HoogspanningsNet St(r)oomcursus voor beginners

Alweer moeten we aan het begin van een deel van de st(r)oomcursus een kernbegrip behandelen dat net zo belangrijk is als de stroomkring. Eigenlijk is het raar dat we deze eigenschap van elektriciteit pas zo laat in de cursus tegenkomen. Het is het volgende simpele, maar cruciale kenmerk waarin elektriciteit van van water of gas verschilt.

5.1. Het opslagprobleem

Elektriciteit kan je niet opslaan.

Ja ja, zien we je nu denken. En wat doet een batterij dan?

Een batterij of accu slaat eigenlijk geen elektriciteit op, maar bewaart elektrische energie in een andere vorm: chemische energie. Voor het gemak vatten we een batterij of accu in deze cursus dan toch maar op als een apparaat dat elektriciteit opslaat, maar je weet nu dat het niet helemaal juist is. Condensators zijn de enige apparaten die elektriciteit echt als elektriciteit opslaan, maar de vermogens die condensators kunnen opslaan zijn zeer beperkt.

De zogeheten energiedichtheid van een lithiumaccu is ongeveer tien procent van eenzelfde volume benzine. En over de accu in je telefoon hoeven we het al helemaal niet te hebben, want na een tijdje Whatsappen moet je steeds weer op jacht naar een stopcontact of naar iemand anders die zijn lader niet vergeten is mee te nemen.

Elektriciteit kan je opwekken en gebruiken, je kan het transporteren of het gebruiken om er andere dingen mee te transporteren, zoals we hier op station Zwolle zien. Maar je kan de elektriciteit zelf niet bewaren. Daar zijn andere opslagvormen voor nodig die de energie in een ander vorm dragen en vasthouden.

Een telefoonbatterij kan een uur lang ongeveer 5 watt leveren voordat hij leeg is. Een autoaccu kan gedurende een uur iets in de ordegrootte van 500 watt leveren. Of twee uur lang de helft. Om het rekenen makkelijk te maken gaat men uit van het vermogen dat de batterij maximaal kan leveren als je hem in één uur leeg maakt. Een kWh (afkorting van kilowattuur) is de energie die het vraagt om een apparaat met een vermogen van 1 kilowatt een uur lang aan te drijven.

Hoe ver komen we met batterijen als we het naar het niveau en de energiestromen van het hoogspanningsnet tillen? Steeds verder, want batterijtechniek staat zeker niet stil en elders op de wereld zoals in Australië en Californië gebeurt inmiddels iets dat lijkt op herhaling van de verrassing die zonnepanelen sinds circa 2010 teweeg brachten. In die gebieden beginnen grote batterijparken werkelijk iets significants te betekenen in de energiebalans.

Batterijen spelen inmiddels een serieuze rol in de Californische energiehuishouding. Maar nog steeds is de weg lang om daadwerkelijk op te teamen met de nog veel harder groeiende hoeveelheid zonnestroom. (De grafiek is slecht leesbaar voor kleurenblinden, maar wij hebben ‘m zelf ook niet gemaakt.)

Zo ver is het bij ons nog niet. Ondanks grote batterijplannen is op dit moment de batterijmarkt en de rol van gridbatterijen in het net nog beperkt. Dat kunnen we aantonen met een berekening. De zogeheten basislast is de ondergrens van het continue stroomverbruik van de hele samenleving. Die is in België ongeveer 6 gigawatt en in Nederland ongeveer 9 gigawatt. Op ieder moment van de dag moet in ieder geval dat vermogen minimaal worden geproduceerd en in het net worden gestopt. Stel, we willen voor één dag lang alleen de basislast van Nederland opslaan. Dat is 24 [h] x 9 [GW] = 216 GWh (ofwel 216 miljard wattuur). Een andere ordegrootte dan wat je met batterijen kan doen.

Kortom, er is een verschil tussen elektriciteit opslaan op broekzakniveau, op zeecontainerniveau en elektriciteit opslaan op hoogspanningsniveau.

Maasvlakte bij nacht (of wat er daar nog van het idee van nacht over is). Elke watt vermogen die door de verlichting wordt geconsumeerd moet op precies hetzelfde moment in het net worden gestopt.

Als we met batterijen zulke vermogens langere tijd willen opslaan moet het aandeel en het aantal gridbatterijen in West Europa van vandaag nog tientallen keren groter om daadwerkelijk een verschil te maken waarmee het een relevante factor wordt in de energieën waarmee we te maken hebben in een hoogspanningsnet. Via thuisbatterijen, elektrische autobatterijen en steeds meer gridbatterijen zal er geleidelijk steeds meer groei in die richting komen. Maar het kost tijd, jaren, misschien wel tien of vijftien jaar. Tot het zover is hebben we slechts één andere techniek waarop grote elektrische vermogens langdurig kunnen worden bewaard in de vorm van een andere energiedrager: pompmeren. Maar ook die zijn niet toereikend om er voor meerdere dagen energie in op te slaan voor een heel land.

Het gevolg van het nog altijd beperkt kunnen opslaan van elektriciteit is even simpel als schokkend:

Elektriciteit moet op hetzelfde moment worden opgewekt als waarop het wordt gebruikt.

5.2. Over vermogen en belasting

Dit gaat niet over geld. Vermogen en belasting zijn ook twee elektriciteitstermen. Elke watt die wordt verbruikt moet op hetzelfde moment ook in het net worden gestopt. Hoe weten producenten het als ik mijn fornuis aanzet? Dat vertelt niemand hen, dus zodra ik de het fornuis, de oven en de wasmachine aanzet zal er te weinig stroom in het net aanwezig zijn? In beginsel heb je gelijk.

Stel, er wordt op een bepaald moment van de dag 10 kilowatt vermogen in het elektriciteitsnet gestopt (wat belachelijk weinig is, maar het is slechts een voorbeeld). En dan opeens zet je de wasdroger en het fornuis aan, die samen goed zijn voor 5 kilowatt extra verbruik. Het gevolg is een tekort aan productie in het systeem: de 10 kilowatt vermogen moet dan opeens over 15 kilowatt belasting worden verdeeld. Dat gebeurt dan ook direct, zodat iedere aangesloten verbruiker in het elektriciteitsnet het opeens moet doen met tweederde van de hoeveelheid vermogen.

Ook aan de productiekant ontstaan er problemen. De gevraagde energie moet ergens vandaan komen, zodat de generators van decentrale producenten en de grotere exemplaren in centrales plots zwaarder gaan lopen. De machines die de generatoren aandrijven (hydro-, gas- en stoomturbines) moeten meer kracht zetten om de generators op de juiste snelheid rond te blijven draaien. In een grote centrale moet men dan meer gas toevoegen, de stoomdruk verhogen, de waterstroom vergroten of de kernreactor meer reacties laten maken. Dat kan tot op zekere hoogte, maar daar gaat tijd in zitten. Tijd die we niet hebben op het net, omdat er immers ter plekke op hetzelfde moment moet worden geproduceerd wat er verbruikt wordt.

Een tekort of een overschot levert daardoor direct problemen op. Of nou ja, op papier dan.

De elektrische motoren trekken net zoveel vermogen als twee wasdrogers  en een fornuis tegelijk. Maar afgezet tegen het verbruik van een heel land merk je ze niet op. Zo is dat voor iedere gebruiker hetzelfde: ze vallen per stuk weg in het grotere geheel.

Want er is ook iets in ons voordeel. De schaalgrootte van het stroomnet. Als het elektriciteitsnet 10 kilowatt aan productiecapaciteit heeft draaien en er is ook 10 kilowatt aan belasting aangesloten, dan is het net in evenwicht. Op dat moment maakt een extra verbruiker van 2 kilowatt heel wat verschil: 20%. Maar als een net 10 gigawatt aan aangesloten productiecapaciteit heeft en eveneens 10 gigawatt belasting die op dat moment in evenwicht zijn, dan zorgt een stijging van de belasting van 2 kilowatt slechts voor een toename van 0,000000002%. In een groot net vallen individuele gebruikers weg in het totaalbeeld van een heel land. De netbalans van een groot net wordt niet merkbaar beïnvloed door een individueel apparaat dat aan of uit wordt gezet.

Euh.. maar wat als we nu eens allemaal tegelijk bedenken dat we de wasdroger en het fornuis aandoen? Dan gaat het toch alsnog mis? Het angstaanjagende antwoord is ja.

Als een miljoen mensen binnen een minuut tijd alle zware verbruikers in huis aanzetten (of uitzetten) veroorzaken we een enorme stroomstoring. Als de belasting te ver uit de pas gaat lopen met de productie, slaat de beveiliging alarm en wordt de stroom afgeschakeld. De reden waarom dit soort storingen in de praktijk niet bestaan is omdat zulke afspraken ook niet bestaan. Het komt nooit voor dat we met zoveel mensen tegelijk allemaal binnen een paar minuten tijd zoveel extra elektriciteit gaan gebruiken dat de producenten het niet bij kunnen houden om de productie tijdig mee toe te laten nemen.

5.3. Dagelijkse gang of trend

We gebruiken ’s avonds meer elektriciteit dan laat in de nacht of rond de lunch. Dat is iedere dag zo. Piepkleine rimpeltjes in de gevraagde belasting, bijvoorbeeld door het aanzetten van individuele kooktoestellen, worden gladgestreken door de enorme schaal van het elektriciteitsnet. Het gedrag van elektriciteitsconsumptie gedraagt zich daardoor vloeiend. ’s Ochtends stijgt deze langzaam om gedurende de werkdag weer iets te zakken. Rond de avond stijgt deze tot een maximum als we onze lampen, kooktoestellen en televisies aanzetten. En vanaf de late avond tot het einde van de nacht zakt het terug omlaag naar ongeveer hetzelfde niveau als waarop we de ochtend ervoor ook begonnen.

De spanning op deze draden is altijd vrijwel gelijk. Maar het vermogen dat de hoogspanningslijn op een zeker moment transporteert kan elke waarde zijn, zolang het maar tussen nul en de maximale ontwerpcapaciteit ligt. De stroomsterkte is de variabele die het lopend vermogen bepaalt. In de avond loopt er dus werkelijk meer vermogen over de draden dan aan het einde van de nacht.

Dit typische gedrag van het elektriciteitsgebruik is redelijk voorspelbaar. Het herhaalt zich elke dag en het wordt in de elektriciteitswereld de trend of de dagelijkse gang genoemd. Beide termen zijn correct en uitwisselbaar, ze betekenen hetzelfde.

Hoe groter de groep aangeslotenen, hoe kleiner het individuele aandeel van elke gebruiker en hoe geringer het gevolg van een individuele handeling die uit de toon valt met de grootschalige trend.

De dagelijkse gang wordt gemonitord door de netbeheerders en het laat zich goed in een grafiek zetten. We pakken er een bij van België op een dag ergens eind november 2014.

Op de grafiek van de dagelijkse gang kunnen we iedere dag dezelfde trend herkennen. Dit exemplaar is van Elia, de beheerder van het Belgische hoogspanningsnet. Het geeft de load op het Belgische hoogspanningsnet weer. Op de verticale as zien we de totale vermogensvraag in MW. Op de horizontale as staan de uren van de dag. Een curve voor Nederland zou er hetzelfde uitzien, alleen dan wat hoger.

Dit is een loadgrafiek van België op 28 en 29 november 2014. Merk op dat de dagelijkse gang zich gedraagt zoals we dat gewend zijn: een piek in de ochtend, enige daling in de middag en een hogere, scherpe piek in de vooravond (de zo gekende ‘kookpiek’). Waarom de blauwe curve van 28 november overdag hoger is dan de paarse? Dat komt omdat 28 november 2014 een vrijdag was en 29 november een zaterdag. Op vrijdag werken we en dan verbruiken alle bedrijven in de middag meer elektriciteit dan op zaterdag. In de avond doen we iedere dag min of meer hetzelfde zodat het verschil dan kleiner is. We zien dat de dagelijkse gang telkens een ordegrootte van uren heeft. Grote veranderingen in het totale verbruik ontstaan niet in een minuutje. Zolang de producenten deze voorspelbare relatief trage schommelingen op tijd bij kunnen houden is er niets aan de hand.

Op deze manier is een prognose te maken van het verbruik voor over enkele uren, voor morgen en zelfs voor enkele dagen verderop. Verder vooruit is moeilijker omdat we te maken hebben met het weer. Als het plotseling gaat vriezen zet iedereen de kachel hoger en de productie van zonnepanelen en windmolens varieert ook met het weerbeeld mee. In het algemeen hanteert men een voorspellingshorizon van ongeveer een week vooruit, want dat is ongeveer waar de heren en dames meteorologen ophouden.

Dit proces van de balans bewaren is nooit perfect. Er is altijd wel een lichte overproductie of een klein tekort, wat te vernemen is door een kleine daling van de netspanning en een kortstondige afname van de wisselstroomfrequentie van 50 Hz naar bijvoorbeeld 49,95 Hz. De netbeheerder zorgt ervoor dat vraag op ieder moment wordt gemonitord, zodat het evenwicht zo goed mogelijk bewaard blijft. Maar op de bevoegdheden van de netbeheerder komen we in deel zes terug.

5.4. Opregeltijd

Eerst moeten we het zogeheten productiepark bekijken. Dat zijn alle producenten samen die energie op het net inbrengen.

Er zijn hele kleine producenten zoals particulieren met een setje zonnepanelen op het dak. Tuinders gebruiken gasturbines om warmte en elektriciteit op te wekken voor in kassen, maar als de elektriciteit niet nodig is voor verlichting leveren ze aan het openbare net. Weer een andere producent werkt met grote thermische centrales die door middel van verbranding (olie, kolen, biomassa, afval) water koken, stoomturbines aandrijven en die op hun beurt generators aandrijven. Er zijn gascentrales die brandbaar gas direct in een gasturbine stoken om zo de stap met stoom over te slaan. Andere thermische centrales zijn de geothermische centrales die aardwarmte gebruiken en kerncentrales die met een kernreactor grote hitte opwekken. Verder heb je windmolens, grote zonneparken, WKK en chemische methoden om stroom op te wekken. Er is hydropower: stuwmeren en pompmeren waarbij de generators worden aangedreven door water dat omlaag stromen wil. Nieuwkomer die in belang toeneemt zijn gridbatterijen en decentrale batterijen die eerder opgewekte energie kunnen bufferen, maar hun rol is op dit ogenblik nog beperkt.

   

Verschillende centrales hebben verschillend gedrag. Links zien we de inmiddels gesloten kolencentrale van Ferrybridge in Engeland: zo groot zijn ze nooit gebouwd in Nederland en België. Dit gevaarte had een opregeltijd van ruim een halve dag. Rechts zien we een eveneens stokoude waterkrachtcentrale bij Odda in Noorwegen: die is in slechts enkele minuten op te regelen.

Net zo belangrijk als het maximale vermogen is de zogeheten responstijd of opregeltijd. In alledaagse taal: hoe snel kan je hem harder en zachter zetten. Er is snel vermogen, traag vermogen en alles ertussenin. De opregeltijd is afhankelijk van de productiemethode en de schaalgrootte.

Instantaan vermogen: opregeltijd minder dan een seconde tot twintig seconden

• Batterijen en zogeheten draaiende reserve voor FCC

Snel vermogen: opregeltijd van een aantal minuten

• WKK (meestal turboshaft-gasturbines)
• Hydropower en pompmeren
• Dieselelektrische generatie (ordegrootte 100 kW tot 5 MW)

Matig snel vermogen: opregeltijd tussen een kwartier tot een uur

• Oliecentrales met zware zuigermotoren als machinerie (5-50 MW)
• STEG-eenheden (grote gecombineerde gas- en stoomturbines)

Traag tot zeer traag vermogen: opregeltijd van meerdere uren tot dagen

• Grote thermische centrales met een stoomstap (kolen, olie, 500 MW tot 5 GW)
• Aardwarmte
• Vuilverbranders
• Kerncentrales

Niet of slecht regelbaar vermogen 

• Losse zonnepanelen
• Windparken en grote zonneparken (wel snel af te regelen, niet op te regelen)
• Getijdencentrales (steeds wachten op het tij, maar wel voorspelbaar)

5.5. Trendvolging en kostenbeheersing

Als het stroomverbruik omhoog schiet kan dat te snel gaan om bij te houden met een traag reagerende kolencentrale. Een sneller reagerende gascentrale of een waterkrachtcentrale is dan nodig om bij te springen. Vaak zijn dit soort snelle productiemethoden wel duurder dan trage, zwaardere methodes.

Snel, maar vaak duurder vermogen kan worden gebruikt om een tijdelijke snelle stijging van het verbruik op te pakken totdat de trage thermische centrales op stoom zijn gekomen. Daarna kunnen die het stokje weer overnemen.

De netbeheerder bewaakt de netbalans en heeft bij technisch urgente redenen de macht om producenten te dwingen om te blijven produceren of juist gedwongen af te schakelen. In de normale toestand laat de netbeheerder het aan de markt over op welke manier vermogen wordt geproduceerd. De producenten concurreren met elkaar en kunnen enigszins spelen met de wijze van opwekking en de snelheid van het vermogen. Bij dat spel proberen alle producenten een zo groot mogelijk deel van de dag energie op te wekken op de manier die op dat moment het goedkoopst is.

De windmolens produceren wanneer zij zelf willen (nouja, wanneer het waait). De gascentrale wordt door mensen gecontroleerd en produceert alleen wanneer dat financieel interessant is voor de uitbater. Waait het, dan heeft wind automatisch de voorkeur want die is gratis. Marktwerking en techniek staan soms op gespannen voet, maar een andere keer is het juist een dream team.

Naast een tekort aan vermogen kunnen we ook met een overschot te maken hebben. Dat lijkt makkelijker, maar in de praktijk is het juist moeilijker: waar laat je een overschot aan vermogen? De beste oplossing is handelen: het overschot wordt verkocht aan een gebied waar op datzelfde moment een tekort is. Via het koppelnet, zie het vorige deel van de cursus, kan vermogen worden verplaatst van een gebied met een overschot naar een gebied met een tekort, dwars over de landsgrenzen door heel Europa heen.

Normaal gesproken gaat dit spel eigenlijk altijd goed. Maar er zijn uitzonderingen. Als er geen bufferopties zijn in een geografisch gebied en als er zo’n groot overaanbod van vermogen is dat er niet voldoende capaciteit op het koppelnet beschikbaar is om het uit het gebied vandaan te exporteren, dan zal netbeheerder een of meer producenten verzoeken om hun productie te matigen. Doorgaans zijn producenten niet blij mee met dit soort marktrestricties, want het kost ze potentiële winst. De netbeheerder mag dit wettelijk ook niet zomaar doen. Het geforceerd losnemen of in spreektaal afgooien of shedden van vermogen gebeurt alleen met een duidelijke technische motivatie of in noodgevallen.

5.6. Bufferen en peakshaven

Naast handelen is ook bufferen een manier om de netbalans in orde te houden. Bufferen is technisch van aard en het kan slechts beperkt. Energie die in de elektriciteit zit kan je omzetten in een andere energievorm die zich beter laat opslaan. We zagen al dat batterijen hier van nature voor gemaakt zijn, alleen hun rol in het hoogspanningsnet is nu nog beperkt en moet de komende tien, vijftien jaar nog groeien. Op dit moment zijn alleen pompmeren een technisch volwassen oplossing met een gepaste schaalgrootte. Een pompmeer lijkt op een gewoon stuwmeer, maar het verschil is dat we er ook water in omhoog kunnen pompen. Bij een overschot aan elektriciteit kunnen de turbines en generatoren als motoren en pompen worden ingezet om water omhoog te pompen en zo een overschot aan elektriciteit benutten alsof ze hele zware extra verbruikers zijn. Is er een tekort aan elektriciteit, dan laat men het water weer omlaag lopen alsof het een gewoon stuwmeer is. Op die manier worden zowel overschotten als tekorten minder extreem gemaakt. Dit wordt ook peak shaving genoemd.

Bufferen betekent het op afroep opslaan van elektriciteit in een andere energievorm. Een vorm die later, wanneer de netbalans weer neigt naar een tekort, zo goed mogelijk kan worden terug veranderd in elektriciteit.
Peakshaven is via buffering en weer vrijgeven de overschotten en tekorten op het net gladder strijken.

Helaas gaat er bij de conversie wel energie verloren, het zogeheten turnover loss. Dat zit doorgaans tussen 5 en 20%. Een ordegrootte van minimaal 80% van de energie is dus nuttig voor langere tijd te bewaren. Probleem is dat pompmeren een hoogteverschil vereisen en dat is in gebieden als Nederland, Denemarken of centraal Engeland amper te vinden. Pompmeren treffen we aan in de heuvels en bergen, onder andere in België (Coo), Duitsland en Frankrijk, maar ze zijn in veel grotere aantallen in de Alpen, Zweden en Noorwegen te vinden.

   

Een pompmeer kan worden gecombineerd met een normaal stuwmeer. In Noorwegen is men vergevorderd met die techniek. Via verbindingen met andere landen, waaronder Denemarken en Nederland, kan Noorwegen opslagcapaciteit voor stroom op de commerciële markt aanbieden. Als het gaat om elektriciteit maken bergen alles makkelijker – nou ja, behalve de lijnenbouw zelf dan.

Producenten willen het liefst zo weinig mogelijk gebruik maken van pompmeren omdat het turnover loss voor eigen rekening is. Liever handelen ze, of gaan ze slim om met hun productiepark. Centrales die zo traag zijn dat ze onmogelijk de dagelijkse gang kunnen volgen laat men de basislast leveren. Ze kunnen dan met constant tempo draaien op hun hoogste rendement, precies waar ze goed in zijn. De variërende dagelijkse gang bovenop de basislast kan dan worden opgevangen met sneller reagerende productiecapaciteit, met handel en met buffering. Grid balancing, zoals het bewaken van de netbalans een net woord heet, heeft daardoor een tijd- en een ruimtecomponent. In de tijd (de trend) en in de ruimte (geografisch) moeten vraag en aanbod op het net in balans blijven zodat er geen overschot of tekort aan energie in het hele net zit. Is dat in orde, dan lopen de generators mooi constant en blijft het hele net zo dicht mogelijk bij 50 Hz.

Ook bij een netwerk dat als geheel in evenwicht is, is er binnen dat net altijd wel een plek met meer vraag dan aanbod en omgekeerd. Door elektriciteitstransport via het hoogspanningsnet wordt alsnog alles verdeeld. De netbeheerder ziet erop toe dat de totale hoeveelheid productie in overeenstemming is met de vraag, en hij ziet er ook op toe dat plaatselijke overschotten of tekorten nooit groter worden dan de maximale aan- of afvoercapaciteit van de verbindingen in het net. Zo doet het licht het altijd en wordt het net efficiënt bedreven.

5.6. De energietransitie maakt het net onrustiger

Vele decennia was de elektriciteitswereld relatief voorspelbaar. Vermogen werd in grote centrales geproduceerd op thermische wijze, nucleair en met hydropower. Het verbruik groeide langzaam en waggelde wat mee met geopolitiek, economie, handelsconflicten en de prijzen van grondstoffen. Op een oliecrisis en een ontplofte kerncentrale na was er in het productiepark vele decennia lang betrekkelijk weinig dynamiek. Maar sinds ongeveer 2010 is een ander tijdperk aangebroken op de wereld.

Tegenwoordig bewegen we ons naar een wereld waar energie op een andere wijze wordt geproduceerd. Maatschappelijke wil, klimaatproblemen, geopolitiek, het schaarser worden van fossiele brandstoffen en ook domweg het vanzelf concurrerend worden van technieken waar geen dure brandstoffen in hoeven te worden verstookt zijn allemaal redenen om elektriciteit steeds meer op hernieuwbare wijze op te wekken. Hernieuwbaar vermogen wordt uit de leefomgeving gehaald via zon, wind, water en biomassa. Voor het stapsgewijs verlaten van fossiele brandstoffen ten gunste van hernieuwbare energiebronnen is jarenlang het Duitse woord energiewende gebruikt. Pas in 2018 verscheen een goed Nederlands synoniem, de energietransitie.

De vorige Duitse bondskanselier, Angela Merkel, was van oorsprong natuurkundige. Haar regering nam besluiten om kernenergie te verlaten en in te zetten op hernieuwbare energie. Sommige dingen zijn goed gegaan, andere aspecten jammerlijk mis. Maar dat is ook in andere landen zo. Denemarken is voortvarend met windenergie, soms weet men haast niet waar het te laten. Nederland heeft een soortgelijk probleem met zonnestroom. Niemand zei dat het makkelijk was. Foto: Wikipedia, CC-BY

De energietransitie zit vol met technische en maatschappelijke uitdagingen. Een kenmerk is dat klanten veranderen in afwisselend consument en leverancier. Grote centrales krijgen steeds meer gezelschap van miljoenen kleine, decentrale opwekkers. Bedrijven en huizen gaan terugleveren. De grootste uitdaging is niet of het elektriciteitsnet daarop kan worden aangepast, maar de aard van de meeste hernieuwbare energiebronnen: van nature onvoorspelbaar. We weten slechts kort van tevoren of een windpark wel energie leveren kan. Waait het over een paar dagen wel? Hetzelfde geldt voor zon: we weten dat het ’s nachts donker is, maar ook overdag heb je soms wolken. Een gascentrale kunnen we harder en zachter kunnen zetten wanneer we maar willen, maar we kunnen we niet zomaar een windpark harder of zachter zetten.

Inmiddels zien we dat in het noorden van Duitsland, in Denemarken en in het noorden van Nederland problemen ontstaan door inherente onvoorspelbaarheid en door congestie: zoveel onbestuurbare productie dat de technische grenzen van het elektriciteitsnet worden bereikt zonder dat de netbeheerder veel kan doen met prijsprikkels of technische maatregelen. In Noord Nederland is in sommige streken een bouwstop voor grote zonneparken omdat het elektriciteitsnet in het van oorsprong dunbevolkte gebied niet is berekend op grootschalige afvoer van vermogen, soms wel een factor vijf zoveel als het maximale eigenverbruik in de streek ooit was. Momenteel is dat nog nipt onder controle te houden: door handel in energie (soms zelfs wanhopige handel, een onoplosbaar overschot tegen een negatieve prijs van de hand doen). Door het inzetten van redundante capaciteit op het net, als het ware de omweg voor storingen inzetten voor extra afvoer, is er momenteel nog wel wat te regelen zodat er in elk geval geen technische storingen ontstaan. Maar het verstoort wel de normale prijsbalans in de energiemarkt van de gebieden eromheen.

Maar met het voortgaan van de energietransitie zullen dit soort problemen vaker voorkomen. De energiewereld van de komende decennia is vol uitdagingen zoals netverzwaringen, peak shaving, balanceren, meer interconnecties en slimmere sturing op opwek en verbruik. Zoek je een spannende baan met uitdaging waarin je werkelijk iets kan betekenen voor de wereld van morgen? Dan zit je in de energiewereld op de juiste plek.

   

De energietransitie brengt grote kansen met zich mee, maar ook moeilijkheden omdat het energienet er onvoorspelbaarder door wordt. Niemand weet of deze windturbine over een paar dagen wel wind heeft om hem te laten draaien. Dynamiek in ruimte en tijd kenmerken de toekomst van de energieopwekking.

Ook zonnepanelen op daken geven uitdaging omdat ze tot in het extreme decentraal zijn. Er is geen controle op deze panelen en of ze energie leveren is puur van het weer afhankelijk. Als het opklaart gaan zonnepanelen prompt energie leveren zonder dat er enige sturing of controle op is, onafhankelijk van de dagelijkse gang in verbruik. Dat kan de netbalans verstoren wanneer het afzetgebied klein is. Een groot net met sterke hoogspanningslijnen en goede koppeling tussen de netvlakken helpt dus echt. Het effect van een lokale opklaring kan dan verspreid worden over een veel groter afzetgebied.

Daar raakt de energietransitie de Europese energiepolitiek. Europa is een bergachtig schiereiland met relatief kleine landen. Te klein om per stuk een eigen plan te kunnen trekken en onafhankelijk van elkaar de energietransitie aan te gaan. Die vereist dat we niet langer in natiestaten en landsgrenzen denken, maar in kustlijnen, geografische gebieden en hoge- en lagedrukgebieden. Landen hebben elkaar op elektrisch gebied steeds harder nodig om samen letterlijk en figuurlijk de balans te bewaren. Het energienet met interconnecties tussen landen verandert daarmee van een aardigheid in een absolute noodzaak.

5.7. Smart grid

Het antwoord op de toename van onbalanssituaties in het toekomstige elektriciteitsnet is complex en nog niet goed duidelijk. Een nieuwe ontwikkeling op regionale en lokale schaal is de aanleg van zogeheten slimme elektriciteitsnetten. Naast pompmeren worden nieuwe manieren van buffering, zoals batterijen, steeds belangrijker. Maar doordat het moment van productie en verbruik los van elkaar raken is het niet voldoende om daar alleen op in te zetten.

Door de energietransitie komt het moment van productie los van de dagelijkse gang in verbruik. Buffering, handel, transport (zwaardere verbindingen) en ook verbruik- en extra productie op afroep zullen steeds belangrijker worden.

On-demand verbruik oftewel verbruik op afroep is een deel van het antwoord. We zagen dit bij peakshaving door batterijen en pompmeren, maar het kan ook op een lompere manier die overigens niet per sé slechter is: gewoon ouderwets ter plekke de energie direct verbruiken als het voorhanden is. Door zware verbruikers te verleiden extra vermogen te laten gebruiken wanneer er een overschot is, kunnen zij tegen een gereduceerde prikkelende prijs hun kernactiviteit verrichten wanneer het elektriciteitsnet dat nodig heeft. Tevens heeft direct verbruik geen turnover loss zodat een groter deel van de energie nuttig wordt gebruikt dan wanneer er eerst wordt gebufferd.

Grote stroomvreters hebben een negatieve naam. Dat is onterecht, want ze doen er immers iets nuttigs mee. Dat is extra het geval wanneer zij stroom kunnen gebruiken wanneer het ruim voorhanden is. Hier zien we een zwaar windtunneltestpark van NLR in de Noordoostpolder: die heeft de voorkeur voor goedkope stroom, dus als er veel aanbod is. Foto door Gerard Nachbar.

Aan wat voor verbruikers moeten we dan denken? Aluminiumsmelters en vlamboogovens. Die verbruiken enorme hoeveelheden elektriciteit om er iets nuttigs mee te doen, maar zij zijn niet gebonden aan een specifieke tijd van de dag om dat te doen. Zo’n smelter kan gerust wachten tot er een overaanbod van stroom is, die dan automatisch ook goedkoop is, en dat is vaak midden overdag als er veel zon of wind is. Zo slaan ze drie vliegen in één klap.

Toegegeven, heel ‘smart’ zijn die grote gebruikers nog niet. Het gaat om grote zware processen waar zelfs mensen apart voor in dienst zijn om het goed te laten verlopen. Dat wordt anders op huishoudschaal, daar is automatisering nodig. We kunnen denken aan een boiler of wasdroger die is uitgerust met een slim regelsysteem dat reageert op een prijsprikkel en pas aan springt wanneer er een overproductie aan energie is of de stroomprijs onder een bepaalde waarde zakt. Dat heeft zowel voor de netstabiliteit als voor degene die de rekening betaalt grote voordelen. Bij een tekort aan vermogen kan een deel van de oplossing worden gezocht in het bewust níet aanzetten van dit soort verbruikers. Maar ook noodvermogen en regelvermogen: op afroep beschikbaar, snel op te regelen productiecapaciteit waarmee kan worden bijgesprongen om een ontluikende onbalans niet te veel uit de hand te laten lopen. Dat noodvermogen is overigens iets dat vandaag al bestaat en waar de netbeheerder op afroep over beschikken: FCR en FCC. Meer daarover in het laatste deel van de cursus.

5.8. Handel: de elektriciteitsmarkt

Een elektriciteitsnet werkt door natuurkunde: het poogt een evenwicht te vinden tussen productie en verbruik, zodat er vanzelf transport ontstaat tussen plekken met overproductie en plekken met netto vraag. Handel is dus iets kunstmatigs en het bestaat vooral uit niet-technische aspecten: de ene producent koopt vermogen van de andere, bijvoorbeeld in een ander deelnet of land, zodat hij optimaal gebruik kan maken van de manier die het goedkoopste is. Dat dat vermogen ook zonder handelscontract precies op dezelfde manier door het net was gelopen is niet erg, want juist dat contract bepaalt dat het vermogen überhaupt werd opgewekt. Handel en concurrentie vormen de kern van hoe producenten actief zijn op het net.

Er gaan miljarden in elektriciteitshandel om en het is voor ons als losse consumenten een ongeziene wereld waarin techniek, geld, wetten en natuurkunde samenkomen. Het zorgt voor optimale benutting van het productiepark en het vermindert verliezen of inefficiëntie. Het is een sector op zichzelf, waarin EPEX SPOT, Intraday en MWh price grote termen zijn. Maar het is ook een spel zonder genade: de markt regeert en mag dat ook doen. In de commerciële elektriciteitsmarkt wordt het hard gespeeld en soms zoeken producenten de grenzen van de wet bewust op.

Iedere producent heeft zijn eigen productielocaties. Soms zijn dat grote centrales zoals hierboven, maar ook kleine zonnepaneelinstallaties van particulieren die een contract hebben bij die producent (de energiemaatschappij) gelden als productiecapaciteit bij de energiemaatschappij wanneer ze netto terugleveren.

Zo’n grijs gebied aan de randen van de wet is omkatten. Een producent kan kiezen om zijn kolencentrale het hele etmaal zo rendabel mogelijk te laten draaien en het overschot aan energie ’s nachts naar pompmeren te sturen in plaats van het te vermarkten. Als ze de dag erna de energie terugwinnen en alsnog op de markt te brengen, wordt het verkocht als waterkracht.

Een ander voorbeeld is toekomsthandel. Als een producent veel klanten heeft die allemaal een contract voor groene stroom hebben kan er op een sombere dag niet voldoende groene stroom worden geproduceerd. Handel is dan ook geen optie: andere producenten zitten dan met hetzelfde tekort. Ze kunnen er dan voor kiezen om die dag grijze stroom als groene stroom te verkopen, om later, op de eerstvolgende dag waarop er weer een overaanbod van groene stroom is, alsnog de groene schuld in te lossen en zo met terugwerkende kracht het contract na te komen. Tja, het voelt allemaal een klein beetje wankel, en laten we hier maar snel ophouden.

5.9. Vrije keuze van energiebedrijf

Een derde aspect van handel is dat het vrije keuze van energieproducenten mogelijk maakt, iets waar we in het laatste deel dieper op in zullen gaan. Al het aangeleverde elektrische vermogen wordt in één gezamenlijk net gestopt. Koop je je energie bij producent A? Dan wordt er door die producent een vermogen opgewekt dat gelijk is aan jouw verbruik en dat wordt op het gezamenlijke elektriciteitsnet ingevoed. Aan jouw kant haal je precies datzelfde vermogen er weer af. Dat is dus niet precies dezelfde stroom van dezelfde generator. Beter is het om het te vergelijke met een zwembad water waar de producent een emmer in gooit, waarna jij er ook een emmer uit schept.

Een gevolg is dat iedereen precies dezelfde totaalmix van elektriciteit krijgt. Jouw stroom is gelijk aan dat van de buurman: een mix van groen, fossiel en waterkracht uit binnen- en buitenland, maar voor jouw aandeel staat wel ergens een groene of grijze productiecapaciteit te draaien zodat een piepklein gedeelte van alle vermogen op het gezamenlijke net bestaat uit jouw gecontracteerde vermogen. De toezichthouders op de energiemarkt (zoals de ACM, Autoriteit Consument en Markt in Nederland) zien erop toe dat de energieproducenten zich houden aan waar ze voor gecontracteerd zijn en niet stiekem ietsje minder opwekken en ook zien ze toe op hoe die elektriciteit wordt opgewekt. Op wat grijze gebieden waar de wet moeite mee heeft na dan.

Het bewaken van de netbalans is de taak van de netbeheerder.
Het handelen in energie en spelen met productiemethoden om op ieder moment zo goedkoop mogelijk te kunnen produceren is de taak van de producenten. Producenten kunnen daarbij reageren op prikkels en handelingen van de netbeheerder, maar de netbeheerder mag dat alleen om technische redenen doen.

Samenvatting: kan je de volgende vragen beantwoorden?

▫Wat zijn de belangrijkste gevolgen van het feit dat je stroom nauwelijks kan opslaan?

▫Wat is de netbalans?

▫Wat is de dagelijkse gang?

▫Is een kolencentrale vooral geschikt voor basislast of voor het volgen van de dagelijkse gang? En waterkracht?

▫Noem een manier om bij een tekort de netbalans te handhaven, en eentje bij een overschot

▫Noem een paar uitdagingen die de energietransitie met zich meebrengt

De netbalans is een moeilijk tastbaar maar  belangrijk begrip. We kunnen er niet omheen in de St(r)oomcursus. Energiebedrijven zorgen er door middel van verschillende vormen van opwek en handel voor zorgen dat er altijd precies voldoende vermogen aanwezig is op het net. De netbeheerder ziet erop toe dat de netbalans gehandhaafd blijft. De toezichthouder houdt in de gaten dat geen enkele handelende producent de zaak oplicht. En de klant? Die is tegenwoordig ook producent geworden, een rol die hem op het lijf geschreven is in de energietransitie.

Oja, die netbeheerder… Daar hebben we het telkens maar over. Maak je basiskennis compleet en leer in deel 6 van de St(r)oomcursus wat en wie de netbeheerder is en waarom een modern hoogspanningsnet niet zonder een neutrale netbeheerder kan.

---

Naar het volgende deel