Duurzame-energiesystemen

De volgende stap voorwaarts

Overheidsinstanties hebben strenge regels geïmplementeerd om de uitstoot van kooldioxide te verminderen. Aangezien de meeste kooldioxide wordt geproduceerd door kolengestookte energiecentrales is er behoefte aan meer productie van duurzame energie – met name afkomstig uit wind- en zonne-energie – en een vermindering van het aantal kolengestookte energiecentrales. De kosten die gepaard gaan met een systeem dat een groter aandeel duurzame-energiebronnen gebruikt, hebben niet alleen betrekking op directe investeringen in het opwekken van duurzame energie, maar ook op het realiseren van radicale veranderingen in de infrastructuur van het energiesysteem, zodat de vereiste hoge betrouwbaarheid en zekerheid van de energietoevoer in stand blijven. De eeuwwisseling en het begin van het nieuwe millennium zullen de geschiedenisboeken ingaan vanwege de ambitie om grote kolengestookte en kerncentrales te vervangen door duurzame hulpbronnen, met name wind- en zonne-energie. Besloten in die ambitie ligt een nadruk op meer gebruik van ICT voor de controle, monitoring en beveiliging van de energiesystemen van de toekomst, waarbij het einddoel bestaat uit het leveren van goedkope en schone energie door middel van een energiesysteem dat zeer betrouwbaar functioneert en waarvan de energietoevoer is veiliggesteld. Dit alles wordt weerspiegeld in een inmiddels algemeen geaccepteerde definitie van een ‘smart grid’.

Marjan Popov

Wind en zon

Duurzame-energiebronnen (met name zonne- en windenergieparken) bieden potentieel een oneindige hoeveelheid schone elektriciteit die in de toekomst hopelijk de gemaakte investering zal terugverdienen en een bron van goedkope en schone energie voor iedereen zal zijn. Voor elektrotechnisch ingenieurs is de opwekking van wind- en zonne-energie een kwestie van lage systeeminertie, een bidirectionele stroom en een geheel andere verdeling van belastingen en elektriciteitsopwekking. Dat zijn factoren die verband houden met de zekerheid van de energievoorziening en andere onvoorspelbare verschijnselen, zoals de stroomkwaliteit, transiënten en lage foutstromen. Bij al die factoren is de overkoepelende vraag hoe de systemen van de toekomst zullen worden gemonitord, beveiligd en gecontroleerd. De energiesystemen van de toekomst moeten aan de eisen met betrekking tot veiligheid en betrouwbaarheid voldoen in combinatie met een hoge mate van duurzaamheid.

Phasor Measurement Units (PMU’s)

Momenteel wordt het Supervisory Control and Data Acquisition-systeem (SCADA) gebruikt om de topologie en systeemtoestand van transmissie- en distributiesystemen

inzichtelijk te maken. SCADA genereert elke paar seconden data. Maar is dat wel genoeg? Volgens dr. Marjan Popov van de afdeling Electrical Sustainable Energy van de TU Delft is dat niet zo.
“In de toekomst moeten we leren omgaan met lage systeeminertie, en daar zijn snellere metingen voor nodig. Zogenaamde ‘Phasor Measurement Units’ (PMU’s) worden beschouwd als een mogelijke oplossing [daarvoor], doordat zij data leveren voor gebruik met slimme algoritmes. Die algoritmes worden niet alleen gebruikt om de toestand van het systeem in te schatten, maar ook voor adaptieve beveiliging, foutlokalisatie, situationeel bewustzijn, gecontroleerd eilandbedrijf en nog veel meer toepassingen. PMU’s zullen daarbij zeer goed van pas komen, op voorwaarde dat het systeem voldoende units heeft om het systeem observeerbaar te maken. Maar dat neemt niet weg dat we ernstige storingen nog steeds moeten voorkomen. De bruikbaarheid van PMU’s is al aangetoond in zwakke systemen met lange lijnen, door General Electric (GE) op het IJslandse energiesysteem, dat te ver van het krachtige Europese systeem af ligt om de frequentie en spanning stabiel te houden. Toch geloof ik niet dat dat afdoende zal zijn voor de toekomst. De reden daarvoor is dat de systemen van de toekomst gevoelig zullen zijn voor veel meer verstoringen dan klassieke energiesystemen: meer transiënte fenomenen, meer schakelingen, meer verspreide micronetwerken (voor de opwekking van duurzame energie bij lage spanning) en duurzame-energiebronnen op distributieniveau zijn allemaal aanleiding tot de vraag of we nog wel veilig zijn als een energiesysteem getroffen wordt door natuurlijke storingen.”

Nieuwe, adaptieve beveiliging

“Als er een storing optreedt moet de beveiliging van het energiesysteem snel in actie komen om de storing te isoleren. Momenteel worden in het kader van het Horizon 2020 Migrate-project de prestaties van bestaande beveiliginsalgoritmes onderzocht bij een netwerkpenetratie van bijna 100%. Zwakke punten moeten worden geïdentificeerd en er worden nieuwe algoritmes ontwikkeld. Om de prestaties daarvan in een niet-bestaand netwerk te observeren worden er simulaties in real time gedraaid, met geavanceerde modellen die speciaal voor dit project zijn ontwikkeld.”

Kunnen storingen worden voorkomen?

Storingen zijn soms natuurverschijnselen. Bliksem slaat meestal in in hoge bouwwerken zoals hoogspanningsmasten en levert dan een eenfasestroom op. Bovendien bestaat het Nederlandse distributienetwerk voornamelijk uit kabels, waarvan de meeste al decennia oud zijn. Als een kabel het einde van zijn levensduur nadert wordt de isolatie minder, wat tot storing kan leiden. “Het pas opgezette Power System Protection Centre (PSPC) van de TU Delft heeft financiering van NWO ontvangen om verschillende verschijnselen te onderzoeken door snellere transiënt-oscillaties te monitoren. Hoe snel dat noodzakelijk zal zijn? En hoe snel mogelijk? Die vragen zullen de komende jaren worden beantwoord!”

Marjan Popov is als universitair hoofddocent verbonden aan de Intelligent Electrical Power Systems Group (IEPG) van de afdeling Electrical Sustainable Energy van de TU Delft. Hij is gespecialiseerd in de beveiliging van energiesystemen, transiënten in grootschalige energiesystemen, fenomenen van stroomonderbrekers, analyse en modellering van hoge frequenties, en monitoring en beveiliging over grote gebieden.

Tekst: Susan Penninks en Marjan Popov I Foto: Thierry Schut | Augustus 2018