28 februari 2022 ∙ Oorlog in Oekraïne. Of eigenlijk, Oekraïne in oorlog. Over geopolitiek buigen wij ons niet, maar pylon geeks zien op beelden die uit het gebied komen met enig regelmaat hoogspanning voorbij komen. Hoe zit het net van Oekraïne eigenlijk in elkaar en hoe ziet de toekomst eruit, nu elke verbinding met Rusland letterlijk en figuurlijk gevoelig ligt? Er gaan wat geruchten over aansluiting bij ENTSO-E. Wat betekent dat allemaal? En kan dat zo snel?

Geopolitieke conflicten zijn een razend complexe nachtmerrie. Nu zit je hier op HoogspanningsNet, dus wij blijven hier maar gewoon bij wat we wél begrijpen, en dat zijn hoogspanningsnetten.

Ook Oekraïne heeft een hoogspanningsnet, dus laten we eerst kijken naar de situatie bij normaalbedrijf, zoals tot halfweg vorige week. In de tijd waarin het Oekraïens elektriciteitsnet opkwam was het gebied een Sovjetrepubliek. De erfenis van de Sovjettijd is op de dag van vandaag te herkennen in een typische Sovjet-spanningscascade. Op de netkaart (jazeker, we hebben zelfs Oekraïne) zien we een koppelnet van 330 kV, losjes gekoppeld met een bovenliggend net van 750 kV dat slechts kantjeboord een koppelnet genoemd kan worden. Eronder zien we 220 kV en 110 kV voor regionale netten. Een paar regio's middenin het land gebruiken 150 kV. Het is dus vooral 330 kV dat de landelijke ruggengraat vormt. En die spanning zien we eigenlijk overal in de voormalige USSR. Het is historisch gezien logisch. Al voor de Tweede Wereldoorlog en het ontstaan van de USSR werd 110 kV op uitgebreide schaal toegepast. Toen de transportbehoeftes toenamen in de late jaren 30 werden er verbindingen met 220 kV gebouwd, wat simpelweg een verdubbeling was die makkelijk rekent met een transformatieverhouding van 1:2. Dezelfde stap naar 220 kV met dezelfde motivatie is ook in tientallen andere landen gemaakt, waaronder Duitsland.

Vanaf de jaren 50 werd 220 kV aan de krappe kant. West Europa kon voor de volgende verzwaring leunen op pionierswerk van ASEA in Zweden, die met de verbinding Harsprånget – Borgvik een waagstuk van duizend kilometer bouwde die op maar liefst 400 kV werd bedreven: in Zweden een logische stap, want het was driemaal 132 kV en dat is in Zweden nog altijd een belangrijke spanning. De benchmark was gezet en in Europa ontwikkelde zich een koppelnet op 400 kV, een spanning die om onbekende redenen in sommige landen ook als 380 kV wordt aangeduid. In de USSR werd een andere keuze gemaakt. Men neme 220, tel er nog een keer 110 bij op en je zit op 330. Dat werd daar het nieuwe koppelnet. De verbindingen zijn meestal enkelcircuitlijnen met portaalschoren waar tweebundelgeleiders aan hangen. Met een ruime marge zijn ze rond 1000 MVA te schatten. Wanneer men twee circuits nodig heeft worden gewoon twee zulke lijnen naast elkaar geplaatst. Goedkope masten die het goed volhouden in een bruut landklimaat met snijdend koude winters, hete zomers en matige onderhoudsschema's. 

Met de opkomst van steeds zwaardere centrales, waaronder kerncentrales, bleek vanaf de jaren '70 ook 330 kV het niet te houden. Door voortschrijdende technische ontwikkeling in de netstabiliteit (bewaking, schakelen, netstabiliteit) werd het mogelijk om een paar stappen over te slaan. Er kwam geen 440 kV, maar de USSR introduceerde 500 kV en zelfs 750 kV voor de volgende verzwaring. In de decennia die volgden zijn tientallen 750 kV-lijnen aangelegd in Oekraïne. Toch is het nooit echt een sluitend koppelnet geworden. Eigenlijk kwam het vooral tijd en geld tekort, want in de late jaren tachtig lag de prioriteit in de USSR niet echt bij de verdere uitrol van een 750 kV-net. Zodoende vervult 750 kV hoofdzakelijk een rol als koppelend net tussen de zwaarste centralecomplexen, maar minder tussen normale 'centraleloze' koppelstations. Een bijzonderheid in het Oekraïense is de HVDC-verbinding Volgograd – Donbas, uit 1965. De reden om een gelijkstroomverbinding te bouwen was vermoedelijk eerder prestige dan dat het netstrategische waarde had. Reeds in 1965 waren beide eindstations al onderdeel van hetzelfde gesynchroniseerde net, zodat een verbinding voor ruim 700 MW en ruim 500 kilometer ook gewoon als een gangbare 330 kV AC-lijn had kunnen worden uitgevoerd. De huidige status van de verbinding is vanwege gebrekkig onderhoud en oorlogshandelingen in de afgelopen acht jaar niet goed bekend.

Eveneens historisch logisch is dat Oekraïne een onderdeel is van het Russische gesynchroniseerde elektriciteitssysteem. Dat wil zeggen, het elektriciteitssysteem in beheer van Ukrenergo is fysiek verbonden aan dat van Rusland en (op een kleine enclave in het westen van het land na) niet aan dat van ENTSO-E (Europa). Oekraïne wekt met een grotendeels olie- en nucleair aangedreven productiepark elektriciteit op en kan handelen met Rusland en Belarus, maar niet met bijvoorbeeld Polen omdat centraal- en west Europa onderdeel zijn van het ENTSO-E net. Dat heeft een andere synchronisatie. Twee wisselstroomnetten aan elkaar verbinden kan alleen als ze hun netfrequentie én hun synchronisatie delen. Tussen Rusland en ENTSO-E is van dat eerste wel sprake (50 Hertz), maar van dat laatste niet. Wanneer synchronisatie uit de pas loopt, zal er bij contact een enorme vermogensstroom gaan lopen door de koppelende verbindingen wanneer de golftoppen en golfdalen van de wisselstroomfunctie in de drie fasen niet gelijkop lopen. Het gevolg is al snel overbelasting, netonstabiliteit en een trippende vermogensschakelaar. Weg is je koppeling weer, gevolgd door kwaaie blikken in de controlezalen van alle ruim veertig netbeheerders die de rest van het ENTSO-E netverband vormen – en daarna een paar rapporten.

Twee niet-gesynchroniseerde netten kan je alsnog koppelen door er een zogeheten back-to-back (B2B) converter tussenin te zetten. Dat zijn twee AC/DC converters die rug tegen rug staan en die eigenlijk gewoon een heel kort HVDC-verbindingkje onderhouden. Zo kan dan alsnog vermogen van het ene op het andere net worden overgedragen. Zulke installaties zijn er bijvoorbeeld op Vyborgskara (ENTSO-E Nordic – Rusland) en op Alytus (UCTE – Litouwen). Op dit lijkt er geen sprake te zijn van een B2B-koppeling tussen een station in Oekraïne en het net van ENTSO-E, ook niet met de enclave Burshtyn. Dat betekent dat er op dit moment geen operationele verbinding is tussenbeiden en dat tenminste een aantal lijnen op de netkaart niet in gebruik zijn bij normaalbedrijf. En die enclave dan? Die is historisch zo blijven bestaan, want zo kan een stukje van het land elektrisch aan een ander land over de grens hangen wanneer de landsgrens ooit is veranderd of wanneer dat gewoon meer praktisch is. Dat laatste zien we vaak met eilanden, zoals Bornholm (Deens, maar aan het Zweedse net gehangen) of de Kanaaleilanden, waar een half jaar terug nog een relletje om was.

Oekraïne zal niets meer met Rusland te maken willen hebben, verondersteld dat het gebied zijn zelfstandigheid zou weten te behouden. In dat geval zal het land ook niet de oplossing van de Baltische Staten verkiezen. Die zijn wel lid van ENTSO-E geworden en ze werken hard aan de stap gezet om fysiek ook aan het gesynchroniseerde blok aan te takken. Op dit moment zijn er alleen HVDC-links tussen de Baltics en ENTSO-E Nordic en UCTE (HVDC-verbindingen met Finland, Zweden en via een B2B met Polen), maar ze willen in 2025 ook echt de fysieke verbindingen met Rusland los kunnen nemen. Als Oekraïne ook echt fysiek los wil van Rusland is het een vrij radicale stap. Aan de Baltics is te zien dat zoiets niet even in een middagje gaat. Inmiddels draait Oekraïne al in eilandbedrijf (je eigen gesloten systeem, waarbij je zelfvoorzienend bent en je eigen balans bewaakt) en dat zal zo blijven totdat ze zich weer aan een groter gesynchroniseerd blok verbinden en de voorwaarden daarvan accepteren. Omdat er maar één ander gesynchroniseerd blok in de buurt ligt wekt het geen verbazing dat het net van ENTSO-E lonkt.

Opmerkelijk is dat ook ENTSO-E te kennen heeft gegeven snel te willen overleggen. Het is bepaald geen sinecure om zomaar van synchronisatieblok over te stappen. Ten eerste moet je je conformeren aan de heersende normen binnen je nieuwe blok. Synchronisatie met fysieke AC-koppeling betekent nauwkeurig dezelfde frequentie (50,00 Hertz), nauwkeurige afspraken over toelaatbare cross-border physical flow, afspraken over toelaatbare afwijkingen van de spanningskwaliteit en ook zijn er verplichtingen voor wat betreft bewaking en rapportage. Je moet ook echt de afspraken na kunnen komen, want als je te weinig vermogen inbrengt (of juist te veel) kan je het hele blok waar je in opereert in de weg zitten. Verder is er ook fysieke transportcapaciteit nodig: verbindingen die er nu niet eens staan of in elk geval niet voldoende sjeu hebben om de interne slingeringen binnen het Oekraïense net te kunnen dragen wanneer daar bijvoorbeeld een kernreactor een onverwachte stop maakt. Nu zijn er voor sommige aspecten wel noodoplossingen (we zitten tenslotte met een oorlog daar), maar ENTSO-E zal niet toestaan dat de netstabiliteit in het westen in gevaar komt door overhaaste aantakking van Oekraïne.

Wanneer het land onafhankelijk zou blijven en eigen keuzes kan maken, en wanneer er zou worden besloten dat ENTSO-E open staat voor een fysieke koppeling die verder gaat dan de Baltische Staten met hun DC-verbindingen, dan nog zal het een proces van jaren zijn voordat Oekraïne werkelijk als member state of observer state (Turkije bijvoobeeld) aan het Europese net kan worden gehangen en uiteindelijk een schakelaar kan worden overgehaald. 

Afbeeldingen: een typisch Russische (USSR)-verbinding in Oekraïne: schoorportalen met 330 kV over tweebundelgeleiders. Onder: een lijn voor 750 kV, die ook met schoorportalen is gebouwd. Zulke lijnen zijn een indrukwekkend gezicht, maar hun transportcapaciteit is 'slechts' vergelijkbaar met de zwaarste 380 kV-circuits in onze streken. Ze zijn alleen veel langer. Beelden via Google Streetview.