Onderstation
Een onderstation is een schakel- en transformatiepunt in het elektriciteitsnet waar stroom van spanning verandert en van richting kan wisselen voordat hij verder reist. Denk aan een groot magazijn aan de rand van de snelweg waar vrachtwagens hun lading overladen op kleinere busjes die de wijken in kunnen: de energie zelf verandert niet, maar de "verpakking" waarin hij wordt vervoerd wel. Zonder die overslagpunten zou stroom van een windpark op zee nooit op een bruikbare manier bij een woonwijk, fabriek of laadpaal terechtkomen.
Onderstations klinken misschien als saaie betonnen hekwerken vol transformatoren, en dat zijn ze voor een groot deel ook. Maar juist door de energietransitie, de opmars van elektrische auto's en de groei van datacenters staan ze plotseling in de schijnwerpers: in delen van Nederland kunnen nieuwe bedrijven of laadpleinen geen stroomaansluiting krijgen omdat het lokale onderstation vol zit. Dat probleem, netcongestie genoemd, maakt onderstations tot een onverwachte bottleneck van de toekomst.
Wat is het precies?
Elektriciteit reist het efficiëntst over lange afstanden bij hoge spanning, omdat daarbij minder energie verloren gaat als warmte in de kabels. Maar hoge spanning is te gevaarlijk en onpraktisch voor gebruik in huizen en bedrijven. Een onderstation lost dat op door de spanning stapsgewijs te verlagen: van bijvoorbeeld 380.000 of 150.000 volt op het landelijke hoogspanningsnet naar 10.000 tot 50.000 volt op het regionale net, en uiteindelijk via kleinere transformatorhuisjes in de straat naar de 230 volt uit het stopcontact.
De kern van een onderstation is de transformator, een apparaat dat spanning omhoog of omlaag zet met behulp van elektromagnetische inductie tussen spoelen van koperdraad. Daaromheen staat schakelmateriaal: vermogensschakelaars die een stroomkring binnen milliseconden kunnen onderbreken bij storingen, scheidingsschakelaars voor onderhoud, en rails ("busbars") die de verschillende stroomkabels met elkaar verbinden. Beveiligingsrelais bewaken continu stroom en spanning en sturen de schakelaars automatisch aan bij kortsluiting of overbelasting.
Er bestaan grofweg twee bouwvormen. Bij luchtgeïsoleerde installaties (AIS) hangen de onderdelen los in de buitenlucht, met lucht als isolatiemateriaal; dat is goedkoop maar ruimte-intensief. Bij gasgeïsoleerde installaties (GIS) zit het schakelmateriaal compact opgesloten in metalen behuizingen gevuld met isolerend gas, waardoor een onderstation soms tien keer kleiner kan zijn — belangrijk op plekken waar ruimte schaars is, zoals in steden of op een platform in zee. Voor zeer lange afstanden en offshore windparken gebruikt men steeds vaker HVDC-converterstations: onderstations die wisselstroom omzetten in gelijkstroom (en terug), omdat gelijkstroom over honderden kilometers kabel veel minder energie verliest.
Wat wil men ermee bereiken?
De directe functie van een onderstation — spanning aanpassen en het net veilig schakelen — bestaat al meer dan een eeuw. Wat nu verandert, is de schaal en de urgentie waarmee nieuwe onderstations nodig zijn. De energietransitie voegt duizenden decentrale bronnen toe: zonneparken, windturbines en thuisbatterijen die allemaal ergens op het net moeten worden aangesloten. Elektrische auto's, warmtepompen en datacenters vragen juist weer veel extra vermogen op andere momenten. Onderstations moeten die grillige, tweerichtingsstromen kunnen verwerken, terwijl ze vroeger vooral waren ontworpen voor een voorspelbare, eenrichtings-stroom van centrale kolen- en gascentrales naar de consument.
Een tweede doel is het oplossen van netcongestie: de situatie waarin een onderstation of kabeltraject al zo vol zit dat nieuwe grootverbruikers of -opwekkers (tijdelijk) geen aansluiting kunnen krijgen. Netbeheerders proberen dit op te lossen door onderstations letterlijk uit te breiden, door slimmer gebruik te maken van bestaande capaciteit (bijvoorbeeld via dynamische aansluitingen die pieken afvlakken) en door batterijen bij onderstations te plaatsen die stroom tijdelijk bufferen.
Daarnaast wil men onderstations digitaliseren: in plaats van kilometers koperen meetkabels gebruiken moderne stations glasvezel en gestandaardiseerde digitale protocollen, zodat meet- en stuursignalen sneller en goedkoper worden verwerkt en storingen op afstand zichtbaar zijn. Dat maakt onderhoud voorspelbaarder en het net als geheel beter bestuurbaar.
Voorbeelden uit de praktijk
Bij het Nederlandse windpark Borssele in Zeeland bouwde netbeheerder TenneT rond 2019-2020 offshore platforms die dienstdoen als onderstation op zee: ze bundelen de stroom van tientallen windturbines en zetten die op het juiste spanningsniveau voordat kabels de stroom naar de kust brengen.
Voor windparken verder uit de kust, zoals in het gebied IJmuiden Ver, ontwikkelt TenneT in het zogeheten "2 GW-programma" grote HVDC-converterstations op zee én aan land. Omdat de afstand tot de kust te groot is voor gewone wisselstroomkabels, wordt de stroom offshore omgezet naar gelijkstroom en pas aan land weer teruggezet naar wisselstroom. Deze stations behoren tot de krachtigste converterstations die in Europa worden gebouwd, met een vermogen tot 2 gigawatt per verbinding.
Tegen netcongestie bouwen regionale netbeheerders zoals Liander, Enexis en Stedin op dit moment tientallen nieuwe of uitgebreide onderstations, vooral in provincies als Noord-Brabant, Limburg en Gelderland waar de wachtlijsten voor bedrijven het langst zijn. Deze projecten lopen doorgaans meerdere jaren vertraging op door lange vergunningsprocedures en schaarste aan bouwmaterialen en technisch personeel.
Rond grootschalige batterijopslag zijn in Nederland projecten van bedrijven als Giga Storage te vinden, die batterijparken direct koppelen aan een onderstation, bijvoorbeeld in Zeeland. Zulke batterijen slaan overtollige windenergie tijdelijk op en geven die later weer af, waardoor het onderstation efficiënter wordt benut zonder dat er meteen zwaar bouwkundig werk nodig is.
Internationaal experimenteren fabrikanten als Siemens Energy en Hitachi Energy met volledig digitale onderstations volgens de communicatiestandaard IEC 61850, waarbij traditionele meetkabels grotendeels zijn vervangen door glasvezel en software. Dergelijke pilots lopen onder meer in Duitsland en Scandinavië en worden gezien als blauwdruk voor toekomstige, compactere stations.
Hoe ver is de techniek?
De basistechniek van transformatoren en schakelaars is volwassen en al meer dan honderd jaar in gebruik; hier valt weinig revolutionairs te verwachten. De vernieuwing zit vooral in drie richtingen: HVDC-converterstations worden krachtiger en compacter naarmate offshore windparken verder uit de kust komen te liggen; digitale besturing volgens standaarden als IEC 61850 wint terrein, al verloopt de opschaling geleidelijk omdat bestaande stations meestal pas bij grootschalige renovatie worden omgebouwd; en compacte, modulaire GIS-stations maken het mogelijk om onderstations sneller te bouwen en op kleinere kavels te plaatsen.
Het grootste obstakel is op dit moment niet de techniek zelf, maar de bouwcapaciteit: vergunningverlening, ruimtelijke inpassing en een wereldwijd tekort aan grote vermogenstransformatoren zorgen voor leveringstijden die inmiddels kunnen oplopen tot enkele jaren. Netbeheerders melden zelf dat de vraag naar nieuwe of uitgebreide onderstations sneller groeit dan zij kunnen bijbouwen, wat direct de netcongestie in Nederland en andere Europese landen verklaart. Een eerlijke inschatting is dat dit probleem nog jaren aanhoudt, ook al zijn er geen fundamentele technische doorbraken nodig om het op te lossen.
Wie werken eraan?
In Nederland zijn de landelijke netbeheerder TenneT (hoogspanningsnet, inclusief de offshore converterstations) en de regionale netbeheerders Liander, Enexis en Stedin (middenspanning en netcongestie-oplossingen) de belangrijkste partijen. Zij werken samen met brancheorganisatie Netbeheer Nederland en worden aangestuurd binnen het beleid van het ministerie van Klimaat en Groene Groei en uitvoeringsorganisatie RVO.
Op het gebied van apparatuur en digitalisering zijn internationale fabrikanten als Siemens Energy, Hitachi Energy, GE Vernova, Schneider Electric en kabelbedrijf Prysmian toonaangevend; zij leveren transformatoren, schakelinstallaties en HVDC-technologie wereldwijd. Onderzoek naar de toekomst van elektriciteitsnetten gebeurt onder meer bij technische universiteiten zoals TU Delft en bij het internationale kennisnetwerk CIGRE, dat wereldwijd standaarden en best practices voor hoogspanningsnetten ontwikkelt. Landen die momenteel fors investeren in nieuwe onderstations en HVDC-verbindingen zijn naast Nederland vooral Duitsland, Denemarken, het Verenigd Koninkrijk (vanwege offshore wind) en China (vanwege zeer lange HVDC-verbindingen over land).