HoogspanningsNet - alles over hoogspanning op het het

Hoogspanningstechniek

Hoogspanning en gezondheid?

Antwoord op alle vragen vind je bij het RIVM (NL) of het Departement Leefomgeving (B).

HoogspanningsNet behandelt dit thema met opzet niet zelf. (Waarom niet?)

Geknetter en gebrom?

Geen zorgen, dat is normaal.

FCR

08 januari 2021 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. Er was duidelijk onverwacht een paar gigawatt productie van het net gevallen – zo veel dat zelfs de volledige Europese FCR-reserve het maar ternauwernood hield. 

Wat? Niks gemerkt? Wees er blij om, 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 schone 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 allemaal al jaren niet meer gebeurd. Het liep goed af en we mogen ons dankbaar vergapen aan (voor insiders) spectaculaire frequentiegrafieken die het nipt voorkomen onheil in akelig detail tonen – maar wat ging er dan eigenlijk mis?

We hebben het op deze site met regelmaat over het huwelijk van de netbalans en de netfrequentie in een wisselstroomnet. Zie ook de St(r)oomcursus. Het hele Europese elektriciteitsnet is aan elkaar gekoppeld en het is op te vatten als één enorm net 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 er bijvoorbeeld een centrale uitvalt kom je plotseling energie tekort in het net. Die missende energie wordt ontstolen aan de fysiek draaiende kernen van de ontelbare andere generators in het net. Die gaan zwaarder lopen en de turbines die ze aandrijven moeten harder werken. Dat lukt niet binnen een paar seconden, zodat de fysieke rotatiesnelheid afneemt en de netfrequentie van het hele elektriciteitsnet begint te zakken.

Het Europese elektriciteitsnet is het grootste gekoppelde net ter wereld. Op het volledige ENTSO-E net hangt circa 600 GW aangesloten productievermogen en net zoveel consumptie. Die grote schaal helpt ons mee, want daardoor is uitval van een volledige centrale (bijvoorbeeld 1 gigawatt) nog steeds maar een klein flintertje missende energie op het totaal. De netfrequentie zakt en er moet worden ingegrepen om het terug in balans te brengen, maar de daling is langzaam: de inertie van de ontelbare roterende generators is zo groot dat men bij plotseling verlies van een gigawatt meer dan vijftien seconden de tijd heeft om in te grijpen voordat de netfrequentie onder de gevaarlijke grenswaarde van 49,80 Hz zakt. Dat is in de praktijk ruim voldoende tijd 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 en wordt er voorkomen 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 maar 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 omhooggebracht naar 50 Hz.

Normaal werkt dit mechanisme uitstekend. Sterker nog, iedere dag trippen er in Europa wel onverwacht generators van een paar honderd megawatt. Met duizenden van zulke generators, stations, trafo's en verbindingen die allemaal de hik kunnen krijgen is het schering en inslag. Het hoort bij normaal bedrijf van een groot elektriciteitsnet. Maar wat er op 08 januari gebeurde was een andere ordegrootte. Plotseling viel er bijna 3,8 gigawatt productie 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 beduidend minder dan 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. Aangezien in heel Europa in totaal 3 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. Door een verbruiker (deelnet, stad, industriecluster) geforceerd van het net te nemen wordt de consumptie verminderd en komen productie en verbruik alsnog terug in evenwicht. De rest van het net is dan gered ten koste van de plek die volledig wordt opgeofferd. 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 wordt bereikt: het gekoppelde net is in twee delen uiteen gevallen. Beide overgebleven deelnetten zijn nog steeds niet in balans. Meestal heeft eentje overproductie, zodat daar automatisch opwek wordt afgegooid. De ander heeft onderproductie. Omdat we al door de FCR heen zaten is er voor dat laatste netdeel (dat eenvoudig zo groot als half Europa kan zijn) niets dat nog gedaan kan worden. Het krijgt dan te maken met 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 uitviel.

Gedeelte van het ENTSO-E koppelnet: de snelwegen voor elektriciteitVandaag zakte de netfrequentie naar 49,74 Hz. Dat is significant 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 een kwestie van geluk geweest. Mogelijk is het effect van uitschakelende omvormers beperkt gebleven doordat er maar weinig zonnestroom in het net aanwezig was en/of doordat ze niet allemaal uitvielen. Maar wellicht is het ook te danken aan enkele anonieme helden in de controlezalen die snel genoeg handelden om erger te voorkomen.

Inmiddels is duidelijk dat in Italië en Frankrijk respectievelijk 1300 en 1000 MW belasting werd losgenomen om bij te dragen aan het tot staan brengen van de frequentiedaling omdat het met FCR alleen niet lukte. Dat klinkt dramatisch, maar het kan meevallen. Bij sommige zware industrieklanten kan een dergelijke rol zijn ingebed in het contract zodat zij bekend zijn met deze mogelijkheid. Volgens Amprion op Twitter heeft het UCTE-net nadien ruim een uur in een splitbedrijf geopereerd met Zuidoost Europa als apart blok, voordat synchronisatie en herkoppeling kon plaatsvinden. Pas na vijftien uur was alles weer normaal.

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. Een omvormer is tevens productie zonder inertie: er draait immers geen generatorkern. Verder zien we ook dat 3 gigawatt 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 dat allemaal lezen in een warm huis bij een lamp in plaats van bij een kaarsje.

Afbeelding: De slinger door het net is in heel Europa waargenomen bij hobbyisten die de netfrequentie zelf meten en in de gaten houden (zie Twitter). De grafiek op de afbeelding is van een netfrequentiemeting in Rheden. 260 mHz is eigenlijk over de grens die het Europese systeem aan kan met de huidige FCR-voorziening. Midden: grote centrale in de Eemshaven, 1,6 GW (en niet de oorzaak voor de duidelijkheid). In Europa is genoeg FCR om uitval van dit soort centrales direct op te vangen, maar dan moeten er natuurlijk geen drie stuks tegelijk gaan.

14 juni 2018 Een aantal dagen terug viel Doel IV onvoorzien uit. Het gevolg is een plotseling tekort van ruim een gigawatt elektriciteit in het net. Dat klinkt dramatisch, maar over het gehele ENTSO-E net is een zogeheten trip van een grote productie-eenheid niet ongewoon. Er is voorzien in dit soort problemen. Laten we eens kijken hoe een plotseling elektriciteitstekort van 1 GW in Europa wordt opgevangen.

Daarvoor moeten we een blik werpen in de netbeheerkeuken. Het ENTSO-net (het gekoppelde Europese hoogspanningsnet) is verdeeld in Control Blocks (CB's). Ieder CB heeft een netbeheerder (de TSO, Transmission System Operator). Het is hun taak om binnen binnen het eigen CB de energiebalans op orde te houden. Elk CB kent over een langere tijd (enkele weken) een netto nulpositie voor zijn energie. Elektriciteit kan worden opgewekt binnen het eigen CB, maar ook via interconnectors worden verplaatst. De netbeheerders moeten het verbruik balanceren met de opwekking in het eigen CB, samen met uitwisseling over interconnecties. Meestal komen de CB's overeen met de natiestaten, maar niet altijd. Duitsland heeft er bijvoorbeeld vier en sommige eilanden zitten om praktische redenen aan het verkeerde land vast.

Als een grote eenheid onverwacht tript is de netbalans niet meer kloppend. Er wordt plotseling meer energie van het net gevraagd dan er nog in wordt gestopt. Dat uit zich in het zwaarder draaien van de overgebleven generators waardoor de netfrequentie in heel Europa onder 50 Hz begint te zakken. Om te onthouden: de netfrequentie neemt toe als er teveel opwek is en neemt af als er teveel afname of verbruik is. Bij een trip van een grote productie-eenheid ontstaat een onbalans van het tweede type. In theorie zou de netfrequentie instantaan en met een klap ongeveer 0,1 Hz moeten dalen. Maar in het net zit een grote hoeveelheid masstraagheid (elektrisch en mechanisch; fysiek draaiende generators), waardoor de daling in de praktijk wordt uitgesmeerd over enkele tientallen seconden. Maar alsnog moet er snel worden gehandeld.

Daarvoor heeft iedere TSO een verplichte primaire reserve (ook bekend als Frequency Containment Reserve of FCR) achter de hand. Dit is instantaan inzetbaar vermogen: uiterlijk binnen 15 seconden kan dit al worden aangesproken. Voor heel Europa is er in totaal 3 GW FCR verspreid over alle CB's. Dat is meer dan voldoende om uitval van een eenheid van 1 GW te kunnen opvangen. In België heeft Coo (een zeer snel reagerende pompmeercentrale) een rol als FCR. Maar ook de buitenlandse FCR-leveranciers zorgen voor de directe aanvulling van het vermogenstekort.

Wanneer de FCR-inzet de frequentiedaling tot stilstand heeft gebracht en de zaak niet verder uit de hand loopt, komt de taak van het zogeheten regelvermogen (ook bekend Frequency Restoration Reserve of FRR). Daarmee moet de frequentie terug op de gewenste waarde van 50 Hz worden gebracht. Er is immers een stuk energie uit het net verdwenen en dat moet gecompenseerd worden. Dat moet worden geleverd door de TSO van het CB waarin de verstoring plaats vond. Bij de situatie met Doel was het dus de taak van Elia als TSO van CB Belgium om de frequentiedaling weer te verhelpen.

Hiertoe kan Elia binnenlandse opwek inzetten, maar ook kan men energie inkopen bij buitenlandse leveranciers. Het is ook toegestaan dat buitenlandse TSO's eventuele overschotten aanbieden aan de TSO die deze nodig heeft. Al met al wordt ernaar gesteefd de netfrequentie zo snel mogelijk weer op 50 Hz te brengen. Dat moet officieel binnen 15 minuten zijn afgerond. Bij de uitval van Doel IV is dat ruimschoots gelukt en mede dankzij de inzet van Coo was de compensatie al binnen 6 minuten voltooid, waarna de normale marktwerking op het net terugkeerde.

In het grootste gekoppelde hoogspanningsnet ter wereld krijgt men het dus voor elkaar om uitval van een gigawatt vermogen met FCR compleet op te vangen en met FRR weg te poetsen in minder tijd dan een kop koffie duurt. Best een prestatie.

Afbeeldingen: Overzicht van de Control Blocks voor de FCR. Die komen overeen met de concessies van de netbeheerders, maar niet altijd volgen die de nationale grenzen. Onder: productiegrafiek van Elia waarop de plotselinge verlies van Doel IV in de nucleaire productie te zien is, samen met de bronnen waarmee het via FRR in de korte periode erna werd gecompenseerd.