Column | Schoorsteen

Achter een zware, metalen deur, afgeschermd door een glazen wand, staan talloze groene lampjes te knipperen op langwerpige zwarte machines. De witte, in tl-licht badende ruimte waar ze staan in de Technische Universiteit Delft heeft het formaat van een gemiddelde gymkleedkamer. De temperatuur is hier altijd exact 19 graden Celsius. Koelsystemen staan luid te blazen. Over het plafond lopen gekleurde kabels.

Marjan Popov (56), hoogleraar beveiliging van duurzame energiesystemen, opent met een sleutel de ruimte met supercomputers die miljoenen euro’s kosten. Die is omringd met een metalen constructie, gebouwd om de elektromagnetische straling buiten te houden die ontstaat tijdens de hoogspanningsproeven die in de ruimte ernaast worden gedaan. Het James Bond lab, noemt Popov deze kleine ruimte. Hier ontwikkelt hij nieuwe manieren om het gigantische elektriciteitsnet dat zich uitstrekt over heel Europa te beschermen tegen stroomstoringen.

Het Europees elektriciteitsnet, die miljoenen kilometers aan kabels onder de grond en in de lucht, wordt de komende jaren steeds belangrijker maar ook kwetsbaarder. Om verdere klimaatopwarming zo veel mogelijk te beperken, is het cruciaal dat landen fossiele brandstoffen vervangen door hernieuwbare energiebronnen als zon en wind. Dat maakt het stroomnet complexer en instabieler. Ook het risico op cyberaanvallen neemt toe. De energietransitie is noodzakelijk, zegt Popov, maar brengt ook nieuwe technische uitdagingen met zich mee voor de netbeheerders.

De gigantische stroomuitval vorige week in Spanje en Portugal leidde wereldwijd tot bezorgdheid over de bijeffecten van de energietransitie. De oorzaak van de storing is nog onbekend – daar wordt onderzoek naar gedaan. Maar het lijkt er sterk op dat de energietransitie daar een rol bij speelde, denken Popov en ander experts.

De toename van het aantal zonnepanelen en windturbines maakt het stroomnet kwetsbaar

Popov vertelt erover aan een lange houten tafel vlak bij het lab, waar Delftse wetenschappers vaak vergaderen met energie-experts van verschillende netbeheerders in Nederland en andere energie-collega’s.

„Het stroomnet is zo opgebouwd dat vraag en aanbod voortdurend in balans moeten zijn, zodat de frequentie altijd rond de 50 hertz ligt”, begint hij met zijn uitleg over waarom de energietransitie het stroomnet kwetsbaarder maakt. Op die frequentie, ofwel het ritme waarin de elektronen heen en weer bewegen, zijn alle onderdelen, alle „systeemcomponenten” van het stroomnet ingesteld.

Wanneer de frequentie hoger of lager wordt dan 50 hertz, treedt automatisch de beveiliging op de componenten in werking en valt de stroom uit om blijvende schade te voorkomen. „Als op de ene plek een beetje meer elektriciteit van het net wordt gevraagd, wordt snel aan de andere kant weer een beetje extra opgewekt”, zegt Popov, terwijl hij zijn handen beweegt als een weegschaal. Ook als op de ene plek stroom helemaal wegvalt, kan een andere bron meer gaan opwekken. Dat gaat grotendeels automatisch.

„In de klassieke situatie, met veel gas- en kolencentrales, heeft het systeem best wel wat tijd om te reageren op frequentieverandering.” De generatoren van gas- en kolencentrales hebben zware en grote roterende turbines die afgesteld zijn op 50 hertz. Als dan plots de aandrijving wegvalt, blijven die turbines door hun zware gewicht nog doordraaien, die komen niet plots tot stilstand. Dat effect heet inertie. „Daarmee is het mogelijk de balans te bewaren, en het heen en weer bewegen van de frequentie te stabiliseren. Inertie zorgt ervoor dat plotselinge veranderingen in de frequentie worden gedempt. Daarom heeft het stroomnet tijd om te reageren op veranderingen.

„Maar in een gebied met veel zonnepanelen en windturbines is er minder inertie. Dat maakt het stroomnet minder robuust. Als dan ergens iets wegvalt, ontbreekt dat dempende effect en kunnen de frequentieschommelingen zich in rap tempo verspreiden. Met een gascentrale, bijvoorbeeld, kunnen wij altijd controle uitoefenen over de hoeveelheid energie die wij willen produceren. Met wind- en zonne-energie kan dat juist niet. En dat veroorzaakt onzekerheid.”

Hoe zat dat met de grote stroomstoring in Spanje en Portugal vorige week?

„Wij weten nog niet precies wat er gebeurde, maar wat gelijk opviel is de snelheid waarmee het stroomnet op het Iberische schiereiland uitviel. Iets veroorzaakte lokaal een storing, waarna het stroomnet in omringende gebieden uitviel toen werd geprobeerd de frequentieschommelingen op te vangen. Bij de grote black-out in Italië uit 2003 duurde het zo’n twaalf minuten voordat het hele land op zwart ging. Voor Spanje en Portugal ging dat, volgens de huidige gegevens, binnen een minuut. Dat was echt evil.

De betrouwbaarheid van het stroomnet in Nederland is 99,99963 procent, zegt Tennet. Dat is heel goed

„Dit is precies wat kan gebeuren wanneer veel energiebronnen in het systeem zitten die geen inertie hebben. In plaats van dat grote roterende massa’s die frequentiewisselingen konden dempen, konden de schommelingen zich nu in rap tempo verspreiden. De beveiligingssystemen sloegen aan en de stroom viel razendsnel uit.”

Spanje heeft veel waterkrachtcentrales, die wel grote roterende massa’s en dus inertie hebben.

„Niemand weet wat er in deze specifieke situatie precies is gebeurd. Maar het is wel zo dat wanneer zonne- en windenergie een groot deel uitmaken van de energiemix, zoals in Spanje, het over het algemeen lastiger is om de klap op te vangen als het ergens misgaat. Toen ik las over de stroomstoring, dacht ik, dit is een teken dat de energietransitie nog lang niet af is.”

Aan de andere kant van de glazen wand in het lab in Delft staat een tiental computerschermen. Onderzoekers simuleren hier op supercomputers de ergste scenario’s die zich voordoen als het stroomnet instabiel wordt, om erachter te komen hoe het systeem beter beveiligd kan worden.

U onderzoekt wat gedaan moet worden om het elektriciteitsnet robuust te houden, terwijl het systeem een gigantische verandering ondergaat.

„Ons doel is dat we straks een systeem hebben waarbij energie volledig wordt opgewekt met hernieuwbare bronnen. En dat de betrouwbaarheid van het systeem gelijk blijft. Nu is die betrouwbaarheid in Nederland 99,99963 procent, zegt Tennet. Dat is heel goed. Dat komt neer op een stroomstoring van ongeveer 12,8 minuten per persoon per jaar. Dat is niet veel.

„Ik werk nu aan een concept waarmee we het risico kunnen verkleinen dat een stroomstoring zich snel als een olievlek verspreid, wat vorige week in Spanje en Portugal gebeurde. De complexiteit die de energietransitie met zich meebrengt, maakt het lastiger om het gehele Europese stroomnet tegelijkertijd te monitoren, zoals dat nu wel gebeurt. Ik onderzoek hoe we het systeem kunnen verdelen in een soort eilanden. Als je een kleiner gebied virtueel isoleert, en dat gebied intensiever in de gaten houdt dan nu, dan heb je het sneller in de gaten als daar iets fout gaat. Als lokaal bijvoorbeeld een lijn of kabel overbelast is, kun je het gebied rondom dat probleem snel isoleren. De rest van het systeem, buiten dat gebied blijft dan normaal functioneren. Dat noemen wij control islanding.”

Wordt het stroomnet niet steeds kwetsbaarder voor cyberaanvallen, nu steeds meer informatie wordt gedigitaliseerd?

„Ja. Vroeger werden veel componenten analoog in de gaten gehouden. Maar we kunnen de energietransitie niet realiseren zonder digitalisering. We moeten het net blijven monitoren, en doordat de vraag naar elektriciteit ook toeneemt, moeten we het net ook nauw in de gaten houden, zodat we het optimaal kunnen gebruiken.

„Tegenwoordig monitoren we het net met behulp van internet- en glasvezelkabels en stoppen we alles in software. Daarom zijn cyberaanvallen een groter probleem geworden voor netbeheerders. We mogen die dreiging niet verwaarlozen. We hebben nieuwe manieren nodig om zo’n complex energiesysteem te kunnen beveiligen tegen opzettelijke aanvallen.”

Waarom vind u het stroomnet zo interessant?

„Ik was altijd geïnteresseerd in elektrische energietechniek. Vooral stroom is fascinerend. Hoe is het mogelijk dat iets wat je niet ziet en ruikt zo krachtig is? Ook een man als Nikola Tesla boeit me, de uitvinder van belangrijke componenten van het stroomnet. Ik heb een poster van hem in mijn kantoor opgehangen. Daar kijk ik elke dag tegen hem aan.”

Delen

Mail de redactie