Het elektriciteitsnet op schaal | Technisch Weekblad
Partner content

Unieke opstelling voor onderwijs en onderzoek:


Het elektriciteitsnet op schaal

Jan Spoelstra, In samenwerking met: Hogeschool van Arnhem en Nijmegen (HAN) | donderdag 4 maart 2021

Wat alle individuele klimaatmaatregelen samen betekenen voor de stabiliteit van het elektriciteitsnet valt moeilijk te overzien. Zowel voor politici en beleidsmakers, als voor technici met specialistische kennis. ‘Dat willen we veranderen met een unieke opleidings- en onderzoeksopstelling. Wanneer kun je nou zelf aan de knoppen van het elektriciteitsnet draaien?’

Wat gebeurt er met het grid als je een kolencentrale afschakelt? Wat gebeurt er wanneer politici zeggen dat er 50% meer offshore windenergie het net op moet? En hoeveel elektrolysers voor groene waterstof moeten we plaatsen om het net in 2040 te stabiliseren? Enkele volzinnen uit bijvoorbeeld de verkiezingsprogramma’s voor de Tweede Kamerverkiezingen of beleidsstukken roepen deze vragen op, maar overzicht over hoe alle maatregelen samenhangen ontbreekt vaak.

Om die reden biedt de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen (HAN) diverse opleidingen aan voor de energieprofessional van de toekomst. Zowel op regulier HBO niveau, als opleidingen om mensen in het werkveld bij te scholen. ‘Een unieke schakel daarin is ons “Electrical Power Engineering Training System”, het complete elektriciteitsnet op schaal,’ aldus Joke Westra, hoofdonderzoeker bij HAN. Bij deze door het Duitse bedrijf Lucas-Nülle ontwikkelde opstelling kun je experimenteren met vraag, aanbod, opslag en transport van energie. Cursisten kunnen windmolens bijschakelen, kolencentrales van het grid halen en de impact van kabellengtes ervaren en onderzoeken. experimenteren met elektrolysers voor de productie van groene waterstof kan straks ook. ‘Het is geen simulatie. Er loopt echt stroom. Zo krijgen onze cursisten en studenten een duidelijk overzicht over waar de uitdagingen van ons elektriciteitsnet liggen.’

Het elektriciteitsnet op schaal

Patricia Boogaard, onderzoeker control systems engineering bij HAN, legt uit dat de opstelling de grootste in zijn soort en uniek in Nederland is. De opstelling kent zes modules. Voor het opwekken van energie is er een PV-module (1) die de decentrale opwekking van zonne-energie simuleert, een module die elektriciteitsopwekking door windturbines simuleert (2) en een synchrone module voor de kolen-, kern en waterkrachtcentrales (3).

Daarnaast kent de opstelling een smart grid module die stand alone functioneert als onderstation waarbij vermogen geschakeld kan worden naar redundant railsystemen (4). Als de modules aan elkaar gekoppeld
zijn, vormt de opstelling een smart grid. In deze opstelling vormt de smart grid module de centrale unit waar de energiestromen samenkomen en door middel van een energiemanagementsysteem (5) gereguleerd worden. Het systeem gaat slim om met vraag en aanbod van stroom door accu’s uit bijvoorbeeld auto’s op een gunstig moment te laden en ontladen.

Verder wordt er voor de opslag van energie een beroep gedaan op een waterkrachtcentrale en een lithium-ion batterij voor woningen, welke ook fysiek aanwezig is in de modules. Tot slot zitten er beveiligingen voor overbelasting en kortsluiting in het elektriciteitsnet op schaal (6).

‘Het mechanisme dat gasturbines meer energie leveren als we onze elektrische auto’s inpluggen is niet houdbaar’

‘Wij willen bij de HAN onderzoek doen en kennis doorgeven, zodat mensen oog hebben voor de uitdagingen tijdens de energietransitie. Door het uiteenzetten van problemen lijkt het misschien alsof we tegen duurzame energie zijn, maar we zijn 100% voor meer zonne- en windenergie,’ aldus Westra. ‘Het makkelijkst is natuurlijk om alleen maar regelbaar vermogen via synchrone machines het net op te sturen, maar dat is niet de toekomst. We willen de complexiteit van het energienet van de toekomst laten zien. Beleidsmakers en politici moeten een totaalbeeld van de energietransitie krijgen. Ook willen we dat technici in de energiesector oog hebben voor het grote plaatje.’

Vanwege de coronamaatregelen kan ondergetekende niet op reportage, terwijl hij de opstelling al eens zag toen deze nog in opbouw was en niet kon wachten om eens aan een paar knoppen te draaien. Daarom legt hij een aantal situaties in het elektriciteitsnet voor aan de dames, om zo de uitdagingen van het elektriciteitsnet voor de komende jaren te schetsen.

1: Meer wind

Wat als we in 2030 meer dan 11 GW en in 2040 misschien wel 60 GW aan opgesteld offshore windvermogen het net op duwen? Boogaard: ‘Wat je heel goed met deze opstelling inzichtelijk kunt maken, is dat dan het energie-management-systeem druk in de weer is om het variabele vermogen te reguleren. Natuurlijk afhankelijk van het windprofiel dat we voor de windturbines programmeren. Maar uiteindelijk moeten consumenten en bedrijven alle stroom die geproduceerd wordt ook op hetzelfde moment afnemen, anders grijpt de beveiliging voor overbelasting in.’

Meer windenergie zorgt er dus voor dat het smart grid gedeelte veel werk heeft. Batterijen moeten op een slim gekozen moment geladen worden. Boogaard: ‘De vermogensbalans op het net moet in evenwicht zijn. Dat maakt het noodzakelijk om vraag en aanbod op elkaar af te stemmen. Wat beleidsmakers met dit inzicht zouden moeten? Ze zouden bijvoorbeeld kunnen stimuleren dat mensen de accu’s van auto’s via slimme laadprotocollen kunnen laden. Ook zouden ze op lange termijn kunnen inzetten op de variabele productie van groene waterstof met overschotten van hernieuwbare energie.’

2: Minder kolen, minder massatraagheid

Wat gebeurt er als we de kolencentrales in 2030 afschakelen? En als we nog iets verder de toekomst in kijken, raakt de kerncentrale van Borssele ook aan het einde van zijn levensduur over 15 jaar. ‘Wat je ziet is dat verschillende generaties verschillende percepties hebben. De afgelopen jaren zijn er veel studenten en cursisten die CO2 als het grootste gevaar zien. Je ziet dat ook politici weer naar kernenergie als CO2-arm alternatief voor kolen- en gascentrales  kijken. Veel ouderen hebben juist de onheilspellende verspreiding van nucleaire stofdeeltjes tijdens de ramp van Tsjernobyl meegemaakt, en hebben veel zorgen over de overige nadelen van kernenergie zoals het nucleaire afval. Tijdens de lessen komt dit bewustzijn minder sterk naar voren bij jongere studenten.’

Grote elektriciteitscentrales op fossiele brandstoffen hebben hun langste tijd gehad in Nederland. Westra: ‘Als je deze synchrone modules uitschakelt, dan zie je dat er geen massatraagheid meer in het energienet zit. Dat moet je ook echt letterlijk nemen. De zware rotoren in elektriciteitscentrales hebben een groot traagheidsmoment en dat zorgt voor een stabiele 50 Hz op het elektriciteitsnet. Dat zorgt ervoor dat ze niet meteen in toeren terugzakken wanneer we ‘s ochtends met zijn allen koffie zetten, of doorschieten wanneer enkele industriële installaties plots afgeschakeld worden.’

‘Politieke keuzes van nu, hebben gevolgen voor de komende decennia. Daarom moet er een deltaplan voor de energietransitie komen’

Stel, het net zou in Nederland een keer volledig uitvallen. Dan zijn de verbindingen met het elektriciteitsnet met buurlanden dus ook verbroken. Dan heb je enkele synchrone machines nodig die het elektriciteitsnet weer kunnen opbouwen en om vervolgens weer, in dezelfde fase als de landen om ons heen, op elkaar aan te kunnen sluiten. Een aantal gascentrales in Nederland zijn daar toe aangewezen. ‘Als we in Nederland dus van kolen en gas af willen, is dit wel iets om in het achterhoofd te houden. Kunnen we vanuit onze omringende landen ons elektriciteitsnet weer opbouwen? Of zou je dat zelf moeten kunnen.’

3: Meer zon

Op de locatie van HAN in Arnhem staan op de parkeerplaats enkele laadpalen waar de onderzoekers mee experimenteren. Medewerkers kunnen er overdag, wanneer er veel zonne-energie het net op komt, hun auto’s mee opladen. Boogaard: ‘Dat type gedrag moeten we bij toenemende productie van zonne-energie stimuleren.’

Als we in het elektriciteitsnet op schaal de productie van zonne-energie omhoog draaien zien we vergelijkbare uitdagingen als met windenergie. Volgens Boogaard toont dit aan dat we anders met stroom moeten omgaan: ‘We moeten actief gaan sturen richting de verbruikers van elektriciteit. Wanneer laad je de elektrische auto op? Wanneer gaat de wasmachine aan? Het mechanisme dat een gascentrale meer koppel moet leveren en meer gas de turbine in moet pompen op het moment dat we allemaal thuiskomen en de elektrische auto inpluggen, is niet houdbaar.’ Beleid voor meer zon en wind zou dus samen moeten gaan met variabele elektriciteitsprijzen waar consumenten en industrie hun voordeel mee kunnen doen. Of een mechanisme dat je via vehicle-to-grid ook kan helpen het energienet te balanceren. Een mooi klusje voor aanstaande kabinetten.

Deltaplan

Het is boeiend om te zien hoe een opstelling van zo’n vier vierkante meter bijna de volledige samenhang in ons elektriciteitsnet laat zien. Boogaard: ‘Een keuze die je nu maakt, heeft in de verre toekomst grote effecten. Ons doel is om mensen op te leiden die daar oog voor hebben. Zowel de energieprofessional van de toekomst, als mensen die zijdelings of vanuit overheidsorganisaties met energie- en klimaatbeleid te maken hebben.’

Volgens Westra laat het ook zien dat we een Deltaplan voor de energietransitie nodig hebben. ‘Het is zo complex. Keuzes die je nu maakt naar aanleiding van een bepaald politiek sentiment, hebben voor volgende kabinetsperiodes nog steeds gevolgen. Hoe belangrijk vinden wij klimaatadaptatie en energietransitie? Willen we inderdaad meer zon en wind? Als we als maatschappij die vraag met ja beantwoorden, zou je ook een soort Deltacommissie voor de energietransitie moeten optuigen.’

Na de watersnoodramp van 1953 heeft Nederland dit gedaan met het Deltaplan. Er is beleid voor de komende decennia uitgestippeld, met als uitgangspunt dat we nooit meer zo’n ramp willen meemaken. Dat leidde tot een Deltacommissie die voorbij de politieke waan van de dag keek. Dat zou met energie- en klimaatbeleid ook moeten. En daar heb je nieuwe energieprofessionals voor nodig.

 

Cursussen energietransitie

De hogeschool van Arnhem en Nijmegen biedt een groot scala aan cursussen en trainingen op het gebied van de energietransitie.

Interesse? Kijk op han.nl/aea bij ‘Welke cursussen zijn er?’.

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je nu aan!

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu 2 gratis proefnummers TW