Reportage

Bliksem opwekken in Europa’s eerste duurzame-elektriciteitslab

Energie In Delft worden veranderingen in opwekking en verbruik van elektriciteit onderzocht. „Duurzame energie is prachtig voor het klimaat, maar puur gif voor de stabiliteit van het elektriciteitsnet.”

Marieke de Lorijn

Op de campus van de Technische Universiteit Delft staat een grote loods. Daar lopen nu tientallen bouwvakkers rond, er klinken boormachines en een radio. In het midden van de loods staat – in bouwplastic verpakt – een metalen paal van achttien meter hoog met donutvormige metalen constructies eromheen. Dit apparaat kan blikseminslagen tot 4 miljoen volt nabootsten. Ernaast staan machines die 1,5 miljoen volt kunnen leveren. Ze lijken uit een ouderwetse sciencefictionfilm te komen.

De imposante apparaten gaan deel uitmaken van een compleet nieuw laboratorium dat eind dit jaar af moet zijn: het Electrical Sustainable Power Laboratorium, kortweg ESP Lab. Hier gaan wetenschappers en ingenieurs onderzoek doen naar de mogelijkheden en gevolgen van de energietransitie voor het elektriciteitsnetwerk. Om de klimaatdoelen te halen zijn er namelijk grote veranderingen nodig en het elektriciteitsnet is daar nog niet klaar voor. Dit wordt het eerste lab in Europa waar onder één dak de veranderingen op het gebied van opwekking, transport, distributie en verbruik van elektriciteit onderzocht worden.

Stekker in het stopcontact

Het Nederlandse elektriciteitsnetwerk is een van de betrouwbaarste ter wereld. Als je een stekker in het stopcontact steekt is het 99,99 procent zeker dat het net de benodigde stroom kan leveren. Maar om de klimaatdoelen te halen moet het net volledig op de schop. Dat begint bij de energiebronnen. In 2018 kwam nog maar 15 procent van de stroom in Nederland van duurzame bronnen, zoals zonne- en windenergie. Dat moet in 2030 verhoogd zijn naar 70 procent. Tegelijkertijd stijgt de vraag naar elektriciteit door de komst van warmtepompen, elektrische voertuigen en de overstap op elektrisch verhitten in industriële processen.

„We moeten in ons bijna perfect werkende systeem dus nieuwe, duurzame technieken introduceren”, vertelt hoogleraar Miro Zeman, hoofd van de afdeling Electrical Sustainable Energy van de TU Delft. „In het ESP Lab kunnen we dit nieuwe net ontwikkelen en testen met analyses, computersimulaties en experimenten.”

Dat is complex. Het elektriciteitsnet is een gevoelig systeem waarin vraag en aanbod altijd in balans moeten zijn. Als er elektriciteit afgenomen wordt, moet er elders precies evenveel opgewekt worden. Het is als een elastiek dat altijd strak moet staan. Als er te veel stroom uit het net gehaald wordt of als er te veel geleverd wordt, dan stort het net in en duurt het uren om het weer op te starten.

Robuust en stabiel

„Duurzame energiebronnen zijn prachtig voor het klimaat, maar ze zijn puur gif voor de stabiliteit van het elektriciteitsnet”, zegt Peter Palensky, hoogleraar intelligente elektriciteitsnetten bij de TU Delft. De huidige energiecentrales, die draaien op gas of kolen, zijn robuust en stabiel. Wind- en zonneparken zijn dat niet. Als er geen wind of zon is, leveren ze binnen een minuut geen stroom meer.

Er gebeurt elke dag wel iets in het net; een kabel wordt geraakt bij graafwerkzaamheden, een boom valt tegen een hoogspanningskabel of ergens slaat bliksem in. Die veranderingen veroorzaken een schokgolf door het elektriciteitsnet. Nu kunnen zulke schokgolven nog redelijk goed opgeslokt worden door de grote elektriciteitscentrales, zegt Palensky. „Als we afhankelijk worden van duurzame bronnen dan is dat niet meer mogelijk.”

Het is belangrijk om te kunnen voorspellen wat er gebeurt als er wind- en zonneparken of oplaadpunten voor elektrische voertuigen aangesloten worden op het net. Netbeheerders zoals Enexis, Liander en Stedin en hoogspanningsnetbeheerder TenneT willen liever niet met het bestaande net experimenteren om uit te vinden wat die gevolgen zijn. Dat zou de leveringszekerheid in gevaar brengen.

In het ESP Lab komen daarom computers te staan om simulaties te draaien. „Met de computers die we nu hebben kunnen we ongeveer een kwart van het Nederlandse net simuleren”, vertelt Palensky. „We kunnen bijvoorbeeld de Randstad of het noorden van Nederland simuleren. Dat laatste hebben we gedaan voor een project bij de Eemshaven in Groningen. We onderzochten voor TenneT de effecten die een grote waterstofcentrale daar heeft.” Volgend jaar hoopt Palensky genoeg computerkracht te hebben om het hele net te simuleren.

Kooien van Faraday

De computers, die nu nog in een naastgelegen gebouw staan, komen in de loods bij de hoogspanningsapparaten en de bliksemgenerator. Maar die apparaten produceren ook krachtige elektromagnetische velden die computers en andere elektronica kunnen verstoren.

Ter bescherming wordt daarom om de computerruimte een kooi van Faraday gebouwd. Dit is een kooi van geleidend materiaal, zoals ijzer of koper, dat ervoor zorgt dat de elektrische velden de ruimte niet kunnen binnendringen. De bouwvakkers zijn daarvoor de plafonds, vloer en muren met koper aan het bekleden. En de open kant, die uitkijkt op de hoogspanningsapparaten in het midden van de loods, zal afgeschermd worden met geleidend gaas.

Op dezelfde manier worden ook de ruimtes op de begane grond afgeschermd, waar onder andere energieopslagsystemen en ‘vermogenselektronica’ (gericht op componenten die worden gebruikt voor het omvormen en sturen van grote elektrische vermogens, zoals onderdelen voor windmolens en zonnepanelen) gebouwd en getest zullen worden. Het hele lab wordt zo gebouwd dat de elektromagnetische velden van de ene testopstelling niet voor verstoringen zorgen bij onderzoek verderop. „Het is goed om hier tijdens de bouw van het lab al rekening mee te houden omdat sommige nieuwe systemen uiteindelijk ook bij elkaar in de buurt moeten functioneren”, zegt Miro Zeman.

Snelle schakelaars

In het Delftse lab zal onder andere onderzoek gedaan worden naar een ‘slim elektriciteitsnet’ dat werkt met intelligente chips in apparaten. „Die chips zorgen ervoor dat energieopwekkende systemen (zoals zonnepanelen) en energieafnemers (zoals een laadpaal) met elkaar kunnen communiceren en slim en zelfstandig reageren op veranderingen in het elektriciteitsnet”, vertelt Palensky. Zo kan een wasmachine de was draaien op het moment van de dag dat het waait bij het nabijgelegen windmolenpark.

„Die slimme apparatuur lijkt misschien ingewikkeld en kwetsbaar, maar het is belangrijk voor een duurzaam en veilig elektriciteitsnet”, zegt Palensky. „Bovendien zijn auto’s en vliegtuigen dankzij elektronica ook juist zuiniger en veiliger geworden. Als je zorgt voor voldoende controlesystemen, dan maakt slimme elektronica het net efficiënter en betrouwbaarder.”

Als het de onderzoekers van het ESP Lab lukt om die slimme systemen goed te begrijpen en te controleren, kunnen ze mogelijk zelfs beter omgaan met veranderingen in het elektriciteitsnet, zoals blikseminslagen. Ze reageren immer sneller en flexibeler dan de huidige robuuste, maar logge energiecentrales. Palensky: „Duurzame energiebronnen zijn dan geen gif voor het net, maar kunnen problemen oplossen.”