De energietransitie onder hoogspanning:
de High Voltage Technologies Group
Even geleden dachten we dat het niet meer nodig was binnen TU Delft: een groep die helemaal is gericht op het onderhouden en ontwikkelen van hoogspanning. De verwachting was namelijk dat het net in Nederland decentraal geregeld zou gaan worden, en dat huishoudens zelf stroom zouden gaan opwekken. Deels is dit waarheid geworden, maar veel van de duurzame energie komt in grote brokken, bijvoorbeeld via offshore windparken en grote zonnevelden. “Het feit is dat wij hoogspanning meer nodig hebben dan ooit”, benadrukt prof. Peter Vaessen. “Dit is ook de reden waarom we bij de TU Delft een nieuwe, heropgerichte hoogspanningsgroep hebben: de High Voltage Technologies Group.”
Zorgen dat de elektriciteitsdijken niet breken
“Het doel van de High Voltage Technologies Group (HVTG) is eigenlijk eenvoudig”, licht Peter – het hoofd van de heropgerichte groep – toe. “Dit is onder alle omstandigheden voorkomen dat er elektrische doorslagen plaatsvinden in het hoogspanningsnet.”
Hij legt dit uit door middel van een analogie. “Je kunt het hoogspanningsnet eigenlijk zien als een grote rivier – op hoogte – waar de stroom doorheen gaat en waar dijken omheen zitten. Die hoge dijken vertegenwoordigen de hoogspanningsisolatie die het “water” netjes opsluit. Als er te veel stroom gaat lopen, gaat dat over de dijken heen. En als de dijken te zwak zijn geworden en breken, dan barst die isolatie. Wij zorgen dat de dijken integer blijven.” De groep gebruikt bijvoorbeeld sensors om te meten of er scheurtjes komen in het isolatiemateriaal. “Zo meten we of er water door de dijk sijpelt bij wijze van spreken”, geeft Peter aan. “Voor de analyse van deze metingen kunnen we in de toekomst in toenemende mate kunstmatige intelligentie gebruiken.”
We willen binnen de energietransitie natuurlijk steeds meer elektriciteit gaan gebruiken, bijvoorbeeld voor warmtepompen en het laden van elektrische auto’s. Deze grote hoeveelheid groene energie moet met hoogspanning aangesloten worden, want met alleen laagspanning lukt het niet. Zonder hoogspanning kunnen we de energietransitie vergeten.
De HVTG onderzoekt ook welke materialen het beste gebruikt kunnen worden voor isolatie. Als isolatiemateriaal worden bijvoorbeeld gassen en minerale oliën gebruikt. Specifiek wordt voor transformatoren veel olie gebruikt. Door middel van een transformator wordt een hoge spanning, zoals de netspanning, bijvoorbeeld omgezet naar een lagere spanning. “De olie die hiervoor als isolatiemateriaal gebruikt wordt is niet ‘groen’. Daarom doen we ook onderzoek naar bio-oliën als isolatiematerialen”, legt Peter uit. De HVTG legt zich toe op ‘Greening the Grid’. Dit doen zij niet alleen door het gebruik van betere, milieuvriendelijke materialen, maar ook door het hergebruiken en langer gebruiken van materialen. “We willen weten hoe lang kabels nog meegaan. Dit noemen we restlevensduurbepaling”, geeft Peter aan. “Door nauwkeurig te bepalen wanneer je welke materialen moet vervangen, kun je veel materiaal en geld besparen.”
En de groep richt zich ook op het compacter maken van isolatiesystemen. “Door die zo klein mogelijk te maken en compacter te bouwen kunnen we materiaal en ruimte besparen”, aldus Peter. “Maar de systemen moeten natuurlijk nog wel even goed werken. Daarom zorgen we ook dat wij dit testen en valideren.”
Zonder hoogspanning kunnen we de energietransitie vergeten
Maar, hebben we hoogspanning wel nodig in het kader van de energietransitie? Een terechte vraag, vindt Peter, en een vraag die hij volmondig beaamt. Hij wijst erop dat een belangrijk deel van de opgewekte hernieuwbare energie afkomstig is van projecten op grote schaal, zoals windparken op zee en omvangrijke velden met zonnepanelen. Vanwege fundamentele natuurkundige principes is het aansluiten van dergelijke installaties op een laagspanningsnetwerk niet haalbaar, omdat dit leidt tot buitensporig hoge stroomsterktes en aanzienlijke energieverliezen.
“En we willen binnen de energietransitie natuurlijk ook steeds meer elektriciteit gaan gebruiken”, verduidelijkt Peter, “bijvoorbeeld voor warmtepompen en het laden van elektrische auto’s.” Deze grote hoeveelheid groene energie moet met hoogspanning aangesloten worden, want met alleen laagspanning lukt het niet. “Dat is onmogelijk”, benadrukt Peter. “Zonder hoogspanning kunnen we de energietransitie vergeten.”
Er is een renaissance gaande voor hoogspanningstechniek. Enige tijd terug was men van mening dat de productie van energie zich meer zou verspreiden over kleinere, lokale bronnen en dat huishoudens hun eigen energie zouden produceren. Dit beeld is deels werkelijkheid geworden. “Maar het is een illusie om te denken dat wij de energietransitie gaan redden met allemaal zonnepanelen op daken”, geeft Peter aan. “De realiteit is dat de behoefte aan hoogspanning groter is dan ooit tevoren.” Dit is precies waarom TU Delft de hernieuwde groep voor hoogspanningstechniek heeft opgezet. Wereldwijd zijn veel onderzoekslabs naar hoogspanning gesloten. “Maar gelukkig hebben we dit bij TU Delft nog wel”, zegt Peter monter.
‘We have a dream’
“Wij hebben binnen de HVTG een droom, die wij ooit gerealiseerd willen hebben”, zet Peter uiteen. “En dat is om een universeel, gevalideerd model te hebben, voor elk type elektrische doorslag, in combinatie met alle vormen van isolatiemateriaal, voor alle mogelijke spanningen, stromen en golfvormen. Dat is natuurlijk dé droom. Dat is onze Holy Grail”, legt Peter enthousiast uit.
Zover is de HVTG nog niet. Hoogspanningstechniek is dan ook een ingewikkeld vak. Het is een combinatie van elektrotechniek, natuurkunde, werktuigbouwkunde, scheikunde, signaalbewerking, en zelfs op molecuul en atoomniveau. “Daar zit voor ons een grote technologische uitdaging” legt Peter uit. “Namelijk dat wij het elektrische veld goed kunnen manipuleren en synthetiseren. Als je mij vraagt: maak eens een elektrisch veld dat zo homogeen mogelijk is, voor een maximale energie door de kabel, dat kunnen wij nog steeds niet.”
“Ik noem het ook wel ‘de art of high voltage technology’”, zegt Peter. Als je wilt werken in een vak waar je op het ene moment praat over elektriciteitsmasten die wel 70 meter hoog zijn, en op een ander moment over een enkel elektron, wat je niet kunt zien, dan zit je binnen de hoogspanningstechniek goed. “Hele kleine details hebben binnen ons vak vaak gigantische consequenties”, illustreert Peter. “Wij zijn niet de club die de nieuwste kwantum computer gaan maken. Maar wij zorgen wel dat hij stroom heeft.”
Het is een illusie om te denken dat wij de energietransitie gaan redden met allemaal zonnepanelen op daken. De realiteit is dat de behoefte aan hoogspanning groter is dan ooit tevoren. Dit is precies waarom TU Delft de hernieuwde groep voor hoogspanningstechniek heeft opgezet.
Kapitalen besparen met compacte installaties
Naast het bijdragen aan de energietransitie, heeft onderzoek naar hoogspanning nog meer voordelen. Door het ontwikkelen van compactere installaties is er veel geld te besparen en te verdienen.
“Een offshore onderstation van TenneT -zo'n grote gele doos in het water- kost ongeveer 2 miljard”, geeft Peter aan. “En een vierkante meter aan ruimte kost ongeveer een ton. Wanneer wij een hoogspanningsinstallatie weten te beperken tot de helft van de ruimte, dan hebben wij kapitalen verdiend.”
Voor hoogspanningslijnen is in het verleden een isolatieafstand vastgesteld, dit bepaalt de afmetingen en het grondbeslag. “Wij zijn nu aan het onderzoeken of die eisen in het verleden niet te ruim zijn gesteld”, legt Peter uit. “Want stel dat je 30% aan ruimte kunt winnen. Dan praat je over meters. Dat bespaart niet alleen heel veel grond en materiaal , maar ook ontzettend veel geld.”
En het bepalen van de restlevensduur van materiaal, is niet alleen milieuvriendelijker, maar de HVTG kan hier ook veel geld mee besparen. “Veel componenten zijn in de jaren ‘70 in het elektriciteitsnet gestopt”, licht Peter toe. “Die zijn nu 50 jaar oud, maar kunnen soms best nog 20 of 30 jaar mee. Wanneer je onafhankelijk en gedegen vast kunt stellen, hoe lang deze componenten nog meekunnen, scheelt dat ontzettend veel, want de investeringen zijn gigantisch. En zo kan ik eigenlijk honderd voorbeelden opnoemen waar er echt heel veel geld en materiaal bespaart kan worden.”
Samenwerken voor een netwerk van elektriciteitssupersnelwegen
De HVTG werkt samen met veel verschillende bedrijven. “We werken samen met TenneT, de beheerder van het hoogspanningsnet in Nederland”, geeft Peter aan. TenneT heeft grootse plannen voor het uitbreiden van het hoogspanningsnet per 2045; zij noemen dit het Target Grid. Zij willen zowel in Duitsland als in Nederland een netwerk van elektriciteitssupersnelwegen en energiehubs aanleggen. “Ook voor ons is er daarom zeker werk aan de winkel”, licht Peter toe. “Verder werken we, bijvoorbeeld, ook samen met netwerk(distributie)bedrijven, zoals Stedin en Alliander.”
En de HVTG werkt ook samen met KEMA Labs, waar Peter zelf ook een deel van de tijd werkt. KEMA Labs is een wereldwijd opererend test-, inspectie- en certificatiebedrijf voor componenten en systemen voor de elektrische industrie. KEMA Labs heeft in Arnhem het grootste kortsluitingslaboratorium ter wereld, waar veel soorten hoogspanningsapparatuur getest kunnen worden op extreme situaties.
“En we werken met nog veel meer (toepassingsgerichte) bedrijven samen”, zegt Peter, “zoals met kabelfabrikant Prysmian, en bijvoorbeeld ook met Royal SMIT Nijmegen, producent van transformatoren. En we werken ook samen met PLN in Indonesië, dit is het nationale elektriciteitsbedrijf in Indonesië. We staan open voor heel veel samenwerkingen, om met elkaar impact te hebben op de energietransitie.”
Ik draag graag kennis over en vind het prachtig als mensen zich verwonderen. Daarom vind ik het ook een eer om de HVTG te runnen. Het is geweldig om deze groep verder te ontwikkelen en uit te breiden, zodat ons werk bijdraagt aan de maatschappij.
Tijdens de vlucht de motor van het vliegtuig vervangen
“Ik hoop dat wij over 20 jaar het energietransport en -distributie voor de energietransitie helemaal voor elkaar hebben”, verklaart Peter. “En dat wij het elektriciteitsnet ook stabiel hebben weten te houden. Want het elektriciteitsnet is net als een vliegtuig dat in de lucht gehouden moet worden. Binnen de energietransitie zijn wij tegelijkertijd de motoren, de brandstof, de bekabeling en de besturing aan het vervangen en uitbreiden. Eigenlijk we zijn alles tegelijk aan het vervangen, terwijl het vliegtuig vliegt. We kunnen helaas niet zeggen, zet de boel maar even stop. En dat geldt ook voor de energietransitie.”
“En ik denk dat in de toekomst kunstmatige intelligentie steeds meer gebruikt gaat worden binnen ons vak”, zegt Peter. “Vooral voor zaken zoals patroonherkenning, het analyseren en diagnosticeren van defecten en het interpreteren van meetgegevens.”
Het hart ligt bij de techniek
“Mijn hart ligt bij de techniek”, vertelt Peter. “Als kind wilde ik alles proberen. Ik knutselde zelf aan allerlei elektronica-dingen. En ik behoor nog tot de categorie mensen die hobbyt in de garage.
Ik draag graag kennis over en vind het prachtig als mensen zich verwonderen. Daarom vind ik het ook een eer om de HVTG te runnen. Het is geweldig om deze groep verder te ontwikkelen en uit te breiden, zodat ons werk bijdraagt aan de maatschappij. Dit is echt onderdeel van mijn fulfilment in life.”
