smart grid, virtual power plant

smart grid, virtueel netwerk, virtuele centrale (Virtual Power Plant, VPP), intelligent net, slim elektriciteitsnet

Smart grid of virtual power plant (VPP) is de benaming van een elektriciteitsnetwerk waarbij in theorie alle verbruikers van elektriciteit ook elektriciteit aan het netwerk kunnen leveren, mogelijk gemaakt door intelligentie in het netwerk.
In deze situatie worden verschillende gedistribueerde elektriciteitsbronnen gebundeld om te werken als één energiecentrale. 

Doel van een samrt grid / VPP is een evenwichtig elektriciteitsnet door de productie en de consumptie van eletrische stroom in balans te houden.

Vergelijkbaar met gegevenstransport over internet loopt elektriciteit in het netwerk van knoop naar knoop waarbij het smart grid "zelf" beslist welke weg de stroom aflegt (bijvoorbeeld om de meest efficiënte en robuuste weg om een betrouwbaar netwerk te behouden of om de goedkoopste energie te kunnen verkrijgen).

In een "normaal" netwerk voor elektriciteit is sprake van een hiërarchische benadering:
- de verbruikers (consumenten, bedrijven, fabrieken) nemen de elektriciteit af die de centrale levert
- de afgelegde weg is altijd van centrale naar consument
- het is slechts in beperkte mate toegestaan dat ook eindgebruikers (consumenten) elektriciteit leveren aan het netwerk.

Een smart grid is noodzakelijk om vele bronnen, op vooraf onbekende momenten, aan het net te kunnen laten leveren zonder dat dit tot overbelasten of stilvallen van het netwerk leidt. Die bronnen kunnen duurzaam zijn, maar dat is geen noodzaak.
Belangrijk is dat bijvoorbeeld fabrieken en glastuinbouwers maar ook grote aantallen particulieren hun teveel aan geproduceerde elektriciteit aan het net kunnen leveren.

De term virtual power plant (VPP, virtuele energiecentrale) legt de nadruk op:
- het produceren (leveren) van energie (power is energie, plant is fabriek)
- het virtuele karakter (het totaal is niet echt één omvangrijke energiefabriek maar wel als zodanig te zien).

De term smart grid legt de nadruk op:
- het grid (rooster, netwerk, het totaalkarakter, alle producenten hebben er een plekje)
- het smart zijn (slim, continu meten en verzamelen van gegevens over hoeveelheden productie en verbruik, gegevens over wanneer welke prijzen voor een kWh gelden, sturen van het netwerk aan de hand van de vele variabelen, intelligente software stuurt het geheel, koppelen en afkoppelen van producenten als de betrouwbaarheid van het netwerk in het geding komt).
 
Bij beide termen gaat het vooralsnog uitsluitend om elektriciteit.

Een te grote toestroom aan elektriciteit en van bronnen kan het netwerk overbelasten. Dit wordt netcongestie genoemd: er ontstaat een te hoge spanning en/of een te hoge frequentie. Een deel van het netwerk kan volledig stilgelegd worden om overbelasting van alle aangesloten apparatuur e.d. te vermijden.
Anderzijds, bij drastisch verminderen van een groot aantal leveranciers aan het netwerk moet de centrale regelaar (netwerk operator, grid operator) de elektriciteitsproductie snel weer op peil brengen. 

Een smart grid / VPP moet daarom:

• de deelnemers helpen bij het produceren (leveren) en verbruiken (consumeren) van elektrische stroom
• op een slimme, afgewogen manier (bij voorkeur automatisch) het netwerk voor alle deelnemers betrouwbaar houden
• de onbalans in het netwerk nivelleren als de spanning en/of de frequentie te hoog wordt
• elektriciteit leveren ("bijspringen") als er een tekort aan stroom is, dus (tijdelijk) aankoppelen van meer bronnen
• bepaalde bronnen (tijdelijk) afkoppelen als er een teveel aan stroom dreigt
• wellicht bepaalde bedrijven een signaal geven om minder producten te fabriceren (als dat aanzienlijk minder verbruik van elektriciteit inhoudt).

Mogelijke bronnen van een virtual power plant:

Vereisten voor een smart grid / VPP

• Informatieverstrekking.
  Elke producent van elektriciteit dient zijn productie continu "bekend te maken" zodat al of niet kan worden aangekoppeld, of het moment van aan- of afkoppelen kan worden bepaald.
  
  
• Een veelheid van elektriciteitsleveranciers (grote en kleine).
  Voor een betrouwbaar netwerk kan een groot aantal leveranciers positief zijn omdat in dat geval de aansturing meer gevariëerd kan worden. (Kan ook een nadeel zijn als de prijs van de energie een grote rol speelt en veel leveranciers tijdelijk "afhaken".)
  
  
• Grid operator als knoop in het netwerk.
  De grid operator (verdeler) beslist als knoop in het netwerk waar elektriciteit toogelaten wordt.
  De grid operator beslist of elektriciteit op het grote net wordt toegelaten, naar het grote netwerk gaat of lokaal wordt gebruikt. Dit vermijdt onnodig transport van elektriciteit en daarmee onnodig verlies ervan.
  
  
• Intelligentie.
  Intelligentie bij de knoop in het netwerk (grid operator) zodat op basis van alle gegevens en van de gestelde variabelen automatisch beslissingen kunnen worden genomen.
  Intelligentie bij de bron van de energieproducent (geavanceerde energiemeters) om:
  - automatisch informatie te kunnen verstrekken
  - bij dreigende overbelasting van het net de levering (tijdelijk) af te kunnen ontkoppelen
  - om elektriciteit te verbruiken voor opslag in bijvoorbeeld een thuisbatterij of wijkbatterij. 
  
  
• Beveiliging, privacy.
  Uitval van de levering van elektriciteit aan de eindgebruikers heeft zeer veel en grote gevolgen. Hoewel beveiling en privacy hier als laatste worden genoemd, moeten zowel fysieke als sotwarematige beveiliging een hoge prioriteit hebben. 

Voordelen van een smart grid / VPP

• door de slimme sturing van het netwerk kan een onbalans waarschijnlijk vermeden worden
• grote én kleine leveranciers van elektriciteit hebben de mogelijkheid de beste prijs voor hun energie te verkrijgen (door automatisch het juiste moment te kiezen)
• bronnen van duurzame elektriciteit leveren hun overcapaciteit aan het net waardoor minder (andere, fossiele) energie benodigd is voor elektriciteitscentrales
• door warmte om te zetten naar elektriciteit kunnen verliezen van energie worden vermeden (als die energie geleverd wordt aan het slimme netwerk)
• door energieopslag in bijvoorbeeld thuisbatterijen, wijkbatterijen wordt het openbare net flexibeler (snel laden of ontladen, dus snel leveren of consumeren van elektriciteit door de batterij aan resp. van het openbare net)  
• gigantische netwerkuitbreidingen zijn wellicht niet meer nodig omdat veel elektriciteit "lokaal" blijft (wordt lokaal geproduceerd én verbruikt).

Nadelen van een smart grid / VPP

• het stuurmechanisme is complex en daarmee foutgevoelig, dus gefaseerd invoeren (bij veel intelligentie, veel variabelen en veel prijswijzigingen voor de energie kan het netwerk onvoorspelbaar worden)
• de bekende grote opwekkers van elektriciteit zullen minder leveren aan het net waardoor het wel geleverde uiteraard duurder zal zijn
• de geprivatiseerde grote netbeheerders van elektriciteit moeten bereid zijn ook de kleintjes toe te laten op het grote net
• wie bepaalt uiteindelijk de prijs van de aan het net geleverde energie? (door alle privatiseringen en alle internationale koppelingen van de energienetten is energie een puur "product" geworden in plaats van een "noodzakelijke stof" waarvan de prijs door de overheid gestuurd zou moeten worden (de oude nutsbedrijven van lang geleden)
• wanneer de verbruikers (eindgebruikers) eenmaal gewend zijn veel te betalen voor energie (kWh), is het voor de prijs-stellers aanlokkelijk om de prijs simpelweg altijd hoog te houden (zoals al lange tijd de daluren bepaald geen daluren meer zijn wat betreft prijs)
• beveiliging van het netwerk, tegen "kraken" maar ook tegen leveren van verkeerde informatie, is moeilijk (cybercrimes)
• wellicht is voor elke kleine gebruiker een noodvoeding nodig (UPS, Uninterruptable Power Supply)?

Een combinatie van energiesoorten kan dus de nadelen van elk van de gebruikte systemen ondervangen, bij weinig vraag naar elektriciteit of extreem veel opwekking van elektriciteit (meestal van windturbines of pv-panelen) kan deze elektriciteit opgeslagen worden, in welke vorm dan ook, zie energieopslag. 

Opmerkingen
- "Een community-based Virtual Power Plant (cVPP, gemeenschapsgebaseerde virtuele energiecentrale) ondersteunt lokale energie-initiatieven door gedistribueerde opwekking en flexibiliteit te bundelen via een Energy Management System (EMS), dat prijsveranderingen, energiestromen en weersomstandigheden modelleert en zo bijdraagt aan het oplossen van de netproblemen. Omdat een cVPP door de gemeenschap wordt georganiseerd en wordt aangestuurd door haar behoeften, werkt het in het voordeel van de burgers". (TU/Eindhoven)
Door veranderde wetgeving kunnen gemakkelijker lokale energie-initiatieven worden genomen om elkaars tekort en overschot te nivelleren.
- Om energieverlies te vermijden: overcapaciteit zou opgeslagen moeten kunnen worden, bijvoorbeeld in omvangrijke batterijen, ondergrondse bassins die phase change materials bevatten of omzetten naar ammoniak (zie bij energieopslag).
- Het koppelen van elektrische auto's en die aan het net te laten leveren (bij stroomtekort) of te laten opladen (bij een dreigende overbelasting van het grote openbare net) heeft nadelen: het aantal elektrische auto's is behoorlijk groot, maar de hoeveelheid die gekoppeld kan worden, is sterk wisselend waarmee de elektrische auto's  een onbetrouwbare bron zijn.
De auto's moeten beschikbaar zijn ("aan het net hangen"), de eigenaren van deze elektrische auto's moeten toestemming geven (dat kan alleen als die er financieel baat bij hebben, bijvoorbeeld leveren brengt meer op dan dat afnemen kost (want als je daarna van het openbare net gebruik moet maken om de auto weer op te laden dan is de kans groot dat die stroom veel duurder is), de onzekerheid of er wel voldoende capaciteit om al die auto's (weer) te laden. (Zie eventueel bij energieopslag voor deze en andere problemen; zie eventueel bij laadpaal.)
- Stroompieken door teveel geleverde zonne- en windenergie moeten worden afgevlakt (het zogenoemde peak shaving). Bij een forse stroompiek kunnen elektrische apparaten doorslaan, denk aan desktop-pc, koelkast, magnetron,  muziekversterker, warmtepomp, cv-ketel, laadpaal. (In mei 2023 kregen bewoners van het plaatsje Meeden plots 400 V op de elektrische apparaten in plaats van 230 V door een fout met de bekabeling bij technisch onderhoud, niet door zonnepanelen. De schade hiervan werd door netbeheerder Enexis vergoed.)
- Virtual Power Plants met DER-sturing houdt in: "Centrale coördinatie van decentrale energiebronnen waardoor deze gezien kan worden als één grote virtuele energiecentrale" (DER staat voor Distributed Energy Resources).
- Prof. Marija Ilic van de TU Delft zegt hierover: "Elektriciteitsnetwerken veranderen van gecentraliseerde netwerken in smart grids met ingebedde intelligentie en waarin een deel van de beslissingen wordt genomen door de gebruikers". Het is belangrijk dat de computersystemen dan de juiste beslissingen nemen bij het toewijzen van toegang op het netwerk, evenals het afsluiten daarvan. "Uiteindelijk gaat het erom tegelijkertijd zowel de betrouwbaarheid als de efficiëntie van het net te verbeteren."

Documentatie
- Cisco-visie IP-architectuur voor smart grids 
- Begrippen m.b.t. elektriciteitsnetwerken (zie bij Jargonboek) 

Met dank aan Technisch Weekblad, Cisco en Lievense | WSP adviseurs en ingenieurs.

Zie ook groene stroom, netcongestie en eventueel verbruik elektra en gas in een woonhuis.