Microgrid: het lokale stroomnet dat zichzelf kan redden
Stel je een woonwijk voor met zonnepanelen op de daken, een paar grote batterijen in een schuurtje en misschien een windmolen aan de rand. Normaal gesproken is die wijk gewoon aangesloten op het landelijke stroomnet, net als elk ander huis. Maar op het moment dat er ergens verderop een storing is, koppelt de wijk zich automatisch los en draait ze een tijdje op eigen kracht. Zodra het grote net weer stabiel is, sluit de wijk zich weer aan alsof er niets gebeurd is. Dat is in de kern een microgrid: een klein, lokaal elektriciteitsnetwerk dat zowel verbonden met als losgekoppeld van het hoofdnet kan functioneren.
Het woord klinkt technisch, maar het principe is vergelijkbaar met een noodaggregaat bij een ziekenhuis, alleen dan veel slimmer en structureler. In plaats van één generator die alleen bijspringt bij stroomuitval, bestaat een microgrid uit meerdere bronnen (zon, wind, batterijen, soms een generator) die continu met elkaar en met de vraag in de wijk worden afgestemd. Het systeem "weet" wanneer het aan het grote net hangt en wanneer het zelfstandig moet opereren, en schakelt daar naadloos tussen.
Wat is het precies?
Een microgrid bestaat altijd uit een paar vaste onderdelen. Ten eerste lokale opwekking: zonnepanelen, kleine windturbines, soms een warmtekrachtkoppeling (een installatie die tegelijk elektriciteit en warmte produceert) of een dieselgenerator als back-up. Ten tweede opslag, meestal in de vorm van batterijen, want zon en wind leveren niet op elk moment evenveel stroom als er gevraagd wordt.
Het derde en belangrijkste onderdeel is de besturing: software en elektronica die continu meten hoeveel stroom er wordt opgewekt en verbruikt, en die vraag en aanbod in balans houden. Dit heet energiemanagement. Deze besturing bepaalt ook het cruciale kenmerk van een microgrid: het vermogen om te schakelen tussen "aan het net" (grid-connected) en "los van het net" (island mode of eilandbedrijf).
Dat loskoppelen is technisch lastiger dan het klinkt. Het grote elektriciteitsnet draait op een zeer stabiele frequentie (in Europa 50 hertz), die wordt gegarandeerd door de traagheid van grote draaiende generatoren in energiecentrales. Een microgrid met vooral zonnepanelen en batterijen mist die natuurlijke traagheid en moet de frequentie kunstmatig stabiel houden met snelle elektronica. Gebeurt dat niet goed, dan vallen apparaten uit of raakt de installatie beschadigd. Dit is een van de redenen waarom microgrids ingewikkelder zijn dan "gewoon een paar zonnepanelen en een batterij neerzetten".
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van een microgrid is leveringszekerheid: ook bij een storm, een aardbeving of een defect in het hoofdnet blijft de stroom binnen het microgrid doorlopen. Voor een ziekenhuis, een legerbasis of een afgelegen eiland kan dat het verschil maken tussen wel of geen stroom tijdens een crisis.
Daarnaast spelen microgrids een rol in de energietransitie. Hoe meer zonnepanelen en windturbines er op een net worden aangesloten, hoe lastiger het wordt om vraag en aanbod landelijk in balans te houden, zeker omdat zon en wind onvoorspelbaar zijn. Door opwekking, opslag en verbruik dichter bij elkaar te organiseren binnen een microgrid, hoeft niet alles via het overbelaste hoofdnet te lopen. Dat kan netcongestie verlichten, een probleem waarbij het bestaande elektriciteitsnet de groeiende vraag naar aansluitingen niet meer aankan, wat in Nederland inmiddels op veel plekken speelt.
Een derde motivatie is elektrificatie van afgelegen gebieden. Op eilanden of in dunbevolkte streken is een kabel naar het landelijke net vaak niet rendabel. Een microgrid met lokale opwekking kan daar een volwaardig alternatief zijn voor dieselgeneratoren, die duur en vervuilend zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
Borrego Springs, Californië. Netbeheerder San Diego Gas & Electric bouwde hier een van de eerste door een grote Amerikaanse netbeheerder geëxploiteerde microgrids. Het systeem heeft meerdere keren aangetoond dat het de plaatselijke gemeenschap tijdens stroomstoringen op het hoofdnet los kon laten draaien, met lokale opwekking en generatoren als back-up.
Brooklyn Microgrid, New York. Vanaf 2016 experimenteerde het bedrijf LO3 Energy in de wijk Park Slope met een systeem waarbij buren onderling zonnestroom konden verhandelen via een blockchain-platform, zonder tussenkomst van een energieleverancier. Het project was vooral bedoeld om te testen of lokale, peer-to-peer energiehandel technisch en juridisch haalbaar is; het is meer een proeftuin voor lokale energiemarkten dan een volledig eilandbedrijf-microgrid.
Bronsbergen, Zutphen. Op dit vakantiepark in Nederland is een gelijkstroom-microgrid (DC-microgrid) aangelegd, waarbij zonnepanelen, batterijen en verlichting rechtstreeks op gelijkstroom werken in plaats van via de gebruikelijke omzetting naar wisselstroom. Dat scheelt omzettingsverliezen en was een van de eerste praktijktesten van gelijkstroom-microgrids in Nederland.
Schoonschip, Amsterdam-Noord. Deze drijvende woonwijk, opgeleverd in de vroege jaren 2020, beschikt over een lokaal energiesysteem waarbij huishoudens onderling stroom kunnen delen via een digitaal platform. Het is minder een klassiek eilandbedrijf-microgrid en meer een "smart local energy system": de wijk blijft verbonden met het net, maar optimaliseert lokaal gebruik en opslag om zo min mogelijk op het net te hoeven trekken.
Ta'u, Amerikaans Samoa. Op dit afgelegen eiland verving een systeem van zonnepanelen en grootschalige batterijopslag vrijwel de volledige dieselgeneratoren die voorheen de stroomvoorziening verzorgden, een voorbeeld van hoe microgrids dieselafhankelijkheid op eilanden kunnen verminderen.
Hoe ver is de techniek?
De basistechnologie van microgrids, opwekking, batterijen en schakelaars, is volwassen en wordt al jaren commercieel toegepast, vooral bij ziekenhuizen, universiteitscampussen, legerbases en afgelegen eilanden. Wat nog volop in ontwikkeling is, is de software die vraag, aanbod en marktprikkels slim combineert, en de regelgeving eromheen.
Een belangrijk obstakel is juridisch en economisch van aard, niet technisch. In veel landen, waaronder Nederland, is de elektriciteitsmarkt zo ingericht dat het niet vanzelfsprekend is dat buren onderling stroom mogen verhandelen buiten de gevestigde energieleveranciers om. Netbeheerders zoals TenneT en de regionale netbeheerders moeten bovendien toestemming geven en toezien op veiligheid, wat pilots vaak vertraagt.
Een tweede obstakel is de kostprijs van batterijopslag. Hoewel batterijprijzen de afgelopen tien jaar sterk zijn gedaald, blijft een microgrid die dagenlang zelfstandig moet kunnen draaien een fors kapitaalintensief project, vooral in de winter wanneer zonnepanelen weinig opleveren.
Tot slot is er een technisch obstakel rond frequentiestabiliteit en beveiliging: hoe meer verschillende microgrids er ontstaan, hoe complexer het wordt om ze allemaal veilig met elkaar en met het hoofdnet te laten samenwerken zonder dat storingen zich kunnen verspreiden. Onderzoekers werken aan standaarden hiervoor, maar een volledig uitgekristalliseerde, wereldwijd gangbare aanpak bestaat nog niet.
Wie werken eraan?
Op de leverancierskant zijn grote elektrotechnische bedrijven als Siemens, Schneider Electric, GE Vernova en Hitachi Energy actief met complete microgrid-oplossingen, van besturingssoftware tot schakelapparatuur. Tesla levert met zijn batterijsystemen (Powerpack en Megapack) een belangrijk onderdeel van veel recente microgridprojecten, onder meer op eilanden.
Op onderzoeksgebied speelt het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory (NREL) een voortrekkersrol, net als het Duitse Fraunhofer-instituut. In Nederland doen TNO en TU Delft onderzoek naar lokale energiesystemen en netcongestie-oplossingen, vaak in samenwerking met netbeheerders en gemeenten. De Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO) ondersteunt en volgt pilotprojecten op dit gebied.
Landen die relatief ver zijn met microgrids zijn de Verenigde Staten (met name door militaire toepassingen en een groot aantal afgelegen gemeenschappen), Japan (na de aardbeving en tsunami van 2011 en de daaropvolgende stroomuitval extra gericht op decentrale veerkracht) en Duitsland, dat door zijn hoge aandeel zon- en windenergie al langer ervaring heeft met decentrale netbalancering.