Wetenschappelijk onderzoek is meestal niet alleen het werk van een individuele wetenschapper maar van een team. Sommige onderwerpen en uitdagingen zijn daarnaast zo groot en complex dat ze multidisciplinaire oplossingen vereisen. Op de gang op de derde verdieping van de EWI-faculteit – de afkorting voor Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica – zit een bijzondere groep wetenschappers die werkt aan de overstap naar duurzame energie. In deze longread spreken we met Peter Palensky, die aan het hoofd staat van de afdeling Electrical Sustainable Energy, en met Laura Ramírez Elizondo, universitair hoofddocent micro-grids, over de belangrijke rol die is weggelegd voor energy hubs in de energietransitie.
Een energy hub is een extreem krachtig concept, een echte innovatiesprong, omdat het dingen combineert die tot nu toe niet gecombineerd werden.
Peter Palensky
De uitdaging van 20e en de 21e eeuw
De grote uitdaging voor de energiesector was altijd: energie zowel goedkoop als betrouwbaar maken. Dit is het dilemma waar engineers al decennia aan werken, schetst Peter Palensky de situatie. “En het líjkt een soort van gelukt: uiteindelijk zijn we allemaal gewend geraakt aan een betrouwbare en min of meer betaalbare stroomvoorziening. Maar er is een grote maar: de enige reden dat energie betaalbaar is, is dat we niet de werkelijke prijs betalen. We maken gebruik van fossiele brandstoffen en daarmee maken we de aarde kapot – en de prijs daarvan wordt niet mee gerekend.”
En zo komen we bij de grote uitdaging van de 21e eeuw. Er is een belangrijke derde voorwaarde bijgekomen: behalve betaalbaar en betrouwbaar moet energie schoon of duurzaam zijn. Het dilemma is een trilemma geworden, aldus Palensky. “Het goede nieuws is: we hebben een oplossing gevonden, bijna een wonder: hernieuwbare energie. De energie van de wind en de zon is goedkoop, gratis zelfs, het is heel betrouwbaar want je hebt altijd wel ergens wind of zon, het hoeft dus niet geïmporteerd te worden; en het is schoon. Alle echte experts in de energiesector, over de gehele wereld, zeggen hetzelfde: dit is de enige weg. Het is de enige manier om de aarde te redden, om de opwarming van het klimaat te stoppen, én onszelf van stroom te blijven voorzien. Helemaal stoppen met fossiele brandstoffen en hernieuwbare energie voor iedereen, overal ter wereld, altijd, bijna gratis.”
Maar technisch gezien komt dit plan om de aarde te redden, met nieuwe uitdagingen. Op dit moment is onze energie-infrastructuur niet gebouwd op 100 procent hernieuwbare energie, onder andere omdat de kabels waar de stroom doorheen loopt, niet groot genoeg zijn. Er zijn technologische oplossingen en innovaties nodig op het gebied van opslag, batterijen en accu’s, op het gebied van waterstof als opslag, en op het gebied van transmissielijnen tussen landen en offshore windparken.
En één van die oplossingen is het in gebruik nemen van energy hubs.
Laura Ramírez Elizondo
Laura Ramírez Elizondo is universitair hoofddocent bij de onderzoeksgroep DC Systems, Energy Conversion & Storage. Ze groeide op in Costa Rica. In 2007 studeerde ze cum laude af in Electrical Power Engineering aan de TU Delft. Haar PhD ging over Energyhubs.
Peter Palensky
Peter Palensky groeide op in Oostenrijk. Sinds 2014 is hij hoogleraar Intelligent Electric Power Grids aan de TU Delft, zijn specialisme is intelligente elektriciteitsnetwerken. Daarvoor was hij onder meer hoofdonderzoeker Complexe Energiesystemen aan de Austrian Institute of Technology en werkte hij op verschillende andere plekken in de wereld van Zuid-Afrika tot Rusland tot California. “Het is alsof we op een keerpunt staan in de geschiedenis, en wij de kans én de mogelijkheden hebben om de wereld ten goede te veranderen”, zegt hij in dit verhaal.
Een energy hub is een een slim gestuurd, decentraal energiesysteem waarin de opwekking, consumptie, opslag en conversie van verschillende energiedragers in een specifiek gebied op elkaar worden afgestemd. Een energy hub kan het bovenliggende energiesysteem ontlasten en door lokaal vraag en aanbod van energie in balans te brengen, daardoor werkt een energy hub flexibel, betrouwbaar en ook zuinig. Peter Palensky: “Een energy hub is een extreem krachtig concept, een echte innovatiesprong, omdat het dingen combineert die tot nu toe niet gecombineerd werden. Door het combineren, krijg je meer flexibiliteit, meerdere opties dan als je in silo’s werkt. En het stelt ons in staat om energie betrouwbaarder, betaalbaarder en groener te maken.”
Een simpel voorbeeld: een energy hub kan bijvoorbeeld gas, warmte en elektriciteit met elkaar verbinden voor een woonhuis. De hoogleraar legt uit: “Als je het warmtenet, het gasnet en het elektriciteitsnet afzonderlijk behandelt zoals tot nu toe werd gedaan, zullen ze zichzelf wel optimaliseren, maar samenwerken is lastig. Een warmtenetwerk is traag; elektriciteit is heel snel; als het samenwerkt kan het ene het andere compenseren. Dat kan alleen als je samenwerkt, in een energy hub.” Laura Ramírez Elizondo voegt toe: “Op een moment dat er minder stroom beschikbaar is, kan de energy hub beslissen om de warmtepomp voor een paar uur niet te gebruiken en in plaats daarvan opgeslagen warmte. We laten het systeem zijn werk doen: dat berekent het spel tussen warmte en de elektriciteit, en neemt de beslissingen. Maar: het concept energy hub brengt ook uitdagingen met zich mee. Op onze afdeling doen we onderzoek naar onder andere systeemtopologie, ontwerp van vermogenselektronica, en besturingsalgoritmen.”
Door de energiedragers op de juiste manier te gebruiken, maak je veel efficiënter – optimaal zelfs – gebruik van de energiebronnen.
Laura Ramírez Elizondo
Het energy hub-orkest
Het werkt zoals een orkest werkt, legt Peter Palensky uit. Je hebt de viool, de piano, ze spelen andere partijen, samen zijn ze het orkest. “Ieder afzonderlijk deel doet waar hij goed in is. In het energiesysteem moeten we ook zo gaan denken; niet meer geïsoleerd zoals tot nu toe. En we hebben nu de technologie om werkelijk te veranderen.” Daarmee bedoelt hij onder andere AI – de kunstmatige intelligentie die de beslissingen kan nemen om de energy hub te laten werken. “Dit kan niet op papier. We hebben ook de cloud nodig en data om dit te laten slagen.”
In één van zijn onderzoeksprojecten is hij bezig om een roadmap te ontwikkelen samen met de energiesector: hoe kunnen deze energy hubs optimaal ingezet worden? Palensky: “We moeten de laatste drie sectoren die nog op geheel op gas gebaseerd zijn – de transportsector, de industrie en onze verwarming – elektrisch gaan maken. Een manier hiervoor is elektriciteit op industrieterreinen converteren naar waterstof of andere synthetische gassen, en daarvoor heb je energy hubs nodig.”
Flexibiliteit en coördinatie
Ook bij collega-onderzoeker Laura Ramírez Elizondo zijn energy hubs een belangrijk onderdeel van haar onderzoek. “We zien nu al problemen ontstaan op het elektriciteitsnet, het raakt vol en verstopt. Dat veroorzaakt storingen en die willen we graag voorkomen. Tegelijkertijd willen we van het gas af in Nederland – met behulp van energy hubs zou dat mogelijk worden.” Er is nog een ander voordeel behalve de kabels ontlasten, legt ze uit. “Een energy hub heeft de mogelijkheid om alle verschillende multidragersystemen te integreren en ook te optimaliseren, zodat de flexibiliteit toeneemt.” En juist flexibiliteit heb je nodig bij duurzame energie: simpel gezegd omdat de toestroom niet altijd hetzelfde is – het kan hard waaien, bewolkt zijn of zonnig – en omdat mensen en bedrijven op het ene moment meer stroom gebruiken dan op het andere.
Ramírez Elizondo werkt aan het woonhuis als energy hub, energy hubs op wijkniveau en oplaadstations. ““Stel je een nieuw soort oplaadstations voor, waar je verschillende elektrische voertuigen kunt laden. Dat laadstation heeft ook batterijen, waterstof infrastructuur om de elektriciteit te kunnen opslaan, thermische opslag en PVT-panelen. De elektriciteit of warmte die daar is opgewekt, kan in de buurt worden gebruikt – bijvoorbeeld in de woonwijk, of het landelijke gebied eromheen. Deze hub krijgt een soort autonomie; het werkt op een autonome manier aan het optimaal opslaan en verdelen van de beschikbare stroom.” Het juiste woord is misschien ‘coördinatie’, stelt Ramírez Elizondo. “Het gaat niet alleen over de energie-uitwisseling, maar juist over de coördinatie van de verschillende partijen om synergiën te creëren.”
Het is alleen moeilijk om te begrijpen waarom deze overstap niet veel sneller gaat. We zijn begonnen met nadenken hierover in de jaren ’70, na de eerste oliecrisis. We zijn nu vijftig jaar verder.
Peter Palensky
Het is alleen moeilijk om te begrijpen waarom deze overstap niet veel sneller gaat. We zijn begonnen met nadenken hierover in de jaren ’70, na de eerste oliecrisis. We zijn nu vijftig jaar verder.
Peter Palensky
We maken het verschil
“Ik geloof echt in energy hubs”, zegt Laura Ramírez Elizondo. “Weet je waarom? Omdat alles in het leven zo werkt: synergiën brengen meer vooruitgang dan individuele plannen. In een team krijg je meer voor elkaar dan in je eentje. Ik geloof in het concept, coördinatie brengt ons werkelijk verder.” Ook Peter Palensky wordt gedreven door een sterke innerlijke drijfveer. “Eerlijk gezegd, ja, ik wil de wereld redden.”
Voor deze wetenschappers is de oplossing overduidelijk: we moeten zo snel mogelijk stoppen met het gebruik van álle fossiele brandstoffen. Palensky: “Het is alleen moeilijk om te begrijpen waarom deze overstap niet veel sneller gaat. We zijn begonnen met nadenken hierover in de jaren ’70, na de eerste oliecrisis. We zijn nu vijftig jaar verder. Ik vind het teleurstellend dat mensen in de politiek en in bedrijven nog steeds zeggen: ‘laten we doorgaan met olie en gas, we zien wel wat er gebeurt.’ Want we kunnen namelijk precies uitrekenen wat er gaat gebeuren. De olie raakt op, en nog voordat dat gebeurt, is de aarde zoveel opgewarmd dat het onleefbaar wordt. Dit kun je letterlijk berekenen, en toch doet men gelaten.”
Dus wil hij met zijn onderzoek wel echt een verschil maken. “Je kunt ook activist worden. Mijn keuze is om onderzoek te doen. Ik wil het systeem van de toekomst ontwerpen, een systeem dat ook voor bedrijven economisch interessant is. En betrouwbaar. En ik geloof dat het kan. Kijk waar de investeerders van Wall Street naar kijken: naar wind- en zonne-energie. Het is bijna onverslaanbaar, omdat de primaire energie gratis is.” Duurzame energie is ook nog eens heel inclusief op nationaal niveau, want de zon schijnt ook op het dak van de arme jongen. En de technologie is toegankelijk. “Het is geen rocket science. Je kunt het zelf installeren. In het verleden was energie altijd een middel om macht uit te oefenen, om te onderdrukken. Waar olie is, wordt oorlog gevoerd. Hernieuwbare energie is een compleet ander, nieuw soort product.”
Ik geloof echt in energy hubs. Weet je waarom? Omdat alles in het leven zo werkt: synergiën brengen meer vooruitgang dan individuele plannen.
Laura Ramírez Elizondo
Ik geloof echt in energy hubs. Weet je waarom? Omdat alles in het leven zo werkt: synergiën brengen meer vooruitgang dan individuele plannen.
Laura Ramírez Elizondo
De toekomst
Aan studenten hoef je niets meer uit te leggen over klimaatverandering, weten de onderzoekers allebei. Palensky: “De studenten zijn onze geheime wapens: zij moeten de best mogelijke opleiding krijgen in het licht van dit thema. Ze willen zelf graag impact maken.” Laura Ramírez Elizondo voegt toe: “De studenten van nu zijn geboren in een omgeving waar wordt gepraat over recycling, over duurzaamheid, over klimaatverandering.” Palensky: “Het is alleen oneerlijk dat aan studenten, aan ons allemaal, wordt wijs gemaakt dat het onze eigen verantwoordelijkheid is – dat wat je koopt in de supermarkt, het verschil gaat maken. Maar dat klopt niet. Het enige wat werkelijk een verschil kan maken zijn beleidsbeslissingen en beslissingen bij bedrijven en in de industrie. Wij als wetenschappers kunnen ook de beslissingen niet nemen; we kunnen alleen zo goed mogelijk het potentieel laten zien. Daarna is het uit onze handen.”
De treurige werkelijkheid
Raken ze niet ontmoedigd van de stand van de wereld, en het huidige politieke klimaat in Nederland en Europa? Ramírez Elizondo: “Soms maken we rampen mee, en soms zijn dat de triggers die nodig zijn om verandering te bewerkstelligen, dat is de treurige werkelijkheid. Het is onze verantwoordelijkheid om die rampen te gebruiken als toegangspoort tot transformatie.” Palensky: “We moeten volhardend zijn. Ik denk aan de prachtige afscheidsrede van een van de hoogleraren windenergie. Hij vertelde hoe hij zijn hele carrière was tegengewerkt, fondsen werden gestopt, collega’s probeerden hem weg te krijgen, 35 jaar lang, maar hij gaf niet op. En het wierp zijn vruchten af. Hij maakte het verschil. Hij heeft veel invloed gehad, op studenten, op de industrie en op de technologie. Hij had gelijk en hij wist dat vanaf het begin. Dát is wat we moeten doen. Volhouden. De huidige mode of het politieke klimaat waait weer over. Wij zullen niet opgeven.”
Eerlijk gezegd, ja, ik wil de wereld redden. Je kunt ook activist worden. Mijn keuze is om onderzoek te doen.
VIDEO | Mini-documentaire ESP Lab (Peter Palensky, Digitale Technologie) In het ESP Lab wordt het Nederlandse elektriciteitsnet klaargemaakt voor de toekomst. Drie onderzoekslijnen spelen hierin een belangrijke rol: zonne-energie, vermogenselektronica en digitale technologieën. In deze mini-documentaire deelt Peter Palensky zijn visie op de energietransitie en de bijdrage van het lab aan de verduurzaming van ons energiesysteem.
