Overbelasting van het stroomnetwerk noodzaakt om slimmer en efficiënter met de beschikbare netwerkcapaciteit om te gaan. SEH’s zijn hier een antwoord op en op dit gebied gebeurt al veel aan onderzoek en pilots. Technische vernieuwing richt zich vooral op slim digitaal energiemanagement op basis van realtime data. Wat de hardware betreft is de uitdaging voor de toekomst met name om meerdere energievormen – groene stroom, waterstof en warmte – te integreren tot een multi-commodity grid.
Een Smart Energy Hub (SEH) is een decentraal systeem voor slimmer en efficiënter stroomgebruik. Maar het is geen ding zoals bijvoorbeeld een verdeelstation of een trafohuisje een afgebakend ding is, erkent lector dr. ir. Richard van Leeuwen van Hogeschool Saxion. “Het is een nieuw concept, waaraan je een fysieke en een virtuele laag kunt onderscheiden. De fysieke laag bestaat uit assets zoals de bekabeling, meet- en regelapparatuur, warmtepompen, e-boilers, batterijen, zonnepanelen en windmolens. De virtuele laag is het ICT-systeem waarmee het stroomgebruik slim wordt gestuurd op basis van realtime data. Je zou de slimme, datagedreven sturing – het energiemanagementsysteem – de essentie van een SEH kunnen noemen.”
Samen met prof. dr. ir. Yashar Hajimolana van Universiteit Twente is Van Leeuwen organisator van de Smart Energy Hubs Conference die in november 2024 in Enschede plaatsvond. Het was de eerste grote conferentie over SEH’s die de stand van onderzoek en praktische toepassingen in pilots in de volle breedte over het voetlicht bracht, met naast een aantal keynotes maar liefst 43 presentaties.
De ontwikkeling van SEH’s wordt vooral gemotiveerd door het probleem van netcongestie. Het middenspanningsnet zit in driekwart van Nederland aan zijn maximale transportvermogen. Dit dwingt de netbeheerders om aanvragen voor nieuwe grootverbruiksaansluitingen of voor verruiming van het contractuele stroomvolume op een wachtlijst te plaatsen. Dit probleem speelt vooral op bedrijventerreinen en daar vinden we dan ook de meeste SEH’s die nu draaien, zoals SEH Broeklanden in Hardenberg, TPN West in Nijmegen en SEH Lorentz III in Harderwijk. Onderzoek is echter breder gericht en betreft ook SEH’s voor woonwijken, mobiliteitsplatforms en industriële clusters.
© Richard van Leeuwen, Saxion Hogeschool. Mogelijk schema van een multi-commodity grid.
Nederland is wel het land dat het hardst tegen het probleem van netcongestie aanloopt, signaleert Van Leeuwen. Nederland elektrificeert snel, met name door de opmars van warmtepompen en elektrische auto’s. Tegelijk wordt er door particulieren en bedrijven veel stroom opgewekt met zonnepanelen en windmolens, die aan het netwerk wordt teruggeleverd. Deze schone bronnen hebben als nadeel dat hun aanbod fors fluctueert, wat zorgt voor onbalans in het netwerk. “Denemarken heeft weliswaar heel veel windmolens, maar daar treedt de congestie vooral op in het hoogspanningsnetwerk. In Duitsland speelt het met name in gebieden waar veel zonneweides of windparken zijn ingericht.”
Piek opvangen
Het stroomnetwerk heeft een groot deel van de tijd overcapaciteit, die nodig is om het piekgebruik op te vangen. De maximale capaciteit moet dus afgestemd zijn op het piekgebruik. Als het mogelijk is de piek af te vlakken of anderszins op te vangen, kan het netwerk in principe gemiddeld meer stroom afleveren en opnemen bij een gelijkblijvende maximale capaciteit. Dat is het basale principe waar SEH’s op gestoeld zijn. Het gezamenlijk beschikbare stroomvolume waarover de deelnemende partijen beschikken wordt herverdeeld door het afvlakken of afvangen van de stroompiek. Dit kan op drie manieren en dan meestal gecombineerd:
- onderlinge afstemming van het stroomverbruik binnen een groepscontract;
- eigen opwekking (zonnepanelen, windmolen(s)) afgestemd op de vraag; liefst een combinatie van zon en wind op één aansluiting of via cable pooling;
- inzet van stuurbare assets (flexibiliteit): opslag in een batterij, gestuurd laden/ontladen elektrische voertuigen, of conversie in warmte of waterstof.
De eerste maatregel hoeft niet per se technologisch te worden opgelost, het is primair een kwestie van het organiseren van gedrag. Heel concreet: Wie laadt wanneer zijn stekkerauto’s op? Kunnen sommige bedrijfsprocessen die veel stroom verbruiken rond de middag plaats vinden? Maar het wordt al snel te complex om dit goed te regelen en dus is energiemanagement nodig. Dit vereist uitgebreide data van het stroomgebruik (bijv. op 5-minuteninterval), data-analyse en het opstellen van energieprofielen. Als de SEH eenmaal op poten is gezet, eventueel met uitbreiding van eigen opwekking en-of installatie van een batterij, regelt en monitort het energiemanagementsysteem (EMS) het feitelijke gebruik op basis van gemeten data. Naast vast, gereguleerd gebruiksgedrag kan er ook een mate van flexibel gebruik in het systeem worden ingebouwd. Deelnemers krijgen bijvoorbeeld via het EMS-inzicht in het beste moment om een elektrische bestelbus op te laden.
Het stroomnetwerk heeft een groot deel van de tijd overcapaciteit, die nodig is om het piekgebruik op te vangen.”
Slim energiemanagement
Als gezegd vervult het digitale energiemanagementsysteem (EMS) een sleutelrol in een SEH. De algoritmen stemmen het stroomgebruik mede af op de eigen productie en opslag en ze bewaken dat het feitelijke verbruik binnen de energieprofielen van de gebruikers blijft. Daar komen vaak nog een aantal regelende principes bij. Ten eerste de voorspelling van de fluctuerende zonne- en windstroom. Bepaalde bedrijfsprocessen die veel stroom vergen kunnen daar op afgestemd worden. Ten tweede werken grootverbruikscontracten veelal met uurtarieven in een dynamisch energiecontract. Sommig stroomgebruik kan dan worden uitgesteld naar momenten dat het tarief laag is.
Samenvattend moet het energiemanagementsysteem met de volgende factoren rekenen en regelen:
- contractueel beschikbare piekcapaciteit
- energieprofielen van de gebruikers
- (voorspelling van) eigen opwekking
- vullen en leegtrekken eigen opslagmogelijkheden
- uurtarieven binnen dynamische contracten
Op de conferentie bleek dat de innovatie op gebied van SEH’s voor een groot deel zit in methoden voor data-analyse, modelvorming, ontwikkelen van algoritmen, digitale apps en tools. Doel is het optimaliseren van verbruiksprofielen en het optimaal managen van het feitelijke gebruik in fijnmazige afstemming met toevoer, eigen opwekking en opslag. Van Leeuwen noemt standaardisatie in de virtuele laag een van de aspecten waarin nog verbetering nodig is. “Qua software kan verschillende apparatuur en van verschillende merken vaak niet zomaar met elkaar communiceren. Hier is echt behoefte aan open interface standaarden.”
Uit verschillende presentaties kwam ook naar voren dat de organisatorische en economische kant van een SEH zeker niet onderschat moet worden. Er is veel overleg en afstemming nodig tussen de deelnemende partijen. Er moet een gezamenlijke investering worden gedaan – in advieswerk, installaties en apparatuur, eventueel een batterij, zonnepanelen of een of meer windmolen(s) – en daarvoor moet een businesscase worden opgesteld hoe de investering wordt terugverdiend. Daar horen ook afspraken bij met partijen die (de opbrengst van) eigen zonnepanelen of windmolen in de SEH inbrengen. Ten slotte moet de netbeheerder met het plan instemmen en een nieuw groepscontract aanbieden.
Ook de energiemarkt en de energiewet werken nog niet ten gunste van SEH’s, zegt de lector. “Je ziet nu dat batterijen overal in het land een extra vraag creëren op het moment dat de stroomprijs laag is. Dat zorgt weer voor disbalans in de decentrale netten. We zouden eigenlijk meer naar lokale prijsvorming toe moeten, al is nog onduidelijk hoe dat precies zou kunnen.”
De huidige energiewet faciliteert de opschaling van SEH’s nog niet goed. “Er vinden momenteel pilots plaats met bijvoorbeeld capaciteitsbeperkende groepscontracten en transportovereenkomsten. In die situatie moeten de deelnemers ervoor zorgen dat hun eigen opwekking van zonnepanelen en windmolens, en hun energiegebruik samen niet boven de gecontracteerde capaciteitsgrens uitkomt. Als dat goed blijkt te werken dan wordt dit een mogelijkheid voor alle grootverbruiksaansluitingen. Voor kleinverbruiksaansluitingen gaan de ontwikkelingen helaas nog niet zo snel.” Een andere oplossing, zegt Van Leeuwen, is een Gesloten DistributieSysteem (GDS), zoals de Ecofactorij in Apeldoorn die heeft. “Dit is een flinke stap verder dan een groepstransportovereenkomst: de deelnemende bedrijven beheren zelf een eigen, privaat stroomnetwerk.”
Netverzwaring
Een kenmerk van SEH’s is dat ze van onderop worden georganiseerd door private partijen om een lokaal probleem met netcongestie op te lossen. Al is het wel zo dat vaak de gemeente of een regionale ontwikkelingsmaatschappij meedoet vanuit het economische belang om verder te kunnen groeien. Neemt niet weg dat het initiatief en het risico hoofdzakelijk bij marktpartijen ligt. Die doen er verstandig aan de SEH uiteindelijk in handen te leggen van een exploitatiebedrijf. Dit kan een coöperatie zijn.
Omdat netcongestie een nationaal probleem is en SEH’s deel van de oplossing zijn, zou je verwachten dat netbeheerders een actievere rol spelen. De ene na de andere netbeheerder is gestart met omvangrijke verzwaring van zijn netwerk. De komende jaren worden duizenden kilometers aan nieuwe kabels aangelegd en duizenden extra trafohuisjes gebouwd. Zijn SEH’s eigenlijk wel in beeld als deel van de strategische oplossing? Van Leeuwen zegt dat dit nog onvoldoende het geval is. “De netbeheerders zijn sowieso laat wakker geworden maar inmiddels zijn ze hard aan het werk gegaan met netverzwaring. Er is daarnaast meer aandacht voor de rol van SEH’s aan het ontstaan. Overigens moet je hierbij bedenken dat het ook nooit de taak van netbeheerders is geweest om sturend te zijn in opwek, opslag, conversie en energiegebruik. SEH’s zijn echt een nieuwe benadering van slim en efficiënt gebruik.”
Integreren energievormen
Tot nu toe is het beeld van SEH’s technisch nog tamelijk eenvoudig. Een flinke sprong verder is de integratie van andere energievormen dan stroom, met name warmte en groen gas. Naar een dergelijk Smart Multi-Commodity Energiesysteem (SMECS) wordt al veel onderzoek gedaan en dit kreeg op de conferentie dan ook de nodige aandacht. Er was onder meer een presentatie over het project SynergyS dat met steun van Topsector Energie en de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO) werkt aan een slim aansturingssysteem voor multi-commodity energiesystemen, met Seaports Groningen als real-life schaalmodel.
Waar moeten we bij zo’n geïntegreerd energiesysteem aan denken? Onder meer aan elektrolysers die (overtollige) groene stroom omzetten in waterstof, waarbij tegelijk warmte vrijkomt die wordt opgevangen en benut. Brandstofcellen die waterstof weer kunnen omzetten in warmte en stroom. Waterstof en afgevangen CO2 die door een methanolsynthesereactor worden omgezet in de grond- en brandstof methanol.
In het eindbeeld is er dan een integraal systeem van productie, distributie, opslag en conversie van groene stroom, warmte en gas. Op lokale schaal gaat het om energiegebruik door huishoudens en lichte bedrijfsprocessen. Op regionale of nationale schaal kunnen datacentra en zwaardere industriële productieprocessen in het netwerk geïntegreerd worden. Energiemanagementsystemen regelen op basis van realtime data vraag en aanbod, opslag, omzetting en uitwisseling. Energieverlies is minimaal; tijdelijke surplussen aan energie kunnen steeds opgeslagen worden of omgezet worden in andere energievormen. In dit eindbeeld is de transitie naar niet-fossiele energie voltooid. Dan zijn ook zware industriële processen geëlektrificeerd en wordt als brand- en grondstof alleen groen gas gebruikt. De verschillende netwerken hebben de optimale lokale, regionale en nationale schaal en zijn onderling verbonden.
Inktvis
“Dit is natuurlijk een toekomstvisie, nog geen blauwdruk”, zegt Van Leeuwen. “Er zal waarschijnlijk niet op elke locatie een elektrolyser komen.” De vraag is nog wel hoe we SEH’s in dit toekomstige grote geheel moeten blijven zien. Zijn en blijven het lokale, min of meer zelfstandige energiesystemen? Of integreert alles uiteindelijk naar één groot multi-commodity systeem? Van Leeuwen: “Hiervoor gebruik ik vaak als metafoor de inktvis. Die heeft weliswaar een groot brein waar alle tentakels mee zijn verbonden, maar de tentakels hebben zelf ook intelligentie en kunnen los van elkaar bewegen. Een tentakel kan zelfs afscheuren en dan groeit hij weer aan. Op die manier functioneren lokale SEH’s zelfstandig en zijn ze tegelijk onderdeel van een groter netwerk.”
Smart Energy Hubs zijn een nieuwe benadering van slim en efficiënt energiegebruik.”
SEH’s bieden op dit moment praktisch soelaas voor bedrijvenparken die door netcongestie niet kunnen uitbreiden. Maar bovenal leggen ze de conceptuele basis voor en stimuleren ze steeds slimmer en efficiënter energiegebruik. Het zal duidelijk zijn dat op dit gebied nog heel veel staat te gebeuren. Van Leeuwen: “We zijn al bezig met de organisatie van onze volgende SEH-conferentie, want de ontwikkelingen op dit onderwerp gaan razendsnel en we willen steeds een actueel beeld van de stand van zaken en een blik op de toekomst laten zien.”
