De Europese klimaatwet stelt dat energie in de EU in 2050 voor bijna 100 procent duurzaam moet zijn. Dat wordt een uitdaging. In 2020 kwam 26,2 procent van de elektriciteit in Nederland uit hernieuwbare bronnen; zon, wind, biomassa en waterkracht. Hoe vervangen we in de toekomst ons grotendeels fossiele elektriciteitsnet door een duurzamer net? En hoe voorkomen we dat de energietransitie ten koste gaat van de betrouwbaarheid?
:fill(white):strip_exif()/i/2004352910.jpeg?f=imagemedium)
Het Nederlandse elektriciteitsnet is een van de betrouwbaarste ter wereld. In 2020 zaten we gemiddeld maar 21 minuten zonder stroom: een betrouwbaarheid van ruim 99,996 procent. De energietransitie bedreigt deze stabiliteit door de overgang te eisen van robuuste energiecentrales op kolen en gas naar grillige hernieuwbare bronnen, zoals zonne- en windenergie. "Dat levert nieuwe problemen op die we niet kunnen oplossen met de huidige netbeveiligingssystemen", vertelt Marjan Popov, universitair hoofddocent elektriciteitsvoorzieningssystemen en beveiliging van elektriciteitsnetten aan de TU Delft. "Het wordt een grote uitdaging om de betrouwbaarheid in de toekomst in stand te houden."
Om te voorkomen dat we in 2050 regelmatig in het donker zitten, wordt bij de TU Delft onderzoek gedaan met geavanceerde realtime simulaties van delen van het Nederlandse elektriciteitsnet. Deze simulaties zijn mogelijk dankzij een uniek supercomputersysteem, dat behoort tot de Europese academische top. Het doel is om de rekenkracht uit te bouwen, zodat het hele Nederlandse net gesimuleerd kan worden.
Betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet
Hoe slecht de kolen- en gascentrales ook zijn voor het klimaat, ze hebben een paar grote voordelen; ze zijn constant en regelbaar. Duurzame bronnen zoals wind- en zonne-energie zijn variabel en net zo veranderlijk als het weer. Dat kan het net, waarin een precaire balans heerst tussen vraag en aanbod, niet aan. Daarom zijn er drastische veranderingen nodig.
"Na één experiment met het echte net zouden we in de gevangenis belanden"
"Er is helaas niet één technologische oplossing, een silver bullet, die de problemen oplost en het net in de toekomst betrouwbaar houdt", zegt Peter Palensky, hoogleraar intelligent electrical power grids aan de TU Delft. "We hebben een combinatie van dingen nodig: batterijen en waterstof voor energieopslag, slim ladende elektrische auto’s, goede elektriciteitsverbindingen met andere landen en snel schakelende beveiligings- en besturingssystemen. Daarbij moet het net meer flexibiliteit in de belasting aankunnen."
De nieuwe technologieën die daarvoor nodig zijn, moeten ingebouwd worden in het bestaande elektriciteitsnet, waarvan de basis in Nederland ruim een eeuw oud is. Hoe die nieuwe onderdelen zich precies zullen gedragen en hoe ze samenwerken met de rest van het net, is lastig te voorspellen. Popov noemt het elektriciteitssysteem 'het meest complexe systeem dat de mensheid ooit ontwikkeld heeft'. De wiskunde erachter is niet meer met pen (of potlood) en papier uit te rekenen. "Het is een cyber-physical systeem met elementen die niet berekend kunnen worden met analytische formules", legt Palensky uit.
Er is maar één manier om te achterhalen hoe het elektriciteitsnet in verschillende scenario’s met nieuwe technologie omgaat: testen. Experimenteren met het Europese net wordt echter niet gewaardeerd. Een kleine fout kan een cascade aan effecten hebben en dat loopt in de papieren. Een grote black-out, waarbij een of meer landen in het donker zitten, kost mensenlevens en miljarden euro’s. "Na één experiment met het echte net zouden we in de gevangenis belanden", zegt Palensky. "Daarom doen we simulaties."
In samenwerking met nationale en internationale partners, zoals TenneT en andere netbeheerders, en met financiering van onder meer de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek, de NWO, wordt aan de TU Delft geavanceerd onderzoek verricht op het gebied van elektriciteitsvoorzieningssystemen. Hiervoor wordt een supercomputer gebruikt, gekoppeld aan gewone pc’s, waarmee de onderzoekers in real time, tot op microseconden nauwkeurig, signalen uit allerlei onderdelen van het elektriciteitsnet kunnen nabootsen. Uiteindelijk willen ze een digital twin maken van het volledige Nederlandse elektriciteitsnet, Digitale klokjes liepen vijf minuten achter doordat er in Zuidoost-Europa te weinig energie aan het net werd geleverd
zodat zij en netbeheerders naar hartenlust kunnen experimenteren met het elektriciteitsnet van de toekomst. Palensky: "We zijn nu bezig om de financiering voor de benodigde computerkracht daarvoor rond te krijgen."
Massatraagheid in het huidige net
Welke problemen voor het elektriciteitsnet worden precies veroorzaakt door de overgang naar duurzame energiebronnen? Om het net en elektrische systemen die erop aangesloten zijn, goed te laten functioneren, is het belangrijk dat vraag en aanbod precies op elkaar afgestemd worden en dat de netfrequentie op exact 50Hz wordt gehouden. In maart 2018 werd zichtbaar hoe heel Europa verbonden is. Digitale klokjes, die door deze frequentie worden aangestuurd, liepen vijf minuten achter doordat er in Zuidoost-Europa te weinig energie aan het net werd geleverd. De energietransitie zal leiden tot grotere veranderingen in vraag en aanbod.
/i/2004352832.png?f=imagearticlefull)
Allereerst zal de elektriciteitsvraag stijgen. Om minder energie en minder fossiele brandstoffen te gebruiken, gaan we hr-ketels vervangen door elektrische warmtepompen en brandstofauto’s door elektrische voertuigen. Ook de industrie zal zoveel mogelijk gaan elektrificeren. Omdat het toenemende aantal duurzame bronnen, zoals zonne- en windenergie, tegelijk leidt tot een variabel aanbod, wordt het lastiger om de balans te handhaven.
Er is nog een reden waarom netbeheerders moeilijk afscheid kunnen nemen van de kolen- en gascentrales. "Op dit moment is het Nederlandse net betrouwbaar omdat we nog traditionele generatoren hebben, zogeheten synchrone machines", vertelt Mart van der Meijden, hoogleraar Large-Scale Sustainable Power Systems aan de TU Delft en Manager Innovation bij netbeheerder TenneT. De generatoren van kolen-, gas- en kerncentrales worden ‘synchroon’ genoemd omdat hun verbrandingsenergie een rotor aandrijft die met dezelfde frequentie draait als de frequentie van het net. In Europa is dat 50Hz. Rotors met twee magnetische polen draaien op 3000 toeren en rotors met vier polen op 1500 toeren. Die grote rotoren leiden tot massatraagheid, inertie, in het elektriciteitsnet. Het aantal toeren verandert niet direct als de elektrische vraag of het aanbod plots toeneemt. Zo kunnen ze stabiel 50Hz leveren.
"Als je die massatraagheid van de rotoren niet hebt en er ontstaat bijvoorbeeld kortsluiting, dan zakt de spanning meteen in", zegt Van der Meijden. "Heb je die massatraagheid wel, dan zorgt de vertraging ervoor dat beveiligingsrelais even de tijd hebben om in actie te komen." De relais hebben dan voldoende tijd om de verandering in spanning te detecteren en een signaal door te geven aan de vermogensschakelaar om het gedeelte met kortsluiting af te schakelen voordat de netspanning en -frequentie te ver dalen. "De massatraagheid van traditionele generatoren is dus belangrijk om te kunnen reageren op dynamische verschijnselen in het net."
Die massatraagheid raken we kwijt als we kolen- en gascentrales vervangen door wind- en zonne-energie. Windturbines drijven weliswaar ook een rotor aan, maar die is niet direct verbonden met het net. Zowel wind als zon is gekoppeld aan inertieloze vermogenselektronica die de juiste frequentie en spanning levert voordat de stroom het net op gaat. "Een duurzame bron die wel massatraagheid heeft, is waterkracht", zegt Van der Meijden. "Dat drijft een grote, trage rotor aan die, dankzij het grote aantal polen, 50Hz levert." Nederland is echter geen waterkrachtland. Er is maar één centrale, met een capaciteit van 10MW, in een rivier bij Maurik. Wel importeren we waterkracht, onder meer uit Noorwegen, maar we kunnen de massatraagheid daarvan niet gebruiken voor het Nederlandse net, omdat we het importeren via de NorNed-hoogspanningsgelijkstroomkabel, HVDC, die via de vermogenselektronica in het converterstation in Eemshaven het Nederlandse net op gaat.
:strip_exif()/i/2004342582.jpeg?f=imagearticlefull)
Supercomputersimulaties
Door de energietransitie zullen er dus grotere variaties in het Europese net kunnen ontstaan en meer instabiliteit, doordat er minder massatraagheid is. Europese onderzoeksprogramma’s zoeken daarom naar oplossingen om het toekomstige net in balans te houden. "In het project Horizon 2020 Migrate, waaraan onder meer de TU Delft heeft meegewerkt, hebben we bijvoorbeeld ontdekt dat je vermogenselektronica zo kunt instellen dat je die massatraagheid een beetje kunt nabootsen", vertelt Van der Meijden. "Dergelijke mogelijkheden testen we op de Delftse supercomputer. De dynamische verschijnselen waar het net tegen bestand moet zijn, gaan in milli- of microseconden. Een gewone pc heeft niet voldoende rekenkracht om dat te simuleren."
"Meestal duren simulaties langer dan het fenomeen dat je wilt bestuderen", zegt Popov. "Dan moet je computer bijvoorbeeld vijf uur draaien om een fenomeen van enkele seconden of minuten te simuleren. Dankzij onze supercomputer, de Real Time Digital Simulator, RTDS, kunnen we realtime simulaties doen, die betere voorspellingen van de werkelijkheid geven."
Het simulatiesysteem is constant in ontwikkeling. "Het metalen frame hebben we al tien jaar", zegt Palensky. "De inhoud vervangen we regelmatig. Elke drie tot vijf jaar komt er bijvoorbeeld een nieuwe generatie computers." De inhoud van het metalen frame is parallelle hardware die op dit moment bestaat uit een combinatie van nieuwe en oudere processorkaarten. Een recente ontwikkeling is dat de onderzoekers begin april fpga's, field programmable gate arrays, hebben toegevoegd, omdat de gewone cpu’s niet snel genoeg zijn. "Nieuwe onderdelen in het elektriciteitsnet, zoals elektronisch gestuurde vermogenselektronica en converters, zijn veel sneller en dynamischer dan de fossiele energiecentrales die we tot nu toe hadden. Daarom hebben we een nieuw niveau aan computerkracht nodig en dat bereiken we met fpga-kaarten, die de berekeningen en code verwerken in hardware, niet in software."
Het indrukwekkendste en krachtigste deel van het systeem is, volgens Palensky, de compiler. "Je specificeert het net, met alle kabels, transformatoren en machines die je wilt simuleren, in een userinterface. De compiler haalt daar de bijbehorende wiskundige vergelijkingen en parameters bij, zet het om in code en zorgt ervoor dat het parallel kan draaien op de processors."
Verder gebruiken de onderzoekers het softwarepakket Rscad voor de realtime netsimulaties. Rscad beschikt over een grote library met bijna alles wat je nodig hebt om een digitale versie van een elektriciteitsnet te bouwen. "Zo is bijna elke elektriciteitskabel die je kunt bedenken, terug te vinden in de library, met de bijbehorende, gevalideerde parameters, zoals capaciteit." Voor computermodellen van de onderdelen die niet in de library staan, werken de onderzoekers samen met TenneT en met regionale netbeheerders, zoals Stedin, Enexis en Liander.
:strip_exif()/i/2004342580.jpeg?f=imagearticlefull)
Ondergrondse kabels zijn een belangrijk onderdeel van het net. "De totale lengte aan kabels in de grond in Nederland is bijna 250.000 kilometer. Dat is bijna twee derde van de afstand tot de maan", zegt Popov. In tegenstelling tot in andere landen, waar ook op distributieniveau veel verbindingen boven de grond te vinden zijn, worden ze in Nederland zoveel mogelijk onder de grond gestopt om het uitzicht mooi te houden. Dit maakt het wel lastiger om de fout te ontdekken als er iets misgaat. Ook dit moet eenvoudiger worden als de kabels gesimuleerd kunnen worden.
Met de processorkracht die nu in Delft staat, kan 10 tot 20 procent van het Nederlandse net gesimuleerd worden, afhankelijk van welk aspect je precies wilt bekijken. "Op dit moment kunnen we iets meer dan 1000 knooppunten van het Nederlandse hoogspanningsnet simuleren", zegt Palensky. "Maar we hebben 9000 tot 10.000 knooppunten nodig voor het hele hoogspanningsnet." Het deel van het net dat niet onder hoogspanning staat, zoals de stroomverdeling op regionaal niveau, en het deel bij huishoudens en bedrijven, wordt gesimuleerd met gewone computers die op de supercomputer worden aangesloten. Ook dingen die invloed op het net kunnen hebben, zoals het weer of cyberaanvallen, worden op pc’s gesimuleerd en aan het systeem gekoppeld.
"Cyberaanvallen worden een grotere bedreiging, omdat in alle vermogenselektronica die wind- en zonne-energie aan het net verbindt, ook elektronica voor communicatie zit", vertelt Van der Meijden. In Delft worden daarom ook het net en de ict-structuur gesimuleerd, waarna onderzoekers het elektriciteitssysteem proberen te hacken om zo de digitale weerbaarheid te testen en te verbeteren.
Hardware in the loop
Behalve pc’s, kunnen ook echte onderdelen uit het elektriciteitsnet op de realtime simulaties aangesloten worden. Neem bijvoorbeeld het regelsysteem van een converter die op zee windenergie omzet in gelijkstroom met de juiste spanning voor de DC-kabel naar land. Deze hardware kan in het lab neergezet worden en via hardware-in-the-looptechniek aangesloten worden op de simulatie. "We kunnen het regelsysteem van de converter dan laten denken dat het op het net is aangesloten. Vervolgens kunnen we van alles doen wat in het echte net niet mag", zegt Van der Meijden. "Bijvoorbeeld kortsluiting maken, de spanning overschrijden of de spanning juist laten wegvallen, allemaal om te kijken hoe de converter reageert." Op deze manier kunnen de onderzoekers ook hun computermodellen van de converter kalibreren. Dat is belangrijk omdat leveranciers hun intellectuele eigendom uit concurrentieoverwegingen niet kunnen vrijgeven, waardoor het simuleren van bepaalde onderdelen lastig is.
"Apparaten beginnen fysiek te schudden als we een schokgolf in het gesimuleerde systeem veroorzaken"
Naast converterhardware koppelen de onderzoekers ook beveiligingsrelais aan de supercomputer om te testen hoe ze reageren op verschillende gesimuleerde scenario’s die kunnen voorkomen in het toekomstige, complexe net waarin een groter deel van de input uit grillige wind- en zonne-energie afkomstig is. "We konden de producenten vertellen dat ze een fantastisch beveiligingsrelais hadden, maar dat als we over tien jaar bijvoorbeeld 50 procent meer zonne-energie hebben, hun relais tegen problemen aanloopt", vertelt Popov.
"De simulaties komen zo dicht bij de werkelijkheid dat apparaten die op de simulatie aangesloten worden, soms zelfs fysiek beginnen te schudden als we een schokgolf in het gesimuleerde systeem veroorzaken", voegt Palensky toe.
Een ander voorbeeld van een toepassing is het Europese onderzoeksproject TSO2020, waar het simulatiesysteem werd gebruikt om te kijken naar de mogelijke rol die waterstofproductie kan spelen bij het balanceren van het elektriciteitsnet. Een overschot aan wind- of zonne-energie kun je opslaan in batterijen, maar je kunt er ook waterstof van maken met elektrolysers, die met elektriciteit water omzetten in waterstof en zuurstof. "Hiervoor hebben we het elektrotechnische gedeelte van een elektrolyser in het lab gebouwd en aangesloten op de supercomputer", vertelt Van der Meijden. "Tot onze verrassing bleek die elektrolyser nog beter de dynamische spannings- en frequentieondersteuning te kunnen leveren dan de huidige synchrone machines. Dat was een grote ontdekking." Dit komt doordat elektrolysers eerder ingrijpen bij een storing, waardoor de spanning minder snel en minder ver wegzakt, en dus ook gemakkelijker terugkeert naar het oude niveau. Van der Meijden citeert Johan Cruijff over sneller dan je tegenstander bij de bal zijn: "Als ik iets eerder begin te lopen dan een ander, dan lijk ik sneller."
:strip_exif()/i/2004342868.jpeg?f=imagearticlefull)
De toekomst
Volgens Popov is toepassingsgericht onderzoek, zoals de realtime simulaties, cruciaal voor het behalen van de energietransitiedoelen. "Dit is de enige manier om te zien of ons systeem van de toekomst zal presteren op de manier die we verwachten."
Van der Meijden gaat nog een stap verder dan simulaties om de gevolgen van nieuwe technieken te testen. "Als je een digital twin van het volledige Nederlandse net hebt, kun daarmee je in real time nieuwe problemen doorrekenen. Met hulp van AI kan dit gebruikt worden om in de toekomst de bedrijfsvoerders in de controlroom van netbeheerder TenneT te helpen. De AI kan dan de operator adviseren of zelfs automatisch een subsysteem aansturen. In de controlroom van de toekomst heeft de operator dan misschien dezelfde toezichthoudende functie als een piloot tijdens een vlucht op de automatische piloot."
Palensky is iets voorzichtiger en waarschuwt dat het belangrijk is om je te realiseren dat de simulaties en een toekomstige digital twin slechts een tool zijn. "Het is een krachtige tool en het beste wat we op dit moment hebben, maar het is maar een tool. Uiteindelijk komt het afstemmen van het net neer op mensenwerk, waarbij we als onderzoekers moeten samenwerken met industriële partners, netbeheerders en politici. De discussie over de toekomstige energievoorziening kan emotioneel zijn, maar het brengt ons niet verder als mensen beslissingen nemen op basis van hun onderbuikgevoel. Daarom proberen we met de simulaties en de digital twins een platform te creëren dat harde feiten kan leveren op een transparante en inzichtelijke manier, om zo mensen te helpen sneller complexe beslissingen hierover te nemen. Nu speelt iedereen namelijk nog op safe en worden veranderingen in voorzichtige, kleine stappen doorgevoerd, maar we hebben geen tijd meer om op safe te spelen."
Foto: zhaojiankang / Getty Images.