Smart grids; van bedreigingen naar kansen

24 october 2014, Henry Lootens

Voor de E&I van oktober heb ik onderstaand artikel geschreven. Het is een langer artikel dan de andere blogs.

Over smart grids wordt veel geroepen en gesproken. Maar wat is het nu eigenlijk? Waar hebben we het over als we het over smart grids hebben? Waar gaat het over bij de wereld van smart grids en wat betekent dit voor de installatiebranche? Er blijkt in elk geval een aspect vaak onderbelicht te blijven: het ‘heropvoeden’ van de gebruikers

Allereerst is het goed het begrip smart grids helder te krijgen. Er zijn verschillende definities die grofweg te verdelen zijn in drie categorieën. De eerste bevat technische definities. Binnen deze categorie wordt uitgelegd wat een smart grid is en hoe het technisch in elkaar steekt. Binnen deze definities speelt techniek dus een duidelijke hoofdrol. Bijvoorbeeld: ‘Smart grids is de communicatie tussen een zonnepaneel en een wasmachine over IP’. Dat is een erg afgekaderde definitie waarbij de vertaling – ‘wat betekend dit voor mij als consument?’ – ontbreekt.’ Veel definities zijn te scharen onder de categorie met economische definities. Die zijn dan vooral winst georiënteerd. Denk hierbij aan toonaangevende bedrijven die met ‘de enige smart grid oplossing’ komen. Uiteraard met hun hardware en over hun eigen, gesloten protocol. De laatste categorie is die van functionele definities, zoals op Wikipedia en bij RVO (voorheen Agentschap NL). Wikipedia: ‘De term smart grid wordt gebruikt voor (toekomstige) technologieën om het elektriciteitsnet te beheren nu steeds meer apparaten worden aangesloten die lokaal een forse vraag of aanbod van stroom op het lokale net veroorzaken. Bijvoorbeeld een hele wijk waar iedereen zijn elektrische auto om 17:00 uur aan de lader hangt, of een wijk waar alle huizen zonnepanelen hebben, en er in de wijk veel meer wordt opgewekt, dan op dat moment verbruikt.’ RVO: ’Smart grids is meer dan alleen een technische oplossing, het is een manier van denken die ons verstandiger om laat gaan met de energie die we tot onze beschikking hebben.’

Functioneel

Wat is een smart grid dan functioneel? Wereldwijd is er veel literatuur verschenen over de term smart grids. In deze literatuur wordt vooral gesproken over de communicatie tussen energieopwekking en energiegebruik. Hierbij speelt de slimme meter een grote rol. Een slimme meter is een meter met ingebouwde communicatietechnologie die informatie doorspeelt naar de netbeheerder via TCP/IP. Ook spelen zaken als duurzame bronnen en geregeld verbruik een belangrijke rol. Binnen het herontwerpen van ons energienet wordt het begrip smart grids breed toegepast. Gebruikers van het smart grid zijn zelf in staat om aan het net te leveren door intelligentie die is toegepast in het net. Door het toepassen van een intelligent component in het net is het mogelijk dat het net ‘zelf’ beslist welke weg de stroom aflegt (efficiëntste en/of goedkoopste weg). Hierdoor wordt de traditionele werkwijze van het energienet aangepast. In plaats van dat de elektriciteit altijd van de centrale naar de eindgebruiker gaat, is het nu mogelijk dat energie onderling wordt uitgewisseld in geval van overproductie van duurzame energie. Door het toevoegen van vele duurzame bronnen (op onbekende momenten) is het noodzaak dat er een intelligent net wordt geïntroduceerd. Het niet implementeren van een intelligent net kan leiden tot overbelasting of stilvallen van het net. Nu de focus bij opwekken wordt verlegd van centraal naar lokaal (decentraal), wordt onderlinge afstemming van vraag en aanbod steeds belangrijker. In Europa heeft groene stroom immers voorrang op grijze stroom. Met de opkomst van steeds meer lokale opwekking en elektrisch vervoer is dit een sterk argument om toekomstige technologieën zo snel mogelijk te realiseren en te implementeren.

Eindgebruiker

Door de woningen en panden te voorzien van duurzame opwekkers en energiebesparende maatregelen toe te passen, is de kans op een overschot aan energie aanwezig. Door het net intelligent te maken en de daarop aangesloten componenten ook te voorzien van intelligentie, is het mogelijk de geproduceerde energie gereguleerd te gebruiken. Denk hierbij aan het toevoegen van intelligentie aan grootverbruikers. Deze slaan dan aan op het moment dat er een overschot aan energie is. De functionaliteit voor de gebruiker staat hierbij centraal. Binnen een smart grid communiceert apparatuur met de elektriciteitsmeter en slaat aan op het moment dat de energieprijs laag is. Dat wil zeggen dat de energieprijs afhankelijk is van het energieaanbod. Door deze twee elementen te koppelen wordt het eenvoudiger de energievraag te regelen. Voor de eindgebruiker heeft het als voordeel dat de energierekening direct beïnvloedbaar is door apparatuur alleen in te schakelen op het moment dat er een groot energieaanbod is. Het spel wat ontstaat door het invoeren van een aanbodafhankelijke energieprijs zorgt in theorie voor een bewustere omgang van eindgebruikers met energie. Concluderend kan worden gezegd dat het implementeren van een intelligent net meer voordelen heeft dan nadelen (tabel 1). De bedreigingen worden grotendeels opgeheven door de sterktes en de zwaktes en kunnen bij goede implementatie worden omgezet in kansen. De bewustwording van het energieverbruik door eindgebruikers staat centraal. De noodzaak van een intelligent net is dermate hoog vanwege de groeiende energievraag, de groeiende decentrale opwekking en het groeiende tekort aan fossiele brandstoffen.

Trias Energetica

Is een smart grid een geneesmiddel voor ons elektriciteitsnet? Gaan we niet gewoon verkeerd om met de energie die we tot onze beschikking hebben? Is het niet een manier om de symptomen van het gretige gedrag te onderdrukken? Vanuit de Trias Energetica-gedachte zijn er drie stappen die moeten worden doorlopen om tot een energiezuinig ontwerp te komen.

1. Beperk het energiegebruik door verspilling tegen te gaan;

2. Maak maximaal gebruik van energie uit duurzame bronnen;

3. Maak zo efficiënt mogelijk gebruik van fossiele brandstoffen om in de resterende energiebehoefte te voorzien.

Al eerder is het aanslaan van apparatuur op het moment dat de energieprijs laag is, besproken. Bij de invoering van dergelijke ‘flexibele energietarieven’ worden stap 1 en 2 van de Trias Energetica gecombineerd; dit heet demand respons. In de literatuur wordt de reductie van het energiegebruik vaak hiermee in verband gebracht. Echter, meestal is demand response niet gemotiveerd vanuit duurzaamheid of kostenbeperking voor de gebruiker, maar vanuit de leveringszekerheid en betaalbaarheid van energie in perioden van schaarste voor de aanbieder.

Flexibele tarieven

Demand response gaat om tijdelijke beperking van de energievraag om piekbelastingen te voorkomen. Op deze manier is het distributiesysteem namelijk het meest efficiënt. Er zijn verschillende manieren om dit te realiseren. Een veel gebruikte manier op dit moment is het werken met flexibele energietarieven. Hierdoor kan de gebruiker besluiten niet-continu draaiende apparaten tijdens piekmomenten op het energienet tijdelijk niet te gebruiken of als er een schaarste dreigt. Het tijdelijk verhogen van de energieprijzen is een stimulans om dit gedrag te realiseren. De leveringszekerheid en de betaalbaarheid van het elektriciteitsnet is hiermee gegarandeerd. Op het moment dat er een overschot is aan energie (door bijvoorbeeld een hoge opbrengst van duurzame bronnen als zonnepanelen) kan de prijs worden verlaagd om het (uitgestelde) energiegebruik weer te stimuleren. Onderzoek van de Ferc (Federal energy regulatory commission) heeft aangetoond dat het gebruik van prijsprikkels om het energiegebruik te verschuiven, vaak positief wordt ontvangen. Echter, na verloop van tijd hersteld het oude gedrag zich weer en wordt de wasmachine gewoon aangezet als de gebruiker dat nodig vindt. Veel gebruikers snappen het nut van demand response niet. En dit is een barrière die moet worden overbrugt. Het ‘heropvoeden’ van de gebruikers is hierin een onderbelicht onderdeel. Het sturen van de energievraag met alleen een prijsprikkel is leuk voor even, maar geen constructieve oplossing. We zijn ook niet minder gaan autorijden toen de benzine duurder werd, enkele uitzonderingen daar gelaten.

Power factor

Ook de vorm van ons energienet biedt stof tot nadenken. Alle smart grid gerelateerde documentatie is geënt op het repareren van het huidige energie net. Terwijl een reformatie van het energienet juist bij uitstek het moment is om ook gemaakte keuzes in het verleden nog eens onder de loep te nemen. Door de energieleveranciers wordt de spanning en stroom op het net geregeld. Deze leveranciers zorgen voor een stroom en spanning die in fase zijn. Deze zuivere sinusvormige spanning wordt bij de consument aangeboden. Bij apparatuur, zoals een gloeilamp of een straalkachel (apparaten met een met een zuiver ohms karakter) blijft de stroom in fase met de spanning. Deze apparatuur heeft een zogenoemde cos φ van 1. Echter, niet alle apparatuur heeft deze eigenschappen. Het groeiende aantal apparaten dat binnenshuis wordt aangesloten heeft cos φ verlagende eigenschappen, wat faseverschil creëert. Dit verschil in fase tussen stroom en spanning wordt veroorzaakt door de toevoeging van spoelen en condensatoren in de apparatuur. Elektronica in moderne apparatuur maakt van het aangeboden wisselspanningssignaal uit de wandcontactdoos een voor het apparaat bruikbare voedingsspanning. Het verschil in fase tussen stroom en spanning wordt door de componenten van deze elektronica veroorzaakt en is terug te zien in de nulleider van de installatie. Door de faseverschuiving bestaat er een kans dat de stroom in de nulleider hoger is dan waar deze op is gedimensioneerd. In het ergste geval veroorzaakt dit smeltende isolatie van de bedrading en brand in transformatorhuisjes. De Europese regelgeving stelt een minimale cos φ van 0,85 verplicht voor apparatuur met een voedingsspanning tot 50 kV. Binnen de maakindustrie zijn er fabrikanten die ondanks het treffen van maatregelen deze factor niet halen. Of die de factor wel halen, maar hierdoor andere verstoringen op het energienet (dips, harmonischen) veroorzaken. Oorzaken hiervan zijn de kosten die zijn gemoeid met het fabriceren van een zuiver ohms systeem en de invloed van apparatuur op elkaar. Hierdoor ontstaat de vraag of alleen de waarde 0,85 toereikend is voor de groeiende hoeveelheid apparatuur dat aan het lichtnet wordt gekoppeld. Als deze regelgeving niet wordt aangepast, dan wel dat er scherp op wordt gecontroleerd, kan de power factor grote invloed hebben op de power quality van het net.

War of currents

Of moeten we misschien helemaal af van de wisselspanning? Edison was een voorstander van gelijkspanning en zag in 1880 al de voordelen van efficiënt energietransport. Omdat omzetting toen een probleem was werd gekozen voor wisselspanning, het model van Tesla. Wisselspanning was toen de juiste keuze. Binnen de huidige elektronica wordt er hoofdzakelijk op gelijkpanning gewerkt. Hierdoor is de situatie erg veranderd. Daarbovenop komt het feit dat gelijkspanning ook de spanning is waarmee een accu wordt geladen en ontladen, en ook duurzame bronnen produceren voornamelijk gelijkspanning. Ook op hoger niveau wordt er al met gelijkspanning gewerkt. Het Nederlandse net is verbonden met een internationaal net. Op het moment dat er in Nederland een tekort aan energie is wordt dit via een High Voltage $dc-net ($hvdc) getransporteerd vanuit Noorwegen. Om deze gelijkspanning om te zetten in een wisselspanning wordt elektronica gebruikt die nog niet beschikbaar was tijdens de ‘the war of currents’. Natuurlijk heeft gelijkspanning ook nadelen, maar het is niet ondenkbaar dat de nadelen van wisselspanning op de lange termijn groter zijn dan de nadelen van gelijkspanning.

Gedrag

Het eerste punt van de Trias Energetica is: beperk het energiegebruik. Los van alle apparatuur en installaties speelt de mens hierbij een cruciale rol. Immers, wij zetten al die apparaten en installaties aan of uit. Natuurlijk, door goed gebruik en met de juiste installatie-instellingen kan het gebruik worden geoptimaliseerd c.q. teruggedrongen. Maar op deze manier blijft het een technische benadering en waarmee een variabele, wellicht de belangrijkste, onderbelicht blijft: het menselijk gedrag. Hoe je het ook went of keert, de mens veroorzaakt al het energiegebruik, 24×7. Om echt grip te krijgen op ons energiegebruik zullen we inzicht moeten hebben in waarom we wanneer en waarvoor we energie gebruiken. Want met de antwoorden op deze vragen krijgen we inzicht in onze gebruikspatronen en kunnen we zoeken naar een aanbodvorm die daar optimaal op aansluit. Kortom, om van smart grids een succes te maken is het essentieel dat niet alleen de techniek er klaar voor is, maar eerst en vooral dat ook de gebruikers smart grid-ready worden. (Artikel oktober 2014 – E&I)

Naar boven