Netvormend vermogen: hoe het stroomnet stabiel blijft zonder draaiende generatoren
Stel je een groep hardlopers voor die samen in een vast tempo rennen. Zolang iedereen meeloopt, houdt de groep als vanzelf de snelheid vast: valt er iemand uit, dan merkt de rest dat pas na een paar seconden, omdat de massa van de groep de schok opvangt. Het klassieke elektriciteitsnet werkt vergelijkbaar. Grote generatoren in kolen-, gas- en kerncentrales bestaan uit zware, ronddraaiende metalen massa's. Die fysieke traagheid zorgt ervoor dat het net niet direct ontregeld raakt als er plotseling meer stroom wordt gevraagd of een centrale uitvalt.
Zonnepanelen, windturbines en batterijen hebben die draaiende massa niet. Ze leveren stroom via elektronica, zogeheten omvormers, die spanning en frequentie razendsnel kunnen regelen maar van nature geen traagheid bezitten. "Netvormend vermogen" (in het Engels: grid-forming power) is het vermogen van zulke omvormers om, ondanks het ontbreken van een draaiende machine, toch actief een stabiel spannings- en frequentiereferentiepunt voor het net te creëren, in plaats van alleen een bestaand signaal te volgen. Het is het verschil tussen een danser die zelf het ritme bepaalt en een danser die alleen de partner volgt.
Wat is het precies?
Om het onderscheid scherp te krijgen, helpt het om twee soorten omvormers te vergelijken. De meest gangbare omvormers, bijvoorbeeld die bij een zonnepark, zijn "netvolgend" (grid-following). Ze meten voortdurend de spanning en frequentie van het net en passen hun eigen uitgangssignaal daarop aan, zodat ze precies gesynchroniseerd blijven. Dat werkt goed zolang er een sterk, stabiel net is om op aan te haken, met genoeg klassieke generatoren die de "maat" aangeven.
Een netvormende omvormer draait dit om. Met slimme regeltechniek, vaak aangeduid als een "virtuele synchrone machine", bootst de elektronica het gedrag van een klassieke generator na. Bij een verstoring, bijvoorbeeld een plotseling verlies van productie, reageert een netvormende omvormer direct met een aanpassing van zijn eigen spanning en frequentie, alsof hij zelf traagheid heeft. Dit heet ook wel "virtuele traagheid" (virtual inertia). De omvormer heeft daarvoor wel een lokale energiebron nodig die snel vermogen kan leveren of opnemen, meestal een batterij, omdat er geen fysieke draaiende massa is om op terug te vallen.
Een belangrijk praktisch gevolg is dat netvormende omvormers, anders dan netvolgende, ook in staat zijn een net op te bouwen zonder dat er al een spanningssignaal aanwezig is. Dat heet "black start"-vermogen: het net vanuit stilstand weer opstarten na een grootschalige stroomstoring. Netvolgende omvormers kunnen dat niet, omdat ze nu eenmaal een bestaand signaal nodig hebben om op te synchroniseren.
Wat wil men ermee bereiken?
De energietransitie vervangt geleidelijk grote, draaiende centrales door zon, wind en batterijen. Daarmee verdwijnt ook de natuurlijke traagheid die het net decennialang stabiel hield. Netbeheerders maken zich zorgen dat een net met heel veel omvormers en weinig klassieke generatoren gevoeliger wordt voor frequentieschommelingen, kortsluitstromen die te laag zijn om beveiligingen te laten werken, en zelfs voor kleine, zelfversterkende trillingen tussen omvormers onderling.
Het doel van netvormend vermogen is daarom niet om iets nieuws en spectaculairs te bouwen, maar om te zorgen dat een net dat vrijwel volledig op zonne- en windenergie draait, even stabiel blijft als het huidige net. Landen met een hoog aandeel wind- en zonne-energie, zoals Ierland en delen van Australië, lopen hier tegenaan een technische grens op: op sommige momenten kan het aandeel stroom uit omvormers zonder aanvullende maatregelen niet verder groeien zonder het risico op instabiliteit. Netvormend vermogen is een van de belangrijkste technische oplossingen om die grens te verleggen.
Voorbeelden uit de praktijk
Verschillende landen en bedrijven experimenteren inmiddels met netvormende batterijsystemen op ware grootte.
- Hornsdale Power Reserve, Zuid-Australië (2017): de bekende grootschalige Tesla-batterij bij het windpark van Neoen, aanvankelijk vooral ingezet voor snelle frequentieregeling. Zuid-Australië heeft de batterij en vergelijkbare installaties in de jaren daarna gebruikt om ervaring op te doen met geavanceerdere, meer netvormende regelstrategieën, gedreven door de eisen van netbeheerder AEMO.
- Dalrymple North Battery Energy Storage System, Zuid-Australië (vanaf 2018): een kleinere batterij van netbeheerder ElectraNet, met besturingstechniek van (destijds) ABB, die gold als een van de eerste batterijsystemen ter wereld die expliciet als proef voor netvormend gedrag werd ingezet.
- Kilroot, Noord-Ierland (rond 2021): een batterijproject van energiebedrijf SSE dat werd gepresenteerd als een van de eerste grootschalige, volledig netvormende batterijsystemen die rechtstreeks op het hoogspanningsnet zijn aangesloten.
- MIGRATE-project, Europese Unie (2016-2019): een onderzoeksproject binnen het EU-programma Horizon 2020 waarin diverse Europese netbeheerders en fabrikanten samen onderzochten hoe netten met zeer veel vermogenselektronica stabiel te houden zijn, met netvormende concepten als een van de uitkomsten.
- DS3-programma, Ierland: netbeheerders EirGrid en SONI werken al jaren met een limiet voor het aandeel niet-synchrone opwekking (zon, wind, importkabels) dat het net op elk moment aankan, en zoeken via dit programma naar technische oplossingen, waaronder netvormend vermogen, om die limiet te verhogen.
Bij deze voorbeelden geldt: het gaat om een relatief jong technologieveld, en niet elk project gebruikt dezelfde definitie van "volledig netvormend". Fabrikanten en netbeheerders verschillen soms van mening over hoever een systeem in de praktijk aan de theoretische eisen voldoet.
Hoe ver is de techniek?
De onderliggende regeltechniek is grotendeels ontwikkeld en op laboratoriumschaal goed begrepen; de uitdaging zit vooral in opschaling en standaardisatie. Sinds ongeveer 2020 hebben verschillende netbeheerders, waaronder National Grid ESO in het Verenigd Koninkrijk, aanbestedingen (zogeheten "Stability Pathfinder"-programma's) opgezet waarbij batterij-eigenaren specifiek worden beloond voor het leveren van netvormende diensten in plaats van alleen energie.
In de Verenigde Staten publiceerde de betrouwbaarheidsorganisatie NERC rond 2021 een veelgeciteerde whitepaper waarin zij stelden dat grid-forming-technologie noodzakelijk wordt naarmate het aandeel omvormer-gebaseerde opwekking groeit, en riepen op tot snellere standaardisatie van eisen en testmethoden.
Toch is er nog geen wereldwijd uniforme norm voor wat een omvormer precies moet kunnen om "netvormend" genoemd te worden; verschillende netbeheerders en normalisatie-instituten, waaronder ENTSO-E in Europa, werken nog aan geharmoniseerde technische eisen. Ook is onduidelijk hoeveel netvormend vermogen exact nodig is in een net met een bepaald aandeel duurzame energie: dat hangt sterk af van de specifieke netstructuur en wordt per land of regio apart onderzocht. Kortom: de techniek werkt aantoonbaar, maar de praktijk van grootschalige, gestandaardiseerde uitrol staat nog in de kinderschoenen.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar netvormend vermogen wordt sterk gedreven door netbeheerders die als eerste met hoge aandelen duurzame energie te maken kregen: AEMO in Australië, EirGrid/SONI in Ierland en National Grid ESO in het Verenigd Koninkrijk. In de Verenigde Staten speelt het National Renewable Energy Laboratory (NREL) een vooraanstaande rol in fundamenteel onderzoek naar regelstrategieën voor netvormende omvormers, samen met onderzoeksorganisatie EPRI.
Aan de leverancierskant investeren grote fabrikanten van vermogenselektronica in netvormende producten, waaronder Siemens Energy, GE Vernova, Hitachi Energy en Wärtsilä, naast batterijleveranciers als Tesla. In Europa dragen netbeheerders zoals TenneT (actief in Nederland en Duitsland) bij aan gezamenlijk onderzoek, onder meer via Europese projecten als MIGRATE, mede met het oog op de aansluiting van grootschalige offshore windparken via gelijkstroomverbindingen, waarbij netvormend gedrag extra relevant is omdat er geen nabijgelegen synchrone generatoren zijn om op te steunen.