Nuclear power plant fits well in electricity market with high share of renewables
| Datum: | 21 april 2022 |
When an electricity market has a high amount of wind turbines and solar PV, as is the ambition in many countries including the Netherlands, it is more efficient to build a nuclear power plant instead of investing further in more renewable capacity. This results from the fact that a high share of renewables strongly reduces the electricity prices which can be earned by investors in wind and solar, while that is much less the case for investors in nuclear power. The latter can benefit from the high (scarcity) prices when there is hardly wind or sunshine. Although investors in a nuclear power plant require a subsidy to make the investment profitable, the subsidy they require is significantly lower (per unit of production) than what is required by investors in renewable technologies, in particular solar PV.
ARTIKEL IN NEDERLANDS ONDER AAN DEZE PAGINA
This follows from an analysis of the economic value of an investment in nuclear power in the Dutch electricity market in comparison to the value of additional investments in solar PV, onshore and offshore wind, conducted by Arjen Veenstra, Xinyu Li and Machiel Mulder from the Centre for Energy Economics Research at the University of Groningen. By exploring the economic value of an investment in a nuclear power plant under various scenarios regarding the future electricity market, the authors hope to contribute to the societal debate on the potential role of nuclear energy in low-carbon electricity systems. Although the understanding of the economic value is one of the crucial elements in the societal debate, this analysis is of course not sufficient. For the final societal decision whether or not to allow for such an investment, also discussion is needed of (equally) relevant aspects, such as safety, security and environmental issues, and the societal acceptance.
Renewable production will not be sufficient to meet future growth in demand
In order to reduce the absolute levels of carbon emissions, the nature of energy systems has to change dramatically. This is the reason governments are promoting the development and use of renewable energy sources like solar PV, wind turbines, hydropower and biomass. Despite these policies, the growth in renewable energy will likely not be sufficient to reduce carbon emissions to the extent required to meet climate targets, in particular because the demand for electricity will increase strongly because of electrification and production of hydrogen. Therefore, the attention is increasingly also going to another non-carbon energy source, which is nuclear power. The Dutch government, for instance, recently declared that it will enable the construction of two new nuclear power plants in the Netherlands.
Model analysis of Dutch electricity market
Nuclear power is, however, highly debated, because of its perceived safety, security and environmental risks. Moreover, it is debatable to what extent nuclear power fits within electricity markets which are characterized by high shares of solar PV and wind energy, which have an intermittent character. In their research, the researchers analyse to what extent a nuclear power plant can economically operate in a market with high shares of renewables. They compare this with similar investments in (more) solar PV, onshore and offshore wind turbines. They have conducted this analysis by simulating the (hourly) Dutch electricity market in various scenarios regarding the share of renewables and the level of electricity demand.
Nuclear power plants realize higher electricity prices
It appears that without any governmental support, none of the considered technologies are found to be profit making: subsidies are required to attract commercial investors. The size of the support differs, however, per technology. In terms of construction and operational costs per MW, solar PV and wind energy are less expensive than a nuclear power plant. However, as the production of renewables depends on fluctuating weather conditions, the production per MW by these power plants is much lower than the production per MW by a nuclear power plant, which can operate (almost) all the time. The difference in the so-called capacity factor is in particular striking for a nuclear (90%) and solar PV in the Netherlands (about 10%). Moreover, the lifetime of a nuclear power plant is about three times longer than the ones of wind turbines and solar PV. Besides the much higher production per MW installed capacity, a nuclear power plant is able to capture higher electricity prices as they can benefit from high (scarcity) prices, while renewables hardly can. This holds in particular in a scenario with already high amounts of renewable generation. Here, it is important to realize that (modern) nuclear power plants are able to operate in a much more flexible way than what is often assumed. As a consequence, a nuclear plant requires less subsidy per unit of electricity production.
Nuclear power has lowest carbon abatement costs
As both nuclear and renewables contribute to reduction of carbon emissions, the researchers have also calculated the amount of emission reduction by the various types of investments. It appears that an investment in nuclear power results in about similar emission reduction as investments in more wind or solar energy. In terms of required subsidy per unit of emission reduction, an investment in a nuclear power plant is more efficient than investments in more solar PV or wind. This holds in particular in scenarios with a high amount of renewables.
Results are robust when changing the assumptions
These results do not change significantly when other reasonable assumptions are used. The construction and decommissioning costs of a nuclear power plant need to be at least as twice as high as assumed, in order to obtain a similar required subsidy as what is needed for solar PV. Less dramatic increases in the assumed construction costs, however, do not change the above conclusions. Stated differently, the construction costs of solar PV should reduce by more than 50 percent in order to arrive at a similar required subsidy level as a nuclear power plant. Changing the assumption regarding the lifetime of the nuclear power plants does not really affect the outcomes. The results appear also to be robust for various values of the discount rate. Moreover, the results do not change significantly when we assume a higher amount of flexibility within the electricity market, which may happen in the future because of investments in storage, and further international integration of markets. Finally, a nuclear power plant benefits more from higher gas and carbon prices than solar PV and wind turbines, as it is able to run during hours when gas-fired power plants are needed and set the electricity price because of lack of wind or sunshine.
For more information, please contact:
Prof. Machiel Mulder, email: machiel.mulder@rug.nl, phone: 06 31035729
Link to CEER Policy Paper 12
Kerncentrales passen goed in elektriciteitsmarkt met groot aandeel van hernieuwbare energie
Wanneer er binnen een elektriciteitsmarkt een grote hoeveelheid wind- en zonne-energie beschikbaar is, zoals veel landen - waaronder Nederland - ambiëren, is het efficiënter om een kerncentrale te bouwen dan om nog verder te investeren in nog meer capaciteit voor zonnestroom en windenergie. Dit komt door het feit dat een hoog aandeel hernieuwbare energie de stroomprijs die investeerders in wind- en zonne-energie kunnen verdienen sterk verlaagt, terwijl dit veel minder opgaat voor investeerders in kernenergie. Investeerders in kernenergie kunnen profiteren van de hoge prijzen wanneer er nauwelijks wind of zonneschijn is. Hoewel ook investeerders in kerncentrales subsidie nodig hebben om de investering winstgevend te maken, is de subsidie die ze nodig hebben (per eenheid stroom) aanzienlijk lager dan wat investeerders in hernieuwbare technologieën - en met name zonne-energie - nodig hebben.
Deze conclusie is het resultaat van een analyse van de economische waarde van investeringen in kernenergie binnen de Nederlandse energiemarkt vergeleken met de waarde van aanvullende investeringen in zonne-energie, wind op land en wind op zee, uitgevoerd door Arjen Veenstra, Xinyu Li en Machiel Mulder van het Centre for Energy Economics Research (CEER) van de Rijksuniversiteit Groningen. Door de economische waarde van investeringen in kernenergie onder verschillende mogelijke scenario’s voor de toekomstige elektriciteitsmarkt te onderzoeken, hopen de auteurs bij te dragen aan het maatschappelijke debat omtrent de mogelijke rol van kernenergie in energiesystemen met een lage CO2-uitstoot. Hoewel het begrijpen van de economische waarde van dergelijke investeringen een cruciaal onderdeel is in het maatschappelijke debat, is deze analyse alleen natuurlijk niet voldoende. Voor de uiteindelijke maatschappelijke beslissing om zo’n investering wel of niet te doen, is ook discussie nodig omtrent andere (even) relevante aspecten, zoals veiligheid, zekerheid, milieueffecten en maatschappelijke acceptatie.
Productie hernieuwbare energie niet genoeg om aan toekomstige groeiende vraag te voldoen
Om de totale CO2-uitstoot te kunnen verlagen, moet de aard van energiesystemen drastisch veranderen. Daarom bevorderen overheden de ontwikkeling en het gebruik van hernieuwbare energiebronnen als zonnepanelen, windmolens, waterkracht en biomassa. Ondanks dit beleid is het onwaarschijnlijk dat de stijging van het aandeel hernieuwbare energie voldoende is om de CO2-uitstoot te verlagen tot een niveau dat voldoet aan de klimaatdoelen, met name omdat de vraag naar elektriciteit sterk zal stijgen vanwege elektrificatie en de productie van waterstof. Daarom gaat er steeds meer aandacht naar een andere CO2-vrije energiebron, namelijk kernenergie. De Nederlandse overheid heeft bijvoorbeeld recent aangegeven dat ze de bouw van twee nieuwe kerncentrales in Nederland mogelijk gaat maken.
Model analyse van de Nederlandse elektriciteitsmarkt
Kernenergie is echter nog steeds omstreden, vanwege de vermeende veiligheids- en milieurisico’s die het met zich meebrengt. Bovendien is het de vraag in hoeverre kernenergie past binnen elektriciteitsmarkten met een hoog aandeel zonne- en windenergie, die een onregelmatig karakter hebben. In hun onderzoek analyseren de auteurs in hoeverre een kerncentrale economisch kan functioneren binnen een markt met een hoog aandeel hernieuwbare energie. Ze vergelijken dit met soortgelijke investeringen in (meer) zonne-energie, windmolens op land en op zee. Ze hebben deze analyse uitgevoerd door de (uurlijkse) Nederlandse elektriciteitsmarkt te simuleren in verschillende scenario’s wat betreft het aandeel hernieuwbare energie en het niveau van de elektriciteitsvraag.
Kerncentrales ontvangen hogere elektriciteitsprijzen
Uit de analyse blijkt dat geen van de onderzochte technologieën zonder overheidssteun winstgevend zullen zijn: subsidies zijn vereist om commerciële investeerders aan te trekken. De hoogte van de benodigde steun varieert wel per technologie. In termen van bouw- en operationele kosten per megawatt (MW), zijn zonne- en windenergie minder kostbaar dan een kerncentrale. Aangezien de productie van hernieuwbare energie afhangt van wisselende weersomstandigheden, is het aantal megawattuur (MWh) dat deze krachtbronnen kunnen produceren een stuk lager dan de productie van een kerncentrale, die (bijna) constant kan opereren. Het verschil in de zogenaamde capaciteitsfactor (d.w.z. de verhouding tussen feitelijke en technisch potentiële productie) is met name heel verschillend tussen kernenergie (90%) en zonne-energie in Nederland (ongeveer 10%). Bovendien is de levensduur van een kerncentrale ongeveer drie keer zo lang als die van zonnepanelen en windmolens. Naast de veel hogere productie per megawatt geïnstalleerde capaciteit, is een kerncentrale in staat om hogere elektriciteitsprijzen te ontvangen, omdat deze kan profiteren van hoge (aan schaarsheid gebonden) prijzen. Terwijl hernieuwbare energie dit nauwelijks kan. Dit geldt met name binnen een scenario met een al bestaand hoog aandeel hernieuwbare energie. Het is hier van belang om te beseffen dat (moderne) kerncentrales in staat zijn om op veel flexibelere manier te opereren dan vaak wordt aangenomen. Als gevolg daarvan vereist een kerncentrale minder subsidie per eenheid elektriciteitsproductie.
Kernenergie heeft de laagste emissiebeperkende kosten
Aangezien zowel kernenergie als hernieuwbare energie bijdragen aan het verlagen van de CO2-uitstoot, hebben de onderzoekers ook de hoogte van de emissiereductie per investeringssoort uitgerekend. Het blijkt dat een investering in kernenergie een vergelijkbare emissiereductie resulteert als wind- of zonne-energie, maar tegen lagere kosten. In termen van benodigde subsidie per eenheid emissiereductie, is een investering in een kerncentrale efficiënter dan investeringen in meer zonne-energie of windenergie. Dit geldt met name in scenario’s met een hoog aandeel van hernieuwbare energie.
Resultaten zijn robuust wanneer aannames aangepast worden
Deze resultaten veranderen nagenoeg niet wanneer andere redelijke aannames worden toegepast. De bouw- ontmantelingskosten van een kerncentrale moeten minstens tweemaal zo hoog zijn als aangenomen om tot dezelfde benodigde subsidie te komen als bij zonne-energie. Minder drastische stijgingen in de te verwachten bouwkosten veranderen de bovenstaande conclusies niet. Anders geformuleerd zouden de bouwkosten van zonnepanelen met meer dan 50 procent moeten dalen om tot een vergelijkbaar benodigd subsidieniveau te komen als bij een kerncentrale. Het veranderen van de aanname over de levensduur van een kerncentrale beïnvloedt de uitkomsten nauwelijks. De resultaten zijn ook robuust voor verschillende waardes van de disconteringsvoet (waarmee toekomstige kosten en opbrengsten in euro’s van nu worden uitgedrukt). Bovendien veranderen die resultaten nagenoeg niet wanneer we uitgaan van een hogere flexibiliteit binnen de elektriciteitsmarkt, wat in de toekomst zou kunnen gebeuren vanwege investeringen in energieopslag en verdere internationale integratie van markten. Tot slot profiteert een kerncentrale in grotere mate van hogere gasprijzen en CO2-prijzen dan zonne-energie en windmolens, aangezien deze in staat is om stroom te produceren in de uren waarin gasgestookte energiecentrales nodig zijn en de elektriciteitsprijs bepalen vanwege een gebrek aan wind of zonneschijn.
Neem voor meer informatie contact op met:
Prof. Machiel Mulder, e-mail: machiel.mulder@rug.nl, telefoon: 06 31035729