Nanogrid: het allerkleinste elektriciteitsnet
Een nanogrid is het kleinste zelfstandige stukje elektriciteitsnet dat er is: een mini-energiesysteem voor één gebouw, één huishouden of een klein clustertje apparaten, dat zijn eigen opwekking, opslag en verbruik regelt. Denk aan een huis met zonnepanelen op het dak, een batterij in de meterkast en een slim kastje dat bepaalt wanneer stroom wordt opgeslagen, gebruikt of teruggeleverd. Het bijzondere is dat zo'n nanogrid, net als een groter net, zichzelf tijdelijk kan loskoppelen van het landelijke elektriciteitsnet en toch door kan blijven draaien.
Een goede analogie is een camper met zonnepanelen op het dak en een accu onder de vloer. Op de camping kun je de stekker in het vaste stroomnet steken, maar onderweg werkt alles ook zelfstandig op je eigen zon en accu. Een nanogrid doet voor een huis of kantoor precies dat: het kan "aan de stekker" van het grote net hangen, maar ook los daarvan zijn eigen broek ophouden als het net uitvalt of als dat economisch gunstiger is. Dat maakt het begrip relevant in berichtgeving over stroomstoringen, zonne-energie en de overbelaste Nederlandse elektriciteitsnetten.
Wat is het precies?
Technisch gezien is een nanogrid een klein elektriciteitssysteem met vier basisonderdelen: een bron van stroom (meestal zonnepanelen, soms een kleine windturbine of een brandstofcel), een opslagmiddel (bijna altijd een batterij), de apparaten die stroom verbruiken, en een regelsysteem dat alles aanstuurt. Dat laatste onderdeel, vaak een combinatie van software en vermogenselektronica, bepaalt continu of stroom wordt opgewekt, opgeslagen, gebruikt of uitgewisseld met het grotere net.
Het cruciale verschil met een gewoon zonnepanelensysteem is het vermogen om te "eilanden": op het moment dat het landelijke net uitvalt of wordt afgeschakeld, kan een nanogrid zichzelf afsluiten op het zogeheten "point of common coupling" (het aansluitpunt met het grote net) en op eigen kracht verder draaien. Dat vereist slimme schakelaars en een regelsysteem dat spanning en frequentie stabiel kan houden zonder de steun van het grote net, wat technisch niet triviaal is.
Nanogrids worden meestal onderscheiden van microgrids door hun schaal: een nanogrid bedient doorgaans één gebouw of een handvol apparaten achter één aansluiting, met een vermogen tot enkele tientallen kilowatt. Een microgrid bedient meerdere gebouwen of een hele wijk en heeft een complexer beheersysteem nodig. Sommige nanogrids werken op gelijkstroom (DC), dezelfde stroomsoort die zonnepanelen, batterijen, laptops en ledverlichting van nature gebruiken, waardoor minder omzettingsverliezen ontstaan dan bij de wisselstroom (AC) die in het gewone net gangbaar is.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte is weerbaarheid: een gebouw dat ook zonder het landelijke net stroom heeft, blijft werken bij storingen, natuurrampen of geplande onderhoudswerkzaamheden. Voor ziekenhuizen, datacenters of gewoon een huishouden met een medisch apparaat kan dat van levensbelang zijn.
Daarnaast spelen nanogrids een rol bij de integratie van zonne- en windenergie. Omdat zonnepanelen en batterijen van zichzelf al gelijkstroom leveren en opslaan, kan een nanogrid die energie efficiënter benutten dan wanneer alles eerst wordt omgezet naar wisselstroom en weer terug. Dat scheelt een paar procent aan omzettingsverlies, wat op grote schaal behoorlijk kan oplopen.
Een derde doel is het ontlasten van het bestaande elektriciteitsnet. In Nederland kampen netbeheerders met netcongestie: op steeds meer plekken is er te weinig capaciteit om alle zonnepanelen, warmtepompen en laadpalen tegelijk aan te sluiten. Een nanogrid die zoveel mogelijk eigen stroom zelf opwekt, opslaat en gebruikt, legt minder beslag op het net en kan zelfs op afgesproken momenten stroom terugleveren wanneer dat nuttig is.
Tot slot biedt het concept een manier om mensen zonder toegang tot een elektriciteitsnet alsnog van stroom te voorzien, zonder dat er eerst kilometers aan bekabeling moet worden aangelegd. Eén zonnepaneel, één batterij en één huishouden kunnen al een volwaardig, zij het klein, energiesysteem vormen.
Voorbeelden uit de praktijk
- Mera Gao Power (India, vanaf 2011): dit bedrijf installeerde in dorpen in Uttar Pradesh kleine zonne-opgewekte nanogrids die een handvol huishoudens voorzagen van ledlicht en telefoonlading, zonder aansluiting op het landelijke net.
- Smart Power India (vanaf circa 2015): een initiatief van The Rockefeller Foundation dat in afgelegen Indiase deelstaten zoals Bihar zonnegevoede nanogrids en kleine microgrids uitrolde om huishoudens en lokale bedrijfjes van stroom te voorzien.
- Nextek Power Systems en de EMerge Alliance (Verenigde Staten, vanaf circa 2008): dit bedrijf ontwikkelde gelijkstroom-nanogrids voor kantoorverlichting en bedrijfsruimtes, en was mede-initiatiefnemer van de EMerge Alliance, een samenwerkingsverband dat technische standaarden voor DC-stroomnetten in gebouwen opstelt.
- FREEDM Systems Center, North Carolina State University (vanaf 2008): dit door de Amerikaanse National Science Foundation gefinancierde onderzoekscentrum bouwde testopstellingen van nanogrids als bouwsteen voor een flexibeler, meer gedistribueerd elektriciteitsnet.
- Thuisbatterijsystemen in Nederland (vanaf circa 2020): steeds meer Nederlandse huishoudens combineren zonnepanelen met een thuisbatterij en een slimme energiemanager, die functioneel dicht tegen het nanogrid-concept aanleunt, al wordt die term in de Nederlandse markt nog zelden letterlijk gebruikt.
Hoe ver is de techniek?
De losse bouwstenen van een nanogrid zijn inmiddels volwassen techniek: zonnepanelen, lithium-ionbatterijen en omvormers zijn breed verkrijgbaar en de kosten ervan zijn de afgelopen tien tot vijftien jaar sterk gedaald. Wat nog in ontwikkeling is, is vooral de "intelligentie": software en regeltechniek die betrouwbaar en veilig kunnen schakelen tussen aangesloten zijn op het grote net en zelfstandig "eilanden".
Standaardisatie is een belangrijk knelpunt. Er bestaat nog geen wereldwijd uniforme norm voor hoe nanogrids veilig moeten communiceren met het landelijke net, al zijn er stappen gezet, bijvoorbeeld met IEEE-normen voor microgridregelsystemen en de DC-standaarden van de EMerge Alliance. Netbeheerders zijn daarnaast voorzichtig met het toestaan van eilandbedrijf, omdat een verkeerd geschakelde nanogrid risico's op elektrocutie voor netwerktechnici kan opleveren.
In arme, afgelegen gebieden hebben kleinschalige zonnenanogrids hun waarde al bewezen voor het verlichten van huizen en het laden van telefoons, maar opschalen naar grotere vermogens, bijvoorbeeld voor koelkasten, pompen of bedrijfsmachines, blijft een financiële en technische uitdaging. In rijkere landen is de ontwikkeling meer verweven met de bredere trend van thuisbatterijen en energiemanagementsystemen, waarbij het label "nanogrid" vaker in onderzoekspublicaties voorkomt dan in commerciële productnamen.
Wie werken eraan?
Grote elektrotechnische bedrijven als Schneider Electric, Siemens, Hitachi Energy (voorheen ABB) en SMA Solar Technology leveren de vermogenselektronica en regelsystemen die ook in nanogrids worden toegepast. Tesla en Enphase zijn bekende namen op de markt voor thuisbatterijen en zonne-omvormers die in de praktijk als nanogrid-componenten functioneren.
Op onderzoeksgebied lopen de Verenigde Staten voorop, met centra als het FREEDM Systems Center van North Carolina State University, onderzoeksgroepen aan de University of California San Diego en het Lawrence Berkeley National Laboratory, die zich bezighouden met vermogenselektronica en netintegratie op kleine schaal. In Nederland doen TNO en TU Delft onderzoek naar lokale energiesystemen en netcongestie, al ligt de nadruk daar vaker op microgrids en lokale energiegemeenschappen dan op het specifieke nanogrid-label.
Op het gebied van rurale elektrificatie zijn vooral India en andere delen van Zuid-Azië en Afrika een proeftuin, gesteund door organisaties als The Rockefeller Foundation en internationale instanties zoals IRENA (het Internationaal Agentschap voor Hernieuwbare Energie), die kleinschalige zonne-energiesystemen als middel tegen energiearmoede promoten.