December 2022
‘Digitalisering energiemarkt brengt power to the people’
Interview met Prof.dr. Peter Palensky, hoogleraar intelligente elektriciteitsnetwerken TU Delft
TU Delft beschikt over een digital twin van een kwart van het Nederlandse elektriciteitsnet. In een controlekamer testen studenten en netwerkbedrijven hoe de virtuele werkelijkheid reageert op bijvoorbeeld de aansluiting van een nieuw windmolenpark of een cyberaanval. Peter Palensky, hoogleraar intelligente elektriciteitsnetwerken, hoopt dat de twin binnenkort het volledige netwerk bestrijkt. ‘Daarmee kunnen we het net van de toekomst ontwerpen, analyseren en optimaliseren.’
De energietransitie kan niet zonder digitalisering. Er is digitale intelligentie nodig om hernieuwbare energiebronnen te kunnen integreren in het net; om vraag en aanbod van duurzame energie efficiënt te organiseren in een nieuwe wereld met bijna net zoveel producenten als afnemers. Gezien de snelheid waarin we de energietransitie willen verwezenlijken, is het cruciaal dat we ook haast maken met de digitale transformatie van het net. En laat dat nou net de expertise zijn van prof.dr. Peter Palensky.
Samen met andere wetenschappers werkt hij koortsachtig aan het slimme elektriciteitsnet van de toekomst. Een net dat bestand is tegen de ingrijpende veranderingen die op komst zijn, dat weerbaar en betrouwbaar, flexibel en veilig is. Hij voelt de verantwoordelijkheid niet als een last, maar als een uitdaging. ‘Ons huidige energiesysteem is het resultaat van een evolutie van zo’n 120 jaar. We staan nu voor de opgave om in de komende tien tot twintig jaar een compleet nieuw systeem in te richten. Dat is een hele uitdaging, maar het voelt goed om daar met onze ideeën en oplossingen aan bij te dragen.’
Onzekerheden
Digitalisering is geen doel, maar een middel om de energietransitie te faciliteren. Palensky: ‘Het verschaft ons de gegevens en inzichten die we nodig hebben om onzekerheden te managen. Want de vraag naar elektriciteit neemt toe nu we ook transport, industrie en verwarming gaan elektrificeren, en we moeten het aanbod anders gaan sturen als veel kleine partijen wind- en zonne-energie gaan leveren op onvoorspelbare momenten. Daarnaast probeert elke warmtepomp, elk laadstation, elke pv-omvormer wel iets slims te doen. Inspelen op marktprijzen bijvoorbeeld. Ook dat brengt een moeilijk beheersbare dynamiek met zich mee. Digitale technologieën en componenten kunnen data genereren over opwek, gebruik en bijvoorbeeld het weer, en daarmee bijdragen aan betere afstemming van vraag en aanbod.’
In een intelligent elektriciteitsnetwerk zijn energietechnieken, sensortechnologie en ICT vergaand geïntegreerd. Kunstmatige intelligentie analyseert de digitale datastromen van miljoenen sensoren. Met die analyses kan het fysieke stroomnet zichzelf automatisch in balans houden. Producenten delen informatie over hun energieaanbod, vraagpieken zijn voorspelbaar, slimme verdeelstations beslissen of de elektriciteit naar het grote netwerk gaat of lokaal wordt ingezet. Besturingssystemen voor windparken draaien windmolens automatisch uit de wind als het net overbelast raakt, lokale smart grids en elektrische auto’s dragen slim bij aan de balans in het net. Een slim net zal ervoor zorgen dat een dreigend overschot van duurzame energie niet tot overbelasting of uitval leidt. En dat energiecentrales bij verwachte tekorten snel kunnen bijspringen en energieleveranciers hun prijzen op tijd kunnen verhogen om de vraag te temperen.
Gopacs
Een interessant voorbeeld van actief netbeheer vindt Palensky het Gopacs-platform. Op deze digitale marktplaats proberen netbeheerders, marktpartijen en grootverbruikers congestie in het elektriciteitsnet te voorkomen. Als een netbeheerder ergens ophoping verwacht, meldt die dit op het platform en kunnen marktpartijen in dat gebied kooporders plaatsen om productie weg te nemen.
‘Gopacs is een van de beste voorbeelden van slim netbeheer. Als ik in het buitenland ben, haal ik altijd dit Nederlandse voorbeeld aan. Er nemen nu alleen nog grote en middelgrote spelers aan deel en de mogelijkheden zijn nog beperkt. We hebben meer van deze platforms nodig, en grotere, waarin we werkelijk alles kunnen integreren en waaraan iedereen mee kan doen. Alleen zo verkrijgen we de flexibiliteit en de zekerheid die we nodig hebben. En kunnen we de risico’s van uitval beheersen. Iedereen moet altijd en overal toegang hebben tot schone, betaalbare energie. Deze platforms zijn een goed hulpmiddel om dat te bereiken.’
Power to the people
Palensky vindt de meest interessante opbrengst van de digitale transformatie dat het ‘power to the people’ brengt, letterlijk en figuurlijk. ‘We hebben het ook in het bankwezen en de hospitality-sector gezien: digitale platforms als Airbnb en internetbankieren bedienen miljoenen mensen. Ze veranderen sectoren; maken die toegankelijk en heel inclusief. In een digitaal getransformeerde wereld kan iedereen zijn huis verhuren, cryptovaluta of energie verhandelen.’
‘In de ouderwetse energiemarkt is het een nachtmerrie om met particulier opwekkingsvermogen en een accu te ‘spelen’. Daar moet je een bepaalde grootte voor hebben. Maar in de digitale wereld kun je ze aggregeren; 500 woningen samenvoegen tot één marktspeler die contracten en reserveringen maakt, verdeelt en heerst. Dat heeft een positief effect op de organisatie en planning van ons energiesysteem, maar het heeft ook sociale impact.’
‘We brengen zo ‘power to the people’. En omdat het om hernieuwbare energie gaat en iedereen die lokaal kan opwekken uit wind of zon, komt die power dus echt overal. Ook arme landen zijn rijk aan zon en wind. Daarmee worden ze ook minder afhankelijk van dure en vervuilende fossiele brandstoffen. Al die maatschappelijke impact mogen we niet onderschatten.’
Digital twin
De digital twin waaraan TU Delft werkt, kan de energietransitie behoorlijk versnellen. Want die kan in de virtuele wereld allerlei scenario’s uittesten, zonder dat dit gevolgen heeft voor de werking van het fysieke netwerk. ‘Pas als we de harde feiten kennen over de gevolgen voor de stabiliteit van het net van miljoenen extra zonnepanelen, van nieuwe windparken voor de kust, van een massale omschakeling naar elektrisch vervoer, kunnen we die ontwikkeling verantwoord en versneld in gang zetten.’
‘Met onze supercomputer kunnen we in ons lab nu een kwart van het Nederlandse elektriciteitssysteem simuleren. We zijn bezig extra fondsen te werven zodat we een replica van het volledige net kunnen maken, en alles wat daarmee is verbonden. Om daar echt interessante resultaten uit te halen, moet je de twin ‘fast forwarden’ naar de toekomst en daarin aannames doen over de hoeveelheid hernieuwbare energie die we dan produceren en de infrastructuur waarmee we die invoeren en afnemen. Daaruit kunnen we dan opmaken wat ons de komende twintig jaar te doen staat – op het gebied van investeringen, markt- en controleregels – om leveringszekerheid te bieden.’
China
Het enige land ter wereld dat al een digital twin van het volledige staatsnet heeft, is meteen ook een hele grote: China. ‘Ze hebben daar een heel dure supercomputer voor ingezet. Met hun digital twin kunnen ze elk aan te sluiten zonnepark doorrekenen op de fysieke gevolgen en risico’s. Ze kunnen bewuste keuzes maken voor bijvoorbeeld een waterkrachtcentrale of een windpark. Zonder de emotionele discussies die ontstaan als er geen harde feiten zijn. Daardoor kunnen ze snel schakelen.’
‘Dat hebben we hier ook nodig. We zijn veel te laat begonnen met de decarbonisatie, dus er is nu veel haast geboden. Zonder harde feiten is het risico groot dat je in alle haast fouten maakt. Voor je het weet, zitten we met zijn allen in het donker. De digital twin is de enige manier om te zien of het systeem van de toekomst zal presteren zoals bedoeld.’
In het meest optimistische scenario kan TU Delft de digital twin over twee jaar compleet hebben. Het wachten is op extra financiering en apparatuur. Voor het modelleerwerk denkt Palensky anderhalf jaar nodig te hebben.
‘Met onze supercomputer kunnen we nu een kwart van het Nederlandse elektriciteitssysteem simuleren’
Kwetsbaar
De gedeeltelijke digital twin komt tot leven in de ‘Controlekamer van de Toekomst’, een speciale ruimte op de campus waar men op beeldschermen en bedieningspanelen de virtuele werkelijkheid kan zien en beïnvloeden. ‘De digital twin zelf is gevat in rijen computers in een lege ruimte. Daar kun je niet zoveel mee. In de controlekamer hebben we een interface tussen mens en machine gecreëerd. Daar kunnen netbeheerders en academici oefenen met de integratie van nieuwe energiebeheertechnologieën, met allerlei ongemakkelijke situaties en cyberaanvallen; iets wat ze in het fysieke netwerk niet kunnen.’
Cyberaanvallen zijn een belangrijk aandachtspunt. Door digitalisering is het elektriciteitsnetwerk veel kwetsbaarder geworden. Voor softwarefouten en storingen, maar zeker ook voor cyberaanvallen. In alle vermogenselektronica die wind- en zonne-energie aan het net verbindt, zit immers ook elektronica voor cloud-communicatie. Krijgen criminelen daar toegang toe, dan zijn blackouts of ander kwaadwillende manipulatie reële opties.
Palensky: ‘Ons grid wordt constant aangevallen, dat is niets nieuws. Ja, het is een risico, maar wat mij betreft een beheersbaar risico. Er zijn genoeg hulpmiddelen en voorbeelden uit best practices om een cyberfysiek energiesysteem goed te beveiligen. De vloek van de digitale technologie is dat je het moet onderhouden en bijwerken om het veilig te houden.’
‘In het stroomsysteem zorgen professionele leveranciers op de substations voor softwarepatches die fouten oplossen en updates uitvoeren. De vraag is uiteraard of ze die ook altijd toepassen. Hetzelfde geldt voor particuliere apparaten, zoals slimme thermostaten en garagedeuren. Als je de firmware niet regelmatig update, worden ze kwetsbaar voor hacks of verlies van functionaliteit. Een enkele thermostaat heeft geen effect op het grotere systeem, maar als het om duizenden verbonden snellaadstations gaat, dan kun je via een cyberinbraak de markt manipuleren. Dat besef moet echt nog groeien.’
Cybersecurity
In 2015 en 2016 kwamen honderdduizenden mensen in Oekraïne zonder stroom te zitten door cyberaanvallen op het stroomnetwerk. Eenzelfde poging dit jaar mislukte. ‘We kunnen veel leren van de Oekraïners. Na de dramatische ervaringen in 2015 en 2016, hebben ze hun cybersecurity goed op orde gebracht. Je kunt kritieke infrastructuur dus echt verdedigen,’ zegt Palensky.
Nu het Oekraïense elektriciteitssysteem is aangesloten op dat van Europa, nadat Rusland het land afkoppelde, zijn de risico’s van dat soort aanvallen ook voor ons groter geworden. ‘Maar,’ zegt Palensky, ‘er zijn voldoende maatregelen ingebouwd om te voorkomen dat ook bij ons het licht uitgaat bij een aanval.’ De hoogleraar was aan de zijlijn betrokken bij de overgang van het Oekraïense elektriciteitssysteem. ‘Het was een complexe klus, die pas gepland was over drie jaar, maar nu in twee weken moest worden voltooid.’
Aanval
In de Controlekamer van de Toekomst oefenen netbeheerders dus ook met simulaties van cyberaanvallen. Onderzoekers hacken met opzet het systeem om te zien welke gevolgen dat heeft, hoe snel die zijn te detecteren en te verhelpen en hoe we ze kunnen voorkomen. ‘Alleen daarom al is de digital twin zo belangrijk. Dit soort aanvallen kunnen we in het fysieke systeem nooit nabootsen zonder enorme gevaren. We kunnen hier alles doen wat in het echte net niet mag, ook kortsluiting maken, de spanning overschrijden of laten wegvallen.’
Tekst: Astrid Zoumpoulis - Verbraeken
Fotografie: Willem de Kam/TU Delft