Expert Talk: EnergyVille ondersteunt België’s leidende rol in de Noordzee

Offshore windparken: de motor achter de Europese energietransitie

De energietransitie streeft naar een overschakeling van traditionele fossiele brandstoffen naar schone, hernieuwbare bronnen zoals zonne- en windenergie. Voor elektriciteitsproductie is die ommezwaai al volop bezig. Waar zonne- en windenergie in 2000 minder dan 1 procent van de in Europa opgewekte elektriciteit leverden, is dit gestegen tot meer dan 31 procent in mei dit jaar, het totale aandeel van fossiele brandstoffen voor het eerst een volledige maand overstijgend. Hoewel deze trend positief is, gaat het over een eerder uitzonderlijke maand en betreft het enkel elektriciteit als vector voor energie. Een koolstof neutrale toekomst vereist daarom niet alleen de productie van hernieuwbare elektriciteit, maar ook een aanzienlijke toename van het gebruik van elektriciteit als energievector. Concreet betekent dit een verhoging van het aandeel elektrificatie van de huidige 20 procent naar 60 tot 80 procent tegen 2050. De vraag naar hernieuwbare elektriciteit groeit en de aanmaak ervan wordt dus steeds dringender.

Een cruciale bijdrage hieraan zijn windmolenparken, die het potentieel hebben om aanzienlijke hoeveelheden schone energie te produceren. Daar waar de eerste parken op land werden gerealiseerd, zien we vandaag een snelle toename in windmolenparken op zee. Buiten het evidente voordeel van meer ruimte en minder overlast, vinden we op zee sterkere, snellere en consistentere winden. De combinatie van deze voordelen maakt ‘offshore’ windparken een interessante en zeer efficiënte bron van duurzame energie.

België als energieknooppunt in de Noordzee naar Europa’s vasteland

België speelt al 30 jaar een sleutelrol in het uitbouwen van offshore windenergie en organiseerde in april de Noordzeetop in Oostende. Hierin engageerden negen Europese landen zich om van de Noordzee de grootste groene energiecentrale ter wereld te maken, vastgelegd in het Verdrag van Oostende. Het streefdoel? 120 GW offshore windcapaciteit tegen 2030 en minstens 300 GW tegen 2050. Geen kleine ambitie gezien de huidig geïnstalleerde 30 GW, maar uiteindelijk wel goed voor 300 miljoen Europese gezinnen van Noordzeestroom te voorzien of 100 keer de gecombineerde output van alle Doel kerncentrales tezamen. Als gevolg zal een groot deel van deze elektriciteit ook via de Noordzeelanden (zoals België) worden getransporteerd naar andere landen.

Zulke technologische innovatie vraagt vanzelfsprekend investeringen. De Europese Commissie schat dat de offshore energiedoelstellingen voor 2050 een investering van 800 miljard euro zullen vereisen, waarvan tweederde voor netwerkinfrastructuur [1].

Het Energietransitiefonds van de federale overheid steunde daarom alvast het NEPTUNE-project. Tinne Van der Straeten, minister van Energie, hierover op het slotevenement afgelopen woensdag:

“Met trots kijken we terug op onze steun aan het NEPTUNE-project dat een belangrijke rol heeft en zal spelen in het ondersteunen van België als pionier in offshore windenergie in de Noordzee. We kunnen de Europese klimaatdoelstellingen alleen maar halen als we samenwerken. Bijdrages van academische onderzoeksgroepen, zoals het NEPTUNE-project, zijn dus ook essentieel.”

Terugschakelen naar gelijkstroom

De uitbouw van nieuwe windparken zal namelijk op steeds grotere afstanden van land gebeuren, terwijl hun geïnstalleerd vermogen toeneemt. Om deze energie op een betaalbare en maatschappelijk aanvaardbare manier aan land te brengen, alsook aan te sluiten op het elektrische transmissiesysteem, is technologische innovatie essentieel. Dergelijke innovaties zijn niet enkel in overzeese en ondergrondse kabelverbindingen nodig, maar ook voor de versterking van het bestaande elektriciteitsnetwerk. De conventionele wisselstroom (AC) kabels kunnen bijvoorbeeld niet meer gebruikt worden voor dergelijke afstanden te overbruggen en zulke grote vermogens te transporteren.

Gelijkstroom op hoge spanningen (HVDC) biedt oplossingen. Met minder energieverlies en een eenvoudigere transmissie over grote afstanden, is HVDC een sleuteltechnologie voor het overbrengen van elektriciteit via lange onderzeese kabels. Op termijn laat ze ook toe om stap voor stap een ‘vermaasd’ netwerk van elektriciteitsverbindingen op de Noordzee te bouwen, om zo de elektriciteitsvoorziening van meerdere landen te verenigen.

Wel brengen deze voordelen extra complexiteit met zich mee; de wisselstroom moet namelijk op het huidige gelijkstroomnet worden aangesloten, resulterend in een hybride elektriciteitsnetwerk, waarbij AC en DC harmonieus samenwerken. De HVDC omvormers, die de elektrische energie van wisselstroom in gelijkstroom omzetten en omgekeerd, gedragen zich fundamenteel anders dan traditionele AC-componenten. Ze zijn opgebouwd uit duizenden vermogenelektronische schakelaars en hebben een complex regelsysteem. Diezelfde complexiteit en volledige controleerbaarheid bieden op hun beurt weer nieuwe opties voor een slimmere werking van het elektriciteitssysteem, waardoor het mogelijk wordt om vermogens om te leiden en ondersteunende diensten aan te bieden.

NEPTUNE: bouwen aan energieinnovatie in Europa

Hoe de grote investeringsvolumes het best worden ingezet en hoe deze energie-infrastructuur technisch gezien betrouwbaar opgezet kan worden, vraagt allereerst uitgebreide studie. In de afgelopen vijf jaar heeft het NEPTUNE-project, kort voor het ‘Noordzee EnergiePlan voor de Transitie naar dUurzame windeNErgie’, als een frisse wind het energieonderzoek naar nieuwe hoogten geblazen.

“De Europese doelstellingen zijn technisch haalbaar, maar brengen ook vele uitdagingen met zich mee, zoals de integratie van enorme hoeveelheden windenergie in het bestaande elektriciteitssysteem – dat al wordt geëxploiteerd tegen zijn grenzen aan,” nuanceert prof. Dirk Van Hertem, projectleider. “Binnen het NEPTUNE-project hebben we de noodzakelijke kennis opgebouwd om België voor te bereiden op deze uitdagingen.” Het ambitieuze project, geleid door onderzoekers van de KU Leuven en EnergyVille, heeft deze uitdagingen aangepakt via drie essentiële werkpakketten:

Het eerste werkpakket richtte zich op het versterken van de financiële en technische basis voor grootschalige elektriciteitstransmissie in Europa. Onderzoekers ontwikkelden optimalisatiemodellen om nauwkeurig de toekomstige geïnstalleerde capaciteit van energiebronnen in zowel de Noordzee als op het vasteland te bepalen. Door te kijken waar hernieuwbare energie het meest efficiënt kan worden opgewekt, zonder rekening te houden met landsgrenzen zoals in eerdere modellen, kunnen nu knelpunten in transmissienetten beter worden geïdentificeerd in heel Europa. Het project ontwikkelde computermodellen om te analyseren hoe hybride AC/DC elektriciteitsnetwerken zich optimaal moeten ontwikkelen, alsook hoe klassieke investeringen in transmissielijnen kunnen vervangen worden door beroep te doen op reserve opslag en flexibiliteit (zie o.a. PowerModels, FlexPlan en CbaOPF op GitHub, een webgebaseerd platform om code op te slaan en te delen). Daarnaast overbrugden de onderzoekers de kloof tussen theoretische modellen en praktische toepassing, door operationele procedures te ontwikkelen (zoals snelle reacties in noodsituaties) wat de levensvatbaarheid van offshore windparken aanzienlijk verbetert. Het resultaat? Optimaal investeringsadvies om betrouwbare elektriciteitsinfrastructuur op Europese schaal te waarborgen [2,3].

Het tweede werkpakket concentreerde zich op de beveiliging van het elektriciteitssysteem, waarbij geavanceerde algoritmes werden ontwikkeld om uitdagingen met betrekking tot hybride netwerken van gelijk- en wisselstroom in kaart te brengen, alsook praktische oplossingen te bieden. Dit omvatte de verbeteringen van de modellen van kabels en omvormers om meer gedetailleerde analyses uit te kunnen voeren, die op hun beurt aanleiding geven tot betere beveiligingsalgoritmes, in het bijzonder dicht bij HVDC omvormers. De onderzoekers keken ook naar nauwkeurige spanningsdetectoren die metingen mogelijk maken rechtstreeks op elektriciteitskabels, dicht bij potentiële foutlocaties. Daarnaast ontwikkelden ze baanbrekende DC-beveiligingsalgoritmes die fouten in het elektriciteitsnet in minder dan een milliseconde detecteren, meer dan tien keer sneller dan voorheen mogelijk wat beschikbaar is voor wisselstroomnetwerken.

De ontwikkeling van toekomstige hybride elektriciteitsnetwerken is afhankelijk van de dynamica en stabiliteit van de omvormers die gelijkstroom in wisselstroom omzetten, en hun interacties met elkaar en de rest van het netwerk. Het derde werkpakket van NEPTUNE richtte zich op simulatie- en controlemodellen voor deze hybride netwerken. De resulterende modellen bieden inzicht in de stabiliteit en interacties tussen deze omvormers, en bieden geavanceerde oplossingen voor het beheren van deze complexe elektrische systemen. Dit is een cruciale stap voorwaarts om de omvormers

“De kennis en tools die in dit project werden ontwikkeld, maken van deze onderzoeksgroep een leidinggevende speler in hoogspanningsgelijkstroom”, benadrukt prof. Jef Beerten van EnergyVille/KU Leuven. “Betrokken individuen zijn dan ook aan de slag gegaan in belangrijke posities in de sector.” Kortom, het NEPTUNE-project heeft de weg gewezen voor toekomstige hybride energienetwerken, met slimme planning, verbeterde veiligheid en geavanceerd beheer.

De highlights van het project? Bekijk ze hier in de Z Energy reportage:

Nieuwe horizonten van NEPTUNE

Deze inzichten dragen niet alleen bij aan de Europese innovatieagenda, maar het verworven menselijke kapitaal fungeerde al als katalysator voor verdere ontwikkeling.

“Door het publiek beschikbaar stellen van de ontwikkelde modellen en software tools, kunnen we bijdragen aan de energietransitie op een door de gemeenschap gedreven manier. Bovendien hebben we al meer dan 20 nationale en internationale samenwerkingen met de industrie en academische wereld opgezet,” aldus dr. Hakan Ergun, NEPTUNE-werkpakket leider.

Zo bijvoorbeeld het HC³ ‘HVDC and underground Cable’ expertisecentrum binnen EnergyVille waarin de Vlaamse regering 14 miljoen euro investeert voor het onderzoeken van ondergrondse hoogspanningsverbindingen, eveneens geleid door prof. Van Hertem. Toekomstige uitdagingen zoals de beveiliging, controle en uitbatingsrisico’s van ondergrondse gelijk- en wisselstroom kabels worden hierin bekeken tezamen met de ontwikkeling van het hoognodige “vermaasd” netwerk op gelijkstroom. Het HC³ zal ook een simulatielab ontwikkelen waarin dergelijke innovatieve ondergrondse hoogspanningslijnen gedemonstreerd en getest worden in een zo realistisch mogelijke omgeving. Op deze manier zal Vlaanderen zowel wetenschappelijk als in de industrie aan de spits blijven van ondergrondse hoogspanningsnetten.

Bovendien werd er in november samen met Elia (de Belgische transmissienetbeheerder) ook het ETF-DIRECTIONS-project opgestart, waarin de elektrische uitdagingen van het aansluiten van energie-eilanden op het net worden onderzocht. Een toepassing hiervan is het Belgische prinses Elisabeth-eiland; het allereerste artificiële energie-eiland ter wereld. Met een overspannend gebied van meer dan vijf hectare, zal het eiland fungeren als een belangrijk knooppunt waar stroom van windmolenparken in de Noordzee samenkomt, alvorens het naar het vasteland van Europa wordt getransporteerd. Op die manier kan in de toekomst nog meer energie geïntegreerd worden in ons transmissienet.

EnergyVille en andere Belgische onderzoekscentra hebben met hun inspanningen een sterke expertise opgebouwd in het opzetten en monitoren van offshore windmolenparken en elektriciteitsnetten in de Noordzee, verder bijdragend aan een duurzame toekomst.

Referenties

1. ENTSO-e (2021),Ten Year Network Development Plan 2020, Main Report, Version for ACER opinion.
2. Dave, J., Van Hertem, D. (sup.), Ergun, H. (cosup.) (2022). DC Grid Protection Aware Planning of Offshore HVDC Grids, PhD Thesis KU Leuven.
3. Jat, C.K., Dave, J., Van Hertem, D., Ergun, H., (2022). Unbalanced OPF Modelling for Mixed Monopolar and Bipolar HVDC Grid Configurations, arXiv preprint arXiv:2211.06283