Superscience: Nieuw stroomnet vereist big data analytics vanwege complexe aansturing

Kortom, er is een nieuw type elektriciteitsnetwerk nodig, dat is ingericht op meer bronnen met een grilliger gedrag. In dat netwerk krijgt gelijkstroom een grotere rol. Zo’n netwerk heet een multiterminaal gelijkstroomgrid (MTDC),  legt Marjan Popov uit. Hij is hoogleraar beveiliging van duurzame elektriciteitsnetten aan de TU Delft en geeft leiding aan van het Dutch Power System Protection Centre, een samenwerkingsverband van de TU Delft, Alliander, Tennet, Stedin, General Electric en Siemens.

Gelijkstroom heeft als voordeel dat het gunstiger is dan wisselstroom om verschillende typen netwerken met elkaar te verbinden. Ook treedt er minder energieverlies bij op en is het iets goedkoper, zeker bij transport over langere afstanden. Maar onze elektriciteitsnetten zijn decennialang gebaseerd op wisselstroom, dat meer tolerantie kent. “Kortsluitstromen in hoogspanning gelijkstroomsystemen zijn ingewikkelder dan in wisselstroomsystemen. Bij kortsluiting in een gelijkstroom moet er een onderbreking zijn binnen vijf milliseconden, terwijl je bij wisselstroom een limiet van honderd milliseconden hebt. Bovendien is het ingewikkelder om gelijkstroom te onderbreken. Er komt op dat moment veel energie vrij die weggeleid moet worden. Het is dus complexer èn het moet sneller. Dat zijn fundamentele problemen waar met onderzoekers vanuit verschillende disciplines naar wordt gekeken. Verder moeten zowel de beveiliging, de foutdetectie als de controle sneller reageren. Het gaat om ICT, elektromagnetische theorie en netwerk-, control- en systeemtheorie, maar bijvoorbeeld ook om vloeistofdynamica.”

Verleden

Met het Kyoto-akkoord uit 1992 werd voor het eerst duidelijk dat er iets moest gebeuren aan de snelle opwarming van de aarde als gevolg van CO2-uitstoot. Zo’n 30 tot 35% van de CO2-uitstoot in de wereld komt van de productie van elektriciteit door het verbranden van fossiele brandstoffen. Dat was voor de TU Delft de basis voor dit onderzoek. Overschakeling naar minder reguleerbare energiebronnen (lage inertie) zoals windturbines en zonnecollectoren, roept de vraag op hoe je zo’n netwerk van de toekomst gaat beveiligen, monitoren en bewaken. Algoritmen spelen daar een essentiële rol in. Die moeten ook nog eens real-time werken om in enkele milliseconden in te kunnen grijpen. Daarnaast gaat communicatie een grotere rol spelen. “Op dit moment hebben we relais [elektrische schakelingen, red], die in principe niet voldoende communiceren met elkaar. In de toekomst is het belangrijk dat het ene relais weet wat de anderen doen. Het gaat over veel metingen in het netwerk die naar een centrale computer worden verstuurd. Daar moeten algoritmen beslissen of en waar moet worden uitgeschakeld.”

Daarbij is het belangrijk dat de Europese netwerken beter op elkaar worden afgestemd, zodat voor een tekort of een overschot gecompenseerd kan worden vanuit andere landen. “Het wordt een complex systeem met enorm veel data die snel verwerkt moeten worden om de frequentie en de spanning op alle aansluitingen binnen de limieten te houden en om te voorkomen dat ‘black outs’ optreden. Het gaat om echte big data analytics.”

Heden

Deze zogeheten multiterminal DC grids bestaan eigenlijk nog niet in praktijk. “Er is er één in China, maar verder nergens in de wereld. In de Europese Unie wordt er nu veel in geïnvesteerd. Er is nog veel onderzoek nodig bijvoorbeeld aan nieuwe componenten, aan het gedrag en de impact van deze netwerken op het Europese systeem en aan al die aspecten die ik noemde. Het gaat waarschijnlijk nog wel tien jaar duren voor we in Europa zo’n netwerk hebben. Daarom is het belangrijk dat zowel de energiebedrijven als de infrastructuurleveranciers hierbij betrokken zijn. Er is wel ervaring met point-to-point-verbindingen met gelijkstroom, maar zodra er een derde punt bijkomt, wordt het netwerk ingewikkelder, vooral door controle en beveiliging. Aan de universiteiten is veel kennis over de ontwikkeling van algoritmes hiervoor, maar er zijn nog veel fundamentele vragen die opgelost moeten worden.”
Daarnaast wijst Popov op het belang van cybersecurity. Doordat de aansturing van de energienetwerken zwaarder op IT-systemen gaat leunen, neemt ook voor kwaadwillenden de mogelijkheid toe om een verstoring te laten optreden. Afgezien van goede beveiliging, moet er worden nagedacht hoe je moet reageren als een systeem desondanks toch wordt gehackt. “Iemand kan bijvoorbeeld bepaalde apparatuur of een gedeelte van het net dwingen verkeerde gegevens af te geven. Dan gaat de overige apparatuur reageren op basis de valse informatie over het systeem. Als daardoor een black-out ontstaat, weet je gewoon niet waardoor die is ontstaan. Dat die mogelijkheid er is, moet worden erkend en er moet een mechanisme komen waarmee op tijd kan worden ontdekt dat er sprake is van ‘bad data’ of andere vormen van een cyberaanval.”

Simulatie-experimenten zijn belangrijk om verschillende effecten die onder bepaalde omstandigheden in het netwerk optreden te onderzoeken en de algoritmen daarop te verbeteren. “We hebben daarvoor een real-time simulator. Dat is een nieuwe technologie waarmee wij het gedrag van een systeem dat nog niet bestaat, kunnen bestuderen om te zien hoe het reageert op bijzondere situaties, zoals kortsluitstromen en afschakelingen. Dat gebeurt op de supercomputer die we hier in Delft hebben staan. Daarin is het hele netwerk in software gemodelleerd. We kunnen er ook hardware op aansluiten zodat we apparatuur kunnen testen in de praktijk.”

Toekomst

Popov ziet dat de vraagstukken rond het creëren van een veilig en stabiel energienetwerk genoeg plannen opleveren om de komende twintig tot dertig jaar uit te voeren. Een eerste multiterminal hoogspanning gelijkstroomnetwerk gaat gebouwd worden in de Noordzee om de energie die geproduceerd wordt door windturbines, naar het vaste land te transporteren. “Wind is er eigenlijk altijd op zee, dus dat wordt een heel belangrijke energiebron.”
Hij verwacht dat het onderzoek maar ook het onderwijs op dit gebied de komende tijd snel gaat veranderen. “Specialisatie wordt moeilijker. Vanwege alle aspecten die van belang zijn, werken we nu al multidisciplinair, zeg maar dat in teams verschillende specialismen samenkomen. Maar dat is niet voldoende. We moeten naar een interdisciplinaire aanpak, waarbij bijvoorbeeld een elektrotechnisch specialist ook veel kennis heeft van bijbehorende ICT en andersom.” Popov wil eigenlijk zelfs naar een transdisciplinaire aanpak, waarbij ook de samenleving, overheden, de EU en organisaties zoals UNESCO betrokken worden bij de ontwikkelingen. “Maar voor ons is in dit kader op dit moment interdisciplinair onderzoek heel belangrijk. Dus samen vooruit!”