1 Introduction
De huidige energievoorziening in Nederland is opgebouwd uit verschillende bronnen waaronder kolen en gas met bijbehorende uitstoot van broeikasbassen tot gevolg. Daarbij komt dat de wereldvoorraad van de fossiele brandstoffen als olie, kolen en gas eindig is. Dit gecombineerd met de afhankelijkheid van aanbod uit politiek instabiele regio’s zorgt voor een besef dat er een noodzaak is om te investeren in de productie van duurzame energievoorzieningen.
Op het Nederlandse eiland Texel worden een aantal innovaties uitgevoerd als onderdeel van de overgang naar een duurzame energiehuishouding. Dit eiland, verspreid over een oppervlakte van 162 km2, is van plan om ter plaatse voldoende energie te produceren om te voorzien in de eigen behoeften in 2020. In 2008 werd 1% van de vraag naar energie duurzaam en lokaal geproduceerd. (Gemeente Texel 2008). Windenergie, zonne-energie, getijdenenergie, geothermische energie en bio-energie komen allen in aanmerking om dit doel te bereiken. Een aantal projecten zijn op dit moment al uitgevoerd.
De gemeente stelt grenzen aan economische groei door het instellen van een maximale capaciteit voor de toeristische industrie, de grootste economische sector van het eiland, en door het beperken van de uitbreiding van de bebouwde omgeving (Gemeente Texel 2002). Bovendien zijn verschillende publiekscampagnes ingezet om energie-efficiëntie onder de 13.000 inwoners te bereiken. In de beleidsvorming worden participatieve processen gebruikt om weerstand tegen nieuwe ontwikkelingen te minimaliseren en de burgers te betrekken bij de besluitvorming (Gemeente Texel 2009).
Om de afhankelijkheid van olie verder te reduceren is er de laatste jaren ook een toenemende trend om over te stappen op elektrisch rijden. Om elektrisch rijden te bevorderen op het eiland worden een aantal belanghebbenden gestimuleerd om te investeren in nieuwe infrastructuur en voertuigen, ondersteund door middelen uit de overheid (Agentschap NL 2011).
Al deze ontwikkelingen samen hebben de potentie om het energie systeem van Texel aanzienlijk te veranderen. De invoering van hernieuwbare energiebronnen zal de energie leverantie veranderen, men wordt afhankelijker van de beschikbaarheid van bronnen zoals wind- en insulaire straling. Bovendien zullen elektrisch rijden en andere innovaties de vraagzijde van de energiesysteem ingrijpend
veranderen.
De huidige innovaties vereisen een verandering in de manier waarop vraag en aanbod van energie in balans zijn, of met andere woorden: hoe wordt het lokale energiesysteem van Texel beheerd. Zal energie worden verhandeld met het vasteland om de vraag te passen tijdens de energietekorten, of zal de productie overschotten worden opgeslagen op het eiland zelf? Bovendien, welk beleid kan worden gebruikt om de vraag te sturen en wat is er nodig om de gewenste energie transitie door te voeren ? TexelEnergie is de Texelse energiecoöperatie die in 2007 is opgericht met als doel om gebruik en opwekking van duurzame energie op Texel te stimuleren en faciliteren. TexelEnergie is daarmee het lokale duurzame energiebedrijf en wil Texel ondersteunen in haar ambitie om het energiegebruik op Texel te reduceren en om de energiebehoefte geheel in te vullen met eigen duurzame lokaal
opgewekte energie. Dit zal TexelEnergie doen samen met haar leden. Zo koopt TexelEnergie als coöperatie niet alleen in op de reguliere energiemarkt, maar betrekt zij dit ook vanuit de grote
70
duurzame opwekinstallaties (zon, wind) en heeft zij verregaande plannen voor eigen opwek van duurzame energie.
Om de coöperatie te faciliteren in het bereiken van haar energiedoelstellingen moet TexelEnergie inspelen op de toenemende afhankelijkheid van energiebronnen waarvan de opbrengst afhankelijk is van weersomstandigheden. De productie en de consumptie van de klanten van TexelEnergie moet continue ‘in balans zijn’. Hiervoor zal een andere manier van kijken naar het gebruik van energie nodig zijn voor de klanten van TexelEnergie en dient de klant meer inzicht te krijgen in de beschikbaarheid van energie om zijn perceptie van energiegebruik te veranderen.
2 Reasons
TexelEnergie energy is a non-profit organisation started from a community initiative. The goals of TexelEnergie are:
Ä To produce, sell and buy renewable energy on the Island of Texel;
Ä Encourage and assist her members in the reduction of their energy consumption;
Ä Encourage and assist her members in the implementation of domestic power generation - like
PV-panels - and offer them an internal market for the exchange of energy;
Ä Contribute to the local economy on the Island of Texel.
TexelEnergie achieves a market penetration of 75% (november 2014 > 50%) on the island of Texel and is at this moment initiating and executing projects for as well collective renewable energy sourcing (biogas digesters/turbines, solar farms) as local energy sourcing (urban PV-panels). TexelEnergie has set the goal to become self-sufficient in the energy needs of here members. A self- sufficient energy community must plan the production of energy and must balance the energy flows of the community on the day of execution.
The goal to only use renewable energy sourcing leads to a higher dependency on weather conditions (sun and wind) in the energy production. Given the goal to be a self-sufficient energy community the energy has to be consumed when it is available, within reasonable constraints of comfort for the participants. Participants adjust their consumption behaviour to a energy supply model which is (partially) supply driven (from the current model which is demand driven).
In order to manage the energy flows TexelEnergie needs technology which assists the community in the planning of energy sourcing and balancing and control of the energy flows on the day of
execution.
The investments in the technology which is needed to support local self-supporting energy companies are high. At this moment as well central as local (province) government are subsidizing initiatives which contribute to achieve the goals to implement sustainable energy sourcing. This offers TexelEnergie the opportunity to ‘break’ through the “entry barriers” by entering early in the implementations of the necessary smart grid technology.
Capgemini developed the Cloud Power concept for energy communities having the goal to reduce their energy consumption and fulfil the remaining energy needs with renewable local energy sourcing,
71
produced by the community. The community pursues maximum use of the own produced energy. In case of shortage of own energy additional energy is bought on the energy market, in case of surplus of energy the energy is sold on the energy markets.
TexelEnergie sees opportunities in the implementation and test of the Cloud Power concept in order to:
Ä Prove the Cloud Power model contributes to the goal of TexelEnergie to become a self-
sufficient energy community
Ä Validate the self sufficiency concept is applicable in the current market organisation and
market model in the Netherlands without large investments in the network infrastructure
Ä Develop and verify a business case for Cloud Power in an operational environment including
proving:
- costs of electricity in the Cloud Power concept is competitive in the market;
- large scale generation of renewable energy will not lead to higher prices for participants (consumers and prosumers);
3 Business Model
3.1 Business Model
De strategie van TexelEnergie ligt in het verlengde van de energietransitie. Eén van de doelstellingen van TexelEnergie is om duurzaam zelfvoorzienend te worden. De transitie naar een andere
energievoorziening zal invloed hebben op de energievoorziening, de marktmodellen en klant - leverancier relaties.
Een duurzaam zelfvoorzienende community zal, gegeven de huidige stand van de techniek, een belangrijk deel van haar energie opwekken uit energiebronnen die niet bestuurbaar zijn zoals zon, wind, getijden en dergelijke. Energiebronnen die wel bestuurbaar zijn - zoals biogas, geothermie e.d. - kunnen voorzien in de energiebehoefte in de periodes dat de niet bestuurbare bronnen weinig energie opleveren. Om zelfvoorzienend te zijn zal de community gebruik moeten maken van een mix van energiebronnen waarmee zij altijd kan voorzien in de energiebehoefte van de leden.
In de traditionele elektriciteitsmarkt volgt de opwekking van elektriciteit de vraagzijde van
elektriciteit. Om continu aan de vraag te kunnen voldoen wordt op de piekmomenten opwekcapaciteit bijgeschakeld, de utilisatie van deze opwekcapaciteit is echter laag omdat die alleen wordt ingezet op piekmomenten. Dit leidt tot hogere prijzen voor elektriciteit omdat de vaste kosten van deze middelen verdeeld moeten worden over een relatief kleine hoeveelheid operationele uren.
Er wordt steeds meer opgewekt met energiebronnen die afhankelijk zijn van weersomstandigheden. Om de periodes op te vangen waarin deze energiebronnen weinig tot geen energie leveren moet steeds meer reserve opwek vermogen worden opgesteld waarvan de utilisatie laag is. Op dit moment worden de consumenten door energieleveranciers beschermd tegen prijsfluctuaties die worden veroorzaakt door fluctuaties in de vraag en de opwek. Voor deze bescherming betalen ze echter een aanzienlijke toeslag.
72
Om te bereiken dat er kan worden volstaan met een realistisch betaalbare opstelling van reservevermogen kunnen de consumenten zelf ook bijdragen. Een steeds meer geaccepteerde oplossing is het verschuiven van de vraag (consumptie) van de momenten waar weinig energie beschikbaar is naar de momenten waar veel energie beschikbaar is. Hiervoor is wel een
gedragswijziging nodig: We gebruiken de energie die we zelf opwekken op de momenten dat deze energie ook noodzakelijk is.
Een belangrijke randvoorwaarde voor het functioneren van een zelfvoorzienende community is om de energiebalans in stand te houden, dat wil zeggen de vraag en levering op elkaar afgestemd houden binnen de gemeenschap. De balans wordt bepaald door een aantal grootheden, dat wordt ingedeeld zoals onderstaande tabel beschreven staat.
Het in balans houden wordt uitgevoerd door gebruik te maken van meerdere planning horizonnen:
Ä De lange termijn horizon brengt kapitaalintensieve middelen voor de opwekking en opslag
met zich mee.
Ä Het middellange termijnplan bevat de attitude/gedrag van deelnemers ten opzichte van het
gebruik van elektriciteit.
Ä De korte termijn houdt zich bezig met de bereidheid van consumenten om hun actuele
consumptie aan te passen aan de beschikbaarheid van elektriciteit binnen de gemeenschap.
Het lange termijn plan richt zich op het doen van investering in opwekcapaciteit in een dusdanige mix van regelbare en niet regelbare opwekking dat de community kan voorzien haar energiebehoefte (vraag).
Naast investeringen in opwekcapaciteit wordt er ook geinvesteerd in opslagcapaciteit, met als doelstelling korte termijn verschillen in aanbod en vraagcurves op te vangen.
Ook richt de community zich in om zoveel mogelijk vraag ‘verschuifbaar’ te hebben, voor de vraag die wordt verschoven naar momenten waarop veel energie beschikbaar is hoeft geen opslag of pieropwek capaciteit te worden geregeld.
Om de energiestromen te beheren richt de community een energiemanagement functie in om de energiestromen te managen en te participeren in de marktprocessen:
Ä Voorspellen van de energievraag en energieproductie op de lange en middellange termijn;
Ä Voorspellen van de energievraag en energieproductie op de korte termijn (kleiner dan 14
dagen);
Ä Opstellen van een energieprogramma voor de komende dag(en),
onderdeel hiervan is ook een optimalisatie van de beschikbare productie eenheden en verschuiven van de vraag
Ä Inkoop (bij tekorten) en verkoop (bij overschot) van energie,
73
De community richt verder processen in om de lange termijn investeringen te doen en op de middellange termijn structurele tekorten of overschotten te verhandelen.
Aan de deelnemers van de community wordt gevraagd om hun energieverbruik waar mogelijk af te stemmen op het aanbod. Om dit te faciliteren worden zijn voorzien van ondersteunde technologie in de woning die de energiestromen binnen de woning, de zelf opgewekte energie en de uitgewisselde energie met het netwerk meet en inzichtelijk maakt. Ook wordt inzichtelijk gemaakt op welke momenten de community energie beschikbaar heeft of een overschot heeft.
Doel van deze business case is om binnen bovenstaande context het businessmodel uit te werken, inclusief een verdienmodel, baten en lasten.
In order to achieve the goals TexelEnergie must:
a. Plan and acquire Local Renewable Energy sources;
b. Implement an Energy Management Function;
c. Supply tools to premise owners in order to help them in managing their energyflows;
d. Implement an operational organization.
3.2 Plan and acquire Local Renewable Energy Resources
3.2.1 Plan and acquire DER
An energy community which supplies in her energy needs with local renewable energy sources will depend for a significant part of her energy sourcing on intermittent renewables, like solar, wind, tidal etc. In addition to these intermittent renewables controllable energy sources must be acquired In order to be self-supporting, the mix of DER should be able always to produce the minimum amount of energy the community needs.
DER type Characteristics Investment Differential costs
Solar, Wind Intermittent, decreaseable High Low, tending to nil
Tidal, Wave Intermittent High Low, tending to nil
Hydro, Geothermal Dispatchable High Low, tending to nil
Biomass Dispatchable Medium High
At this moment Distributed Energy Resources are rapidly evolving, however the different types of renewable DER are in several maturity stages and different stages of economic feasibility. The challenge for TexelEnergie is to acquire specific types of DER when that type of DER is feasible. A long-time load forecast is input for the planning of the DER. For each (type of) DER the energy production is forecasted and aggregated to the community production plan. As well for the load as the production long-term average weather conditions are used for the forecasting.
74
Dispatchable units have a role in the short balancing of the community, at least one dispatchable unit must be incorporated in the mix of DER. During the day of delivery a dispatchable unit can directly react on variations in load and production in order to keep the energy flows of the community in balance during each quarter of hour.
The Municipality of Texel has developed an long term Energy vision which includes a scan of the maturity and attractiveness (economical) of the different types of DER. See “Energievisie Texel en uitvoeringsplan 2008 – 2011”.
Most Renewable Distributed Energy Resources are quite visible in the landscape and must be incorporated in the landscape. Governmental directions are relevant for certain DER types, for instance the locations where large Wind turbines are allowed in the landscape. Authorities, interest groups, landowners and local residents must be consulted and involved in the selection of the locations and the decision process.
In Micro grids which are not connected to the Grid a dispatchable unit is needed to maintain the power-quality within the tolerances.
For each DER a business case including a finance plan must be developed prior to the investments. In the business case for a DER must be considered the pre-calculation of the cost price of the kWh which will depend on:
1. The fixed costs of a DER, the investment cost, the predicted life span and the financing cost
are the most determinant factors for the fixed costs of the DER.
2. The DER is part of a certain mix, each DER will have a pre-calculated hours of operations
and pre-calculated kWh.
3. The operational cost, the maintenance costs and costs to operate the units are the most
determinant factors for the operational costs.
In the optimization and phase (see 5.3) the most economic DER will be involved in the production planning and execution, these decisions are based on the differential costs of the DER-units: What a the direct costs of producing 1 kWh more or less ? This operational constraint must be taken in account when calculating the pre-calculated hours of operations.
Each DER which is acquired should have an positive business case taking in account the aspects mentioned above.
Communities who are connected to grid could consider other options for their DER-production planning:
1. Contract DER which are owned by third parties;
2. Compile a production plan which does not cover all the (weather) circumstances and rely on
the energy market for these situations where the community has a shortage from her own DER.
3. Start the community and tune the investments in DER with the economical attractiveness of
these DER, and contract energy supply (long-term contracts) for the intervening time where the community does not have enough DER to fulfill in the energy needs of the community.
75 Benefit
B03. Less dependent of (fluctuations on) energy market B04. Optimal mix of Distributed Renewable Energy Resources
3.2.2 Storage Services
Storage adds flexibility in the energy community.
A community having a significant portfolio of intermittent renewable energy sources will be confronted with periods with a surplus of energy and periods of shortage. Storage adds the option to store energy at moments of surplus en distract energy in periods of shortage. Cloud Power includes a pricing strategy to the participants with low prices in periods of surplus and high prices in periods of shortage. This pricing strategy lowers the barriers for the implementation of storage.
In the business case for Storage must be considered:
1. The fixed costs of a Storage. The investment costs, the predicted life span and the financing
cost are the most determinant factors for the fixed costs of Storage.
2. The operational cost. The maintenance costs and the costs to operate the Storage units are the
most determinant factors for the operational costs.
3. The losses of storage, which has in practice two drivers:
- loss caused by the load and unload of the storage devices (efficiency factor); - loss caused by longer term storage (.
Storage can be used for several purposes:
1. Spinning reserve storage
In off-grid microgrids the power-quality must be maintained within certain levels.
2. Optimization of the DER-set
Especially fuel-based DER have a range in which the DER produces efficient (the optimal output of kWh related to the fuel). Storage adds the option to run these DER within the optimal range, storage is used in order to “flatten” the production of these DER and to absorb the imbalance.
3. Short term storage
can be applied to bridge periods of shortage and surplus within some or one day(s).
4. Long-term, interseasonal storage
can be applied to use energy months after it was available.
76
Each Storage devices which is acquired should have an positive business case taking in account the aspects mentioned above.
In the optimization of the energy sourcing (see 5.3.2) energy storage is economical when the marginal cost of electricity varies more than the costs of storing and retrieving the energy plus the price of energy lost in the process. Short term storage contributes to optimization of fuel-based DER.
For Grid connected communities it may be more economical to find an alternative market for unused electricity, rather than try and store it in low efficiency AC to AC batteries.
Benefit
B19. High performance of (fuel-fired) DER
B20. Higher share renewable energy and less out-of-pocket and variable costs
3.3 Energy management
3.3.1 Use energy when available
The community invests in DER. The community owns Distributed Energy Resources and already bears the fixed costs (decepration, interest, maintenance) for these resources. A significant part of the resource is intermittent (solar, wind, tidal etc) which have no or very low differential costs is nearly free of additional costs for the community. The community should strive to use all the energy of these resources themselves, one of the measurements is to use energy when the energy when it is available from these resources and to avoid usage of energy when little or no energy of these sources is available. Consumption of the energy within the community at the moment it is available is the most