Netbalans en energieopslag, hoe zit dat?

Elektriciteit heeft een bijzondere eigenschap: productie en verbruik moeten in het elektriciteitssysteem voortdurend met elkaar in balans zijn. Dat maakt elektriciteit fundamenteel anders dan veel andere producten. Een overschot kan niet zonder meer ergens op voorraad worden gelegd en een tekort kan niet worden aangevuld uit een magazijn.

Energieopslag verandert dat. Met bijvoorbeeld een batterij kan elektrische energie op het ene moment worden opgenomen en op een later moment weer worden teruggeleverd.

Maar daarmee ontstaat een nieuwe vraag. Niet alleen of een batterij energie kan opslaan is belangrijk, maar vooral wanneer zij moet laden, wanneer zij moet ontladen en hoeveel capaciteit daarvoor beschikbaar moet blijven.

Juist daar komen netfysica, elektriciteitsmarkten en energiemodellering samen.

Het elektriciteitsnet is een groot gekoppeld systeem van producenten, hoogspanningsverbindingen, transformatoren, distributienetten en miljoenen afzonderlijke afnemers.

Op ieder moment verandert het gebruik. Huishoudens schakelen apparaten in en uit. Industriële installaties veranderen hun productie. Elektrische voertuigen beginnen met laden. Warmtepompen schakelen in. Datacenters en andere grote verbruikers vragen vermogen.

Tegelijkertijd verandert ook de productie. Traditionele elektriciteitscentrales kunnen op- of afregelen, maar wind- en zonneparken produceren in belangrijke mate op basis van de beschikbare wind en zoninstraling.

Het systeem moet al deze veranderingen voortdurend opvangen.

Binnen het gekoppelde elektriciteitssysteem van continentaal Europa gebeurt dat rond een nominale netfrequentie van 50 hertz. Die frequentie is een belangrijke indicator voor het evenwicht tussen productie en verbruik. Is er te weinig productie ten opzichte van de vraag, dan heeft de frequentie de neiging te dalen. Is er juist een productieoverschot, dan heeft zij de neiging te stijgen. ENTSO-E omschrijft de frequentie daarom als de ‘heartbeat’ van het elektriciteitssysteem.

Bij wisselstroom verandert de richting van spanning en stroom periodiek. Een frequentie van 50 Hz betekent dat deze elektrische cyclus vijftig keer per seconde plaatsvindt.

Voor een afzonderlijke gebruiker lijkt die frequentie vanzelfsprekend. Een apparaat wordt aangesloten en er komt elektriciteit uit het stopcontact. Achter die ogenschijnlijke eenvoud zit echter een continu regelproces.

Netbeheerders en marktpartijen zorgen ervoor dat productie en verbruik voldoende met elkaar overeenkomen. Wanneer onverwachte verschillen ontstaan, moeten reserves en andere flexibele bronnen worden ingezet om het systeem weer richting zijn gewenste toestand te brengen.

Binnen Europa bestaan hiervoor verschillende vormen van balanceringsvermogen en Europese platforms waarop balanceringsenergie kan worden uitgewisseld. ACER beschrijft elektriciteitsbalancering als het geheel van mechanismen waarmee transmissiesysteembeheerders de verschillen tussen vraag en aanbod opvangen.

De uitdaging is dus niet om exact te voorspellen wat iedere afzonderlijke gebruiker gaat doen. De uitdaging is om het totale systeem voortdurend voldoende in evenwicht te houden.

Een belangrijk onderscheid is dat energiebalans en netcongestie twee verschillende problemen zijn.

Het kan op nationaal of Europees niveau prima mogelijk zijn om evenveel elektriciteit te produceren als er wordt verbruikt, terwijl op een specifieke locatie toch onvoldoende transportcapaciteit beschikbaar is.

Elektriciteit moet immers fysiek door leidingen, kabels, transformatoren en stations worden vervoerd. Die componenten hebben grenzen. Een windpark kan bijvoorbeeld elektriciteit produceren terwijl elders voldoende vraag bestaat. Als het elektriciteitsnet tussen beide locaties onvoldoende transportcapaciteit heeft, ontstaat alsnog een knelpunt.

In Nederland is dit inmiddels een belangrijk aandachtspunt. Het IEA constateert dat netcongestie een belangrijke belemmering vormt voor nieuwe productie, opslag en elektriciteitsvraag en benadrukt dat naast netuitbreiding ook flexibiliteit nodig is.

Waar een batterij staat en wanneer zij laadt of ontlaadt, doet er dus toe. Een batterij kan waardevol zijn voor de balans van het totale elektriciteitssysteem, maar kan afhankelijk van locatie en aansturing lokale congestie juist verminderen óf vergroten.

Wind- en zonne-energie hebben een relatief lage marginale productiekost en spelen een steeds grotere rol in het elektriciteitssysteem. Hun productie is echter weersafhankelijk. Een zonnepark produceert vooral overdag; een windpark produceert wanneer het waait. De elektriciteitsvraag volgt een ander patroon.

Dat betekent dat momenten met veel duurzame productie niet noodzakelijk samenvallen met momenten waarop de elektriciteitsvraag het hoogst is. Hier ligt een belangrijke functie van opslag.

Wanneer veel elektriciteit beschikbaar is, kan een batterij laden. Voor het elektriciteitssysteem gedraagt zij zich op dat moment als een verbruiker. Later kan dezelfde batterij ontladen. Zij levert dan elektriciteit terug en gedraagt zich vanuit het net gezien als een producent.

Daarmee kan opslag energie in de tijd verschuiven. De batterij produceert daarbij geen nieuwe energie. Tijdens een volledige laad- en ontlaadcyclus gaat zelfs een deel van de opgeslagen energie verloren. De waarde zit in het beschikbaar maken van elektrische energie op een ander moment.

Het IEA beschrijft batterijopslag daarom als een van de veelzijdige bronnen van kortetermijnflexibiliteit: batterijen kunnen duurzame productie naar andere momenten verschuiven, snel reageren voor systeembalancering en verschillende vormen van netondersteuning leveren.

Bij batterijopslag worden twee begrippen gemakkelijk door elkaar gehaald: vermogen en energie-inhoud.

Het vermogen, uitgedrukt in bijvoorbeeld MW, geeft aan hoe snel een batterij kan laden of ontladen. De energie-inhoud, uitgedrukt in MWh, geeft aan hoeveel energie beschikbaar is.

Neem bijvoorbeeld een batterij van 20 MW / 40 MWh. De batterij kan maximaal 20 MW vermogen leveren. Wanneer zij volledig geladen is en continu met 20 MW ontlaadt, is er theoretisch ongeveer twee uur energie beschikbaar.

Een batterij van 20 MW / 80 MWh kan hetzelfde maximale vermogen leveren, maar theoretisch ongeveer vier uur. Deze verhouding wordt vaak uitgedrukt als de duration van een batterij.

Dit onderscheid is essentieel bij het bepalen van de waarde van opslag. Voor een toepassing waarbij zeer kort en snel moet worden gereageerd, kan relatief veel vermogen belangrijk zijn. Voor het overbruggen van meerdere uren is juist voldoende energie-inhoud nodig. De optimale configuratie hangt dus af van wat de batterij moet gaan doen.