dagelijks gebruiken we informatietechnologie, soms zonder ons ervan bewust te zijn, in gsm-netwerken, bankautomaten of verkeersinformatiesystemen. de trend naar toenemende integratie van it vinden we ook terug in energienetten. het transport en de distributie van elektriciteit wordt wereldwijd intelligenter gemaakt. een intelligent elektriciteitsnet kan meer energie uit hernieuwbare bronnen integreren en zo een bijdrage leveren om de emissie van broeikasgas te verminderen.
Slimme energienetten
Met haar strategische plan voor energietechnologie (het zogenaamde SET-plan) heeft de Europese Commissie eind 2007 haar ambitie voor ‘een koolstofarme toekomst’ vertaald in drie doelstellingen tegen 2020: 20 % minder energie verbruiken, 20 % van de nodige energie uit hernieuwbare bronnen halen en 20 % minder broeikasgassen uitstoten. Deze 20/20/20-doelstellingen zijn omgezet in concrete objectieven voor de verschillende lidstaten, die rekening houden met hun specifieke situatie. Zo moet België bijvoorbeeld tegen 2020 13 % van zijn elektriciteit uit hernieuwbare bronnen halen. Maar Europa is ambitieuzer: het verbindt zich ertoe om tegen 2050 de emissie van broeikasgassen met 80 tot 95 % te verminderen tegenover 1990. Grote veranderingen zullen noodzakelijk zijn om die ambitieuze doelstellingen in de komende 40 jaar waar te maken.
In het elektriciteitsnet moet het totaal opgewekte elektrische vermogen op elk moment gelijk zijn aan het gevraagde vermogen
Een belangrijke eigenschap van elektriciteit is dat ze niet kan worden opgeslagen. Op elk moment moet het totaal opgewekte elektrische vermogen gelijk zijn aan het gevraagde vermogen (en de verliezen in het net). Om dit mogelijk te maken wordt de vraag voorspeld. Centrales starten, stoppen of wijzigen hun vermogen dagelijks om dit evenwicht te bewaren. Transmissie- en distributienetbeheerders, elektriciteitsproducenten en -leveranciers, regulatoren en eindverbruikers vormen de belangrijkste actoren om de elektriciteitsvoorziening continu te waarborgen. Als in de toekomst steeds meer energie uit hernieuwbare bronnen wordt opgewekt, moet niet alleen de vraag naar elektriciteit, maar ook het aanbod worden voorspeld. Als het zonniger of winderiger wordt, zal de elektriciteitsproductie immers toenemen zonder dat daar een grotere vraag tegenover staat. Als het aandeel van hernieuwbare energiebronnen in de elektriciteitsproductie toeneemt (visies gaan tot meer dan 80 % tegen 2050), stelt die variabiliteit enorme uitdagingen om het evenwicht te bewaren.
Daarnaast wordt de elektriciteit uit deze hernieuwbare bronnen vaak niet op het transmissienet op hoogspanning geïnjecteerd, zoals bij de conventionele centrales, maar direct op het distributienet. Kleine, residentiële installaties sluiten aan op laagspanning (230 of 400 volt), terwijl de grotere bronnen aansluiten op middenspanning (op enkele tientallen kilovolt). Als er hierdoor lokaal meer wordt opgewekt dan verbruikt, verandert de richting waarin het vermogen wordt overgedragen. Terwijl de elektriciteit in het klassieke distributienet typisch in één richting stroomde van het net naar de verbruikers, is dit niet langer het geval als de verbruikers zelf elektriciteit opwekken. Dan moet het net met bidirectionele vermogenoverdracht rekening houden. Door die decentrale opwekking kunnen verder ook congestie en overspanningen ontstaan, die onder meer nefast kunnen zijn voor elektrische huishoudtoestellen. Gelukkig impliceert decentrale opwekking die lokaal verbruikt wordt, ook lagere netverliezen omdat er minder elektriciteit over het net moet worden getransporteerd.
Om deze (en andere) elektrische problemen op te vangen moeten we het elektriciteitsnet aanpassen. In eerste instantie moeten de systeemoperatoren een beeld krijgen van de spanningen en stromen in het net door te meten of te monitoren. Daarnaast moeten ze kunnen ingrijpen (regelen of sturen) om de netwerkcomponenten anders in te stellen. Dit veronderstelt een fundamentele aanpassing van het elektriciteitsnet, vooral van het distributienet op midden- en laagspanning. Het net moet intelligenter worden gemaakt door het toevoegen van sensoren die monitoren en van actuatoren die de regel- en stuuracties kunnen uitvoeren. Dit intelligenter maken impliceert ook het toevoegen van informatie- en communicatietechnologie om alle gegevens te verzamelen en te verwerken, en om de commando’s naar de actuatoren uit te sturen. Het elektrische energienet moet worden uitgebreid met een informatie- en communicatienetwerk om zo een intelligent net of ‘smart grid’ te worden.
Het elektrische energienet moet worden uitgebreid met een informatie- en communicatienetwerk om zo een ‘smart grid’ te worden
Een tweede belangrijke reden om de netten intelligenter te maken is dat de Europese Commissie vraagt dat de eindverbruikers ‘vaak genoeg’ (bijvoorbeeld maandelijks) voor hun werkelijke energieverbruik gefactureerd worden. Momenteel betalen de meeste landgenoten maandelijks een voorschotfactuur en wordt jaarlijks de meterstand opgenomen om het werkelijke verbruik te verrekenen. De bedoeling hiervan is de consument bewuster te maken van zijn energieverbruik, in de veronderstelling dat hij maatregelen zal nemen om dat te beperken. Herinner je dat 20 % minder energieverbruik eveneens één van de 20/20/20-doelstellingen was. Een maandelijkse factuur op basis van werkelijke verbruiksgegevens zal echter niet voldoende zijn om consumenten hun energieverbruik te laten verminderen. Hiervoor zal ook een grote informatiecampagne en een (her)opvoeding van de consument tot meer energiebewustzijn nodig zijn.
Op maandelijkse basis elektriciteitsmeters uitlezen bij alle gebruikers impliceert hogere kosten. Daarom overwegen heel wat Europese landen het gebruik van geavanceerde meters die van op afstand uitgelezen kunnen worden. Een elektronische energiemeter, uitgerust met een communicatiemodule, vervangt de klassieke, elektromechanische ferraristeller, zodat men van op afstand de meetgegevens kan verzamelen. In Italië (sinds een decennium) en in Zweden (sinds kort) zijn alle residentiële klanten al met een dergelijke ‘slimme meter’ uitgerust. Frankrijk besliste eind 2010 voor een volledige uitrol. In Vlaanderen experimenteren distributienetbeheerders Eandis en Infrax met dergelijke slimme meters. Eandis doet dit op basis van communicatie over het elektriciteitsnet, Infrax over het kabelnetwerk dat ook gebruikt wordt voor televisie en internet. Europa geeft de lidstaten tot 2012 om een kosten-batenanalyse te maken. Als die positief uitvalt moet tegen 2020 80 % van de eindverbruikers met slimme meters uitgerust zijn.
Dergelijke geavanceerde energiemeters laten ook toe om een gedetailleerder profiel op te stellen van het elektrisch energieverbruik. Ze meten bijvoorbeeld op kwartierbasis het elektriciteitsverbruik. Zo kan het globale verbruik beter worden voorspeld of kunnen energieleveranciers gepaste tarieven aanbieden, die veel verder gaan dan het huidige tweevoudige uurtarief. In Italië heeft men bijvoorbeeld week- en weekendtarieven, waarbij de dag in drie perioden is ingedeeld (dag, nacht en piekuur). Het spreekt voor zich dat deze gedetailleerde profielinformatie met respect voor de privacy van de gebruiker en met de nodige confidentialiteit behandeld moet worden. Technisch zijn hier de oplossingen voorhanden. Niettemin werd in de Nederlandse Eerste Kamer in 2009 de invoering van de intelligente meter uitgesteld omwille van onvoldoende garantie voor respect van de privacy.
Er bestaan vele verschillende gradaties van intelligentie bij geavanceerde meters. In de basisversie is er alleen tweewegscommunicatie voor de uitlezing van de meterstanden. In de meer geavanceerde versies kan tariefinformatie worden ingesteld, zodat de gebruiker bijvoorbeeld op de meter zijn elektriciteitsrekening in euro te zien krijgt, in plaats van zijn energieverbruik in kilowattuur. Andere systemen laten toe om die informatie binnenshuis te laten zien op een display, of via een webpagina ter beschikking te stellen (vergelijkbaar met bijvoorbeeld de Google PowerMeter). Dergelijke uitbreidingen kunnen de consumenten al bewuster maken van hun energieverbruik en zo ‘groene’ gedragsveranderingen initiëren. De meest geavanceerde versies van de slimme meters kunnen zelf ook apparaten automatisch aansturen. Dit laat toe een aantal huishoudtoestellen tijdelijk uit te schakelen of te moduleren als het elektrisch energieverbruik piekt. Bij toestellen als elektrische waterboilers, diepvriezers of opladers kan dit ook zonder verlies aan gebruikerscomfort. Op dezelfde manier kunnen slimme meters ook dergelijke apparaten aanschakelen wanneer er lokaal energie opgewekt wordt, bijvoorbeeld door zonnepanelen.
De mogelijkheid om elektriciteitsverbruikers te kunnen sturen wordt essentieel, zeker als er in de toekomst veel elektrische auto’s of plug-in hybride elektrische wagens rondrijden. Die laatste hebben een verbrandingsmotor en een elektrische motor, waarvoor de batterij via het elektriciteitsnet kan worden opgeladen. Dergelijke elektrische en hybride wagens verminderen de globale CO2-uitstoot, zeker als ze opgeladen worden met elektriciteit uit hernieuwbare bronnen of uit kerncentrales, en zorgen ook voor minder lokale CO2- en roetuitstoot. Wanneer echter elektrische wagens opladen zodra ze in het stopcontact gestoken worden bij thuiskomst (bij woon-werkverkeer is dat typisch in de vooravond) wordt er een groot extra elektrisch vermogen gevraagd, net op het moment dat het elektrisch verbruik reeds piekt wegens de kook- en andere activiteiten in de huishoudens. Aangezien elektriciteit niet opgeslagen kan worden, zouden hiervoor extra centrales moeten worden opgestart, wat de CO2-minderuitstoot kan tenietdoen, of zelfs tot een hogere uitstoot kan leiden. Veel beter is het dat de wagens geladen worden tijdens de daluren (‘s nachts), wanneer onder andere de CO2-vriendelijke kerncentrales produceren, of tijdens de winderige of zonnige periodes (overdag op de bedrijfsparking), wanneer men elektriciteit uit hernieuwbare bronnen oogst. Dit vraagt slimme meters die in interactie met de oplader de wagen laden wanneer dit voor het net beter uitkomt, wanneer de marginale kostprijs van de energie lager is, of wanneer de hernieuwbare bronnen volop produceren. Interactie van de consument of zijn elektrische verbruikers met het net is dus essentieel. Een automatische sturing van de elektriciteitsverbruikers draagt zo bij tot de verhoging van de energie-efficiëntie en tot de integratie van hernieuwbare bronnen, zodat de uitstoot van broeikasgassen vermindert – de drie 20/20/20-doelstellingen.
Slimme meters en netten dragen bij tot de besparing van primaire energie, maar voor de werking van de informatie- en communicatietechnologie zelf is ook energie nodig
Slimme meters en netten dragen bij tot de besparing van primaire energie, maar men mag niet vergeten dat voor de werking van de informatie- en communicatietechnologie zelf ook energie nodig is. Een afweging van besparing tegenover eigenverbruik is nodig. Een klassieke ferraristeller gebruikt slechts enkele watt, maar bij een elektronische teller is dat al vlug het dubbele of drievoudige. Daarbij moet men nog de energiekosten voor communicatie bijtellen. Als een slimme energiemeter om te meten en te communiceren een tiental watt meer verbruikt dan een klassieke meter, moet er jaarlijks al 100 kWh worden bespaard vóór het totale energieverbruik naar beneden gaat. Dat kan alleen als de consument zijn gedrag verandert (door rekening te houden met de informatie uit de slimme meter), of als de slimme meter automatisch gaat sturen naar energie-efficiëntie. Om de 20/20/20-doelstellingen te behalen moeten slimme meters duidelijk voor meer zaken worden gebruikt dan alleen het van op afstand uitlezen van meetgegevens.
De uitbouw van slimme netten heeft ook nog andere voordelen. Europa en haar lidstaten nemen volop maatregelen om de isolatie van gebouwen en woningen te verbeteren zodat er minder warmte verloren gaat. Zo daalt het totale primaire energieverbruik: er is minder stookolie of gas nodig voor verwarming. Maar dat betekent vaak dat het elektriciteitsverbruik stijgt: in passiefhuizen bijvoorbeeld is elektrisch bijverwarmen vaak economischer dan een gasinstallatie. Een stijgend elektriciteitsverbruik, ook door een toename aan elektrische apparaten en toestellen, impliceert echter een uitbreiding van de verschillende netelementen zoals onderstations, distributie- en transmissienetten, centrale en decentrale opwekking. Dankzij slimme netten kan de bestaande infrastructuur efficiënter worden gebruikt en kan netuitbreiding deels worden uitgesteld.
Het upgraden van het elektriciteitsnet tot een ‘smart grid’ door het integreren van de informatie- en communicatietechnologie omvat vele uitdagingen voor onderzoekers en de industrie. Stuur-, regel- en optimalisatiealgoritmes, efficiëntieverbetering, integratie van elektrische opslag en mobiliteit en geschikte robuuste en betrouwbare informatietechnologie zijn slechts enkele van de grote vragen. Hoe kunnen we de flexibiliteit in de vraag optimaal benutten? Zetten we een decentrale of hiërarchische regel- en stuurinfrastructuur op? Wat met schaalbaarheid, robuustheid en informatiebeveiliging? Hoe blijven we de hoge beschikbaarheid van de elektriciteit garanderen? Standaardisatie, interoperabiliteit en vermarkting zijn belangrijke industriële uitdagingen voor de toekomst. Geharmoniseerde internationale wetgeving en regulering moeten zorgen voor grensoverschrijdende handel en diensten, conform de Europese vrijemarktwerking.
Naast het distributienet hebben we ook het transmissienet, dat op hoogspanning (enkele honderden kilovolt) zorgt voor de ‘snelwegen’ van de elektriciteitscentrales naar de distributienetten en voor de interconnectie met de buurlanden. Ook hier zijn de voorbije jaren al grote inspanningen gebeurd om het net met informatietechnologie intelligenter te maken, via monitoren en sturen, en door de elektriciteitsmarkten met elkaar te koppelen. En binnenshuis bieden domoticanetwerken mogelijkheden tot gebouwautomatisatie en verhoogde energie-efficiëntie. Schattingen geven aan dat het omvormen van de transmissie- en distributienetten in Europa tot smart grids investeringen vereisen voor een bedrag van 700 miljard euro tussen nu en 2030. De technische uitdagingen zijn enorm: het Europese elektriciteitsnet is het grootste door mensenhanden gebouwde systeem ter wereld. Dit systeem moet totaal worden hertekend zonder dat de levering van elektrische energie tijdens die hervorming mag wegvallen. De Europese ambitie om tegen 2050 verder te evolueren naar een koolstofarme samenleving geven aan dat dit nog maar het begin is.
In Vlaanderen vormen intelligente elektriciteitsnetten één van de projecten van het Vlaanderen-in-Actie-actieplan voor de uitbouw van Vlaanderen als groen stedengewest, waarbij ook heel wat onderzoekers betrokken zijn. Op Europees niveau zijn er belangrijke investeringsprogramma’s rond smart grids: de onderzoeksgedreven European Energy Research Alliance (EERA) en de industriegedreven European Industrial Initiatives (EII). Eerder had de Europese Commissie al het Europese technologieplatform ‘Smartgrids’ opgericht, een denktank die een blauwdruk opstelt voor de netten van de toekomst en de stappen uittekent die nodig zijn om de doelstellingen te bereiken. Het stelt een strategische onderzoeksagenda en dito implementatieplan voor. De Verenigde Staten met hun American Recovery and Reinvestment Act (2009) pompen 4,5 miljard dollar in onderzoek en demonstratieprojecten rond smart grids en netmodernisering. Japan gaf zijn smartgridprogramma een bijkomende impuls na de recente natuurramp. Ook China, India en andere groeilanden investeren fors in slimme netten.
Integratie van de informatie- en communicatietechnologie gebeurt niet alleen in het elektriciteitsnet. Gasnetten, watervoorziening, afvalwaterbehandeling, wegen- en transportinfrastructuur worden eveneens intelligenter gemaakt. Alle infrastructuren in de samenleving moeten mee evolueren, zodat ze ook voor de volgende generaties nuttig zijn. Om die uitdagingen aan te gaan, is een gezamenlijke en interdisciplinaire aanpak noodzakelijk. Uiteraard moeten competenties uit de informatie- en communicatietechnologie worden samengebracht met technische competenties uit ingenieursdisciplines rond energie-infrastructuur (elektrisch, thermomechanisch en bouwfysisch). Sociologen moeten mee bewaken dat de consument openstaat voor deze beweging richting duurzame samenleving en zijn gedrag in goede richting aanpast. Economen vissen uit hoe dit op een economisch verantwoorde manier kan gebeuren. Beleidsmakers moeten voor een duidelijke visie en een stabiele context zorgen, et cetera. Daarnaast is ook de link naar de industrie en de opleiding uiterst belangrijk. Alleen zo kunnen we meehelpen de Europese ambitie van een koolstofarme toekomst waar te maken.
Bill Tomlinson, Greening through IT – Information Technology for Environmental Sustainability. (Cambridge: MIT press, 2010).
Geert Deconinck is als elektrotechnicus verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License