijdragen uit de projecten: Gas Transport & Storage (GTS) CO2 Opslag CCUS/ hergebruik Ontwikkeling van gebruikstoepassingen (inclusief tijdelijke opslag) van CO2 binnen bijvoorbeeld de chemie, glastuinbouw en winning van koolwaterstoffen Verlaging van de kosten van CO2 afvang door ontwikkeling van 2e en 3e generatie capture technologie voor toepassing in industrie en powersector Ontwikkeling van opties voor ondergrondse opslag van CO2 met een nadruk op Monitoring, Verificatie en Veiligheid. Deze hoofdlijn sluit aan bij het deelinnovatiecontract CCUS onder de TKI-Gas met bijdragen uit de projecten: CO2 Opslag CO2 Afvang CCUS/ Opvang, transport en opslag Deze hoofdlijn sluit aan bij het deelinnovatiecontract CCUS onder de TKI-Gas met bijdragen uit de projecten: CO2 Opslag CO2 Afvang Monitoring Game Changer Instrumentation Well Integrity Geothermie Deze hoofdlijn sluit niet aan bij een deelinnovatiecontract onder de TKI en wordt in direct overleg met het ministerie van EZA gedefinieerd. Invulling vindt plaats middels het project: Geothermie het adresseren van de maatschappelijke onrust met betrekking tot de exploratie en productie van gas. Ontwikkeling van kennis ten aanzien van communicatie, perceptie en acceptatie aangaande CCS en Schaliegas. Inclusief: Ontwikkeling van kennis met betrekking tot CCUS keten integratie- en opschalings-issues met specifieke aandacht voor CO2 transport systemen . Stimuleren van bestaande marktinitiatieven m.b.t. het gebruik van geothermische warmte uit aquifers. Ontwikkelen van opties voor diepe geothermie met name gericht op het opwekken van elektriciteit Tabel 2 Programma onderdelen VP-GE De 12 onder het VP-GE uit te voeren projecten zijn in tabel 3 weergegeven. Daarbij is naast de startdatum van de projecten en de respectievelijke TNO programmalijn waaronder deze projecten vallen (leveringszekerheid dan wel verduurzaming) aangegeven waar in deze projecten sprake is van cofinanciering vanuit de EU en vanuit de industrie. Hieronder volgt een korte beschrijving van deze projecten. TNO-rapport | TNO 2014 R11291 Geothermie Dit project is gericht op de volgende specifieke onderzoeksgebieden: Duurzame warmte: Energie uit warm water uit de diepe ondergrond. Duurzame elektriciteit: Energie door warmte uit de ultra-diepe ondergrond. Opslag: Schoon Fossiel Onderzoek naar het ondergrondse gebruik van CO2 (bijvoorbeeld CO2-EGR en CO2-EOR) en de ondergrondse opslag van CO2, met name (1) ondergrondse opslagcapaciteit en veiligheid op langere termijn, (2) monitoring t.b.v. risicobeheersing van opslag. Het onderzoek naar maatschappelijke onrust met betrekking tot de opslag van CO2 zal in nauw overleg met de TKI hoofdlijn Gas/acceptatie samenleving worden ingevuld. CO2 Afvang Dit project betreft met name de reductie van de kostprijs van CO2 afvang en aspecten ten aanzien van de veiligheid. Daarnaast wordt gekeken naar het gebruik van CO2 (bijvoorbeeld in combinatie met algen). Well integrity Onderzoek naar de integriteit van putten met toepassing voor zowel de olie- en gaswinning, de geothermie en de CO2 opslag. Activiteiten op het vlak van bijvoorbeeld put monitoring, materialen en mitigatie. Monitoring Ontwikkeling van monitoring technologie zowel vanuit putten als vanaf het oppervlak. Toepassingen worden gevonden binnen de productieoptimalisatie, CCUS, en geothermie. Instrumentation Dit project is sterk gekoppeld aan het monitoring project en betreft met name de ontwikkeling van slimme en goedkope sensoren (bijvoorbeeld gebaseerd op fibreoptics). Game Changer Een klein deel van het onderzoeksgeld wordt ingezet voor het ontwikkelen van ideeën (op basis van een proof of principle) die moeten leiden tot de bijstelling van het meerjarenprogramma. In het verleden heeft dit bijvoorbeeld geleid tot voorstellen voor onderzoek op het gebied van instrumentatie en CO2 afvang. Innovative Production Techniques Dit project betreft de ontwikkeling van technieken ten behoeve van de optimale uitputting van gas- en oliereserves. Dit project zal in nauwe samenwerking met bestaande academische partners (zoals bijvoorbeeld TU-Delft) worden uitgevoerd en betreft met name fundamentele problemen ten aanzien van meerfasestroming in zowel putten als reservoirs. Innovative Exploration Techniques Ontwikkeling van geïntegreerde kennis ten aanzien van de exploratie van nieuwe petroleumsystemen met toepassing voor zowel conventioneel als onconventioneel 20 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 gas. Geomechanica Dit onderzoek betreft de geomechanische aspecten van ondergrondse activiteiten zoals bijvoorbeeld geïnduceerde seismiciteit bij gaswinning en gasopslag of risico’s van fraccing bij winning van schaliegas. Offshore Production Systems Dit project betreft met name de veiligheidsaspecten rondom conventionele en ultradiepe winning van olie en gas met toepassingen voor bijvoorbeeld LNG installaties en subsea systems. Gas Transport & Storage Dit project betreft de technologische ondersteuning van de transitie van Nederland als gasproducer naar een positie als Noord West Europese gas trading hub, evenals de uitrol van Small Scale LNG. Daarnaast zal in nauwe samenhang met het VP systeemintegratie en de hoofdlijnen Groen Gas en Systeemfunctie van Gas onder de TKI-Gas worden gekeken naar Gaskwaliteit en veranderende gassamenstelling en de koppeling Gas-en Elektriciteitsmarkt. De voorgenomen deelname aan het Horizon2020 programma “large scale storage” zal naar verwachting ook binnen het VP Systeemintegratie worden vormgegeven. Het onderzoek naar maatschappelijke onrust met betrekking tot de exploratie en productie van gas zal in nauw overleg met de TKI hoofdlijn Gas/acceptatie samenleving worden ingevuld. 21 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 NR Project Title 01 Geothermie (waar onder) 22 / 53 Start Start Start Supply Cofund Sustainable Cofund EU 2013 2014 2015 Security Ind. √ √ _ EU IMAGE (FP7) √ √ √ √ √ √ √ √ _ LCE 02 Reservoir Modelling (H2020) √ √ √ √ √ _ LCE 02 Radial Drilling (H2020) √ √ √ √ √ _ LCE 02 Scaling & Corrosion (H2020) √ √ √ √ √ _ LCE 02 Drilling (ADMIT) (H2020) √ √ √ √ √ _ LCE 02 Middle-deep Drilling (H2020) √ √ √ √ √ _ LCE 02 EGS (H2020) √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ _ EERA CCS netwerk √ √ √ √ _ EU Ultimate (FP7) √ √ √ √ _ IMPACTS (FP7) √ √ √ √ _ EU CCS Network (FP7) √ √ _ EC ECO2 (FP7) √ √ √ √ 02 CCUS: CO2 Opslag: Schoon Fossiel (waar onder) √ √ _ EU MIRECOL (FP7) √ _ LCE 15: FACTOR S (H2020) √ √ √ √ _ LCE 15: ENOS (H2020) √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 03 CCUS: CO2 Afvang (waar onder) √ √ _ EU HIPERCAP (FP7) _ EU Octavius (FP7) √ √ √ √ _ EU ICAP (FP7) √ √ √ √ _ EC Eccsel (FP7) √ √ √ _ LCE 15: CO2 afvang (H2020) √ √ √ √ _ LCE 15: AFVANG (H2020) √ √ √ √ 04 CCS/UPSTREAM: Well integrity √ 05 CCS/UPSTREAM: Monitoring √ √ √ 06 CCS/UPSTREAM: Instrumentation √ 07 CCS/LNG/UPSTREAM: Game Changer √ √ √ 08 UPSTREAM: Innovative Production Techniques √ √ 09 UPSTREAM: Innovative Exploration Techniques √ √ 10 UPSTREAM: Geomechanica (waar onder) √ √ _ EERA Shale gas network (FP7) √ √ √ √ _ LCE 16: M4ShaleGas (H2020) √ √ √ √ 11 UPSTREAM: Offshore Production Systems (OPS) √ √ √ 12 LNG/UPSTREAM: Gas Transport & Storage (GTS) √ √ √ Tabel 3 Onderzoeksprojecten VP-GE met daarin opgenomen de (naar verwachting) onder deze projecten uit te voeren FP7 en H2020 programma’s. Alle in tabel 3 genoemde projecten vallen onder de TKI-Gas met bijdragen aan de hoofdlijnen CCUS, LNG, Upstream Gas, GAS en groen gas. In tabel 4 zijn voor de volledigheid de overige door TNO in 2015 onder de TKI-Gas uit te voeren projecten weergegeven. √ √ TNO-rapport | TNO 2014 R11291 NR Project Title 23 / 53 Start Start Start Supply Cofund Sustainable Cofund EU 2013 2014 2015 Security Ind. √ CCUS: TKI-toeslag programma √ √ Upstream: Salt precipitation √ √ √ Upstream: Experimental foam √ √ √ Upstream: New petroleum systems √ √ √ Upstream: Coatings for deliquifying gas wells √ √ Upstream: EGR technical and economic feasibility √ √ √ Upstream: Geochemical composition and origin of natural gas √ √ √ Upstream: Salt precipitation validation √ √ √ Upstream: Improved sweet spot identification and smart development √ √ √ √ √ Upstream: Focus on Upper Jurassic Sandstones √ √ √ Upstream: Produced Water Treatment Phase 2 √ √ √ Upstream: Sustainable Water Treatment Phase 2 √ √ √ LNG: composites in LNG equipment √ √ √ LNG: betrouwbaaarheid van cryogene slangen √ √ √ Tabel 4. Onderzoeksprojecten die naast het VP-GE door TNO onder de TKI-Gas worden uitgevoerd TNO-rapport | TNO 2014 R11291 24 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 3 Vraaggestuurd programma “Duurzame Energie” Prof. Dr. G.B. Huitema 3.1 Inleiding De Europese (en Nederlandse) doelstellingen voor 2020 (en 2050) voor de duurzaamheid, betaalbaarheid en betrouwbaarheid van ons energiesysteem hebben het energiesysteem veranderd. Onderdeel van het nieuwe systeem zijn initiatieven voor ‘Smart Energy’ en ‘Smart Grid’ toepassingen. Als gevolg van ontwikkelingen in de samenleving en geldende regelgeving worden verschillende oplossingen gekozen, variërend van centrale aansturing tot volledig lokaal. Verschillende soorten energiecomponenten zijn in bijna elke mogelijke samenstelling (bijv opwekkers, PV (PhotoVoltaic), (micro)CHP (CombinedHeatPower), brandstofcellen, elektrische voertuigen) beproefd, getest en gedemonstreerd. Echter de meeste benaderingen en combinaties zijn ontworpen om specifieke knelpunten op te lossen en niet om het gehele systeem te veranderen. Daarmee is geen enkele van deze oplossingen of aanpakken direct geschikt voor de gestelde globale EU-doelstellingen. 3.2 Visie Om bovengenoemde complexe situatie het hoofd te bieden heeft TNO een uitdagende visie op de toekomstige energievoorziening ontwikkeld met als hoofdlijn: een hechte samenwerking van “Smart Energy Systems” ondersteunt een optimale inzet en gebruik van energiebronnen. In 2050 moet een samenhangend systeem niet alleen energieconversie, opslag, transport en distributie integreren, maar ook de tot nu toe onderliggende afzonderlijk opererende energie-infrastructuren van elektriciteit, gas en warmte tot een geheel maken. Hierbij geldt het adagium “energie is energie”, onafhankelijk van de commodity of het transportsysteem, dat ervoor zorgt dat aanbod en vraag bij elkaar komen. Dit samenwerkende energiesysteem, in combinatie met een hybride energie infrastructuur, stimuleert het gebruik van duurzame energie zoals zonne-, wind- en geothermische energie en alternatieve gasproductie. Het is met name tevens een stimulans voor het grootschalig gebruik van elektrische voertuigen en warmtepompen. Figuur 1. TNO visie op Sustainable Energy: integratie van alle soorten en technologieën energieopwekking dat sterk gerelateerd is aan Smart Energy System 25 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 Als drijvende kracht voor de levering van betaalbare, duurzame energie zal een open en competitieve markt van energiediensten gerealiseerd moeten worden. Hiervoor is een socio-economische en levensvatbare regelgeving noodzakelijk. In het onderzoeksprogramma van TNO op het gebied van Smart Energy Systems grijpen technische en sociale innovatie in elkaar. Onder technische innovatie vallen (1) ICT-architecturen en de interfaces met de fysieke installaties, (2) (koppelvlakken naar) duurzame en/of decentrale opwek, (3) buffering en opslag ten behoeve van balancering en (4) het bevorderen van de efficiëntie over de energiedragers heen. Sociale innovatie is gericht op de veranderingen in (a) regulering en beleid, (b) de veranderingen in de waardeketens en business modellen en (c) de veranderingen in het gedrag gericht op vraagsturing. De kracht van TNO komt specifiek tot uiting in de integratie van zowel sociale als technische innovatierichtingen. TNO vormt een brug tussen onderzoek bij universiteiten en toepassing door het bedrijfsleven en de overheid. Het onderzoek van TNO is in het algemeen méér innovatiegericht (het werkelijk toepasbaar maken) dan dat van universiteiten. Bovendien is het steeds multidisciplinair, omdat TNO zo is georganiseerd dat onderzoekers van verschillende disciplines met elkaar samenwerken aan onderwerpen binnen thema’s. De groeiende maatschappelijke vraag naar een sterk samenhangend systeem van soorten en technologieën energieopwekking leidt bij TNO voor de komende strategieperiode 2015 -2018 tot de definitie van een nieuw vraaggestuurd programma Systeemintegratie. De bestaande programma’s voor de Nederlandse gas infrastructuur (VP Geo Energy) en de ontwikkelingen met betrekking tot de integratie van duurzame energie (VP Duurzame Energie) worden nu uitgebreid met een programma dat deze VP’s met elkaar verbindt en uitbreidt. Vanuit het VP Geo Energie zullen onderdelen die gericht zijn op de verduurzaming van de gas infrastructuur, ontwikkeling en inpassing van biogas en groen gas in het nieuwe VP ondergebracht worden. Het VP Duurzame Energie heeft een primaire focus op elektrische infrastructuren . Onderwerpen die juist de infrastructuren integreren en uitbreiden zullen de kern vormen van het nieuwe VP Systeemintegratie. 3.3 Roadmap 2015-2018 3.3.1 Programma hoofdlijnen 2015-2018 Het VP Sustainable Energy richt zich op bovengenoemde visie met tegelijkertijd de drive om pilots en proeftuinen naar grootschalige toepassingen te tillen. Om het onderzoeksprogramma concreter te maken heeft TNO voor de periode 2015 -2018 een roadmap Smart Energy System gedefinieerd. Voor een gerichte en effectieve 7 innovatie volgt TNO een zogenaamde ‘Tick-Tock’-strategie . Hierbij bestaat een Tick uit een volgende stap in grootschalige uitrol en kosten efficiëntie, en is een Tock een opvolgende stap naar een Smart Energy System als een geheel (met een toenemende systeemintegratie en complexiteit), zie figuur 2. TNO focust hierbij op 7 ‘Tick-Tock’ is een model dat sinds 2007 geadopteerd is door de chipsleverancier Intel Corporation om daarmee de ontwikkeling van elke microarchitectuur te volgen. Een "tick" staat voor een krimp van de procestechnologie van de vorige microarchitectuur en een "tock" voor de nieuwe microarchitectuur. 26 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 onderwerpen van de productlijnen Energie planning en Energiemarkten/gebruikers en anderzijds de productlijnen Smart Energy Systems Componenten en Back Office (ICT). De TNO roadmap bouwt voort op het innovatiecontract TKI Switch2SmartGrids (Addendum juni 2014) , TKI Solar, Roadmap Smart Grids Netbeheer en de internationale roadmaps van EEGI (European Electricity Grid Initiative) en SET (Strategic Energy Technology Plan). Figure 2. TNO’s Tick-Tock Smart Energy Innovatie strategie Deze innovatiestrategie werd ook al gedurende de vorige strategieperiode 20112014 gevolgd. In 2013 (Tock) is een groot deel van het TNO-onderzoek uitgevoerd naar het ontwikkelen van nieuwe algoritmen en naar de semantiek van energieflexibiliteit voor elektriciteit, gas en warmte. De focus voor de 2014 (Tick) onderzoeksprojecten ligt hoofdzakelijk op grootschalige uitrol van strategieën en het ondersteunen van ICT-architecturen/oplossingen voor Smart Electricity Systems. De TNO roadmap 2015 -2018 volgens deze “Tick-Tock’-strategie (startend met een ‘Tock’), ziet er als volgt uit: 1) Eind 2015 - Tock: “Een gevalideerd marktconcept”: Voor een flexibele en open transitie-georiënteerde energiemarkt in 2025 is een vermindering van onzekerheid met betrekking tot die markt noodzakelijk. De eerste stap is de demonstratie van de validiteit van flexibele elektriciteitsmarkten door het uitvoeren en analyseren van studies van grote pilots. Doelstelling: Deze grootschalige pilots bouwen verder op de ervaringen in kleinere pilots (2013 en 2014) waarin: a) TNO’s Flexpower Suite software en open standaarden zijn geïmplementeerd; b). modellen voor het balanceren van vraag en aanbod van (duurzame) energie zijn ontwikkeld waarin technologie, regelgeving en socio-economische aspecten zijn opgenomen ; en c) participatie eindgebruikers in relatie met dienstontwikkeling is geïnitieerd. 2) Eind 2016 - Tick: “Smart Energy System Componenenten in ontwikkeling”: Na meer duidelijkheid over de werking van een flexibele en open transitiegeoriënteerde markt, zien we dat IT- en energiecomponenten in lijn met bekende ‘Smart Energy System ’ standaarden in ontwikkeling zijn. Doelstelling: TNO heeft een actieve bijdrage geleverd aan het onderzoek naar de technische haalbaarheid van een samenwerkend system van Smart Energy 27 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 Systems, door een ‘Smart Energy System’ blauwdruk op te stellen, inclusief de benodigde overall architectuur, interoperabiliteit en standaardisatie. 3) Eind 2017 – Tock: “Commodity integratie validatie”: Op basis van de ontwikkelde: energiecomponenten kan een aanvang gemaakt worden met kleinschalige multi-commodity (elektriciteit, gas en warmte) markten voor balanceren, optimalisatie en energiediensten. Doelstelling: De energieplanning en business analyse voor multi-commodity markten is door TNO uitgevoerd met onafhankelijke stakeholders. Voorts heeft TNO grootschalige agent-gebaseerde simulaties uitgevoerd van deze multicommodity energiemarkten. Deze laten de de uitdagingen zien voor de interactie van commerciële, technologische, institutionele en sociale systemen. Hieraan wordt de komende jaren gewerkt. 4) Eind 2018 – Tick:“Blauwdruk voor multi-commodity Smart Energy Systems”: De introductie van additionele energietransporteurs (zoals gas en warmte naast elektriciteit) in het Smart Energy System creëert een grotere afhankelijkheid van lokale/regionale omstandigheden. Oplossingspatronen/blauwdrukken voor onderling afwijkende situaties maken een samenwerkend systeem van Smart Energy Systemen mogelijk. Doelstelling: TNO heeft (samen met anderen) blauwdrukken opgesteld voor verschillende Smart Energy Systemen, waarin stakeholders hun rol spelen. In de EU Smart Energy Community speelt TNO een belangrijke rol bij het toelichten van de blauwdrukken en het adviseren over de gerelateerde implementatiestappen. Als doel voor 2018 geldt dat TNO internationaal erkend is vanwege haar unieke verzameling van multidisciplinaire skills, tools en kennis dat de toekomstvaste transitie naar een samenhangend system van “Smart Energy Systems ondersteunt en daarmee op deze wijze bijdraagt aan de NL-positie voor de energiesector. Dit met name door het doen van onderzoek en het aanleveren van kosten-efficiënte oplossingen en technologieën op het gebied van: Grootschalige uitrol van smart energysystemen en –diensten; Vergroting van de leveringszekerheid; Agile back-office I(C)T voor energieleveranciers. In deze roadmap kunnen we vier produktlijnen onderscheiden. In de geschetste ‘Tick-Tock’-strategie vinden we voor een Tock (integratie van componenten en creatie van nieuwe markten) de produktlijnen Energy Planning en Energy Markets & Users. En voor een Tick (Schaalbaarheid & Kost efficientie) de produktlijnen Smart Energy System en Back-Office I(C)T. Het VP zal deze lijnen continu vernieuwen en afstemmen op de TKI programmalijnen. Het doel van TNO is innovatie en een brede maatschappelijke toepasbaarheid voor alle partijen in Nederland te bewerkstelligen. De onderzoeksresultaten worden daartoe openbaar gemaakt, zodat ze ten goede komen aan alle partijen in de energieketen. Het onderzoek van TNO is derhalve niet gericht op bepaalde partijen of bepaalde klanten, maar op doelgroepen. De door TNO in deze roadmap ontwikkelde producten en tools zullen gericht zijn op de huidige energiepartijen 28 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 (energieleveranciers, netbeheerders), nieuwe markttoetreders en lokale smart (energie) stakeholders (inclusief lokale overheden). 3.3.2 Governance: Organisatie/aansturing van de uitvoering Bij de uitvoering van de projecten binnen het VP wordt 80% van de beschikbare en middelen ingezet in Europese en nationale kennisprojecten (FP7, TKI S2SG, H2020, KIC, ..). Jaarlijks vinden er vanuit het VP geplande vergaderingen en discussies plaats met gremia van stakeholders, zoals bijv TKI bijeenkomsten, NetbeheerNL, Ecofys, EIT ICT Labs, etc. 3.3.3 Samenwerking Op het gebied van Smart Energy Systems werkt TNO met veel partijen samen, zowel in het private als in het publieke domein. TNO ziet het daarbij als haar taak om als schakel te fungeren tussen wetenschap en praktijk, zodat kennis ook daadwerkelijk wordt toegepast in Nederland. TNO onderhoudt contacten met universiteiten en hogescholen die onderzoeksprogramma’s hebben op het gebied van smart grids, en gaat samenwerkingsverbanden aan waar dat zinvol is. In het bijzonder vindt input via aan het VP gelieerde deeltijdhoogleraren plaats. Verder is er samenwerking met diverse marktpartijen via de proeftuinen/pilots gericht op Smart Energy Systems. Daarbij vormt TNO de verbinding tussen kennis en toepassing. In al deze proeftuintrajecten bestaat het consortium uit een combinatie van netbeheerders, energiebedrijven, projectontwikkelaars, gemeenten, provincies en ICT-toeleveranciers. Verder werkt TNO samen met internationale partijen in allianties zoals FlexPower Alliantie Network (FAN), European Energy Research Alliance (EERA), Energy Business Affiliation Programm (EBAP), en participeert zij in Europese Standaardisatie Organisaties zoals de (ESO): CEN/CENELEC, ETSI. Ten slotte vindt samenwerking plaats via Europese onderzoeksprogramma’s zoals FP7, Horizon 2020 en KIC. Daarnaast wordt voor bredere vraagstukken actief samengewerkt met TO2 instituten en prominente onderzoeksbureaus. 3.3.4 Kennispositie en klanttevredenheid De ontwikkeling en betrokkenheid bij internationale projecten laat zien dat de kennispositie op internationaal niveau goed is. Het werk van TNO onderscheidt zich door de multidisciplinariteit. Ook zijn er objectieve KPA gegevens van de belangrijkste toeleverende expertisegebieden die internationaal erg goed ranken. 3.3.5 Impact De grote impact van het werk in het VP blijkt uit het feit dat (1) TNO sterk bijdraagt aan de mogelijkheden tot inpassing van duurzame energie, (2) sinds de oprichting van het VP de omzet in programma’s etc sterk is gegroeid en deze groei zich nog steeds lijkt voort te zetten en (3) doordat kennis en kunde van TNO ligt op het gebied van integrator (zowel technisch als sociaal economisch), TNO nationaal/internationaal gevraagd wordt om te participeren in projecten. De binnen het VP opgebouwde kennis over de afgelopen jaren wordt voor de verschillende programmalijnen van het TKI Switch2SmartGrids (zie ook Hoofdstuk 3) toegepast. Daarmee evolueert de kennis steeds verder. 29 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 Voorbeelden hiervan zijn - De opgebouwde kennis met betrekking tot de energie management algoritme PowerMatcher is inmiddels geëvolueerd naar een praktisch inzetbare monitor- en stuuromgeving die diverse energieproducten en diensten mogelijk maakt. Te noemen valt de toepassing binnen EU projecten en de IPIN/TKI pilotomgevingen. - De oprichting van de Flexpower Alliantie Network (FAN). Beoogde deelnemende partijen aan dit netwerk zijn afkomstig van de gehele energieketen, inclusief de ontwerpers en leveranciers van devices, ICT partijen en energiebedrijven. Basis voor samenwerking is het door TNO ontwikkelde FPAI (Flexible Power Architecture Interface) dat in het bijzonder ingezet is voor het internationale EIT ICT Labs project Hegrid. (interoperabiliteit van hybride energie-managementsystemen). - De opgebouwde kennis van energiemanagement- en technologie wordt gebruikt binnen de smart grid pilots in de Amsterdamse wijk Houthaven, Lochem en internationaal in het KIC InnoEnergy projecten ESC en EIT ICT Labs project Hegrid. - De kennis die binnen het EU project GreenEmotion is opgebouwd op het gebied van e-mobility wordt verder ontwikkeld binnen het KIC project EVCity en het EU project COTEVOS (o.a interoperabiliteit van EV-systemen). - Op het gebied van sociale innovatie vormt het eerder door TNO ontwikkelde Interventiemodel met betrekking tot klantacceptatie nu de basis van de validatie van Smart Grid Demand Response projecten binnen het EU project Advanced. - Op dienstengebied wordt de opbouwde kennis met betrekking tot pricing en billing van flexibiliteit in consumeren en produceren van energie verder uitgewerkt tot kennis over schaalbare accounting- en verrekensystemen binnen het EU-project CIVIS. - De opgebouwde kennis met betrekking tot wet- en regelgeving in Nederland en in Europa wordt ingezet en verder uitgewerkt in de EUprojecten E-hub en SI-Drive en in een project voor Netbeheer Nederland over regulering van de toekomst. 3.4 Relatie Topsector Energie 3.4.1 Historie 2011 -2014 Vanaf de oprichting van de TKI’s heeft TNO de visie op Smart Energy Systems gedeeld en aangescherpt met de stakeholders in de markt en van de overheden. Zo is bijvoorbeeld het TNO-vierlagenmodel, Energiegebruikers, Energiediensten, Abstractie infrastructuur en Fysieke infrastructuur, geadopteerd door de TKI Switch2SmartGrids en vormde de basis voor het oorspronkelijke TKI programma en -roadmap. Het innovatiegebied en Vraaggestuurd Programma (VP) Duurzame Energie is in 2011 begonnen als volledig nieuw onderwerp. Met de komst van de onderzoeksgroep Intelligente Netten van ECN naar TNO werd de kennis en beschikbaarheid van technologie op het gebied van energiemanagement zeer versterkt, met name door de inbreng van de Powermatcher technologie. Deze kennis en technologie paste perfect in de Virtuele Infrastructuurlaag van Smart Energy Systems en is daar verder uitgebouwd. Datzelfde geldt ook voor de 30 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 ingebrachte kennis op het gebied van grid stability binnen de Fysieke infrastructuur. Gedurende de looptijd van het VP is de internationale kennispositie van TNO flink versterkt. Dat is onder andere zichtbaar door de deelname in een groot aantal EU projecten, in het bijzonder FP7 en KIC- projecten. Het FP7 programma is vanaf 2014 voortgezet in het EU programma Horizon2020 (H2020). Daarnaast is TNO nauw betrokken bij het Joint Program Smart Grid van EERA (European Energy Research Alliance) en de Action Line Smart Energy Systems van EIT ICT Labs. Als we verder kijken naar het vierlagenmodel dan zijn de afgelopen jaren belangrijke resultaten behaald op het gebied van de Virtuele Infrastructuur in combinatie met de Dienstenlaag. Onderzoeksresultaten vanuit EU-projecten hebben direct bijgedragen aan de verdere ontwikkeling van een open ICTarchitectuur voor inpassing van nieuwe energie-componenten (opwek, opslag en verbruik) en een open dienstenplatform. Met betrekking tot sociale innovatie is ook een belangrijke stap gezet op het gebied van duurzame gedragsverandering door onderzoek naar de drijfveren voor actieve participatie in lokale energie-coöperaties en internationaal onderzoek naar best practices voor Active Demand. Specifiek ten behoeve van dienstontwikkeling is onderzoek verricht naar de verrekening en pricing van nieuwe energiediensten. Adequate verrekening (smart billing) is een essentiële bedrijfscomponent voor de energietransitie. Op het gebied van de Fysieke infrastructuur is o.a. gewerkt aan het simuleren van gedistribueerde PV opwek om daarmee belangrijke inzichten te verkrijgen in dreigende instabiliteitssituaties in het grid en mitigerende maatregelen. Daarnaast is er onderzoek geweest naar wet- en regelgeving, bijvoorbeeld op het gebied van belemmeringen die proeftuinen ondervinden als gevolg van het wettelijk systeem. 3.4.2 Aansluiting op en evolutie binnen Topsector Energie De TKI Switch2SmartGrids (TKI S2SG) werkt intensief samen met TNO. TNO is vanaf het begin zowel in het bestuur als in de Raad van Toezicht vertegenwoordigd. TNO presenteert elk jaar in een vroeg stadium de plannen van TNO op het gebied van smart grids aan het bestuur en stelt dat zo nodig bij op basis van de feedback van het bestuur. In het algemeen is er een uitstekende samenwerking tussen TKI S2SG en TNO. In de vorige strategieperiode 2011- 2014 waren de programmalijnen van de TKI gericht op het vierlagenmodel zoals door TNO ontwikkeld en ingebracht. TNO heeft ondersteuning geboden bij het herdefiniëren van de programmalijnen van de TKI S2SG. Zo heeft TNO in 2013 en 2014 direct bijgedragen aan addenda bij de innovatiecontracten die dienen als input voor de tenders, projecten en de nieuwe TKI programmalijnen en aandachtspunten: Energiemanagement, en Informatie en Control voor flexibiliteit. Het TNO programma gelieerd hieraan is nu ook verder geëvolueerd naar de nieuwe TKI opzet van deze programmalijnen. Met de TKI Systeemintegratie in oprichting zal ook verder afgestemd worden. 31 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 De nieuwe TKI S2SG programmalijnen zijn: 1. “Energiemanagement voor flexibiliteit van energiesysteem”. Deze programmalijn gaat over het genereren van flexibiliteit en het ontwikkelen van diensten en producten die nodig zijn om de flexibiliteit van het systeem te kunnen inzetten om de bestaande infrastructuur beter te benutten, te kunnen omgaan met de integratie van massieve decentrale opwekking van energie en de integratie van opslag en conversie. 2. “Informatie en Control systemen voor flexibiliteit in de energie infrastructuur”. Dit betreft het verzamelen en verwerken van informatie uit het systeem, verrekenen van diensten en over technologische innovaties die de infrastructuur zelf flexibeler maakt. Programmalijn TKI S2SG 1. Energiemanagement voor flexibiliteit van energiesysteem 2. Informatie en Control systemen voor flexibiliteit in de energie infrastructuur Onderwerpen Beter Benutten van de Infrastructuur Integratie van decentrale productie Beheersen en Bufferen van Energiestromen Aandachtspunten: tools voor systeemintegratie; opschaling van oplossingen met bijbehorende standaardisatie. Beschikbaar stellen of leveren van Informatie- en datamanagement Inzetten van Prijsmechanismen en Dynamische Verrekeningen Flexibilisering van de Infrastructuur Aandachtspunten: privacy & security; wet- en regelgeving, business modellen; (Gedrag van) energieprosument. Figuur 3 De twee programmalijnen met focusonderwerpen van de Topsector Energie/Smart Grids (referentie: 2014 Addendum Innovatiecontract TKI S2SG) Het TKI S2SG heeft voor haar tender van 2014 een verdeling aangegeven van 60% programmalijn 1 en 40% programmalijn 2. De opbouw van het VP Duurzame Energie is gericht op de programmalijnen van de TKI S2SG van de Topsector Energie. Tevens wordt hierbij ervoor gezorgd dat er voldoende raakvlakken zijn met de TKI Solar en met de TKI Systeem integratie in oprichting. Aan de hand van de TKI S2SG programmalijnen kunnen we zo de focus van het VP Duurzame Energie 2015-2018 uitdrukken in de eerder genoemde (zie sectie 3.1.1) genoemde TNO productlijnen. 32 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 33 / 53 Programmalijn TKI S2SG Focus TNO produktlijnen Energiemanagement voor flexibiliteit van energiesysteem Energy Markets & Users: Active user participation Market Modelling Legislation Asessment Smart Energy System: Supply & demand mechanismen Forecasting of flexibility Informatie en Control systemen voor flexibiliteit in de energie infrastructuur Backoffice ICT: Smart Grid Billing Transition driven IT Datamodelling IT service architectures Data management Grid management Figuur 4:. Focus 2015 -2018 van TNO VP Sustainable Energy gerelateerd aan de TKI programmalijnen. Het TKI S2SG bestuur verwacht van TNO dat zij net als afgelopen jaren haar kennisprogramma en –projecten afstemmen op de (in dit geval hernieuwde) programmalijnen, speerpunten en essentiële aandachtspunten van het TKI S2SG. Daarnaast kan TNO een rol op zich nemen om speerpunten op te pakken die het “systeem echt laten werken” en die niet worden opgepakt in de lopende TKI (tender) projecten mits dat past in haar strategie en expertise. Hierbij wordt gedacht aan bijvoorbeeld het binnen het TKI S2SG programma ontwikkelen van meer generieke oplossingen en standaard producten ten behoeve van kostenefficiënte opschaling. 3.5 Hoofdlijnen programma 2015 Het programma van 2015 levert direct een bijdrage aan de onderzoekslijnen van de TKI S2SG. Het vierlagenmodel is hierbij leidraad. Kenmerkende speerpunten voor het onderzoek van TNO zijn opschaling, open infrastructuren en participatie van eindgebruikers. 2015 is gepland als een Tock en specifiek heeft deze betrekking op een gevalideerd marktconcept voor een flexibele en open transitie-georiënteerde energiemarkt in 2025. In 2015 zullen eerste stappen gezet worden voor demonstraties van grootschalige flexibele (elektriciteit) markten. Deze grootschalige pilots bouwen verder op de ervaringen van 2013 en 2014 in kleinere pilots waarin: a) TNO’s Flexpower Suite software en open standaarden zijn geïmplementeerd; b). modellen voor het balanceren van vraag en aanbod van (duurzame) energie met zowel technologische als regelgevings en socioeconomische aspecten zijn gebruikt; en c) participatie eindgebruikers in relatie met dienstontwikkeling is geïnitieerd. TNO-rapport | TNO 2014 R11291 34 / 53 In onderstaande tabel is een overzicht gegeven van de projecten in 2015 (voor een korte beschrijving van deze projecten, zie de Appendix op blz. 35). Programmalijn TKI S2SG 2015 Focus TNO VP Projekten Energiemanagement voor flexibiliteit van energiesystemen (60%) Heatmatcher, EcoGrid, iBalance, Flexiheat,, CERISE, Advanced, STEM, ESC Informatie en control systems voor flexibiliteit in energie-infrastructuur (40%) COTEVOS, Dream, Cotevos, tDASA, Greengrowing, Greenemotion, Electra, VIOS, OS4ES, CIVIS, OS4ES, Sunseed, Impact, ValueFlex, TEI Figuur 5 . Positionering 2015 TNO VP projecten naar de TKI S2SG programmalijnen, met verdeling budgetten. Ook in 2015 ligt het grootste deel van het budget van TNO vast in meerjarenprojecten (orde 80%). Dit zijn met name EU FP7/H2020/KIC projecten (ca. 55% van het vastgelegde budget), nationale subsidieprojecten (ca. 35%) en Shared Research projecten (ca. 10%). Dit betreft met name matching met private middelen of EU middelen. Ook voor volgende jaren zullen de EU researchprojecten een significant beslag leggen op de VP middelen. Waar het budget nog niet vast ligt is de intentie van TNO de projecten te verdelen over de verschillende TKI S2SG programmalijnen volgens de hierboven weergegeven (60/40) verdeling. Dit is een lopend proces en betreft zowel EU projecten, projecten in de tender(s) van de TKI S2SG als wel zelfstandige projecten, die beoordeeld worden op hun aansluiting met de (addendum) innovatiecontracten 2014 van TKI Smart Grids en TKI Solar. Op deze manier worden marktpartijen in een zo vroeg mogelijk stadium van het onderzoek betrokken en kan er substantieel onderzoek gedaan worden door financiering vanuit derden. TNO draagt alle kennis die zij verwerft, direct uit ten behoeve van de innovatiecontractdoelstellingen. Daarbij gaat het niet alleen om de kennis die ze heeft opgedaan in dit VP, maar ook om de kennis uit de IPIN proeftuinen en andere projecten met marktpartijen. TNO-rapport | TNO 2014 R11291 Appendix TNO VP Duurzame Energie projecten 2015 FP7:Momenteel lopen de volgende FP7 trajecten waarin TNO participeert, en die minstens tot in 2015 doorlopen: o Ecogrid (Large scale Smart Grids demonstration of real time market-based integration of DER and DR). Project betreft een large scale Smart Grids demonstratie van real time based integratie van DER en DR met oa. de partners SINTEF, Energienet.dk, Siemens en IBM Danmark; o Green eMotion, betreft EV Standardisation met o.a. de partners IBM,SAP, Siemens, EDF en RWE; o Advanced (Active Demand Value And Consumers Experience Discovery). Enel is trekker, andere partners zijn Iberdrola, ERDF, RWE, TNO, VaasaETT, Universidad Ponteficia Comillas, Entelios, Fondazione Eni Enrico Mattei, Distribuciòn Elèctrica en The European Omnibus Survey SCRL. o Dream (Distributed Renewable resources Exploitation in electric grids through Advanced heterarchical Management). Betreft (inter) management aanpak voor inpassen duurzame energie op basis van autonome agent-based systemen. Partners zijn: Institut Polytechnique Grenoble, Elektrikis Energeias Greece, Uni St Gallen, Institute of Communication and Computer Systems, Kema, Societa Aeroportuali Italy, Telvent Energia Spain, TXT E-solutions Italy, Uni Kassel, TNO. o Sunseed.(Sustainable and robust networking for small electricity distribution) beschouwt converged communicatie-infrastructuren voor energiesystemen. Partners: Telco + DSO + smart meter + onderzoek partij in Slovenië, TNO, Aalborg University (Denmark), Toshiba Research Lab (UK), Sierra Wireless (France). o Electra (European Liaison on Electricity grid Committed Towards long-term Research Activities). Betreft uitvoeren van EERA Joint Programme met EU research partners; in het bijzonder het ontwerpen grid toekomst; standaardisatie, control- en monitormechanismen. Partners: EERA o CIVIS (Cities as drivers of social change) Ontwikkelen van enabling technologieën en business modellen (TNO) voor “energy-optimized smart cities”; twee pilots in Trento en Stockholm. Partners: TrentoRISE, AALTO, KTH, KIT, TUDelft (Brazier), TNO. o OS4ES. Open System for Energy Management; ontwikkeling van een Distributed Registry voor DER componenten voor een een dynamische samenwerking DER-DSO. Lab- en veldtesten. Het project draagt bij aan standaardisatie. Partners: FGH uit Mannheim, HUAS (Hamburg University of Applied Science), Hypertech (Hypertech IT Solutions), Greece, IT4 (it4power) Switzerland, KONCAR (KONČAR-Power Plant and Electric Traction Engineering Inc.), Croatia, MVV Energy AG, Germany, Tecnalia Spain, T-Systems Germany, TNO. 35 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 KIC InnoEnergy. TNO vormt samen met TU Eindhoven, KU Leuven en VITO de kern van co-locatie Benelux, met als primair onderzoeksgebied "Smart Cities". Binnen KIC InnoEnergy lopen tot in 2015 de projecten: o ESC (Energy Supply Cooperative). Het project richt zich op de realisatie van een woonwijk die volledig onderling energie deelt. Partners: KIT, EVohaus en TNO o ValueFlex (Value Analysis Leading to Unleashed Electricity Flexibility for network management and market operations). Project beschouwt wat elementen zoals AM en operation sytem tools, LV monitoring en control , energie-opslag, integratie van PHEV en Demand Repsonse aan waarde bijdragen voor energieflexibiliteit. Partners zijn KTH, Vattenfall en TNO. EIT ICT Labs. Binnen de EIT ICT Labs -node Berlijn (Smart Energy Systems) lopen een aantal projecten: o HEGRID (Hybrid Energy Grid Management). In dit project wordt een prototype van een multi-commodity (hybrid: elektriciteit, gas en thermische energie) energy management framework gerealiseerd. Dit voorstel omvat de partners: TNO (Lead), KIT, Siemens, Alliander, Deutsche Telekom, VTT, TU/e, CWI, TUTwente. o IMPACT (Integration of sMart Power ConTrollers) met als doel het creëren van marktrijpe Smart Power Controllers voor elektrische voertuigen en andere toepassingen in smart distribution grids en virtual power plants. Partners; Siemens, KIT en TNO. Proeftuinen. TNO is actief in diverse proeftuinen/pilots gericht op Smart Energy Systems. Daarbij vormt TNO de verbinding tussen kennis en toepassing. Voor een deel zijn het projecten met marktpartijen, voor een ander deel gaat het om trajecten ingediend bij de EZ proeftuinenregeling IPIN zoals Couperus, PowerMatchingCity II (KEMA, Essent, TNO, Humiq) en Houthaven en Lochem. In al deze proeftuintrajecten bestaat het consortium uit een combinatie van netbeheerders, projectontwikkelaars, gemeenten, provincies en ICT-toeleveranciers. FlexiHeat. In dit samenwerkingsproject wordt gewerkt aan onderzoek- en ontwikkelvraagstukken die investeringsbeslissingen in warmteinfrastructuur zullen versnellen, de economische rentabiliteit van warmteprojecten verhogen en hiermee de bedrijfseconomische risico’s van deze projecten zullen verminderen. Partners zijn: RenQi (penvoerder), Verkley Groep, Waterbedrijf Groningen, A. Hak, Akzo Nobel, Attero, DVN KEMA, EBN, Electrabel, Energy Valley, Essent, Groningen Seaports, Holland Malt, Hanzehogeschool Groningen (Energie Kenniscentrum, Kenniscentrum Ondernemerschap), Rendo Netwerken, Rijksuniversiteit Groningen (Energy and Sustainable Research, lnstitute Groningen, Research lnstitute of Technology and Management), TCN SIG Telehousing, Universiteit Twente, Warmtenetwerk en TNO. 36 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 Tenderprojecten TKI Topsector Energie. Doorlopende projecten zijn: o VIOS (Virtuele Infrastructuur Operating Systeem). Doelstelling van dit project is het ontwikkelen van specificaties en technologie waarmee een interoperabiliteit op het niveau van de virtuele infrastructuur ontstaat,TNO is hierbij penvoerder, partners zijn Alliander, iNRG en Technolution; o I-Balance (link met Entrance): Hanze Hogeschool is hierbij penvoerder, partners zijn TNO, iNRG,Westland Infra, Gasunie, Gasterra, HHD, RWE o tDASA (Technology for Distribution Area Situational Awareness in Electrical Networks). Partners zijn: Netbeheerder Enexis, Locamation, TU/e en TNO. o TEI (Toegankelijke Energie Informatie). Enexis wil graag een concrete bijdrage leveren aan de Energietransitie en heeft daartoe het initiatief genomen om aan de Energiehuishouding gerelateerde gegevens toegankelijk te maken voor partijen die daarmee waarde kunnen creëren en innovatie bevorderen. o CERISE (Combineren van Energie- en Ruimtelijke Informatie Standaarden als Enabler – Smart Grids). Project richt zich op het richt zich op het combineren van data uit verschillende bronnen door middel van koppelingen. o STEM (De Energietransitie van Onderaf). In dit project wordt de vraag beantwoord Hoe benutten we de beweging van duurzame, lokale energie initiatieven optimaal om de transitie naar een duurzame Nederlandse energiehuishouding te versnellen? 37 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 38 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 4 Vraaggestuurd programma “Systeemintegratie” Ir. R.S. Westerga 4.1 Inleiding 4.1.1 Aanleiding Systeemintegratie gaat over het optimaal inzetten van het volledige energie systeem over alle mogelijke energiedragers heen: elektriciteit, gas, warmte en 8 koude. De bijbehorende infrastructuren kunnen elkaar ondersteunen en aanvullen bij het bereiken van de doelen in de energietransitie: een duurzaam, betrouwbaar en betaalbare energievoorziening. Het VP Systeemintegratie is voor TNO een nieuw VP in het thema Energie. De bestaande programma’s voor de Nederlandse gas infrastructuur (VP Geo Energie) en de ontwikkelingen m.b.t de integratie van duurzame energie het (VP Duurzame Energie) wordt nu uitgebreid met een programma dat deze VP’s met elkaar verbindt en verder verbreedt . Vanuit het VP Geo Energie zullen onderdelen die gericht zijn op de verduurzaming van de gas infrastructuur, ontwikkeling en inpassing van biogas en groen gas in het nieuwe VP ondergebracht worden. Het VP Duurzame Energie heeft een primaire focus op de elektrische infrastructuur. Onderwerpen die juist de infrastructuren integreren zullen de kern vormen van het nieuwe VP Systeemintegratie, zie ook figuur 1. Figuur 1. Samenhang van de Vraaggestuurde programma’s binnen TNO Net zoals het VP Geo Energie een nauwe relatie heeft met het TKI Gas en het VP Duurzame Energie met het TKI Switch2SmartGrids, heeft dit vraaggestuurde programma een nauwe relatie met de TKI overstijgende programmalijn Systeemintegratie, waarbij de programmering van het TKI Systeemintegratie de volgende hoofdlijnen kent: 1. Hybride Energie infrastructuren 2. Energie Opslag 3. Keteninteracties De hoofdlijnen van dit VP zijn nauw gerelateerd aan deze programma hoofdlijnen. 8 infrastructuren omvatten alle fysieke middelen (netwerken, apparatuur, aansluitingen etc.) en de bijbehorende markten 39 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 4.1.2 Achtergrond Het energiesysteem in Nederland ondergaat een transitie richting een duurzaam systeem. Het aandeel duurzaam opgewekte energie moet omhoog waarbij tegelijkertijd de leveringszekerheid en betaalbaarheid een gezonde balans blijven vertonen. In Nederland bestaat tevens een sterke relatie tussen fossiele grondstoffen en de nationale economie, mede ingegeven door de eigen gasvoorraad, de handel en verwerking van fossiele grondstoffen en het daarbij gepaard gaande gunstige ondernemingsklimaat voor energie-intensieve bedrijvigheid. Elke verandering in dit systeem heeft een significante impact op de toekomst van de Nederlandse economie, en het is zaak deze impact goed in kaart te brengen en hierin de juiste keuzes te maken tijdens de transitie. Systeemintegratie gaat over die onderwerpen die te maken hebben met de relatie tussen de verschillende energie infrastructuren in Nederland tijdens (en na) de transitie: elektriciteit, gas en potentieel ook warmte/koude. Dit kan bijvoorbeeld met behulp van conversie en opslag van energie om het totale energie systeem te optimaliseren. Het idee is dat in Nederland de bestaande infrastructuren elkaar kunnen helpen om de verduurzaming te versnellen en in goede banen te leiden waarbij energetische en economische optimalisaties over de infrastructuren heen een belangrijke rol spelen. In Nederland, en in ons omringende landen, zijn er twee aspecten die de hoofdrol spelen in de transitie naar een duurzame energievoorziening. Ten eerste de veranderingen in de elektriciteit infrastructuur. Hier zullen de grootste technische en economische problemen het eerst gaan optreden, zoals de stabiliteit en betrouwbaarheid van levering, de prijsontwikkelingen van energie en potentiële desinvesteringen en benodigde investeringen in die infrastructuur. Ten tweede hebben we te maken met een bestaande gas infrastructuur, die nog een belangrijke rol kan spelen in de verduurzaming van het gehele systeem. In dit programma zijn op basis van voorgaande teksten de volgende twee uitdagingen van belang: 1. Op welke manier zijn de gas- en warmte-infrastructuren optimaal in te zetten als flexibiliteitsbron voor het elektriciteit systeem? 2. Wat is de rol van de gasinfrastructuur tijdens en na de energietransitie, in een duurzame energievoorziening? Op termijn zullen deze twee uitdagingen in elkaar overvloeien en convergeren en daarbij samen met de ontwikkelingen op het gebied van Duurzame Energie een coherent en consistent geheel vormen. 4.2 Visie Nederland kent twee belangrijke nationale energie infrastructuren: de elektriciteiten gasinfrastructuur. De warmte/koude infrastructuur is een derde, maar die speelt vooral op lokaal en regionaal niveau een rol. In de transitie naar een duurzaam systeem zullen beide infrastructuren een rol spelen, zowel in zichzelf, maar ook met elkaar. Een optimaal systeem maakt gebruik van de beschikbare infrastructuren. Systeemintegratie gaat dan ook om de verandering in, en samenhang tussen deze infrastructuren om de doelstellingen van verduurzaming te bereiken tegen 40 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 acceptabele kosten en met voldoende mate van betrouwbaarheid voor de leveringszekerheid van energie (betrouwbaar, betaalbaar, duurzaam). De grootste problemen in NL zullen als eerste optreden in de elektriciteit infrastructuur. Enkele voorbeelden kunnen we vinden in Duitsland en Denemarken, waar grote aandelen duurzaam opgewekte energie (of juist het ontbreken daarvan) het systeem in problemen brengt. Dit kan een technisch probleem veroorzaken (balans, er is te weinig of juist te veel duurzame energie, en flexibele inzet van traditionele reserve productiecapaciteit ontbreekt), of een markt gerelateerd probleem (prijsontwikkeling, de energiemarkt is niet ingericht voor de effecten van de transitie). Een andere belangrijke trend is de decentralisatie van de opwekking van energie, iets waarmee in het systeem geen rekening mee is gehouden, niet op technisch vlak, maar ook niet op het vlak van regelgeving en marktwerking. Door die decentralisatie ontstaan ook meer belanghebbenden in het systeem (lokale initiatieven en individuen/prosumers), wat zonder aanvullende maatregelen minder controle geeft over het totale systeem. Minder controle leidt uiteindelijk tot een vermindering van stabiliteit en voorspelbaarheid van het totale systeem. Flexibiliteit in het hybride energie systeem als sleutel voor de oplossing: De oplossingen voor een flink deel van deze problematiek liggen in het ontsluiten en creëren van flexibiliteit in het systeem, en dan vooral gericht op de integratie van elektriciteit en gas: het hybride energie systeem. Waar het nu nog twee gescheiden infrastructuren zijn zullen ze in de toekomst meer geïntegreerd zijn om het totale energie systeem te optimaliseren, zowel technisch als economisch. De nodige flexibiliteit in de elektriciteit infrastructuur kan op verschillende manieren worden gerealiseerd. Flexibiliteit vergroten in de productie van energie, flexibiliteit in transport (door betere internationale interconnecties), flexibiliteit door vraagsturing (‘demand response’) en flexibiliteit door de inzet van opslag en conversie van energie, ook tussen de verschillende infrastructuren. Met de inzet van de gasinfrastructuur (hybride energie systemen) en warmte/koude infrastructuren is de flexibiliteit verder te verhogen dan alleen met de elektriciteitsinfrastructuur. Naast deze technische aspecten van flexibiliteit spelen ook de sociaal economische aspecten een belangrijke rol. Een verandering in de huidige marktwerking in het systeem, in de volume markten, in de balansmarkten, en de waardering van potentiele flexibiliteit zijn ook delen van de oplossingen die nodig zijn. 41 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 Figuur 2. Flexibiliteit verhoogt door de inzet van verschillende infrastructuren In het energiesysteem van de toekomst is er nauwe relatie tussen de gas en elektriciteit infrastructuren met voldoende flexibiliteit in het systeem om de verduurzaming te realiseren met een betrouwbare levering en betaalbare energievoorziening. 4.3 Roadmap 2015-2018 4.3.1 Historie Het VP Systeemintegratie heeft geen eigen TNO roadmap. Het heeft wel een sterke relatie met de bestaande roadmaps voor Smart Energy Systems (SES) en Geo Energy. De belangrijkste ontwikkelingen vanuit de lopende VP’s Duurzame Energie en Geo Energie die met dit VP Systeemintegratie te maken hebben zijn: Ontwikkelingen vanuit VP Duurzame Energie: Technologie voor balanceren vraag en aanbod elektriciteit (PowerMatcher) en warmte (HeatMatcher); Technologie ontwikkeling voor besturing hybride energie systemen (HEGRID, eHUB). Ontwikkelingen vanuit VP Geo Energie: Modelleren van de veranderende gasstromen in een gas netwerk infrastructuur ten gevolge van de invoeding van groen gas (Smart Gas Grids); Monitoren van de veranderende gascompositie door de verandering van het gas distributie netwerk van uni-directioneel naar bi-directioneel; Evolutiemodellen van energiesysteem (gas / elektriciteit), Agent based (ABM/EDGAR D1). 4.3.2 Programma hoofdlijnen 2015-2018 In het toekomstbeeld van systeemintegratie is de samenhang tussen de hybride energie infrastructuren een belangrijk gegeven, waarbij de problematieken zoals geschetst zijn aangepakt. Er is niet meer sprake van een systeem met volledig 42 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 gescheiden infrastructuren, maar een samenhangend en geoptimaliseerd systeem van productie, transport en verbruik van energie. Flexibilisering van de infrastructuur om een groot aandeel duurzame energie aan te kunnen is hierbij een sleutelbegrip. Dat betekent dat er in de toekomst voorzieningen zijn, zowel technisch als op sociaal economisch vlak, die deze flexibiliteit ondersteunen, en voor en door verschillende belanghebbenden aangeboden worden of geleverd. De belanghebbenden zijn dan vooral de producenten, groot en klein, de beheerders van de transportinfrastructuren en de verbruikers, ook groot en klein. Voor het hier en nu betekent dat er aan een aantal onderwerpen gewerkt moet worden om het toekomstbeeld te realiseren. In het TKI overstijgende programmalijn Systeemintegratie zijn deze in drie hoofdlijnen uitgewerkt: 1. Hybride infrastructuren, 2. Opslag en Conversie en 3. Keteninteracties. In dit VP is een vergelijkbare, maar meer gedetailleerdere programmering, gehanteerd die recht doet aan de twee vragen uit de inleiding en een invulling geeft aan het onderzoek dat het gewenste toekomstbeeld kan realiseren. Dat deze in de komende jaren meer naar elkaar toegroeien is zeker een mogelijkheid. De hoofdlijnen in dit VP Systeemintegratie zijn gebaseerd op de volgende noties: Rol van Gas in de verduurzaming van het energiesysteem. De rol van de gas infrastructuur in de verduurzaming moet helder worden. Voor elektriciteit wordt al veel gewerkt aan smart grids om meer duurzaam opgewekte energie aan te kunnen. Vooral voor de inzet van biogas en groen gas is onderzoek nodig in relatie tot de verduurzaming en de bijdrage aan de leveringszekerheid. Conversie en Opslag van Energie. De integratie van verschillende energie dragers heeft tevens te maken met het omzetten van de ene vorm in de andere. Conversie en daarbij gepaard gaande opslag is van groot belang voor het realiseren van hybride infrastructuren. Power 2 Chemicals en opslag van warmte zijn belangrijke onderwerpen. Hybrid Energie Matching. Voor de optimale inzet van duurzame oplossingen is een slimme besturing nodig. Voor hybride infrastructuren moet deze rekening houden met de verschillende energie dragers. Net als voor Smart Grids dit soort besturingen worden gerealiseerd, is dit ook nodig voor deze integratie. Hybride Smart Management systemen zijn van groot belang voor de optimalisatie van beschikbare flexibiliteit in het systeem. Integrated System Dynamics. Omdat nog veel onbekend is over de optimale inzet van infrastructuren en technologie en bijbehorende marktwerking zijn er modellen, simulaties en optimalisaties van hybride energiesystemen nodig, die rekening houden met de markt(en) en belanghebbenden. Zowel technische modellen en simulaties alsook marktmodellen en analyses en de rol van verschillende belanghebbenden (producenten, beheerders en verbruikers) zijn hierbij van belang. Integrated System Validation and Demonstration. In de komende jaren is het van belang de innovaties te kunnen valideren en demonstreren. Hiervoor moeten de benodigde test faciliteiten worden gerealiseerd. 43 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 4.3.3 Governance Jaarlijks vinden er vanuit het VP interne en externe contacten en discussies plaats met gremia van stakeholders, zoals bijv. TKI bijeenkomsten, NetbeheerNL, EIT ICT Labs, etc. Het VP valt binnen TNO onder de verantwoordelijkheid van het thema energie, meer specfiek bij het innovatiegebied Duurzame Energie. 4.3.4 Samenwerking Op het gebied van smart grids werkt TNO al met veel partijen samen, zowel in het private als in het publieke domein. TNO ziet het daarbij als haar taak om als schakel te fungeren tussen wetenschap en praktijk, zodat kennis ook daadwerkelijk wordt toegepast in Nederland. Dit geldt ook voor dit VP. TNO onderhoudt en breidt uit de contacten met universiteiten en hogescholen die onderzoeksprogramma’s hebben op het gebied van systeemintegratie, en gaat samenwerkingsverbanden aan waar dat zinvol is. In het bijzonder vindt input via aan het VP gelieerde deeltijdhoogleraren plaats. Verder werkt TNO samen met internationale partijen: de European Energy Research Alliance (EERA), Energy Business Affiliation Programm (EBAP), en participeert zij in Europese Standaardisatie Organisaties zoals de (ESO): CEN/CENELEC, ETSI. Ten slotte vindt samenwerking plaats via Europese onderzoeksprogramma’s zoals FP7, Horizon 2020 en KIC. Daarnaast wordt voor bredere vraagstukken actief samengewerkt met TO2 instituten en prominente onderzoeksbureaus. 4.3.5 Kennis positie en klanttevredenheid TNO heeft vanuit de bestaande programmering van de VP’s in energie een solide basis in de verschillende energie infrastructuren (gas, elektriciteit, warmte). Kennis vanuit de projecten in deze VP’s zal zonder meer ingezet worden bij het onderwerp systeemintegratie. TNO heeft een unieke uitgangspositie dat alle disciplines van gas, elektrisch en warmte op systeem niveau bij elkaar gebracht kunnen worden. Zowel nationaal als internationaal heeft TNO de potentie om ook hierin een belangrijke positie in te nemen. Vanuit Geo Energie is er een sterke technologie positie in het modelleren van dynamische gasstromen in complexe netwerken ten behoeve van gasdistributie en gasopslag. De technologie ontwikkeling die plaatsvindt, is gerelateerd aan het modelleren van veranderende gascompositie in de netwerken door invoeding van groen gas, LNG, H of G gas. Vanuit Duurzame energie is er een zeer sterke positie in intelligentie toevoegen aan de infrastructuur (smart grids) met bijbehorende technologie en modellering, simulaties en optimalisaties van deze technologie. Vooral de bijbehorende systeemkennis, marktkennis en sociale aspecten zijn onderwerpen die zich direct laten vertalen naar de uitbreiding richting systeemintegratie. 4.3.6 Impact Impact van de programmering zal zijn dat er in Nederland (en in de EU) steeds meer rekening wordt gehouden met het energiesysteem als geheel, en niet als individuele onderdelen. Zowel de fysieke infrastructuur als de bijbehorende markten zullen worden geïntegreerd over gas en elektrische infrastructuren heen, waarbij ook zoveel mogelijk gebruik wordt gemaakt van de mogelijkheden die warmte en koude bieden. De belangrijkste reden is om de flexibiliteit van het totale systeem te vergroten. De impact zal zowel op het gebied van klimaat zijn: het bijdragen aan de 44 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 duurzaamheidsdoelstellingen, energiebesparingen en CO2 reductie (Energie Akkoord) maar ook ervoor zorgen dat er rekening wordt gehouden met de bestaande economische waarde van het energiesysteem en de partijen die hierbij betrokken zijn. 4.4 Relatie Topsector Energie TNO heeft een belangrijke bijdrage in het TKI Gas (TNO is coördinator van de hoofdlijnen upstream Gas, small scale LNG en CCUS, en TNO zit in het bestuur) en het TKI Switch2SmartGrids (rol in bestuur en bepalende bijdrage van programmering in 2013 en 2014). TNO heeft vanuit die hoedanigheid dan ook een bijdrage geleverd in de uitwerking van de TKI overstijgende programmalijn Systeemintegratie in de Topsector Energie. Aansluiting Thema Systeemintegratie Dit VP is nauw verbonden met het nieuwe thema systeemintegratie binnen de topsector energie. De visie van dat thema en de visie van dit vraaggestuurde programma sluiten nauw op elkaar aan. De resulterende programmalijnen van het thema systeemintegratie (Hybride infrastructuren, Opslag en Conversie en Keteninteracties) zijn terug te vinden in de programmering van dit VP Systeemintegratie. 4.5 Hoofdlijnen programma 2015 De hoofdlijnen in de roadmap 2015-2018 (zie par. 4.3.2) laten zien welke lijnen er de komende jaren van belang zijn. In 2015 zullen projecten worden uitgevoerd of opgestart die bijdragen aan de invulling van die hoofdlijnen. De speerpunten liggen bij de twee hoofdvragen die in het begin zijn gesteld: De verduurzaming van de gas infrastructuur en gas als flexibiliteitsbron voor de problemen in de elektriciteitsinfrastructuur. De volgende onderwerpen zijn geïdentificeerd voor 2015, gestructureerd volgens de roadmap hoofdlijnen: Rol van Gas in de verduurzaming van het energiesysteem: 1. SMART GAS GRID. In samenwerking met Alliander en Bronkhorst ontwikkelen van een sensor voor de calorische waarde van gas in netwerken, waarmee op veel locaties in een complex netwerk online kan worden gemeten of het gas voldoet aan de specificaties, ook als er biogas bij verschillende invoerpunten op willekeurige momenten en volumes wordt ingevoerd. Conversie en Opslag van Energie: 1. Horizon 2020: LEC09: Opslag op grote schaal. Een ingediend voorstel in Horizon 2020: “LCE9: Large Scale Storage”. Het op grote schaal opslaan van (duurzaam) opgewekte energie in ondergrondse opslag. Hybrid Energy Matching: 1. ELASTIC: Alignment of Powermatcher & Business Agents. Een samenwerkingsverband met VITO (België) om de Powermatcher technologie te verbinden met slimme toepassingen voor hybride netwerken. 45 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 2. HEGRID. In dit project wordt een prototype van een multi-commodity (hybrid: elektriciteit, gas en thermische energie) energy management framework gerealiseerd. Dit voorstel omvat de partners: TNO (Lead), KIT, Siemens, SAP, VTT, TU/e, CWI, TUTwente. Integrated Systems Dynamics: 1. Agent Based Models / Edgar D1. Agent Based Modelling van gekoppelde markten. In het kader van het EDGAR programma D1 met TUD, Kiwa, ECN, Enexis en Alliander kijken mee. Het model bouwt voort op het ENETSIM model dat eerder voor de gasmarkt is ontwikkeld. 2. HEM: Hybrid Energy Management: Simulation & Matching Optimalisation for Hybrid Infrastructures. Een onderzoek naar slimme algoritmes voor het matchen van energie met verschillende energie dragers. 3. PLATO: Planning Models for hybrid energy systems. In samenwerking met Netbeheerders onderzoek naar de volgende generatie rekenmodellen voor het plannen van hybride energiesystemen 4. DYNET: Market evolution models (“SRP Energy Transition”). Lange termijn evolutie van energienetwerken simuleren, rekening houdend met korte termijn gedrag. Dynamische beprijzing van energie is een sleutelfactor. Integrated Systems Validation & Demonstration: 1. Hybrid Energy System Integration Lab: Test faciliteit met Energy Academy Europe (EAE). Ondersteuning aan de opzet van projecten die gebruik maken van het integration Lab. 46 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 5 Vraaggestuurd Programma “Energie Gebouwde Omgeving” EGO voor TKI EnerGO Dr. H.M.E. Miedema 5.1 Inleiding en doelstelling Via energiebesparing, duurzame lokale compacte conversie en opslag van energie en slimme systemen is de CO2 uitstoot gerelateerd aan de gebouwde omgeving fors terug te brengen. De introductie van maatregelen zal voor een groot deel in de bestaande gebouwde omgeving moeten plaatsvinden en gecombineerd worden met onderhouds- en renovatieaanpakken. Dit stelt specifieke eisen aan de inpasbaarheid van oplossingen. TNO stelt zich tot doel om samen met de stakeholders voor de gebouwde omgeving een reductie van 20% CO2 tot stand te brengen in 2020 en energieneutrale gebieden in 2050. 5.2 Achtergronden In Nederland en veel andere Europese landen is ca. 35% van het primaire energiegebruik, 50% van het grondstoffenverbruik en circa 30% van het vervoer, watergebruik en CO2-uitstoot gerelateerd aan de gebouwde omgeving. Mede gedreven door Europese regelgeving stellen overheden, bedrijven en burgers steeds hogere eisen aan het reduceren van de energieconsumptie, het opwekken van duurzame energie, het sluiten van grondstofketens en het terugbrengen van de CO2-uitstoot. Een kentering is op mondiaal niveau echter nog niet zichtbaar. De ultieme nationale en Europese ambitie ten aanzien van de gebouwde omgeving is een klimaatneutrale gebouwde omgeving medio deze eeuw en een circulaire economie voor materialen. Het Energieakkoord voor duurzame groei omvat stappen in de richting van een energievoorziening die in 2050 volledig klimaatneutraal is. Voor 2030 wordt voor gebouwen gestreefd naar ten minste gemiddeld label A. In het Energieakkoord is het streven voor de gebouwde omgeving voor 2020 om ten minste de doelstellingen uit de Europese energie-efficiëntie richtlijn (EED), de herziening van de richtlijn energieprestatie van gebouwen (EPBD) en de richtlijn Ecodesign te realiseren, en verder: bestaande bouw: 300.000 bestaande woningen en andere gebouwen per jaar minimaal twee labelstappen laten maken; nieuwbouw: bijna energieneutraal vanaf 2020 (en vanaf 2018 reeds voor overheidsgebouwen) conform EPBD-richtlijn; huur: gemiddeld label B in de sociale verhuur en minimaal label C voor 80% van de particuliere verhuur in 2020; utiliteitsgebouwen: energiebesparende maatregelen met een terugverdientijd van minder dan vijf jaar dienen uitgevoerd te worden, conform Wet milieubeheer. Investeringen in energie-efficiëntere producten, productietechnieken en hernieuwbare energie worden beschouwd als van essentieel om de ambities te 47 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 verwezenlijken. Terugbrengen van het netto primair energiegebruik in de gebouwde omgeving tot (bijna) nul zou Nederland jaarlijks miljarden euro’s besparen die we nu besteden aan kolen, olie en gas. Bovendien zou het tienduizenden nieuwe banen creëren in de bouw en toeleverende industrie. Door fors in te zetten op energiebesparing en een slimme uitrol van hernieuwbare energie worden de energiekosten voor burgers en bedrijven beheersbaar gehouden. Daarbij moet worden bedacht dat de energierekening van een gemiddeld huishouden 5 tot 6 procent van het huishoudinkomen bedraagt (voor huishoudens met een laag inkomen ligt het percentage nog hoger). Innovatieprogramma Energiesprong, uitgevoerd in opdracht van het Ministerie van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties heeft met marktpartijen Nul-op-demeter prestatiecontracten afgesloten. Bij een “Nul Op de Meter” nieuwbouwwoning zijn de in- en uitgaande energiestromen voor gebouwgebonden energiegebruik (ruimteverwarming, -koeling, warm tapwater gebruik) en het gebruik van huishoudelijke apparatuur (incl. verlichting) op jaarbasis per saldo nul. Hierbij geldt tevens dat: Op basis van de EPG norm moet de woning voor het gebouw-gebonden energiegebruik een EPC hebben kleiner dan 0; Aanvullend daarop levert de woning een minimum hoeveelheid elektriciteit per jaar voor de afdekking van het elektriciteitsgebruik van huishoudelijke apparatuur; Gebiedsmaatregelen (conform EMG) worden toegepast om tekort aan opwekkingenmogelijkheden voor huishoudelijk verbruik van een individuele woning te compenseren; de externe duurzame energie wordt opgewekt binnen een straal van 10 kilometer rondom de woning. De prestatiegarantie in de contracten betreft minimaal de energieprestatie volgens bovenstaande definitie. Aanvullend worden prestatiegaranties verwacht op het gebied van binnenmilieu. Reductie van het energiegebruik en de toenemende inzet van duurzame energiebronnen kan niet los gezien worden van de behoeften van de eindgebruikers in de gebouwde omgeving. De wisselwerking tussen eindgebruiker en gebouw/installatie is een dominante factor voor het uiteindelijke energiegebruik in energiezuinige of energie producerende gebouwen. Essentiële randvoorwaarde voor een succesvolle transitie is dat het comfort- en gezondheidsniveau in gebouwen toeneemt, of op zijn minst gelijk blijft. De kennisontwikkeling van TNO gekoppeld aan de TNO EnerGO, om bij te dragen aan bovenstaande doelen en ontwikkelingen wordt in aparte paragrafen beschreven voor: Installaties: compacte energieconversie en thermische opslag Gebouw en binnenmilieu Wijk Onderdeel ‘Installaties’ sluit nauw aan bij TKI EnerGO lijn Compacte Conversie en Opslag (CCO), onderdeel ‘Gebouw en binnenmilieu’ bij Multifunctionele Bouwdelen en onderdeel ‘Wijk’ sluit nauw aan bij TKI EnerGO lijn Energieopwekking, - 48 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 distributie en –opslag op Gebiedsniveau. Onderwerpen uit de TKI EnerGO lijn Regeling energieprestatie en control zijn hier geïntegreerd in de drie onderdelen. De activiteiten worden voor een belangrijk deel vergroot doordat deze gematcht zijn met financiering uit EU kaderprogramma/ Horizon 2020 projecten en KIC InnoEnergy projecten. Daarnaast vinden activiteiten plaats om technologie te ontwikkelen die de basis vormt om met bedrijven gezamenlijk door te ontwikkelen, in een aantal gevallen met ondersteunende financiering uit TKI EnerGO tenders. 5.3 Installaties: compacte energieconversie en thermische opslag Compacte thermische opslag Om een energie producerende gebouwde omgeving mogelijk te maken is inzet van decentrale duurzame energiebronnen noodzakelijk. Voor een zo effectief mogelijke inzet is optimale integratie een vereiste. Cruciaal is de ontwikkeling van een compacte technologie waarmee het mogelijk is om de onvermijdelijke ongelijktijdigheid van vraag en aanbod vrijwel verliesvrij te overbruggen. Bij de huidige opslagtechnologieën gaat warmte verloren tijdens de opslagperiode, zijn vaak grote investeringen gemoeid en is veel ruimte noodzakelijk. Thermochemische opslag is een technologie die in potentie deze nadelen niet heeft. De technologie is echter nog niet marktrijp. Naast component- en systeemontwikkeling is ook behoefte aan fundamentele materiaalontwikkeling. Door TNO wordt in consortia binnen diverse Europese en Nederlandse projecten gewerkt aan (compacte) thermische energieopslag, waarbij de focus van de werkzaamheden ligt op component- en systeemontwikkeling. Hiervoor worden nieuwe numerieke modellen ontwikkeld, mock-ups gebouwd en numerieke modellen gevalideerd. In dit verband wordt gewerkt aan: Verhoging van de energie opslag dichtheid op systeemniveau Verhoging ratio vermogen/capaciteit Vergroten laadsnelheid Vergroten systeem-opbrengst door ontwikkelen nieuwe materialen waarmee de laadtemperatuur verlaagd wordt (dehydratatie temperatuur) Verbetering energiemanagement, life-time en state-of-charge, intelligente laaden ontlaadalgoritmen Verbetering systeem- en gebouwintegratie door de ontwikkeling van nieuwe materialen, componenten en systemen. Compacte energieconversie De meeste nieuwe HVAC technologieën worden ontwikkeld voor de nieuwbouw. Dit omdat inpassing dan veel eenvoudiger is. Voor de bestaande bouw is het noodzakelijk om extra aandacht te besteden aan inpassing van zowel nieuwe als ook van efficiënte bestaande technologieën. In dit verband wordt gewerkt aan: Inpassing van bestaande technologie in de bestaande bouw in het bijzonder bouwfysische en systeemintegratie van PV en zon thermische componenten. Ontwikkeling van de volgende generatie warmtepompen en airconditioners die tot een factor 3 beter presteren dan de huidige apparaten. Dit kan mogelijk door toepassing van het magneto calorische principe gecombineerd met permanente 49 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 magneten. Hierdoor is vrijwel geen primaire energie meer nodig om warmte of koude te produceren. 5.4 Gebouw en binnenmilieu In dit deelprogramma zullen beperkte activiteiten ondernomen worden met betrekking tot energieprestatiebeoordeling en –monitoring, en met betrekking tot binnenmilieukwaliteit en ventilatie. Deze onderwerpen komen uitgebreider aan de orde in een vraaggestuurd programma dat aangestuurd wordt door de ministeries IM en, voor dit onderdeel, BZK. Hier ligt de focus op Instelbare materialen voor regulering van absorptie/reflectie van zonnestraling. Instelbare materialen De toepassing van instelbare coatings op de gebouwschil lijkt potentieel interessant om de energievraag van nieuwe en bestaande gebouwen te reduceren. De coating wordt ‘instelbaar’ gemaakt door nieuwe pigmenten toe te voegen. Voorbeelden van de toegevoegde functionaliteit is extra warmte/infrarood absorptie in de winter en juist infrarood reflectie gedurende de zomer. Op deze manier wordt zowel de warmte als de koude vraag positief beïnvloed. Ontwikkeling nieuwe pigmenten voor instelbare coatings: infrarood absorptie bij lage temperaturen, infrarood reflectie bij hoge temperaturen Ontwikkeling van nieuwe gebouwschil elementen met een geïntegreerde onzichtbare thermische zonnecollector, gebaseerd op instelbare coatings. 5.5 Wijk Om een energie neutrale gebouwde omgeving te realiseren is optimalisatie op wijkniveau noodzakelijk. Een bijkomende reden voor energie-optimalisatie op wijkniveau zijn de problemen die ontstaan bij grootschalige inzet van decentrale duurzame energiebronnen. De eerste problemen bij grootschalige inzet van PV, warmtepompen of windenergie hebben zich al voor gedaan. Gelijktijdige inschakeling van de warmtepompen hebben geleid tot een overbelasting van het elektriciteitsnet, niet alle PV panelen kunnen de volledige capaciteit terug leveren op piekmomenten en windmolens worden vaak uitgeschakeld om soortgelijke problemen te voorkomen. Naast hardware oplossingen zoals compacte manieren van opslag is er ook dringend behoefte aan intelligente tools waarmee op gebiedsniveau ontworpen, geplanned, geoptimaliseerd of gestuurd kan worden. Dit zijn meestal meer integrale tools waar diverse modellen aan elkaar gekoppeld moeten kunnen worden. De huidige beschikbare tools zijn daar slechts zeer beperkt toe in staat. In dit verband wordt gewerkt aan gebruiksvriendelijk, GIS-gebaseerde tools om: voor bestaande gebieden (herinrichting) het potentieel én de optimale plaats van verschillende duurzame energieopties te bepalen in combinatie met verschillende energieopslag mogelijkheden, dynamische vraagprofielen, zonder de bestaande energie netten aan te passen; de planning van energienetten en energiemaatregelen op wijkniveau te ondersteunen rekening houdend met onderhouds- en investeringskosten. 50 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 5.6 Samenwerking en strategische partnering Behalve dat TNO actief meewerkt in het ecosysteem van de TKI EnerGO wordt ook actief deelgenomen aan de volgende belangrijke Europese netwerken/organisaties: ECTP/E2Ba Het Europese PPP E2Ba is door bedrijven opgericht om het energiebeleid en industriebeleid hand in hand met elkaar te laten gaan, zodat terugdringen van het energiegebruik in de gebouwde omgeving samengaat met versterking van het bedrijfsleven. Deze aanpak is ondersteunend aan de overheidsambities. Binnen E2B zit TNO in de steering board, industrial advisory group en het scientific committee. Op nationaal niveau is TNO het National Liasion Point (NLP) voor E2B. NLPs vormen een liaison tussen het E2B en lidstaat activiteiten. KIC InnoEnergy De Knowledge Innovation Community InnoEnergy richt zich op de doorontwikkeling van nieuwe technologie tot producten en diensten. De co-locatie Benelux richt zich op energie in de gebouwde omgeving. In deze KIC werken kennisinstellingen en industriële partijen samen om de innovatie driehoek (onderwijs, onderzoek, business) op het gebied van duurzame energie te versterken. TNO is full partner in de KIC InnoEnergy. 51 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 52 / 53 TNO-rapport | TNO 2014 R11291 6 53 / 53 Ondertekening Utrecht, 30 september 2014 Dr. M.J. van Bracht Managing Director thema Energie Ir. J. de Koning
© Copyright 2024 ExpyDoc
