Het beschermen van een duurzame toekomst
Voor Marjan Popov is het duidelijk: onze samenleving staat op een kruispunt. "We staan voor misschien wel de grootste technische uitdaging van onze tijd - we zijn de elektriciteitsnetwerken radicaal aan het veranderen." Volgens hem is de complexiteit van de elektriciteitsnetten vergelijkbaar met het menselijk lichaam. "Net zoals we patiënten continu in de gaten houden in een ziekenhuis, moeten we altijd de elektriciteitsnetwerken monitoren, controleren en beschermen. Want het elektriciteitsnet is, net als het menselijk lichaam, erg kwetsbaar voor ziekten, of storingen, en sommige daarvan kunnen ernstige gevolgen hebben. Daarom is meer onderzoek naar uitgebreide beveiligings- en veiligheidsmaatregelen zo noodzakelijk."
Popov, onlangs benoemd tot hoogleraar Bescherming van Duurzame Energiesystemen, begint graag met een korte geschiedenis van verschillende technologieën die door de jaren heen zijn ontwikkeld - allemaal leidend tot de samenleving die we nu hebben. Volgens hem heeft wetenschappelijke kennis van elektrische energiesystemen uiteindelijk geleid tot het netwerk dat we nu hebben, en niet andersom. Neem bijvoorbeeld de vroegste erkenning van de complexe uitdagingen in elektrische energiesystemen, die begon met het baanbrekende werk van de uitvinder Nikola Tesla in 1896. Hij ontwikkelde een driefasige generator die het transport van elektriciteit over lange afstanden mogelijk maakte. Pas daarna realiseerde hij het eerste transmissienetwerk, gebouwd van Niagara Falls naar Buffalo, wat het begin markeerde van de elektrificatie van de wereld.
Nu begint onze samenleving en techniek steeds meer te digitaliseren, en worden we steeds afhankelijker van duurzame energiebronnnen. Dat drijft wetenschappers en ingenieurs naar de grenzen van traditionele netwerkarchitecturen. Maar, alhoewel deze nieuwe en opkomende technologieën een reeks uitdagingen met zich meebrengen, bieden deze opkomende technologieën ook de noodzakelijke oplossingen - zegt Popov. "Technologieën zoals kwantumcomputers en digitale tweelingen zullen tools en toepassingen bieden die kunnen worden gebruikt om de monitoring, controle en bescherming van energiesystemen te verbeteren. We zullen deze wellicht radicale tools moeten gebruiken om tot een nieuw paradigma in netwerkbeheer en -bescherming te komen."
We hebben radicale tools nodig om tot een nieuw paradigma in netwerkbeheer en -bescherming te komen
"Neem conventionele grote energiebronnen," vervolgt Popov, "die gebruiken meestal fossiele brandstoffen om ons elektriciteitsnet te voeden. Met het gebruik van hernieuwbare energie introduceren we een bijna onbeperkte hoeveelheid energiebronnen. Wat de vraag oproept: hoe verzamelen we deze bijna onbeperkte hoeveelheid bronnen en bieden we een betrouwbare en veilige levering? Dezelfde fundamentele wetenschap die heeft geleid tot dit nieuwe paradigma, moet worden gebruikt bij het vinden van een oplossing."
De complexiteit van het elektriciteitsnet neemt dus snel toe. Gedetailleerde computersimulaties, zogenaamde digital twins, bieden een kans om deze complexiteit beter te begrijpen. Ze kunnen het volledige operationele proces uit leggen, op basis van realtime gegevens uit algoritmen en modellen. "Misschien moeten we nog verder denken? We kunnen deze digital twins nog beter begrijpen met nieuwe AI-methoden. Die kunnen bijvoorbeeld goed helpen bij het opsporen of zelfs voorspellen van storingen. Of een suggestie doen voor corrigerende maatregelen, om zo uiteindelijk bij te dragen aan een robuust net."
"Momenteel werkt ons net met een onvoorstelbaar hoge betrouwbaarheid van ongeveer 99,9946. Consumenten, maar de industrie, zijn sterk afhankelijk van deze betrouwbaarheid. Dat zet ons ingineurs wel een beetje voor het blok: zo'n betrouwbaarheid is het resultaat van jarenlange kennis en optimalisatie, wat we nu in een korte periode opnieuw moeten doen." Netwerkveerkracht en stabiliteit zijn sterk afhankelijk van de sterkte van het systeem en zijn gevoelig voor frequentievariaties.
In toekomstige energiesystemen zal het moeilijker zijn om fouten te detecteren
"De Italiaanse stroomstoring van 2003 is een goed voorbeeld om te laten zien hoe kritiek een robuust energienet is. Hier leidde namelijk een relatief kleine storing tot een massale, trapsgewijze stroomuitval. Het onderstreept voor mij goed wat de noodzaak is van robuuste beschermingsmaatregelen -- we hebben die nodig om effectieve systeemveerkracht te bieden." Maar, achteraf erkent Marjan dat het incident wel heeft geleid naar nieuw onderzoek naar het gebruik van uitgebreide algoritmen voor virtuele verdeling van het energiesysteem. Dat heeft geleidt tot net-configuraties die stroomstoringen kunnen isoleren in zogenaamde 'eilandvorming'. Door een storing te isoleren blijft de rest van het net beschermt tegen een volledige storing. Meer van zulke gecontroleerde eilandvorming zal de onvermijdelijke oplossing voor de toekomst zijn die, afhankelijk van de foutlocatie, het systeem virtueel zal verdelen in gebieden en alleen het gebied dat door de fout is getroffen zal verwijderen, zodat de rest van het systeem normaal kan blijven werken.
De kritieke rol van transformatoren en de impact van resonantie-effecten zijn een focuspunt geweest in Popov's onderzoek. Onder andere bestudeerde hij hoe resonantieverschijnselen tussen transformatoren en kabels zich ontwikkelden, en onder welke omstandigheden dit kan leiden tot verslechterende levensduur van apparatuur.
"In toekomstige energiesystemen zal het moeilijker zijn om fouten te detecteren, vanwege de lagere amplitudes en kortere duur van de kortsluitstromen. Dit is nog een uitdaging." Huidige relais werken voornamelijk door hogere stroomamplitudes te detecteren in vergelijking met stroomamplitudes die optreden tijdens normale systeembedrijf. Op deze manier zijn beschermingsinstellingen gebaseerd op het hebben van strikte drempelwaarden. In de toekomst zullen beschermingsschema's evolueren naar adaptieve (instellingsloze) bescherming gebaseerd op realtime metingen. Deze innovatieve aanpak verwijdert de afhankelijkheid van vooraf bepaalde drempels, waardoor een responsievere en nauwkeurigere foutdetectie mogelijk is.
De implementatie van Wide Area Monitoring and Protection (WAMP)-technologieën, die synchrofasoren gebruiken, biedt uitgebreide oplossingen gebaseerd op de realtime metingen. Deze metingen kunnen worden gebruikt om verschillende algoritmen voor dynamische systeembeoordelingen en anomaliedetectie mogelijk te maken, waardoor snelle corrigerende acties worden gefaciliteerd om de systeemintegriteit te handhaven. "Bovendien kan WAMP snellere detectie van systeemstoringen bieden dan momenteel toegepaste SCADA-systemen (Supervisory Control and Data Acquisition). Deze systemen bieden alleen updates elke twee of vier seconden, maar in de toekomst zullen snellere metingen nodig zijn om het optreden van snellere storingen te detecteren."
Deze systemen bieden alleen updates elke twee of vier seconden, maar in de toekomst zullen snellere metingen nodig zijn om het optreden van snellere storingen te detecteren.
Naarmate de complexiteit van elektriciteitsnetten toeneemt, wordt de overgang van gecentraliseerde naar gedecentraliseerde controle door middel van gedistribueerde intelligentie noodzakelijk. Dit zal de betrouwbaarheid en veerkracht van het netwerk verbeteren en een gemakkelijke integratie van hernieuwbare energiebronnen mogelijk maken door meer gelokaliseerde controle mogelijk te maken.
Popov: "Uiteindelijk moet wetenschappelijk begrip naar de bescherming van elektrische energiesystemen leiden tot nieuwe, betrouwbare oplossingen. Pas dan kunnen we het energienet écht uitbreiden, en dus ook beschermen.
