Jan Bosteels

Het elektriciteitsnetwerk is de grootste machine ter wereld, een geheel van complexe, onderling verbonden systemen. In de VS gaat het bijvoorbeeld over meer dan 9.200 krachtcentrales met een gezamenlijk vermogen van meer dan een miljoen MW, verbonden via meer dan 500.000 km hoogspanningskabels. In België beschikken we over een hoogspanningsnet van 8.400 km. In ons land werd in 2008 13,7 TWh elektriciteit verbruikt.

Stroom wordt in principe gebruikt op het moment dat hij wordt opgewekt, wat van elektriciteit het ultieme voorbeeld van just-in-time-delivery maakt. Om het elektriciteitsnetwerk zijn taak naar behoren te laten vervullen, stroom leveren aan de verbruiker op het moment dat hij hem nodig heeft, moet het systeem bovenal stabiel zijn en in staat met een wisselende (maar grotendeels voorspelbare) vraag om te gaan. Het Belgische elektriciteitsnet, met een betrouwbaarheidsgraad van 99,999 %, geldt als een van de beste in Europa. Maar in een (digitale) economie waar elektriciteit de ruggengraat vormt van alles wat we doen, kunnen we ons ook geen stroompannes permitteren.

77% meer stroomverbruik in 2030
Volgens de International Energy Outlook blijft de elektriciteitsconsumtie tot 2030 stijgen met 3,5% per jaar in de niet-OESO-landen en met 1,2 % in de OESO-landen (Bron:EIA). De totale elektriciteitsproductie zal in 2030 31,8 triljoen kWu bedragen, dat is 77% meer dan in 2006. Daarvan zal volgens dezelfde raming 6,7 triljoen kWu uit hernieuwbare bronnen afkomstig zijn. De stijging van de vraag naar elektriciteit verhoogt de druk op de bestaande infrastructuur aanzienlijk, soms met stroompannes tot gevolg. In de VS, maar ook in grote delen van West Europa (met name in november 2006) kwamen blackouts al voor, al blijven ze gelukkig de uitzondering.

Naarmate het Europese elektriciteitsnetwerk wordt versterkt om aan de toenemende vraag te voldoen en naarmate internationale verbindingen helpen schommelingen in het verbruik op te vangen, staat het stroomnet ook voor een andere, nog grotere uitdaging: de omschakeling naar een decentraal en intelligent, interactief elektriciteitsnet. Wanneer hernieuwbare en variabele (zij het ook steeds beter voorspelbare) bronnen als wind- en zonne-energie in grotere mate aan de energiemix worden toegevoegd, verhoogt dat de variabiliteit in de toevoer van elektriciteit. De toename van kleine en middelgrote WKK-installaties, zonnepanelen en andere kleinschalige stroomopwekkers betekent dat de stroom steeds minder centraal wordt opgewekt, maar lokaal en perifeer (met windparken in zee, bijvoorbeeld).

Omdat er in onze elektriciteitsnetwerken geen stroom wordt opgeslagen, moet de netbeheerder er constant in slagen om precies zoveel elektriciteit te produceren als er wordt verbruikt. Variaties in deze delicate balans worden van seconde tot seconde en van minuut tot minuut gecompenseerd binnen het eigen netwerk of door stroom af te nemen of te laten wegvloeien naar het grotere Europese netwerk. Ook wordt gebruik gemaakt van de opslagmogelijkheden die er ook in ons land zijn, zoals de waterkrachtcentrale van Coo, die met behulp van goedkope, overtollige stroom water oppompt en die waterkracht op piekmomenten terug in dure stroom omzet. Stroomproducenten proberen dag na dag zo accuraat mogelijk te voorspellen hoeveel stroom ze wanneer zullen produceren en betalen imbalance charges wanneer ze hun verplichtingen niet kunnen nakomen. Opslag van stroom is dus niet alleen een kwestie van batterijen. De Electricity Storage Association (zie www.electricitystorage.org) vermeldt ook persluchtopslag, supergeleiders en vliegwielen. En dan is er nog waterstof, momenteel nog geen bijzonder efficiënte manier om stroom op te slaan, maar dat kan verbeteren. In een decentraal, op hernieuwbare elektriciteit stoelend elektriciteitssysteem zal opslag van stroom steeds belangrijker worden.

De herkomst van stroom
De stroom die vandaag de dag wereldwijd wordt geproduceerd is voor twee derde afkomstig uit fossiele brandstoffen, voor 15% uit nucleaire bronnen, voor 17% uit hydro-elektrische centrales en voor 2% uit andere hernieuwbare bronnen. Met een groei van 25 tot 30% per jaar is windenergie een stevige tweede, met 121 GW wereldwijd geïnstalleerd vermogen in 2008 en een verwacht vermogen van 1750 GW in 2020. Met een groeifactor van 30% zou zonne-energie in 2020 goed moeten zijn voor een wereldwijd vermogen van 275 GW piek. In de komende jaren wordt er een doorbraak verwacht van mini-WKK. De combinatie van het verwarmen van water en het tegelijk produceren van elektriciteit is aanzienlijk efficiënter dan de werking van een brander die alleen maar water verwarmt.

Naargelang de grootte van hun vermogen worden de producenten van hernieuwbare energie aangesloten op het distributienetwerk of het hoogspanningsnetwerk. Het is belangrijk om, waar mogelijk, stroom te produceren zo dicht mogelijk bij de plek waar hij wordt verbruikt. Bij het transporteren van stroom over lange afstand gaat tot 7% verloren aan transmissieverliezen. Een verlies dat in verschillende studies aanvaardbaar wordt geacht omdat het toch van onuitputtelijke, hernieuwbare bronnen afkomstig is.

Hoe de duurzame energiemix van de toekomst er precies zal uitzien, dat blijft vooral koffiedik kijken. Zowel een Amerikaans rapport (Electricity from Renewable Resources: Status, Prospects, and Impediments) als een Deense studie ( Realisable Scenarios for a Future Electricity. Supply based 100% on Renewable Energies (pdf, 387 KB)) schetsen een systeem van elektriciteitsproductie en -distributie dat een heel continent omspant. Voor Europa gaat het over West- en Centraal-Europa, Noord-Afrika en het Midden-Oosten. Een gelijkstroom hoogspanningsnet verbindt de windturbines, de waterkracht- en biomassacentrales en de zonne-energieproducenten in het zuiden met elkaar. Het Amerikaanse rapport acht het mogelijk om tegen 2020 20% van de stroom in de VS uit hernieuwbare bronnen op te wekken. Een verdere en versnelde uitbouw van hernieuwbare energieopwekking tussen 2020 en 2035 zou het aandeel hernieuwbare elektriciteit zonder waterkracht tot 20% of meer kunnen doen oplopen.

Maar om het kantelpunt van meer dan 50% renewables te bereiken na 2035, zijn fundamentele doorbraken in fotovoltaïsche technologie, stroomopslag en andere technieken nodig, en moeten we elektriciteit op een andere manier leren transporteren en gebruiken. Misschien in een 'SuperGrid' waarin waterstof- en elektriciteitstransport zijn geïntegreerd, iets dat nu nog als een bijzonder gevaarlijke onderneming te boek staat. Het blijft ook nog wachten op technologische doorbraken die groene stroom concurrentieel maken met grijze, en/of op overheidsbeslissingen die fossiele en nucleaire stroom zwaarder belasten op basis van hun werkelijke milieukost.

Een interactief elektriciteitssysteem
Naarmate er meer en meer decentrale elektriciteitsproductie plaatsvindt, wordt het belangrijker om die beter op elkaar af te stemmen. De stroomproductie wordt een complexer geheel, maar de technologie biedt de mogelijkheid om niet alleen de aanbod- maar ook de vraagkant beter te beheersen. Een elektriciteitsnetwerk coördineren betekende in het verleden dat een aantal grote centrales centraal werden gecoördineerd. In de toekomst zal de centrale controle van steeds meer stroomproducenten niet volstaan.

Ook aan de verbruikerskant moeten toestellen en machines flexibeler worden door ze stroom te laten verbruiken op het moment dat die aanwezig en goedkoop is. In huishoudens zit er heel wat rek op het gebruik van bijvoorbeeld (af)was- en droogmachines, diepvriezers en verluchtingsapparaten. In de industrie zijn er ook heel wat machines die niet constant stroom verbruiken, maar zich in zekere mate kunnen aanpassen aan de beschikbaarheid (en betaalbaarheid) ervan: denk bijvoorbeeld aan grote koelruimtes, hoogovens en compressoren. Uiteraard steeds vanuit de premisse dat het comfort van de consumenten en de productiviteit van de industrie niet onder deze aanpassingen mogen lijden. Het smart grid (of slimme elektriciteitsnetwerk) moet op termijn ook elektriciteit leveren voor de groter wordende vloot van elektrische voertuigen. Hun batterijen kunnen voornamelijk off-peak opgeladen worden. Voor huishoudelijke toepassingen biedt het smart grid oplossingen die een stuk verder gaan dan de aloude keuze tussen dag- en nachttarief. Met interactieve elektronische toepassingen in een slim huis kan je constant kostenbesparend verbruiken en toch niets aan comfort inboeten (zie sync.nl).

Elektriciteitssysteem en internet
Verschillende studies schetsen een evolutie naar een elektriciteitsdistributiesysteem dat qua architectuur verwant is met het internet. Het moet een open en schaalbaar systeem zijn, dat zo efficiënt mogelijk omgaat met de beschikbare middelen en dat realiseert door de realtime elektriciteitsmarkt zijn werk te laten doen. Het Nederlandse ECN en het Vlaamse VITO ontwikkelden daartoe de PowerMatcher, een ICT-apparaat dat het slimme elektriciteitsnet coördineert. Het zorgt voor de optimale onderlinge afstemming van gedecentraliseerde productie, dynamisch verbruik en energie-opslag. In het besef dat huishoudens en kleine ondernemingen verantwoordelijk zijn voor 50% van het stroomverbruik in Europa, loont het de moeite om de ontwikkeling van slimme huizen en dito kantoren aan te moedigen. Technisch kan dat gerealiseerd worden door panden in te richten met een domotica-interface die feedback geeft over het (gedaalde) stroomverbruik en de lagere kosten. Dat zal de consument ook verzoenen met automatische externe ingrepen die apparaten in- of uitschakelen naarmate er overproductie of tekort aan elektriciteit is (zie: Smart houses for a smart grid (pdf, 246 KB)).

Om het smart grid werkelijkheid te laten worden, moeten alle betrokken partijen overtuigd worden van het nut ervan. Het moet zowel voor elektriciteitsproducenten als voor consumenten de meest kosteneffectieve oplossingen bieden. Er moeten meer internationale netwerkverbindingen komen en de consument moet bereid zijn mee te gaan in een systeem van dynamische vraag, kleinschalige energieopwekking en slimme meters.