De schaalbaarheid van zonne- en windenergie
Een belangrijke bouwsteen in het huidige klimaatbeleid is de grootschalige inzet van zonne- en windenergie bij de productie van elektriciteit. Ze hebben het grote voordeel geen brandstof te verbruiken en geen CO₂ uit te stoten. Op dit moment is het aandeel zon en wind nog beperkt, maar in 2030 moeten beide in totaal per jaar ten minste 84 TWh aan energie moeten opleveren, oftewel 302 PJ. Dit staat gelijk aan 75% van het totale stroomverbruik van 2017. De vraag is wat de consequenties zijn van deze sterke schaalvergroting.
Wat als het niet waait of de zon niet schijnt
Een fundamenteel probleem van zonne- en windenergie is dat deze zogenaamd aanbodgestuurd zijn. Windmolens leveren energie als het voldoende waait en zonnepanelen als de zon schijnt. De vraag naar energie staat daar volledig los van. Er is ook behoefte aan elektriciteit als de zon onder is er het weinig waait. Deze eigenschap van zon en wind wijkt af met hoe de elektriciteitsvoorziening nu is ingericht. Deze is op dit moment volledig vraaggestuurd. Afhankelijk van de behoefte gedurende de dag leveren kolen- en gascentrales meer of minder stroom. Eventueel kunnen centrales bij- of afgeschakeld worden. Een belangrijk gegeven hierbij is dat op elk moment van de dag vraag en aanbod op elkaar moeten aansluiten. De elektriciteit wordt niet opgeslagen.
In de volgende grafiek is de geleverde windenergie weergegeven over een periode van 2 jaar in Ierland.
Het is goed te zien dat het aanbod aan windenergie sterk fluctueert. Op land leveren windmolens in Nederland gemiddeld maar 23% van het vermogen dat ze maximaal kunnen leveren (bron: Wikipedia). Deze capaciteitsfactor wisselt bovendien per jaar. Voor windmolens op zee is deze capaciteitsfactor iets gunstiger. Gemiddeld over de afgelopen 10 jaar was deze bijna 38%. Het klimaatakkoord rekent met een veel hogere capaciteitsfactor voor wind van zee, namelijk 49%, in de verwachting dat moderne hoge windturbines op zee dit gaan leveren.
Voor zonne-energie is het probleem nog groter. De werkelijk geleverde energie is afhankelijk van het tijdstip van de dag, de periode in het jaar (zomer of winter) en de hoeveelheid bewolking. De ervaringen van de afgelopen jaren leren dat zonnepanelen gemiddeld maar 10% van het vermogen leveren dat ze maximaal kunnen leveren (bron: Wikipedia).
Op dit moment maken zon en wind nog maar een heel klein deel uit van de totale elektriciteitsproductie. Maar bij een grootschalige inzet van wind en zon zoals in de klimaatwet is vastgelegd, hebben deze eigenschappen grote consequenties.
Mismatch vraag en aanbod
In het klimaatakkoord is bepaald dat in 2030 wind en zon in totaal ten minste 84.000 GWh aan energie moeten opleveren. De verdeling is: wind op zee 49.000 GWh en 35.000 GWh voor wind op land + zonne-energie samen. Uitgaande van een gelijkblijvende verdeling van de productie tussen zon en wind op land wordt de productie van wind 22.000 GWh en 13.000 GWh zonne-energie (zie ook Wikipedia). Rekening houdend met de capaciteitsfactoren van wind op land: 0,23 , wind op zee: 0,49 en zon: 0,10 betekent dit dat er in totaal ongeveer 37 gigawatt vermogen aan zon en wind beschikbaar moet komen in 2030. Tabel 2 geeft een overzicht. 
Het gemiddelde vermogen van de gehele elektriciteitsproductie bedroeg in 2017 ruim 12 gigawatt. Het (piek)vermogen van de opgestelde windmolens en zonnepanelen bedroeg in dat jaar 6,9 GW (4,2 GW wind en 2,7 GW zon). In de grafiek is weergegeven dat dit groeit naar in totaal 37 GW in 2030. Het gemiddeld benodigde vermogen zal de komende jaren nog wel wat groeien, maar niet tot 37 GW. Verondersteld is hier dat het benodigde vermogen groeit naar 16 GW.
Het probleem is in principe op te lossen als we in staat zouden zijn om elektrische energie op grote schaal op te slaan. Alleen hydropower (waterkracht/stuwmeren) geeft enig soulaas, maar dat is voor Nederland geen optie. Het opslaan in accu's zoals in een elektrische auto is onhaalbaar op de schaal van het totale elektriciteitsverbruik. Waar veel over gesproken wordt, is de omzetting van elektrische energie in waterstof op basis van elektrolyse. Dit is voorlopig ook nog niet aan de orde vanwege de hoge kosten en grote conversieverliezen; zeker 70% van de energie gaat bij conversie verloren. In een onderzoek uit 2019 concluderen Mulder et al. dat ‘groene waterstof pas rendabel is te produceren wanneer de prijs van aardgas langdurig hoog is, bedrijven over hun gebruik van aardgas een hogere heffing gaan betalen en de voor waterstofproductie vereiste elektriciteit grotendeels met hernieuwbare energie wordt opgewekt’.
Energieoverschot
De mismatch tussen vraag en aanbod zorgt ervoor dat veel van de geproduceerde energie niet gebruikt kan worden en dus ook niet kan bijdragen aan het reduceren van CO₂-uitstoot. De mate waarin dat het geval is, hangt direct samen met het aandeel zon en wind ten opzichte van traditionele opwekking. Als het aandeel wind en zon relatief klein is, kan je in principe andere centrales afschakelen en de zonne- en windstroom voor het overgrote deel gebruiken. Maar als het beschikbare vermogen groter is dan wat er op een bepaald moment nodig is om aan de vraag te voldoen, lukt dat niet meer.
Voor de energiebedrijven die de windmolens en zonneparken exploiteren is dat geen probleem. Zij krijgen veelal betaald voor de energie die ze produceren, op basis van een gegarandeerde prijs per kilowattuur. Maar het grote aanbod van elektriciteitsvermogen op zonnige winderige dagen leidt nu al geregeld tot negatieve wholesaleprijzen. Het laat zien dat de werkelijke waarde van de sterk fluctuerende zonne- en windenergie veel lager is dan de prijs die de exploitanten er voor ontvangen. Prof.dr. Lion Hirth van het Neon Neue Energieökonomik uit Berlijn heeft de invloed van aanbodgestuurde energie van wind en zon op de werkelijke waarde uitgebreid onderzocht. In de volgende grafiek is te zien dat de werkelijke kWh-prijs sterk afneemt bij een groeiend aandeel van deze energiesoorten in de totale mix.
Instabiliteit van het netwerk
De mismatch tussen vraag en aanbod aan stroom zal er ook toe leiden dat het elektriciteitsnetwerk de komende jaren minder stabiel zal worden. Als zon en wind in Nederland voor 30%, 50% of zelfs 70% van de stroom zorgen, is er een groot probleem als het weinig waait en de zon onvoldoende schijnt. Zeker als dat in buurlanden op hetzelfde moment gebeurt. Op 25 november 2020 waarschuwde Ben Voorhorst, de operationeel directeur van Tennet (de beheerder van het hoogspanningsnet in Nederland) in het NRC dat na 2025 stroom niet meer vanzelfsprekend is. Op dit moment is stroomuitval in Nederland zeer uitzonderlijk. Maar deze leveringszekerheid komt onder druk: “Dat delen van Nederland door een stroomgebrek een periode in het donker komen te zitten” is volgens Voorhorst “niet zo onwaarschijnlijk als het lijkt. We hebben goede gascentrales en we zijn gekoppeld aan de buurlanden en aan Noorwegen en Denemarken. Maar als de vraag maximaal is, dan kan het zo zijn dat de gascentrales en die verbindingen met het buitenland ons toch niet helemaal redden.”.
Weinig vermindering van de CO₂-uitstoot
De mismatch tussen vraag en aanbod leidt er ook toe dat een groot deel van de tijd de oude energiecentrales moeten blijven leveren. Met een capaciteitsfactor van 23% staan windmolens op land meer het grootste deel van de tijd stil. Voor windmolens op zee is de situatie iets gunstiger, maar ook daar leveren de turbines het grootste deel van de tijd ver onder hun nominale vermogen. Met een capaciteitsfactor van 10% kunnen zonnepanelen hierin weinig verbetering brengen. Zelfs als er nog veel meer windmolens en zonnepanelen komen dan in het klimaatakkoord is voorgesteld, dan nog blijven de de traditionele centrales 50% tot 65% van de elektriciteit produceren.
De noodzakelijke backup leidt ertoe dat alle windmolens en zonnepanelen maar een beperkte impact hebben op de reductie van de CO₂-uitstoot. In afbeelding 5 is gerekend met een gemiddelde capaciteitsfactor voor alle hernieuwbare energie (land, zee en zon) van 40% (dit is al ambitieus, zie eerdere tabel). Het leidt tot een reductie van de CO₂-uitstoot van 24 Mton, maar daarmee resteert een uitstoot van 37 Mton. Dit is veel hoger dan de 12,4 Mton die het kabinet heeft beloofd in de Brief aan de Tweede Kamer van 26 april 2018. Zelfs als het zou lukken om op basis van wind op zee de gemiddelde capaciteitsfactor op 50% te krijgen, dan is er nog altijd 32 Mton per jaar CO₂-uitstoot.
Een extra probleem is dat het rendement van de bestaande centrales in deze situatie sterk zal afnemen, doordat ze het vermogen steeds moeten aanpassen aan het wisselende aanbod van zon en wind. En dat betekent dat ook de CO₂-uitstoot veel minder afneemt dan je zou verwachten. In de berekening van afbeelding 6 is daar nog geen rekening mee gehouden. Het wetenschappelijke onderzoek van Marques et al., 2018, ‘Have fossil fuels been substituted by renewables?’ laat zien dat het groeiend aandeel van met name windenergie in praktijk vaak geheel niet leidt tot vervanging van fossiele brandstoffen. Doordat de bestaande centrales nog maar een deel van de tijd inkomsten genereren, hebben ze onvoldoende dekking is voor de vaste kosten. In feite werken we toe naar twee stroomsystemen, die elkaar in de weg zitten. Het gevolg is, dat beide gesubsidieerd zullen moeten worden.
Het onderzoek van de OESO (Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling) uit 2019 (The Costs of Decarbonisation: System Costs with High Shares of Nuclear and Renewable) is nog negatiever: de invoering van zonne- en windenergie in de afgelopen jaren heeft zelfs geleid tot een extra toename van de CO₂-uitstoot: “Despite hundreds of billions of dollars and euros being spent on the deployment of wind turbines and solar panels, CO2 emissions in the electricity sector grew even faster than over all emissions. Between 1990 and 2015 annual global emissions in the electric power sector grew 77% and 11% in the power sectors of OECD countries (IEA, 2017a). In other words, VRE subsidies accelerated CO2 emission increases when comparing the electric power sector to other sectors” 
In bovenstaande figuur is te zien dan in de elektriciteitssector (power sector) de jaarlijkse CO₂-uitstoot in de OESO-landen in de periode tussen 1990 en 2015 met 11% is gestegen, ondanks de introductie van zonne- en windenergie. Deze stijging is veel groter dan die in alle andere sectoren.
Het is duidelijk dat de doelstelling van een volledig CO₂-neutrale elektriciteitsproductie in 2050 niet mogelijk is zonder andere technieken, zoals bijvoorbeeld kernenergie of gebruik van waterstof. Het betekent ook dat voordelen die bedacht zijn bij de elektrificatie van de energiehuishouding (bijv. warmtepompen, elektrische auto's) veel kleiner zullen uitvallen dan bedacht. Voor de productie van stroom blijven fossiele brandstoffen de belangrijkste bron van energie.