STW.nl
Echte innovatie vraagt vaak een grootschalige aanpak. Om een innovatieve doorbraak te verwezenlijken moet je nieuwe onderzoekslijnen opzetten, oude netwe...
De overgang naar duurzame energiebronnen heeft als vervelende bijkomstigheid dat elektriciteitsnetwerken instabieler worden. Hoe zorg je ervoor dat onze stroomvoorziening tegen een stootje kan? Wie in Amsterdam woont, herinnert zich misschien nog wel de ochtend van 17 januari 2017, toen de halve stad urenlang zonder stroom zat. Treinen, trams en metro’s reden niet, het MC Slotervaart moest alle operaties uitstellen en de 112-meldkamer was door alle telefoontjes overbelast. Allemaal veroorzaakt door een technisch mankement in één component van een hoogspanningsstation. Dergelijke mankementen komen gelukkig maar heel zelden voor. ‘Het Nederlandse elektriciteitsnetwerk is een van de betrouwbaarste van de wereld’, zegt dr. ir. Marjan Popov van de TU Delft. Toch onderzoekt Popov met zijn team in een door TTW gesteund project hoe je het netwerk kunt verbeteren. Want het mag nu nog wel uiterst betrouwbaar zijn, zonder verbeteringen is dat over enkele jaren niet langer het geval. Dat heeft alles te maken met onze overgang naar duurzame energie. In 2020 moet volgens Europese richtlijnen 20 procent van onze energie uit duurzame bronnen komen. Eind 2016 zat Nederland nog maar op 5,9 procent. Nederland zou een inhaalrace kunnen maken door kolencentrales te vervangen door windmolens en zonnepanelen. Dat zou een goede ontwikkeling zijn voor het milieu, maar een uitdaging als het gaat om de betrouwbaarheid van het elektriciteitsnetwerk.  Constant en controleerbaarHet prettige aan kolencentrales is namelijk dat ze een constante en controleerbare hoeveelheid energie leveren. Die energie wordt in centrales omgezet in elektrische energie. Wil je meer stroom hebben, dan laat je meer kolen verbranden. Je kunt het aanbod dus altijd aanpassen aan de vraag. Met wind- en zonne-energie is het door het wisselvallige Hollandse weer altijd maar de vraag hoeveel energie je precies binnenkrijgt. Daardoor wordt het in elektriciteitscentrales een stuk moeilijker de balans tussen input en output te handhaven. ‘Als we niks doen, heeft de toenemende onzekerheid als gevolg dat de betrouwbaarheid van het systeem daalt. Dan kan het gebeuren dat het beveiligingssysteem niet langer goed werkt’, zegt Popov.  Tijdig ingrijpenDat systeem moet dus verbeterd worden. Hoe doe je dat? Allereerst is het van cruciaal belang om de hoeveelheid energie overal voortdurend goed in de gaten te houden, zodat je tijdig kunt ingrijpen als er iets misgaat. ‘Als het netwerk bijvoorbeeld ergens overbelast is, dan mag dat niet te lang duren’, zegt Popov. Daarom werkt Popov met zijn team aan apparaten die op strategische plekken voortdurend de spanning, stroom en frequentie meten. Zulke apparaten heten phasor measurement units, ofwel PMU’s. Doordat PMU’s gps gebruiken, weet je het exacte tijdstip van elke meting, en kun je heel nauwkeurig de situatie op verschillende plekken tegelijk analyseren. Zo merk je dus meteen op wanneer ergens een kabel overbelast is. Hoe verhelp je overbelasting?De volgende vraag is: hoe verhelp je zo’n overbelasting? Je kunt moeilijk eisen dat de wind gaat liggen of de zon stopt met schijnen. Gelukkig kunnen we in zo’n geval rekenen op de steun van onze buurlanden. Kabels naar Duitsland, België, Denemarken en Groot-Brittannië kunnen elektrische energie invoeren bij een tekort en afvoeren bij een overschot. ‘Er zijn al preventieve maatregelen genomen om ervoor te zorgen dat we energie kunnen verdelen. De verbindingen met Noorwegen en Groot-Brittannië lopen bijvoorbeeld om die reden via gelijkstroomkabels’, zegt Popov. ‘Wij richten ons nu op correctieve maatregelen: zorgen dat als er iets gebeurt, de energie meteen goed verdeeld wordt.’ Naast de PMU’s is in het Delftse onderzoek een belangrijke rol weggelegd voor computeralgoritmen. Als de PMU-gegevens bijvoorbeeld uitwijzen dat ergens een overbelasting is, kunnen algoritmen onmiddellijk vaststellen welk deel van het net je moet uitschakelen om de rest van het systeem te redden. ‘De algoritmen zijn nu voor ongeveer 75 procent klaar’, zegt Popov. NetwerkproevenNatuurlijk kun je het Nederlandse elektriciteitsnetwerk niet zomaar ombouwen met PMU’s en algoritmen zonder die eerst te testen. Daarom ontwikkelt Popov met zijn promovendi Matija Naglic en Ilya Tyuryukanov en postdoc Jose Chavez Muro simulaties waarmee ze het toekomstige netwerk op de proef stellen. Een probleem bij het simuleren van een elektriciteitsnetwerk is alleen dat dit veel rekenkracht vergt. ‘Een gewone computer is al gauw twintig minuten bezig met het simuleren van één seconde’, zegt Popov.  Van seconde tot secondeDaarom gebruiken de onderzoekers geen gewone computer, maar een supercomputer. Het manshoge apparaat combineert de rekenkracht van maar liefst 56 processoren. De supercomputer staat in verbinding met een PMU en een gewone computer met simulatiesoftware. Het systeem is een zogeheten Real Time Digital Simulator (RTDS): een technologie waarmee je een volledig elektriciteitsnet seconde per seconde kan analyseren.  Alleen met een dergelijke realtime-simulator kun je zien wat de directe gevolgen zijn van een plotselinge verandering in het netwerk, zoals een centrale die uitvalt. Je ziet dan meteen welke kabels bijvoorbeeld overbelast raken, en hoe je de stroom moet omleiden om die overbelasting te verhelpen. ‘Dit is de enige supercomputer in Nederland met RTDS-technologie’, zegt Popov.  Verdelen in eilandjesDe Delftse onderzoekers werken nauw samen met partners zoals het nationaal metrologisch instituut VSL en TenneT, het bedrijf dat zich in Nederland bezighoudt met het transport van elektriciteit. ‘Het is aan ons om de resultaten uiteindelijk in de praktijk te brengen’, zegt Jorrit Bos, netwerkstrateeg bij TenneT. ‘Uiteindelijk willen we het netwerk bij een storing kunnen onderverdelen in een soort eilandjes die zichzelf in balans houden. Met de komst van nieuwe energiebronnen wordt alles wat dynamischer en minder overzichtelijk, dus is het heel belangrijk dat we het netwerk op deze manier overeind kunnen houden.’ Niet alleen het elektriciteitsnet moet worden aangepast om de duurzame-energierevolutie te doorstaan. Popovs project is met nog tien projecten onderdeel van het NWO-onderzoeksprogramma Uncertainty Reduction in Smart Energy Systems (URSES). Dit programma staat in het teken van het ontwikkelen van slimme systemen die voorkomen dat duurzame energiebronnen door hun onvoorspelbaarheid verstoringen veroorzaken. Zodat we volop kunnen profiteren van wind- en zonne-energie, zonder dat we elke week bij kaarslicht hoeven te ontbijten. Meer over onderzoeksprogramma URSESHet NWO-onderzoeksprogramma Uncertainty Reduction in Smart Energy Systems (URSES) sluit aan bij de topsector Energie en het thema NWO-thema Duurzame energie. NWO heeft samen met Shell 6,5 miljoen euro aan het programma toegekend, waarvan NWO 4,5 miljoen euro bijdraagt. URSES omvat elf onderzoeksprojecten die zich richten op het verminderen van de onzekerheden in de energieketen door kennis en instrumenten te ontwikkelen die nodig zijn voor slimme energiesystemen. In elk project werken onderzoekers samen met partners uit de maatschappij, waaronder netbeheerders, energieleveranciers, lokale overheden en technologiebedrijven. De looptijd van de onderzoeksprojecten is vijf jaar. Bij de elf projecten zijn de volgende universiteiten betrokken: TU Delft (5), Rijksuniversiteit Groningen (2), Universiteit Twente, TU Eindhoven, Erasmus Universiteit en Wageningen University & Research. ===== Tekst: Yannick FritschyFotografie: Ivar Pel