Opgewekt door de buurt

InhoudVoorwoord Inleiding Praktijk Windenergie - Het kan uiteindelijk wel uit Naar het platte net - Georgios PapaefthymiouMonte Carlo methode

5 6 8 10 13 16 20 22 25 28 30 32 35 36 38 40 41 43 44 46 50 52 54 56 58 60 64 66

In dynamisch evenwicht - Muhamad RezaStabiliteit

Levendige handel op de elektriciteitsmarkt Andrej JokicDe ballen van Watt ISBN/EAN: 978-94-6186-009-5 NUr: 910 Opgewekt door de buurt - Smartgridonderzoek in Nederland Auteur: Prof.ir. Lou van der Sluis 1e Druk - oktober 2011. Copyright 2011

Vermogenspel zonder grenzen - Jody VerboomenHet gebruik van dwarsregeltransformatoren

Nieuw licht op een oud probleem Cai RongAnder licht Een korte geschiedenis van elektrisch licht

Praktijk Zonne-energie Zonder subsidie gaat het beter Een kwaliteitslabel in de meterkast - Sjef CobbenUitgever: TU Delft Library redactie: robert Visscher, Jos Wassink Fotografie: Sam rentmeester | FMAX, Michiel Wijnbergh en koos Termorshuizen Illustraties: Dr.ir. Eric Verdult 2011 www.kennisinbeeld.nl, Marijn van der Meer en Auke Herrema Ontwerp & Vormgeving: Lisette Tegelberg Druk: Drukkerij Van de Sande bv, Nootdorp Deze uitgave kwam tot stand dankzij de financile bijdrage van Agentschap NL Dit boek werd gepresenteerd als afsluiting van het innovatief onderzoeksprogramma elektromagnetische vermogenstechniek (IOP-EMVT) op 4 oktober 2011 in Leiden. Niets uit deze uitgave mag op enigerlei wijze vermenigvuldigd en/of openbaar worden gemaakt zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Cobbens keurmerk Netspanning: vorm en frequentie

Praktijk Warmtekrachtkoppeling Houtsnippers waren gewoon goedkoper Hoe stabiel is eigenlijk een smartgrid? - Anton IshchenkoWindenergie in ontwikkeling

Verbeterpunten in het net - Frans ProvoostOpslag Netwerkstructuren

De omvorming van groene stroom Johan Morren Ontbrekende schakels - Roald de Graaff Tot slot Colofon

SMArTgrIDONDErzOEk IN NEDErLAND

3

VoorwoordTekst

4

OPgEWEkT DOOr DE BUUrT


5

InleidingNederland moet geen land van couponknippers worden. We moeten ook industrie houden. Die uitspraak van dr.ir. Lout Jonkers, destijds werkzaam bij het Ministerie van OC&W, kan als startpunt worden beschouwd van het onderzoeksprogramma elektromagnetische vermogenstechniek waarvan dit boek een beeld schetst.Jonkers maakte zich halverwege de jaren 90 zorgen over het verdwijnen van de zware elektrotechnische industrie uit Nederland. Smit Slikkerveer, Smit transformatoren in Ede, Heemaf in Hengelo en de Transformatorenfabriek Breda allemaal vertrokken ze richting de lagelonenlanden. Jonkers, zelf gepromoveerd vliegtuigbouwkundige en zoon van een sterkstroomingenieur, vroeg zich af hoe Nederland de kennis van elektrotechniek levend kon houden. Hij verzamelde een aantal deskundigen om zich heen onder wie prof.dr.ir. Jan Blom, directeur van de kEMA en later hoogleraar aan de TU Eindhoven, prof.ir. Lou van der Sluis (hoogleraar elektriciteitsvoorziening aan de TU Delft), dr. Wim van kampen, dr.ir. Bas gravendeel, ir. Peter Vaessen en nog enkele anderen. Uit die bijeenkomsten ontstond in 1995 de initiatiefgroep EMVT (elektromagnetische vermogenstechniek)1 die haar werkterrein aldus omschreef: EMVT omvat de multidisciplinaire kennis en middelen om transport en omzetting van elektrische energie in de gewenste vorm en in de gewenste tijd te doen plaatsvinden. Bij EMVT gaat het om een materile realisatie van elektromagnetische velden gespecificeerd in ruimte en tijd.(Initiatiefgroep EMVT, Van kampen, 1995). Bedrijven, kennisinstituten en vakgroepen uit universiteiten sloten zich erbij aan Een aantal jaar later deed zich de kans voor om in aanmerking te komen voor een innovatiegericht onderzoeksprogramma (IOP) van het Ministerie van Economische zaken, een instrument waarmee het ministerie volgens de website langdurige strategische samenwerking op het gebied van onderzoek tussen bedrijven en publiek gefinancierde kennisinstellingen wil stimuleren. In 2002 was het zover dat er een IOP-EMVT werd ingesteld, waarna de programmacommissie onder voorzitterschap van prof.ir. Michel Antal (oud-directeur dr. Neherlaboratorium) en met ir. geert Wessel Boltje (Agentschap NL, voorheen SenterNovem) als secretaris een tender uitschreef voor onderzoeksvoorstellen. 2 Voorstellen kwamen van TU Delft, TU Eindhoven en het CWI (Centrum voor Wiskunde en Informatica uit Amsterdam) in samenspraak met partners uit het bedrijfsleven. Blom en Van der Sluis formuleerden intelligente netten als overkoepelend thema. Daarnaast was er het verwante onder1

zoeksthema vermogensconversie. Die twee themas werden gekozen voor het IOP-EMVT en twee maal vier jaar ondersteund voor een bedrag van ongeveer 18 miljoen euro. In het kader van het IOP-EMVT onderzoeksprogramma hebben tien promovendi gewerkt aan de TUs van Delft en Eindhoven. In Delft lag het accent op hoogspanning en transportnet, in Eindhoven op distributienetten en het laagspanningsniveau. De promovendi zochten uit hoe het huidige elektriciteitsnet intelligenter en flexibeler gemaakt kan worden. Dat is nodig om in te spelen op een toekomst waarin naar verwachting steeds meer opwekking in en om wijken zal plaatsvinden en steeds minder vanuit grote centrales. Een van de problemen daarbij is dat lokale opwekking vaak een wisselend karakter heeft (denk aan zonneen windenergie) en niet onder controle staat van de netbeheerder. Dat maakt het niet eenvoudig om een elektriciteitsvoorziening in stand te houden die voldoet aan vastgestelde kwaliteitseisen. Aan de hand van de proefschriften van de tien promovendi doet dit boek verslag van de bevindingen. georgios Papaefthymiou ontwikkelt een wiskundig model dat wisselende belastingen van het elektriciteitsnetwerk simuleert. Muhamad reza berekent het maximale aandeel van duurzame

elektriciteit zonder dat er stabiliteitsproblemen optreden. Andrej Jokic onderzoekt de veranderingen op de elektriciteitsmarkt als gevolg van het groeiend aandeel groene stroom. Jody Verboomen laat zien hoe om te gaan met grootschalige rush-ins van groene stroom vanuit het buitenland. Cai rong toont aan dat gloeilampen een stuk gevoeliger zijn voor flikkeringen (als gevolg van snelle spanningsvariaties) dan spaar- en ledlampen. Sjef Cobben ontwikkelt een kwaliteitslabel voor elektriciteit aan de meterkast. Anton Ischenko berekent de stabiliteit van een smartgrid. Frans Provoost wijst plekken aan in het elektriciteitsnet waar intelligente knooppunten ingebracht kunnen worden. Johan Morren laat zien dat vermogenselektronica een belangrijke rol speelt bij de invoering van groene stroom. roald de graaff tot slot laat zien welke rol vermogenselektronica speelt in intelligente knooppunten van het net en in intelligente onderstations.

Het huidige ledenbestand bestaat uit Liander, Exendis, Early Minute Power Systems, EMforce, ECN, Enexis, HITEC Power Protection, Eaton Electric, Movares, KEMA, Ministerie van Defensie, Domotica Platform Nederland, MARIN, Mastervolt, PBF-group, Prodrive, Smit transformers, TU Delft, TU Eindhoven, Imtech, FME-CWM. Andere IOPs waren o.a.: Generieke communicatie, Genomics, Integrale Productcreatie en realisatie, Photonic Devices, Self Healing Materials, Mens-Machine interactie, Oppervlaktetechnologie en Precisietechnologie.

2

6



7

PRAKTIJK WINDENERGIE:

Het kan uiteindelijk wel uitDe windmolen in zijn tuin zorgt bij akkerbouwer Pieter van Maldegem voor de helft van de elektriciteit van zijn bedrijf en huishouden. De boer levert ook terug aan het net.Vlakbij de zee in bijna het noordelijkste puntje van het Nederlandse vasteland raast de wind onafgebroken hard. Het land is vlak. kilometers ver kan je kijken. Op wat boerderijen, dorpjes en bomen na, is er al eeuwen vrijwel niets te zien. Akkerbouwer Pieter van Maldegem bracht daar verandering in. Net even buiten het pittoreske dorp Vierhuizen zijn niet alleen meer de spitse middeleeuwse kerktoren en de wieken van de karakteristieke korenmolen te zien. Maar sinds 2008 ook de moderne windmolen van boer van Maldegem. Hij kwam op het idee door een andere boer, die even verderop in het dorp Eenrum een windmolen in zijn tuin had gezet. Wij zitten perfect voor windenergie. Het waait hier vaak en hard. ga je tien kilometer landinwaarts, dan wordt het snel minder. Van Maldegem wekt vooral voor zijn bedrijf op. De molen zit achter de meter. Dat betekent dat zodra de turbine elektriciteit levert, wij dat afnemen. Is er elektriciteit over dan leveren wij aan het net. Draait de molen niet, of niet hard genoeg, dan nemen wij elektriciteit af van het energiebedrijf. Een soort slimme meter houdt dat allemaal bij. De akkerbouwer vindt het verschil in prijs tussen de elektriciteit die hij levert en afneemt te groot. Voor het aanleveren krijg ik 5 cent per kilowatt uur, voor het afnemen betaal ik meer dan het dubbele. Dat verschil is wel erg groot. Toch kan het uit. Ik heb 75.000 euro betaald voor de molen en verwacht dat het ding twintig jaar blijft staan. Omdat wij grootverbruikers zijn en bijvoorbeeld grote koelinstallaties hebben, kan het uiteindelijk wel uit. De molen heeft een generator van 80 kilowatt. Maar dat halen we lang niet elke dag. Bij meer dan 3 meter per seconde gaan de bladen draaien. Ongeveer de helft van ons verbruik wordt nu opgewekt door de windmolen. Dat zou meer kunnen zijn. Maar het waait niet altijd als we elektriciteit verbruiken. En vice versa. Ik hoop op de komst van batterijen, waar elektriciteit in opgeslagen kan worden. Het aanvragen en verkrijgen van de vergunningen verliep veel eenvoudiger dan Van Maldegem dacht. Er is een speciaal provinciaal plan voor dit soort aanvragen. Ik moest nog wel een bouwvergunning aanvragen en mijn milieuvergunning aanpassen, maar dat ging makkelijk. Ik vind het wel jammer dat we niet boven de vijftien meter mogen uitsteken. Bij 25-30 meter zou de molen beter presteren. Inmiddels is boer van Maldegem niet de enige in de regio met een windmolen in zijn tuin. Er staat er ook een in het dorp kloosterburen, die werd tegelijk met de mijne aangevraagd. Ook door een boer. Ons plan vindt navolging. Dat is goed voor het milieu en onze portemonnee.

8



9

Naar het platte netDe intrede van windmolenparken en zonnepanelen heeft grote gevolgen voor de capaciteit van het elektriciteitsnet. Stel het waait hard op verschillende plekken. Dan wordt het net vanaf meerdere punten op onverwachte momenten gevoed. Het is daarom een must om een model te hebben dat die onvoorspelbaarheid voorspelt.Plots steekt een forse wind op. Net nog kabbelde het water. Maar de golven slaan nu tegen de palen van windmolens, die fier overeind staan in het water vlak voor de kust. De bladen van de turbines razen steeds sneller in de rondte tot ze op volle toeren draaien. Met als gevolg dat ze steeds meer elektriciteit opwekken. Via kabels bereikt de net opgewekte elektriciteit het net. Maar dat is nog niet alles, want tegelijkertijd waait het ook landinwaarts, een paar honderd kilometer verderop, flink. Op die manier wordt vanaf meerdere plekken plots veel stroom opgewekt. En dat zorgt voor een opmerkelijke, nieuwe manier van voeding. Traditioneel leveren kolen-, kern- en gascentrales aan het netwerk. gas kan men, net zoals een fornuis, aan en uit zetten. Dat is dus goed regelbaar. Eenzelfde soort principe geldt voor kolen- en kerncentrales ook deze zijn eenvoudig regelbaar en leveren stabiel. Dat betekent dat er een grote mate van zekerheid is wat betreft de opwekking: de centrales leveren wat gevraagd wordt. Maar die stabiele, zekere situatie verandert met de introductie van opwekking van duurzame elektriciteit. Want wanneer het precies gaat waaien, waar en hoeveel weet niemand van te voren. Met die onzekerheid krijgen de netwerken van de toekomst steeds meer te maken, naarmate het aandeel van duurzame opwekking toeneemt. Stel het scenario van bovenstaand voorbeeld voltrekt zich: de wind steekt plots op of de zon schijnt feller; hoe moet het netwerk daarop ingericht worden? Daarover brak de griekse promovendus Papaefthymiou zich het hoofd. Hij onderzocht daarbij grofweg de omschakeling van een verticaal naar een horizontaal net. Ons huidige net is verticaal. De opwekking geschiedt vanaf een klein aantal centrales, die op vaste plekken staan en via het net, een dood ding, leveren aan huishoudens en bedrijven. De centrales staan afgelegen, vaak aan de kust in verband met het gebruik van koelwater. De elektrische energie wordt via een hirarchische structuur getransporteerd: eerst via het hoogspanningsnet, dan bereikt het via middensspanning en laagspanning de eindgebruiker thuis of op kantoor, zegt Papaefthymiou. Duurzame energie opwekking zorgt voor een transitie naar een nieuwe horizontale structuur. Dit keer doen naast centrales die verbonden zijn aan het hoogspanningsnet ook kleinschalige systemen hun intrede in het midden- en laagspanningsnet. Die opwekking geschiedt op veel meer verschillende locaties en is ook nog eens onvoorspelbaar. Het vermogen gaat niet alleen verticaal van een hoog- naar een laagspanningsniveau, maar ook horizontaal via middenspanning naar de verbruiker thuis. Deze netten distribueren n leveren ook vermogen. kortom, het net is niet langer eendirectionaal maar bidirectionaal. Papaefthymiou concludeert dat een nieuwe aanpak op het vlak van modelleren nodig is, die toelaat om de onzekerheid van de opwekking te integreren in de analyse van het systeem. En dus inzicht te krijgen in het horizontale net. In wezen wil hij zo het onvoorspelbare voorspellen. In de wetenschap noemt men dat stochastisch modelleren. Hij gebruikte voor zijn berekeningen de Monte Carlo benadering (zie kader pagina 11). Met behulp van mijn onderzoek stel ik een algemeen afhankelijkheidsmodel op voor distributiesystemen, waarmee men een voorzichtig systeemontwerp kan maken, schrijft Papaefthymiou. zo wordt bijvoorbeeld duidelijk wat de capaciteit van kabels moet zijn als het op een plek hard kan waaien of juist niet. Maar ook: hoeveel circuits waar neergelegd dienen te worden geeft hij aan. Met behulp van het model bepaalt men bovendien hoeveel capaciteit vanuit een kolencentrale en een windmolenpark mogelijk is. Dankzij die modellen kunnen huidige kabelverbindingen worden aangepast. Maar het kan ook leiden tot de inrichting van nieuwe verbindingen, volgens Papaefthymiou. Voorbeelden daarvan passeerden de afgelopen jaren de revue. zo werd een kabelverbinding tussen Nederland en Engeland aangelegd. Vanaf de Maasvlakte kwam ook een nieuwe hoogspanningsverbinding met Beverwijk. Het onderzoek van Papaefthymiou kan in de toekomst uitstekend gebruikt worden bij nieuwe verbindingen. Er is geen standaard oplossing, elke verbinding is weer anders met verschillende omstandigheden en daar houdt het afhankelijkheidsmodel van Papaefthymiou rekening mee, licht zijn promotor Lou van der Sluis toe. Georgios Papaefthymiou, Integration of Stochastic Generation in Power Systems, TU Delft, 13 juni 2006, promotor Prof.ir. Lou van der Sluis.

10



11

Monte Carlo methodeDe Monte Carlo methode (ook wel Monte Carlo simulaties genoemd) is een verzamelnaam voor rekentechnieken die herhaalde berekeningen gebruiken met willekeurige ingangssignalen. De methode wordt gebruikt voor de simulatie van fysische en mathematische systemen, vooral wanneer een exacte wiskundige beschrijving van het systeem niet haalbaar is. bijvoorbeeld omdat het systeem te complex is of omdat er teveel verschillende variabelen in het spel zijn. Ook is de Monte Carlo simulatie geschikt voor de beschrijving van een complex systeem (zoals het elektriciteitsnet) dat te kampen heeft met grote variaties in de input. Denk aan variaties in zonlicht en wind in een elektriciteitssysteem met veel zonnepanelen en windmolens. Een Monte Carlo simulatie vertaalt variaties in de ingangsvariabelen in variaties in de uitgangsvariabelen van het systeem. De ingangsvariaties zijn gebaseerd op waarschijnlijkheidsverdelingen uit de praktijk, of ze worden aan relevante theorien ontleend. In feite bestaat een Monte Carlo simulatie uit een groot aantal simulaties van het systeem voor telkens een andere set ingangswaarden (die tot stand komen door een willekeurige steekproef uit de waarschijnlijkheidsverdelingen). De verzameling van alle berekeningen vormt zo een waarschijnlijkheidsverdeling van de uitkomst. Of uitkomsten als er meer dan een uitgangswaarde berekend wordt. Het resultaat is dan, anders dan bij een deterministische berekening, niet n enkele uitkomst, maar een waarschijnlijkheidsverdeling van mogelijke uitkomsten.

input verdelingen

Het is een veelgebruikte techniek geworden in tal van disciplines van de financile markten tot elektriciteitsnetwerken. De eerste toepassingen stammen uit het werk aan kernwapens in Los Alamos (VS) in de tweede helft van de jaren 40 van de vorige eeuw. De Poolse wiskundige Stanislaw Ulam had bedacht dat je de uitkomst van ingewikkelde processen (hij dacht aan patiencen) soms beter kon achterhalen door het een (groot) aantal keren uit te proberen, dan te proberen het precies te berekenen. Hij werkte het idee uit met de computerpionier John von Neumann, omdat het Ulam wel duidelijk was dat de herhaalde simulaties het best met een computer gedaan konden worden. Zoals alles in Los Alamos National Laboratory was ook dit project geheim en moest daarom een codenaam krijgen. Ulam koos voor Monte Carlo vanwege het casino daar waar Ulams oom geregeld zijn spaargeld verspeelde.

model

output variabelenOp die manier geeft een Monte Carlo simulatie informatie over de mogelijke waarden van de uitkomsten en de waarschijnlijkheden ervan voor bepaalde systeemkeuzes. De Monte Carlo methode is ook geschikt voor de simulatie van zeer complexe of niet-lineaire systemen. beleidsmakers maken er gebruik van om in hun beslissingen rekening te houden met onzekerheden.

12



13

Elektriciteitsnet van vandaag

Centrale opwekking, eendirectionale distributieTraditioneel voorzien een paar grote kolen-, gas- en kerncentrales via hoogspanningsleidingen de distributienetwerken op stadsniveau. Het hirarchisch top-down elektriciteitsnet vertakt zich in een steeds fijner wordende boomstructuur.

Kolen-, gas- of kerncentrale 28 in Nederland Onderstation 20 per centrale Distributiestation op stadsniveau 40 per onderstation Distributiestation op wijkniveau 180 per stadsdistributiestation Transformatorhuisje 250-500 per wijkstation Eindgebruiker 50-100 per transformatorhuisje

6

14



15

In dynamisch evenwichtDuurzame elektriciteit kan tot dertig procent van de opwekking uitmaken zonder dat er stabiliteitsproblemen in het transportnet ontstaan. Tot die conclusie kwam promovendus Muhamad Reza in zijn dissertatie.Dat het huidige net minder stabiel wordt door het invoegen van decentrale duurzame elektriciteit opwekkers zoals zonnepanelen en windmolens ligt voor de hand. Het waait immers niet altijd even hard en ook de zon schijnt niet op dezelfde tijden op dezelfde plek. Maar hoe instabiel wordt het transportnet precies? gaat het licht echt overal uit als het niet waait en de zon niet schijnt? Al jaren roepen critici van duurzame energie dat de onvoorspelbaarheid van golfzonne- en windenergie het net onherroepelijk instabiel maakt. Het zou leiden tot een forse toename van verstoringen of, nog erger, een algehele black-out. Dat zijn opmerkelijke uitspraken. Want we hadden geen inzicht in de precieze gevolgen, zegt Lou van der Sluis. Wat de invloed van meer duurzame elektriciteit opwekking op de stabiliteit van het transportnet is, was nog niet diepgaand onderzocht. Totdat Indonesir Muhamad reza het in zijn dissertatie in kaart bracht. Hij concludeert dat tot een niveau van rond de dertig procent er geen significant stabiliteitsprobleem optreedt in het transportnet. reza testte verschillende belastingscenarios in een zogenaamd 39-bus New England dynamisch testsysteem. Hij benadrukt dat het mogelijk is om meer dan dertig procent aan decentrale opwekkers, zoals windparken, op kleine schaal in te passen. Maar daarvoor moet dan wel meer nauwkeurig geregeld worden in het gehele systeem. Concluderend geldt hoe hoger de verwachting van decentrale duurzame energie opwekking, des te meer traagheid een rol speelt en spanningsondersteuning wordt toegepast, schrijft reza. Het elektriciteitsnetwerk wordt namelijk ingewikkelder door kleinschalige, decentrale opwekking. Dit valt te vergelijken met de ontwikkeling van vliegtuigen. Bij de allereerste vliegtuigen, zoals die van de gebroeders Wright, was het vaak geen ramp als de motor uitviel. Dan gleed de kist rustig naar beneden. Bij vliegtuigen van nu is dat wel een probleem. Neem een F16, die heeft de aerodynamica van een baksteen. Daar zitten zo veel regelaars in om het vliegtuig de lucht in te houden, dat er een groot probleem ontstaat bij het uitvallen van de motor. zo gaat het volgens reza ook met het horizontale elektriciteitsnet van de toekomst. Om dat in de lucht te houden zal er meer geregeld moeten worden, dan bij het oude, traditionele, verticale net. De zogenaamde rotorstabiliteit speelt daarbij een cruciale rol. Stel er is plots heel veel meer vraag naar elektriciteit dan wordt aangeboden. Dan ontstaan zogenaamde energieslingeringen. De gevraagde energie slingert de grote rotors aan van de verschillende machines, zoals generatoren, die met het transportnet verbonden zijn. Als die slingering van rotors over een bepaalde kritische grens gaat, en ze dus te hard draaien door de grote vraag, dan schakelt de beveiliging het apparaat af. Dan is de kans groot dat men van de regen in de drup belandt. Een sneeuwbaleffect van uitschakelingen resulteert in een black-out. Dat gebeurde in 2003 in Itali. De ergste storing in de geschiedenis van het zuid-Europese land verraste Itali volledig. Urenlang was er geen stroom, in grote steden vonden plunderingen plaats. Het slingeren van roterende massa bij verstoringen is al lang bekend. Maar de kans op een dergelijk effect neemt toe door meer duurzame energie opwekking. Windmolens hebben nog wel draaiende massa, maar de rotors zijn in diameter kleiner dan die van de huidige klassieke generatoren van grote centrales en draaien ook bij lange na niet zoveel toeren. zonnepanelen hebben bijvoorbeeld helemaal geen rotors. Daardoor is er in de toekomst in totaal minder draaiende massa. Met als groot gevolg dat het effect van verstoringen op de bestaande roterende massa toeneemt. En dat vermindert de stabiliteit van het net en vergroot de kans dat er een black-out optreedt. reza keek ook al verder dan dat er tot dertig procent decentrale opwekking geen significant probleem optreedt. Want wat moet er precies gebeuren als we die grens overschrijden? Dat hangt er volgens reza van af. Hij bekeek meerdere toekomstscenarios, die nog in detail uitgewerkt moeten worden. Is er bijvoorbeeld relatief veel windenergie of zijn er veel zonnepanelen? Van groot belang bij alle scenarios is in ieder geval dat er speciale regelaars komen. Door toepassingen van de regeltechnieken, kan de handhaving van de balans in het transportnet gerealiseerd worden, benadrukt reza. Op dit moment zijn er verschillende manieren waarop de vraag naar stroom wordt geanalyseerd. Er wordt gekeken naar de vraag over een paar seconden, minuten en dat loopt op tot uren, dagen, weken etcetera. Volgens Lou van der Sluis is het in de toekomst mogelijk om het aanbod vrijwel real-time nauwkeurig te regelen. Het onderzoek van reza zet een belangrijke stap in die richting. Stel dat we weten dat het minder hard gaat waaien. Dan kijk ik naar mijn nieuwe algoritmes en zie dat het aanbod afneemt. Het systeem moet daar snel op kunnen inspelen als we meer naar de rand van het systeem gaan vanwege onvoorspelbaarheid.

Muhamad Reza, Stability analysis of transmission systems with high penetration of distributed generation, TU Delft, 21 december 2006. Promotoren Prof.ir. Wil Kling en Prof.ir. Lou van der Sluis.

16



17

10

Elektriciteitsnet vanbidirectionale distributie Decentrale opwekking, morgenDecentrale opwekking, tweeweg distributieDoor de opkomst van ondermeer zonnepanelen, windturbines en worden afnemers ook producenten. steeds meer afnemers stroomopwekkende Cv-ketels veranderen Wijken kunnen (tijdelijk) zelfvoorzienend in producenten. Hierdoor kunnen wijken van elektriciteit tijdelijkworden in hun elektriciteitsverbruik. Het (tijdelijk) zelfvoorzienend worden in hun elektriciteitsverbruik. distributienetwerk wordt een uitwisselingspodium tussen Het distributienetwerk is niet langer boomstructuur wordtin het verbruikers en opwekkers. De een verdeelstation een eenrichtingsverkeer van centrale naar gebruiker, maar een netwerk van eilanden. uitwisselingspodium tussen gebruikers en opwekkers. Uit de boomstructuur van het traditionele elektriciteitsnetwerk groeit zo een netwerk van onderling verbonden eilanden.

Elektriciteitsnet van morgenDoor de opkomst van zonnepanelen en windturbines

11 7 380 kV 8 5 9 150 kV 6 50 kV 7 10 kV 5 9 3 7 5 3Bottum-up distributie Windmolens,distributie Bottum-up zonnepanelen en warmtekrachtinstallaties wekken lokaal stroom op waarmee ze in eerste instantie in hun eigen behoefte en die van Windmolens, zonnepanelen en warmtekrachtinstallaties wekken lokaal stroom de directe omgeving omgeving van stroom. Als er meer stroom wordt opgewekt op en voorzien hun voldoen. Als het aanbod de lokale vraag overtreft, vloeit de energie naar een hoger spanningsniveau om elders aan de vraag dan er lokaal gevraagd wordt, wordt de stroom naar hogere niveaus gebracht te voldoen of om te worden opgeslagen. Intelligente knooppunten om daar aan de vraag te voldoen of om te worden opgeslagen. Intelligente regelen als een soort elektrische verkeersleiders de vermogenstromen knooppunten regelen de vermogenstromen tussen vragers en aanbieders. tussen gebruikers en aanbieders.

1 2 3 4 4 3 5 6 7 8 2 9 230 VLokale Lokale opslag opslag

Huis met zonnepanelen Boer met windmolen Huis met zonnepanelenBoer met windmolen Transformatorhuisje Transformatorhuisje Tuinder met warmtekrachtTuinder met warmtekrachtinstallatie

installatie

Distributiestation op wijkniveau

Distributiestation op Oplaadstation wijkniveau elektrische autos Oplaadstation elektrische autos accus fungeren als buffer

accus fungeren als buffer

Distributiestation op stadsniveau

Distributiestation op stadsniveau

Luchtcompressie in mijnschacht energieopslag in in mijnschacht Luchtcompressieluchtenergieopslag in lucht Onderstation Hydro-opslag in Noorse bergen water de berg op pompen, water de berg op pompen, terugwinnen met turbine terugwinnen met turbine

Substation

10

Hydro-opslag in Noorse bergen

1Intelligente knooppunten knooppunten

Kolen-, gas- of kerncentrale 11 Kolen-, gas- of kerncentrale

Intelligente

18



illustratie: c 2011 www.kennisinbeeld.nl

19

StabiliteitHet is in de elektriciteitsvoorziening van groot belang het net stabiel te houden, het is een noodzakelijke randvoorwaarde voor een goede en betrouwbare bedrijfsvoering. Maar de stabiliteit bewaren is niet eenvoudig. Het elektriciteitsvoorzieningsysteem wordt niet voor niets beschouwd als een der meest complexe systemen door de mens ontworpen, gebouwd en bedreven. Het elektriciteitsnet bestaat uit een grote verscheidenheid aan componenten die samen een uitgebreid en ingewikkeld systeem vormen. Het elektriciteitsvoorzieningsysteem is niet alleen in staat grote hoeveelheden elektrische energie op te wekken en dit over grote afstanden te transporteren, maar om het ook, lokaal, over veel gebruikers te distribueren. In het net vindt een veelheid aan dynamische interacties plaats, die elk voor zich weer hun invloed op de verschillende netonderdelen hebben. Het is noodzakelijk om, van te voren, te weten hoe het systeem op mogelijke verstoringen reageert. Omdat deze verstoringen zich op verschillende tijdschalen kunnen afspelen is het nodig dit bij de analyse van de bedrijfsvoering te betrekken. Zo zijn er snelle, maar ook langzame oscillaties. De snelle oscillaties worden veroorzaakt door snelle veranderingen in het elektromechanisch gedrag van de synchrone generatoren die in de centrales of in de windparken elektriciteit opwekken. Maar ook het ingrijpen van de beveiliging van een component of van een netgedeelte kan aanleiding geven tot snelle slingeringen van stroom en spanning. Deze snelle verschijnselen spelen zich af op een tijdschaal van milliseconden tot seconden. De wat langzamere schommelingen zijn feitelijk elektromechanische slingeringen en worden veroorzaakt door het slingeren van de roterende massa van de synchrone generatoren rond het synchrone toerental, en resulteert in slingeringen van de netfrequentie. Met behulp van wiskundige modellen en computersimulaties wordt het systeemgedrag van het net geanalyseerd. Maar dit is niet de enige reden waarom het elektriciteitsvoorzieningsysteem zo complex is. Het is ook een niet lineair systeem, dat bedreven moet worden in een voortdurend veranderende omgeving: belasting wordt bij- of afgeschakeld en aan de opwekking kant moet continu geregeld worden om de balans tussen vraag en aanbod te handhaven. De stabiliteit hangt derhalve niet alleen af van wat voor verstoring er plaats vindt, maar ook van de bedrijfstoestand van het net op het moment dat de verstoring optreedt. Er wordt onderscheid gemaakt tussen verschillende soorten stabiliteit. De rotorhoek stabiliteit hangt samen met het vermogen van de synchrone generatoren om, nadat een storing is opgetreden, met elkaar in synchronisme te blijven. Het centrale element hierbij is de mate waarin de elektrische vermogens afgifte van elke individuele generator verandert als de rotorhoek wijzigt. Naast de rotorhoek stabiliteit is er de kleine signaal stabiliteit, het vermogen van het net om, bij het optreden van kleine verstoringen, in synchronisme te blijven. Door schakelhandelingen en regelacties aan de opwekkant vinden deze kleine verstoringen eigenlijk bij voortduring plaats. Een ander belangrijk fenomeen is spanningstabiliteit, of te wel het vermogen van het elektriciteitsvoorziening systeem om , binnen zekere grenzen, een constant spanningsniveau op alle knooppunten in het net te handhaven. Spanningstabiliteit is nauw verweven met de balans tussen aangevoerd en afgenomen reactief vermogen op de knooppunten in het net. Een onbalans hierin vertaalt zich naar een verandering in het spanningsniveau. Spanningsproblemen spelen zich daarom lokaal af en benvloeden zelden het systeem als geheel, dit in tegenstelling tot problemen met de rotorhoek stabiliteit. Frequentiestabiliteit hangt samen met de balans handhaving van het actieve vermogen. De normale bedrijfsfrequentie in het net is in Europa 50 Hz. De frequentie stabiliteit bepaalt in hoeverre het net in staat is het evenwicht hierin te bereiken of te herstellen na een verstoring en dit vanzelfsprekend het liefst zonder belasting af te moeten schakelen. Een onbalans in de actieve vermogensbalans manifesteert zich door langdurige frequentieschommelingen die kunnen leiden tot afschakelen van opwekeenheden of belastingen indien er onvoldoende reserve capaciteit voorhanden is of indien de regelingen niet bijtijds in de bedrijfsvoering ingrijpen.

20



21

Levendige handel op de elektriciteitsmarktDe toenemende bijdrage van duurzame opwekking heeft grote gevolgen voor de marktwerking in de energiesector. Minder voorspelbare bronnen zijn van invloed op de levendige handel in elektriciteit. Hoe kunnen bedrijven voortaan beter en veiliger inschatten waar en hoeveel elektriciteit ze op de lange- en korte termijn het beste kunnen in- en verkopen?Door de splitsing van de energiebedrijven zijn er tegenwoordig netwerken opwekkingsbedrijven. Eens was het een monopolistisch centraal aangestuurde organisatie, nu is een systeem ontstaan met vele partijen die onderling concurreren bij de opwekking en het gebruik van energie, benadrukt de kroaat Andrej Jokic. Tegelijk met de splitsing werd ook de marktwerking gentroduceerd. Daardoor gingen bedrijven op zoek naar het leveren van elektriciteit tegen minimale kosten. Jokic: Door deze transparante energiemarkt is de doelstelling verschoven van een die was gericht op de centrale minimalisatie van de kosten van de opwekkers tot een maximalisatie van de opbrengsten van alle individuele deelnemers. Een tweede belangrijke verandering in de huidige energiesystemen is een toename van kleinschalige, verspreide opwekking van energie. Omdat ze in de toekomst gebaseerd zijn op hernieuwbare energiebronnen, zoals wind en zon, hebben deze systemen een aanmerkelijk grotere onzekerheid dan die van vandaag de dag, volgens Jokic. Hij stelde daarom de cruciale vraag wat de invloed van duurzame energie is op het huidige systeem. Hij zoekt naar een vermogensverdeler die als nieuwe, dynamische, gedistribueerde regelstrategie deze marktprijzen in real-time aanpast. Maar Jokic geeft geen kant en klare oplossingen. Hij analyseert vooral welke gevolgen de introductie van nieuwe energieopwekkers heeft. Dat is ook nodig omdat energiemarkten sterk afwijken van standaard economische modellen. De vraag is vrijwel volledig ontkoppeld van de markt. ze is niet gevoelig voor de prijs en vertoont onzeker en onvoorspelbaar gedrag. Omdat elektrische energie niet efficint kan worden opgeslagen, moet de productie de vraag direct volgen. Het snel kunnen afstemmen van vraag en aanbod wordt in toekomstige energiesystemen een toenemend kritische factor door de groei van hernieuwbare, minder goed voorspelbare energiebronnen. Er zijn bijvoorbeeld belangrijke gevolgen voor investeringsbeslissingen. Energiebedrijven schatten voortdurend in hoeveel elektriciteit verbruikt wordt. zowel op de lange als korte termijn. Neem de viering van de nationale feestdag 14 juli in Frankrijk. Dat betekent dat bedrijven en fabrieken dicht zijn, maar wel elektriciteit opgewekt wordt en het voor Nederland voordelig kan zijn die om te kopen. De feestdag staat vast, dus daar kan men al lang van te voren op inspelen. Tegelijkertijd hebben de bedrijven lange termijn contracten over het aanleveren en opwekken van elektriciteit. Maar er worden ook draaiplannen gemaakt voor de volgende week of dag. Op al die tijdlagen heeft de introductie van meer duurzame energie invloed. Maar vooral de korte termijn is van groot belang. Want op korte termijn weet men pas of het gaat waaien en hoe lang de zon schijnt. gaat het flink waaien de komende dagen, dan kan het uitermate lucratief zijn om in te zetten op opwekking met behulp van windmolens. Daar komt nog bij dat energiebedrijven verplicht zijn om duurzaam opgewekte elektriciteit af te nemen. De reservecapaciteit speelt op de korte termijn een cruciale rol. Ook daar is een markt voor. Er is namelijk altijd extra

apparatuur die stand-by staat. Mocht er bijvoorbeeld een generator van een kolencentrale uitvallen en een tekort aan opwekking ontstaan, dan wordt dit gecorrigeerd met behulp van een generator die stand-by staat. Maar de overige generatoren kunnen ook extra vermogen leveren. Dat gebeurt op een fascinerende manier met behulp van de ballen van Watt (kader). Hierdoor zakt de frequentie in heel Europa vervolgens een beetje. Op deze manier wordt het systeem weliswaar in balans gebracht, maar is er uiteraard geen optimale verdeling. Aan het gebruiken van reservecapaciteit hangt een prijskaartje en dat is interessant voor de energiebedrijven. Er is een levendige handel in de reservecapaciteit en directe energie. Dat gebeurt op de APX-ENDEX, de Amsterdamse beurs waar energie wordt verhandeld. Men koopt en verkoopt in uurprijzen. Energiebedrijven

kunnen daar geld verdienen met behulp van het opwekken van elektriciteit. Stel dat er extra vraag wordt verwacht, dan is het lucratief als een bedrijf de extra generator voor reserve capaciteit in schakelt om extra energie te leveren. Jokic pleit ervoor met behulp van een analyse van de markt een nieuw autonoom netwerk te creren. Voor een dergelijk netwerk is een gebied nodig van een bepaalde omvang. Bijvoorbeeld zo groot als Nederland. Dat netwerk moet zichzelf bedruipen. En gaat daardoor overzichtelijk na wat er wordt opgewerkt en hoeveel vraag er is. Bij een tekort door een verstoring, kan men met behulp van bijvoorbeeld de ballen van Watt overzichtelijk ingrijpen. Het grote voordeel is dus dat zowel de verliezen als de opwekking helder in kaart worden gebracht en geregeld. Vervolgens kan men dit ook beprijzen en er met elkaar

binnen de markt over communiceren en onderhandelen. De gevolgen die de introductie van duurzame energie heeft, is groot. Een energiebedrijf dat investeert in groene opwekking, zal bijvoorbeeld extra elektriciteit leveren als het hard waait en de zon lang schijnt. Maar het geldt ook andersom. Valt de wind stil, dan moet men energie van een ander kopen. Dat is prijzig voor wie niet genvesteerd heeft in generatoren. Met behulp van het onderzoek van Jokic en zijn voorstel van een overzichtelijk, autonoom netwerk kunnen bedrijven deze risicos beter inschatten en regelen. En zich bewust worden van welke (financile) gevolgen dit heeft. Andrej Jokic, Integration of Stochastic Generation in Power Systems, TU Eindhoven, 10 september 2007, Promotoren: Prof. dr.ir. Paul van den Bosch en Prof. ir. Wil Kling.

22



23

De ballen van WattIn een poging om het revolutionaire potentieel van de stoommachine optimaal te benutten, vond de legendarisch ingenieur James Watt (1736-1819) eind achttiende eeuw zijn regelaar uit. Het zat zo ingenieus in elkaar dat het nog maar liefs honderd jaar duurde voordat het mathematische model bekend werd, dat de beginselen van de regelaar bloot legden. Dit gebeurde dankzij James Maxwell (1831-1879). Een regelaar is een apparaat dat in vele machines wordt toegepast en waarvoor een zekere mate van automatisering van de motorsnelheid nodig is. Een centrifugaalregelaar, die Watt uitvond, is een specifiek type regelaar dat de snelheid van een motor bepaalt. Dit gebeurt door de hoeveelheid brandstof te regelen. Met als resultaat: een vrijwel constante snelheid, onafhankelijk van de belasting of de omstandigheden van de brandstoflevering. Het gebruikt ditzelfde principe van proportionele controle. Dit is het duidelijkst te zien bij een stoommachine, waar het de toestroom van stoom uit de cilinders reguleert. Het wordt ook toegepast in interne verbrandingsmotoren en verschillende brandstofturbines. Hoe werken de ballen van Watt in de praktijk? Watts regelaar bestaat uit een roterende verticale schacht die twee scharnierende armen heeft. Deze zijn verbonden aan de bovenkant. Aan het einde van iedere arm zit een bal van een zekere massa, die vrij kan zwaaien in een verticale kom. De snelheid van de roterende schacht is direct gekoppeld aan de snelheid van de motor die het controleert. Een toe- of afname van de roterende snelheid heeft als gevolg dat de armen omhoog of naar beneden zwaaien. Daarmee wordt de hoek veranderd en de verticale as. Doordat de beweging van de armen verbonden is met een klep of remschakeling, zal de regelaar de snelheid van de motor benvloeden. Wie meer elektriciteit wil leveren aan het net, kan dat via deze ballen regelen. bij korte, extra vraag is het mogelijk dat de ballen een generator extra doen leveren om zodoende een verstoring van de elektriciteitsvoorziening te voorkomen.

24



25

Stoomketel

Stoomkraan

Stoommachine

Werking van de ballen van WattAan een draaiende vertikale as zijn twee scharnierende staven verbonden met aan de uiteinden een bal. De middelpuntzoekende kracht zorgt dat de ballen naar buiten willen bewegen. Het gewicht van de ballen en de stijfheid van twee veren bepaalt bij welke rotatiesnelheid van de as de ballen een bepaalde hoek bereiken. Een mechaniek koppelt de stand van de ballen met de stoomkraan tussen de stoomketel en de stoommachine.

Draairichting vliegwiel

Vliegwiel

In een stoomketel wordt stoom gemaakt. Een stoommachine drijft een vliegwiel aan. Het vliegwiel drijft via een as een dynamo aan.Doordat de stroomdraad ronddraait tussen de polen van een magneet wordt een stroom opgewekt. Bij een ideale generator is het opgewekte elektrische vermogen gelijk aan het mechanische vermogen van het vliegwiel (in de praktijk is het iets minder).

Dynamo

Meer stroomvraag werkt het vliegwiel tegen.

Als stroomverbruikers meer vermogen vragen dan er wordt opgewekt, neemt de stroom door de generator toe. Hierdoor wordt ook het koppel dat de rotatie van het vliegwiel tegenwerkt groter, waardoor het toerental van het vliegwiel afneemt.

Lager toerental leidt tot meer stoom.

De Watt-regelaar De Watt-governor is een niet-elektrische regelaar (uitgevonden door James Watt in 1788) die zorgt dat de rotatiesnelheid van een stoommachine constant blijft. Gebruikers elektrisch vermogen

Koppel werkt rotatie tegen.

De roterende as van het vliegwiel heeft een aftakking naar de Watt-regelaar. Als het toerental lager wordt, neemt de middelpuntvliedende kracht op de ballen af en zakken ze een beetje naar beneden. Daardoor trekt de hefboom de stoomkraan verder open zodat de stoommachine meer aanvoer krijgt en sneller gaat draaien. De afremming van het vliegwiel door de zwaardere belasting wordt zo gecompenseerd. De ballen van Watt, of sjieker: de Watt-governor, werkt als een mechanische terugkoppeling die het vermogen van de stoommachine automatisch aanpast aan de wisselende vraag naar elektrisch vermogen.

26



27

Vermogenspel zonder grenzenDuurzame energieopwekkers, zoals windmolens en zonnecellen, kunnen plotseling meer stroom leveren. Omdat Nederland met buitenlandse netten is verbonden kan er plots een vermogenstroom Nederland binnen komen. Het grote gevaar van overbelasting van het net ligt daarbij op de loer. Maar de vermogenstromen zijn te sturen met dwarsregeltransformatoren.In Europa zijn de elektriciteitsnetten van alle landen nauw met elkaar verbonden. Neem Nederland. Wij zijn over land gekoppeld aan Duitsland, Belgi en via zeekabels met Engeland en Noorwegen. De invoer van duurzame energieopwekkers heeft daarop gevolgen. Stel dat in Duitsland plots de wind fors toeneemt en er onverwachts veel vermogenstroom naar Nederland komt. Stroom zoekt dan de weg van minste weerstand. Het is net als bij de snelweg. Staat de A12 vol, dan zoekt het verkeer snel een alternatieve route. En zo is het mogelijk dat elektriciteit uit Duitsland Nederland binnenkomt. Plotseling veel extra elektriciteit op het Nederlandse net zorgt voor problemen, omdat het risico groot is dat het gehele net overbelast raakt. Dan schakelt de beveiliging het net af. En dat is niet alleen onnodig, maar ook zonde. Want is er niet wat met die extra stroom te doen? Het moet beter en anders geregeld worden. Stel nou dat er in Frankrijk op dat moment behoefte is aan extra stroom, dan is het verstandig dat het daar naar toe gaat. Tegelijkertijd kunnen in netten onder meer door extra vermogenstroom ook zogenaamde loop currents ontstaan. Dat zijn grote stromen die in een kring lopen. Dit geeft extra verliezen en die willen bedrijven natuurlijk zo laag mogelijk houden. Daarvoor is het van fundamenteel belang om de vermogenstroom onder controle te houden en in goede banen te leiden. Maar kunnen we die fysische wetten sturen? Dat onderzocht dr.ir. Jody Verboomen in zijn proefschrift Optimalisatie van Transportnetten met behulp van Dwarsregeltransformatoren. Verboomen concludeert dat dwarsregeltransformatoren een essentile rol spelen bij het in goede banen leiden van vermogenstroom. ze verdraaien als het ware de spanning met een zekere hoek. De werking valt te vergelijken met een knikker die op een plank naar de rand rolt. Als de plank op wordt getild bij die rand, rolt de knikker de andere kant op. Op een vergelijkbare manier werken dwarsregeltransformatoren. De drijvende kracht achter stroom is spanning. Als een vermogenstroom Nederland onverwacht binnenkomt, kan men fysiek ingrijpen door de dwarsregeltransformatoren actief tegenspanning op te laten wekken. zij verhogen op die manier de spanning en werken zo de vermogenstroom tegen. Met als gevolg dat de stroom, net als de knikker, de andere kant op gaat. Dat heeft gevolgen voor de praktijk. In het huidige systeem staan alle sluizen open. In het systeem van Verboomen houden dwarsregeltranformatoren de binnenkomende vermogenstroom tegen. Maar daarmee is de klus nog niet geklaard. Want de stroom gaat niet weg, die verdwijnt niet opeens. Maar vindt zijn weg andere kanten op en dat heeft gevolgen. Want als alle ons omringende landen ook dwarsregeltransformatoren hebben, dan wordt het effect van de spanningsverhoging dankzij de transformatoren natuurlijk opgeheven. Daarom is volgens Verboomen cordinatie tussen de buurlanden noodzakelijk. Hij wil via een algoritme een optimale situatie bereiken. Hoe moeten de dwarsregeltransformatoren optimaal ingesteld worden? En het is noodzakelijk om zeker te weten dat dwarsregeltransformatoren goed functioneren, want ze kosten miljoenen euros per stuk. Verboomen onderzocht dit door een zogenaamde Total Transfer Capacity in te stellen. Die geeft als indicator aan hoeveel vermogens er tussen twee aangrenzende zones onder veilige omstandigheden kan worden uitgewisseld, benadrukt Verboomen. Iedere combinatie van dwarsregeltransformatoren instellingen resulteert in een andere Total Transfer Capacity. Maar het kan nog eenvoudiger en praktischer volgens Verboomen. Men kan met behulp van een willekeurig, beperkt aantal geselecteerde combinaties aan de hand van een resulterend histogram van de Total Transfer Capacity een schatting maken van de slechtste en beste gevallen. Deze techniek heet de Monte Carlo Simulatie (zie kader Monte Carlo methode op pagina 9) en is weliswaar niet echt een optimalisatiealgorime, maar geeft wel een indicatie van de waarschijnlijkheid dat bepaalde systeemtoestanden voorkomen. De conclusies zijn veelbelovend. Het blijkt inderdaad dat een slechte cordinatie kan leiden tot kringstromen, waardoor ernstige overbelastingen ontstaan. Maar goed gecordineerde dwarsregeltransformatoren vermijden die loop currents. ze kunnen ook een evenwichtige belasting op de grenzen bewerkstelligen. Een optimaal gebruik van dwarsregeltransformatoren heeft nog meer voordelen. Dat kan resulteren in lagere operationele kosten, omdat ze vermogenstromen kunnen omleiden, waardoor mogelijkerwijs de inzet van dure piekcentrales in geval van congesties in het net wordt vermeden, aldus Verboomen. Optimalisatie van dwarsregeltransformatoren leidt tot een verbeterde netsituatie voor wat betreft transportcapaciteit en systeemveiligheid. Maar het is nog een uitdaging voor verder onderzoek om een manier te vinden om globale optimalisatie voor meerdere zones te vinden of om lokale optimalisaties binnen verschillende zones naast elkaar te laten staan. Jody Verboomen, Optimalisatie van Transportnetten met behulp van Dwarsregeltransformatoren, TU Delft, 13 oktober 2008, Promotor: Prof.ir. Wil Kling. Copromotor: dr. ir. Pieter Schavenmaker.

28



29

Het gebruik van dwarsregeltransformatorenDag in dag uit komt in Nederland de elektriciteit met een frequentie van 50 Herz en een constante spanning van 230 Volt uit het stopcontact. Omdat elektriciteit niet kan worden opgeslagen, moeten opwekking en belasting voortdurend op elkaar worden afgestemd. Regelacties voor het handhaven van de actieve vermogensbalans worden hoofdzakelijk uitgevoerd aan de kant van de opwekking, bij de generatoren dus. belasting afschakelen in een normale bedrijfstoestand is natuurlijk geen optie, dat gebeurt slechts in noodgevallen. De handhaving van de reactieve vermogensbalans, ook wel de blindlasthuishouding genoemd, gebeurt in de praktijk door het regelen van de bekrachtiging van de generatoren, door de standenschakelaar van de transformatoren te bedienen of door het bij- of afschakelen van condensatoren of spoelen. De synchrone generator in de centrale is een belangrijke component voor de regeling van zowel het actieve als het reactieve vermogen... Waarom is het zo belangrijk om dit alles te regelen? Laten we eens een eenvoudig systeem onder de loep nemen: n generator voedt n belasting. De belasting verandert voortdurend. Als het door de generator geleverde actieve vermogen plotsklaps toeneemt en er worden geen regelacties uitgevoerd, dan gebeurt er het volgende. Het mechanisch vermogen, geleverd door de stoomturbine in de centrale, blijft constant want de stoomtoevoer verandert niet. Om aan de actieve vermogensbalans te blijven voldoen komt de gevraagde elektrische energie uit de kinetische energie van de draaiende rotor. De rotatie van de rotor neemt af en dus daalt de frequentie van de door de generator geleverde elektriciteit. Als er nu geen regelacties worden uitgevoerd zet deze frequentie daling zich voort. bij een eenvoudig netje zoals hier geschetst, n generator en n belasting, regelen de ballen van Watt (zie pagina 23: De ballen van Watt) dat het mechanisch vermogen toeneemt door de stoomschuif in de stoomtoevoer naar de turbine verder te openen en de daling van het toerental wordt gestopt. bonden is met het aftakpunt, de fase van de spanning op het betreffende knooppunt benvloedt worden en daarmee de stroom door de hoogspanningsverbinding worden gestuurd. De amplitude van de spanning op het knooppunt waarmee de dwarsregeltransformator verbonden is blijft nagenoeg constant, alleen de fasehoek kan gevarieerd worden.

In het hoogspanningsnet kan vermogensturing en balans handhaving ook door middel van dwarsregeltransformatoren geschieden. bij vermogenstransformatoren zijn de laagspanningswikkelig en de hoogspanningswikkeling van een fase op dezelfde kern gewikkeld. Dwarsregeltransformatoren hebben een extra wikkeling, met een aftakking, rond de kern waarvan de spanning 90 graden uit fase is met de fase spanning Zandvliet die verbonden is met het midden van deze extra wikkeling. Door het aftakpunt regelbaar te maken kan nu de amplitude van de door deze Monceau extra wikkeling geleverde spanning gevarieerd worden. Door nu op een slimme manier de hoogspanningswikkeling en het aftakpunt van de extra wikkeling te schakelen kan door verandering van de regelschakelaar, die ver-

Meeden

Gronau

Van Eyck 1 en 2

30



31

Nieuw licht op een oud probleemElektrische verlichting was aan het eind van de negentiende eeuw de eerste en belangrijkste toepassing van het elektriciteitsnet (het lichtnet). Flikkeringen van gloeilampen, als gevolg van spanningsfluctuaties, zijn daarmee de oudste bron van ergernis met betrekking tot het elektriciteitsnet. De flikkermeter, een instrument waarmee de stabiliteit van het lichtnet wordt gemeten, is aan revisie toe omdat de gloeilamp, waarop het instrument gebaseerd is, verdwijnt.Nu aan het begin van de 21-ste eeuw de gloeilamp uitgefaseerd raakt (de verkoop ervan is in EU per 1 september 2012 verboden) en stroom in toenemende mate decentraal wordt opgewekt met zonnepanelen en windmolens, is de flikkermeter aan een revisie toe, aldus Dr. Cai rong. De Chinese elektrotechnisch ingenieur verrichtte haar promotieonderzoek Flicker Interaction Studies and Flickermeter Improvement niet toevallig in de lichtstad Eindhoven. gerard Philips begon hier in 1891 zijn gloeilampenfabriek, die uit zou groeien tot een wereldconcern. Maar binnenkort zijn gloeilampen uit de schappen verdwenen omdat spaarlampen en ledverlichting drie respectievelijk tien maal minder stroom gebruiken voor de zelfde hoeveelheid licht. Meer dan de helft van de klachten van consumenten over de stroomvoorziening (60 procent) heeft betrekking op flikkeringen. Er is een maat opgesteld voor de flikkeringen met de naam Plt, waarbij lt staat voor lange termijn. Volgens de standaard EN 50160 mag de Plt-waarde niet hoger zijn dan 1 dat is ongeveer de waarnemingsdrempel van flikkeringen. In Nederland wordt daar gemiddeld ruim aan voldaan, hoewel de waarde vanaf 1996 in tien jaar licht gestegen is van 0,3 naar 0,4. Metingen uit Sloveni laten zien dat mensen inderdaad massaal beginnen te bellen als de Plt hoger wordt dan 1. Er zijn daar flikkerwaarden van Plt = 4 gemeten. Al vroeg, zo rond 1920, is er heel fundamenteel onderzoek gedaan naar de waarneming van flikkeringen. Eerst ging dat over de vraag vanaf welke frequentie flikkerend licht voor de waarnemer overgaat in een constant licht (denk aan een filmprojector of een beeldscherm) en hoe dat afhing van de intensiteit van het licht. Dat experimentele werk leverde Porters Law op die stelt dat de kritische frequentie waarbij de flikkering verdwijnt evenredig is met het logaritme van de lichtsterkte. Met andere woorden: zwak licht flikkert meer. Latere onderzoekers gingen na bij welke frequentie en intensiteit een periodieke modulatie van de spanning nog net zichtbaar was (De Lange, vanaf 1950) of welk dipje in de spanning nog net waarneembaar was (C. rashbass rond 1970). Het toestel waarmee De Lange zijn metingen verrichtte is van een klassieke schoonheid. Het licht van een lamp passeert door draaiende polarisatiefilters (voor de modulatie) en komt via spiegels en diafragmas op een matglas terecht waar de proefpersoon met een oculair naar kijkt. De metingen van De Lange en rashbass zijn als weegfactoren terechtgekomen in de flikkermeter van de UIE/IEC (International Union for Electricity Applications/ International Electrotechnical Commission), een grijs kastje dat de stabiliteit van de netspanning meet. Het rekent periodieke en eenmalige spanningsvariaties om in een Plt-waarde. Maar, constateert Dr. Cai rong in haar proefschrift, daar zit een probleem. Immers, de metingen van De Lange en rashbass zijn gedaan met gloeilampen. Dat zegt echter niks over hoe spaarlampen en ledlampen reageren op spanningsvariaties in het lichtnet, terwijl die efficintere lichtbronnen de gloeilamp in een ras tempo verdringen. Wil de UIE/IEC flikkermeter een maat zijn voor wat mensen in hun woonkamer ervaren, dan moet de meter aangepast worden aan 21-ste eeuwse lichtbronnen, stelt rong. ze heeft dat gedaan door de weegfactoren in de flikkermeter bij te stellen voor de nieuwe lichtbronnen. Moderne lampen verschillen met de gloeilamp in kleursamenstelling en in de respons op spanningsvariaties, eenmalig of periodiek. We zijn in zekere zin weer terug bij het onderzoek van vijftig jaar geleden, zegt Prof.ir Lou van der Sluis (TU Delft), penvoerder van het IOP-EMVT project. Rong Cai, Flicker Interaction Studies and

Flickermeter Improvement, Eindhoven, 4 juni 2009. Promotoren prof.dr.ir. Jan Blom en prof.ir. Wil Kling.

32



33

Ander lichtRong vergeleek het licht van spaarlamp, ledlamp en gloeilamp onder een variabele voedingsspanning in een experimentele opstelling. Een computer stuurt de spanningsbron aan die 230 Volt wisselspanning geeft met een amplitudevariatie van 5 of 10 Volt en een modulatiefrequentie van 2 tot 25 Hertz. Op die spanning staat een lamp aangesloten in een gesloten witte kast. Aan de andere kant zit een glasfiber die het licht doorgeeft naar een spectrometer die het licht ontleedt in de samenstellende kleuren en de waarden van die spectrale samenstelling doorgeeft aan de computer. De kleur van het licht is van belang omdat het menselijk oog niet voor alle kleuren even gevoelig is. bij voldoende licht (fotopisch zien met de kegeltjes in het netvlies bij voldoende licht) is het oog het meest gevoelig voor geelgroen licht (golflengte 550 nanometer) en neemt volgens een klokvorm af naar beide zijden tussen 400 (paars) en 680 (rood) nanometer. Als de kleur van een lamp verandert door flikkeringen, dan heeft dat dus ook invloed op de waargenomen helderheid. Het spectrum van spaarlamp en ledlamp met twee of meer pieken verschilt sterk van dat van een gloeilamp dat meer weg heeft op de vloeiende kromming van een kerkklok. Ook de verschuiving van de pieken bij een gemoduleerde voedingsspanning is anders, en minder dan bij een gloeilamp. Waar het licht van een gloeilamp iets koeler wordt (bij een 2 Hertz flikkering met 10 Volt modulatie), verschuiven de pieken bij een spaarlamp juist naar langere golflengtes (warmer licht). Een ledlamp verandert bij een dergelijke flikkering nauwelijks van kleur. Hogere modulatiefrequenties (tot 25 Hertz) leverden een groter verschil in respons op. De lichtopbrengst van de gloeilamp daalde met toenemende flikkerfrequentie. bij een flikkerfrequentie van 25 Hertz was de lichtopbrengst nog maar een derde van die bij een stabiele spanning. Die teruggang is bij een spaarlamp en een ledlamp minder (16 respectievelijk 29 procent bij 25 Hertz). Samengevat blijkt de gloeilamp het meest gevoelig te zijn voor spanningsvariaties in het lichtnet, dan volgt de spaarlamp en de ledlamp (maar bij grote modulaties en hogere frequenties is de ledlamp weer gevoeliger dan een spaarlamp). De metingen van Rong kunnen als nieuwe weegfactoren opgenomen worden in de flikkermeter van de UIE/IEC, waardoor de Pltwaarden beter overeenstemmen met de waarneming van de klanten thuis dan de huidige meter. bovendien, constateert Rong, kan de netbeheerder klanten die klagen over flikkeringen een praktische raad geven: vervang uw gloeilamp door een modernere lichtbron en u zult er minder last van hebben.

34



35

Een korte geschiedenis van elektrisch lichtVerlichting was historisch een van de eerste toepassingen van elektriciteit. De netspanningen 110 en 220 Volt en de gestandaardiseerde netfrequenties 50 of 60 Hertz vinden er hun oorsprong in. GloeilampDe eerste lamp was een gloeilamp (Thomas Edison, 1879) die ook ruim 130 jaar later nog heel herkenbaar is. Binnen het glazen bolletje zit een dun draadje dat de stroom geleidt. Dat gloeit op en begint licht begint uit te stralen. Om oxidatie van de gloeidraad te voorkomen is de glazen bol gevuld met een inert (chemisch inactief) gas. De gloeilamp produceert naast licht vooral veel warmte (typisch 95 procent); het is een zeer gewaardeerde maar geen efficinte lichtbron. engloeilampiseenpureOhmseweerE stand. Dat betekent dat de stroom door de lamp in fase is met de spanning over de lamp. Het vermogen (40, 60, 75 Watt) wordt gebruikt als kengetal om onderscheid te maken tussen de aangeboden lampen. ehelderheidvaneenlampisintestelD len met een dimmer die de amplitude van de voedingspanning regelt. regelbare transformatoren of weerstanden zijn daarvoor te gebruiken, maar die zijn groot, duur en inefficint. Moderne dimmers werken elektronisch: ze hakken de voedingsspanning in stukken, waardoor de vorm van de spanning verandert, en daarmee het vermogen dat door de lamp vloeit en ook de hoeveelheid licht. en bijverschijnsel van dimmers is verE vorming van de netspanning. Dimmers sturen namelijk niet-sinusvormige stromen door het elektriciteitsnet. Die stoorstromen veroorzaken een spanningsval over iedere impedantie die ermee in serie geschakeld staat en dat leidt tot vervormingen van de netspanning. Vooral hoger-orde harmonische kunnen leiden tot een aanzienlijke spanningsval omdat de inductieve impedantie toeneemt met de frequentie, en daarmee ook de spanningsval over de impedantie. Het gevolg van de vervormingen is dat de netspanning op het aansluitingspunt bij de klant niet meer de ideale sinusvorm heeft. lamp verdampt de gloeidraad langzaam en de metaaldamp slaat neer op de binnenwand van de glazen bol. Uiteindelijk brandt de gloeidraad door en moet de lamp vervangen worden. Bij een halogeenlamp is het glazen omhulsel gevuld met een halogeengas dat zich bindt aan de metaaldamp en de metaaldeeltjes terugzet op de gloeidraad. Dit zelf-reparerende mechanisme maakt dat de temperatuur van gloeidraad hoger kan worden dan in een gewone gloeilamp. Hierdoor heeft een halogeenlamp een grotere lichtopbrengst.

stand te brengen. Meestal zijn ballast en starter in de armatuur van de lamp aangebracht. Tegenwoordig bestaat ook de elektronische ballast die zowel de stroom beperkt als een startspanning opwekt. Fluorescentielampen hebben door de ballast een inductief karakter en de stroom loopt bijna 90 graden achter bij de voe-

dingsspanning. In grote kantoorgebouwen resulteert dat in een grote blindstroom (een stroom die +/- 90 graden uit fase is met de spanning) en een aanzienlijk reactief vermogen. Dat is elektrisch vermogen dat als gevolg van het faseverschil tussen stroom en spanning niet geregistreerd wordt door de verbruiksmeter. Daarom Gloeilamp Spaarlamp 10.000 14 3,95 700 140,5 19,75 159,75 LED 50.000 6 35,95

zijn in kantoren tl-buizen vaak gecompenseerd met condensatoren, zodat de condensatoren het reactief vermogen leveren, en niet het elektriciteitsbedrijf.

SpaarlampCompacte fluorescentielampen of spaarlampen hebben een ballast die gentegreerd is in de behuizing. De spaarlampen zijn tegenwoordig zo ontworpen dat ze niet meer plaats innemen dan een gloeilamp. ze kunnen daardoor gemakkelijk gebruikt worden in plaats van gloeilampen. Een nadeel is dan wel dat ze niet te dimmen zijn.

TL-balkTegenwoordig is de fluorescentielamp de meest voorkomende lichtbron. Hierbinnen vinden elektrische ontladingen plaats waarbij door de botsingen van elektronen met kwikionen ultraviolette straling vrijkomt. Fluorescerend poeder aan de binnenkant van de lamp zet ultraviolette straling om in zichtbaar licht. Fluorescentielampen geven minder warmte af (dan gloeilampen bij dezelfde hoeveelheid licht) en ze gaan ook langer mee. Maar anders dan een gloeilamp kunnen ze niet zondermeer op de netspanning aangesloten worden. Er is een ballast nodig (uitgevoerd als een spoel in serie met de lamp) om de stroom van de gasontlading door de lamp te beperken. Daarnaast is er een starter nodig om de gasontlading tot Levensduur Watt equivalent Prijs per lamp kWh over 50.000 uur kosten verbruik 50.000 uur ( 0,20/kWh) Aantal lampen 50.000 uur kosten lampen 50.000 uur Totaal kosten 50.000 uur

1.200 60 1,25

LED3.000 600,42 52,50 652,50 300 60,1 35,95 95,95 Het is te verwachten dat op termijn alle verlichting vervangen zal worden door LED-verlichting. Het belangrijkste voordeel van een light emitting diode (LED) is het lage energiegebruik, gekoppeld aan een lange levensduur. Die eigenschappen dragen eraan bij dat LEDs, veelal in (gekleurde) clusters, steeds vaker de voorkeur genieten boven gloeilamp en spaarlamp.

HalogeenlampDe halogeenlamp is een verbeterde versie van de gloeilamp. In een gewone gloei-

Gegevens: www.eartheasy.com

36



37

PRAKTIJK ZONNE-ENERGIE:

Zonder subsidie gaat het betermet die mevrouw? Daarna wilden ze de boot niet missen. Terugkijkend constateert Minnesma dat de subsidie van het rijk (SDE of stimulering duurzame energieproductie) de introductie van zonneenergie meer kwaad dan goed heeft gedaan. De subsidie werd een maal per jaar toegekend. Tweeduizend mensen kregen dan wat en 40 duizend niet. Die rest ging dan op zn rug liggen, want je gaat niet iets kopen dat duurder is dan de buurman die wel subsidie heeft. We zijn beter af zonder SDE subsidie. Dat is ze in Den Haag ook niet ontgaan. Daar wordt Urgenda nu misbruikt als argument om subsidies af te schaffen omdat het zonder beter gaat. Maar ja, het is wel waar. Onze actie heeft veel publiciteit gekregen in tvprogrammas als EenVandaag en radar. Mensen beginnen dan te denken: Oh, het kan dus wel. Als je maar vaak genoeg zegt dat zonne-energie kan, dat het rendabel is en dat de apparatuur 30 tot 40 jaar meegaat, gaan mensen toch nadenken. Ook door de 50 duizend panelen die door ons nu op de daken beginnen te verschijnen. Dat effect begint nu al. Mijn moeder heeft ook twaalf panelen besteld, en haar buurman vraagt nu ook al. Urgenda heeft de markt opgeschud. Honderden installateurs hebben zich bekwaamd in de montage en aansluiting, greenchoice is een actie voor zonnepanelen begonnen (voorlopig alleen in Noord-Holland) en er komen leaseconstructies voor zonne-installaties. Er begint innovativiteit op te komen, constateert Minnesma. De zonnemarkt loopt nu.

In drie maanden tijd zette Stichting Wij Willen Zon net zoveel zonnepanelen weg als de officile duurzame energieregeling SDE en de rest van Nederland in een jaar. Initiatiefneemster Marjan Minnesma, tevens directeur van actieorganisatie Urgenda, constateert dat de zonnemarkt is opengebroken.Dat Nederland zo achterloopt met duurzame energie in vergelijking met zeg Duitsland, Denemarken of Spanje stoorde Minnesma mateloos. Maar somberen zit niet in haar karakter. ze had al langer contact met Werner ten geusendam van Private Energy die goed thuis was in de Chinese industrie voor zonnepanelen en omvormers. Het idee was om een gunstige prijs te bedingen voor een grote partij (10 megawatt of 50 duizend panelen) en daarmee de markt op te gaan. Half oktober kreeg Minnesma opeens het bericht dat er een korting van ruim 30 procent was bereikt. Dat opende mogelijkheden. ze vertelde over haar plannen in een interview met Trouw in het kader van de Dag van de Duurzaamheid (11 november) en de volgende dag opende het dagblad met de kop: Urgenda stunt met zonnepanelen. Ik had net een secretaresse en die werd gelijk overspoeld met honderden telefoontjes en emails. Mensen wilden weten of de panelen zwart of blauw waren. Wisten wij veel. Wij naar onze mensen in China bellen. Oh, blauw. Okee. Dat zetten we dan op de website. zo groeide de lijst met informatie op internet, en de telefoontjes namen af. De Stichting had weinig tijd voor de bestellingen. Oorspronkelijk amper een maand (tot 7 december 2010), maar dat werd later met een ruim maand verlengd tot eind januari 2011. Dat gaf Minnesma en haar ploeg respijt om tot diep in de nacht mensen te mailen om hun aanbetaling in orde te maken. Ook de installatiebranche begon zich te melden. Het was een aantal gespecialiseerde bedrijven een doorn in het oog dat ook bedrijven met minder ervaring zich konden laten bijschrijven op de site van wijwillenzon.nl. Minnesma: Er kan veel misgaan, waarschuwde een meneer mij. Natuurlijk kan er veel misgaan zei ik, maar als er n meneer vergeet om het gat in het dak met PUr-schuim af te dichten en er komt lekkage, daar ga ik het toch niet voor afzeggen. Daar leert die meneer van voor een volgende keer. Na zon bijeenkomst, en zeker naarmate het duidelijk werd dat Urgenda de 10 megawatt ging halen, begonnen steeds meer installateurs zich te melden. Eerst dachten ze: gaat dat wat worden

38



39

Een kwaliteitslabel in de meterkastDe kwaliteitseisen aan de netspanning worden strenger. Tegelijkertijd staat die kwaliteit onder druk door bezuinigingen en een groeiend aantal kleine producenten. Een keurmerk voor de netspanning, genspireerd op het energielabel van koelkasten met een kwalificatie van A (goed) tot F (beroerd),afwijkingA B C D E F

Cobbens keurmerkHet keurmerk dat Cobben introduceert omvat verschillende aspecten van de netspanning zoals spannningsniveau, flikkeringen en harmonische vervorming. De gebruikelijke methode om daar een kwaliteitslabel aan te koppelen is de percentiel-methode. Zo luidt de eis voor flikker in de netspanning dat 95 procent van de gemeten waarden kleiner is dan 1. Dat kan betekenen dat het gemiddelde 0,8 bedraagt bij een standaarddeviatie van ongeveer 0,1, maar ook een gemiddelde waarde van 0,5 met een standaardafwijking van 0,2. De 95-percentiel zegt dus niet zoveel over het kwaliteitsniveau. In plaats daarvan stelt Cobben een classificering voor op basis van gemiddelde waarde en standaardafwijking, de STAV-methode. In een grafiekje staat de gemiddelde waarde langs de horizontale as, en de standaardafwijking langs de verticale as. De beste kwaliteit heeft stroom met een lage gemiddelde waarde voor de flikker (Plt < 0,3) n een lage standaardafwijking. Hoe verder echter een meetpunt van de oorsprong verwijderd is, hoe slechter de stroomkwaliteit. Cobben geeft dat aan met diagonale banden die een slechter kwaliteitskenmerk (A tot en met F) aangeven naarmate het meetpunt verder verwijderd ligt van de oorsprong. Een dergelijke classificering is ook te geven voor andere spanningskenmerken zoals spanningsniveau en harmonische vervorming, waarbij de eisen van de toezichthouder zoals vastgelegd in de zogenaamde grid code maatgevend zijn. Voor dips in de spanning is het plaatje iets ingewikkelder. Dips zijn plotselinge dalingen in de netspanning die in duur kunnen variren tussen enkele milliseconden en ettelijke minuten en in grootte uiteenlopen van enkele procenten tot een totale wegval van de spanning. kortdurende dips (tot een halve seconde) vinden hun oorsprong meestal in het hoogspanningsnet (denk aan een blikseminslag op een hoogspanningsleiding). Storingen in het distributienet leiden tot dips van hooguit een seconde. Langere dips vinden hun oorsprong meestal in het laagspanningsnet. Cobben classificeert de dips in een tabelletje naar duur (van 0,01 seconde tot een uur) en naar de overblijvende spanning (van 100 tot 0 procent). Een korte oppervlakkige dip verdient een kwalificatie A (zeer goed) en een zware lange dip is een F-je (zeer slecht).

moet houvast bieden.De kwaliteit van de netspanning aan de meterkast is een veelkoppig monster. Om te beginnen zijn er diverse technische criteria zoals spanning, frequentie, harmonische vervorming van de wisselspanning en kortere of langere dips in de spanning. Verder kan een spanningsvariatie op het aansluitpunt het gevolg zijn van een verstoring op het hoogspanningsnet, het distributienet of het laagspanningsnet. Dan zijn er nog de verschillende partijen die een rol spelen: netbeheerder, afnemers, producenten van elektrische apparatuur en de toezichthouder. Wat het geheel nog complexer maakt is dat een toenemend aantal afnemers verandert in kleine producenten zodra de zon schijnt. Dat verhoogt de spanning op het laagspanningsnet (vooral aan de uiteinden) en het kan ook rare vervormingen van de sinusvormige netspanning opleveren. Het ontwerp van een keurmerk voor de kwaliteit van de netspanning is dus even welkom als complex. In het beste geval vereenvoudigt zon keurmerk de handhaving van een bepaalde kwaliteitsstandaard en maakt het de communicatie erover eenvoudiger. In zijn promotieonderzoek heeft dr.ir. Sjef Cobben een vertaalslag gemaakt van kwaliteitsaspecten van de netspanning naar een eenvoudige ABCDEF-classificatie, zoals al bestaat voor het energiegebruik van autos, huishoudelijke apparatuur en woonhuizen. Daarnaast heeft Cobben de netspanning onderzocht van een bungalowpark dat met zonnepanelen is uitgerust, en hij komt tot de conclusie dat deze vorm van decentrale opwekking de kwaliteit van de netspanning niet perse nadelig benvloedt. Sterker nog, de kwaliteit van de spanning kan erdoor verbeteren. Het huidige kwaliteitsbewakingsprogramma heeft een zeer beperkt aantal meetpunten en is voornamelijk geconcentreerd op de netwerken voor hoogspanning en middenspanning. Het hoogspanningsnet is van 26 vaste meetpunten voorzien, het middenspanningsnet bevat 60 meetpunten voor 600 duizend aansluitingen. Het laagspanningsnet tot slot heeft ook 60 meetpunten, maar voor ongeveer zes miljoen aansluitingen. Dat geeft weinig idee van hoe het gesteld is met de kwaliteit van de spanning aan de meterkast. Cobben stelt: Er moet een intensief meetprogramma gestart worden om informatie te krijgen over de kwaliteitsniveaus van de spanning in de netwerken. Dat moet op een manier gebeuren die de analyse van de data eenvoudig en praktisch maakt. In de kwaliteitsrapporten van de afgelopen jaren zijn wel enkele trends te bespeuren. zo is de gemiddelde spanning in het laagspanningsnet vanaf 1998 tot 2004 stapsgewijs verhoogd van 220 naar 230 Volt. De totale harmonische vervorming (afwijking van de ideale sinusvorm) ligt vrij constant op 3 procent. Opvallend is echter de toename van de flikkeringen in het laagspanningsnet. Volgens Cobben is dat het gevolg van het gebruik van steeds meer apparaten met een hoog vermogen (waterkokers, stofzuigers, hogedrukspuiten) en van de aansluiting van installaties zonder toestemming en zonder toezicht. Er zijn tegenmaatregelen nodig om deze ontwikkeling te stoppen, schrijft Cobben, en er zullen eisen moeten komen voor de aansluiting. Denk bijvoorbeeld aan een installatie met zonnepanelen die met een inverter aan het net verbonden is. Een inverter zet de gelijkspanning om in wisselspanning met vermogenselektronica (zie ook hoofdstuk De ontbrekende schakel). Vooral goedkopere uitvoeringen leveren vaak een hoekige wisselspanning (in tegenstelling tot een gladde sinusvorm) met veel harmonische vervorming. Technisch kan dat beter, maar zolang er geen wettelijke eisen gesteld worden aan dergelijke vermogenselektronica gebeurt dat niet, stelt Cobben.

185

215

Spanning

245

275

A B C

afwijking

D E F

0

1

2

Plt (mate van flikkering)

40



41

Netspanning: vorm en frequentieCobbens keurmerk geeft met zes letters een goede indruk van de kwaliteit van de netspanning. Een slimme stroommeter zou wekelijks zon kwaliteitsrapportje op kunnen stellen en doorsturen aan de energiemaatschappij of de netbeheerder. Het door Cobben ontwikkelde stroomlabel is al in gebruik bij Alliander en Westland Energie. De toename van zonnepanelen bij particulieren wordt vaak gezien als een verstorende factor op de kwaliteit van de netspanning. Cobben laat zien dat dit niet perse het geval is. Sterker nog, als een lokaal netwerk (of micro grid) sterk genoeg is, kan het dips verminderen door tijdelijk even meer vermogen in het elektriciteitsnet te pompen. Daarvoor is dan wel nodig dat het micronetwerk over een vorm van opslag beschikt. In de praktijk is dat zelden het geval. Cobben deed praktijkmetingen aan het netwerk in vakantiepark Bronsbergen met een piekvermogen van 315 kW aan zonnepanelen op de daken van 108 bungalows. Voor een soepele inpassing van meer decentrale opwekking moet de inspanning van beide kanten komen, vindt Cobben. zo moeten er strengere eisen gesteld worden aan de (leveranciers van) vermogenselektronica om resonanties in het net en daarmee samenhangende harmonische vervorming te voorkomen. Aan de andere kant zou de netbeheerder wat soepeler moeten worden. Een bovenlimiet van 106 procent van de nominale spanning is achterhaald en zou bijgesteld moeten worden tot 110 procent, schrijft Cobben. Wie nu meer dan 106 procent levert, wordt na 0,1 seconde afgeschakeld. Ook daarin zou Cobben wat meer coulance willen zien. Sluit niet onnodig af, schrijft hij, maar probeer tot een redelijk compromis te komen. J.F.G. Cobben, Power Quality Implications at the Point of Connection, Eindhoven, Eindhoven, 12 juni 2007. Promotor prof.ir. Wil Kling en copromotor dr.ir. Johanna Myrzik. Wisselspanning kan verschillende vormen hebben: sinus-, blok- en driehoekvorm komen allemaal voor. Maar voor vermogensystemen is de sinusvorm het meest geschikt omdat dan alle spanningen en stromen binnen het systeem sinusvorming blijven en dezelfde frequentie houden. Vermogensystemen kunnen als lineaire tijd-invariante dynamische systemen beschouwd worden. binnen zon systeem kunnen stroom en spanning diverse bewerkingen ondergaan zoals vermenigvuldiging met een bepaalde factor, optellen en aftrekken en vertraging (faseverschuiving). Wanneer het ingangssignaal sinusvormig is met een constante frequentie, is het uitgangssignaal eveneens sinusvormig en heeft dezelfde frequentie. Dat geldt ook voor integratie of differentiatie van het signaal. Het uitgangssignaal mag verschillen in amplitude en een faseverschil hebben met het ingangssignaal, de frequentie en de vorm blijven ongewijzigd. Dat heeft als voordeel dat alle componenten in het systeem ontworpen kunnen worden voor die sinusvorm. De keuze van de netfrequentie is minder willekeurig dan men zou kunnen denken. Tussen 1885 en 1900 is er in de Verenigde Staten een hele reeks van verschillende wisselspanningfrequenties toegepast: 140, 133 1/3, 125, 83 1/3, 66 2/3, 60, 50, 40, 33 1/3, 25 en 16 2/3 Hertz. Iedere frequentie had zijn eigen toepassing. Uiteindelijk koos men in Noord-Amerika, brazili en Japan voor 60 Hertz en in de meeste andere landen voor 50 Hertz. Maar nog steeds zijn ook andere frequenties courant. De spoorwegen bijvoorbeeld maken in Europa gebruik van 16 2/3 Hertz en in Amerika van 25 Hertz. Vierhonderd Hertz is een veelvoorkomende frequentie aan boord van vliegtuigen, schepen en boorplatforms. Een te lage frequentie, zeg 10 of 20 Hertz, is onbruikbaar voor verlichting omdat het licht dan hinderlijk flikkert voor menselijke waarnemers. Maar ook hoge frequenties hebben nadelen. Zo nemen verliezen in transformatoren door hysterese evenredig toe met de frequentie, en verliezen door wervelstromen zelfs met het kwadraat van de frequentie. De capacitieve reactantie tussen kabels en hoogspanningsleidingen neemt af bij hogere frequenties (omgekeerd evenredig met de frequentie). De inductieve reactantie van een leiding neemt juist toe met de frequentie en daarmee ook de spanningsval over die leiding. Tot slot zal de elektromagnetische interferentie met radioverkeer toenemen bij een hogere netfrequentie . Daar staat tegenover dat transformatoren, elektromotoren en generatoren bij een hogere frequentie meer vermogen kunnen leveren bij minder gewicht. Met andere woorden: kleinere componenten kunnen bij hogere frequenties hetzelfde vermogen leveren. Voorbeeld: wanneer we een generator sneller laten draaien, dus een hogere systeemfrequentie instellen, kan dezelfde machine een hoger vermogen leveren, of een kleinere machine kan het zelfde vermogen leveren. Elektrotechnische ingenieurs kennen deze wetmatigheid als de Formule van Esson (rond 1890) die een algemene uitdrukking geeft voor het vermogen van een elektrische machine (motor of generator).

42



43

PRAKTIJK WKK:

Houtsnippers waren gewoon goedkoperVink nam de installatie in 2007 in gebruik. Het eerste jaar waren er veel problemen en storingen. Het was allemaal nieuw wat ze deden met een ketel van Stork, een turbine uit Duitsland en dat werd allemaal samengebouwd. ze hebben het bij mij geleerd. Na een jaar echter waren de kinderziektes voorbij en sindsdien loopt het systeem, gebouwd door Ingenieursbureau HoSt en Imtech-Vonk, probleemloos. Toch is het niet waarschijnlijk dat er veel van dergelijke installaties bij zullen komen. De prijs van houtsnippers is namelijk flink gestegen. (2,5 kilogram droge houtsnippers geeft evenveel warmte als 1 kubieke meter gas). Volgens Vink is dat het gevolg van het Duitse groene energiebeleid: Duitsland is zo verschrikkelijk groen dat er een flinke subsidie wordt gegeven op het stoken op houtsnippers. Daardoor is de vraag de afgelopen vijf jaar flink toegenomen. Tot in Friesland is de aantrekkingskracht van de Duitse subsidie te merken. Vink vat het bondig samen: Hoe meer subsidie, hoe hoger de prijzen. Qua CO2-uitstoot presteert de installatie voorbeeldig, wat met het oog op de uitstoot van broeikasgassen en de klimaatverandering een pre is. Dat komt door de unieke combinatie van rendement, biobrandstof en filtering van rookgassen. Een hoog rendement minimaliseert de uitstoot van kooldioxide, dat geldt voor iedere wkk-installtie. In dit geval komt daar bij dat de CO2-uitstoot anders dan bij fossiele brandstof niet bijdraagt tot de verhoging van de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer omdat bij de groei van hout (vrijwel) net zoveel CO2 wordt opgenomen als dat er bij verbranding vrijkomt. kort gezegd: biobrandstof is CO2-neutraal. Tot slot bevat de installatie een filter (een wasser in het jargon) dat kooldioxide uit de rookgassen afvangt. Het is de bedoeling dat te gebruiken als extra meststof in de acht hectare paprika- en komkommerkassen. Als dat lukt, en dat hangt ervan af of er geen schadelijke gassen met het CO2 meekomen, dan heeft Vink-Sion netto geen CO2-uitstoot, maar een CO2-opname. Vink zelf lijkt het milieuaspect niet bovenmate te interesseren. Hij is vooral bezig zijn bedrijf te runnen te midden van diverse subsidieregelingen, veranderende brandstofprijzen en recentelijk ook nog de voedselhysterie. Vanwege de onrust rondom de EHEC-bacterie heeft hij zijn komkommers maar eerder geruimd dan hij van plan was. Wanneer over drie weken de eerste pluk weer plaats kan vinden, is het weer als vanouds komkommertijd.

Het was niet uit milieuoverwegingen dat tuinder Jaap Vink uit beetgum een houtgestookte wkk-installatie aanschafte. Het leek destijds, rond 2005, gewoon heel concurrerend vanwege de lage brandstofprijs.Intussen is de prijs voor houtsnippers verdubbeld en is het bedrijven van de installatie volgens Vink moeizamer geworden. Nog steeds is hij de enige tuinder in Nederland met een houtgestookte wkk-installatie. Warmtekrachtkoppeling (wkk) is een veelgebruikte techniek onder tuinders. Omdat tegelijkertijd elektriciteit wordt opgewekt en de restwarmte gebruikt wordt voor verwarming van de kassen, is het rendement van dergelijke systemen heel hoog. Voor centrales worden waarden tot 85 procent genoemd. De bio-wkk installatie van Jaap Vink komt zelfs hoger uit omdat relatief veel warmte vrijkomt bij de condensatie van rookgassen van houtsnippers. Veel tuinders kiezen voor gasmotoren die een generator aandrijven en waarvan de koelwarmte gebruikt wordt om de kas te verwarmen. Om houtsnippers te gebruiken is een ingewikkelder installatie nodig met een stoomketel. De ketel wordt verhit tot er stoom ontstaat van 400 graden Celsius onder 50 bar druk. Die stoom drijft een turbine aan en een generator. De restwarmte uit de stoom en uit de rookgassen wordt gebruikt om het retourwater uit de kassen mee te verwarmen. De installatie bij Vink Sion bv levert 1,15 megawatt aan elektrisch vermogen en 5,5 megawatt aan warmte (waarvan 1,5 megawatt door condensatie van de rookgassen). zelf gebruikt het bedrijf 15 tot 20 procent van de elektriciteit, zodat het aan het net geleverd vermogen iets minder dan 1 megawatt bedraagt. Daarvoor ontvangt Vink een stroomprijs van ongeveer 6 cent per kilowattuur plus 9,6 cent subsidie volgens de MEP-regeling (milieukwaliteit elektriciteitsproductie), een subsidieregeling die in 2006 werd gestopt en in 2008 werd vervangen door de stimuleringsregeling duurzame energie (SDE).

44



45

Hoe stabiel is eigenlijk een smartgrid?Naar verwachting zullen er de komende tijd steeds meer kleine producenten elektriciteit invoeden op een distributienet, dat daar nooit voor bedoeld is. Levert dat een stabiele stroomvoorziening op en onder welke voorwaarden? Dr. Anton Ishchenko rekende het uit.Ishchenko, elektrotechnisch ingenieur uit rusland met belangstelling voor duurzame energiebronnen, noemt het een paradigmaverandering die ons te wachten staat - een fundamentele verandering in de manier waarop de elektriciteitsnetten ontworpen en gebruikt gaan worden. Die verandering is niet zonder gevaar, want niemand garandeert dat het elektriciteitsnet zoals dat de afgelopen eeuw gegroeid is stabiel en betrouwbaar blijft functioneren als de manier waarop elektriciteit in het net gevoed wordt helemaal verandert. Traditioneel voorzien een klein aantal grote centrales (28 voor heel Nederland) via hoogspanningsleidingen in het transportnet de distributienetwerken op stadsniveau. Het distributienetwerk voedt met spanningen tussen 10 en 50 duizend Volt de laagspanningsnetten (230 Volt) op wijkniveau. De elektriciteit vertakt zich als eenrichtingsverkeer in een steeds fijner wordende boomstructuur. Maar door de opkomst van ondermeer windturbines, warmtekrachtcentrales bij tuinders en zonnepanelen kantelt de stroomvoorziening: afnemers worden ook producenten, wijken kunnen (tijdelijk) zelfvoorzienend worden en het distributienetwerk verandert van een doorvoervoorziening in een uitwisselingspodium tussen allerlei wisselende opwekkers die bovendien verschillen in grootte en karakteristieken. De boomstructuur wordt een netwerk van clusters. Maar wie garandeert dat die verandering een stabiele stroomvoorziening niet in gevaar brengt? Is er een maximum aan duurzame energie in een netwerk? zijn er voorwaarden waaraan kleine producenten moeten voldoen? De aanpak van Ishchenko bestaat uit hogere wiskunde. Mathematische modellen van generatoren voegt hij samen tot de vergelijking van een netwerk dat op zijn beurt verbonden is met andere netwerken. De vergelijkingen zijn al gauw niet meer te hanteren en Ishchenko trekt hulpmiddelen uit de kast om uiteindelijk tot een werkbare wiskundige beschrijving van een distributienetwerk te komen die hij uittest op het overzichtelijke elektriciteitsnetwerk van Lelystad door de stabiliteit daarvan te berekenen. Het distributienetwerk van Lelystad omvat vier windturbines (van twee verschillende typen), twee kleine centrales, een dieselaggregaat en een microturbine. Wetenschappelijk is de belangrijkste conclusie dat de stabiliteit en de dynamica van een netwerk met veel verspreide opwekking inderdaad te berekenen is. Het netwerk zelf moet daarbij volledig wiskundig beschreven worden, inclusief de opgenomen generatoren. Voor omliggende netwerken volstaan vereenvoudigde wiskundige beschrijvingen. Ishchenko leende voor die vereenvoudiging een algoritme uit de regeltechniek dat bekend staat als de iteratieve krylov methode. Hiermee slaagde hij erin een computermodel voor het distributienet op te stellen. Ook bewees hij dat ondanks de toegepaste vereenvoudigingen - noodzakelijk voor de hanteerbaarheid van het model de uitkomst nauwelijks verschilt van het volledige model. Daardoor kon hij de stabiliteit van netwerken doorrekenen. De stabiliteit van een netwerk kan verschillende dingen betekenen. De eerste is: hoe reageert het systeem op een kleine verstoring. Wordt de verstoring uitgedempt en keert het systeem in de oorspronkelijke toestand terug, dan heet het netwerk stabiel. Maar het kan ook zijn dat een kleine verstoring door het netwerk wordt versterkt en uiteindelijk tot ongewenste en mogelijk catastrofale oscillaties leidt. liggen en vaak verbonden zijn door ondergrondse kabels in plaats van met hoogspanningsleidingen. kabels hebben wat meer Ohmse weerstand dan hoogspanningsleidingen en die weerstand dempt oscillaties uit, licht de Delftse hoogleraar Prof. Lou van der Sluis toe. Over het voordeel van de relatief korte afstanden tussen de distributienetwerken zegt hij: De netwerken zitten stijf met elkaar verbonden. Net als twee schommels met een staaf ertussen. Dan bewegen ze samen. Als je een slappe verbinding maakt, slingeren ze tegen elkaar in. Nederland heeft dus goede papieren voor de overgang naar een smartgrid een elektriciteitsnetwerk met veel verspreide opwekking en weinig uitwisseling tussen de netwerken. Toch signaleert Ishchenko een aantal valkuilen. De geringe massatraagheid van de kleinere opwekkers maakt ze gevoelig voor verstoringen in het net. Bij een kortsluiting kan de spanning gedurende enkele tienden van seconden wegvallen. Een zware turbine heeft daar dankzij de traagheid van zijn massa geen last van en blijft stroom leveren. Maar bij windturbines is die traagheid een stuk minder, en zonnepanelen hebben al helemaal geen traagheid. Vermogenselektronica die de generator met het net verbindt, verbreekt de verbinding als de netspanning wegvalt. Dat moet voldoende snel gebeuren om de generator te beschermen, maar ook niet zo snel dat ieder spanningsdipje tot afschakeling leidt omdat dat tot een domino-effect kan leiden. Een traagheidsbepaling (fault ride-

GridcodesDe andere betekenis van stabiliteit is in hoeverre een netwerk bestand is tegen een kortsluiting ergens in het netwerk. Stel een graafmachine trekt ergens een kabel doormidden. Wat voor invloed heeft dat op de stroomvoorziening in het netwerk? Ook die vorm van stabiliteit, het bestand zijn tegen kortsluitingen, wordt door Ishchenko berekend. Hij komt tot de conclusie dat het Nederlandse elektriciteitsnet erg geschikt is voor verspreide opwekking van elektriciteit omdat de verschillende distributienetwerken op relatief korte afstand van elkaar

46



47

through) kan die paradox overbruggen door te specificeren hoe lang de generator (reactief) vermogen moet blijven leveren bij een spanningsdip. Dergelijke vereisten maken in Duitsland, Engeland en ook Nederland deel uit van de grid c

Opgewekt door de buurt

Documents

Transcript of Opgewekt door de buurt