Schenk, Niels Jan

Dutch

Energy consumption is associated with adverse effects regarding security of supply and the environment. Both issues require long-term planning. Therefore information on (possible) future developments is highly important. This information can be obtained using a combination of two distinctive approaches: analysis of past and present energy systems, and scenario analysis of future energy systems. Both approaches require energy models. The aim of this thesis is to increase insights in energy systems, with the intention to be able to change energy systems in a more sustainable way. Previous research of energy systems at the ‘Center for Energy and Environmental studies (IVEM)’ indicated that crucial knowledge gaps regarding energy systems exists at relations between the management of energy and materials resources. Therefore the main thesis objective is to explore environmentally relevant relations between the management of energy and materials resources with emphasis on energy systems. This thesis observes energy systems from different angles, i.e. it considers interactions between different resource types, it considers different aggregation levels, and it considers different methodologies. Resources of different types and uses (see Table 1.1) do interact with each other within the context of societal metabolism. The interactions between energy and materials resources are generally non-linear. Consequently, diminishing returns and saturation effects are persistent. As a result of diminishing returns the potentials for environmentally benign changes are smaller than observed at first sight. On the other hand, as a result of saturation effects future pressures on resources and the environment may be smaller than expected on linear models. The combination of both diminishing returns and saturation effects make the energy system more difficult to understand intuitively. The aggregation level may limit and determine the outcome of research. Therefore, energy analysis needs to assess all three levels – micro, macro, and meso – simultaneously. Simultaneous analysis of all three levels, though, is in general not feasible. Nevertheless, single-level energy analysis can be improved significantly by incorporating key elements of the other levels. In this context, the meso-level is of particular interest, because it captures system organisation and institutional frameworks. System organisation and institutional frameworks have also been identified as key driving forces of changes in energy systems, and as key barriers of intended changes of energy systems. Therefore, the meso-level is of particular interest regarding energy policies. Closely related to the aggregation level is the applied methodology. Each methodology reveals different aspects of energy systems, but also neglects other aspects of energy systems. All methods displayed in the modelling pyramid are applied in the different chapters. Even more than the aggregation level, the applied methodology limits and determines the outcome of research. Different methodologies (and their associated outcomes) should be interpreted as complementary rather than contradictory. Accordingly, in this thesis energy systems are methodologically triangulated from an integrated resource perspective

ARTS repository - University of Groningen

   University of GroningenModelling energy systemsSchenk, Niels JanIMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite fromit. Please check the document version below.Document VersionPublisher's PDF, also known as Version of recordPublication date:2006Link to publication in University of Groningen/UMCG research databaseCitation for published version (APA):Schenk, N. J. (2006). Modelling energy systems: a methodological exploration of integrated resourcemanagement. s.n.CopyrightOther than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of theauthor(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).The publication may also be distributed here under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license.More information can be found on the University of Groningen website: https://www.rug.nl/library/open-access/self-archiving-pure/taverne-amendment.Take-down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons thenumber of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.Download date: 07-06-2022    123 Nederlandse samenvatting    De mensheid is in sterke mate afhankelijk van natuurlijke hulpbronnen zoals zoet water, bebouwbaar land, productiebos, biodiversiteit, en delfstoffen. Iedere natuurlijke hulpbron kent zijn eigen, specifieke toepassingen en heeft zijn eigen kenmerkende dynamiek.  Het gebruik van natuurlijke hulpbronnen gaat over het algemeen gepaard met één of meerdere bijeffecten. Ten eerste zorgt gebruik in het heden voor schaarste in de toekomst; zo kan het gas van Slochteren maar één keer verstookt worden. Ten tweede vervullen veel natuurlijke hulpbronnen meerdere ‘functies’ ; zo voorziet grasland niet alleen in de voedselvoorziening voor melkvee, maar vormt dit tevens de habitat van weidevogels. Ten derde resulteert het gebruik van natuurlijke hulpbronnen in een productie van afval, uitstoot van schadelijke stoffen en verstoring van landschappen.  Het beheer van natuurlijke hulpbronnen neemt al sinds mensenheugenis een centrale plaats in de cultuur van vrijwel iedere samenleving in, omdat deze hulpbronnen zo cruciaal zijn voor die samenleving en de impact van de nadelige gevolgen zo groot is. Dit proefschrift richt zich voornamelijk op het beheer van één specifieke natuurlijke hulpbron: energie.  Sinds de oliecrisis in de jaren zeventig heeft de afhankelijkheid van energie (uit politiek instabiele gebieden) veel aandacht gekregen. Vanaf de jaren tachtig begon het besef van klimaatverandering gemeengoed te worden. De belangrijkste oorzaak van klimaatverandering is de uitstoot van koolstofdioxide door de verbranding van fossiele brandstoffen. Daarnaast zorgt de verbranding van fossiele brandstoffen voor luchtvervuiling, hetgeen bijzonder schadelijke gevolgen voor de volksgezondheid en de natuur heeft. Afhankelijkheid en beschikbaarheid van energie, klimaatverandering, en volksgezondheid zijn drijfveren om efficiënter met energie om te gaan en om alternatieve energiebronnen te ontginnen. Het is daarom van groot belang om energiesystemen te analyseren met als doel mogelijke toekomstige ontwikkelingen te verkennen. Op die manier krijgt men inzicht in de aard en ontwikkeling van mogelijke problemen en oplossingen.  Het gebruik van natuurlijke hulpbronnen staat niet op zichzelf en daarom is het zinvol om ook andere natuurlijke hulpbronnen bij de energie-analyse te betrekken. In de studies die in dit proefschrift beschreven zijn, ligt de nadruk op het belang van materialen voor energie-analyses. Materiaal- en energiegebruik zijn nauw met elkaar verbonden. Het energiegebruik van de staalindustrie (één van de belangrijkste energie gebruikende industrieën) hangt af van de maatschappelijke behoefte aan staal. Aan de andere kant heeft de materiaalkeuze voor een auto (plastic of staal) invloed op het gewicht van de auto en dus op het energiegebruik.  Om een energiesysteem te analyseren wordt vaak gebruik gemaakt van computermodellen. Een computermodel is een vereenvoudigde weergave van de werkelijkheid, waarbij grif gebruik wordt gemaakt van de rekenkracht van computers. Er zijn verschillende bestaande methodologieën voor energie-analyse met computermodellen. In dit proefschrift wordt een scala aan methodologieën gebruikt om energiesystemen te analyseren. Het doel van het onderzoek is het verkrijgen van     124een evenwichtig beeld van energiesystemen en van de mogelijkheden (en van onmogelijkheden) om energiesystemen te veranderen.  Voordat er oplossingen voor problemen gezocht worden, is het van belang te weten of het probleem er in de toekomst nog steeds zal zijn (of zal zijn verergerd). Hiervoor is een toekomstverkenning van het probleem nodig. Toekomstverkenningen zijn er in vele soorten en maten. Eén van de meest uitgebreide en bekendste toekomstverkenningen is het rapport met emissiescenario's van het ‘International Panel for Climate Change’  (IPCC). Dit proefschrift begint met een beschouwing van dat rapport met emissiescenario’ s (Hoofdstuk 2) met als voornaamste doel inzicht te krijgen in het ontwerpen van scenario's en het gebruik van computermodellen voor energie-analyse. De beschouwing van de IPCC emissiescenario’ s leert dat het interdisciplinaire karakter van energie-analyse één van de potentieel belangrijkste struikelblokken is. Daarnaast blijkt dat een toekomstverkenning een duidelijk, eenduidig doel moet hebben in plaats van meerdere, niet te combineren, doelen.  De toekomstverkenning van het IPCC is bijzonder helder over één ding: klimaatverandering is één van de grootste problemen waarmee we in de 21ste eeuw geconfronteerd zullen worden. Daarom heeft efficiënter met energie omgaan en het gebruiken van alternatieve energiebronnen een hoge prioriteit. Dat in Nederland windenergie een belangrijke duurzame bron is zal weinigen verbazen. Windenergie is echter een ander type natuurlijke hulpbron dan een fossiele energiebron. In Hoofdstuk 3 van dit proefschrift wordt de dynamische interactie tussen deze twee typen hulpbronnen onderzocht. Windenergie wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken. Het waait echter niet altijd op het moment dat er vraag naar elektriciteit is. Daarom moeten conventionele elektriciteitscentrales er zorg voor dragen dat er altijd voldoende elektriciteit geproduceerd kan worden. Dit gaat gepaard met energetische verliezen en deze verliezen worden relatief groter naarmate er meer windturbines staan opgesteld. Als windenergie wordt omgezet in waterstof, dan worden de eerder genoemde verliezen geëlimineerd. Maar bij deze waterstofroute treden weer andere verliezen op. Met behulp van een gedetailleerd computermodel is berekend wat de potentiële bijdrage is van de productie van waterstof uit windenergie voor de ‘over-all’  efficiency van het systeem. Het blijkt dat het vanaf een opgesteld vermogen van ca. 6GW aan windturbines voor Nederland efficiënt wordt om waterstof uit windenergie te gaan produceren.  Naast energie vormen materialen een belangrijke categorie natuurlijke hulpbronnen. In hoofdstuk 4 van dit proefschrift wordt de wisselwerking tussen bio-materialen, bio-energie, en fossiele energie onderzocht aan de hand van papierrecycling. Papier kan gerecycled worden, wat energie kost, maar kan ook in een afvalverwerkingscentrale verstookt worden waarbij energie opgewekt kan worden. Als er minder gerecycled wordt, moet er natuurlijk wel meer papier uit bomen geproduceerd worden. En dat kost dan weer bomen die ook in een bio-energiecentrale hadden kunnen worden verstookt. Het is a-priori niet eenvoudig de consequenties van meer of minder papier recyclen op het energiegebruik te overzien. Met modelberekeningen kan dat wel. Uit deze berekeningen blijkt dat het uit energetisch oogpunt efficiënt is om papier te recyclen. Maar ook dat er sprake is van een afnemende meeropbrengst bij toenemende recycling. Het is daarom gerechtvaardigd dat papierrecycling wordt gestimuleerd, maar het is niet zinvol veel hogere recyclingspercentages na te streven dan de huidige.      125 Zoals al eerder vermeld heeft het gebruik van materialen invloed op energiegebruik. De materialen die een samenleving gebruikt, noemt men materiaalstromen. Materiaalstromen geven aan waar op welke wijze wat voor materialen in de samenleving gebruikt worden. Materiaalstromen komen een samenleving in als ruwe grondstoffen, verlopen via diverse stadia van bulkproduct tot eindproduct, en verlaten een samenleving als afval. De grootte van materiaalstromen is dan ook deels bepalend voor de hoeveelheid benodigde energie. Grotere materiaalstromen betekenen namelijk meer vrachtverkeer, maar ook meer energiegebruik door de industrieën om deze materiaalstromen te verwerken. In hoofdstuk 5 wordt beschreven hoe materiaalstromen gebruikt kunnen worden bij het maken van scenario’ s voor het energiegebruik van de industriesector. Het gebruik van materiaalstromen als maat van industriële output wijkt af van de standaardmethode waarin de monetaire toegevoegde waarde gebruikt wordt als maat van industriële output. Het blijkt vooral voor ontwikkelingslanden veel uit te maken of de scenario’ s gebaseerd zijn op toegevoegde waarde of op materiaalstromen. Dit onderzoek suggereert dat het toekomstige industriële energiegebruik wel eens significant lager zou kunnen zijn dan de meeste scenariostudies concluderen.  Eén van de kenmerken waarin verschillende methodologieën van elkaar verschillen is het schaalniveau. Energiesystemen kunnen op verschillende schaalniveaus bestudeerd worden. Macroscopische analyse is gericht op data met een hoog aggregatieniveau, zoals bijvoorbeeld nationale statistieken. Microscopische analyse daarentegen, is gericht op data met een laag aggregatieniveau, zoals procesgegevens van een technologie of uitgavepatronen van individuele huishoudens. Uit de studies in dit proefschrift blijkt dat veel van de interessante wisselwerkingen tussen natuurlijke hulpbronnen plaatsvinden op een niveau tussen macro en micro in, het zogenaamde meso-niveau. In hoofdstuk 6 wordt verder ingegaan op het meso-niveau. De dynamiek van het meso-niveau wordt in sterke mate bepaald door terugkoppelingen (E.g. het gebruik van LPG als autobrandstof was lange tijd niet populair mede omdat er weinig tankstations voor LPG waren. En omdat LPG niet populair was was er weinig reden om LPG stations bij te bouwen. Hier is dus sprake van een terugkoppeling tussen de brandstofdistributie en brandstofgebruik). Terugkoppelingen kunnen co-evolutie (e.g. tussen autogebruik en brandstofdistributiesystemen) en organisatie (e.g. huidige brandstofdistributiesysteem) als gevolg hebben. Organisatie kan zowel een katalysator als een belangrijke barrière zijn als het gaat om het verbeteren van energie-efficiëntie. Het beter begrijpen van de organisatie maakt het mogelijk om effectiever beleid te ontwerpen. Er is bijvoorbeeld verschillend beleid denkbaar om er voor te zorgen dat auto’ s gemiddeld zuinig worden. Veel van deze opties, zoals het verhogen van brandstofaccijnzen, resulteren niet in een significant zuiniger wagenpark, maar wel in onbehagen bij automobilisten. Problemen die moeilijk door middel van ‘klassiek’  beleid zijn op te lossen, kunnen wel effectief aangepakt worden door een doelgroep-georiënteerde aanpak of een herinrichting van de organisatie.  In dit proefschrift is er vanuit verschillende invalshoeken naar energie-systemen gekeken. Iedere invalshoek beschouwde interacties tussen verschillende natuurlijke hulpbronnen vanuit verschillende schaalniveaus en gebruikmakend van verschillende methodologieën. Uit dit onderzoek blijkt dat interacties tussen verschillende natuurlijke hulpbronnen vrijwel altijd niet-lineair zijn, wat zich uit in afnemende meeropbrengsten en verzadigingseffecten. Hierdoor zijn energiesystemen intuïtief     126moeilijk te doorgronden. Daarnaast heeft het schaalniveau invloed op de uitkomst van onderzoek en daarom moet energie-analyse op micro-, macro- en meso-niveau uitgevoerd worden. Met betrekking tot energie-beleid (en politiek) is vooral het meso-niveau van belang. Naast de schaalniveaus worden de mogelijkheden van energie-analyse beperkt door de gebruikte methodologie. Iedere specifieke methodologie heeft zijn eigen kenmerkende lacunes en daarom dienen verschillende methodologieën niet als tegenstrijdig, maar als complementair te worden gezien.       

Modelling energy systems:A methodological exploration of integrated resource management

https://pure.rug.nl/ws/files/9856746/08_samenvat.pdf

Modelling energy systems:a methodological exploration of integrated resource management

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

ARTS repository - University of Groningen