Al sinds de 15e eeuw worden windmolens gebruikt om het land droog te pompen, en hadden we pas droge voeten zodra het hard ging waaien. Die windmolens zijn vervangen door gemalen die aan kunnen wanneer wij willen. We zouden die gemalen opnieuw afhankelijk kunnen maken van de wind en daarmee bij kunnen dragen aan de energietransitie.

 

Groene energie is duurzaam en zo goed als gratis, maar ook onvoorspelbaar en instabiel. De zon schijnt ’s nachts niet en de wind waait niet op commando. Als het aanbod van energie grilliger wordt en we van onze gaskraan af willen blijven, dan is het noodzakelijk om de vraag naar energie te flexibiliseren. Het Nederlandse watersysteem kan hier uitstekend op inspelen door – net zoals vroeger – het waterniveau op te laten lopen en te wachten met pompen tot het waait. Flexibiliteit is de volgende stap voor hernieuwbare energiebronnen, en ons watersysteem een enorme blauwe batterij.1

 

Met klimaatverandering als voornaamste drijvende kracht krijgen duurzame energiebronnen een steeds prominentere plek in het Nederlandse energiesysteem. Duurzame bronnen zijn een prachtig alternatief voor fossiele bronnen: de energie komt bij wijze van spreken uit de lucht vallen. Ze leveren naast duurzame energie, ook nieuwe uitdagingen op. Eén daarvan is de balans tussen vraag en aanbod van elektriciteit. Duurzame opwekking van energie varieert namelijk per dag of zelfs per uur en is zo onvoorspelbaar als het weer. Voor ons elektriciteitsnetwerk is dat een probleem, omdat het real-time in een constante balans tussen vraag en aanbod wordt gehouden. Bij een kleine onbalans zijn de gevolgen nog te overzien, maar als die onbalans te groot is valt het hele netwerk uit.

 

Intelligente systemen gebruiken data, sensoren, voorspellingen en optimalisatietechnieken om zo goed mogelijk gebruik te maken van bestaande infrastructuur.

De uitdaging van grillige groene stroom

In Nederland is TenneT, de netbeheerder, verantwoordelijk voor de balans tussen vraag en aanbod van elektriciteit. Zij meten aan het netwerk en sturen signalen naar gebruikers en producenten om meer of minder te gaan verbruiken of opwekken. In Europa resulteert dit in een frequentie van 50Hz op het elektriciteitsnetwerk. Kleine afwijkingen kunnen gecorrigeerd worden met allerlei slimme balansmechanismen. Zo liggen er veel hoofdspanningskabels tussen Europese landen, die ons in staat stellen elkaar te helpen met het balanceren van het netwerk. De keerzijde is dat het delen van de spanning middels deze kabels ons ook afhankelijk van elkaar maakt.

 

In 2018 werd dit pijnlijk duidelijk; er was toen onenigheid tussen Servië en Kosovo over het balanceren van het netwerk. Die onenigheid zorgde voor een onbalans die merkbaar was in het gehele Europese netwerk. In heel Europa moesten centrales bijspringen om de lampen brandend te houden, maar de netwerkfrequentie ging, ook in Nederland, omlaag naar 49.996Hz.2 Naast een geschatte 113GWh aan energieverlies (ongeveer 1.3 miljoen Tesla’s) hebben we toen onze klokken zes minuten moeten verzetten. Een elektronische klok meet de tijd namelijk door trillingen op het netwerk te tellen. Bij grotere afwijkingen is het risico niet slechts dat de lampen minder fel branden en de klokken achter gaan lopen, maar dat kritieke infrastructuur in gevaar komt.

 

Het intelligente antwoord

Om een constante balans tussen vraag en aanbod te kunnen garanderen, ondanks een onzeker aanbod, moeten we slimmer worden in ons gebruik. Recente vorderingen in intelligente systemen komen daarvoor goed van pas. Intelligente systemen gebruiken data, sensoren, voorspellingen en optimalisatietechnieken om zo goed mogelijk gebruik te maken van bestaande infrastructuur. Denk bijvoorbeeld aan the internet of things, waarbij alle apparaten aangesloten zijn op het internet. Bijvoorbeeld, een koelkast die voornamelijk gaat koelen als het waait. Deze ontwikkelingen kunnen ook gebruikt worden om de Nederlandse en Europese energievraag aan te passen op het aanbod. Dit wordt demand response genoemd en wordt uitvoerig bestudeerd voor bijvoorbeeld airco’s en koelkasten, maar ook voor gemalen.3

Figuur 1: Het elektriciteitsnetwerk in balans

Demand response wordt ook wel gezien als virtuele opslag. Voor het behoud van de spanningsbalans op het elektriciteitsnetwerk maakt het namelijk niet uit of dit bewerkstelligd wordt doordat een batterij stroom levert wanneer het schaars is, of doordat iemand zijn verbruik uitstelt. Beide zorgen voor het balanceren van het netwerk door vraag en aanbod van elektriciteit in evenwicht te brengen. Door optimaal gebruik te maken van de huidige opslag in bestaande systemen, of dat nou water, warmte, koude of luchtdruk is, kunnen we gezamenlijk virtueel elektriciteit opslaan. Ons watersysteem leent zich heel goed voor deze virtuele opslag. Een bijkomend voordeel daarvan is dat we elektriciteit verbruiken wanneer het in overvloed is, en dus goedkoper is. Duurzame stroom, een balans tussen vraag en aanbod van elektriciteit, en ook nog goedkoop! Een win-win-win situatie voor iedereen die flexibel is in zijn gebruik en daarmee de energietransitie versnelt.

 

De veiligste delta ter wereld

Nederland heeft een prachtig watersysteem dat ontworpen is om overstromingen te voorkomen, zoutwaterindringing tegen te gaan, scheepvaart toe te laten, en meer. Het systeem is berekend op extreme situaties; zo zijn onze primaire waterkeringen zo ontworpen dat ze slechts 1 keer per 10.000 jaar falen.4 Omdat Nederland voor een groot deel onder zeeniveau ligt, moet bijna elke druppel regen die valt weggepompt worden. Dit gebeurt stapsgewijs. Een druppel kan meerdere gemalen tegenkomen op weg naar de zee. Dit proces slurpt aardig wat energie: bij de waterschappen was dit in 2019 zo’n 140 GWh, wat gelijk staat aan het jaarlijks verbruik van zo’n 50.000 huishoudens.5 Hier vallen enkele enorme pompen nog niet eens onder; Rijkswaterstaat heeft er nog een paar staan die niet in deze berekening zijn meegenomen. De grootste daarvan staat in IJmuiden, dit is tevens de grootste pomp van Europa. Dat gemaal kan wel 260 kubieke meter per seconde wegpompen (6 zwembaden per minuut) en heeft een piekvermogen van 6MW (genoeg om één Tesla per seconde op te laden).6 Het feit dat het Nederlandse watersysteem op de meest extreme scenario’s berekend is, maakt Nederland de veiligste delta ter wereld.

Figuur 2: Twee van de zes pompen van gemaal IJmuiden.

 

De Nederlandse blauwe batterij

Dit veiligheidsniveau zorgt dat bijvoorbeeld Schiphol of kerncentrale Borssele een laag overstromingsrisico dragen.

Het Nederlandse watersysteem mag dan wel een energieslurper zijn, maar het veiligheidsniveau heeft zo zijn voordelen: in een alledaags scenario is er flink wat speling mogelijk en daarbij dragen bijvoorbeeld Schiphol en de kerncentrale in Borssele een laag overstromingsrisico. We kunnen best een paar uur of dagen wachten met pompen, omdat deze systemen zo veilig zijn. Waterschappen en Rijkswaterstaat kunnen meestal wachten met pompen om het energiesysteem pas te belasten wanneer dit het aankan: als het waait. Intelligente systemen die goede voorspellingen doen van bijvoorbeeld de hoeveelheid inkomend water maken dit mogelijk. Natuurlijk zal er in een sommige situaties gewoon gepompt moeten worden, dus is er meer flexibel vermogen nodig naast wat het watersysteem biedt.

 

In Nederland loopt de duurzame energieopwekking nog wat achter op de rest van Europa.7 Door demand response toe te passen, wat grote voordelen heeft in een duurzaam energiesysteem, zou Nederland een inhaalslag kunnen maken en de integratie van duurzame energie kunnen verbeteren. Uit een onderzoek naar de Duitse energiemarkt blijkt een gemaal tot wel 45% aan energiekosten te kunnen besparen.8 In een duurzaam energiesysteem wordt flexibiliteit van de consument beloond en inflexibiliteit bestraft. Opslagcapaciteit is daarom van cruciaal belang bij de energietransitie. Meer opslag in het watersysteem betekent dat er meer ruimte is voor water en dus meer tijd om te wachten met pompen. Deze flexibiliteit helpt de integratie van duurzame energie in ons energiesysteem, levert een fikse kostenbesparing op én verlaagt de netto CO2-uitstoot van het watersysteem. Het is tijd voor Nederland om in te zetten op flexibiliteit en gebruik te maken van onze enorme blauwe batterij.

 

Redacteur: Renske van der Wal

 

Referenties

[1] Financieel Dagblad, ‘Flexibiliteit is de nieuwe renewable’, 2019, https://fd.nl/advertorial/tennet/1305674/tennet-ceo-manon-van-beek-over-energietransitie-en-innovatie.

[2] Reuters, ‘Serbia, Kosovo power grid row delays European clocks’, 2018, https://www.reuters.com/article/serbia-kosovo-energy-idUSL5N1QP2FF.

[3] Jordehi, A. R., “Optimisation of demand response in electric power systems, a review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 103 (April 2019): 308-319.

[4] Royal Haskoning DHV, ‘De veiligheid van Nederland in kaart’, Rijkswaterstaat.

[5] STOWA, Slim malen, energie besparen (25 november 2019), https://www.stowa.nl/publicaties/slim-malen-energie-besparen.

[6] Weissenbruch, R.D. van, Onderzoek energieverbruik gemaal IJmuiden, 2003, https://puc.overheid.nl/rijkswaterstaat/doc/PUC_103751_31/.

[7] European Commission. 2019. SHARES (Renewables). https://ec.europa.eu/eurostat/web/energy/data/shares.

[8] Heijden, T.J.T. van der, Pumping when the wind blows, 2019, https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A396e5112-19a0-48d3-b83d-9341a9fad583.

Afbeeldingen

Afbeelding 1: Heijden, T.J.T. van der, Pumping when the wind blows, 2019, https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A396e5112-19a0-48d3-b83d-9341a9fad583.

 

Afbeelding 2: Rijkswaterstaat, Beeldarchief Rijkswaterstaat, (bezocht op 12 december 2020), http://beeldbank.rws.nl/.

Ties van der Heijden

Ties van der Heijden

Ties van der Heijden (1993) is een PhD student aan de TU Delft. Na zijn MSc Watermanagement, ook aan de TU Delft, kreeg hij de kans om zijn afstudeerwerk “Pumping when the wind blows” (waar dit artikel op gebaseerd is) voort te zetten in een PhD. Voor zijn onderzoek is Ties bij de afdeling Water Resources Management (Civiele Techniek) en Intelligent Electrical Power Grids (Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica) in dienst. Naast zijn onderzoek is Ties ook werkzaam als water- en energieconsultant bij HKV Lijn in Water, waar hij resultaten uit zijn onderzoek direct kan toepassen in de praktijk.