Door de groei van zonne- en windenergie is er een debat op gang gekomen over de vraag hoe veel duurzame energie het elektriciteitsnet aankan. Hoe meer zonne-energie we toevoegen aan het net, des te minder wordt die waard. Kunnen we ontsnappen aan dit dilemma en een duurzaam elektriciteitsnet ontwerpen? Zijn er oplossingen voor dit probleem?
De komst van zonne- en windenergie – en hun problemen
Het aandeel van zonne- en windenergie in het elektriciteitsnet stijgt snel. In 2022 was Chili het land met de meeste zonne-energie aan het net, 18%. Honduras kwam op de tweede plaats met 12,5%, gevolgd door Australië met 12,3%. In termen van zonnevermogen per inwoner stonden Australië en Nederland op 1 en 2, gevolgd door Duitsland met 807 Watt (volgens Wikipedia).
Dat is mooi. Maar het zorgt niet automatisch voor een duurzaam elektriciteitsnet. Naarmate het aandeel zonne-energie stijgt, wordt het moeilijker, deze in te passen in het systeem. Daardoor neemt de waarde ervan af. Zonne-energie zal dan vaker beschikbaar zijn wanneer we deze niet kunnen gebruiken. Zo lang het steeds goedkoper wordt om zonnecentrales te bouwen en exploiteren, is dat niet erg. Maar op een gegeven ogenblik zal dit ophouden. Vanaf dat moment zal het bouwen en exploiteren van zonne-eenheden niet meer lonen. Hoe kunnen we dan verwachten dat het elektriciteitsnet gebaseerd zal worden op zonne-energie? Zal de combinatie met windenergie helpen? Of vormen opslagsystemen het antwoord?
Hoe betrouwbaar is een duurzaam systeem?
En dan de vraag hoe betrouwbaar een duurzaam systeem zal zijn. We zijn gewend aan een elektriciteitssysteem dat bijna altijd stroom levert. Blijft dat zo, als variabele bronnen als zonne- en windenergie het systeem gaan voeden? Nou, de cijfers zeggen iets anders. In tegenstelling tot wat we zouden verwachten kent Duitsland erg weinig stroomstoringen. In 2020 was de gemiddelde stroomstoring 15 minuten lang, waardoor het land op drie na het meest betrouwbare net had in Europa. Laten we zeggen dat er geen bewijs is voor de stelling dat zonne- en winenergie zorgen voor meer stroomstoringen.
En tenslotte is er het alles bepalende probleem, opgeworpen in een artikel van Amory Lovins en M.V. Ramana: hoe kunnen variabele bronnen als zonne- en windenergie de basis vormen van een stabiel en ononderbroken duurzaam elektriciteitsnet? Dit is de belangrijkste vraag. Als antwoord signaleren de auteurs ten eerste dat ook in de gebruikelijke systemen uitval voorkomt van elektriciteitscentrales – langdurige uitval, soms. Gemiddeld waren in de VS grote fossiele en kerncentrales tussen 7 en 12% van de tijd buiten dienst. Er komen ook onverwachte langdurige storingen voor, zoals in Frankrijk, waar in 2019 kerncentrales gemiddeld 26% van de tijd buiten dienst waren.
Een duurzaam elektriciteitsnet
Netbeheerders moeten rekening houden met onverwachte omstandigheden. In het bestaande net nemen andere centrales het over van centrales die uitvallen. Ook dat systeem is niet volmaakt – storingen komen voor. Maar kan het groeiende aantal duurzame bronnen ook zorgen voor een duurzaam elektriciteitsnet? Natuurlijk, zonne- en windenergie vullen elkaar aan. Stuwmeren kunnen helpen. Veel mensen zullen batterijen noemen als het perfecte systeem om een overdaad elektriciteit op te slaan voor wanneer er vraag naar is. En batterijen worden steeds goedkoper. Lovins en Ramana melden ook dat steeds ‘zeer verschillende elektriciteits-opslagsystemen worden ontwikkeld; in de VS documenteert het Department of Energy wel 30 soorten opslagsystemen, al in gebruik of nog in ontwikkeling. En dan zijn er naast grote batterijen ook nog vele andere goedkope uitstootvrije manieren om de onregelmatigheid van duurzame bronnen op te vangen.’
De belangrijkste van deze technieken is doelmatig energiegebruik. Zo houden beter geïsoleerde gebouwen bijvoorbeeld langer warmte vast. Op de tweede plaats staat flexibiliteit in de vraag, waarbij elektriciteitsbedrijven een vergoeding geven aan klanten wanneer deze op verzoek hun verbruik omlaag brengen; vaak merken deze laatsten het niet eens. De belangstelling hiervoor groeit, omdat we er stroomstoringen mee kunnen voorkomen. En een duurzaam elektriciteitsnet kan op vele manieren een teveel aan stroom opslaan, en weer gebruiken als er vraag naar is; het meest bekend is de opslag in auto-accu’s. Of opslag in ijs, in een warm klimaat: ’s nachts ijs maken en dit overdag gebruiken als hulpmiddel bij de airconditioning. Zelfs bij de sombere Europese winters denken Duitse en Belgische netbedrijven dat Europa maar voor twee weken duurzaam geproduceerde reservebrandstof nodig heeft.
Diversificatie en gedragsverandering
De auteurs noemen ook diversificatie van duurzame energiebronnen als belangrijk hupmiddel. Door het duurzame elektriciteitsnetwerk ‘te vullen met wind op land en op zee, zonnepanelen, zonnecentrales, aardwarmte, waterkracht, en het verbranden van stedelijk, industrieel of agrarisch afval,’ voor zover beschikbaar. Het artikel eindigt met de conclusie ‘dat elektriciteitsnetten tegen minimale kosten veel grotere hoeveelheden duurzame energie kan opnemen – terwijl dit al lang bekend is.’
En dan hebben de auteurs het nog niet eens gehad over gedragsverandering. De olifant in de kamer, zogezegd. Niet genoemd doordat we zo gewend zijn geraakt aan zorgeloos leven. Maar zouden nieuwe technologieën niet ook nieuwe gedragspatronen met zich mee kunnen brengen? Zouden we bijvoorbeeld niet vooral kunnen wassen als de zon schijnt? Zouden we geen genoegen kunnen schepen uit het gebruik maken van duurzame energie? Zodat we misschien ook kou zouden kunnen verdragen, een of twee weken lang? Ik ken geen artikel dat hierop ingaat.
Netoptimalisatie
En dan is het de vraag in hoeverre een stabiel duurzaam elektriciteitsnet de verschillende bronnen kan opnemen. Het is per slot van rekening ontworpen voor een heel andere situatie: om elektriciteit te vervoeren van de afgelegen plaatsen waar we elektriciteit opwekten, naar bevolkingscentra. Misschien wel heel ongeschikt voor de nieuwe situatie, waarbij we in elk geval van zonne-energie het merendeel ter plaatse zullen gebruiken. Het gevolg is dat nieuw te bouwen installaties misschien voor hun aansluiting moeten wachten totdat het net is verzwaard. En dat kan jaren duren. Omdat niemand een hoogspanningsleiding over zijn land wil.
Maar ook hiervoor is er misschien een oplossing: meer elektriciteit vervoeren over hoogspanningsleidingen. Mogelijk doordat de capaciteit hiervan meestal niet ten volle wordt benut. Hoe zwaar we een lijn mogen belasten, dat is bepaald in het verleden. Voorzichtige bepalingen met ruimte, omdat het net betrouwbaar en veilig moet blijven. Maar zouden we die belasting niet wat kunnen opvoeren met nieuwe technieken? Zodat we ruimte maken voor duurzame energie? Het duurt lang voordat we nieuwe hoogspanningsleidingen kunnen bouwen, gezien de weerstand ertegen, en daarom moeten we dit overwegen. Eén zo’n nieuwe technologie, op basis van lidar, werd ontwikkeld door LineVision. Het bedrijf maakt apparatuur waarmee we oververhitting van de hoogspanningslijn kunnen meten; bij oververhitting zakt de lijn door. Zo kunnen we preciezer bepalen hoeveel stroom de lijn kan vervoeren.
Lokale optimalisatie
Maar, zo merken we op, hierbij kijken we niet naar een voor de hand liggende oplossing: lokale optimalisatie, gedeeltelijk door gedragsverandering. We overbelasten het netwerk niet als we stroom vragen als er veel aanbod is; of als we lokaal in de vraag kunnen voorzien. Opnieuw: we zijn dit niet gewend. Met meer lokale optimalisatie zouden we de aanspraak op het netwerk sterk kunnen verminderen. Deze zou zelfs kunnen bijdragen aan het plezier, zelfvoorzienend te zijn, in elk geval meestal.
Maatregelen die we vandaag nemen zijn misschien niet afdoende voor de lange termijn, als duurzame bronnen gaan overheersen in de stroomvoorziening. Volgens een artikel in Technology Review komt ‘onderzoek na onderzoek tot de conclusie dat opslag- en systeemkosten sterk omhoog gaan op het moment dat duurzame bronnen de meeste elektriciteit leveren.’ Maar dit moet ons er niet van weerhouden, oplossingen te vinden voor de problemen van vandaag.
Netstabiliteit
En tenslotte is er het probleem, hoe de stabiliteit in het toekomstige netwerk te handhaven. Momenteel vervullen grote centrales die functie. Ze hebben ‘grote draaiende turbines die voortdurend het afgegeven vermogen aanpassen aan de vraag, en die overbrugging bieden als de spanning ineens wegvalt. Maar we moeten op een andere manier voorzien in deze functies als er veel zonnepanelen en windturbines met het net verbonden zijn.’ Aldus een artikel in Science News. Maar een duurzaam elektriciteitsnet met grote hoeveelheden duurzame energie werkt heel anders. Het is gebaseerd op omvormers die gelijkstroom omzetten in wisselstroom. Gelukkig hebben technici ‘netvormende omvormers’ ontwikkeld, die verandering in het net kunnen bespeuren en direct de frequentie kunnen aanpassen, en meer of minder vermogen kunnen invoeren, al naar gelang dit nodig is. Zo wordt het net weer gestabiliseerd, zelfs al zijn er geen grote centrales meer aan het net. Maar we weten nog niet welk aandeel omvormers ‘netvormend’ zal moeten zijn, als functie van de kenmerken van het net. We moeten nog veel ontwikkelen!
Interessant? Lees dan ook:
Lokale optimalisatie van het elektriciteitsnet
Energieopslag versnelt de transitie
Schaalproblemen in de energietransitie