HARMONIC

Context

De Europese Green Deal heeft voor de Europese Unie de duidelijke doelstelling vastgelegd om tegen 2050 klimaatneutraal te zijn (net zero). Een essentieel element om deze doelstelling te bereiken in de (Belgische) industrie is de elektrificatie van industriële processen. Volgens de studie “Powering industry towards net-zero” – zal het industriële elektrische energieverbruik in België tegen 2030 naar verwachting met 40% toenemen, waardoor de Belgische industrie niet alleen aanzienlijk zal kunnen decarboniseren, maar ook aanzienlijke besparingen zal kunnen realiseren op het uiteindelijke energieverbruik. De vraag naar elektriciteit zal in de hele Belgische industrie enorm toenemen, ongeacht de maatregelen om koolstofarm te maken (elektrificatie, koolstofafvang en -opslag (CCS) of waterstof), wat zal resulteren in een aanzienlijk grotere belasting van het Belgische transmissiesysteem en de interne elektriciteitssystemen van de industrie. Het elektriciteitsverbruik van BASF bijvoorbeeld zal tegen 2030 naar verwachting verdubbelen van 400 MW tot ongeveer 800 MW tegen 2030. Waar de eerste 400MW elektrisch verbruik geleidelijk is toegenomen over een periode van ongeveer 60 jaar, moet de volgende 400MW worden geïntegreerd in een tiende van die tijd, d.w.z. ongeveer zes jaar. Aangezien gelijkaardige elektrificatie-inspanningen zullen plaatsvinden in de hele Belgische industrie, zal het van het grootste belang zijn om de technische beperkingen die deze cruciale elektrificatie negatief kunnen beïnvloeden te begrijpen en weg te werken.

Aanzienlijke inspanningen op het vlak van elektrificatie en CCS, alsook de toekomstige elektrolyse die een belangrijke elektriciteitsverbruiker zal worden in de Belgische industrie, zullen grootschalige elektrische aandrijvingen vereisen, d.w.z. met een nominaal vermogen van meer dan 5MW. Elektrische aandrijvingen, elektrolyse maar ook de nieuwste types windturbines en grootschalige PV-installaties zullen grootschalige vermogenselektronische omvormers vereisen, die wisselstroom (AC) omzetten in gelijkstroom (DC). Het toegenomen gebruik van vermogenselektronische converters kan leiden tot een verhoogd risico voor het Belgische transmissiesysteem en de interne elektriciteitssystemen van de industrie, aangezien het bewezen is dat grootschalige converters een bron van harmonische vervuiling zijn. Harmonische vervuiling (of harmonischen) zijn spanningen en stromen die in het net geïnjecteerd worden met een veelvoud van de fundamentele frequentie van 50 Hz. Deze vervuiling vermindert de stroomkwaliteit en leidt tot hogere verliezen, een groter risico op uitval van apparatuur, schade aan apparatuur en brandgevaar. Verminderde betrouwbaarheid van apparatuur heeft een nadelig effect op de betrouwbaarheid en beschikbaarheid van het elektriciteitssysteem, wat op zijn beurt een impact heeft op het concurrentievermogen van de Belgische industrie. Aangezien het aantal omvormers aanzienlijk zal toenemen, zal ook de harmonische vervuiling in het systeem toenemen. De kenmerken en negatieve gevolgen van deze vervuiling hangen af van een combinatie van het gedrag van de harmonische vervuilers (of ze optreden als spannings- of stroombronnen) en de kenmerken van het elektriciteitssysteem, bijvoorbeeld de individuele componenten en werkingspunten. Deze kenmerken omvatten onzekerheid, bv. onbekende componentparameters of een grote variatie, bv. veel bedrijfstoestanden.

Het belangrijkste doel van een transmissiesysteembeheerder is om de beschikbaarheid en veilige werking van zijn elektriciteitssysteem te garanderen. Het beheer van harmonische vervuiling is een essentiële prioriteit, vooral gezien het feit dat deze naar verwachting zal toenemen naarmate de elektrificatie toeneemt. Hoewel in aanwezigheid van enkele harmonische vervuilers lokaal beheer voldoende kan zijn; vereist harmonisch beheer in aanwezigheid van vele vervuilers een systeembrede aanpak, aangezien lokale harmonische vervuiling ook een aanzienlijke impact kan hebben elders in het systeem. De systeembrede versterking van harmonischen is een punt van zorg, zoals bijvoorbeeld gerapporteerd door de Deense netbeheerder Energinet. Energinet ontdekte dat bij de integratie van ondergrondse kabels in het systeem het waargenomen harmonische spectrum grondig werd gewijzigd. Dit leidde tot systeembrede versterking van harmonische injecties, waarbij lokale injecties werden versterkt tot onderstations op 90 km afstand van de kabel.

Gezien de voortdurende verbeteringen van het elektriciteitsnet zal systeembreed beheer van harmonischen dus essentieel zijn om de betrouwbaarheid van de elektriciteitsvoorziening te garanderen. Concluderend kan worden gesteld dat om de Europese CO2-reductiedoelstellingen te halen, de essentiële integratie van en elektrificatie van de industrie worden vergemakkelijkt door een veilige en beschikbare werking van de elektriciteitssystemen te garanderen. Voor het toekomstige elektriciteitssysteem met grote vermogenselektronische omzetters is het van het grootste belang om de opvangcapaciteit van het transmissiesysteem te bepalen met betrekking tot grootschalige omzetters, d.w.z. harmonische vervuiling. Op deze manier, door de convertertechnologie en de eigenschappen van het transmissiesysteem op elkaar af te stemmen, kan het aantal grootschalige converters dat economisch in een transmissiesysteem kan worden ondergebracht worden gemaximaliseerd, waardoor de totale kosten van elektrificatie voor de Belgische industrie worden verlaagd.

Doelstellingen van het project

EnergyVille/KU Leuven, als onderzoeksinstituut; BASF als een van de grootste chemische bedrijven en koploper inzake duurzaamheid en het implementeren van oplossingen; en Elia, de Belgische hoogspanningsnetbeheerder, willen in dit project de elektrificatie van industriële processen en, in het algemeen, de introductie van grootschalige vermogenelektronische omzetters versnellen.

Energietransitiefonds

Dit project maakt deel uit van het Energietransitiefonds.

Een overzicht van de energietransitiefondsprojecten van EnergyVille vind je hier.