Waarmee het allemaal begon, dat is nog steeds niet duidelijk. Maar op de middag van 08 januari om 14.05 uur zakte de netfrequentie in het volledige CE-blok van het ENTSO-E net met 260 mHz tot 49,74 Hertz. Zo’n snelle en diepe daling komt zelden voor – zo diep dat zelfs de volledige Europese FCR-reserve het maar ternauwernood hield.
Wat? Niks gemerkt? Kijk, dat is een proeve van goed netbeheer, want het scheelde weinig of tientallen miljoenen mensen in Europa hadden de avond van 08 januari bij een kaarsje moeten zitten. In plaats daarvan bleef de schade beperkt tot een paar verwisselde onderbroeken bij Europese netbeheerders, een verstoorde handelsmarkt door noodgrepen en een tijdelijke split van het UCTE-blok van het ENTSO-E net in twee losse blokken. Dat was al jaren niet meer gebeurd. Het liep goed af en we mogen ons blij vergapen aan een (voor insiders) spectaculaire frequentiegrafiek die het onheil dat op het nippertje werd voorkomen in akelig detail tonen. Maar wat ging er dan eigenlijk mis?
Netbalans: evenwicht in productie en belasting
We hebben het op deze site met regelmaat over het huwelijk van de netbalans en de netfrequentie in een wisselstroomnet. Het hele Europese elektriciteitsnet is aan elkaar gekoppeld en het is op te vatten als één enorm stroomnet met een netfrequentie die zo dicht mogelijk bij 50 Hertz moet liggen. De netbalans is het evenwicht tussen productie en consumptie van elektriciteit op het net. Omdat je elektriciteit nauwelijks kan opslaan moet productie op hetzelfde moment plaatsvinden als consumptie. Als die twee niet in balans zijn doordat bijvoorbeeld een centrale uitvalt kom je plotseling energie tekort in het net. Die missende energie wordt gestolen van de fysiek draaiende kernen van de ontelbare generators in het net die nog wel draaien. Die gaan wel allemaal iets zwaarder lopen en de turbines die ze aandrijven moeten harder werken. Dat lukt niet binnen een paar seconden, zodat de fysieke rotatiesnelheid van de generatorkernen afneemt. De wisselfrequentie van het hele elektriciteitsnet begint te zakken.
Het Europese elektriciteitsnet is het op één na grootste gekoppelde net ter wereld, alleen het staatsnet van China is nog flink groter. Op het ENTSO-E net hangt circa 600 GW aangesloten productievermogen en net zoveel consumptie. Die grote schaal helpt ons, want daardoor is uitval van een volledige centrale (bijvoorbeeld 1 gigawatt) nog steeds maar een klein flintertje missende energie op het totale net. De netfrequentie zakt en er moet worden ingegrepen om het terug in balans te brengen. Maar door de grote schaal van het net is de daling slechts langzaam: de inertie van de ontelbare roterende generators is zo groot dat men zelfs bij plotseling verlies van duizend megawatt gerust een halve minuut de tijd heeft om in te grijpen voordat de netfrequentie onder de gevaarlijke grenswaarde van 49,80 Hz zakt.
Eerst de acute daling stoppen met FCR
Dat is in de praktijk ruim voldoende om computers beslistijd te gunnen en zogeheten FCR-vermogen aan te spreken: Frequency Containment Reserve. Dat bestaat uit tientallen fysiek roterende generators die geografisch verspreid zijn over de gebieden van alle Europese netbeheerders en die als het ware worden ‘achtergehouden’. Deze generators kunnen indien nodig direct worden belast om zo het gat dat is geslagen te dichten. Op die manier kan de frequentiedaling tot staan worden gebracht omdat de belasting en productie terug in evenwicht komen. In Europa is er ruim drie gigawatt zulk vermogen altijd direct beschikbaar. Dat is voldoende achtervang om uitval van een paar willekeurige productie-eenheden het hoofd te kunnen bieden zonder dat er een echte verbruiker of klant moet worden losgenomen.
Direct na aanspreken van het FCR-vermogen is de acute druk van de ketel. Het net is weer stabiel in evenwicht, maar het draait nog wel onder frequentie. De volgende handeling is het zo snel mogelijk afroepen van zogeheten noodvermogen. Daarmee kan blijvend extra vermogen worden geleverd. Het noodvermogen start op en neemt in de minuten na de ingreep van het FCR-vermogen zo snel mogelijk diens rol over. Het is belangrijk dat de FCR-reserve zo snel als kan weer echt reserve wordt, zodat het opnieuw beschikbaar is als zich een nieuwe verstoring voordoet. Ook wordt in deze periode de frequentie van het net terug omhoog gebracht naar 50 Hz. Hierna is het aan de markt of aan de netbeheerder van het gebied waar de productie afviel om de balans volledig te herstellen en meestal gaat dat doordat er een marktprikkel is: een vermogenstekort betekent prijsverhoging zodat andere producenten het interessant vinden om extra te gaan leveren.
FCR kent grenzen
Normaal werkt dit mechanisme uitstekend. Iedere dag trippen er in Europa wel onverwacht generators van een paar honderd megawatt. Met duizenden van zulke generators, stations, trafo’s en verbindingen is het schering en inslag. Dat er altijd wel ergens iets de hik heeft of niet lekker loopt is kortom another day at the office een groot elektriciteitsnet. Maar wat er op 08 januari gebeurde was een andere ordegrootte. Plotseling viel er bijna 3,8 gigawatt productie in één keer van het net. Dat is zoveel ontbrekende energie dat de frequentiedaling die het veroorzaakt veel sneller gaat: om binnen de veilige bandbreedte van 0,2 Hz te blijven had men nu slechts tussen tien en vijftien seconden om te handelen. Komt bij dat 3,8 GW op zichzelf ook heel veel vermogen is: het stond gelijk aan bijna de helft van het verbruik van België op die middag. Met drie gigawatt FCR-vermogen staat opgesteld is 3,8 GW teveel om op te kunnen vangen, zelfs met inzet van alle FCR op het hele continent.
Als de FCR het niet houdt kunnen er twee dingen gebeuren. De eerste is een zogeheten opofferingsbeslissing, met een net woord load shedding. Door een verbruiker (deelnet, stad, industriecluster) geforceerd van het net te nemen, iets dat in jargon afgooien wordt genoemd, wordt de belasting verminderd en komen productie en verbruik alsnog terug in evenwicht. De rest van het net is dan gered, maar ten koste van de plek die werd opgeofferd.
System split
Maar het kan ook uitmonden in een splitsing van het net. Als het fysieke transport over een bepaalde hoogspanningsverbinding tijdens het zakken van de netfrequentie toeneemt tot boven een veilige waarde, zal die verbinding automatisch worden afgeschakeld. Zijn buurman in geografisch dezelfde richting krijgt het dan extra voor zijn kiezen. Als die het ook niet houdt krijgt nummer drie het nog zwaarder. Er ontstaat een soort scheuring in het net die razendsnel naar beide kanten groeit totdat op beide uiteinden een kustlijn of de rand van het gesynchroniseerde netwerk wordt bereikt: het gekoppelde net is dan in twee delen uiteen gevallen. Beide overgebleven deelnetten zijn nog steeds niet in balans. Eentje zit in de overproductie, zodat daar automatisch opwek wordt afgegooid. Dat net heeft geluk, een overschot aan productievermogen is vooral een marktprobleem, maar er blijft genoeg vermogen over om overal het licht aan te houden.
Het andere netblok heeft onderproductie. Omdat we al door de FCR heen zaten is er voor dat netdeel (dat eenvoudig zo groot als half Europa kan zijn) niets dat nog gedaan kan worden behalve ogenblikkelijke opofferingsbeslissingen. Is dat niet op tijd, dan gebeurt load shedding alsnog, maar dan ongecontroleerd in de vorm van een rolling blackout waardoor het in enkele seconden instort en grote delen op zwart gaan. In 2006 is zoiets voor het laatst gebeurd tijdens de ‘cruiseschipstoring’ op Diele – Conneforde. Zie Wikipedia voor een uitstekend beschreven samenvatting daarvan. In 2011 gebeurde een soortgelijk incident op kleinere schaal, toen bijna heel Italië in een stroomstoring belandde na een (sorry) lullig dennenboompje dat op een 10 kV-lijn viel, waarna de Wet van Murphy zich in zijn volle omvang toonde.
Gecontracteerd opofferbaar vermogen redde de dag
Vandaag zakte de netfrequentie naar 49,74 Hz. Dat is buiten de uiterste grens van 49,80 Hz die als laatste veilige netwerkgrens wordt aangehouden. Bij grotere afwijkingen mag apparatuur zichzelf voor de veiligheid afschakelen. Dat is her en der ook gebeurd. We vermoeden dat de stroomstoring in Dordrecht (17.000 aansluitingen), een verstoring op het Maastrichts UMC en het trippen van omvormers voor zonnepanelen allemaal te maken hadden met deze slinger van de netfrequentie tot onder de veilige bandbreedte. Dat het grootschalig gezien toch met een sisser afliep in Europa is waarschijnlijk geen kwestie van geluk geweest. Het effect van uitschakelende omvormers is beperkt gebleven doordat er nu middenin de winter maar weinig zonnestroom in het net aanwezig was en/of doordat omvormers niet allemaal uitvielen. Wellicht hebben we ook wat te danken aan enkele anonieme helden in de controlezalen die snel genoeg handelden om erger te voorkomen.
Er is nog een derde ding dat de dag heeft gered. Inmiddels is duidelijk dat in Italië en Frankrijk respectievelijk 1300 en 1000 MW belasting acuut werd losgenomen om bij te dragen aan het tot staan brengen van de frequentiedaling. Dat klinkt dramatisch, maar het kan meevallen: bij sommige zware industrieklanten kan een dergelijke rol zelfs zijn ingebed in het contract zodat zij bekend zijn met deze mogelijkheid. Zij krijgen korting op de netwerkkosten wanneer ze in ruil willen dienen als extra schil van op afroep op te offeren belasting. Volgens Amprion op Twitter heeft het ENTSO-E CE-netblok ruim een uur in een splitbedrijf geopereerd met Zuidoost Europa als apart blok, voordat synchronisatie en hernieuwde koppeling kon plaatsvinden. Pas na vijftien uur was alles weer normaal in het ENTSO-E net.
Wat leert ons dit? In elk geval dat het simultaan trippen van omvormers van zonnepanelen stilletjes een potentiële kracht van formaat begint te worden. Eentje die we serieuzer moeten gaan nemen, zeker buiten de winter. Een omvormer is tevens productie zonder inertie: er draait geen generatorkern. Verder zien we ook dat 3 GW FCR aan de krappe kant is geraakt voor het Europese net, al waren zorgen hierover al langer onderwerp van discussie bij ENTSO-E.
En wat veroorzaakte nou de eerste trip waardoor de netfrequentie minstens 0,2 Hz zakte? Er wijzen wat vingers richting Roemenië waar simultaan drie zware eenheden precies tegelijk van het net zijn gevallen, al ontbreken namen en rugnummers. Hoe en waarom? Mechanisch pech, een hack, een ongeluk? We weten het op dit moment nog niet. In elk geval is het laatste woord, evaluatierapport en twitterbericht hier nog lang niet over geschreven. Gelukkig kunnen we het vervolg allemaal lezen in een warm huis bij een lamp in plaats van bij een kaarsje.
Afbeeldingen
Header en onderste artikelfoto: netfrequentiegrafiek van een observatie-opstelling in Rheden waarop de plotselinge en zeer diepe daling goed te zien is. Artikelfoto boven: het ENTSO-E net koppelt 600 GW vermogen aan elkaar en dat helpt normaal gesproken gevolgen van uitval van losse eenheden zoals centrales op de middenfoto (1,6 GW) te beperken. Een groot net is werkelijk robuuster, maar het kan wel uiteen vallen in twee netblokken bij een system split.
