De omslag van schaalvoordelen
in schaalnadelen bij de
Nederlandse elektriciteitsopwekking
DR. G. J. VAN HELDEN – DR. J. MUYSKEN*
De kostenvoordelen die grootschalige elektriciteitsopwekking biedt, kunnen gemakkelijk omslaan in
kostennadelen. In dit artikel wordt het verband onderzocht tussen de schaal van
elektriciteitsproduktie-eenheden, de brandstofefficientie en de bezettingsgraad. Op grond van hun
berekeningen concluderen de auteurs dat de positieve schaaleffecten (arbeid- en kapitaalbesparing)
van grote opwekkingseenheden gemakkelijk te niet kunnen worden gedaan door de hogere vaste
kosten per eenheid produkt die met de slechtere benutting van deze grote eenheden samenhangen.
Zij zijn dan ook van mening dat bij de huidige onzekere afzetontwikkeling voor elektriciteit het
opstellen van kleinere produktie-eenheden serieus moet worden overwogen.
1. Inleiding
Het grootste deel van de Nederlandse elektriciteitsopwekking geschiedt door middel van stoomturbines die zijn
verbonden met ketels die met fossiele brandstoffen worden
gestookt. In het recente verleden zijn daarbij produktie-eenheden van steeds grotere schaal in gebruik genomen. Deze
ontwikkeling werd veelal gemotiveerd met de schaalvoordelen die ermee te behalen waren: de inzet van produktiefactoren per geproduceerde eenheid is in de regel geringer,
naarmate de schaal van de produktie-eenheid groter is.
Recent is twijfel gerezen omtrent de kostenvoordelen van
grote eenheden voor elektriciteitsopwekking 1). In dit artikel
wordt ingegaan op de vraag of deze twijfel gegrond is. Eerst
wordt verslag gedaan van een empirisch onderzoek naar de
brandstofefficientie (par. 2) en benutting (par. 3) van stoomturbines in Nederland gedurende de periode 1955-1979.
Vervolgens wordt in paragraaf 4 een eenvoudig model
ontwikkeld waarmee schaalvoor- en nadelen van turbines
kunnen worden bepaald. Dit model wordt van een empirische
inhoud voorzien op basis van de in paragraaf 2 en 3
gepresenteerde informatie. Ter afsluiting worden de conclusies over schaalvoor- en nadelen uit paragraaf 4 gebruikt om
het (toekomstige) investeringsbeleid van de gezamenlijke
elektriciteitsproducenten in Nederland aan een kritische
beschouwing te onderwerpen; dat gebeurt in paragraaf 5. Het
blijkt dat de elektriciteitsproducenten nog steeds doorgaan op
de in 1975-1980 ingeslagen weg, i.e. met het in bedrijf nemen
van grote eenheden. Naar onze mening dient de bouw van
relatief kleine eenheden meer dan tot nu toe in de beleidsafweging van de elektriciteitsproducenten te worden betrokken.
2. De brandstofefficientie van stoomturbines in Nederland
We gaan ervan uit dat bij elektriciteitsproduktie de stoomturbine kan worden opgevat als de produktie-eenheid. Ten
einde de brandstofefficientie van stoomturbines te analyseren, zijn gegevens verzameld van in totaal 89 turbines die
gedurende de periode 1955-1979 aan de openbare elektriciteitsproduktie in Nederland hebben deelgenomen. Deze
1220
89 turbines zijn verantwoordelijk voor een groot deel van de
Nederlandse elektriciteitsproduktie: voor het jaar 1973 b.v.
wordt 76% van de totale produktie en zelfs 93% van de
produktie met fossiel gestookte stoomturbines gedekt door de
beschikbare gegevens. Een nadere verantwoording omtrent
de gegevensverzameling is te vinden in een afzonderlijke
publikatie 2).
De brandstofefficientie van een turbine — strikt genomen,
van de tot die turbine behorende ketel — wordt gedefinieerd
als het quotient van de warmte-inhoud van de brandstofinzet
en de warmte-inhoud van de opgewekte elektriciteit 3). We
beschouwen de maximale waarde van dit quotient over de
* Beide auteurs zijn verbonden aan de Economische Faculteit van
de Rijksuniversiteit Groningen. Met dank aan drs. R. ter Brugge
(Instituut voor Sociale Geografie van de RUG) en drs. H. G. Wienke
(EGD) voor hun commentaar op een eerdere versie van dit artikel.
1) Zie E. van der Hoeven, Overcapaciteit in de Nederlandse elektriciteitsopwekking, ESB, 25 juni 1980, biz. 732-736; B. Bakker, Schaalvergroting en Overcapaciteit in de Nederlandse elektriciteitsopwekking: een model ter vergelijking van 300 en 600 MW strategieen,
Groningen, 1980 (ongepubliceerd doctoraal werkstuk Rijksuniversiteit Groningen, Subfaculteit Scheikunde); zie ook Th. G. Cowing,
Technical change and scale economies in an engineering production
function: the case of steam electric power, Journal of Industrial Economics, jg. 23, biz. 135-152; H. R. Wills, Estimation of a vintage
capital model for electricity generation, Review of Economic Studies,
jg. 45, biz. 495-510; en R. W. Vellema, Overcapaciteit in de
Nederlandse elektriciteitsopwekking, ESB, 6 augustus 1980, biz.
876-878.
2) G. J. van Helden en J. Muysken, Gegevens gebruikt bij het
onderzoek naar produktiefuncties voor de elektriciteitsopwekking in
Nederland, lEO-memorandum nr. 74, Groningen, 1980.
3) Idealiter zou men de brandstofefficientie moeten betrekken op de
afgegeyen elektriciteit. Het verschil tussen afgegeven en opgewekte
elektriciteit heeft betrekking op het ,,eigen verbruik” van een
produktie-eenheid; dit bedraagt 2 tot 5% van de opgewekte elektriciteit. Volgens mededelingen gedaan door medewerkers van de Arnhemse Instellingen is evenwel van een uniforme definiering van het
begrip eigen verbruik geen sprake. Om die reden hebben wij het
brandstofverbruik van een turbine gedefinieerd per eenheid opgewekte elektriciteit.
waarnemingsperiode als de beste technologische karakterise-
ring van een turbine 4).
Om te bezien in hoeverre bij de brandstofefficientie van
turbines sprake is van schaalvoordelen en technologische
vooruitgang, zijn respectievelijk de vermogens (in MW) en de
bouwjaren in verband gebracht met de maximale brandstofefficienties van de betrokken turbines. In figuur 1 is dit
verband grafisch weergegeven. Uit de figuur blijkt dat er
sterke schaaleffecten zijn voor turbines met een vermogen tot
150 of 200 MW 5); voor turbines met een groter vermogen zijn
echter niet of nauwelijks schaaleffecten aanwezig. Voorts valt
aan figuur 1 te ontlenen dat recentere bouwjaren tot 1968 een
hogere brandstofefficientie impliceren (technologische vooruitgang) 6), maar dat na 1968 de verschillen in brandstofefficicientie minimaal zijn.
Figuur 1. De relatie tussen brandstofefficientie
Figuur 2. De relatie tussen benutting en vermogen met indicatie
van de bouwjaarperiode
en vermogen
met indicatie van de bouwjaarperiode
0 = v6frl956
. = 1996-1962
X = 1963-I96T
Op een zelfde wijze als in figuur 1 is in figuur 2 de benutting
van de turbines in verband gebracht met het vermogen en de
bouwjaarperiode. Uit figuur 2 valt af te lezen dat voor
turbines beneden de 150 MW er geen relatie aanwezig lijkt
tussen de benutting enerzijds en vermogen of bouwjaar
anderzijds. Voor turbines met een groter vermogen is daarentegen duidelijk een negatief verband te zien tussen benutting
en vermogen; het bouwjaareffect is minder duidelijk aanwijsbaar. Globaal gesproken kan de elasticiteit van het vermogen
ten opzichte van de benutting worden gesteld tussen de —0,10
en —0,25. De nadere toelichting op figuur 1 is verder ook van
toepassing op figuur 2.
4. Schaaleffecten
100
Itt
Als nadere toelichting op figuur 1 merken we nog het
volgende op. Ten eerste is er een sterke samenhang tussen de
schaal en het bouwjaar van turbines: zo is de gemiddelde
schaal van turbines in de bouwjaarklassen ouder dan 1956,
1956-1962, 1963-1967, 1968-1975 en jonger dan 1975 respectievelijk 47,85,132,272 en 605 MW. Ten tweede is ergeen verband tussen het bouwjaareffect op de brandstofefficientie en
het vermogen en evenmin tussen het vermogenseffect op de
brandstofefficientie en het bouwjaar 7).
Ten slotte is komen vast te staan, hoewel dat verder niet uit
figuur 1 blijkt, dat het brandstoftype van een turbine (m.n.
kolen, olie, gas, kolen/olie en olie/gas) geen significante
invloed heeft op de brandstofefficientie van zo’n turbine 8).
Deze resultaten worden bevestigd door onderzoek aan de
hand van recente Amerikaanse data 9).
3. De benutting van stoomturbines in Nederland
Zoals uit de volgende paragraaf zal blijken speelt de
benutting van turbines een rol bij de bepaling van schaaleffecten. De benuttingsgraad van een turbine wordt gedefinieerd
als het quotient van de feitelijke en maximale produktie per
jaar 10). Uit onderzoek is naar voren gekomen dat de
benutting van een turbine afneemt naarmate het vermogen
groter is 11). Een reden hiervoor is dat grotere eenheden meer
kans hebben op technische mankementen en moeilijker zijn te
bedienen 12). Wij hebben daarom op basis van onzegegevens
de benutting van Nederlandse turbines nader onderzocht.
Hierbij zijn wij ervan uitgegaan dat de gemiddelde benutting
over de eerste drie jaren na het bouwjaar van een turbine de
normale operatie van een turbine goed weergeeft 13). Turbines zijn dan ook onderling vergelijkbaar.
ESB 9-12-1981
Bij het beoordelen van de schaaleffecten van turbines dient
men uiteindelijk te kijken naar de kosten per eenheid produkt.
Hierbij onderscheiden wij variabele kosten, i.e. brandstofkosten, en vaste kosten, i.e. investerings- en arbeidskosten 14).
Aangezien in paragraaf 2 is gebleken dat de verbruikte
hoeveelheid brandstof per eenheid produkt niet varieert met
het vermogen voor turbines boven de 150 MW, kan worden
gesteld dat er geen schaaleffecten optreden bij de variabele
4) Zie G. J. van Helden en J. Muysken, Economies of scale and
technological change in electricity generation in the Netherlands,
te verschijnen in De Economist, jg. 129.
5) De schaalelasticiteit over dit vermogensinterval is ca. 0,12. Zie ons
nog te verschijnen artikel in De Economist.
6) Het bouwjaareffect op de brandstofefficientie bedraagt over dit
bouwjaarinterval ongeveer 1% per jaar. Zie ons nog te verschijnen
artikel in De Economist.
7) Zie verder idem.
8) Idem.
9) Zie Cowing, op.cit.; P. L. Joskow en F. S. Mishkin, Electric utility
fuel choice behavior in the United States, International Economic
Review, jg. 18, biz. 719-736;zieverderonsnogteverschijnenartikelin
De Economist.
10) Benuttingsgraad = produktie in MWh per jaar/vermogen in
MWX8.760urenperjaar.
11) Zie A. J. Abdulkarim en N. J. Lucas, Economies of scale in
electricity generation in the United Kingdom, Energy Research, jg. 1,
biz. 223-231; en Van der Hoeven, op.cit.
12) Abdulkarim en Lucas, op.cit., biz. 224-226. Het is niet uitgesloten dat de relatief lage benuttingsgraad van grote eenheden mede
veroorzaakt wordt door een gebrek aan ervaring bij de bouw en
bediening van deze ,,nieuwste generatie” prpduktie-eenheden.
13) Uiteraard zijn er voor enkele turbines uitzonderingen gemaakt.
Een nadere uitwerking van de invloed van de benutting vindt u in
G. J. van Helden en J. Muysken, Diseconomies of scale for plant
utilisation in electricity generation, op aanvraag verkrijgbaar bj de
auteurs.
14) Arbeidskosten — in de zin van kosten voor bediening en
onderhoud — worden tot de vaste kosten gerekend omdat de inzet
van arbeid niet zozeer bepaald wordt door de omvang van de
produktie als wel door de beschikbaarheid van de machine.
1221
kosten. Eventuele schaaleffecten moeten derhalve worden
gezocht bij de vaste kosten per eenheid produkt.
correspondeert met negatieve schaaleffecten: de negatieve
invloed van het vermogen op de benutting (par. 3) overtreft
Terwijl variabele kosten direct zijn gerelateerd aan de
produktie, hebben vaste kosten niet zozeer betrekking op de
dan de ,,traditionele” schaaleffecten van vermogen op vaste
capaciteitskosten.
geproduceerde hoeveelheid van een machine, X (MWh/jaar),
Zoals men uit figuur 3 kan aflezen is het op zijn minst
maar op de produktiecapaciteit, V (MW). Om de vaste kosten
per eenheid produkt te kennen, dient men dan ook de
levensduur van de machine te kennen, alsmede de benuttings-
twijfelachtig of er wel sprake is van positieve schaaleffecten
bij de elektriciteitsopwekking in Nederland.
graad. Hoe langer een machine meegaat, des te lager zijn de
Figuur 3. Schaaleffecten
opwekking
kosten per eenheid produkt ceteris paribus; hoe hoger de
benuttingsgraad is, des te lager zijn de kosten per eenheid
voor de Nederlandse elektriciteits-
produkt ceteris paribus. Ter wille van de eenvoud gaan wij
ervan uit dat de levensduur voor eenheden groter dan 150
MW gelijk is en dat de verwachte benutting van de machine
kan worden bepaald aan de hand van de feitelijke benuttingsgraad voor de eerste drie jaar na installatie (zie par. 3) 15). De
vaste kosten per eenheid produkt kunnen dan worden
bepaald als de vaste kosten per jaar per MW vermogen
gedeeld door de benuttingsgraad, b. Als VK de vaste kosten
Negatieve schaaleffecten
(*>«)
0,25
per jaar weergeeft, kunnen de vaste kosten als volgt in formule
worden geschreven:
VK – VK
0,2
1
Positieve
schaaleffecten
(«<<*)
(1)
b X 8.760
In de literatuur wordt er vaak van uitgegaan dat er een vaste
relatie is tussen de investeringskosten per jaar en het vermo-
0,1
gen van een turbine. Bij recent empirisch onderzoek aan de
hand van Amerikaanse gegevens kwam men tot de conclusie
dat de investeringskosten per jaar proportioned varieren met
het vermogen 16). Andere onderzoeken concluderen echtertot een elasticiteit van het vermogen ten opzichte van de
investeringskosten die ongeveer 0,8 bedraagt 17).
Wat betreft de arbeidskosten lijkt de vooronderstelling
0
0,04
0,1
0,2
gerechtvaardigd dat de elasticiteit van het vermogen ten
opzichte van de arbeidskosten ongeveer 0,8 is 18). Uitgaande
van een verhouding tussen investeringskosten en arbeidskosten van 4:1 19) varieert dan de elasticiteit van het vermogen
5. Elektriciteitsplanning
ten opzichte van de vaste kosten per jaar tussen de 0,8 en 0,96.
geen uitsluitende verantwoordelijkheid meer voor de indivi-
In formulevorm:
0,04 «S a «S 0,20
(2)
In par. 3 is geconcludeerd dat er een negatieve relatie
bestaat tussen benuttingsgraad en vermogen met een elasticiteit tussen —0,10 en —0,25. In formulevorm:
0,10 s£ K s£ 0,25
(3)
Terwijl een hoger vermogen leidt tot relatief lagere vaste
kosten, leidt het ook tot een lagere benutting. Dit laatste heeft
op zich weer hogere vaste kosten per eenheid produkt tot
gevolg. Het ,,vaste kosten per jaar”-effect en het benuttingseffect van het vermogen werken dus tegen elkaar in. Dit blijkt
ook als men (2) en (3) in (1) substitueert:
VK =
= n — ric=
c
De planning van nieuw opwekkingsvermogen is al lang
duele elektriciteitsproduktiebedrijven. Er is sprake van een
gecoordineerd investeringsbeleid; mede met het oog hierop is
een afzonderlijke organisatie in het leven geroepen, de NV
Samenwerkende Elektriciteits-Produktiebedrijven (SEP).
Het doel van deze slotparagraaf is tweeledig. Ten eerste
zullen we nagaan hoe het uitbreidingsbeleid van de SEP in het
recente verleden zich verhoudt tot de conclusies die in par. 4
zijn getrokken met betrekking tot de schaalvoor- en nadelen
van produktie-eenheden. Ten tweede zal ook het uitbreidingsbeleid voor de naaste toekomst in dit licht worden beoor-
deeld.
In de label is de schaal van de in de periode 1975-1979 in
gebruik gestelde produktie-eenheden aangegeven. Uit de
tabel blijkt dat een belangrijk deel van de uitbreiding van
produktie-vermogen tot stand is gekomen in de categoric van
de grotere eenheden (> 450 MW): het betreft hier zes van de
negen eenheden, totaal 3.554 van de 4.220 MW. Kennelijk is
i
(4)
C2 X 8.760
Afhankelijk van het teken van t = a —K nemen de vaste kos-
ten per eenheid produkt toe of af naarmate het vermogen
de SEP ervan uitgegaan dat grote produktie-eenheden kostenvoordelen bezitten ten opzichte van kleinere produktieeenheden. In par. 4 is aannemelijk gemaakt dat dit uitgangspunt niet door de feiten gestaafd wordt. Sterker nog, de
veronderstelling dat kleinere eenheden goedkoper kunnen
toeneemt.
Op grond van het bovenstaande kan worden geconcludeerd
dat het teken van de elasticiteit van het vermogen ten opzichte
van de vaste kosten per eenheid produkt, c = a— K, bepalend
is voor het al dan niet optreden van schaaleffecten bij de
elektriciteitsopwekking. De in Nederland geldende situatie is
weergegeven in figuur 3, met op de horizontale as a en op de
vertikale as K. Het gearceerde gebied geeft aan binnen welke
grenzen de waarden voor a en K liggen voor Nederland.
Opmerkelijk is hierbij dat een groot gedeelte van dit gebied
1222
15) Indien men de levensduur van een machine niet op een tijdbasis
definieert (bij voorbeeld 15 jaar) maar als een maximaal aantal
bedrijfsuren, zijn benutting en levensduur niet langer onafhankelijke
grootheden.
16) Wills, op.cit.; en Joskow en Mishkin, op.cit.
17) Abdulkarim en Lucas, op.cit., en W. H. Comtois, Economy of
scale in power plants, Power Engineering, 1977, biz. 51-53.
18) Zie Wills, op.cit.; en Joskow en Mishkin, op.cit.
19) Zie Cowing, op.cit.
1
Ijjrroduceren dan grote eenheden lijkt eerder op te gaan.
Bovendien dient men te bedenken dat men bij een minder
jf snelle ontwikkeling van het vereiste produktievermogen,
i zeals die zich heeft voorgedaan na 1973, met kleinere
produktie-eenheden beter in staat was geweest de omvang van
vermogensoverschotten te beperken. De totale plan- en
bouwtijd is nl. voor kleine eenheden iets geringer dan voor
grote. Wat belangrijker is, men hoeft de investeringen bij
kleine eenheden voor een kortere periode te plannen. Vooral
als afzetverwachtingen aan grote onzekerheden onderhevig
zijn, is dit een belangrijk winstpunt: het investeringsbeleid
wordt dan flexibeler 20).
Tabel. Uitbreidingsbeleid van de SEP gedurende de periode
1975-1979 a)
Jaar
Vermogensklassen van stoomturbines
<200MW
1975 ………………………
200-450 MW
> 450 MW
188 MW
323 MW
255 MW
526 MW, 526 MW
1976 ………………………
611MW, 640MW
511 MW, 640 MW
1978 ………………………
InaanbouwoD l-l-!980b) ……..
329 MW
596 MW. 642 MW
a) Uitsluitend stoomturbines; ander vermogen, STEG- en gasturbines, is relatief minder
belangrijk, resp. ± 400 MW gedurende de gehele periode 1975-1979.
b) Komt in bedrijf in 1980 tot en met 1983.
Bronnen: SEP-jaarverslagen 1975 tot en met 1979; de vermogens zijn aangepast aan die welke
in SEP, Elektridleilsplan 1981/1986 zijn gepubliceerd.
Met enkele opmerkingen willen we het bovenstaande nuan-
ceren. Ten eerste zijn de in 1975-1979 in bedrijf gekomen
eenheden reeds gepland in de periode 1968-1973. In die
periode werd nog met een veel grotere groei van het vereiste
produktievermogen rekening gehouden, terwijl de kostennadelen van grote produktie-eenheden, m.n. de relatief slechtere
benutting, wellicht minder duidelijk konden worden onderkend. Ten tweede had men te maken met een nieuwe
,,generatie” van stoomturbines (500-650 MW) met alle onzekerheden en aanloopproblemen van dien.
Als we naar de toekomst kijken, zien we dat brandstofbesparing en brandstofdiversificatie sleutelwoorden zijn bij de
planning van nieuw produktievermogen 21). Brandstofbesparing dient met name te worden gerealiseerd door middel van
de installatie van stadsverwarming en warmte/krachtvermogen. Het gaat hier overigens om produktie-eenheden van een
betrekkelijk geringe schaal. Hiermee zijn veel hogere thermische rendementen bereikbaar dan met de conventionele
elektriciteitsopwekking met stoomturbines. Ten einde minder
afhankelijk te worden van gas en olie bij de ondervuring van.
stoomturbines, worden drie kolengestookte produktie-eenheden gepland voor 1980/1981,1986/1987 en 1987/1988. Hiermee wordt aan de doelstelling van brandstofdiversificatie
inhoud gegeven. Twee van deze koleneenheden komen zelfs
eerder in gebruik dan nodig is in verband met het totaal
vereiste produktievermogen, aangezien de besparingen in
brandstofkosten (door de relatief lage kolenprijs) worden
geacht op te wegen tegen de kapitaallasten van het overschot
aan vermogen. Wel is opvallend dat de keuze voor de
schaalgrootte van de kolengestookte eenheden 500 tot
600 MW bedraagt; dit wordt slechts beargumenteerd met de
aanduiding dat het hier om een ,,gangbare eenheidsgrootte”
gaat. Onduidelijk is of men een bewuste afweging heeft
gepleegd tussen b.v. drie 200-, twee 300- en een 600 MW-eenheden per produktielokatie. Hiertoe is ons inziens, gezien het
voorgaande, alle aanleiding. En, voor de jaren 1986/1987 en
1987/1988 is dat ook nog mogelijk, omdat bedoelde eenheden
slechts ,,voorwaardelijk” zijn gepland. Overigens dient te
worden aangetekend dat onze bevindingen over de schaalnadelen van grote produktie-eenheden niet zijn gebaseerd op
cijfermateriaal waarin ook koleneenheden van die omvang
zijn opgenomen. Dit is echter nog geen reden om de
genoemde afweging achterwege te laten.
Zoals uit het voorgaande zal zijn gebleken, achten wij de
volgende drie factoren bepalend voor de keuze voor de schaal
van een produktie-eenheid:
— de brandstofefficientie;
— de vaste kosten per eenheid capaciteit;
— de benutting.
Het spreekt voor zich dat bij feitelijk te nemen investeringsbeslissingen een groot aantal andere factoren tevens een rol
speelt, b.v. de capaciteit van het transportnet, bepaalde
kenmerken van het bestaande produktie-apparaat, energie-
en industriepolitieke overwegingen e.d. Voorts zij aangetekend dat wij ons bij de evaluatie van verschillende schaalgrootte n bedienen van formules met constante elasticiteiten.
Bij het beoordelen van feitelijke investeringen moet natuurlijk
worden uitgekeken naar meer verfijnde calculatiemethoden.
Een en ander neemt niet weg dat wij de mening zijn toegedaan
dat de door ons gehanteerde methode zich zeer wel leent voor
een globale beoordeling van schaalvoor- en nadelen bij
elektriciteitsopwekking.
G. J. van Helden
J. Muysken
20) Van der Hoeven, op.cit.
21) SEP, Elektriciteitsplan 1985/1986, Arnhem, 1980.
1223