Hoe houden ingenieurs het stroomnet stabiel?

De black-out van twee maanden terug in Spanje en Portugal heeft velen wakker geschud. Hoe houden we het net stabiel, terwijl we steeds meer duurzaam opgewekte stroom aan de mix toevoegen? Zes vragen en antwoorden.
 

Er is veel over gespeculeerd, maar de oorzaak van de grote stroomstoring in Spanje en Portugal van 28 april is op het moment dat dit blad naar de drukker gaat nog onzeker. De storing roept intussen vooral de vraag hoe beheerders het net draaiend kunnen houden nu er aan de opwekkingskant steeds meer windparken en zonneweiden verschijnen, bronnen met snel wisselende vermogens.

Waarom is de energietransitie van belang voor netbeheerders?

Vroeger, voordat windparken en zonnepanelen op daken hun intrede deden, werd in Nederland de stroom opgewekt in kolencentrales, gascentrales en één kerncentrale.

Alle drie zijn dit elektriciteitscentrales waar stoomturbines aan generatoren vastzitten. De energie van loeiheet water – stoom – wordt omgezet in beweging. Net als bij de dynamo van een (ouderwetse) fietsverlichting wordt een magneet aan het draaien gebracht die een veranderend magneetveld opwekt in een grote koperen spoel.

Zo wordt wisselstroom opgewekt met een frequentie van vijftig hertz. In Nederland althans, in bijvoorbeeld de Verenigde Staten is gekozen voor zestig hertz. Het is belangrijk dat de frequentie op het stroomnet – binnen een kleine bandbreedte – op de gekozen waarde wordt gehouden, want daarop zijn alle apparaten ontworpen. Elektriciteitsbedrijven bewaken die balans door vraag en aanbod zo goed mogelijk op elkaar af te stemmen.

Een speciale rol is weggelegd voor draaiende stoomturbines. Hoe zit dat?

Die draaiende turbines en generatoren dienen niet alleen om elektriciteit op te wekken, ze hebben ook nog een tweede, bijkomende taak. Vanwege hun massatraagheid – inertia in het Engels – blijven ze nog een tijdje doordraaien wanneer de bron van hun aandrijving wegvalt. Het is een van de belangrijkste basiswetten van de natuurkunde: een voorwerp volhardt in zijn beweging tenzij een kracht van buiten er invloed op uitoefent.

Het Nederlandse stroomnet heeft een bepaalde hoeveelheid massatraagheid. Die bestaat uit alle draaiende onderdelen bij de verschillende gascentrales, de paar overgebleven kolencentrales en de kerncentrale van Borssele, bij elkaar opgeteld. Die totale massa aan zware roterende onderdelen draagt bij aan de stabiliteit van het stroomnet. ‘Vergelijk het met een loodzware olietanker. Die blijft op koers en heeft geen last van een beetje zijwind’, zegt Guus Pemen, hoogleraar in de groep electrical energy systems van de TU Eindhoven.

Wat gebeurt er bij een lokale stroomstoring? 

Valt een grote elektriciteitscentrale uit, dan is ineens de vraag naar stroom groter dan het aanbod. Daardoor daalt de frequentie van de wisselstroom op het net. Wanneer dat een klein beetje is, is er nog geen probleem, maar bij een te grote frequentiedaling kunnen er dingen stuk gaan. ‘Om die reden wordt er vanaf 49 tot 48 hertz stapsgewijs bijna de helft van de gebruikers afgeschakeld’, zegt senior adviseur Jan Vorrink van TenneT, de beheerder van de Nederlandse hoogspanningsnetten. Hij was jarenlang manager van de controlekamer van het Nederlandse hoogspanningsnet. ‘Bij 47,5 hertz mag een centrale van het net af gaan om zichzelf te beschermen.’ 

Hoe snel de frequentie in zo’n noodgeval daalt, hangt af van de massatraagheid in het systeem. Dankzij de aanwezige inertia koopt de netbeheerder als het ware tijd. Tijd om razendsnel in te grijpen. ‘Als de frequentie sneller daalt dan een hertz per seconde, dat is wel een uitzonderlijke situatie, dan bevinden we ons echt in de gevarenzone’, zegt Vorrink.

Als die massatraagheid deels verdwijnt, hoe is dat op te vangen?

Door de energietransitie wordt een deel van het opwekkingsvermogen vervangen door windparken en zonnepanelen, maar die hebben geen zware draaiende onderdelen met massatraagheid. ‘Het stabiel houden komt nu neer op regeltechniek: meten met sensoren, data verwerken met software en steeds een beetje bijregelen’, zegt Pemen. ‘Een energiesysteem met duurzame opwekking is steeds afhankelijker van die regeltechniek in vermogenselektronica. Dat werkt in principe, maar is wel een nieuw concept en nog weinig in de praktijk beproefd.’

Daarnaast zijn er manieren om weer massatraagheid aan het systeem toe te voegen, bijvoorbeeld door centrales met vliegwielen te bouwen. Dat zijn systemen die puur zijn bedoeld om tijdelijk kinetische energie op te slaan in draaiende wielen. Behalve dat ze energie opslaan, voegen deze ook massatraagheid toe aan het totale systeem. De operatoren van windturbines kunnen van afstand de bladen om hun as laten draaien om zo de opbrengst van de molen aan te passen. Ook dit draagt bij aan het afstemmen van vraag en aanbod in het stroomnet. Verder lopen er proeven met grote batterijen die bijdragen aan het stabiel houden van het stroomnet. Zo’n batterij kan razendsnel stroom in het net pompen of juist afnemen.

Helemaal nieuw is het verdwijnen van inertia uit het stroomnet niet. De totale massatraagheid in het Nederlandse stroomnet was door de jaren heen al veranderd. ‘Een gascentrale heeft een stuk minder massatraagheid dan zo’n grote kolenbak’, zegt Vorrink. Een flink deel van de kolencentrales van ons land is in de afgelopen jaren uitgeschakeld.

Hoeveel massatraagheid er minimaal nodig is om het stroomnet stabiel te houden, is niet bekend. ‘We weten dat het net zonder inertia onstabiel is, maar waar de onder grens ligt, weten we niet’, zegt Vorrink. Er loopt nu Europees onderzoek dat zich op die vraag richt: hoeveel massatraagheid is er nodig voor een stabiel stroomnet?

Welke rol speelt de weersverwachting bij netbeheerders?

Iets wat zeker anders gaat dan voor de energietransitie: elke netbeheerder in Europa houdt minutieus de weerberichten bij. Men wil van tevoren weten hoeveel zonneschijn er wordt verwacht en hoe hard de wind zal waaien. Het weer precies voorspellen blijft lastig, maar de voorspellingen geven in grote lijnen een aardige indicatie van de hoeveelheid duurzaam opgewekte stroom die netbeheerder kan verwachten. Vraag en aanbod van elektriciteit moeten steeds met elkaar in evenwicht worden gehouden. 

Maar wat als ineens een grote wolken partij wegschuift voor de zon? Dan moet de extra opgewekte zonne-stroom snel door het net worden weggewerkt. ‘De netbeheerders plannen weliswaar dagen vooruit met het weerbericht in de hand de opwek en afname van elektriciteit’, vertelt Vorrink, maar op de dag zelf is ook nog handel mogelijk. ‘Zo komen ze van een plots stroomoverschot af. Andersom kan er ook even een zonnepark worden uitgezet. In principe werkt dat, maar een teveel aan opgewekte stroom kan soms regionaal tot problemen leiden. De frequentie kan dan boven de vijftig hertz uitstijgen, wat tot uitval van transformatoren kan leiden. Dit is wel een uitzonderlijk geval, waarbij een stroomoverschot ook niet door te sluizen is naar een buurland.’

De nationale stroomnetten van Europese landen zijn goed met elkaar verbonden. Is dat bij een lokale stroomstoring geen nadeel? 

Ja en nee. Het is zeker zo dat Portugal de dupe was van de stroomstoring die begon in Spanje. Die plantte zich zo snel voort, dat er voor het kleinere Iberische buurland geen ontkomen meer aan was. Vorrink: ‘Op dat moment nam Portugal veel stroom van Spanje af. Het gebeurt vaker dat een black-out de grens oversteekt. Dus ja, dat is een risico.’ 

Maar verbindingen tussen landen helpen een storing ook sneller oplossen. Het Iberisch schiereiland is ook in elektrisch opzicht een schiereiland: het heeft relatief weinig hoogspanningsverbindingen met de rest van Europa. Daardoor kan het schiereiland lastiger worden geholpen door andere landen dan bijvoorbeeld Nederland of Duitsland, die goed verbonden zijn met meerdere buren. Valt er bij ons een deel van het stroomnet uit, dan kan dat relatief snel worden opgevangen met hulp van buurlanden.

Spanje en Portugal zijn zich al jaren bewust van dit probleem. Spanje werkt aan nieuwe hoogspanningslijnen naar Frankrijk. Daarbij zijn de Pyreneeën een fikse barrière gebleken. ‘Vanwege milieuregels mogen er niet zomaar hoogspanningsmasten in de bergen worden gebouwd. Daarom ligt er nu een lijn door een tunnel bij Perpignan. En er wordt inmiddels gewerkt aan een nieuwe hoogspanningsverbinding onder het water van de Golf van Biskaje.’

Landen kunnen dankzij die verknoping trouwens ook inertia aan elkaar lenen, zegt Vorrink. ‘Als het erop aan komt, zal bijvoorbeeld West-Brabant meer hebben aan massatraagheid van de kerncentrale van Doel, net over de grens in België, dan van de kerncentrale in Borssele.’

Dit artikel verscheen eerder in het juninummer 2025 van De Ingenieur. Neem eens een proefabonnement!

Openingsbeeld: Typisch Nederlands beeld van het hoogspanningsnet. Foto: TenneT