Naar de content

Futuristisch bos onderzoekt elektriciteitsnet van de toekomst

De apparaten van het nieuwe elektriciteitslab ESP van de TU Delft.
De apparaten van het nieuwe elektriciteitslab ESP van de TU Delft.
Lucas van der Wee, TU Delft

Hoge, blauwe torens met zilverkleurige cirkels in de top. De apparaten van het nieuwe elektriciteitslab ESP van de TU Delft lijken wel op een futuristisch bos. Hier pluizen wetenschappers uit hoe je het elektriciteitsnet van de toekomst stabiel, betrouwbaar en groen houdt met behulp van heel veel data.

21 januari 2022

Het leek wel een horrorfilm: plots doofden de lichten van New York. Op straat, in de huizen en de metro heerste duisternis. De opvallende billboards met flikkerende beelden op Times Square gingen op zwart en uit de zalen aan Broadway klonk geen muziek meer. Zo begon een van de meest opmerkelijke blackouts van de afgelopen decennia op een julidag in New York in 2019. Vier uur lang zat een groot deel van de wijk Manhattan in de avond zonder stroom. New Yorkers gingen met zaklampen de straat op om het verkeer in goede banen te leiden.

Zo’n grote stroomstoring is de nachtmerrie van elektriciteitsbedrijven. De gevolgen zijn groot, vooral als het in de winter gebeurt wanneer het koud is en vroeg donker wordt. Hoe fijn zit je nog in je huis als de ijsbloemen op de ramen staan en geen apparaat meer werkt? Juist nu we zo afhankelijk zijn geworden van elektriciteit, kan een stroomstoring grote gevolgen hebben. Bedrijven en wetenschappers zetten er daarom flink op in om dit soort – en nog grotere – storingen te voorkomen.

Peter Palensky aan het werk in het ESP-lab.

 TU Delft

Dood ding

Een mooi voorbeeld daarvan is het spiksplinternieuwe ESP-lab van de TU Delft. Daar onderzoeken wetenschappers de elektriciteitsvoorziening van de toekomst. “Dat heeft alles met storingen te maken, want die worden door van alles en nog wat veroorzaakt. Graafwerkzaamheden en kortsluiting zijn vaak de boosdoeners. Maar het kan ook door nieuwe opwekkers zoals zonnepanelen en windmolens komen en juist daar richt ons ESP-lab zich op”, zegt hoogleraar intelligente elektriciteitsnetten Peter Palensky van de TU Delft.

Dat ESP-lab zit in een grote hal, dat er van buiten uitziet als een saaie blokkendoos. Binnenin ziet het er spectaculair uit door apparaten die er met wat fantasie uitzien als een futuristisch bos. Transformatoren en impulsgeneratoren steken als een soort bomen boven de grond uit. Ze hebben dikke, blauwe en bruine stammen met daaromheen zilverkleurige cirkel als takken en bladeren. Op de grond liggen dikke kabels, die wel wat weg hebben van wortels. Maar met een echt bos heeft het niks te maken, hier draait alles om de opwekking en verwerking van groene elektriciteit.

Binnen dit grote lab richt Palensky zich op het elektriciteitsnet. Dit speelt een sleutelrol om ervoor te zorgen dat er bij jou thuis elektriciteit uit het stopcontact komt. Als energie wordt opgewekt, dan gaat het door een groot aantal leidingen en kabels in heel Nederland naar de huizen, bedrijven en industrie. “Vroeger was dit net een dood ding. Het was passief en zorgde er vooral voor dat het de energie transporteerde. De vraag van huishoudens en bedrijven en het aanbod van kolen, kern- en gascentrales waren perfect in balans. Dat was het oude spel. Maar dat is nu helemaal anders.”

Het nieuwe ESP-lab van de TU Delft lijkt wel een futuristisch bos.

 Lucas van der Wee, TU Delft

Vloek voor elektriciteitsbedrijven

Die verandering komt door het flink groeiende aandeel van nieuwe opwekkers, zoals windmolens en zonnepanelen. Hoeveel energie ze opwekken is minder voorspelbaar, omdat het niet altijd even hard waait en de zon niet steeds schijnt. “Deze nieuwe generatie is afhankelijk van het weer. Maar er speelt meer mee. Het gaat om slimme apparaten. Dat is deels een vloek voor elektriciteitsbedrijven”, aldus Panlensky.

Dat zit zo. Deze apparaten communiceren met andere apparaten en willen ook met het net informatie uitwisselen. Hierdoor wordt het elektriciteitsnet nóg gecompliceerder. “Je kan niet meer op een bierviltje berekenen hoeveel elektriciteit je per dag nodig hebt. Je hebt een supercomputer nodig, moet modellen ontwikkelen met een andere onderzoeksaanpak.”

Dit zet het hele vakgebied op zijn kop. En data spelen daarin de hoofdrol. Want het zijn gegevens die de slimme apparaten met elkaar uitwisselen, het is op basis van goed gevonden data waarmee netbeheerders toch willen voorspellen hoeveel elektriciteit nodig is, zodat de lampen in jouw woning blijven branden. “In het ESP-lab werken we aan het simuleren van het hele net van Nederland en dus testen we wat er gebeurt als je er verschillende apparaten aan koppelt. Windparken op zee maken soms gebruik van controllers van verschillende fabrikanten. Ze spreken daardoor een andere taal. Klapt de elektriciteit er dan niet uit als je ze aansluit op het net? Je wilt niet dat een kabel van een miljard euro kapotgaat. Dat kunnen wij nu testen en voorspellen door het te simuleren en zonder torenhoge rekening.”

Niet alleen in Delft proberen ze ervoor te zorgen dat het net er niet uitklapt als er grote veranderingen zijn. Aan de TU Eindhoven liet wetenschapper Martijn Roos een andere interessante aanpak zien. Hij toonde aan dat je de gevolgen van kortsluiting in het elektriciteitsnetwerk kunt terugdringen door microgrids in te richten. Met deze aanpak maak je allemaal kleine eilandjes van het net. Ze zijn met elkaar verbonden en zorgen er op die manier voor dat overal elektriciteit is. Maar zodra ergens kortsluiting ontstaat dan wordt die bewuste microgrid geïsoleerd, waardoor de storing zich niet overal naartoe kan verspreiden. Je voorkomt op die manier dus een grote blackout.

Digitale dubbelganger

Eigenlijk is het niet één simulator, maar bestaat het uit meerdere modellen die allemaal een deel van het net simuleren. De wetenschappers voegen ze samen en kunnen daardoor nauwkeurige voorspellingen doen. Het geeft duidelijk aan hoe ingewikkeld het elektriciteitsnet is geworden en hoe data inmiddels de hoofdrol spelen in de route naar jouw stopcontact. “Onze modellen maken een digitale dubbelganger van het echte net”, zegt de wetenschapper.

Het speelt zich, zoals zo vaak in de datawereld, allemaal af in computers. Harde schijven, talloze kabeltjes die berekeningen mede mogelijk maken. Maar het fascinerende aan het ESP-lab is dat er niet alleen ratelende computers staan. Hier vind je ook de daadwerkelijke apparaten die op een elektriciteitsnet worden aangesloten. Je koppelt een echte omvormer zo even aan het gesimuleerde net en kijkt wat er gebeurt.

Ook wordt beproefd hoe je het net slimmer in kan richten. Neem de verschillende vormen van stroom. Het net is ingericht op wisselstroom, maar zonnepanelen wekken bijvoorbeeld gelijkstroom op (zie kader). Dit moet daarom eerst omgezet worden. Maar een elektrische auto werkt weer op gelijkstroom, waardoor het in een extra stap nogmaals omgezet wordt. Bij elke stap zijn er energieverliezen. Dus kijken onderzoekers ook of dit beter kan. De wereld van morgen loopt deels op gelijkstroom. De lange-afstandskabel tussen Nederland en Noorwegen en Groot-Brittannië transporteert bijvoorbeeld al gelijkstroom.

Gelijkstroom en wisselstroom

Je hebt dagelijks met beide te maken, al merk je daar waarschijnlijk weinig van. Wisselstroom komt uit jouw stopcontact. De stofzuiger, televisie en wasmachine maken hier allemaal gebruik van. Gelijkstroom wek je op met zonnepanelen en je slaat het ook op in batterijen en accu’s. werken net even anders. Bij de laatste verandert de spanning steeds van richting en bij gelijkstroom niet. Daar gaan de elektronen altijd dezelfde kant op (van min naar plus) in een gelijke spanning. Ze zijn dus net even anders en daarom heb je een omvormer nodig om apparaten die op wissel- of gelijkstroom werken met elkaar te verbinden.

Al die onderzoeken moeten er toe leiden dat de transformatie naar het elektriciteitsnet van de toekomst soepel verloopt. Zodat een black-out als in New York van een paar jaar geleden een uitzondering blijft. “Wij willen met ons lab laten zien welke stappen we nu het beste kunnen nemen. Als we voor veel meer windenergie kiezen, welke gevolgen heeft dit dan? En zo gaan we dat met van alles en nog wat na. Uiteindelijk zijn het allemaal kleine stukje van een puzzel waar we naar kijken: opwekkers van elektriciteit, gedrag van consumenten. Dit levert heel veel data op en weer rekenprogramma en kunstmatige intelligentie om dit allemaal te verwerken. In een wereld die steeds ingewikkelder wordt, willen wij met dit lab helpen om te laten zien wat op de lange termijn slimme investeringen en oplossingen zijn.”

ReactiesReageer