In de meeste gevallen wordt elektriciteit van A (de plek waar het opgewekt wordt) naar B (de plek waar het gebruikt wordt) verplaatst. Grote hoeveelheden elektriciteit gaan over het hoogspanningsnet; de spanning die thuis op je stopcontact staat, valt in de categorie laagspanning. Met behulp van numerieke wiskunde ontwikkelt TU Delft-promovendus Marieke Kootte een model waarin deze twee netwerken aan elkaar gekoppeld worden. ‘Want,’ legt Kootte uit. ‘Vanwege de energietransitie, die grote invloed op ons hoogspanningsnet heeft, is het van belang dat ook de laagspanningsnetten steeds meer – op detailniveau – meegenomen worden.’
We kunnen het ons nauwelijks voorstellen: een landschap zónder hoogspanningslijnen. Maar ooit weleens nagedacht over de route die elektriciteit, door die dikke kabels, aflegt voordat het uiteindelijk in je iPhone terecht komt? Het was een vraag waar Marieke Kootte, in eerste instantie, ook niet direct mee bezig was totdat er via de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) een call werd uitgezet om met behulp van computational intelligence (het lerende vermogen van een computer) de energietransitie een duwtje in de goede richting te geven. ‘De wens van NWO sloot heel erg aan op een van de expertises uit het team van professor Kees Vuik, namelijk het snel doorrekenen van grote elektriciteitsnetwerken,’ legt Kootte uit. ‘Ik ben mij in de materie gaan verdiepen en kwam erachter dat er nog een wereld te winnen is als het gaat om de koppeling van hoog- en laagspanningsnetten. Op die manier is het balletje eigenlijk gaan rollen.’
Opgewekte energie
Inmiddels is Marieke promovendus en vormt het NWO-vraagstuk de basis van haar onderzoek. Daarbij valt zij, onder andere, terug op eerder opgedane kennis. ‘Ik heb ooit eens een project gedaan om erachter te komen hoe snel drugsafval in ons riool terecht komt. Je simuleert dan, in 2D, hoe die mix van chemicaliën zich verspreidt. Mijn laptopje kon die berekeningen nog wel aan. Maar stel, je wil dit voor het héle grondwaterstelsel in Nederland doen, dan heb je toch echt numerieke wiskunde nodig. Met de computermodellen, die je met behulp van numerieke wiskunde maakt, breng je zoiets vliegensvlug in kaart. Dat bespaart je een hoop tijd en rekenkracht. In mijn huidige onderzoek pas ik hetzelfde trucje toe op het elektriciteitsnet van Nederland: een netwerk dat bestaat uit miljoenen kabels en knooppunten. Op die kabels zit een bepaalde weerstand, en zo’n knooppunt is dan weer een plek waar energie opgewekt of geconsumeerd wordt. Denk aan een huishouden, of een hele wijk. Als we deze details bepaald hebben, laten we er een powerflow-simulatie op los om het spanningsprofiel vast te stellen. Zo krijg je een beeld van wat er allemaal op het elektriciteitsnet gebeurd. Voor netbeheerders levert dit bruikbare informatie op. Zeker als zij een nieuw netwerk willen aanleggen of bepaalde, hernieuwbare energiebronnen aan het net willen koppelen.’
Sharing is caring
Omdat het elektriciteitsnet enorm groot is, is eenvoudig modelleren (door slechts een paar knooppunten te beschrijven) vaak niet voldoende. Het kan een vertekend beeld van de werkelijkheid opleveren. Om tóch op grote schaal te kunnen modelleren, is numerieke wiskunde dus de ultieme troef. ‘Maar,’ vertelt Kootte, ‘moeilijkheidsfactoren houd je altijd. Een voorbeeld: de opgewekte energie wordt, via het hoogspanningsnet, over grote afstanden verspreid en op bepaalde punten tot een lager voltage gebracht zodat het geschikt is voor huishoudens en industrieën. Wat het lastig maakt, is dat beide netwerken een eigen netbeheerder hebben. Die netbeheerders brengen allebei, op hun eigen manier, de distributienetten in kaart. Vervolgens delen ze die “gevoelige” informatie nog te weinig. Toen ik met mijn onderzoek begon, was dat écht een ding. Maar nu de energietransitie een vlucht neemt, worden er – gelukkig – steeds meer gegevens uitgewisseld.’
Flexibiliteit
In Delft houdt Kootte zich dus vooral bezig met het doorrekenen van het elektriciteitsnet, maar zo’n zeventig kilometer verderop – bij Sympower, een Amsterdamse startup – vindt een ander onderdeel van haar PhD-onderzoek plaats. Kootte: ‘Als er op het elektriciteitsnet schommelingen tussen vraag en aanbod van stroom plaatsvinden, zijn het meestal gas- en kolencentrales die bijspringen. Dat is vaak kostbaar en niet erg duurzaam. Op momenten van een tekort of juist een overschot aan stroom op het elektriciteitsnet schakelt Sympower apparaten, die niet direct invloed hebben op een primaire bedrijfsproces, tijdelijk aan of uit. Of hoger of lager. Ze sleutelen dus aan de vraagkant van het elektriciteitsnet. Een groot deel van de koelhuizen in Nederland staat bijvoorbeeld ingesteld op zeven graden. Mocht er ergens een tekort aan stroom zijn, dan zet Sympower (bij de supermarkten die eraan meewerken) een aantal van die koelhuizen voor een paar seconden uit. Daardoor loopt de temperatuur tijdelijk op naar bijvoorbeeld acht graden. Op die manier neemt de vraag naar energie lokaal af en keert de balans op het netwerk terug. Door die koelhuizen op afstand te besturen, hoeven er geen vervuilende grondstoffen worden aangewend om de balans te herstellen.’
Finse glastuinbouwers
Een flexibel elektriciteitssysteem dat de vraag afstemt op het aanbod, zou dus een belangrijke stap in de energietransitie kunnen betekenen. Het testen van zo’n systeem houdt dan ook niet op bij de Nederlandse landsgrenzen. Voor haar onderzoek “bestuurde” Kootte bijvoorbeeld ook de groeilampen voor glastuinbouwers in Finland. ‘Planten hebben water, voeding, luchtvochtigheid, een minimale omgevingstemperatuur, maar vooral licht nodig om te kunnen leven. Op welk moment van de dag planten licht absorberen, maakt niet zoveel uit, als er maar aan een bepaalde hoeveelheid voldaan wordt. Dat houdt in: voldoende licht om fotosynthese te laten werken. Wel moesten de plantjes ieder uur een bepaald minimum licht tot zich nemen om te voorkomen dat ze in slaap zouden vallen. Wat we dus deden, was de energieprijzen van die dag zo nauwkeurig mogelijk voorspellen. Om vervolgens, tijdens de duurste uren, de plantjes te laten slapen en in de goedkoopste uren de groeilampen op maximaal te zetten. Een simpel optimalisatieprobleem.’
Naar de spoedeisende hulp
Een ander optimalisatieprobleem waar Kootte aan werkte, had te maken met elektrische auto’s. Hoe kun je een groep van, pak ‘m beet, achtduizend auto’s zo efficiënt mogelijk laten laden? ‘Je kan van iedere automobilist voorspellen wanneer hij of zij aankomt of weggaat, maar je kan ook per uur nagaan hoeveel auto’s er komen en gaan. Op de momenten dat het elektriciteitsnet al zwaar belast wordt, vloeit er minder elektriciteit uit zo’n laadpaal waardoor het opladen en ontladen van stroom langzamer gaat. Hierdoor voorkom je overbelasting. Uiteraard is er wel sprake van een bepaalde safety marge. Niet dat je straks, om twee uur ’s nachts, met spoed naar het ziekenhuis moet en erachter komt dat de accu van je auto nog niet eens voor de helft gevuld is. Dat mág natuurlijk niet.’
Back to the future
Terug naar Delft, waar Marieke hoog- en laagspanningsnetten aan elkaar koppelt. Hoe doet ze dat nu precies? ‘Er zijn twee manieren om dit te doen. Een methode waarbij je ervan uitgaat dat netbeheerders al hun data met elkaar delen. En een methode waarbij netbeheerders hun kaarten op de borst houden, béhalve als het gaat om dat ene knooppunt waar beide netten samenkomen. Mocht er sprake zijn van dat tweede scenario, dan kun je in het eenvoudigste geval de berekeningen zelf doen.’ Maar, merkt Kootte tegelijkertijd op, er wordt steeds meer energie geconsumeerd én er wordt steeds meer energie lokaal geproduceerd. Dat zorgt voor meer details, en dus grotere modellen. Daarnaast is energie uit zon en wind per definitie onvoorspelbaar. ‘Als je vervolgens ook nog eens het hoogspanningsnet aan het laagspanningsnet koppelt, dan is zo’n model nauwelijks nog te behappen. Je hebt immers met meer dan een miljoen knooppunten te maken. Je kunt dan het beste met een GPU werken: een speciale processor die ontworpen is voor het verwerken van grafische data. Een GPU kan eigenlijk allerlei verschillende taken tegelijkertijd uitvoeren waardoor je sneller kunt rekenen. Zo’n GPU stuur je op een andere manier aan dan gewone computers (CPU), dus daar komen wij – wiskundigen – met onze kennis om de hoek kijken. Mijn doel? De software, die netbeheerders gebruiken, sneller maken met behulp van GPU-berekeningen. Zodat zij, in de toekomst, adequater kunnen ingrijpen en elektriciteit altijd – met een simpele druk op de knop – weer beschikbaar is. Ook in deze snel veranderende wereld.’
Gigantisch laboratorium
Binnen de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI) is Marieke overigens niet de enige die zich met dit onderwerp bezighoudt. Zo herrijst er momenteel een gigantisch laboratorium – het ESP Lab – op het terrein van de TU Delft waar straks onderzocht wordt hoe je het beste elektriciteit vanaf windmolens en zonnepanelen naar het stopcontact in jouw woning krijgt. Eén van de mensen die bij het ESP Lab betrokken is, is Peter Palensky. Hij bouwt aan een digitale tweeling van het elektriciteitsnet. Want hoe houden we alles stabiel als er binnenkort miljoenen zonnepanelen zijn geïnstalleerd bij individuele huiseigenaren? ‘Peter is gespecialiseerd in intelligente elektriciteitsnetten,’ vertelt Marieke. ‘Het is dan ook niet zo gek dat wij regelmatig met elkaar om tafel zitten. Hij weet alles van het netwerk an sich, en wij doen dus de supersnelle rekenmethodes.’
Bekende bergpas
Marieke houdt zich overigens niet alleen onder werktijd bezig met de aarde zó gebruiken dat toekomstige generaties er ook nog plezier van kunnen hebben. Een van de dingen die ze naast haar PhD doet, is bijvoorbeeld eerlijke en duurzame kleding maken. ‘Op de dinsdagavonden leer ik voor coupeuse,’ verklapt ze met een bescheiden glimlach op haar gezicht. ‘Dat houdt in: het naaien van nieuwe kleding en het vermaken van bestaande kleding. Ik vind dat heerlijk om te doen. Eigen stoffen meebrengen, van die ouderwetse technieken die je dan leert… Daarnaast wielren ik vrij fanatiek. Zo schrijf ik me ieder jaar in voor de Amstel Gold Race en fietste ik verschillende keren Luik-Bastenaken-Luik, het traditionele sluitstuk van de voorjaarsklassiekers. En deze zomer wilde ik mij aan de beklimming van de Stelvio wagen, een bekende bergpas in de Italiaanse Alpen.’
Tekst: Dave Boomkens | Portret foto: Mark Prins
Meer verhalen
Digital society
Energietransitie
Electrotechniek, Wiskunde & Informatica
