Amerikaanse grid is knelpunt bij realiseren klimaatdoelen

Het gebalkaniseerde Noord-Amerikaanse hoogspanningsnetwerk groeit te langzaam om de klimaatdoelen van de VS te realiseren. Het vervangen van oude conductoren door HTSL-kabels moet uitkomst bieden maar gaat veel langzamer dan in Europa.

Het is een wereldwijd verschijnsel: de groei van de hoogspanningsnetwerken blijft ver achter bij de explosieve toename in het aanbod aan groene energie en de vraag naar meer elektriciteit. Om het klimaatdoel van zero-emissions in 2050 te realiseren, moet volgens het Internationale Energieagentschap de lengte van alle hoogspanningslijnen in de wereld groeien van 5.5 miljoen naar 15 miljoen kilometer. Daarvoor is tot 2050 ieder jaar zo’n $600 miljard aan investeringen nodig, dubbel zoveel als nu het geval is.

In Amerika is de situatie ronduit alarmerend. De aanname van de Inflation Reduction Act in 2022 is een grote stimulans gebleken voor tientallen grote wind- en zonne-energie projecten. Tegelijkertijd neemt de vraag naar elektriciteit snel toe door grote investeringen in datacenters, AI-toepassingen, crypto-mining en elektrisch transport. Helaas groeit het hoogspanningsnetwerk niet mee. Volgens het Amerikaanse ministerie van energie wacht momenteel 1.200 GW aan groene elektriciteit op een aansluiting op het Amerikaanse grid.

‘De investeringen in het Amerikaanse hoogspanningsnetwerk zijn de laatste tien jaar gehalveerd,’ zegt Emilia Chojkiewicz, een energie-expert van het Lawrence Berkeley National Lab. ‘De noodzaak ontbrak. Door een steeds efficiënter gebruik van energie was er nauwelijks sprake van toename in de belasting’ Nu de vraag naar elektriciteit wel omhoog gaat, gebeurt er te weinig. Chojkiewicz schrijft dit toe aan het conservatisme bij de nutsbedrijven, een gebrek aan coördinatie en de problemen bij het verkrijgen van vergunningen voor nieuwe trajecten.

Het Noord-Amerikaanse grid heeft meer dan 7.000 grote energieleveranciers, 250.000 kilometer aan hoogspanningsleidingen en 400 miljoen afnemers. Het wordt wel eens ‘de grootste machine van de wereld’ genoemd. Het is dan wel een zeer gefragmenteerde machine. De operatie en het onderhoud van het Amerikaanse grid is in handen van bijna 500 afzonderlijke private en publieke ondernemingen. Die bedrijven hebben dan ook nog eens te maken met tientallen toezichthouders in de staten en op het federale niveau.

De operatie en het onderhoud van het Amerikaanse grid is in handen van bijna 500 afzonderlijke private en publieke ondernemingen.”

Van vijf naar een

Het Noord Amerikaanse hoogspanningsnetwerk bestaat in feite uit vijf afzonderlijke wisselstroom grids. De grote twee zijn de Eastern Interconnection en de Western Interconnection. Daarnaast zijn er drie kleinere: de Texas Grid (of ERCOT), de Alaska Interconnection en de Quebec Interconnection. Deze vijf netwerken opereren niet synchroon en de onderlinge verbindingen hebben een zeer beperkte capaciteit.

‘Het zou beter zijn de vijf grids met dikkere leidingen met elkaar te verbinden,’ zegt Chojkiewicz, ‘een tekort in het westen kan dan aangevuld worden met elektriciteit uit het oosten en andersom. Dat zal ook betekenen dat de gebruiker uiteindelijk minder betaalt.’ De pogingen van het Amerikaanse ministerie van energie (DOT) om met forse subsidies de beheerders te bewegen de grids beter met elkaar te verbinden zijn tot nu toe weinig succesvol gebleken.

Texas is de Amerikaanse staat die verreweg de meeste olie, gas en windenergie produceert. De Texaanse politici en nutsbedrijven koesteren hun autonomie en moeten daarom weinig hebben van een connectie tussen het Texaanse grid en de rest van Amerika. Ze hebben geen zin de controle over hun grid te delen met federale toezichthouders. Sinds de black-out die Texas beleefde na een winterstorm in 2021 is de stemming enigszins omgeslagen.

Begin oktober 2024 heeft het ministerie van energie $1.5 miljard aan subsidies beschikbaar gesteld voor vier zware verbindingen tussen verschillende grids. Eén daarvan – de Southern Spirit – moet een HVDC (high-voltage direct current) verbinding van 3.000 MW worden tussen de Eastern Interconnections en het Texaanse grid. De realisering hiervan zou een doorbraak zijn. Chojkiewicz is een tikkeltje sceptisch: ‘Ik geloof het pas wanneer ik het zie. Veel grote plannen voor hoogspanningsleidingen komen nooit tot een uitvoering.’

Hoezo

‘De aanleg van een nieuwe hoogspanningsleiding duurt in de VS meestal tien tot vijftien jaar,’ zegt Chojkiewicz. Het knelpunt zit vooral in de eindeloze vertragingen die ontstaan omdat het ingewikkeld is de nodige vergunning te krijgen en de verplichte milieu-impact studies uit te voeren. Is er een eindelijk een vergunning, dan blijkt het vaak moeilijk om de nodige grond aan te kopen. Ook rechtszaken van burgers die onder geen beding hoogspanningslijnen bij hun huis willen kunnen zich jarenlang voortslepen.

Chojkiewicz publiceerde recentelijk samen met een aantal wetenschappers van de University of California at Berkeley een rapport dat concludeert dat een grootschalige reconductoring van het Amerikaanse net een stuk sneller en veel goedkoper zal zijn dan het aanleggen van nieuw hoogspanningsleidingen. Bij Reconductoring worden de conventionele geleiders met kernen van staal vervangen door HTLS (high-temperature low sag), geleiders met een kern van koolstofvezel of een composiet. HTSL-kabels kunnen op veel hogere temperaturen opereren, wel tot 200°C, en daardoor veel zwaarder belast worden (wat dan wel meer verlies veroorzaakt).

‘Studies maken duidelijk dat de transmissiecapaciteit van het Amerikaanse grid voor 2050 twee tot vier keer zo groot zal moeten worden,’ zegt Chojkiewicz. Dat kan volgens haar alleen lukken door op grote schaal gebruik te maken van HTLS. ‘Het vervangen van de oude conductoren gaat veel sneller dan het bouwen van nieuwe lijnen. Het hele vergunningsproces wordt eenvoudiger en goedkoper omdat de energiebedrijven al beschikken over de bestaande right-of-ways. Je hoeft geen nieuwe grond aan te kopen en geen nieuwe hoogspanningsmasten te bouwen.’

Een bijkomend voordeel is dat tegelijkertijd met het vervangen van oude leidingen door HTSL, het mogelijk is een optische vezel in de connectie op te nemen die verschillende Grid-Enhancing Technologies of smart-grid technologieën mogelijk maakt. Men denkt daarbij vooral aan Dynamic Line Rating, een technologie die gebruik maakt van real-time data zoals temperatuur en windsnelheid om de maximale transmissiecapaciteit op een gegeven moment vast te stellen.

Volgens het onderzoek van Chojkiewicz en haar collega’s kost het verdubbelen van de transmissiecapaciteit van het Amerikaanse grid middels HTLS slechts de helft van wat het zou kosten om met nieuwe hoogspanningsleidingen hetzelfde resultaat te bereiken. Bovendien kunnen producenten van groene elektriciteit in de buurt van het bestaande grid met HTSL-toepassing veel sneller worden opgenomen. Het resultaat: lagere transmissiekosten en goedkopere elektriciteit.

Je zou denken dat de uitbaters van het Amerikaanse grid enthousiast zijn over het gebruik van HTSL. Dat is nog niet het geval. ‘Het wordt in de VS nog te vaak gezien als een soort niche-toepassing, ‘zegt Chojkiewicz,’ wanneer er bijvoorbeeld meer capaciteit nodig is bij het oversteken van een rivier of een zeearm.’  Een uitzondering is een project dat in 2016 werd uitgevoerd in Texas. Om dreigende black-outs te voorkomen in een zich snel ontwikkelende regio, verving American Electric Power binnen een zeer kort tijdsbestek alle oude ACSR-geleiders in twee 345 kV verbindingen over een lengte van 380 kilometer door nieuwe HTSL-geleiders.

Studies maken duidelijk dat de transmissiecapaciteit van het Amerikaanse grid voor 2050 twee tot vier keer zo groot zal moeten worden.”

Europa

Chojkiewich en haar collega’s maakten voor hun rapport casestudies over het gebruik van HTSL-geleiders en de aanleg van nieuwe trajecten in verschillende Europese landen. Ze spraken dan ook uitgebreid met medewerkers van de Belgische netbeheerder Elia en de Nederlandse netbeheerder Tennet. 

In Europese landen – met name in België, Nederland en Italië – gebeurt het vervangen van de oude geleiders door HTSL-geleiders al veel langer. In Nederland en België is het door de hoge bevolkingsdichtheid bijna net zo moeilijk als in de VS om nieuwe torens voor nieuwe hoogspanningsverbindingen in het landschap te poten. Het grote verschil met de VS is wel dat de grids van Nederland en België niet gebalkaniseerd en geprivatiseerd zijn. Beide landen hebben te maken met één netwerkwerkbeheerder en één toezichthouder.

‘Een aantal Amerikaanse utilities denken nu pas aan demonstratieprojecten van HTSL,’ zegt Chojkiewicz, ‘maar de Belgische netbeheerder Elia pionierde in 2008 al met een demonstratie project en de eerste echte installatie vond daar plaats in 2009.’ De innovatie in België wordt gedreven door de noodzaak nieuwe bronnen van groene elektriciteit in het net op te nemen. Elia wil voor 2030 de het grootste deel van de Belgische 380 kV backbone uitgerust hebben met HTSL-conductoren.

De geplande aanleg van Ventilus, een nieuwe hoogspanningslijn tussen Zeebrugge en Avelgem, toont aan dat het ook in België moeilijk, zo niet onmogelijk is, zo’n project van de grond te krijgen. Deze verbinding moet stroom van de windmolenparken van de Noordzee naar het binnenland brengen. Actiegroepen van burgers, boeren en burgemeesters verzetten zich zo sterk dat Elia nu overweegt in ieder geval een deel ervan ondergronds te maken.

Ook Tenet is onder het motto Beter Benutten van Bestaande 380 kV van plan het grootste deel van 380 kV backbone uit te rusten met HTSL waarmee de load transfer capaciteit dan wordt opgekrikt van 2500 A naar 4000 A. Tegelijk met het vervangen van de kabels worden andere onderhoudswerkzaamheden gedaan zoals het vervangen van isolatoren, aarddraden en het versterken van de funderingen van de masten.

Hoe krijgen de Amerikanen eindelijk schot in het opkrikken van de transmissiecapaciteit van het GRID? Chojkiewich wijst naar Californië De volksvertegenwoordiging van deze staat hebben net een wet aangenomen waarin de utilities wordt opgedragen studie te gaan maken van grid enhancing technologies en nieuwe conductoren. Het doel is daarbij niet alleen het vergroten van de transmissiecapaciteit maar er ook voor te zorgen dat het hoogspanningsnetwerk minder vaak bosbranden veroorzaakt.