Energietransitie stroomlijnen met wiskunde en informatica

De grootschalige overgang van fossiele naar duurzame energiebronnen heeft grote gevolgen voor het elektriciteitsnetwerk. Aan de aanbodkant ontstaan grotere fluctuaties, onder andere door schommelingen in zonne- en windenergie. Bovendien wordt het aanbod minder afhankelijk van enkele grote energieleveranciers en meer decentraal. Steeds vaker worden particulieren zelf energieproducenten doordat ze via hun eigen zonnepanelen stroom opwekken en terugleveren aan het net. Bovendien zijn de bronnen voor alternatieve energie, zoals windparken op zee, vaak ver van de industriële centra. Daarom zijn nieuwe hoogspanningsnetten nodig, naar verwachting zelfs een verdubbeling tussen nu en 2050.

Aan de vraagkant zal de behoefte aan elektriciteit sterk toenemen, bijvoorbeeld doordat het vervoer en de verwarming van huizen steeds meer elektrisch wordt , en door de vervanging van gas door elektriciteit in de industrie.

Waarschijnlijkheid van stroomuitval

Hoe moet het toekomstige elektriciteitsnetwerk eruitzien om al die veranderingen aan te kunnen? Om die vraag te beantwoorden doet het CWI verschillende soorten fundamenteel onderzoek naar de bijdragen in wiskunde en informatica voor uitdagingen in het elektriciteitsnetwerk.

Zo onderzoekt CWI-wiskundige en hoogleraar aan de TU Eindhoven Bert Zwart de waarschijnlijkheid van stroomuitval in het elektriciteitsnetwerk. Zulke ‘blackouts’ variëren van lokaal tot nationaal en zelfs internationaal. Zwart ontdekte in 2020 dat de kans op stroomuitval meer wordt bepaald door de verdeling in de grootte van steden dan door de details van de elektriciteitsnetten. Met een beter begrip van de oorzaken van blackouts, kunnen ingenieurs robuustere elektriciteitsnetwerken ontwerpen.

Het ligt voor de hand om te denken dat door de energietransitie het aantal blackouts zal toenemen. Er ontstaan immers grotere schommelingen in vraag en aanbod. Toch ziet Zwart dat anders. Hij denkt dat met een aangepast ontwerp van het elektriciteitsnet het aantal blackouts zelfs kan afnemen.

“Buurten in het Australische Adelaide kregen in 2016 weken lang om de beurt een half uur lang geen stroom”, vertelt Zwart. “Men was van kolencentrales overgestapt op duurzame energie, maar ging pas nadenken over de gevolgen voor het netwerk toen de kolencentrales al dicht waren. Het is flauw om dan duurzame energie de schuld te geven van de blackouts. Het was de politiek die te snel veranderingen doorvoerde.”

De overgang van ons huidige, gecentraliseerde elektriciteitsnetwerk naar het toekomstige gedecentraliseerde elektriciteitsnetwerk vergelijkt Zwart met de overgang van het analoge telefonienetwerk naar het digitale internet. Zwart: “Die overgang werd mogelijk door het TCP/IP-protocol dat digitale informatie op een slimme manier in pakketjes verstuurt.”

Het TCP/IP-protocol knipt een datastroom op in pakketjes en verstuurt deze als in een estafette van het ene naar het andere tussenstation tot ze uiteindelijk bij de ontvanger aankomen, soms zelfs via verschillende wegen.

“De heilige graal voor ons toekomstige energienetwerk”, zegt Zwart, “is om zoiets als TCP/IP voor energienetwerken te ontwikkelen: een algoritme dat pakketjes energie slim rondstuurt. In hoeverre we een soortgelijk slim algoritme voor energie kunnen ontwikkelen, bepaalt in hoeverre we het energienetwerk kunnen digitaliseren.”

Balans tussen efficiëntie en robuustheid

De energietransformatie dwingt ons om zelfvoorzienender te worden en meer lokale oplossingen te verzinnen. Zwart trekt weer een vergelijking met het internet: “Als het te druk is op het internet, worden datapakketjes in routers opgeslagen. Zoiets kun je bij het elektriciteitsnetwerk ook doen door bijvoorbeeld in elke wijk van duizend inwoners een grote batterij neer te zetten voor als het netwerk even geen elektriciteit kan leveren.”

Het toekomstige elektriciteitsnetwerk moet flexibel op veranderingen kunnen inspelen, zegt Zwart. “Als ons dat lukt, dan kan de kans op blackouts die we in ons huidige netwerk hebben juist afnemen. Maar het gaat altijd om het vinden van een balans tussen efficiëntie en robuustheid. Meer efficiëntie betekent minder robuustheid, en andersom.”

Intelligente agenten verhandelen energie

Een energiesysteem met consumenten die tegelijkertijd producenten zijn, verandert ook de manieren waarop energie verhandeld kan worden. Terwijl consumenten nu elektriciteit inkopen van een paar grote aanbieders, kunnen ze in de toekomst in principe ook onderling elektriciteit verhandelen. Maar dat moet dan wel automatisch gebeuren, anders is het niet praktisch.

In die context bestudeert CWI-onderzoeker en hoogleraar Intelligent Energy Systems aan de TU Delft Han La Poutré samen met enkele promovendi mechanismen om flexibele energiecontracten tussen verschillende partijen te bewerkstelligen. “Flexibiliteit in contracten,” zegt La Poutré, “kan enerzijds bijdragen aan een oplossing voor de grotere onzekerheid in de levering van duurzame energie, en anderzijds aan een oplossing voor congestie in het netwerk.”

Flexibiliteit in contracten kan de vorm aannemen van micro-contracten tussen twee partijen. Deze zogeheten peer-to-peer-contracten gaan over de prijs, de hoeveelheid en de leveringszekerheid. La Poutré: “Voor zulke micro-contracten ontwikkelen wij geautomatiseerde onderhandelingsstrategieën gebaseerd op speltheorie. Daar kunnen we dan bepaalde eigenschappen wiskundig van bewijzen, zodat we zekerheid hebben dat het goed werkt.”

De ontwikkelde onderhandelingsstrategieën kunnen vertaald worden in algoritmen, en die vormen weer de basis voor slimme, autonoom handelende ‘agenten’, zeg maar stukjes software. Die agenten kunnen automatisch tussen twee partijen onderhandelen, bijvoorbeeld tussen een consument en een windmolen, of tussen twee buren. De mensen zelf hoeven niets te doen omdat het automatisch gaat.

Behalve mechanismen voor flexibele contracten onderzoekt La Poutré ook de eerlijkheid in congestiemanagement. La Poutré: “Dan is de vraag hoeveel je particulieren en bedrijven van elektriciteit mag afknijpen wanneer er te weinig geleverd kan worden en wat een eerlijke verdeling tussen hen is. Dat is zeer actueel, want we hebben in Nederland op dit moment al zo’n zesduizend bedrijven die niet kunnen worden aangesloten. Voor verschillende ethische normen proberen wij algoritmische oplossingen te ontwikkelen en te bewijzen dat deze ook doen wat ze beloven te doen.”

La Poutré is vier keer voorzitter of mede-voorzitter geweest voor het definiëren van NWO-programma-oproepen over energie, met name over de integratie van energiesystemen (zoals het combineren van elektriciteit en waterstof of warmte). Als zodanig heeft hij mede de richting bepaald van de inhoud van alle NWO-programma’s over energie.

Nieuwe vermogensschakelaars

Een heel ander soort onderzoek dat bijdraagt aan het stroomlijnen van de energietransitie doet CWI-natuurkundige en toegepast wiskundige Ute Ebert, die tevens hoogleraar is aan de TU Eindhoven. Op zoek naar een nieuw type vermogensschakelaar bestudeert zij met haar collega’s hoe elektrische ontladingen in een gas ontstaan en gestopt kunnen worden.

“Elk hoogspanningsnet gebruikt vermogensschakelaars, die de stromen in het net regelen”, legt Ebert uit. “In het huidige net bevatten vermogensschakelaars het gas SF6, dat bijna onvervangbaar is, maar helaas ook het ergste broeikasgas ter wereld is, meer dan twintigduizend keer erger dan CO2. Tijdens onderhoud ontsnapt er steeds weer iets van dit gas. De EU heeft het gebruik van SF6 verboden, behalve dan in deze schakelaars. De EU eist wel de ontwikkeling van een milieuvriendelijker alternatief binnen tien jaar.”

Als een vermogensschakelaar de stroom moet onderbreken, worden twee metalen elektrodes uit elkaar getrokken. De elektriciteit probeert dan echter toch door het gas tussen de elektrodes te stromen. Het gas moet dit voorkomen, of, als het toch gebeurt, moet het de elektrische ontlading zo snel mogelijk uitdoven. De grote vraag is welk gas het beste alternatief biedt voor SF6.

Ebert en haar collega’s hebben een unieke expertise opgebouwd in het in groot detail simuleren van zulke gasontladingen op de computer. “Voor gasontladingen in lucht hebben we recent laten zien dat onze simulaties goed overeenkomen met de experimenten. Hiervoor werken we samen met elektrotechnici van de TU Eindhoven die extreme spanningspulsen kunnen opwekken, en met natuurkundigen die precies kunnen meten wat er in de lucht gebeurt.”

De computersimulaties die al zo goed werken voor lucht als medium wil ze ook ontwikkelen voor mogelijke nieuwe gassen voor de vermogensschakelaars, maar dat is geen sinecure. Ebert: “De gasontlading hangt af van de geometrie van de schakelaar, de spanningspuls en de samenstelling van het gas. We weten al dat simulaties in andere gassen dan lucht ons voor nieuwe uitdagingen stellen. Maar die gaan we graag aan om te begrijpen hoe zo’n een ontlading in het nieuwe gas ontstaat en hoe we daar zo snel mogelijk vanaf komen.”

Het werk van Bert Zwart, Han La Poutré en Ute Ebert zijn drie voorbeelden van fundamenteel wiskunde- en informatica-onderzoek waarmee het CWI bijdraagt aan de energietransitie. Het kader verwijst naar enkele andere CWI-projecten op het terrein van energie, duurzaamheid en energietransformatie.

Meer lezen:

• City sizes may affect blackout probabilities: https://physics.aps.org/articles/v13/122
• Emergence of scale-free blackout sizes in power grids: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.058301
• Hoe onze obsessie met efficiëntie ons kwetsbaar maakt voor onwaarschijnlijke gevaren: https://decorrespondent.nl/11191/hoe-onze-obsessie-met-efficientie-ons-kwetsbaar-maakt-voor-onwaarschijnlijke-gevaren/988256674515-20cde0d8

Tekst: Bennie Mols