Zonnegroei vereist een slimmer, veerkrachtiger elektriciteitsnet

De wereldwijde verschuiving van fossiele brandstoffen naar zonnestroomnetten

In de nasleep van de stroomnetinstorting op het Iberisch Schiereiland (Portugal en Spanje) vroegen velen zich af wat de onderliggende oorzaak was. En, net als veel dingen tegenwoordig, werd de discussie al snel gepolitiseerd, waarbij zonne-energie werd beschuldigd van de crash.

Bron: RNZ

En het kan gedeeltelijk waar zijn, althans tot op zekere hoogte. Het stroomnet is tientallen jaren geleden ontworpen, met een gecentraliseerd, fossielbrandstofgericht ontwerp dat draaide om een paar enorme energiecentrales die op aanvraag stroom konden leveren.

In vergelijking functioneert een gedecentraliseerde en hernieuwbare energievoorziening op veel verschillende manieren. Naarmate zonne-energie goedkoper wordt, zal het waarschijnlijk een steeds groter deel van de totale energieproductie overnemen. Momenteel vertegenwoordigt zonne-energie 80 % van de nieuwe stroomproductie die aan het net wordt toegevoegd, en wind nog eens 10 %.

Met 585 GW aan capaciteitsuitbreidingen waren hernieuwbare bronnen goed voor meer dan 90 % van de totale stroomuitbreiding wereldwijd in 2024.

Zonne- en windenergie bleven het hardst groeien, samen goed voor 96,6 % van alle netto hernieuwbare toevoegingen in 2024. Meer dan driekwart van de capaciteitsuitbreiding was in zonne-energie, die met 32,2 % toenam tot 1 865 GW, gevolgd door windenergie die met 11,1 % groeide.

Bron: Irena

Dus terwijl een groene, op hernieuwbare energie gebaseerde stroomvoorziening onvermijdelijk lijkt, is het cruciaal dat het stroomnet dit aankan. Vooral omdat elke stroomnetstoring, zoals de recente, als deze echt door zonne-energie werd veroorzaakt, de adoptie van zonne-energie zal vertragen en indirect de koolstofuitstoot langer hoog zal houden.

Hoe elektrische stroomnetten werken en waarom ze falen

Een belangrijk element om te begrijpen over het belang van het stroomnet en de moeilijkheden om het operationeel te houden, is dat elektriciteit zeer moeilijk op te slaan is.

In theorie is dat wat batterijen doen, maar het stroomnet van een land draait op stroomniveaus die vele orders van grootte hoger liggen dan wat zelfs de grootste batterijfaciliteiten kunnen opslaan.

Dus voorlopig moet stroom precies in dezelfde hoeveelheid worden geproduceerd als dat het wordt verbruikt, in realtime.

Om deze moeilijke taak nog complexer te maken, moet stroom ook op de juiste plaats en op het juiste moment worden geleverd. Bijvoorbeeld, zonne-energie opgewekt in Nevada zal het net van Kansas niet helpen als het niet met voldoende hoogspanningslijnen is aangesloten. In het geval van Spanje waren de interconnecties met het Franse stroomnet niet groot genoeg om het te redden van de lokale problemen.

Bron: ResearchGate

Ten slotte moeten er spanningsveranderingen worden doorgevoerd. Lange transmissie van stroom kan alleen efficiënt bij hoge spanning, wat transformatoren vereist om de spanning te verhogen voordat de elektriciteit in de hoogspanningslijnen wordt gepusht. Consumptie moet plaatsvinden op een lagere spanning, wat ook met transformatoren gebeurt.

Bron: EIA

Spaanse stroomnetstoring: wat ging er mis?

Frequentieproblemen

Hoewel het waarschijnlijk is dat de oorzaken van de ineenstorting van het Iberische net fel zullen worden bediscussieerd, mogelijk maanden en jaren, hebben we een paar gegevenspunten die gedeeltelijk kunnen aangeven wat er gebeurde.

Het eerste is dat het daadwerkelijke falen niet te wijten was aan over- of onderproductie, maar aan de elektrische frequentie van het stroomnet.

Netfrequentie is een technische eigenschap van het net, bepaald door de oscillatie van wisselstroom.

Bron: Wikipedia

Verschillende stroomnetten hebben verschillende standaardfrequenties, waardoor ze incompatibel zijn met elkaar. Bijvoorbeeld, de Baltische staten zijn pas recent overgestapt op de Europese frequentie, na decennia de frequentie van de USSR te hebben behouden.

Als de frequentie te ver van de normen afwijkt, kan dit letterlijk transformatoren en andere hoogvermogenapparatuur vernietigen, evenals apparaten van gewone gebruikers. Er zijn talrijke ingebouwde mechanismen in elektrische apparaten die automatisch ontkoppelen als de frequentie excessief fluctueert.

Heeft zonne-energie de Spaanse netstoring veroorzaakt?

De netfrequentie werd vroeger gegenereerd en gestabiliseerd door de fysieke rotatie van enorme generatoren, meestal aangedreven door fossiele brandstoffen, maar ook door waterkracht- en kerncentrales. Dit gaf het net veel traagheid, waardoor het moeilijk was voor de frequentie om sterk van de beoogde niveaus af te wijken. Zonne-energie genereert echter geen dergelijke traagheid.

Bron: SmartGrid

Het is dus niet zozeer dat de opwekking van zonne-energie de crash veroorzaakte, maar dat het gebrek aan traagheid niet hielp de netfrequentie te stabiliseren, wat een sleutelrol speelde in de crash.

Met de voortdurende toename van de integratie van hernieuwbare bronnen, wat wordt weerspiegeld door veel landen, zoals India, die plannen om de overvloedig beschikbare hernieuwbare bronnen te benutten, zal de verminderde nettrageheid een voortdurend probleem worden en de kwestie van beheer in het net dat ook conventionele opwekking bevat, aanwakkeren.

Desondanks verklaart het niet waarom de frequentie in eerste instantie fluctueerde. Naast een gebrek aan traagheid, dat kan worden gekoppeld aan zonne-energie, lijken enkele slechte praktijken en oude ontwerpen ook bijgedragen te hebben aan de Iberische netcrash door het kwetsbaar te maken voor wat de netbeheerder beschreef als een “uiterst zeldzaam weerfenomeen”.

Het upgraden van stroomnetten voor een toekomst met hernieuwbare energie

Aangezien oudere ontwerpen van transformatoren, hoogspanningsleidingen en andere infrastructuur de meest voorkomende oorzaak van storingen zijn, is het logisch dat de eerste stap om het stroomnet te verbeteren, het upgraden van de apparatuur is.

Een stap vooruit is de zogenaamde slimme netten, die veel nauwkeuriger monitoren wat er op elk niveau van het stroomnet in realtime gebeurt, in plaats van een meer algemene analyse. Dit omvat ook tal van individuele automatische systemen.

Op deze manier kan een frequentiefluctuatie die zich in één specifiek gebied voordoet, bijvoorbeeld door een weersgebeurtenis, onmiddellijk van de rest van het net worden geïsoleerd voordat het probleem zich verder verspreidt.

Verbeteringen aan de hoogspanningsleidingen kunnen ook helpen. Een dichter netwerk maakt het mogelijk om stroom van de ene regio naar de andere om te leiden en vermindert de gevoeligheid voor een enkel falingspunt. Betere isolatie of het ondergronds leggen van leidingen kan ze ook beschermen tegen stormen, sneeuw & vorst, bosbranden, enz.

Meer verbindingen tussen verre regio’s kunnen ook helpen om fluctuaties in stroomopwekking van het ene zonnige gebied naar het andere te middelen. Dit vereist over het algemeen speciale infrastructuur voor ultra‑lange afstandsstroomtransport, iets waarin China wereldwijd leider is, met zijn “supergrid” dat ultrahoge‑spanning (UHV) AC‑ en DC‑leidingen gebruikt, met al 30 000 km UHV‑leidingen (18 600 mijl).

Bron: IEEE

Het is waarschijnlijk dat vergelijkbare transcontinentaal‑verbindingen ook in Europa en Noord‑Amerika moeten worden gebouwd, bijvoorbeeld tussen Spanje en Noord‑Europa, of Oost‑ en West‑USA, waar veel onafhankelijke netten nog niet zo goed verbonden zijn.

In dat opzicht is het geen toeval dat de ergste netstoring van de afgelopen jaren plaatsvond in Texas en Spanje, beide relatief kleine en geïsoleerde netten.

Bron: ASME

Ten slotte, nu elektrificatie de dominante trend wordt in transport, verwarming en industriële processen, is er over het algemeen meer capaciteit voor stroomtransport nodig om aan de groeiende vraag te voldoen die zich afzet tegen kolen, olie en gas. Dit vereist geen verandering in ontwerp of nieuwe technologie, maar wel meer investeringen om meer hoogspanningsleidingen te bouwen.

Stabilisatie van netfrequentie in systemen met hernieuwbare energie

Batterijopslag en virtuele traagheid in stroomnetten

Hoewel slimme netten een deel van het antwoord zijn, zullen ze vooral de blootstelling aan omgevingsinvloeden verminderen en storingen in kleinere, beter beheersbare gebieden dan een landelijk crash inperken.

Om crashes in de eerste plaats te vermijden, vooral nu traagheidsloze zonne‑energie de primaire bron van elektriciteit wordt, zijn andere oplossingen nodig.

Grote‑schaal batterijopslag (LSBS) kan enige hulp bieden. Deze batterijen zullen sowieso nodig zijn voor een grotendeels op hernieuwbare energie gebaseerd systeem, omdat zonnepanelen ’s avonds op piekverbruikstijd geen energie produceren.

Ze kunnen ook frequentietraagheid leveren, zij het op een andere manier dan traditionele grote draaiende generatoren. Traagheid van batterijen wordt “virtuele traagheid” genoemd, of synthetisch, gesimuleerd, of digitale traagheid.

Wanneer storingen buiten de normale frequentie worden gedetecteerd, duwt FFR de netfrequentie terug naar zijn normale operationele bereik door snel stroom in of uit het net te injecteren.

Virtuele traagheid kan zelfs sneller reageren dan traditionele generatoren op instabiliteit in de frequentie, in minder dan 2 seconden.

Dit is een dienst die voor het eerst commercieel werd aangeboden in 2022 door batterijfaciliteiten gebouwd door Tesla (TSLA ).

De “Big Battery” kan ongeveer 2 000 “megawatt‑seconden” (MWs) aan traagheidsequivalent leveren om het net stabiel te houden. Het doet dit via Tesla’s Virtual Machine Mode‑service. Het zal ongeveer 15 % van het traagheidsdeficit van Zuid‑Australië kunnen dekken.

Kunnen zonnepanelen helpen de netfrequentie te stabiliseren?

Op zichzelf bieden zonnepanelen geen traagheid, omdat er geen fysieke rotatie en kinetische energie is om die te creëren. Maar ze kunnen op manieren worden ingezet om het net te ondersteunen.

Zo zijn zonneprojecten traditioneel ontworpen en gestimuleerd om te allen tijde maximale productie te behalen. Door echter een reserveproductiecapaciteit te behouden, kunnen ze die inzetten bij een frequentiedaling.

Dit is technisch zeer eenvoudig te realiseren en heeft meer te maken met hoe zonne‑installaties worden gecompenseerd door nutsbedrijven en netbeheerders.

Kleinere energieopslag op het niveau van de zonne‑installatie kan op dezelfde manier worden gebruikt om kleine pieken in stroom en een stijging in frequentie op te vangen. De netbeheerder zou een specifiek deel van de productie kunnen reserveren om opgeslagen te worden en direct beschikbaar te maken als de frequentie daalt.

Dezelfde methode kan worden toegepast op de omvormers die aan de zonnepanelen zijn gekoppeld. Een plantcontroller zou theoretisch de omvormerbesturingen voor een korte tijd kunnen overriden om een frequentiedaling te stoppen, “het heet laten draaien”, maar onder het niveau waarop fysieke schade aan de omvormers zou ontstaan.

In dat scenario zou elke zonne‑omvormer fungeren als een mini‑stabilisator, die extra virtuele traagheid levert.

Herstel van nettrageheid met mechanische draai‑oplossingen

Als traagheid nodig is, en traditioneel wordt geleverd door honderden tonnen metaal op hoge snelheid te laten draaien, is de oplossing voor te weinig traagheid misschien juist dat te doen.

Sommige apparaten en energieopslagvormen zijn van het draaiende type: synchronische condensatoren en vliegwielen.

Synchronische condensatoren: traagheid toevoegen aan stroomnetten

Synchronische condensatoren zijn gelijkstroommotoren waarvan de assen niet met iets verbonden zijn maar vrij draaien. Ze genereren of verbruiken geen stroom, maar passen de omstandigheden op het elektrische transmissienet aan.

Ze zijn eigenlijk een zeer goede optie om traagheid aan het net toe te voegen, maar bieden zeer weinig andere diensten. Dus als er veel van nodig zijn, komt dit als extra kosten, wat gedeeltelijk de vooruitgang in het verlagen van de prijs van hernieuwbare energie tenietdoet.

Condensatoren zijn ook erg belangrijk voor het herstarten van een ingestort net, omdat ze de traagheid leveren die nodig is wanneer er weinig stroom in het net aanwezig is. Ze kunnen ook helpen om overbelasting in het netwerk enkele seconden op te vangen, waardoor het risico op een kortsluiting wordt verminderd.

Vliegwiel‑energieopslag voor netstabiliteit

Vliegwielen zijn een andere interessante optie. Deze roterende schijven zijn in wezen draaiende batterijen, die energie opslaan in een mechanische vorm in plaats van een chemische.

Ze draaien in een vacuüm op een magnetisch lager, met snelheden van 20 000 tot 50 000 omwentelingen per minuut. Het systeem slaat energie op of geeft deze terug door het vliegwiel te versnellen of te vertragen.

Bron: Stornetic

Door echt “reële” traagheid te leveren, in plaats van virtuele traagheid, kan een vliegwiel een goede optie zijn om toe te voegen aan de mix van “batterijen” die nodig zijn voor groene netten, en tegelijk frequentietraagheid en energieopslag bieden. Dit plaatst ze boven eenvoudigere synchronische condensatoren die geen energie kunnen opslaan en teruggeven.

Alternatieve roterende energieopslagoplossingen

Elke energieopslag die draait, kan traagheid aan het net toevoegen. Dus, naast vliegwielen, zijn andere opties ook mogelijk.

Zo biedt startup Cheesecake Energy een modulair, container‑gebaseerd pakket voor gecomprimeerde‑lucht‑energieopslag. De warmte die door compressie wordt gegenereerd, wordt opgeslagen in goedkoop grind in warmtedepots, en compressie gebeurt met hergebruikte oude vrachtwagenmotoren. De opslag en regeneratie van stroom omvatten ook draaiende metalen assen, vergelijkbaar met een conventionele generator.

Andere niet‑chemische energieopslag bestaat, zoals zwaartekrachtbatterijen, pomp‑hydro, betonnen opslag, warmtedepots, of thermische zonne‑energie, die we onderzochten in het speciale artikel “Niet‑chemische alternatieven voor batterijen voor de energietransitie”.

Een markt creëren voor nettrageheid en frequentiecontrole

Tot nu toe was traagheid een soort “gratis dienst” die werd geleverd door exploitanten van energiecentrales met draaiende generatoren. Of preciezer, men ging ervan uit dat dit deel uitmaakte van de dienst waarvoor nutsbedrijven megawatt van hen kochten.

Veranderingen in energieopwekking betekenen dat er een explicietere markt voor frequentiestabilisatie moet worden gecreëerd om de levering van traagheid te stimuleren.

Dit wordt gepionierd door landen met kleine geïsoleerde netten, zoals de Baltische staten.

Met de lancering van de frequentiemarkt door Litgrid (Litouwen), Augstsprieguma tīkls (Letland) en Elering (Estland) kunnen elektriciteitsproducenten elke ochtend biedingen indienen voor de volgende dag, waarin ze aangeven hoeveel energie ze in reserve willen houden.

De prijs is ongeveer 0,5 cent per kilowattuur, wat neerkomt op ongeveer €1 per maand voor een huishoudelijke consument.

Topuitdagingen die de wereldwijde upgrade van stroomnetten vertragen

Transformertekorten bedreigen netmodernisering

Een van de meest opvallende problemen bij het verbeteren van het net vandaag is het tekort aan transformatoren. Decennia van onderinvestering in netinfrastructuur hebben geleid tot een situatie waarin niet alleen nieuwe apparatuur nodig is om meer verbruik aan te kunnen, maar ook om verouderde transformatoren te vervangen.

Bron: Utility Dive

Een toename van schade door orkanen en bosbranden hielp ook niet.

De extra vraag botst ook met aanbodproblemen, aangezien speciaal elektrisch staal, essentieel voor het verminderen van vermogensverlies in transformatoren, duur en moeilijk te verkrijgen blijft.

“De levering van een nieuwe transformator die vandaag wordt besteld, kan tot drie jaar duren. Vijf jaar geleden was die wachttijd vier tot zes weken.”

Peter Ferrell – National Association of Electrical Manufacturers, of NEMA, Director of Government Relations

Kopertekorten kunnen hernieuwbare‑energie‑netten belemmeren

Een ander probleem dat de upgrades van het net kan vertragen, is een tekort aan natuurlijke hulpbronnen. Terwijl lithium en andere mineralen voor batterijen in voldoende aanbod lijken te zijn, is het onduidelijk of de wereldwijde koperproductie hoog genoeg is, vooral nu elektrische voertuigen en andere technologieën die belangrijk zijn voor elektrificatie het verbruik ook verhogen.

En het omkeren van de koper­voorzieningsrichting kan zeer traag verlopen, waarbij het tekort naar verwachting jaren zal aanhouden.

“De vraag zou kunnen worden gedekt door elk jaar drie ‘tier‑one’ mijnen (elk met een jaarlijkse capaciteit van 300.000 metrische ton) te openen gedurende de komende 29 jaar, wat een historische expansie voor de industrie zou betekenen, tegen een kostprijs van meer dan $500 mrd.

Regelgevende goedkeuringen voor nieuwe koper­mijnen dalen, en zijn nu op het laagste niveau in 15 jaar. Dit is bijzonder zorgwekkend, aangezien mijnen 10 tot 20 jaar kunnen nodig hebben voor goedkeuring en ontwikkeling.”

Bron: International Energy Forum

Tarieven op netcomponenten kunnen Amerikaanse upgrades vertragen

Voor de VS specifiek is het mogelijk dat handelsoorlogen en tarieven in de weg staan van de levering van de benodigde apparatuur.

In 2024 exporteerde China $46,5 mrd aan elektrische transformatoren, het 9e meest geëxporteerde product (van 1.211) in China, waarbij de VS de belangrijkste bestemming is ($4,66 mrd aan handel).

Evenzo worden batterijen en andere elektronische en stroomcomponenten waarschijnlijk gedeeltelijk geleverd door Chinese bedrijven en zullen ze alternatieve leveranciers nodig hebben.

Ten slotte gebruiken de meeste lange‑afstandsstroomleidingen aluminium, dat dit jaar ook onderhevig was aan speciale 25 % tarieven. Dit kan de projectkosten verhogen en de broodnodige upgrades van de stroominfrastructuur van het land vertragen.

Conclusie: een veerkrachtig net bouwen voor een groene toekomst

Het herbouwen van het stroomnet om de overstap naar hernieuwbare energie aan te kunnen, is een behoorlijk ontmoedigende taak. Door het belang van gasturbines en andere fossiele energiecentrales te verminderen, verwijdert de energietransitie ook een belangrijke bron van frequentie‑stabiliteit, terwijl de stroomproductie steeds intermitterender wordt.

Tegelijkertijd betekent elektrificatie dat stroomnetten meer onder druk staan dan ooit door een voortdurend toenemende vraag naar transport, verwarming en industriële activiteiten.

Groene energie zal waarschijnlijk de oplossing zijn voor het probleem dat het veroorzaakt. Batterij‑packs, die al in enorme omvang nodig zijn om de intermitterende productie te balanceren, zullen waarschijnlijk de belangrijkste leverancier van frequentie‑stabiliteit worden. Zonne‑plantomvormers zullen ook waarschijnlijk voor deze taak worden ingezet.

Ondertussen zullen andere technologieën zoals gecomprimeerde lucht, vliegwielen en synchronische condensatoren ook waarschijnlijk bijdragen.

Op de korte termijn zal een onvoldoende productie van transformatoren en het speciale staal dat ze nodig hebben de netverbeteringen belemmeren. Op de langere termijn zullen de mogelijkheid om providers van frequentie‑stabiliteit adequaat te belonen, de politieke wil om het stroomnet te verbeteren, en een gestage aanvoer van energieopslagoplossingen de sleutel zijn tot een succesvolle energietransitie.

Investeren in het stroomnet

GE Vernova

GE Vernova (GEV ) is het resultaat van de splitsing van het gigantische conglomeraat GE in 2024 in GE Aerospace (GE ), GE HealthCare en GE Vernova, waarbij Vernova zich richt op de energiesector.

In dat opzicht maakt dit van GE Vernova de directe erfgenaam van de 130‑jaar oude oorspronkelijke kern van General Electric (GE.TO ).

Met momenteel 75.000 werknemers in meer dan 100 landen, heeft het bedrijf 55.000 windturbines en 7.000 gasturbines geproduceerd, waarmee ongeveer 25 % van de wereldwijde elektriciteit wordt gegenereerd.

Het is aanwezig op alle niveaus van elektriciteitsproductie en -distributie, vooral in turbine‑gerelateerde segmenten zoals wind, waterkracht en kernenergie, maar ook in het stroomnet, waar het projecten ter waarde van $16 mrd in de backlog heeft.

Bron: GE Vernova

Het bedrijf ziet de vraag naar elektriciteit tegen 2040 verdubbelen, met $4 triljoen nodig om kolencentrales te vervangen, wat een enorme kans biedt voor fabrikanten van elektrische apparatuur.

Bron: GE Vernova

GE is een nauwe partner van veel van ’s werelds grootste nutsbedrijven, waaronder de Franse Engie, de Amerikaanse Duke Energy (DUK ), en Southern Company (SOT.DE ) (SO ), de Duitse RWE, de Spaanse Iberdrola, Taiwan Power Company, enz.

Met betrekking tot netoplossingen en elektrificatie levert GE Vernova batterijsystemen voor energieopslag, synchronische condensatoren, pomp‑opslagcentrales (PSPP), oven‑elektrificatie, thermische opslag, zonne‑omvormers, waterstofcompressoren, enz.

Bron: GE Vernova

GE Vernova is ook een krachtpatser op het gebied van energie‑gerelateerd R&D ($1 mrd aan jaarlijkse R&D‑uitgaven), met name op het gebied van koolstofafvang, HVDC‑kabels, waterstofgasturbines en een klein modulair reactor (SMR) ontwerp in samenwerking met Hitachi.

Bron: GE Vernova

De leveringsproblemen en tekorten aan industriële apparatuur in de VS kunnen een kans voor het bedrijf zijn, dankzij een cumulatief wereldwijd CAPEX‑ en R&D‑investeringenplan van $9 mrd tot 2028 voor nieuwe productiefaciliteiten. Dit omvat $50 mio voor de volgende generatie kernbrandstofontwerp, $300 mio voor gas‑energie en LNG‑export, $600 mio in Amerikaanse fabrieken tegen 2026, enz.

Vanwege de breedte van de activiteiten van GE Vernova hoeven beleggers in het aandeel van het bedrijf zich niet te hoeven afvragen welke technologie de energietransitie de komende 5 of 10 jaar zal winnen:

• Als aardgas belangrijk blijft, is GE Vernova al een grote speler in dat segment.
• Als kernenergie een renaissance ondergaat, zullen kern‑turbines en SMR slagen.
• Als waterstof, windenergie, pomp‑hydro of koolstofafvang & -opslag een boom doen, zal GE Vernova ook een deel van die markten kunnen veroveren.

Dus al met al is GE Vernova een goed aandeel om te overwegen voor beleggers die zich bewust zijn van de groeiende elektriciteitsvraag, de behoefte aan een beter net, en die er vertrouwen in hebben dat GE deel zal uitmaken van de oplossing, of het nu gaat om waterkracht, wind, kernenergie, of bijna elke andere vorm van energie.

Laatste nieuws over GE Vernova