Van netcongestie naar het energiesysteem van de toekomst

Op de campus van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) draait sinds enkele jaren een bijzondere energiepilot. GENIUS begon als antwoord op een heel concreet probleem: de universiteitgroeit, maar het elektriciteitsnet kan die groei niet faciliteren. Inmiddels is het project uitgegroeid tot veel meer dan een oplossing voor netcongestie. Op de campus komen elektriciteit, warmte, waterstof, energie opslag, real time data en slimme aansturingen samen. Daarmee fungeert de TU/e campus als proeftuin voor een energiesysteem waarin niet alleen meer energie beschikbaar moet zijn, maar vooral ook slimmer met die energie wordt omgegaan door de combinatie met actueel onderzoek.

'Als universiteit hebben we de opgave om te groeien in studentenaantallen en onderzoekers. Dat betekent ook dat je meer gebouwen nodig hebt. Meer gebouwen betekent meer energie. Alleen was die ruimte er niet op het bestaande net.' Aan het woord is Diana van der Sloot, managing director van het Eindhoven Institute for Renewable Energy Systems (EIRES), een van de vier instituten van de TU/e. EIRES heeft als doel de energietransitie te versnellen door onderzoekers en expertise binnen én buiten de universiteit met elkaar te verbinden. Juist die verbindende rol bleek ook bij GENIUS van grote waarde.

Een probleem als startpunt
De TU/e liep bij haar uitbreidingsplannen tegen dezelfde werkelijkheid aan als veel andere organisaties en bedrijven in Nederland. De gewenste netaansluiting was niet  beschikbaar. 'We hebben bij Enexis aangeklopt en kregen te horen dat het net vol zat. Gelukkig hebben we op de universiteit voldoende kennis om vervolgens zelf iets slims te bedenken.’ Dat werd GENIUS. Ongeveer drie jaar geleden startte binnen EIRES een consortium dat onderzocht hoe de campus ondanks de beperkte netcapaciteit toch verder kon groeien. Het antwoord werd geen enkele technische oplossing, maar een combinatie van verschillende technieken en disciplines. Er kwam een batterij, een Energy Management System (EMS) en slimme software die actueel en voorspellend, vraag, aanbod, opslag en het gebruik van installaties op elkaar afstemt.

Frank Visser, oprichter van VBoptimum, is vanuit het bedrijfsleven bij GENIUS betrokken. Zijn bedrijf richt zich onder meer op het dynamisch aansturen van klimaatinstallaties in gebouwen. Volgens hem begint de oplossing bij een andere manier van kijken naar het elektriciteitsnet. 'Er is op zichzelf genoeg elektriciteit. Het probleem is dat die elektriciteit niet altijd op ieder moment van de dag beschikbaar is op de plek waar je hem nodig hebt. Je kunt het vergelijken met een file. Er zijn genoeg wegen, maar als iedereen tegelijkertijd in de auto stapt, ontstaat er een probleem.' Dat betekent dat niet alleen gekeken moet worden naar uitbreiding van het elektriciteitsnet, maar ook naar de vraag wanneer energie daadwerkelijk nodig is.

Niet alles hoeft tegelijk
Daar komen het EMS en de Digital Twin in beeld. Het systeem brengt de energievraag op de campus voortdurend in kaart en kan verschillende assets aansturen. Naast de batterij zijn dat bijvoorbeeld de zonnepanelen, laadpalen en klimaatinstallaties in gebouwen. Traditioneel zou je die 's ochtends allemaal inschakelen wanneer gebouwen in gebruik worden genomen en 's avonds bij het vertrek van de gebruikers weer uitschakelen. Daarmee creëer je grote -en ongewenste- pieken. 'Als je de gebouwen 's morgens vroeg allemaal aanzet, krijg je een enorme piek in het energieverbruik. Wij hebben op basis van data geconcludeerd dat dit niet nodig is.' Het principe klinkt eenvoudig, maar vraagt om een systeem dat voortdurend voorspelt, meet en bijstuurt. VB Optimum gebruikt daarvoor onder meer een digital twin van het gebouw. Die digitale kopie wordt gekoppeld aan gegevens over het gebouw en de installaties. Daarmee kan worden voorspeld hoe een gebouw reageert en wanneer energiepieken kan worden verschoven zonder dat gebruikers daar last van hebben.

Comfort blijft leidend
Slim sturen betekent volgens Visscher nadrukkelijk niet dat gebruikers zich moeten aanpassen aan het elektriciteitsnet. Het comfort blijft het uitgangspunt. 'Comfort is heilig. Onze algoritmes zijn daar ook op ingericht. Wij gaan uit van een comfortbandbreedte van bijvoorbeeld 21 tot 23 graden in een gebouw. Als je weet dat een gebouw thermisch heel langzaam reageert, kun je daar gebruik van maken. Door het gebouw vooraf iets meer op te warmen en tijdens piekmomenten de verwarming tijdelijk terugschakelt, blijft het comfortabel terwijl je op dat moment minder elektriciteit gebruikt.' Daarmee wordt de thermische massa van een gebouw feitelijk een vorm van energieopslag.

Volgens Visscher levert dat bovendien niet alleen flexibiliteit op voor het elektriciteitsnet. Het kan ook bijdragen aan een beter functionerend gebouw. 'Uit onderzoek van TNO blijkt dat een groot deel -maar liefst 70%- van de klimaatinstallaties in utiliteitsgebouwen niet naar behoren functioneert. Dat verklaart ook waarom er zoveel klimaatklachten zijn. Met een digital twin kunnen we eerst in kaart brengen hoe een installatie werkelijk functioneert. Werkt alles zoals het zou moeten? Komt de warmte daadwerkelijk aan in de ruimtes waar die nodig is? Zijn er instellingen ontregeld? Dat moet je eerst oplossen. Pas daarna ga je de installatie slim aansturen voor netcongestie.'

De batterij is slechts één onderdeel
De campus beschikt inmiddels over een batterij die helpt om vraag en aanbod beter op elkaar af te stemmen. Maar een campus kan daarmee niet volledig autonoom worden. 'We blijven afhankelijk van de netaansluiting en dat is ook goed', zegt Van der Sloot. 'We hebben het net nodig als basis. Maar we zijn tegelijkertijd ook een potentiële toeleverancier. Als we elektriciteit over hebben, kunnen we die bijvoorbeeld terugleveren of gebruiken voor andere toepassingen.' Daarmee verandert ook de rol van de campus. Het gaat niet langer uitsluitend om een afnemer die op ieder moment elektriciteit vraagt. Op momenten dat er lokaal een overschot is, kan de campus zelf bepalen wat daarmee gebeurt. De batterij kan worden geladen, elektrische auto's kunnen worden opgeladen of andere systemen kunnen de energie gebruiken. Ook buiten de campus ontstaan mogelijkheden. Zo kijkt de TU/e naar het laden van bussen van een nabijgelegen busstation. 'In de nacht hebben we energie over en zouden we die beschikbaar stellen om bussen te laden, zodat ze overdag kunnen rijden. De wetgeving loopt daar nog iets op achter, maar die ontwikkeling komt eraan.'

Van slim gebouw naar slim energiesysteem
Daarmee raakt GENIUS aan een grotere ontwikkeling. Volgens Visser verschuift de aandacht van afzonderlijke gebouwen en installaties naar het energiesysteem als geheel. 'Hier raken we volgens mij de kern van het verhaal. We gaan naar een integraal en dynamisch energiesysteem waarin consumenten en producenten onderdeel zijn van één geheel. Het gaat erom vraag en aanbod op het juiste moment bij elkaar te brengen.' Daarbij pakt ook de netbeheerder een andere rol. Wanneer ergens op het elektriciteitsnet een congestieprobleem dreigt, gaat een netbeheerder partijen vragen om tijdelijk minder elektriciteit af te nemen. Een batterij, gebouw of ander flexibel systeem kan die vraag vervolgens opvangen.

Op verschillende plaatsen in Nederland ontstaan inmiddels energiehubs waarin bedrijven, gebouwen en energiebronnen lokaal met elkaar worden verbonden. De volgende stap is volgens Van der Sloot om die systemen in dezelfde regio ook daadwerkelijk met elkaar te laten communiceren. 'Op onze campus hebben we GENIUS. Er zijn inmiddels meerdere energiehubs in Nederland. Het interactief schakelen tussen die hubs is wat mij betreft de volgende stap.' Dat vraagt ook om samenwerking tussen verschillende netbeheerders en regio's. Een lokaal energiesysteem kan veel oplossen, maar uiteindelijk zijn de verschillende systemen onderdeel van één elektriciteitsnet.

'Je hebt in Nederland verschillende netbeheerders die ieder verantwoordelijk zijn voor een regio. Binnen zo'n regio moet je eerst kijken wat er mogelijk is. Maar als je uiteindelijk ook netbeheerders met elkaar kunt verbinden, ontstaan er nog meer mogelijkheden.'

Niet alleen een energietransitie
Voor Van der Sloot gaat het toekomstige energiesysteem over meer dan elektriciteit en netcapaciteit. Een belangrijke vraag is waar de materialen vandaan komen waarmee dat systeem wordt gebouwd. 'Van oudsher hebben we gebruikgemaakt van fossiele energie. Nu maken we de transitie naar duurzame energie. Maar als je met de bril van vandaag het energiesysteem van de toekomst gaat bouwen, moet je voorkomen dat je daarmee het probleem van de toekomst creëert.' Daarom kijkt EIRES binnen GENIUS en het bredere onderzoeksprogramma ook naar kritieke grondstoffen. Batterijen zijn daarvan een duidelijk voorbeeld. Voor GENIUS is gekozen voor een kobaltvrije batterij. Tegelijkertijd onderzoekt de TU/e welke materialen in toekomstige energiesystemen nodig zijn en hoe kritieke grondstoffen kunnen worden vervangen door duurzamere alternatieven.

'We zitten niet alleen in een energietransitie, maar ook in een materialentransitie. Die twee gaan gelijk op. We willen snelheid maken met de energietransitie, maar moeten tegelijkertijd kijken naar de kritieke materialen die daarvoor nodig zijn. Welke eigenschappen hebben we nodig om een batterij goed te laten functioneren? En kunnen we nieuwe materialen ontwikkelen uit duurzamere grondstoffen die dezelfde kwaliteit bieden?' Dat onderzoek stopt niet wanneer een batterij op de campus staat. Juist de praktijk levert nieuwe gegevens op waarmee onderzoekers verder kunnen.

Van elektriciteit naar meerdere energiedragers
GENIUS groeit daarmee geleidelijk uit tot een veelomvattend energiesysteem op de campus. Naast elektriciteit en warmte speelt ook waterstof een rol. Een elektrolyzer maakt met duurzaam opgewekte elektriciteit groene waterstof. Die waterstof kan vervolgens worden opgeslagen in ijzerpoeder. 'Waterstof is gevaarlijk spul als je het niet netjes opslaat. IJzerpoeder is hier een gedegen oplossing. Zo ontwikkelen onze wetenschappers een bijzondere warmtebron die interessant kan zijn voor industriële toepassingen.' Daarmee wordt duidelijk waarom GENIUS meer is dan een project om een netcongestieprobleem op te lossen. De campus wordt een omgeving waarin verschillende energiedragers en technologieën daadwerkelijk met elkaar kunnen worden getest.

Data als nieuwe energiebron
Een belangrijke opbrengst van het project zit niet alleen in hardware. GENIUS produceert grote hoeveelheden data. Die real time data geven inzicht in het gedrag van gebouwen, installaties, energieopwekking en opslag. Gegevens die de basis vormen voor de voorspellende modellen waarmee onder meer de digital twin werkt. Hoe beter het systeem leert hoe een gebouw en zijn installaties reageren, hoe nauwkeuriger het kan voorspellen wanneer energie nodig is en waar flexibiliteit beschikbaar is. Zo ontstaat een zichzelf versterkende ontwikkeling. De batterij vangt pieken op, het EMS verdeelt de beschikbare energie, de gebouwen leveren thermische flexibiliteit, de digital twin voorspelt het gedrag en de verzamelde data maken verdere optimalisatie mogelijk. Behalve optimalisatie zorgt deze data dus ook voor meer energiezekerheid en levert tevens een bijdrage aan de energiezekerheid bij het optreden van incidenten en het herstel van het energienet.

Voor de TU/e is GENIUS daarmee vooral een manier om vooruit te kijken. Niet naar één oplossing voor netcongestie, maar naar een energiesysteem waarin verschillende technologieën en energiedragers samenkomen. 'We zijn gewend om te denken in elektriciteit en aardgas. Maar er zijn veel meer energiedragers. Bij GENIUS hebben we het over elektriciteit, warmte en moleculen. Uiteindelijk gaat het erom dat die verschillende systemen met elkaar gaan samenwerken.'

Precies daar ligt volgens Van der Sloot de volgende uitdaging. De energietransitie vraagt niet om één grote technische doorbraak, maar om steeds betere verbindingen tussen systemen, disciplines en partijen. De campus van de TU/e is daarvoor een geschikte proeftuin. Wat daar wordt getest, kan uiteindelijk onderdeel worden van het energiesysteem van Nederland.

Kennissessie op Vakbeurs Energie
Woon hun kennissessie 'Zo lost TU Eindhoven netcongestie op' bij - op Vakbeurs Energie!